KR101345267B1 - 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬러리 상태의 세라믹 혼합재료를 주형에 주입한 다음 수분을 주형 외부로 신속하게 배출하여 세라믹 분말성형체로 건조한 다음 건조된 세라믹 분말성형체를 원하는 형태로 가공한 후 가열 소결하여 세라믹 성형품을 제조하는 강압 고화식 세라믹 슬립성형방법 및 그 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 성형 공간에 주입된 세라믹 혼합 재료의 밀도를 동일하게 유지하는 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치는 천공된 복수의 배출공으로 수분을 배출하며, 판상 형태를 갖는 하부 부재 및 상부 부재를 포함하며, 상기 하부 부재와 상기 상부 부재의 사이에 형성되며, 일정 높이를 갖고 내부가 비어 있으며, 수분이 포함된 세라믹 혼합 재료가 주입되는 적어도 하나의 주입공이 천공되어 있는 측부 부재를 포함하는 성형틀, 상기 성형틀의 내측에 형성되는 여과 수단, 상기 주입공의 개수는 상기 성형틀의 크기 및 형태에 따라 달라짐을 특징으로 한다.

Description

강압 고화식 세라믹 슬립성형장치{The Ceramic slip casting equipment of strong-pressure high dry powder jet-type}

본 발명은 슬러리 상태의 세라믹 혼합재료를 주형에 주입한 다음 수분을 주형 외부로 신속하게 배출하여 세라믹 분말성형체로 건조한 다음 건조된 세라믹 분말성형체를 원하는 형태로 가공한 후 가열 소결하여 세라믹 성형품을 제조하는 강압 고화식 세라믹 슬립성형 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 성형 공간에 주입된 세라믹 혼합 재료의 밀도를 동일하게 유지하는 세라믹 슬립성형 장치에 관한 것이다.

고순도의 무기 화합물을 원료로 하여 만든 요업 제품인 파인세라믹스(fine ceramics)는 특히 내열성, 내마모성, 내식성, 전기 절연성이 뛰어나 고온용 기계 및 부품, 인공골, 전자 부품 등을 만드는 데 주로 사용되고 있으며, 파인세라믹스의 주원료로는 알루미나(Alumina; Al₂O₃), 지르코니아(Zirconia; ZrO₂), 질화규소(SiN), 탄화규소(SiC) 등이 대표적으로 잘 알려져 있다.

이러한 파인세라믹스는 건식 프레스성형이나 압출성형, 시트성형, 사출성형 및 슬립성형 등과 같은 다양한 세라믹 성형방법에 의해 적의의 물성과 형태를 갖는 완성된 성형품으로 제조되어지는데, 다양한 세라믹 성형방법 중 하나인 세라믹 슬립성형(slip casting)방법은 세라믹 분말을 물과 같은 액체에 풀어 유동상태(流動狀態)로 된 슬러리(slurry) 상태의 세라믹 혼합재료를 석고주형에 주입한 다음 액체(수분)를 석고주형으로 배출(또는 흡수)시킴으로써 고화(固化)된 성형체를 만들고 이를 가열소결(加熱燒結)과정을 거쳐 적의의 물성과 형태를 가진 완성된 성형품으로 만드는 것이다.

그러나 상술한 바와 같은 세라믹 슬립성형방법은 액체가 석고주형으로 자연(自然)적으로 서서히 배출(또는 흡수)되기 때문에, 즉 슬러리 상태의 세라믹 혼합재료가 고화되어 일정두께의 성형체가 되기까지 상당한 시간이 요구되기 때문에 생산성이 떨어지는 문제점이 지적된다. 따라서 내부까지 건조시키지않고 외부를 일정두께까지만 건조시키는 항아리형태의 용기종류에 한정적으로 사용될 수 밖에 없었다.

또한, 석고주형에 액체가 일정량 이상 흡수되면 석고주형은 흡수성을 거의 상실하여 석고주형도 자주 교체하여야 하므로 작업효율도 떨어지는 문제점도 있으며, 또한, 일반적인 세라믹 슬립성형방법에 의해 제조되는 세라믹 성형품은 석고주형의 흡수정도를 획일화시키기가 힘들기 때문에 타 세라믹 성형방법에 의해 제조된 세라믹 성형품에 비해 치수정밀도가 떨어지는 문제점도 지적되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 공개번호 제 2009-0108464호는 성형재료를 고압으로 주입하는 방안을 제안하고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 세라믹 성형 공간 내부로 주입된 세라믹 성형 재료의 밀도를 동일하게 유지하는 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 세라믹 성형 공간 내부로 주입된 세라믹 성형 재료에 포함되어 있는 수분을 신속하게 외부로 배출하는 방안을 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치는 천공된 복수의 배출공으로 수분을 배출하며, 판상 형태를 갖는 하부 부재 및 상부 부재를 포함하며, 상기 하부 부재와 상기 상부 부재의 사이에 형성되며 일정 높이를 갖고 내부가 비어 있으며, 수분이 포함된 세라믹 혼합 재료가 주입되는 적어도 하나의 주입공이 천공되어 있는 측부 부재를 포함하는 성형틀, 상기 성형틀의 내측에 형성되는 여과 수단, 상기 주입공의 개수는 상기 성형틀의 크기 및 형태에 따라 달라짐을 특징으로 한다.

부가하여, 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치는 상기 세라믹 성형 재료에 포함되어 있는 수분을 흡인하기 위한 흡인펌프를 포함하며, 상기 성형틀과 성형틀의 외부에 형성되어 있는 흡인용 감압쳄버 사이에 형성되는 흡인공간과 상기 흡인펌프를 연결하는 흡인관을 포함하며, 상기 흡인관은 상기 흡인용 감압쳄버에 천공되어 있는 흡인공을 통해 상기 흡인공간으로 연결된다.

본 발명에서 제시하는 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치는 주입압력 및 흡인압력을 이용하여 성형틀 내부에 주입된 성형재료로부터 수분을 신속하게 배출하여 생산성과 가공성이 뛰어나고, 성형틀도 반영구적으로 사용이 가능하여 작업효율도 뛰어난 세라믹 슬립성형방법을 실현할 수 있고, 수분을 제외한 성형재료 입자는 물리적인 힘(압력)에 의해 더욱더 조밀한 상태로 될 수 있어 최종 완성된 세라믹 성형품은 보다 뛰어난 물성을 가질 수 있으며, 소결단계를 거치기 전에 정밀가공이 가능하여 세라믹 성형품의 치수정밀도도 향상시킬 수 있는 등 그 기대되는 효과가 실로 유익한 발명이다.

또한 복수의 주입공을 형성하여 성형공간 내부에 주입된 세라믹 혼합 재료의 밀도를 동일하게 유지함으로써 보다 뛰어난 물성을 갖는 세라믹 성형품을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 강압 고압식 세라믹 슬립성형장치를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 성형 공간을 형성하는 성형틀의 구성을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 강압 고압식 세라믹 슬립성형장치를 도시한 다른 도면이다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 강압 고압식 세라믹 슬립성형장치를 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 강압 고압식 세라믹 슬립성형장치에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 1에 의하면, 강압 고압식 세라믹 슬립성형장치는 압력 펌프, 교반기, 재료 공급관, 주입공, 성형틀, 배출공, 흡인용 감압쳄버, 여과 수단, 배수공, 흡인관, 흡인공을 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 강압 고압식 세라믹 슬립성형장치에 포함될 수 있음은 자명하다.

압력펌프(100)는 교반기(102) 내부로 공기를 불어넣어 가압한다. 교반기(102)는 세라믹 분체 및 첨가제, 물을 혼합하여 이루어진 세라믹 혼합재료(A)를 재료 공급관(104)을 통해 성형 공간(B)으로 밀어넣는다. 즉, 교반기(102) 내부에 있는 세라믹 혼합재료(A)는 압력펌프(100)의 압력에 의해 성형 공간으로 이동하게 된다. 세라믹 혼합 재료(A)는 교반기(102)에서 불용성의 고체 미립자를 서스펜션 상태로 함유한 유동성을 지닌 고체와 액체의 혼합물인 슬러리상태로 혼합되어 진다.

재료 공급관(104)은 교반기(102)에 있는 세라믹 혼합 재료(A)를 성형공간(B)으로 이동시키는 기능을 수행한다.

성형 공간(B)은 복수의 성형틀(108)로 구성된다. 성형 공간을 구성하고 있는 성형틀에 대해서는 도 2에서 알아보기로 한다.

성형틀(108)의 내면 둘레에는 수분배출은 허용하되 수분을 제외한 입자재료의 배출은 차단하는 여과수단(112)이 구비된다. 여과수단(112)은 한지가 가장 이상적이나 여과지, 부직포 등과 같은 것을 사용하는 것도 가능하다.

배출공(110)은 압력펌프(100)에 의한 주입압력과 흡인펌프(116)에 의한 흡인압력과 함께 세라믹 혼합 재료(A)의 수분이 성형틀(108)의 외부로 빠져나가는 통로역할을 하는 것으로써, 성형틀(108)에 다수를 고르게 형성하는 것이 바람직하다.

흡인용 감압쳄버(114)는 내부에 흡인공간(C)을 마련하고 있으며, 일측에는 흡인펌프(116)를 구비하며, 하측에는 배수공(122)을 형성하여 이루어지는 것으로, 성형틀(108) 내부로 주입된 세라믹 혼합 재료(A)의 수분은 흡인공간(C)으로 배출된 다음 배수공(122)을 통해 흡인용 감압쳄버(114)의 외부로 배출되어 진다.

배수공(122)은 배출공(110)에 의해 흡인용 감압쳄버(114)의 외부로 배출된 수분을 세라믹 슬립성형장치의 외부로 배출하는 기능을 수행한다. 배수공은 흡인펌프가 공기를 흡인하는 경우에는 흡인펌프의 효과를 보기 위해 개폐가 가능한 개폐부(124)를 포함한다. 개폐부(124)는 흡인펌프가 구동하는 경우에는 폐쇄되며, 흡인용 감압쳄버의 고여있는 수분을 배출하는 경우에는 개방된다.

또한 흡인펌프(116)는 흡인관(118)을 이용하여 흡인공간과 연결되며, 이를 위해 흡인용 감압쳄버에 흡인관(118)을 삽입할 수 있는 흡인공(120)이 형성된다.

흡인펌프(116)는 흡인용 감압챔버(114) 내부에 위치하고 있는 공기를 흡인하여(114) 성형공간(B)상에 주입되어 있는 세라믹 혼합 재료(A)의 수분을 흡인용 감압챔버(114)의 외부로 배출되도록 한다. 상술한 바와 같이 성형틀(108)의 내측에는 여과 수단(112)이 형성되어 있으므로 성형공간(B)상에 주입되어 있는 세라믹 성형 재료(A)는 외부로 배출되지 않고 수분만 외부로 배출된다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 성형 공간을 형성하는 성형틀을 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 성형틀에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 2에 의하면, 성형틀은 하부 부재, 측부 부재, 상부 부재로 구성된다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 형태로 구성될 수 있다. 도 2(a)는 상방에서 바라본 하부 부재와 상부 부재를 도시하고 있으며, 도 2(b)는 상방에서 바라본 측벽 부재를 도시하고 있다.

하부 부재(a)는 일정한 두께를 평평한 직사각형 형태로 구성되어 있다. 하부 부재(a)는 세라믹 혼합 재료에 포함되어 있는 수분을 배출하기 위한 복수의 배출공이 형성되어 있다. 배출공의 개수 및 형태는 하부 부재의 크기 및 두께에 따라 달라질 수 있다.

상부 부재(a)는 하부 부재와 동일한 형태로 구성되는 것이 바람직하나, 배출공의 개수 및 형태는 하부 부재와 달라질 수 있음은 자명하다.

측부 부재(b)는 내부가 비어 있는 일정한 두께를 갖는 직사각형 형태로 구성된다. 측부 부재(b)는 적어도 하나의 주입공이 형성되어 있다.

일반적으로 세라믹 혼합 재료가 성형 공간에 주입될 때 주입공이 형성되어 있는 부분에 인접한 공간에 주입되는 세라믹 혼합 재료의 밀도와 주입공이 형성되어 있는 부분으로부터 멀리 떨어져 있는 공간에 주입되는 세라믹 혼합 재료의 밀도는 차이가 발생한다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 복수의 주입공을 측부 부재에 형성한다.

부가하여 본 발명은 단순히 복수의 주입공을 측부 부재에 형성하는 것이 아니라 성형공간을 복수의 영역으로 구분하고, 각 영역에 주입된 세라믹 혼합 재료의 밀도를 측정한다. 밀도가 제일 높은 영역의 밀도와 밀도가 제일 낮은 영역의 밀도의 차이가 임계치 이상이면 측부 부재에 복수의 주입공을 형성한다. 즉, 밀도가 제일 높은 영역의 밀도와 밀도가 제일 낮은 영역의 밀도의 차이가 임계치 이하이면 측부 부재에 하나의 주입공을 형성한다.

또한, 복수의 주입공을 형성하는 경우에도 성형틀의 형태에 따라 주입공을 형성하는 위치가 달라진다. 즉 밀도가 제일 높은 영역과 밀도가 제일 낮은 영역의 밀도 차이를 최소화할 수 있도록 주입공의 위치 및 개수를 설정한다.

이하에서는 밀도에 따른 주입공의 위치 및 개수가 달라지는 경우에 대해 알아보기로 한다.

주입공의 위치 및 개수는 측부 부재의 두께에 따라 달라진다. 측부 부재의 두께에 비례하여 주입공의 개수가 증가된다. 즉, 측부 부재의 두께가 두꺼울수록 성형공간의 부피 역시 증가하게 되며 따라서 균일한 밀도로 성형공간에 세라믹 혼합 재료를 주입하기 위해서는 복수의 주입공을 형성한다. 물론 형성되는 주입공은 상술한 바와 같이 밀도가 높은 영역과 밀도가 낮은 영역의 밀도차를 최소할 수 있는 부분에 형성된다.

주입공의 위치 및 개수는 측부 부재의 형상에 따라 달라진다. 즉, 가로 방향과 세로 방향을 갖는 측부 부재에서 특정 방향의 길이가 다른 방향에 비해 상대적으로 긴 경우(일예로 세로 방향의 길이가 긴 경우) 상술한 바와 같이 성형공간에 세라믹 혼합 재료가 균일하게 주입되지 않는다. 따라서 균일한 밀도로 성형공간에 세라믹 혼합 재료를 주입하기 위해서는 복수의 주입공을 형성한다. 물론 형성되는 주입공은 상술한 바와 같이 밀도가 높은 영역과 밀도가 낮은 영역의 밀도차를 최소할 수 있는 부분에 형성된다.

물론 주입공의 개수가 많으면 많을수록 성형공간의 각 영역에 주입되는 세라믹 혼합 재료의 밀도는 동일하게 된다. 하지만, 주입공의 개수가 많으면 제작 단가가 상승하며, 기타 단점이 발생하면 최적의 개수로 주입공을 형성해야 한다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 성형틀에 형성되어 있는 주입공과 배출공의 상대적인 위치를 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 성형틀에 형성되어 있는 주입공과 배출공의 상대적인 위치에 대해 알아보기로 한다.

상술한 바와 같이 성형틀을 구성하고 있는 측벽부재에는 주입공을 형성하며, 상부부재 또는 하부부재는 배출공을 형성한다. 본 발명은 주입공이 형성되어 있는 부분과 상대적으로 먼거리에 위치하고 있는 상부부재 또는 하부부재에는 많은 배출공을 형성한다. 즉, 주입공이 형성되어 있는 부분에는 세라믹 혼합 재료의 밀도가 높은 반면 주입공이 형성되지 않은 부분은 세라믹 혼합 재료의 밀도가 낮게 된다. 따라서 세라믹 혼합 재료의 밀도가 낮은 부분에는 상대적으로 많은 수의 배출공을 형성하여 수분의 흐름을 세라믹 혼합재료의 밀도가 높은 쪽에서 세라믹 혼합 재료의 밀도가 낮은 쪽으로 유도한다. 이와 같이 수분의 흐름이 세라믹 혼합재료의 밀도가 높은 쪽에서 세라믹 혼합재료의 밀도가 낮은 쪽으로 이동하게 되면, 주입공으로부터 주입된 세라믹 혼합 재료 역시 동일한 방향으로 이동하게 된다.

이와 같이 세라믹 혼합 재료의 이동에 의해 주입공이 형성되어 있는 부분의 세라믹 혼합 재료의 밀도와 주입공이 형성되어 있지 않은 부분의 세라믹 혼합 재료의 밀도는 동일하게 된다.

또한 도 3은 주입공의 개수와 교반기의 개수가 동일한 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 하나의 교반기에서 복수 개의 재료 공급관을 분기시켜 복수 개의 주입공으로 연결할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100: 압력펌프 102: 교반기
104: 재료 공급관 106: 주입공
108: 성형틀 110: 배출공
112: 여과수단 114: 흡인용 감압챔버
116: 흡인펌프 118: 흡인관
120: 흡인공 122: 배수공
124: 개폐부 2(a): 상부부재, 하부부재
2(b): 측부부재

Claims (3)

1. 천공된 복수의 배출공으로 수분을 배출하며, 판상 형태를 갖는 하부 부재 및 상부 부재를 포함하며,
   상기 하부 부재와 상기 상부 부재의 사이에 형성되며, 일정 높이를 갖고 내부가 비어 있으며, 수분이 포함된 세라믹 혼합 재료가 주입되는 적어도 두 개의 주입공이 천공되어 있는 측부 부재를 포함하는 성형틀;
   상기 성형틀의 내측에 형성되는 여과 수단;
   상기 주입공의 개수는 상기 성형틀의 크기 및 형태에 따라 달라지며,
   주입공이 형성된 부분으로부터 먼 거리에 위치하는 부분에 형성된 배출공의 개수는 주입공이 형성된 부분으로부터 상대적으로 가까운 거리에 위치하고 있는 부분에 비해 상대적으로 많은 수의 배출공을 형성됨을 특징으로 하는 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 성형 재료에 포함되어 있는 수분을 흡인하기 위한 흡인펌프를 포함하며,
   상기 성형틀과 성형틀의 외부에 형성되어 있는 흡인용 감압쳄버 사이에 형성되는 흡인공간과 상기 흡인펌프를 연결하는 흡인관을 포함하며,
   상기 흡인관은 상기 흡인용 감압쳄버에 천공되어 있는 흡인공을 통해 상기 흡인공간으로 연결되는 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 흡인용 감압쳄버는 상기 배출공을 통해 배출된 수분을 외부로 배출하기 위한 배수공을 포함하며, 상기 배수공을 개폐하기 위한 개폐부를 포함함을 특징으로 하는 강압 고화식 세라믹 슬립성형장치.

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