Metal Injection Molding (MIM) is attractive because it produces consistent, complex-geometry components for high-volume, high-strength, and high-performance applications. Also MIM using in optical communication field, display field, and semi-conductor field is a cost-effective alternative to metal m...
Metal Injection Molding (MIM) is attractive because it produces consistent, complex-geometry components for high-volume, high-strength, and high-performance applications. Also MIM using in optical communication field, display field, and semi-conductor field is a cost-effective alternative to metal machining or investment casting parts. It offers tremendous single-step parts consolidation potential and design flexibility. The objective of this paper is to study the suitability of design, flow analysis, debinding and sinterin processes, and capability analysis. The suitable injection conditions were 0.5~1.5 second filling time, 11.0~12.5 MPa injection pressure derived from flow analysis. The gravity of the product is measured after debinding an sintering. The maximum and minimum gravity levels are 7.5939 and 7.5097. the average and standard deviation are 7.5579 and 0.0122; when converted into density, the figure stands at 98.154%. According to an analysis of overall capacity, PPM total, which refers to defect per million opportunities(DPMO), stands at 166,066.3 Z.Bench-the sum of defect rates exceeding the actual lowest and highest limits-is 0.97, which translates into the good quality rate of around 88.4% and the sigma level of 2.47.
Metal Injection Molding (MIM) is attractive because it produces consistent, complex-geometry components for high-volume, high-strength, and high-performance applications. Also MIM using in optical communication field, display field, and semi-conductor field is a cost-effective alternative to metal machining or investment casting parts. It offers tremendous single-step parts consolidation potential and design flexibility. The objective of this paper is to study the suitability of design, flow analysis, debinding and sinterin processes, and capability analysis. The suitable injection conditions were 0.5~1.5 second filling time, 11.0~12.5 MPa injection pressure derived from flow analysis. The gravity of the product is measured after debinding an sintering. The maximum and minimum gravity levels are 7.5939 and 7.5097. the average and standard deviation are 7.5579 and 0.0122; when converted into density, the figure stands at 98.154%. According to an analysis of overall capacity, PPM total, which refers to defect per million opportunities(DPMO), stands at 166,066.3 Z.Bench-the sum of defect rates exceeding the actual lowest and highest limits-is 0.97, which translates into the good quality rate of around 88.4% and the sigma level of 2.47.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 가장 일반적으로 적용되고 있는 기존의 단일 열분해 탈지공정 전에 용매탈지를 실시하여 탈지 공정 소요시간 단축 및 금속분말 사출성형 프로세스에 대한 연구를 수행하고자 한다.
제안 방법
2차 열분해 탈지공정 실험을 위해 용매탈지된 시료를 이용하여 열분해 탈지 후 결함이 발생되지 않는 범위내의 몇 가지 스케쥴을 적용하여 실험하였으며, 최종적으로 Table 2 와 같은 스케쥴을 도출 및 적용하였고, 도출된 스케쥴과 기존의 오랜 시간이 소요되었던 단일열분해 탈지와의 비교를 해 본 결과 Fig. 5와 같은 선도를 얻을 수 있었다. 그림에 나타낸 바와 같이 2차 열분해 탈지는 기존 단일 열분해 탈지에 비교하여 그 소요시간이 약 32%의 수준인 약 14시간이 소요됨을 알 수 있었으며, 용매탈지에 소요된 시간을 고려하더라도 약 35% 미만인 15시간 정도가 소요됨을 알 수 있었다.
금속분말사출성형에 의한 부품개발 공정은 금속분말과 바인더를 혼합하여 혼련 후 알갱이 모양으로 잘게 부수고, 이를 원하는 모양으로 사출성형한 후 사출성형체에서 바인더를 제거시키고 소결시키는 공정을 거쳐 수행하였다. 물론 소결체를 더 조밀하게 하거나, 열처리 또는 기계가공 등을 거쳐 더욱 정밀한 제품을 양산하기 위한 공정 등이 있으나 본 연구에서는 특별한 후가공 및 후공정 없이 제품을 완성하기 위한 기본 프로세스를 Fig.
금형설계를 위해서는 최종제품의 치수 및 형상을 설계 후 수축률을 고려한 사출성형체(green body)에 대한 설계를 하였으며, 이후 냉각 및 기계적 메카니즘을 고려한 금형 설계를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 사출된 성형체의 소결에 의한 체적수축률을 약 18.7%로 선정하여 바인더의 종류 및 혼합비를 조절하였으며 也 이 수축률을 고려하여 사출성형체의 형상 및 치수(직경 4.2mm, 길이 18.0mm)를 최종적으로 결정하여 금형설계 및 이를 사출하기위한 2 Cavity 금형을 제작하였다.
물론 소결체를 더 조밀하게 하거나, 열처리 또는 기계가공 등을 거쳐 더욱 정밀한 제품을 양산하기 위한 공정 등이 있으나 본 연구에서는 특별한 후가공 및 후공정 없이 제품을 완성하기 위한 기본 프로세스를 Fig. 1과 같이 수행한 후 비중을 측정하여 공정능력을 분석하였다.
본 연구에서는 가장 일반적으로 적용되고 있는 기존의 단일 열분해 탈지공정 전에 용매탈지를 실시하여 탈지공정 소요 시간 단축 및 금속분말 사출성형 프로세스에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
용매탈지 공정에 사용한 용매는 노말 헥산(N-hexan)을 사용하였으며, 시료는 임의로 10개씩 채취하여 40℃, 50℃, 55℃ 조건에서 약 1시간 가량 실시하여 5분마다 중량 차이를 관찰하였다, 또한, 용매의 일정한 온도유지를 위해 핫플레이트(hot plate)를 사용하였으며 용매의 균일한 온도분포 및 열전달을 위해 교반기(stirrer)를 바닥면에 설치하여 지속적인 회전이 이루어질 수 있도록 하였다.
용매탈지 및 2차 열분해 탈지를 거친 성형체들을 최종온도 l, 300℃에서 3시간 동안 수소 분위기에서 소결을 실시한 후 제품을 무작위 샘플링하여 인장시편 및 비커스 경도 시 편을 제작 및 물리적 특성시험을 실시하였다. 비커스 경도계를 이용하여 총 30회를 시험한 결과 평균 556.
4는 사출에 의하여 얻어진 성형체와 탈지 및 소결 공정이 완료된 제품의 형상을 나타내고 있다. 이와 같이 사출된 성형체의 용매탈지 및 열분해탈지와 소결을 모두 동일 조건으로 수행하였으며, 최종적으로 Lot별 40개씩 6회에 걸쳐 총 240개의 시료를 임의적으로 채취하여 시료에 대한 비중을 측정한 후 통계적 분석을 실시하였다.
해석에 의하여 조건을 도출한 내용으로서는 충진시간, 사출 온도 및 압력 등을 도출하였으며, 이들 조건은 현재 보유하고 있는 사출기의 사양 및 분말에 최적화 시켰다.
해석을 위해 적용된 조건은 유사한 크기 및 형상의 세라믹 사출 금형을 제작한 사전연구 경험 및 데이터를 통하여 검증된 사출조건을 선 부여하고 사출압력, 온도, 속도 등을 변경하며 반복해석에 의해 최적의 해석결과를 도출하는 방식을 적용하였다.
대상 데이터
본 연구의 금속분말사출을 위한 금속분말은 약 2.0㎛ 입자 크기의 STS316 금속분말을 사용하였으며, 바인더로서는 PE, PW, SA 디부틸부탈레이트 등을 사용하였다. 금속분말과 바인더의 혼합비는 62:38(Vol.
이론/모형
금형설계에 대한 적절성 및 검증을 위하여 제품의 모델링 및 유동해석을 병행하여 설계에 반영하였으며, 사용된 소프트웨어는 UGNX4.0, SolidWorks2005, Hyper Mesh7.1, Mold Flow 5.1(MPI)이다.
성능/효과
(1) 사출성형체를 노말헥산 용매를 사용하여 40℃, 50℃, 55℃ 조건에서의 용매탈지를 실시한 결과 탈지 시작 후약 10분 이내에서 전체 탈지되는 바인더양의 약 70%가 이루어지며, 용매온도가 높을수록 탈지되는 속도가 높아지나 고온인 55℃에서는 일부의 제품에서 크랙이 발생하였으므로 에서 용매탈지한 경우가 가장 우수하였다.
(2) 2차 열분해 탈지는 기존 단일 열분해 탈지에 비교하여 용매 탈지에 소요되는 시간을 포함하여 약 35% 미만인 15시간 정도가 소요됨을 알 수 있다.
(3) 최종소결된 제품의 물리적 특성은 평균 556.KHV 0.
(4) 본 연구에서 수행한 프로세의 전체 공정능력(Overall Capability)을 나타내는 PPM Totale 166, 066.3, Bench 값은 0.97로 나타났으며, 이를 양품률로 환산하면 약 83.4%에 해당하며, 2.47 시그마 레벨로 분석되었다.
5와 같은 선도를 얻을 수 있었다. 그림에 나타낸 바와 같이 2차 열분해 탈지는 기존 단일 열분해 탈지에 비교하여 그 소요시간이 약 32%의 수준인 약 14시간이 소요됨을 알 수 있었으며, 용매탈지에 소요된 시간을 고려하더라도 약 35% 미만인 15시간 정도가 소요됨을 알 수 있었다.
57 사이에 대체적으로 많은 개체수가 분포되어 전체적으로 정규분포 형태를 보임을 알 수 있다. 따라서 일반적으로 STS316의 경우 7.7 정도의 비중으로 알려져 있으나 본 연구에서는 평균적으로는 약 98.154%를 나타내었다.
그림에 나타난바와 같이 용매탈지 시작 후 약 10분 이내에서 전체 탈지되는 바인더양의 약 70%가 이루어지며, 시간이 지날수록 중량의 변화가 점차 감소하여 약 25분 이후부터는 그 양이 현저히 저하됨을 알 수 있다. 또한 용매의 온도가 높을수록 바인더의 탈지되는 속도가 현저히 높아짐을 알 수 있었다. 그러나 Photo.
제작 및 물리적 특성시험을 실시하였다. 비커스 경도계를 이용하여 총 30회를 시험한 결과 평균 556.1(HV 0.1)의 경도값을 나타내 었으며, 인장강도는 약 477.3Mpa의 값을 나타내었다.
97로 나타났다. 이와 같은 결과 중 PPM 총합이 나타내는 값의 의미는 DPMO(Defect Per Million Opportunity) 숫지를 나타내는 것으로서 본 프로세스를 이용하여 백만개를 양산하였을 경우 비중 7.546 미만을 나타내는 숫자를 나타내며, 이를 양품률로 환산하면 약 88.4%에 해당하며, 2.47 시그마 레벨로 분석되었다.
0122로 나타났다. 측정된 비중의 최소값과최대값은 7.510 및 7.594로서 이를 밀도의 범위로 표현하면 약 97529~98.622%이며, 구간별 개체수 분포에서는 비중이 약 7.55-7.57 사이에 대체적으로 많은 개체수가 분포되어 전체적으로 정규분포 형태를 보임을 알 수 있다. 따라서 일반적으로 STS316의 경우 7.
후속연구
일반적으로 사출성형 공정에서 생산성을 향상시키기 위해서는 성형 사이클 타임의 단축과 다수 캐비타 금형 개발이 필수적인데 성형 사이클 타임의 단축을 위해서는 적절한 냉각시스템과 고속 사출성형기 등에 관한 연구가 필요 할 것이며(皈2), 다수 캐비티 금형에서는 각 캐비티에서 성형되는 성형품에 대한 균일한 품질의 확보를 위한 최적 성형조건의 탐색과 금형구조의 개선에 관한 연구가 선행되어야 할 것이다.
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