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KR20050058404A - 주조 공정 및 이를 수행하기 위한 물품 - Google Patents

주조 공정 및 이를 수행하기 위한 물품 Download PDF

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KR20050058404A
KR20050058404A KR1020057002911A KR20057002911A KR20050058404A KR 20050058404 A KR20050058404 A KR 20050058404A KR 1020057002911 A KR1020057002911 A KR 1020057002911A KR 20057002911 A KR20057002911 A KR 20057002911A KR 20050058404 A KR20050058404 A KR 20050058404A
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KR
South Korea
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porous powder
article
mold
powder article
powder
Prior art date
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Abandoned
Application number
KR1020057002911A
Other languages
English (en)
Inventor
지안씬 리우
마이클 엘 라이너슨
Original Assignee
익스트루드 혼 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 익스트루드 혼 코포레이션 filed Critical 익스트루드 혼 코포레이션
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Abstract

본 발명에 따른 주조품 제조 방법은 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 사용한다. 다공성 분말 물품은 쾌속 조형 공정을 이용하여 제조되는 것이 바람직하다. 다공성 분말 물품은 용융 금속이 주입되는 주형을 위한 희생 패턴으로서 사용된다. 일부 실시예는 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련하는 단계를 포함한다. 다공성 분말 물품을 사용하여 주형 및 패턴을 제조하는 방법도 개시되어 있다. 다공성 분말 물품을 구성하는 분말은 금속, 세라믹, 또는 서메트일 수 있다. 일부 실시예에서, 분말은 용융 주조 금속과 합금을 이룬다. 그 밖의 일부 실시예에서, 분말과 용융 주조 금속은 복합물을 형성한다. 다공성 분말 물품을 포함하는 희생 주형 패턴과, 이러한 희생 패턴을 포함하는 주형도 개시되어 있다.

Description

주조 공정 및 이를 수행하기 위한 물품{CASTING PROCESS AND ARTICLES FOR PERFORMING THE SAME}
본 발명은 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 포함하는 주형을 이용하여 금속 및 복합물을 주조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 주형 및 패턴의 제조 방법과, 상기 주형 및 패턴 자체에 관한 것이다. 다공성 분말 물품은 쾌속 조형 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
주물 또는 주조품은 단순히 용융 금속을 주형 내에서 고화시켜 만드는 물품이다. 주조품은 주조가 수행되는 주형의 형상을 취한다. 주조품은 많은 산업 제품 및 소비자 제품에서 부품으로서 사용된다.
사용되는 몰드의 타입은 대부분 선택된 주조 공정에 따라 결정된다. 금속 주조의 출현기로부터 지금에 이르까지, 용융 금속이 주입되는 가장 일반적인 주조 매체는 단연코 주물사이었다. 주형은 그 밖의 재료로 제조될 수 있으며, 예컨대 금속 주형, 흑연 주형 및 석고 주형 등이 있다. 대부분의 경우에, 주물이 형성되는 주형의 제조에 패턴이 사용된다. 일부 패턴은 수백번 또는 심지어 수천번 재사용될 수 있지만, 그 밖의 패턴은 주형 제조 공정 중에 파괴되는 1회 사용 패턴이다.
다수의 주조 공정이 공지되어 있고, 이들 공정은 각각 그 특유의 이점 및 단점을 갖는다. 이러한 공정으로는, 사형 주조, 인베스트먼트 주조, 중력 또는 저압 영구 주형 주조, 고압 다이캐스팅, 씩소 몰딩(thixomolding), 원심 주조, 석고 또는 셸 주형 주조, 및 용탕 단조(squeeze casting) 등이 있다.
주형 제조는 대개 비용 및 시간이 많이 드는 작업이다. 주형, 또는 주형용 패턴은 정밀한 부분까지, 때로는 복잡한 고가의 자동 가공 공정을 사용하여, 숙련자에 의해 기계 가공될 수 있다. 주조 공정에 있어서 주형 또는 패턴의 제조 요건으로 인해, 대개 첫번째 주조품의 배출 시간이 길어진다. 예컨대, 인베스트먼트 주조는 첫번째 주물을 준비하는데 3개월이 걸릴 수 있다. 다이캐스팅 및 영구 주형 주조는, 6개월에 이르는 보다 긴 소요 기간을 필요로 할 수 있다. 그러나, 새로운 제품의 설계자는 초기 구상에서 최종 부품에 이르기까지 수회에 걸쳐 디자인을 변경할 수 있기 때문에, 점차 짧은 소요 시간을 요구하고 있는 추세이다.
새로운 디자인의 3차원 모델을 신속하게 얻기 위해, 설계자는 쾌속 조형을 용할 수 있다. "쾌속 조형(rapid prototyping)"이란 용어는 컴퓨터 지원 설계(CAD) 데이터로부터 비교적 짧은 기간에 물리적 모델을 건조(建造)하는 부류의 기술을 지칭한다. 또한, 쾌속 조형은 당업계에 "고체 자유 성형 공정(solid free form fabrication processing)"으로도 알려져 있다. 쾌속 조형법은 대개 "3차원 프린터"와 관련이 있는데, 이는 3차원 프린터가 단지 2차원의 그림보다는 설계자로 하여금 그들이 설계한 컴퓨터 파일 형태의 디자인의 실제적인 3차원 견본을 보다 빠르게 형성할 수 있게 해주기 때문이다. 쾌속 조형에 의해 만들어진 모델은 많은 용도가 있다. 예컨대, 이들 모델은 동료 또는 소비자에게 의견을 전하기 위한 훌륭한 시각적 보조 수단이 된다. 또한, 쾌속 조형법에 의해 만들어진 왁스 모델은 로스트 왁스(lost wax) 주조 공정에서 패턴으로서 사용되고 있다. 쾌속 조형법은 견본 제조에 매우 적합하지만, 당업자는 쾌속 조형법의 생성물이 단순히 견본에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
상업적으로 이용 가능한 쾌속 조형 시스템의 2가지 예로는, 3차원 인쇄법(3DP)과 선택적 레이저 소결법(SLS)이 있다. 두가지 공정 모두다 층별 기초에 물리적 모델을 형성하여, 폴리머 바인더에 의해 결합된 분말제 3차원 물품을 제조한다. 이들 공정은 복잡한 내부 형태, 예컨대 통로를 갖는 대상물을 만들 수 있는데, 이러한 대상물은 다른 수단에 의해 제조될 수 없다. 3DP 공정은 개념상 잉크젯 인쇄와 유사하다. 그러나, 3DP 공정은 잉크 대신에 폴리머 접착제를 침적한다. 이 폴리머 접착제는 바람직한 대상물의 3차원 컴퓨터 표현 중에서 2차원 분할 조각에 따라 분말층 상에 인쇄된다. SLS 공정은 폴리머 코팅된 분말 물품을 융합하여 물품을 형성한다. 컴퓨터에 의해 구동되는 레이저 빔이 각 분말층을 스캐닝하고 인접 입자의 폴리머 코팅을 융합하여 이들 입자를 응집성 물품 형태로 구속시킨다.
3DP 및 SLS 공정은, 대개 분말의 충전 밀도에 따라 대개 약 30 내지 60 체적%의 분말과, 약 10 체적%의 바인더, 그리고 나머지는 빈 공간으로 이루어지는 다공성 분말 물품을 제조한다. 전술한 두가지 공정 중 어느 하나에 의해 제조되는 다공성 분말 물품은 다소 연약하며, 통상적으로 기계적 성질이 향상된 완전 조밀형 부품을 만들기 위해 열처리된다. 통상적인 열처리 공정은, 바인더 제거 단계와, 분말 소결 단계, 그리고 소결된 물품에 제2 용융 금속을 스며들게 하는 단계로 이루어진다.
도 1a 내지 도 1d는 통상의 쾌속 조형 공정에 의해 다공성 분말 물품을 형성하는 연속적인 단계를 예시하는 것으로,
도 1a는 다공성 분말 물품의 단일층을 형성하는 3개의 단계를 예시하고,
도 1b는 부분적으로 완성된 단계의 다공성 분말 물품을 예시하며,
도 1c는 최종 층이 프린팅된 이후의 다공성 분말 물품을 예시하고,
도 1d는 완성된 다공성 분말 물품을 예시한다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1에 예시된 다공성 분말 물품을 이용하는 방법의 연속적인 단계를 예시하는 것으로,
도 2a는 세라믹의 내화 코팅이 외면 및 내면에 형성된 이후의 다공성 분말 물품을 예시하고,
도 2b는 거푸집 내에서 도 2a에 도시된 다공성 분말 물품 주위에 주물사를 채워넣고 이를 예열하여 주형을 형성하는 단계를 예시하며,
도 2c는 도 2b의 주형 안으로 용융 금속을 주입하는 단계를 예시하고,
도 2d는 도 2c에 도시된 단계에서 주조된 물품을 고화 및 냉각하는 단계를 예시하며,
도 2e는 주물사를 제거한 이후에 도 2d의 주조품을 예시하고,
도 2f는 탕구를 제거한 이후에 도 2e의 주조품을 예시한다.
본 발명은 약 80% 미만의 상대 밀도를 갖는 다공성 분말 물품을 희생 주조 패턴으로서 사용한다는 사상에 기초한다. 상대 밀도는 백분율로 표현되며, 다공성 분말 물품이 실제로 갖는 밀도와 다공성 분말 물품에 공극 또는 폴리머 바인더가 없는 경우에 다공성 분말 물품이 갖는 밀도와의 비율이다. 완전 조밀 물품의 상대 밀도는 100%이다. "다공성 분말 물품"이라 구절에 사용된 "다공성"이란 용어는 분말 물품이 완전 조밀하지 않다는 것을 나타낸다. 다공성 분말 물품은 낮은 상대 밀도, 예컨대 30 내지 40%의 밀도를 가져서, 그에 상응하게 많은 용융 금속이 주형 안으로 주입될 수 있게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일부 실시예는 쾌속 조형 기술과 통상의 주조법을 함께 사용하여, 짧은 소요 기간에 주조품을 제조할 수 있게 한다. 이러한 실시예에서, 폴리머 바인더에 의해 결합된 분말로 이루어진 다공성 분말 물품은 쾌속 조형 기술에 의해 제조된다. 주형은 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 사용하여 제조되는데, 여기서 다공성 분말 물품은 거푸집에서 주물사에 의해 둘러싸인다. 거푸집 조립체를 가열하여 다공성 분말 물품의 폴리머 바인더를 제거 또는 분해한다. 용융 금속은 다공성 분말 물품을 포함하는 주형 안으로 주입되는데, 여기서 다공성 분말 물품은 용융 금속의 온도에 따라 완전히 용융될 수도 있고 부분적으로 용융될 수도 있으며, 그 후 용융 금속과 함께 고화하여 주조품을 형성한다. 일부 바람직한 실시예에서는, 다공성 분말 물품 주변을 주물사로 채우기 이전에, 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련한다.
또한, 다공성 분말 물품은 다른 공정에 의해 제조될 수도 있다. 이러한 공정의 예로는, 다이 압축(die compaction), 냉간 등압 성형, 및 유리(遊離) 분말의 소정 형태로의 소결 등이 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. 일부 경우에, 쾌속 조형법이 아닌 다른 방법에 의해 제조된 다공성 분말 물품을 희생 주조 패턴으로서 사용하면, 초기 설계에서 주조에 이르는 시간을 줄일 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 전술한 바와 같이 쾌속 조형법을 사용하면 지금까지 알려지지 않은 주형 제조법이 제공된다.
다공성 분말 물품은 그 주변에 형성되는 주물사 또는 세라믹 셸의 형상을 결정하는 희생 주조 패턴으로서 사용된다. 통상의 희생 주조 패턴과 마찬가지로, 다공성 분말 물품은 1번 사용하는 동안에 실질적으로 파괴된다. 그러나, 통상의 희생 주조 패턴과는 달리, 다공성 분말 물품의 구성 재료인 분말이 주조품을 구성하는 일부분이 된다. 일부 경우에, 다공성 분말 물품의 분말은 완전히 또는 부분적으로 용융되어, 상기 다공성 분말 물품을 포함하는 주형 안으로 주입되는 용융 주조 금속과 혼합되거나 또는 합금을 형성한다. 그 밖의 경우에, 분말은 용융 주조 금속과 복합 재료를 형성한다.
또한, 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 사용하는 주형 제조법도 고려된다. 이러한 방법은, 예컨대 쾌속 조형법에 의해 다공성 분말 물품을 제조하는 단계와, 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 사용하여 주형을 제조하는 단계를 포함한다. 일부 실시예는 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 의하면 다공성 분말 물품을 포함하는 주형 및 희생 패턴도 고려된다.
희생 패턴으로서의 다공성 분말 물품을 제조하기 위해 쾌속 조형 공정을 이용하는 본 발명에 따른 실시예는, 복잡한 형상 및 내부 형태, 예컨대 통로 등을 갖는 주조품이, 일부 경우에 주형 내에서 코어 인서트를 사용하는 것을 요구하지 않으면서 주조될 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명의 다른 장점은, 균질한 미세 구조를 제공하고 열처리를 통해 야금학적으로 경화될 수 있는 주조품이 본 발명의 일부 실시예에 의해 제공된다는 것이다. 이와는 달리, 통상적으로 함침 처리된 쾌속 조형 물품은 대개 균질하지도 않고 경화할 수도 없다.
개시 및 청구된 본 발명의 주체가 본래 갖는 그 밖의 특징 및 장점을, 당업자라면 후술하는 본 발명의 현재 바람직한 실시예의 상세한 설명과 첨부 도면을 통해 쉽게 알 수 있을 것이다.
이 단락에서는, 당업자가 본 발명을 충분히 실시할 수 있도록, 본 발명의 현재 바람직한 몇가지 실시예를 상세히 기술한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 복잡하고 정밀한 주조품을 제조하는 데 채용될 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서는, 쾌속 조형 공정을 이용하여 다공성 분말 물품을 제조하는데, 이 다공성 분말 물품은 이후에 주형을 제조하기 위해 희생 패턴으로서 사용된다. 이들 실시예에 사용되는 쾌속 조형은 후술하는 단계를 이용한다:
1. 소정 디자인의 CAD 모델을 형성하는 단계. 만들어질 물품을 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 모델링한다. 설계자는 기존의 CAD 파일을 이용할 수도 있고, 특별히 시제작을 의도로 한 하나의 모델을 만들기를 희망할 수도 있다.
2. 상기 CAD 모델을 STL(stereolithographical) 파일 포맷으로 변환하는 단계. STL 포맷은 쾌속 조형 산업의 표준으로 채택되었다.
3. 분할 알고리즘을 이용하여 상기 STL 포맷의 컴퓨터 모델을 다수의 얇은 단면층으로 분할하는 단계. 몇가지 프로그램을 이용할 수 있는데, 이들 대부분은 사용자가 모델의 크기, 위치 및 방위를 조정하는 것을 허용한다.
4. 물품을 쾌속 조형기에서 생성하는 단계. 물품의 실제 건조(建造)는 쾌속 조형기를 사용하는 물품을 층별로 건조하는 것에 의해 수행된다.
5. 물품의 세척 및 마무리 단계. 이 단계는 물품을 쾌속 조형기로부터 분리하고 모든 유리(遊離) 분말을 떼어내는 단계를 필요로 한다. 물품의 가벼운 세척 및 표면처리도 일부 필요할 수 있다.
본 발명의 실시예는 다공성 분말 물품을 제조할 수 있는 당업자에게 공지되어 있는 임의의 타입의 쾌속 조형 공정을 이용할 수 있다. 특히 바람직한 2가지 공정으로는 3DP와 SLS가 있다. 당업자라면 쾌속 조형 공정에 의해 제조된 다공성 분말 물품은 그 특유의 구조적 특징을 통해서 다른 방법으로 제조된 다공성 분말 물품으로부터 구별할 수 있다는 것을 인지할 것으로 이해된다. 이는 쾌속 조형 공정이 다른 성형 공정과는 달리 분말 입자의 형상을 일그러트리지 않고 또는 인접 분말 입자의 계면 결합을 일으키기 때문이다. 또한, 쾌속 조형 공정은, 예컨대 다른 수단에 의해서는 제조될 수 없는 통로 등과 같은 내부 형태를 갖는 다공성 분말 물품을 제조할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 통상의 쾌속 조형 공정에 의해 다공성 분말 물품을 형성하는 연속적인 단계를 개략적으로 예시한다. 도시된 다공성 분말 물품은 위지트(widget) 패턴(2)이다. 도면을 참조하면, 도 1a는 위지트 패턴(2)이 단지 부분적으로만 완성된 단계에서 나타나는 위지트 패턴(2)의 단일층의 형성을 예시한다. 부분적으로 완성된 위지트 패턴(2)은 쾌속 조형기(6) 내에서 분말 베드(4)로 둘러싸인다. 가장 왼쪽의 프레임에서는, 롤러(8)가 분말 베드(4)의 상면을 평평하게 하여, 분말층(10)을 상기 부분 완성된 위지트(2) 상에 분배한다. 중앙 프레임에서는, 상기 부분 완성된 위지트 패턴(2)에 대한 새로운 상층(14)을 형성하기 위해, 프린트 헤드 장치(12)가 분말층(10)을 스캐닝한다. 3DP 공정에서는, 프린트 헤드 장치(12)가 폴리머 바인더의 분출물을 분말층(10)에 전달하여 인접 분말 입자를 결합시킬 수 있다. SLS 공정에서는, 프린트 헤드 장치(12)가 레이저 빔을 분말층(10)으로 유도하여 인접 분말 입자의 폴리머 코팅을 융합시킬 수 있다. 가장 오른쪽의 프레임은 완성된 새로운 층(14)을 보여준다. 그 후, 분말 베드(4)를 지지하는 피스톤(16)은, 분말을 분말 베드(4)에 추가하여 위지트 패턴(2) 상에 다음 분말층을 형성하는 것을 수행하도록, 색인된 위치로 하향 이동한다.
도 1b는 몇개의 층이 더 침적된 이후의 중간 단계에서 위지트 패턴(2)을 보여준다. 도 1c는 최층 층이 프린팅된 이후의 위지트 패턴(2)을 보여준다. 도 1d는 쾌속 조형기(6)의 분말 베드(4)에서 분리된 이후의 완성 위지트(2)를 보여준다. 위지트 패턴(2)은 내부 통로(18, 20)를 포함한다는 것을 유의하라.
쾌속 조형 또는 다른 수단에 의해 제조되는 다공성 분말 물품은 주형용 1회 사용 패턴으로서 사용된다. 예컨대, 다공성 분말 물품은 통상의 소실 모형(lost foam) 또는 로스트 왁스(lost wax) 주조 공정과 유사한 공정에서 발포 모형 또는 왁스 패턴을 대체하는 데 사용될 수 있다. 또한, 소실 모형 공정 또는 로스트 왁스 공정은 인베스트먼트(investment) 주조 공정으로도 알려져 있는데, 여기서 "인베스트먼트"란 단어는 소모성 발포 모형 또는 왁스 패턴이 세라믹의 외층에 덮히는 것을 나타내기 위해 사용된다. 통상의 인베스트먼트 주조 공정에서, 도포된 세라믹 층은 상기 발포 모형 또는 왁스 패턴 주변에 단단한 셸을 형성하도록 만들어진다. 코팅된 패턴을 가열하여 발포 모형 또는 왁스를 제거 또는 소실시킨다. 이렇게 얻어진 중공형 세라믹 셸은 거푸집에서 주물사에 의해 지지되어, 주형을 형성할 수 있다. 또한, 세라믹 셸은 용융 금속이 주변 주물사에 접촉하지 못하게 한다.
본 발명의 일부 실시예는 통상의 인베스트먼트 주조 공정, 즉 희생 패턴으로서 기능하는 다공성 분말 물품이 용융 금속의 주입 이전에 제거 또는 소실되지 않고, 그 대신에 주입된 용융 금속과 결합하여 주조품을 형성하는 공정을 변형한 것이다. 이러한 실시예는 도 2a 내지 도 2f에 예시된 후술하는 단계를 포함할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 예시된 다공성 분말 물품은 도 1a 내지 도 1d에 도시된 위지트 패턴(2)이다. 위지트 패턴(2)에는 그 외면과 내면에 세라믹 셸(22)을 형성하는 세라믹이 코팅되는데, 이 위지트 패턴은 예컨대 내부 통로(18, 20)의 표면을 구비할 수 있다. 세라믹 셸(22)을 형성하는 코팅은 통상의 인베스트먼트 주조 공정에서와 마찬가지로, 예컨대 세라믹 슬러리를 사용하여 침지, 분무, 또는 붓기에 의해 도포될 수 있다. 슬러리가 다공성 분말 물품에 스며들지 못하게 하기 위해, 다공성 분말 물품, 예컨대 위지트 패턴(2)의 표면에 대한 슬러리의 적심각(wetting angle)은 약 90°보다 커야 한다. 상기 코팅은 주변 조건 또는 특별한 건조 조건, 예컨대 가열된 오븐 내에서 얻을 수 있는 조건하에서 건조될 수 있다. 상기 세라믹은 인베스트먼트 주조에 통상적으로 사용되는 세라믹, 즉 주조될 용융 금속, 그리고 다공성 분말 물품의 구성 재료에 대해 물리적, 화학적으로 친화성을 갖는 세라믹을 비롯한 임의의 세라믹일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 세라믹 코팅된 위지트 패턴(2)은 통기공이 마련된 거푸집(26) 내에서 주물사(24)로 둘러싸인다. 특별한 다공성 분말 물품의 기하학적 구조가 복잡하기 때문에, 주물사(24)는, 예컨대 위지트 패턴(2)의 통로(18, 20) 등의 특정 영역안으로 쉽게 유입되지 못한다. 진동 테이블을 사용함으로써, 위지트 패턴(2)의 내부 통로(18, 20) 주변 및 안으로의 주물사(24)의 유동 및 적절한 압축이 향상될 수 있다. 위지트 패턴(2) 또는 세라믹 코팅(22)의 뒤틀림 없이 주물사(24)를 압축하기 위한 주의를 기울어야 한다. 세라믹 코팅된 위지트 패턴(2)의 주변을 주물사(24)로 둘러싸기 전에, 세라믹 코팅(22)의 일부분을 제거하고, 탕구(22)를 적소에, 즉 용융 금속을 위지트 패턴(20)의 분말 금속 골격(29)으로 안내하기 위한 위치에 세팅한다. 또한, 게이트 및/또는 러너는 용융 금속의 다공성 분말 물품으로의 전달을 돕는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다공성 분말 물품은 일체형 게이트 및/또는 러너를 구비하도록 설계 및 구성된다.
주물사(24)를 적절하게 압축한 후, 예컨대 오븐 또는 에어 토치(air torch) 등의 예열 수단(32)을 사용하여, 위지트 패턴(2) 내의 바인더가 증발 또는 분해를 통해 부분적으로 또는 완전히 제거되는 온도에 이르기까지 거푸집 조립체(30)를 예열한다. 이러한 바인더 제거 공정 중에 방출되는 가스 및 증기는 탕구(28)를 통해 그리고 사용되는 임의의 게이트 및 러너를 통해 빠져 나올 수 있다. 또한, 이러한 예열은 주조 공정 동안에 용융 주조 금속의 열손실을 감소시킨다. 상기 예열 공정은 공기 중에서 수행될 수 있지만, 다공성 분말 물품의 금속 분말의 표면 조건이 주조 공정에 맞게 최적화되도록 제어 분위기에서 수행되는 것이 더 바람직하다. 예컨대, 예열 중에 금속 분말의 산화를 방지하도록 보호성 분위기가 사용될 수 있다. 이러한 보호성 분위기의 예로는 수소, 질소, 아르콘 및 이들의 조합이 있다.
도 2c를 참조하면, 거푸집 조립체(30)가 예열된 후, 용융 금속(34)은 탕구(28)를 통해 위지트 패턴(2) 안으로 주입된다. 용융 금속(34)은 분말 골격(29)을 용융시키고, 위지트 패턴(2)의 기하학적 구조를 취한다. 일부 실시예에서, 용융 금속(34)은 분말 골격(29)을 완전히 용융시키는 반면에, 그 밖의 실시예에서, 분말은 모두 또는 부분적으로 용융 금속(34)과 함께 합성물을 형성한다. 예열 단계와 마찬가지로, 주조 단계는 공기 중에서 실시될 수도 있고, 보호성 분위기하에서 실시될 수도 있다.
도 2d를 참조하면, 거푸집 조립체(30)를 냉각하여 용융 주조 금속(34)을 고화시킨다.
도 2e를 참조하면, 고화된 주조 위지트(36)를 주물사(24)에서 꺼내고, 세라믹 코팅(22)과 탕구(28)를 주조 위지트(36)로부터 제거한다.
도 2f를 참조하면, 탕구 주물(38)을 주조 위지트(36)로부터 제거한다. 그 후, 주조 위지트(36)를 세척하고 검사할 수 있다.
도 2a 내지 도 2f에 관한 설명에 있어서, 바인더가 다공성 분말 물품으로부터 제거되는 예열 단계의 바로 다음에 용융 금속의 주조 단계가 수행되지만, 이들 단계는 반드시 연이어 수행되어야 하는 것은 아니다. 첫째, 바인더가 용융 금속에 유해한 반응을 일으키지 못하게 하기 위해 반드시 바인더를 다공성 분말 물품으로부터 제거하여야 하는 경우에만, 바인더 제거 단계가 필요한 것으로 이해된다. 일부 실시예에서, 바인더 제거 단계는 필요하지 않는데, 이는 압축력을 인가하여 기계적 연결 또는 접점 용접에 의해 분말을 결합시키는 공정에서 다공성 분말 물품이 형성되는 일부 경우에서와 마찬가지로, 다공성 분말 물품이 바인더를 거의 함유하지 않거나 전혀 함유하지 않기 때문이다. 둘째, 바인더 제거 단계를 사용하는 경우에는, 이 단계가 주조 단계 이전에 어느 때든지 실시될 수 있는 것으로 이해된다. 예컨대, 세라믹 코팅을 이용하는 일부 실시예에서, 바인더는 코팅된 다공성 분말 물품을 거푸집 내에 넣기 전에도 제거될 수 있다. 이러한 실시예에서, 코팅된 다공성 분말 물품은 바인더 제거 이후에 그리고 다공성 분말 물품을 거푸집에 넣기 이전에 소정 기간 동안 보관될 수 있다. 일부 실시예에서, 거푸집 전체를 바인더 제거 이후에 저장소에 넣을 수 있고, 그 후 주조 이전에 재가열할 수 있다. 셋째, 바인더를 제거 혹은 분해하는 데 또는 주물사나 세라믹 코팅을 숙성하는 데 예열이 필요한 경우를 제외하고는, 예열은 조기 고화 문제를 방지하는 데, 또는 그렇지 않다면 주형 충전을 촉진하는 데 필요로 하는 경우에만 실시할 필요가 있는 것으로 이해된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 다공성 분말 물품의 분말은 용융 주조 금속에 의해 완전히 용융되고 상기 용융 주조 금속과 혼합되거나 또는 합금을 형성하는 금속 분말이다. 이러한 실시예에서는, 상기 용융 금속이 다공성 분말 물품의 금속 분말을 충분히 용융시킬 수 있을 정도로 과열 상태인 것이 중요하다. 용융 금속으로부터 주물사로의 열전달이 없다고 가정하면, 전술한 경우에서 거푸집 조립체의 예열 온도와 용융 금속의 온도 사이의 관계는 다음과 같이 간단하게 표현된다.
여기서, Tph는 다공성 분말 물품을 포함하는 거푸집 조립체의 예열 온도이고;
Tmp는 분말 재료의 용융점이며;
Cpp는 분말 재료의 비열이고;
Hmp는 분말 재료의 융해열이며;
Tmm은 용융 금속의 용융점이고;
Toh는 용융 금속의 과열 온도이며; 그리고
Cpm은 용융 금속의 비열이다.
본 발명의 일부 실시예에서, 다공성 분말 물품은 세라믹 셸이 그 위에 형성되지 않는 주형용 패턴으로서 사용된다. 이러한 실시예는 세라믹 셸을 사용하는 경우와 같이 매끄러운 표면을 형성할 수는 없고, 주형 이형제의 사용을 필요로 하거나, 주형 제조 중에 다공성 분말 물품의 뒤틀림을 회피하기 위한 추가적인 주의 또는 세척을 필요로 할 수 있지만, 세라믹 셸의 제조 및 제거에 드는 비용을 배제시킨다. 그러나, 세라믹 코팅은 주조 이전에 다공성 분말 물품의 구조적 완전성을 보호하므로, 세라믹 코팅을 사용하는 것이 바람직하다.
선택된 물품 성형 공정과 잘 어울리는 임의의 타입의 분말을 사용하여, 다공성 분말 물품을 제조할 수 있다. 분말의 타입은 사용하는 주조 금속, 그리고 주조품에 요구되는 성질에 따라 선택된다. 대부분의 경우에, 선택된 분말은 기초 금속 또는 금속 합금이지만, 세라믹 분말과 서메트(cermet)도 사용될 수 있다. 예컨대, 분말은 철이거나, 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강, 공구강 또는 스테인레스강 등의 강을 비롯한 철 합금이다. 또한, 분말은 니켈, 니켈 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 구리 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 아연, 아연 합금, 금속간 화합물, 난융 금속, 또는 난융 금속 합금일 수 있다. 분말이 난융 금속, 세라믹, 또는 서메트로 이루어지는 대부분의 실시예에서, 분말과 주조 금속은 복합 구조를 갖는 주조품을 형성할 것이다.
분말은 임의의 타입의 분말 형상을 가질 수 있다. 그러나, 다공성 분말 물품의 상대 밀도가 낮은 것이, 예컨대 30 ~ 40%의 범위 내에 있는 것이 바람직하다고 한다면, 불규칙한 형상의 분말에 수반되는 낮은 충전 밀도로 인해 다공성 분말 물품이 낮은 상대 밀도를 갖게되는 경우에는, 불규칙한 분말 형상이 구(球)형상보다 바람직할 것이다.
주조 금속은 주조될 수 있는 임의의 금속일 수 있다. 주조 금속의 용융점은 다공성 분말 물품의 분말의 용융점보다 높을 수도 있고 낮을 수도 있다. 일부 실시예에서, 다공성 분말 물품의 분말과 주조 금속은 동일하거나 또는 유사한 조성으로 이루어진다. 예컨대, 주조 금속은 비합금 알루미늄이고 분말은 알루미늄 합금일 수 있다.
예
최근에, 새로운 주조 방안을 보다 빠른 페이스로 도입하라는 상업적 압박이 주조 업계에 가해져 왔다. 이러한 추세는 구상 단계에서 시작하여 조형 단계을 거쳐 산업적 생산에 이르는 새로운 방안에 이용 가능한 시간을 감소시켰다. 후술하는 예언적 예는 본 발명의 실시예의 적용을 기술한다.
도 2f에 주조 위지트(36)로서 도시된 것과 동일한 구조의 위지트는 구리 90%와 주석 10%의 최종 조성을 갖는 구리-주석 합금(청동)으로 제조된다. 상기 위지트의 폭은 3 cm이고, 높이는 1.5 cm이며, 깊이는 1 cm이다. 위지트의 3차원 모델의 CAD 파일을 만든다. 이 CAD 파일을 STP 포맷 파일로 변환한다. STP 파일에 분할 알고리즘을 적용하여 위지트 파일을 형성하는데, 이 위지트 파일은 3DP 공법의 쾌속 조형기와 함께 사용되어 다공성 분말 물품(즉, 위지트)를 형성한다. 구리 80%와 주석 20%의 조성을 갖는 고밀도 주석 청동 분말을 얻는데, 이 청동 분말은 140 메시 스크린(개구 크기가 106 ㎛임)을 통과하고 325 메시 스크린(개구 크기가 45 ㎛임)에 대해선 통과하지 못한다. 미국 펜실배니아주 Irwin 소재의 Extrude Hone Corporation에서 제조한 PROMETAL RTS 300 쾌속 조형기는 위지트 파일과 고밀도 주석 청동 분말을 이용하여, 상대 밀도가 50%인 다공성 분말 물품을 3DP 공법에 의해 제조한다.
다공성 분말 물품은 쾌속 조형기로부터 얻어지며, 임의의 잉여 분말은 다공성 분말 물품으로부터 제거된다. 게이트 및 러너가 다공성 분말 물품에 부착된다. 다공성 분말 물폼과 그에 부착된 게이트 및 러너의 조립체를 질화 붕소의 슬러리에 반복적으로 침지하고 형성된 코팅을 건조시킴으로써, 상기 조립체 상에 세라믹 셸을 코팅한다. 세라믹 코팅이 형성된 후, 조립체를 거푸집에 넣고 이 조립체에 탕구를 부착한다. 주물사를 거푸집에 넣고, 이 주물사를 조립체 주변에 분배하여 용융 금속이 주입되는 곳을 제외한 내부 공간 및 외부 공간을 채우는 것을 돕도록 진동 테이블을 이용한다. 표준 압축 기술을 이용하여 주물사를 조립체 주변에서 압축시킨다.
거푸집을 질소의 보호성 분위기 하에서 약 790℃까지 가열하여, 3DP 공정 중에 도포된 폴리머 바인더를 다공성 분말 물품으로부터 제거한다. 이와 동시에, 순(純)동은 점토 도가니에서 약 1200℃의 온도로 유도 가열에 의해 용융된다. 용융된 순동을 예열된 거푸집 조립체의 탕구에 주입하고, 이를 질소의 보호성 분위기 하에서 유지한다. 용융된 순동은 다공성 분말 물품 안으로 유입되어, 다공성 분말 물품의 분말을 용융시키고 이와 합금을 형성하며 다공성 분말 물품의 형상을 취한다. 주조품을 고화 및 냉각한 후, 주물사를 제거한다. 세라믹 코팅을 씻어 없애고, 탕구, 러너 및 게이트를 위지트로부터 제거한다. 위지트는 90% 구리와 10% 주석의 조성을 갖고, 검사, 마무리, 시험 또는 사용을 위한 준비가 된다.
본 발명의 몇가지 실시예만을 보여주고 기술하였지만, 당업자라면 후술하는 청구범위에 기술된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형 및 수정을 실시할 수 있다는 것을 쉽게 알 것이다.

Claims (38)

  1. a) 다공성 분말 물품을 제조하는 단계와;
    b) 상기 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 사용하여 주형을 제조하는 단계; 그리고
    c) 용융 금속을 상기 주형에 주입하는 단계
    를 포함하는 주조품 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품을 고체 자유 성형(solid free form fabrication) 공정에 의해 제조하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고체 자유 성형 공정은 3차원 인쇄법(3DP)과 선택적 레이저 소결법(SLS)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 주조품 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 폴리머 바인더를 포함하고, 상기 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련하는 단계 이후에, 상기 다공성 분말 물품에서 상기 폴리머 바인더를 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품에서 폴리머 바인더를 제거하는 단계 이후에, 상기 다공성 분말 물품을 보관하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 주형을 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 주형을 가열하는 단계 이후에, 상기 주형을 보관하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 주입 단계의 직전에, 상기 주형을 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 주형 가열 단계와 상기 주입 단계 중 적어도 하나는 보호성 분위기 하에서 실시되는 것인 주조품 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 보호성 분위기는 수소, 질소 및 아르곤 중 적어도 하나를 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 폴리머 바인더를 포함하고, 상기 주입 단계 이전에, 상기 다공성 분말 물품에서 상기 폴리머 바인더를 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 주입 단계 이후에 냉각을 실시할 때, 상기 분말과 상기 용융 금속이 결합하여 복합 재료를 형성하도록, 상기 다공성 분말 물품의 분말과 상기 용융 금속을 선택하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 용융 금속을 상기 주형에 주입하는 단계의 결과로서, 상기 용융 금속이 상기 다공성 분말 물품의 분말을 적어도 부분적으로 용융시키도록, 상기 다공성 분말 물품의 분말과 상기 용융 금속을 선택하는 단계를 더 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품 제조 단계에 의해, 30% ~ 40% 범위의 상대 밀도를 갖는 다공성 분말 물품이 얻어지는 것인 주조품 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품 제조 단계는, 상기 다공성 분말 물품이 금속 분말, 세라믹 분말 및 서메트(cermet) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 것으로 구성되게 하는 단계를 포함하는 것인 주조품 제조 방법.
  17. a) 다공성 분말 물품을 제조하는 단계와;
    b) 상기 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 사용하여 주형을 제조하는 단계
    를 포함하는 주형 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 고체 자유 성형 공정에 의해 제조되는 것인 주형 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 고체 자유 성형 공정은 3차원 인쇄법(3DP)과 선택적 레이저 소결법(SLS)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 주형 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 주형 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 폴리머 바인더를 포함하고, 상기 다공성 분말 물품에 세라믹 코팅을 마련하는 단계 이후에, 상기 다공성 분말 물품에서 상기 폴리머 바인더를 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 주형 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 폴리머 바인더 제거 단계는 보호성 분위기 하에서 실시되는 것인 주형 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 보호성 분위기는 수소, 질소 및 아르곤 중 적어도 하나를 포함하는 것인 주형 제조 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품에서 폴리머 바인더를 제거하는 단계 이후에, 상기 다공성 분말 물품을 보관하는 단계를 더 포함하는 것인 주형 제조 방법.
  25. 제17항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품 제조 단계에 의해, 30% ~ 40% 범위의 상대 밀도를 갖는 다공성 분말 물품이 얻어지는 것인 주형 제조 방법.
  26. 제17항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품 제조 단계는, 상기 다공성 분말 물품이 금속 분말, 세라믹 분말 및 서메트 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 것으로 구성되게 하는 단계를 포함하는 것인 주형 제조 방법.
  27. 다공성 분말 물품으로 이루어지는 희생 주형 패턴.
  28. 제27항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 고체 자유 성형 공정에 의해 제조되는 것인 희생 주형 패턴.
  29. 제27항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품 상에 세라믹 코팅이 더 마련되는 것인 희생 주형 패턴.
  30. 제27항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 30% ~ 40% 범위의 상대 밀도를 갖는 것인 희생 주형 패턴.
  31. 제27항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 금속 분말, 세라믹 분말 및 서메트 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 것으로 구성되는 것인 희생 주형 패턴.
  32. 제27항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 폴리머 바인더를 포함하는 것인 희생 주형 패턴.
  33. 다공성 분말 물품을 희생 패턴으로서 포함하는 주형.
  34. 제33항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 고체 자유 성형 공정을 사용하여 제조되는 것인 주형.
  35. 제33항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품 상에 세라믹 코팅이 더 마련되는 것인 주형.
  36. 제33항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 30% ~ 40% 범위의 상대 밀도를 갖는 것인 주형.
  37. 제33항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 금속 분말, 세라믹 분말 및 서메트 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 것으로 구성되는 것인 주형.
  38. 제33항에 있어서, 상기 다공성 분말 물품은 폴리머 바인더를 포함하는 것인 주형.
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