I. 개요
세라믹 사출 성형의 제조 공정은 주로 다음 단계로 구성됩니다. 먼저 사출 원료를 준비하는 단계로, 세라믹 분말과 적합한 유기 담체를 일정한 비율과 온도에서 혼합한 후 건조 및 과립화합니다. 그런 다음 사출 원료를 사출기에 투입하고 일정한 온도와 압력으로 금형에 사출한 뒤 냉각 및 경화합니다. 이후 가열 또는 기타 물리적·화학적 방법으로 성형체의 유기물을 제거하고, 마지막으로 소결 및 치밀화하여 다양한 세라믹 제품을 얻습니다.
기존 성형 방법과 비교할 때 세라믹 사출 성형 기술은 다음과 같은 장점이 있습니다.
(1) 복잡한 기하학적 형상과 특수한 요구 사항을 가진 소형 세라믹 부품을 거의 최종 형상으로 성형할 수 있으므로, 소결된 세라믹 제품의 기계 가공이 필요 없거나 가공량을 줄일 수 있어 고가의 세라믹 가공 비용을 절감할 수 있습니다.
(2) 성형 제품의 성형체 밀도가 균일하고 강도가 높습니다. 제품 밀도는 99.8%에 이를 수 있으며, 소결체의 성능이 우수하고 제품 품질의 일관성이 좋습니다.
(3) 성형 공정의 기계화 및 자동화 수준이 높고, 생산 효율이 높으며, 성형 주기가 짧고, 성형체의 강도가 높습니다. 또한 생산 과정에서 관리 및 제어가 편리하여 대규모 생산을 쉽게 실현할 수 있습니다.
(4) 성형된 세라믹 제품은 치수 정확도와 표면 마감도가 매우 높으며, 표면 마감도는 5μm에 이를 수 있습니다.
따라서 CIM 기술은 기존 세라믹 성형 기술에서 고정밀·고효율 성형 방법 중 하나가 되었으며, 국내외에서 널리 사용되고 연구되고 있습니다.
II. 원료 공급
원료 공급은 분말과 바인더를 일정한 온도에서 반죽, 균일 교반, 압출 등의 방법으로 혼합하여 균일하고 안정적인 현탁액으로 만드는 과정입니다. 원료 공급 준비는 전체 세라믹 분말 사출 성형 공정에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 혼합 공정의 주요 결함은 혼합물의 불균일성으로, 여기에는 분말과 바인더의 분리 및 입도 차이로 인해 바인더 내부에서 분말이 편석되는 현상이 포함됩니다. 이러한 현상은 최종 세라믹 부품의 밀도 감소와 구조 변형을 초래합니다.
분말은 세라믹 사출 성형의 기본 원료입니다. 세라믹 사출 성형에서는 세라믹 분말 입자의 벌크 특성이 매우 중요합니다. 자연 적층 상태에서 입자 사이의 기공이 클수록 준비 및 원료 공급 과정에서 바인더가 그 기공을 채우게 되고, 분말의 고형분 함량이 감소합니다. 소결 과정에서 바인더가 휘발한 후 시편의 크기가 크게 수축하여 시편의 정밀도와 구조 형상을 제어하기 어려워집니다.
이론적으로 세라믹 분말의 자연 적층 상태에서 기공률은 낮을수록 좋습니다. 그러면 탈지 단계에서 제거해야 할 바인더가 줄어들고, 탈지 후 성형체가 더 치밀해지며, 소결 단계에서 시편의 부피 변화가 줄어 형상을 유지하기 쉬워집니다. 세라믹 분말은 일반적으로 입자 크기가 작고 형상이 규칙적이어야 합니다. 구형 또는 준구형으로 준비된 원료는 유동성과 고형분 함량이 높지만, 분말 입자 사이의 마찰력이 낮아 탈지 단계에서 시편 변형이 쉽게 발생할 수 있습니다. 따라서 분말 형상은 구형이 아닙니다.
바인더는 사출 성형 공정에서 매우 중요한 역할을 합니다. 바인더는 일반적으로 주요 고분자 성분으로 구성되며, 여기에 분산제, 안정제, 가소제 등 다양한 첨가제가 추가됩니다. 바인더의 기본 목적은 소결 전 성형 부품의 형상을 유지하고 성형 부품에 일정한 강도를 부여하는 것입니다.
III. 사출 공정
사출 공정은 사출, 보압, 냉각의 세 단계로 구성됩니다. 즉, 먼저 분말을 가열하여 연화한 후 금형에 사출하고, 금형 안에서 일정 시간 압력을 유지한 다음, 마지막으로 냉각하여 원하는 형상의 성형체를 준비합니다. 사출 공정의 각 단계는 매우 중요합니다. 제어가 적절하지 않으면 세라믹 부품에 균열, 박리, 분말과 유기 바인더의 분리 등 여러 결함이 발생합니다. 관련 매개변수와 결함 원인은 다음과 같습니다.
(1) 사출 속도: 사출 속도가 너무 높으면 용융된 원료가 금형 캐비티 내부에서 국부적으로 분출되고 역류합니다. 이로 인해 제품 표면에 물결무늬가 생기고 내부에 웰드 라인과 기공 등의 결함이 발생합니다. 사출 속도는 흔히 사출 압력으로 제어합니다. 사출 속도가 너무 높으면 높은 사출 압력이 필요하며, 이는 제품 내부의 압력 분포를 불균일하게 만드는 경우가 많습니다. 국부 압력이 너무 낮으면 뒤틀림 결함이 발생합니다. 사출 속도가 너무 낮으면 금형 벽 부근 응축층의 성장이 충전 부족 결함을 일으켜 생산 시간이 길어지고 생산성이 저하됩니다.
(2) 사출 온도: 사출 온도가 낮으면 충전 부족 및 재료 부족 결함이 발생합니다. 사출 성형을 용이하게 하기 위해 바인더 성분의 분해를 방지하면서 원료의 점도를 낮출 수 있도록 더 높은 사출 온도가 필요한 경우가 많습니다.
(3) 사출 압력: 사출 압력이 너무 낮으면 재료 부족이 발생하고, 충전 과정에서 난류가 발생하여 분말과 바인더가 층상으로 분리됩니다. 반대로 사출 압력이 너무 높으면 더 큰 형체력이 필요한 경우가 많아 장비 요구 사항이 높아집니다. 연구에 따르면 사출 압력이 2MPa 변할 때마다 온도가 1°C 변할 때의 원료 점도 변화와 동등한 효과가 나타납니다.
(4) 보압: 사출 압력의 약 50%~65%입니다. 보압의 주요 기능은 역류를 유도하고 수축을 보상하는 것입니다. 보압이 너무 높으면 과충전과 응력 집중이 발생하고, 너무 낮으면 수축을 제때 보상하지 못해 성형체의 수축률이 커집니다.
(5) 보압 시간: 게이트가 응고되는 데 필요한 시간에 가깝습니다.
(6) 금형 온도: 금형과 원료 사이의 온도 차이가 작으면 열 손실과 충전 부족 및 재료 부족과 같은 결함을 줄일 수 있지만, 금형 온도가 너무 높으면 보압 시간이 길어집니다.
IV. 탈지 공정
탈지 공정은 사출 성형에서 가장 중요한 단계이며, 최종 제품의 품질을 어느 정도 결정합니다. 세라믹 재료의 대부분의 결함은 균열, 기공, 변형, 부풀음 등과 같이 탈지 단계에서 형성되며, 탈지 공정에서 발생한 결함은 이후 소결 단계에서 보상할 수 없습니다. 따라서 탈지 공정에서 형성되는 세라믹 사출 성형의 결함을 줄이고 세라믹 사출 성형의 역할을 확대하기 위해 탈지 공정을 지속적으로 개선하고 새로운 공정을 모색해 왔습니다.
4.1 열 탈지 열 탈지는 초기에 개발되었으며 가장 널리 사용되는 탈지 공정입니다. 단면 치수가 비교적 작은 정밀 세라믹 부품에 특히 적합합니다. 그러나 탈지 속도가 매우 느리고 탈지 시간이 매우 깁니다. 특히 두꺼운 벽의 세라믹 부품에서는 열 탈지 과정에서 부풀음, 팽창, 변형 등의 결함이 발생하기 쉬워 세라믹 부품의 크기가 제한되며, 일반적으로 10 mm 이내로 제어됩니다. 최근 개발된 마이크로파 가열 탈지는 체적 가열 방식으로, 가열 과정이 빠르고 균일하며 기존 탈지 시간의 절반만 소요됩니다.
4.2 용매 탈지 용매 탈지(용해 추출 탈지라고도 함)는 저분자량 용매(예: 아세톤, 헵탄, 헥산 등)가 성형체 내부로 확산되어 바인더와 접촉하고 용해되면서 바인더-용매 용액을 형성한 후, 최종적으로 성형체 표면으로 확산되는 방법입니다. 열 탈지와 비교하면 용매 탈지는 효율이 높고 필요한 시간이 크게 줄어들지만, 장비 요구 사항이 높고 공정이 복잡하며 대부분의 용매가 인체와 환경에 유해합니다.
4.3 사이펀 탈지 사이펀 탈지는 성형체를 다공성 기판 위에 놓은 후 바인더의 점도가 모세관 유동을 허용할 만큼 낮아질 때까지 성형체를 가열하는 방법입니다. 이때 모세관력에 의해 바인더가 흡수재 내부로 빨려 나갑니다. 사이펀 탈지는 속도가 빠르지만 유기 담체 분말이 세라믹 성형체에 달라붙어 제거하기 어렵습니다.
4.4 촉매 탈지 촉매 탈지는 독일의 유명 화학 기업 BASF가 처음 개발했습니다. 이 방법은 촉매를 사용하여 유기 담체의 고분자 분자를 더 작은 휘발성 분자로 분해하고, 이 분자들이 성형체 내부에서 빠르게 확산되도록 하는 원리입니다. 촉매로는 일반적으로 질산, 옥살산 등이 사용됩니다. 연구에 따르면 질산을 촉매로 사용할 때 제거 속도는 0.7-1.5 mm/h이며, 제거 속도 순서는 Si3N4>ZrO2>SiC입니다. 옥살산을 촉매로 사용할 때 제거 속도는 0.9-1.5 mm/h이며, 탈지 순서는 ZrO2>SiC>Si3N4입니다.
4.5 초임계 탈지 초임계 탈지는 첨단 초임계 기술을 사용하여 유체를 초임계점 이상으로 가열하고 가압한 후 바인더의 일부를 용해 및 제거합니다. 일반적으로 공급이 편리하고 조작이 간단한 CO2 유체를 사용합니다. 초임계 CO2 유체는 비극성 분자 또는 저분자량 유기물(예: 파라핀)은 용해하지만 극성 분자 또는 고분자량 유기물(예: 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌)은 용해하지 않는 특성이 있습니다. 따라서 먼저 저분자량 유기물을 추출한 다음 나머지를 빠르게 가열하여 제거할 수 있어 탈지 효율을 높일 수 있습니다.
4.6 수계 추출 탈지 수계 추출 탈지는 용매 탈지를 개선한 방식으로, 세라믹 분말 사출 성형에 널리 사용됩니다. 사용되는 바인더는 두 종류로 나뉩니다. 하나는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 등과 같이 수용성인 바인더로, 물로 여과하여 직접 제거할 수 있습니다. 다른 하나는 폴리비닐부티랄 수지와 같이 물에 녹지 않는 성분으로, 일반적으로 가열하여 제거합니다. 수계 추출 탈지는 탈지 속도가 빠르고 성형체 손상이 적으며 인체와 환경에 친화적인 특징이 있습니다. 이는 탈지 시스템에서 중요한 연구 방향입니다.
신흥 정밀 제조 기술인 세라믹 사출 성형 기술은 다른 기술과 비교할 수 없는 고유한 장점을 가지고 있습니다. 특히 최근 전 세계적으로 산업화가 지속적으로 확대되면서 CIM 기술의 매력적인 발전 전망이 더욱 분명해졌습니다. 세라믹 재료의 우수한 물리적·화학적 특성과 정밀 사출 성형의 결합은 CIM 기술이 항공우주, 국방·군사, 의료 장비 등 첨단 기술 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하도록 하며, 국내외 정밀 세라믹 부품을 위한 가장 경쟁력 있는 첨단 제조 기술이 되도록 할 것입니다.
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