금속 사출 성형은 분말 야금 분야에서 빠르게 발전하고 있는 매우 유망한 근접 형상 성형 기술로 부상했습니다. 이는 전 세계적으로 "가장 주목받는 금속 부품 성형 기술" 중 하나로 인정받고 있습니다.
이 글에서는 금속 사출 성형 공정의 기본 원리, 공정, 장점, 다른 공정과의 비교, 적합한 부품 유형 및 응용 분야를 포함하여 금속 사출 성형 공정에 대한 기초 지식을 소개합니다.
엔지니어에게 있어 금속 사출 성형 공정을 배우고 이해하는 것은 효과적인 제품 설계에 필수적이며, 이는 종종 상당한 비용 절감 기회를 제공하기 때문입니다.
금속 사출 성형이란 무엇입니까?
금속 사출 성형(MIM)은 금속 분말을 바인더 시스템과 혼합하여 사출 성형하는 방법입니다. 이 공정은 선택된 분말을 바인더와 혼합하는 것으로 시작하여, 혼합물을 펠릿 형태로 만들어 원하는 형상으로 사출하는 단계로 이어집니다. 탈바인더 및 소결 과정을 통해 바인더가 제거되어 원하는 금속 제품이 얻어집니다. 이후 사이징, 표면 처리, 열처리 또는 기계 가공과 같은 후속 공정을 통해 제품을 더욱 정밀하게 가공할 수 있습니다.
금속 사출 성형 = 분말 야금 + 사출 성형. 금속 사출 성형은 분말 야금과 플라스틱 사출 성형이라는 두 가지 완전히 다른 가공 방법을 통합한 대표적인 융합 기술입니다. 이러한 통합을 통해 엔지니어는 기존의 설계 제약에서 벗어나 플라스틱 사출 성형 기술을 사용하여 스테인리스강, 니켈, 철, 구리, 티타늄 및 기타 금속으로 저렴한 비용으로 복잡한 형상의 부품을 생산할 수 있으며, 다른 많은 생산 공정보다 훨씬 더 큰 설계 자유도를 제공합니다.
금속 사출 성형 공정
금속 사출 성형 공정은 과립화, 사출 성형, 용매 탈바인더, 열 소결의 네 단계로 나뉩니다. 기계 가공, 브러싱 등의 2차 공정이 포함됩니다. 전기 도금 필요한 경우 수행할 수 있습니다.
1. 과립
미세한 금속 분말을 바인더 및 열가소성 수지와 정확한 비율로 혼합합니다. 이 혼합 과정은 바인더를 녹이기 위해 특정 온도로 가열되는 특수 장비에서 이루어집니다. 대부분의 경우, 금속 분말 입자가 균일하게 코팅될 때까지 기계적 혼합이 사용됩니다. 냉각 후, 혼합물은 금형 캐비티에 주입할 수 있는 과립(원료) 형태로 만들어집니다.
2. 사출 성형
과립 형태의 원료는 사출 성형기에 투입되어 가열된 후 고압으로 금형 캐비티에 주입되어 "미성형 부품"을 생산합니다. 이 공정은 플라스틱 사출 성형과 매우 유사합니다. 생산성 향상을 위해 금형은 여러 개의 캐비티로 설계될 수 있으며, 캐비티 크기는 금속 부품의 소결 과정에서 발생하는 수축을 고려해야 합니다.
3. 용매 탈지
탈바인더 공정은 성형되지 않은 부품에서 바인더를 제거하여 "성형된 부품"을 얻는 과정입니다. 이 공정은 일반적으로 여러 단계에 걸쳐 진행됩니다. 대부분의 바인더는 소결 전에 제거되며, 남아 있는 바인더는 부품이 소결로에 들어갈 때 부품을 지지하는 역할을 합니다.
탈바인더는 다양한 방법을 통해 얻을 수 있으며, 그중 용매 추출법이 가장 일반적입니다. 탈바인더 처리 후, 부품은 반투과성을 띠게 되어 소결 단계에서 잔류 바인더가 쉽게 휘발됩니다.
4. 열 소결
탈바인더 처리된 갈색 부품을 고온 고압의 제어된 용광로에 넣습니다. 갈색 부품은 보호 분위기 하에서 서서히 가열되어 잔류 바인더가 제거됩니다. 바인더가 완전히 제거되면 부품을 매우 높은 온도로 가열하여 입자 사이의 틈이 사라지고 입자들이 융합됩니다. 갈색 부품은 설계된 치수로 방향성 수축을 거치면서 밀도가 높은 고체로 변형되어 최종 제품이 완성됩니다.
소결 과정에서 갈색 부분은 전체적으로 약 20% 정도 치수가 수축됩니다.
금속 사출 성형의 장점
금속 사출 성형은 분말 야금과 플라스틱 사출 성형의 장점을 결합하여 기존 금속 분말 성형의 기하학적 한계를 뛰어넘습니다. 플라스틱 사출 성형의 특성을 활용하여 복잡한 형상의 부품을 고효율로 대량 생산할 수 있습니다. 고품질 정밀 부품을 위한 근접 형상 성형 기술로서, 기존 분말 야금, CNC 가공, 주조와는 비교할 수 없는 장점을 제공합니다.
매우 복잡한 부품을 제작할 수 있는 능력
판금 스탬핑, 분말 야금, 단조와 같은 다른 금속 성형 공정과 비교했을 때 CNC 가공금속 사출 성형은 매우 복잡한 3D 형상의 부품을 성형할 수 있습니다. 일반적으로 플라스틱 사출 성형으로 구현 가능한 구조는 금속 사출 성형으로도 구현할 수 있습니다. 이러한 특징을 활용하여 금속 사출 성형은 다른 공정으로 제작되었던 여러 부품을 하나의 부품으로 통합할 수 있게 해줌으로써 제품 설계를 간소화하고 조립 비용을 절감할 수 있도록 합니다.
높은 재료 활용도
금속 사출 성형은 부품 형상이 최종 형상에 매우 근접한 근접 성형 공정입니다. 재료 활용률이 높아 특히 귀금속 가공 시 손실을 줄이는 데 큰 장점이 있습니다.
균일한 미세구조
금속 사출 성형은 유동적인 성형 공정입니다. 바인더의 존재는 분말의 균일한 분포를 보장하여 미세 구조의 불균일성을 제거하고 소결 제품이 이론 밀도의 95%~99%에 도달할 수 있도록 합니다. 이러한 높은 밀도는 강도, 인성, 연성, 전도성 및 자기적 특성을 향상시킵니다.
반면, 기존 분말 야금법은 주형 벽과 분말 사이의 마찰로 인해 압력 분포가 고르지 않고 수축률이 불균일하여 밀도가 약 85%에 그칩니다. 이로 인해 다공성이 높아지고 기계적 성능이 저하되며, 이러한 문제를 완화하기 위해 낮은 소결 온도가 필요한 경우가 많습니다.
높은 효율성과 확장성
금속 사출 성형은 사출기를 사용하여 성형품을 제작하는 방식으로, 생산 효율을 크게 향상시키고 대량 생산에 적합합니다. 성형 제품의 일관성과 반복성은 대규모 산업 생산을 보장합니다.
광범위한 재료
금속 사출 성형에 적합한 금속 재료의 범위는 매우 넓습니다. 원칙적으로 고온에서 소결될 수 있는 모든 분말 재료는 금속 사출 성형을 통해 가공할 수 있으며, 여기에는 가공이 어렵거나 융점이 높은 재료도 포함됩니다.
재료에는 저합금강, 스테인리스강, 공구강, 니켈 합금, 텅스텐 합금, 탄화물, 티타늄 합금, 자성 재료, 코바르 합금 및 정밀 세라믹이 포함됩니다. 더욱이, 금속 사출 성형은 맞춤형 합금 배합을 통해 복합 재료를 만들 수 있도록 해줍니다. 알루미늄이나 구리와 같은 비철 합금도 기술적으로는 가능하지만, 일반적으로 다른 방식으로 가공하는 것이 더 경제적입니다. 다이 캐스팅 또는 가공.
| 자재 | 학년 | 어플리케이션 |
| 저 합금강 | 4605, 4140 | 자동차, 기계 및 기타 산업 분야에 사용되는 다양한 구조 부품 |
| 스테인리스 강 | 316L, 17-4PH, 420, 440C | 의료기기, 시계 부품 |
| 초경 | B771 | 다양한 절삭 공구, 시계 및 손목시계 |
| 세라믹 | ASTM C1161 | IT 전자제품, 생활필수품 및 시계 |
| 티타늄 합금 | Ti-6Al-4V | 의료 및 군사용 구조 부품 |
| 자성 재료 | ASTM A753 | 다양한 자기 부품 |
높은 정밀도
금속 사출 성형 부품의 치수 정확도는 일반적으로 ±0.5%이며, 정밀도는 ±0.3% 이상에 달할 수 있습니다. 소형 부품의 경우, 금속 사출 성형은 다른 주조 공정보다 정밀도가 높아 2차 가공이 필요 없는 경우가 많습니다. 다른 공정과 마찬가지로 정밀도가 높을수록 비용이 증가하므로, 성능이 허용하는 범위 내에서는 적절한 공차를 적용하는 것이 좋습니다. 초기 성형으로는 달성할 수 없는 공차는 표면 처리를 통해 구현할 수 있습니다.
다른 프로세스와의 비교
| 속성 | 금속 사출 성형 | 분말 야금 | 투자 주물 | CNC 가공 |
| 무게 (g) | 0.01 – 1000 | 5g – 1kg | > 1 | > 1 |
| 공차 (%) | <0.3 | 0.1 | 0.5 – 1.0 | <0.1 |
| 밀도 (%) | 98 – 99 | 85 – 92 | 95 – 99 | 100 |
| 힘 (%) | > 97 | 75 | > 95 | 100 |
| 표면 거칠기(μm) | 1 | 1 – 5 | 5 | 0.2 – 4 |
| 벽 두께 (mm) | 0.2 – 10 | > 2 | > 2 | > 1 |
| 복잡성 | 높음 | 높음 | 중급 | 높음 |
| 설계 유연성 | 높음 | 중급 | 중급 | 높음 |
| 생산 능력 | 높음 | 높음 | 높음 | 높음 |
| 재료 범위 | 높음 | 중급 | 중급 | 중급 |
| 비용 | 중급 | 높음 | 중급 | 높음 |
금속 사출 성형에 적합한 부품은 무엇입니까?
금속 사출 성형은 5세대 금속 성형 기술로 알려져 있지만, 모든 금속 부품이 이 공정에 적합하거나 경제적인 것은 아닙니다. 복잡한 3D 형상과 특수한 요구 사항을 충족하는 대량 생산되는 소형 정밀 금속 부품에만 금속 사출 성형이 적합합니다.
| 특성 | 최저한의 | 일반적인 | 최고 |
| 무게 (g) | 0.03 | 10-15 | 300 |
| 크기 (mm) | 2.0 | 25 | 150 |
| 벽 두께 (mm) | 0.025 | 1-3 | 15 |
| 배치 크기(연간) | 1,000 | 100,000 | 100,000,000 |
가벼운 무게
금속 사출 성형은 소형 금속 부품에 가장 적합합니다. 일반적인 부품 무게는 10g에서 15g 사이입니다. 50g 미만의 부품이 가장 경제적이며, 최대 무게는 300g입니다.
작은 치수
이 공정은 소형 부품에 이상적입니다. 일반적인 크기는 약 25mm이며 최대 150mm까지 가능합니다. 금속 사출 성형은 공차가 일반적으로 크기의 0.3%~0.5%에 달하기 때문에 대형 부품에는 적합하지 않습니다. 크기가 커질수록 절대 공차가 커져 설계 요구 사항을 충족하지 못하거나 비용이 많이 드는 2차 가공이 필요할 수 있습니다.
금속 사출 성형 부품의 일반적인 벽 두께는 1.0mm에서 3.0mm입니다.
복잡한 기하학
금속 사출 성형은 외부 언더컷, 외부 나사산, 테이퍼, 교차 구멍, 막힌 구멍, 돌출부, 키홈, 리브 또는 표면 널링이 있는 부품에 적합합니다. 단순한 형상의 경우 스탬핑, 단조 또는 분말 야금 공정을 통해 더 경제적일 수 있습니다.
배치 볼륨
금속 사출 성형은 금형을 필요로 하기 때문에 금형 비용을 상쇄하려면 높은 생산량이 필수적입니다. 일반적으로 이 공정이 경제적으로 타당하려면 연간 100,000만 개 이상의 생산량이 필요합니다.
금속 사출 성형의 응용
금속 사출 성형은 가전 제품에 널리 사용됩니다. 자동차 부품의료기기, 전동공구, 산업장비 및 생활필수품.
가전제품
여기에는 스마트폰, 태블릿, 노트북, 디지털 카메라, 웨어러블 기기, 드론 등이 포함됩니다. 2010년 블랙베리 휴대폰의 로고 부품에 금속 사출 성형 기술이 적용되면서 모바일 기기에 이 기술이 대량으로 사용되기 시작했습니다. 같은 해 애플도 전원 커넥터, SIM 트레이, 힌지, 카메라 링, 버튼 등에 금속 사출 성형 기술을 적용하며 그 활용 범위를 확대해 나갔습니다. 기기가 더욱 얇아지고 부품의 정밀도가 높아짐에 따라 이 분야에서 금속 사출 성형 기술의 전망은 더욱 밝아지고 있습니다.
자동차 부품
금속 사출 성형은 절삭 작업이 필요 없는 성형 공정으로 재료와 비용을 절감할 수 있습니다. 자동차 산업은 1990년대부터 금속 사출 성형을 높이 평가해 왔습니다. 현재 자동차 산업에서는 터보차저 부품, 조정 링, 연료 분사 노즐, 베인, 변속기 부품, 파워 스티어링 부품 등과 같은 복잡한 부품, 이중 금속 부품 및 마이크로 부품 세트에 금속 사출 성형을 적용하고 있습니다.
의료 기기
금속 사출 성형은 높은 정밀도와 우수한 기계적 특성을 지닌 부품을 생산하여 작고 복잡한 수술 도구에 필요한 요구 사항을 충족합니다. 이 기술은 수술 도구 손잡이, 가위, 집게, 치과 부품 및 정형외과 관절 부품에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
전동공구
전동공구 부속품은 복잡한 가공과 낮은 재료 활용률을 특징으로 하며, 금속 사출 성형에 크게 의존합니다. 대표적인 제품으로는 특수 형상 밀링 커터, 절삭 공구, 패스너, 마이크로 기어, 섬유 또는 압착기용 부품 등이 있습니다.
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