개요 MIM 적층 제조
금속 사출 성형(MIM)은 플라스틱 사출 성형과 분말 야금을 결합한 적층 제조 공정입니다. MIM을 사용하면 복잡한 금속 부품을 높은 정밀도와 반복성으로 그물 모양으로 대량 생산할 수 있습니다.
MIM은 다른 금속 3D 프린팅 공정에 비해 주요 장점이 있습니다:
- 대량 생산 – 각 배치에서 최대 수천 개의 부품을 생산할 수 있습니다. 따라서 MIM은 최종 사용 생산 애플리케이션에 적합합니다.
- 낮은 부품당 비용 – 성형 방식은 규모의 경제를 실현합니다. 대량 생산 시 부품 비용이 크게 감소합니다.
- 다양한 금속 &8211; 스테인리스 스틸, 공구강, 티타늄 합금 및 기타 금속을 사용할 수 있습니다.
- 우수한 기계적 특성 &8211; 거의 완전 밀도에 가까운 균일한 조성을 달성합니다.
- 복잡한 형상 &8211; 복잡한 모양, 내부 특징 및 얇은 벽이 가능합니다.
- 다양한 후처리 옵션 – 가공, 에칭, 도금 및 기타 마감을 적용할 수 있습니다.
- 확립된 프로세스 – MIM은 1970년대부터 사용되어 왔습니다. 표준 및 자료 데이터베이스가 존재합니다.
MIM은 저렴한 비용으로 대량으로 필요한 작고 복잡한 금속 부품에 이상적입니다. 프로토타입 3D 프린팅과 대량 제조 사이의 간극을 메워줍니다.
MIM 프로세스 개요
금속 사출 성형 공정은 크게 네 가지 단계로 이루어집니다:
- 공급 원료 준비 금속 분말을 바인더 재료와 혼합하여 균일한 공급 원료를 만듭니다. 이 혼합물은 사출 성형기에서 사용하기 위해 펠릿화됩니다.
- 사출 성형 공급 원료를 녹여 금형 도구에 주입하여 원하는 &8211; 녹색“↩ 모양을 만듭니다. 표준 사출 성형 장비가 사용됩니다.
- 디바인딩 바인더 재료는 화학적, 열적 또는 촉매적 수단을 통해 성형 부품에서 추출됩니다. 이렇게 하면 갈색 부분이 남습니다.
- 소결 디바운드 부품을 소결하여 금속 분말을 조밀하게 최종 사용 부품으로 융합합니다. 부품은 소결하는 동안 수축합니다.
가공, 접합, 도금 및 에칭과 같은 2차 작업을 통해 부품을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 기본적인 MIM 프로세스 흐름은 아래와 같습니다:
표 1: MIM 적층 제조 공정 개요
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 공급 원료 준비 | 금속 분말과 바인더를 펠릿화된 공급 원료에 혼합하기 |
| 사출 성형 | 원료를 원하는 녹색 모양으로 성형 |
| 디바인딩 | 바인더를 제거하여 갈색 부분을 남깁니다. |
| 소결 | 열을 통해 금속 분말을 최종 부품에 용융하는 방법 |
MIM 부품의 응용 분야
MIM은 작고 복잡한 그물 모양의 금속 부품을 중간에서 대량으로 제조하는 데 적합합니다. 일반적인 MIM 애플리케이션은 다음과 같습니다:
표 2: MIM 적층 제조의 응용 분야
| 산업 | 구성 요소 예시 |
|---|---|
| 자동차 | 연료 인젝터 노즐, 스퍼 기어, 터보차저 부품 |
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 임펠러, 이니시에이터 |
| 의료 | 교정용 브라켓, 메스 손잡이, 겸자 |
| 소비자 | 시계 부품, 그릴, 장식 부품 |
| 산업 | 칼날, 잠금 장치, 밸브 |
| 총기류 | 트리거, 해머, 안전장치, 슬라이드 |
MIM은 여러 산업 분야에서 부품 통합, 경량화, 성능 향상, 제조 비용 절감을 가능하게 합니다. 기하학적 자유도와 생산성이 결합된 MIM은 최종 사용 생산에 적합합니다.
CNC 가공에 비해 MIM을 사용하면 더 복잡한 형상을 대량 생산할 수 있습니다. 부품 통합을 통해 조립 단계를 최소화하는 것이 MIM을 통해 가능해졌습니다.
MIM 적층 제조의 장점
MIM은 제조 분야에서 널리 사용되는 고유한 이점이 있습니다:
표 3: MIM 적층 제조의 장점
| 혜택 | 설명 |
|---|---|
| 대량 생산 | MIM을 통해 연간 최대 수백만 개의 부품 생산 가능 |
| 부품당 낮은 비용 | 생산량 증가에 따른 비용 절감 |
| 설계 유연성 | 복잡한 형상 및 미세 기능 구현 가능 |
| 재료 범위 | 스테인리스강, 공구강, 티타늄과 같은 대부분의 합금 분말을 사용할 수 있습니다. |
| 우수한 기계적 특성 | 거의 완전한 밀도와 균일한 구성 |
| 다양한 마감재 | 가공, 에칭, 도금 및 기타 마감 처리 가능 |
| 확립된 프로세스 | 표준, 데이터베이스, 다년간의 경험 제공 |
설계의 자유, 재료 기능 및 비용 효율성의 조합은 금속 3D 프린팅, 인베스트먼트 주조 또는 기계 가공과 같은 다른 공정에 비해 MIM의 이점을 제공합니다.
더 얇은 벽, 언더컷, 속이 빈 내부 및 기타 복잡한 요소로 부품을 설계할 수 있습니다. 여러 컴포넌트를 하나의 MIM 부품으로 통합하는 것도 가능합니다.
MIM 적층 제조의 한계
MIM은 많은 장점이 있지만 몇 가지 제약이 있습니다:
표 4: MIM 적층 제조의 제한 사항
| 제한 사항 | 설명 |
|---|---|
| 부품 크기 | 일반적으로 최대 70입방인치의 소형 부품으로 제한됩니다. |
| 저연성 소재 | 알루미늄과 같은 일부 연성 합금은 쉽게 MIM할 수 없습니다. |
| 선불 비용 | 금형에 상당한 툴링 투자 필요 |
| 낮은 혼합 생산 | 동일한 부품의 중대형 볼륨에 가장 적합 |
| 포스트 프로세싱 | 추가 가공 또는 마감이 필요할 수 있습니다. |
MIM은 성형이 필요하기 때문에 형상 제한이 있습니다. 열경화성 플라스틱은 더 큰 MIM 부품을 만들 수 있지만 강도가 낮습니다.
모든 금속 합금을 MIM 공급 원료로 쉽게 제조할 수 있는 것은 아닙니다. 특히 연성 소재는 어려움이 많습니다.
새로운 부품 설계마다 경질 금형 금형을 제작해야 합니다. 이로 인해 시간과 비용이 추가됩니다.
고정된 금형 도구로 인해 잦은 디자인 변경은 MIM에 적합하지 않습니다. 다른 3D 프린팅 방법을 사용하면 더 쉽게 반복할 수 있습니다.
최종 치수 및 표면 요구 사항에 따라 성형 후 작업이 필요할 수 있습니다.
MIM 설계 고려 사항
MIM은 기하학적 자유를 허용하지만 부품은 공정 제한을 염두에 두고 설계해야 합니다:
표 5: MIM 설계 고려 사항
| 매개변수 | 가이드라인 |
|---|---|
| 벽 두께 | 최소 0.3mm, 최대 5mm. 균일한 두께가 이상적 |
| 허용 오차 | ±0.5%가 일반적이지만 지오메트리에 따라 다릅니다. |
| 표면 마감 | 소결 상태는 Ra 10-15 미크론 정도입니다. |
| 초안 각도 | 탈형에 필요한 1° 구배 각도 |
| 모양 복잡성 | 부품 통합 또는 토폴로지 최적화 가능 |
| 특징 | 0.1mm 구멍 및 슬롯과 같은 미세한 디테일이 가능합니다. |
| 텍스처 | 복잡한 인몰드 텍스처 통합 가능 |
| 삽입 | 금형에 다른 인서트를 통합할 수 있습니다. |
| 무게 감소 | 중공화, 격자 및 토폴로지 최적화를 통한 질량 감소 |
몰딩 공정에는 특정 설계 규칙이 적용됩니다. 그러나 MIM은 다른 방법으로는 달성할 수 없는 형상을 생성할 수 있습니다.
MIM 머티리얼 옵션
수요가 많은 강철과 티타늄을 포함한 다양한 합금을 MIM에 사용할 수 있습니다:
표 6: MIM 머티리얼 옵션
| 재료 | 애플리케이션 |
|---|---|
| 스테인리스 스틸 | 의료, 해양, 소비재 |
| 공구강 | 절삭 공구, 금형, 마모 부품 |
| 저합금강 | 자동차, 기계 부품 |
| 티타늄 합금 | 항공우주, 의료용 임플란트 |
| 니켈 합금 | 항공우주 터빈, 해양 하드웨어 |
| 텅스텐 중합금 | 방사선 차폐, 진동 감쇠 |
17-4PH 및 304L과 같은 고강도, 내식성 스테인리스 스틸이 일반적으로 사용됩니다. 강수량 경화 등급을 사용하면 강도를 더욱 강화할 수 있습니다.
H13과 같은 공구강은 우수한 경도, 인성 및 열 안정성이 필요한 성형, 스탬핑 및 사출 금형에 이상적입니다.
생체 적합성을 위한 티타늄 합금, 내열성을 위한 니켈 합금, 밀도를 위한 텅스텐 합금은 쉽게 MIM할 수 있습니다.
MIM 구리 및 알루미늄 합금과 같은 새로운 소재도 개발 중입니다.
MIM 설계 소프트웨어 옵션
MIM 설계 요구 사항을 지원하기 위해 CAD 및 토폴로지 최적화 소프트웨어 옵션이 있습니다:
표 7: MIM 설계 소프트웨어 옵션
| 소프트웨어 | 설명 |
|---|---|
| SolidWorks | 금형 흐름 분석 플러그인이 포함된 인기 CAD |
| 오토데스크 몰드플로우 | 전용 사출 금형 시뮬레이션 |
| n토폴로지 | AM 소프트웨어를 위한 토폴로지 최적화 및 설계 |
| 머티리얼라이즈 3매틱 | 격자 및 경량 구조 설계를 위한 도구 |
| 넷팹 | MIM용 3D 메시 최적화를 위한 소프트웨어 |
솔리드웍스는 일반적으로 CAD 설계에 사용됩니다. 금형 흐름 시뮬레이션을 통해 제조 가능성을 확인할 수 있습니다.
Moldflow와 같은 전문 프로그램은 고급 분석 및 프로세스 모델링 기능을 추가합니다.
nTopology와 같은 토폴로지 최적화 소프트웨어를 사용하면 AM 및 MIM에 맞는 유기적 형상을 만들 수 있습니다. 경량화 및 통합이 가능합니다.
3-matic과 같은 소프트웨어는 가변 밀도 격자를 설계하고 지지 구조를 생성하는 데 도움이 됩니다.
MIM 프로세스 파라미터
MIM에는 공급 원료, 성형, 디바인딩 및 소결 최적화가 포함됩니다. 일반적인 매개변수는 다음과 같습니다:
표 8: MIM 프로세스 매개변수
| 단계 | 일반적인 범위 |
|---|---|
| 분말 크기 | 5 &8211; 25 미크론 |
| 바인더 | 30 &8211; 공급 원료 부피의 50% |
| 고체 로딩 | 55 &8211; 공급 원료의 70% |
| 금형 온도 | 150 – 185°C |
| 사출 압력 | 60 &8211; 110 MPa |
| 성형 냉각 속도 | 20 &8211; 50°C/s 담금질 |
| 디바인 방법 | 용매, 열, 촉매 |
| 디바인딩 시간 | 일 단위에서 시간 단위로 |
| 소결 온도 | 50 &8211; 녹는점의 80% |
| 소결 시간 | 시간에서 일로 |
| 수축 | 13 &8211; 17% 선형 수축 |
매개 변수는 재료, 부품 형상, 생산 속도 및 필요한 속성에 따라 달라집니다.
미세한 파우더와 높은 고체 하중이 해상도를 높여줍니다. 더 빠른 냉각 및 금형 온도는 더 나은 그린 강도를 생성합니다. 디바인딩 시간이 짧고 소결 온도가 높으면 생산 속도가 빨라집니다.
MIM 포스트 프로세싱 옵션
소결된 MIM 부품은 추가 가공이 필요할 수 있습니다:
표 9: MIM 포스트 프로세싱 옵션
| 프로세스 | 목적 |
|---|---|
| 열처리 | 향상된 속성을 위한 미세 구조 변경 |
| 도금 | 골드 또는 크롬과 같은 장식용 코팅을 적용합니다. |
| 패시베이션 | 강철에 보호 산화물 층 생성 |
| 용접 | MIM 부품을 서로 또는 다른 컴포넌트에 결합하기 |
| 레이저 마킹 | 로고, 텍스트 또는 ID 코드를 위한 영구 마크 |
| 가공 및 드릴링 | 고정밀 치수 또는 사용자 지정 기능 |
| 진동 마감 | 매끄러운 표면과 둥근 날카로운 모서리 |
성형 후 단계에서는 외관, 속성 및 다른 구성 요소와의 인터페이스를 개선할 수 있습니다. 도금, 아노다이징 및 페인팅은 널리 사용되는 마감 처리입니다.
일부 어셈블리의 경우 용접, 브레이징 또는 접착을 통해 MIM 부품을 연결해야 할 수도 있습니다. 추가 가공을 통해 정밀한 결합 표면을 만들 수 있습니다.
MIM 장비 공급업체
기존 사출 성형 업체는 MIM 장비와 서비스를 제공합니다:
표 10: MIM 장비 공급업체
| 회사 | 장비 |
|---|---|
| ARBURG | 전기 및 유압 사출 성형기 |
| Milacron | 완벽한 통합 MIM 라인 |
| Toshiba | 하이브리드 및 전기 성형기 |
| Netstal | 고정밀 사출 성형 |
| Nissei | 수직 및 수평 사출 성형기 |
| Sodick | 고속, 고주파 성형 |
전문 MIM 서비스도 이용할 수 있습니다:
- PIM International
- MPP
- MIMITAL
- CN 혁신
이러한 풀 서비스 제공업체는 공급 원료 배합, 분석, 툴링, 성형, 디바인딩 및 소결 서비스를 제공합니다.
MIM 적층 제조의 비용 고려 사항
MIM은 시작 비용은 상대적으로 높지만 생산량에서는 부품당 비용이 낮습니다:
표 11: MIM 비용 고려 사항
| 비용 요소 | 일반적인 범위 |
|---|---|
| 금형 도구 | 10,000 &8211; 복잡성, 재료 및 크기에 따라 $100,000 이상 |
| 소규모 배치 설정 | 10,000 미만 |
| 증분 부품 비용 | 개당 $0.5 &8211; $5 금속 비용 |
| 생산 속도 | 도구당 연간 5,000개 &8211; 500,000개의 부품 생산 |
| 마무리 | 프로세스에 따라 부품당 $0.1 &8211; $2 |
| 배치 크기 손익분기점 | 1,000개 및 10,000개 이상의 부품 대 다른 프로세스 |
공구강으로 MIM 금형 공구를 밀링하는 데는 몇 주가 걸리고 대형 부품의 경우 10만 달러 이상의 비용이 들 수 있습니다. 덜 복잡한 소형 금형은 10,000달러 미만일 수 있습니다.
일단 금형이 제작되면 중대형 생산량에서는 지속적인 MIM 공정 비용이 매우 경제적입니다. MIM은 단일 몰드 툴로 연간 최대 100만 개의 부품을 생산할 수 있습니다.
MIM과 다른 AM 프로세스 중 선택하기
MIM은 3D 프린팅과 대량 생산 공정 사이에 위치합니다:
표 12: MIM과 기타 금속 적층 제조 공정 비교
| 요인 | MIM | 바인더 제트 3D 프린팅 | DMLS | 다이 캐스팅 |
|---|---|---|---|---|
| 자본 비용 | 툴링에 적합 | Medium | 높음 | 매우 높음 |
| 부품당 비용 | 10,000개 이상의 최저 부품 | 낮은 볼륨에서는 낮음 | Medium | 매우 높은 볼륨에서는 낮게 |
| 자료 | 다양한 합금 | 제한된 범위 | 제한된 범위 | 알루미늄 및 아연 합금 |
| 해상도 | 중간 ~0.1 &8211; 0.3mm | 중간 ~0.3 &8211; 0.5mm | 최고 ~0.05mm | 하단 ~0.5mm |
| 생산 속도 | 높음 | Medium | 느림 | 매우 높음 |
| 포스트 프로세싱 | Medium | 높음 | Medium | 낮음 |
| 기계적 특성 | Good | 변수 | 최고 | Good |
| 디자인 제약 조건 | 일부 기하학적 제약 조건 | 몇 가지 제약 조건 | 일부 오버행 제약 조건 | 높은 수준의 제약 조건 |
MIM은 10,000개 이상 생산에 필요한 합금 소재의 복잡한 형상에 대해 최고의 경제성을 제공합니다. 대량 생산 시에는 더 낮은 비용의 대량 생산 공정이 유리해집니다.
결론
MIM은 다양한 엔지니어링 합금으로 복잡한 형상을 직접 대량 생산할 수 있는 매력적인 금속 적층 제조 공정입니다.
적층 제조의 다양성과 기존 제조에 근접하는 생산성을 결합한 기술입니다. 이러한 강력한 융합은 부품 비용 절감, 어셈블리 통합, 성능 향상 및 경량 구조로 이어집니다.
MIM은 초기 금형 투자가 필요하지만 규모의 경제를 실현할 수 있습니다. 프로토타입 3D 프린팅과 대량 제조 사이의 간극을 메우는 상호 보완적인 기술로 자리매김하고 있습니다.
지속적인 재료 개발과 소프트웨어 통합으로 의료, 항공우주, 자동차, 산업 및 소비자 부문에서 MIM 애플리케이션이 확대될 것입니다.
MIM 적층 제조 &8211; FAQ
Q: MIM은 다이캐스팅과 어떻게 다른가요?
A: MIM은 다이캐스팅보다 더 복잡하고 정밀한 형상을 제작할 수 있지만 생산 속도와 생산량이 낮습니다. 다이캐스팅은 수백만 개에 필요한 단순한 형상의 경우 더 빠르고 저렴합니다.
Q: MIM으로 어떤 크기의 부품을 만들 수 있나요?
A: MIM 부품의 무게는 일반적으로 0.5g에서 70g까지 다양합니다. 더 높은 압력과 툴링 크기를 처리할 수 있는 장비를 사용하면 최대 250g의 대형 부품도 제작할 수 있습니다.
Q: MIM 몰드 툴의 비용은 어떻게 결정되나요?
A: 금형 재료, 복잡성, 크기, 표면 마감 및 처리 시간이 금형 제작 비용에 영향을 미칩니다. 간단한 공구강 금형은 1만 달러 미만일 수 있지만, 대형 생산 경화강 금형은 10만 달러를 초과할 수 있습니다.
질문: MIM에는 사후 처리가 필요하나요?
A: 일부 애플리케이션은 추가적인 열처리, 기계 가공 또는 표면 마감이 필요합니다. 그러나 많은 구성 요소는 소결 상태로 사용할 수 있습니다. 후처리는 최종 치수 및 외관 요구 사항에 따라 달라집니다.
Q: MIM 금형은 몇 개의 부품을 생산할 수 있나요?
A: MIM 생산 속도는 일반적으로 공구당 연간 5,000~50만 개의 부품을 생산합니다. 적절한 유지보수를 통해 수년 동안 수백만 개의 샷을 생산할 수 있습니다.
Q: 피해야 할 일반적인 MIM 설계 오류에는 어떤 것이 있나요?
A: 불충분한 구배 각도, 심한 언컷, 두꺼운 벽에서 얇은 벽으로의 전환, 코어의 반대편에 미세한 디테일을 배치하는 경우 모두 성형 문제가 발생할 수 있습니다. 숙련된 디자이너와 상담하는 것이 좋습니다.
Q: MIM에서 여러 자료를 결합할 수 있나요?
A: 예, MIM을 사용하면 분말 혼합물 또는 여러 공급 원료를 사용하여 다중 재료 부품을 만들 수 있습니다. 복합 구조의 경우 다른 합금 또는 경질 소재와 인서트 몰딩도 가능합니다.
Q: MIM 부품의 표면 마감은 어떤가요?
A: 소결 마감의 거칠기는 약 10~15미크론입니다. 이는 많은 애플리케이션에 적합합니다. 필요한 경우 추가 텀블링 또는 연마를 통해 표면을 더욱 매끄럽게 만들 수 있습니다.
질문: MIM 프로세스는 얼마나 걸리나요?
A: 리드 타임은 일반적으로 6~12주입니다. 필요한 경우 금형 제작에 가장 많은 시간이 소요됩니다. 일단 툴이 만들어지면 작은 부품의 경우 일괄 생산이 매우 빠릅니다.