최근 몇 년 동안 PIM 산업은 매우 강한 성장세를 보였습니다. BCCResearch의 MIM 산업 시장 조사 및 전망 분석에 따르면, 전 세계 MIM 제품 시장 규모는 2004년 3억 8,200만 달러였으며, 2009년에는 5억 7,100만 달러로 성장할 것으로 예상되며 연평균 성장률은 8.4%입니다.
1.2 분말 사출 성형의 적용 분야가 지속적으로 확대됨 PIM 공정은 형상이 복잡한 소형 금속, 세라믹 또는 초경합금 부품의 대량 생산에 적합합니다. PIM 기술이 발전하고 점차 성숙해짐에 따라 적용 분야는 지속적으로 확대되고 있으며, 더 이상 시계 부품, 전자 기계 부품, 의료 장비 및 경무기 부품에만 국한되지 않습니다. PIM의 산업적 보급 및 적용은 자체 공정 특성과 결합되어야 하며, 이를 통해 다이캐스팅 소결, 정밀 주조 및 기계 가공과 같은 공정에 비해 뚜렷한 기술적 적합성을 갖추어야 합니다. 1) 복잡한 제품의 대량 생산 기존의 다이캐스팅 소결과 비교할 때 MIM 공정은 복잡한 금속 부품 제조에 적합합니다. Sandvik Osprey가 실시한 MIM의 미래 시장에 관한 여론 조사에 따르면 자동차, 항공우주, 의료 장비, 전자 통신, 소비재 및 기타 산업 분야 중 81%는 자동차 산업이 MIM 제품 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야가 될 것이라고 답했으며, 19%는 의료 장비 분야가 될 것이라고 답했습니다. 따라서 스테인리스강, Fe-Ni 저합금강, Ni 기반 합금 및 모합금으로 제작되는 MIM 자동차 부품과 스테인리스강, CoCrMo(F75) 및 티타늄 합금으로 제작되는 MIM 의료 장비 부품이 향후 MIM 시장의 주요 성장 동력이 될 것입니다. 전자 및 전기 기기 분야에서 MIM은 점점 더 복잡한 형상의 제품 제조에 사용되고 있습니다. 오스트리아 ARC Seibersdorf 연구센터가 구리 분말 사출 성형 기술로 제조한 LCD 방열판의 방열 성능은 기존 G-AlSi 소재 다이캐스팅 제품의 4배입니다. 오스트리아의 Fotec 역시 구리 분말 사출 성형 기술을 사용하여 형상이 매우 복잡한 칩 방열판을 제조합니다.
2) 가공이 어렵고 내화성이 높은 재료로 이루어진 복잡한 제품의 성형 PIM은 WC-Co 초경합금, 텅스텐 및 텅스텐 합금, 레늄, 알루미나 세라믹과 같은 재료로 복잡한 제품을 성형하는 데 폭넓은 전망을 갖고 있습니다. 프랑스 원자력청(CEA)은 PIM 기술을 사용하여 새로운 초소형 알루미나 열교환기를 제조합니다. 독일 카를스루에 연구센터와 오스트리아 ARC Seibersdorf 연구센터는 모두 순수 텅스텐 사출 성형을 사용하여 원자로의 디버터를 제조했습니다. 동시에 전자는 W1La, W-Ni-Fe 및 WCu 합금용 사출 성형 피드스톡도 개발했으며, 이는 방열판, 마이크로전자 및 자동차 산업에 사용될 것으로 예상됩니다. 미국의 Powdermet은 내화 금속인 레늄, WC-Co 및 WC-Cr3C2-Co의 사출 성형 공정을 개발했으며, 볼 케이지, 밸브 본체 및 링과 같은 부품 제조에 사용하고 있습니다.
3) 맞춤형 소재 제품의 성형 PIM 공정은 분말 야금의 장점을 갖고 있습니다. 공정 담당자는 제품 요구 사항에 따라 소재의 조성을 설계할 수 있습니다. 이러한 특징은 PIM의 적용 분야를 넓히며, 정밀 주조 및 기계 가공과 같은 공정에 비해 뚜렷한 장점을 제공합니다. 미시시피대학교의 German R M 교수가 이끄는 연구팀은 알루미늄 기반 복합재료와 나노 W-Cu 의사합금 분말의 사출 성형 공정을 연구하고 있습니다. 한편, 공사출 기술도 MIM 분야에 적용되기 시작했습니다. 독일 프라운호퍼 IFAM 연구소는 이 방법을 사용하여 서로 다른 부위에 서로 다른 물성을 가진 17PH/316L 및 316L/Fe 미세 부품을 제조합니다. 공사출 시 서로 다른 재료는 소결 과정에서 서로 결합되어 하나의 전체를 이루는 반면, MIM 금형 내 조립(Assembly moulding) 기술은 소결 과정에서 재료의 비호환성을 이용하여 사출 단계에서 부품을 성형하고 조립합니다. 이 기술은 조립 사출 성형 기술에서 비롯되었습니다. Arburg는 이 방법을 MIM에 적용하여 17-4PH 구상화 분말과 17-4PH 모합금 분말을 금형 내에서 사출 조립하고 동시 소결하여 힌지를 생산했습니다.
분말 미세 사출 성형과 관련된 기술인 μ-PIM의 공정 요구 사항은 일반 PIM보다 높으며, 이는 다양한 생산 단계에 반영됩니다. μ-PIM에 사용되는 분말의 크기는 일반적으로 성형 부품 내부의 최소 치수보다 한 자릿수 작습니다. 금속 재료의 경우 일반적으로 5μm 미만이며, 세라믹 재료의 경우 일반적으로 0.5μm 미만입니다. 미세 분말을 사용하면 탈지 공정 중 제품의 정밀도, 표면 품질 및 형상 유지에 유리하지만 분말 비용도 증가합니다. μ-PIM에 사용되는 바인더는 사출 과정에서 미세 캐비티가 쉽게 충전될 수 있도록 충분히 적은 양이어야 합니다. 동시에 바인더는 사출 성형 후의 성형체가 충분한 강도를 갖도록 하여 탈형 및 후속 작업 중 미세한 형상이 손상되거나 변형되지 않도록 해야 합니다. 분말의 크기가 매우 미세하기 때문에 분말과 바인더 사이의 간격이 줄어들고 혼합의 어려움은 그에 따라 증가합니다. 피드는 합리적인 분말 충전율을 가져야 합니다. 분말이 너무 많으면 바인더가 모든 분말 입자 표면에 침투하지 못해 금형 충전이 어려워지고, 바인더가 너무 많으면 피드의 점도가 감소하여 사출 과정에서 분말과 바인더가 분리되고 성형체의 밀도가 불균일해집니다. 따라서 μ-PIM은 합리적인 충전율을 갖는 균일한 피드를 사용해야 합니다.
μ-PIM에 사용되는 미세 사출 성형기는 높은 사출 속도, 정확한 사출량 측정 및 빠른 서보 장치 응답 특성을 갖습니다. 현재 산업계와 μ-PIM 관련 연구기관에서 사용하는 미세 사출 성형기는 주로 Battenfeld Microsystem 50, ArburgAllrounder 시리즈 및 Ferromatik Milacron 시리즈 모델입니다. μ-PIM에 사용되는 사출 금형은 LIGA, UV-LIGA, 레이저 어블레이션, 미세 방전 가공, 쾌속 조형 등의 방법으로 가공할 수 있습니다. 가공 방법에 따라 가공 범위, 정밀도 및 경제성이 다릅니다. 금형의 내마모성은 μ-PIM의 중요한 문제입니다. 독일 카를스루에 연구센터는 저합금강, 고합금강, 초경합금, 니켈 및 기타 재료로 제작된 금형 코어의 내마모성을 연구했습니다. 코어의 마모는 분말 재료와 바인더와 관련이 있습니다. 시험 결과 부식이 주요 마모 메커니즘인 것으로 나타났습니다. 금형 재료의 미세 균질성을 향상하면 내마모성에 유리하지만, 금형 재료의 경도와 내마모성 사이의 직접적인 관계는 아직 확인되지 않았습니다. μ-PIM 사출 공정에서는 금형 온도, 피드 온도, 탈형 속도, 사출 압력, 속도, 시간 등의 공정 매개변수를 합리적으로 제어해야 합니다. 수치 시뮬레이션을 사용하여 사출 금형과 공정 매개변수를 최적화하는 것이 매우 필요합니다. μ-PIM 부품의 탈형 과정에서는 부품이 금형 캐비티에서 부분적으로 떨어질 수 있으며, 이는 부품의 정밀도에 직접적인 영향을 미칩니다. 대량 생산 시 부품의 재현성을 보장하기 위해 Battenfeld는 탈형 후 부품의 완전성과 금형 캐비티에서 부품이 떨어져 나갔는지를 관찰하는 시각 모니터링 시스템을 설계했습니다.
μ-PIM에서는 부품 크기가 작아지면 탈지에 필요한 시간이 줄어들지만, 미세한 분말 입자는 탈지에 필요한 시간을 증가시킵니다. μ-PIM에 파라핀 기반 바인더를 사용하는 경우 탈지 공정 중 성형체의 형상 유지력과 강도를 개선해야 합니다. 연구에 따르면 PAN, EVA 및 HDPE 고분자로 구성된 μ-PIM 바인더가 탈지 공정에서 더 우수한 효과를 나타냅니다. μ-PIM에 사용되는 분말은 일반 PIM보다 더 미세하므로 소결에 필요한 온도가 낮아집니다. 소결 과정에서는 결정립 성장, 산화 및 구상화의 영향을 제어해야 합니다.
PIM 기술의 연구 및 적용은 빠르게 발전하고 있으며, 자체 특성과 장점을 충분히 발휘하고 있습니다. μ-PIM과 경금속 사출 성형은 발전 전망이 매우 밝으며 PIM 분야의 주요 연구 주제입니다. 컴퓨터 수치 시뮬레이션을 사용하여 PIM 공정 설계를 최적화하는 것은 향후 필연적인 추세입니다. PIM은 분말 야금, 화학 산업, 기계 제조 등 여러 분야와 관련되어 있으므로 지역 및 국제적 협력이 매우 필요합니다.
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의료 분야에서 금속 사출 성형(MIM)의 적용
금속 분말 사출 성형의 한계와 발전 동향