[논문자료] 두꺼운 세라믹 사출성형체로부터 효율적인 결합제 제거를 위한 초임계 CO2 가변조건 탈지공정 연구

출처: 픽사베이

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분말 사출 성형(Powder Injection Molding, PIM) 공정은 고정밀 고밀도의 3차원 입체 형상의 가공체를 대량 생산할 수 있는 매우 유용한 공정으로서[1], 주재료에 따라 금속 사출 성형(Metal Injection Molding, MIM)과 세라믹 사출 성형(Ceramic Injection Molding, CIM)으로 나뉜다. 분말 사출 성형은 기본적으로 혼합(mixing), 성형(molding), 탈지(debinding) 그리고 소결(sintering)의 4단계로 나뉘는데, 가장 중요한 과정 중 하나가 결합제를 제거하는 탈지공정이다. 결합제는 혼합과정에서 분말과 혼합하여 분말간의 결합을 위한 결합제로 쓰일 뿐 만 아니라 분말의 유동성을 높이거나 표면특성을 향상시키기 위한 분산제의 역할을 한다. 또한 주형(mold)과 성형체의 분 리를 도와주는 윤활제로서의 역할도 하기 때문에 플라스틱처럼 사출성형을 통한 대량생산이 가능하게 된다[2,3].

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201222350106626

 

일정 압력, 온도, CO2 유량의 고정조건 하에서 탈지를 진행하였을 경우 두께가 상대적으로 얇은 1~2 mm 시편에서는 공정시간이 길지 않더라도 원하는 만큼의 탈지율을 얻어낼 수 있었다. 하지만 두께가 4 mm로 증가함에 따라 균열이 발생하지 않는 조건에서는 현저히 낮은 탈지율을 보였다. 따라서, 균열 발생 가능성이 높은 초기단계에서의 온도, 압력, CO2 유 량 조건은 낮게 시작하고, 단계별로 조건을 가중변화 시키는 가변조건 공정으로 실험을 진행하여 실제 제품 생산에 적용 가능한 90% 이상의 탈지율을 얻어낼 수 있었다. 또한 공정시간 단축을 위하여 각 단계별 시간을 단축시키고 균열이 발생하지 않는 범위 내에서 온도, 압력 조건을 높게 변화시켜 총 5시간의 공정시간동안 95% 이상의 파라핀왁스를 제거하였다.

 

본 연구의 결과로 그동안 얇고 작은 분말 사출 성형체 위주 로 한정 적용하였던 초임계 탈지 공정이 일정 두께 이상의 분말 사출 성형체에도 적용이 가능해 짐에 따라 관련 산업에서 응용할 수 있는 폭이 매우 넓어지고 그에 따른 수요 증가가 예상된다.

 

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초임계 탈지

분말사출성형은 금속사출성형(MIM: Metal Injection Molding), 세라믹사출성형(CIM: Ceramic Injection Molding)으로 분류되는 기술로서, 각종 금속 분말재료나 세라믹 분말재료를 적절한 바인더 시스템과 혼합하여 분말과 바인더 시스템의 분말 혼합체를 제조한 후에 이 분말 혼합체를 사출성형 공정을 통해 원하는 형상의 제품(Green Body)을 만들고, 다시 그 중에 있는 바인더 시스템을 제거하여 최종적인 소결 공정을 통해 완성된 금속이나 세라믹 성형제품을 만드는 제조공법입니다.

 

초임계 이산화탄소는 확산속도가 크고 표면장력이 낮아 금속분말간의 미세기공 속으로 빠르게 침투하여 binder를 녹인 후 빠르게 빠져 나오는 효과적인 역할을 합니다. 초임계CO₂를 이용한 탈지의 경우 초기 투자비용은 크지만, 제품을 대량생산, 추출된 binder의 재활용, 시간절감, 추출공정 중 시편의 적은 변형, 환경친화 등의 장점을 갖는 에너지 절약형 신기술입니다.

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