금속분말 사출성형 공정 최적화에 관한 연구

Abstract

The objective of this paper is study the optimization for metal injection molding process by using the design of experiments(DOE) and numerical analysis. In order to determine optimal process parameters, experiment and computerized analysis have been performed for various process conditions.

The summarized results are as follows ;

1) It took about 0.247 seconds to be filled up to gate, about 3.29 seconds until display maximum density showing almost solid green body, and about 13.2 seconds until it becomes solid on the whole perfectly by computerized analysis.

2) Screening was achieved by test statistic analysis, main effect and interaction analysis with the factors(melt temperature, mold temperature, injection time, and packing pressure) from performed 43 various experiment conditions.

3) Proper coded and uncoded regression equations and optimization for responses(flow front temperature, part weight, filling time, cycle time, and volumetric shrinkage) achieved from studying and verifying interrelation of the factors.

4) About 70% of whole binder extracted within about 10 minutes and temperature of solvent is higher, the debinding rate is fast. 50℃ was the most suitable condition for solvent extraction because of crack occurrence on green body at 55℃.

5) It took about 14.5 hours to perform secondary thermal debinding, which was only about 35% of the entire time taken compared with single thermal debinding process, even if it considers solvent extraction time required. Therefore, the applied method greatly reduces the debinding time.

6) The excellent process capability showed that the PPM total and Z.Bench were 9,946.8 and 2.33 showing good quality rate of around 99.01% and sigma level of 3.83. As a result, the process and optimization have been improved, and the proposed approach could be successfully reflected on the metal injection molding.|본 연구에서는 2가지 부품을 별도의 기계가공 후 도금 및 조립공정을 통하여 플랜지 제품을 양산하고 있는 기존방식을 금속분말사출성형을 이용하여 필요한 전반적인 공정 최적화에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 사출 유동해석을 통하여 최초 사출이 시작된 후 약 0.247초 경과하면 게이트까지 충전이 되며, 약 3.29초가 경과되면 사출 성형체는 고화되어 최대의 밀도를 나타내기 시작하고 약 13.2초가 경과되면 제품 내․외부 모두 완전한 고화가 형성됨을 알 수 있었다.

2) 2수준 5인자의 완전요인설계에 중심점 및 축점을 추가하여 43가지 실험조건에 대하여 용융온도, 금형온도, 사출시간, 보압시간 및 보압력의 인자들이 반응변수들에 미치는 영향을 분석하고 유의성을 평가한 결과 각각의 반응변수에 유의한 인자들이 도출되어 스크리닝을 수행하였으며, 주효과 및 교호작용의 영향을 분석하였다.

3) 인자들의 상호관계를 분석한 결과 유동 선단온도, 성형체 중량, 충전시간, 보압력의 반응변수에 대한 회귀분석 및 반응표면분석으로 적정한 회귀식이 도출되어 적용 가능성을 검증하였으며, 각 요인들의 상관관계를 정립하여 회귀식을 완성 및 반응 최적화를 달성하였다.

4) 노말헥산을 사용한 용매탈지는 약 10분 이내에 전체 바인더양의 약 70%가 탈지었으며, 용매온도가 높을수록 탈지되는 속도는 빠르나 55℃에서 성형체에 크랙이 관찰되었으므로 적용된 조건 중 50℃에서 약 1시간의 용매탈지가 가장 적정한 조건으로 분석되었다.

5) 용매탈지 후 적용한 열분해 탈지는 약 14.5 시간이 소요되었으며, 용매탈지의 시간을 고려하더라도 기존 단일 열분해 탈지시간의 약 35% 정도로서 탈지에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있었다.

6) 제품에 대한 전체 공정능력을 분석한 결과, PPM Total은 9,946.8, Z.Bench는 2.33으로 나타났으며 이를 양품률로 환산하면 약 99.01%에 해당되며 3.83 시그마 레벨을 보이며 양호한 공정능력을 나타내었다.

7) 최종 제품의 정밀도 측정결과 동심도 17.35㎛, 외경 2.497㎜, 내경 0.993㎜를 각각 나타내어 설정한 성능지표 이내의 값을 보임으로서 전체적으로 금속분말 사출성형을 위한 최적설계와 각각의 공정 및 최적화가 매우 우수하게 수행되었음을 알 수 있었다.