개요 MIM 기술
분말 사출 성형(PIM)이라고도 하는 금속 사출 성형(MIM)은 작고 복잡한 금속 부품을 대량으로 생산하는 데 사용되는 고급 제조 공정입니다.
MIM은 플라스틱 사출 성형의 설계 유연성 및 정밀성과 가공된 금속 부품의 강도 및 성능을 결합한 기술입니다. 이를 통해 고급 금속 합금으로 우수한 기계적 특성을 지닌 복잡한 부품을 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다.
MIM 공정은 미세한 금속 분말과 바인더 재료를 혼합한 공급 원료로 시작됩니다. 그런 다음 이 공급 원료를 플라스틱 사출 성형 장비를 사용하여 금형에 주입합니다. 바인더는 금속 분말을 하나로 묶어주고 성형에 필요한 유동성을 부여합니다.
성형 후 바인더는 디바인딩 공정을 통해 성형된 녹색 부품에서 제거됩니다. 그런 다음 갈색 부품이라고 하는 디바운드 부품을 고온에서 소결하여 금속 입자를 융합하여 단조 부품에 가까운 재료 특성을 가진 단단한 금속 부품으로 만듭니다.
MIM은 스테인리스강, 저합금강, 공구강, 자성 합금, 초합금, 티타늄 합금 및 텅스텐 중합금과 같은 다양한 금속을 사용하여 작고 복잡한 부품을 만드는 데 적합합니다. 플라스틱 사출 성형의 다양성과 분말 야금의 재료 유연성이 결합되어 있습니다.
MIM 기술의 주요 이점은 다음과 같습니다:
- 복잡하고 섬세한 금속 부품을 위한 대량 생산 능력
- 그물 모양에 가까운 제조로 낭비 감소 및 가공 최소화
- 단조 소재에 가까운 우수한 기계적 특성
- 스테인리스 스틸, 공구강, 초합금 등 다양한 금속 선택 가능
- 부품을 단일 구성 요소로 통합할 수 있습니다.
- 대량 생산으로 인한 낮은 단가
- 자동화된 프로세스를 통한 일관성 및 반복성 확보
MIM 기술은 정밀도, 강도, 경제성, 대량 생산 규모가 필요한 의료 기기, 총기 부품, 시계 부품, 자동차 부품과 같은 작고 복잡한 부품에 이상적입니다.
MIM 기술의 적용 및 사용
MIM 기술은 다양한 산업 분야에서 소형 고정밀 금속 부품을 대량으로 효율적으로 제조하는 데 사용됩니다. 다음은 MIM 기술의 주요 적용 분야와 용도입니다:
| 산업 | 응용 프로그램 및 용도 |
|---|---|
| 의료 및 치과 | 수술 기구, 치과용 임플란트, 정형외과용 임플란트, 카테터 구성품, 바늘 캐뉼라, 메스 손잡이, 겸자, 클램프, 수술용 패스너, 재사용 가능한 수술 기구 |
| 총기 및 방위 | 방아쇠, 해머, 안전장치, 이젝터, 탄창, 탄피, 발사체, 탄두 구성품 |
| 자동차 | 연료 시스템 구성품, 오일 펌프 기어, 임펠러, 밸브, 터보차저 부품, 전자 부품, 스티어링/변속기 부품 |
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 임펠러, 기어 톱니, 부싱, 펌프 부품, 엔진 부품 |
| 소비자 제품 | 시계 부품, 보석류, 칼, 가위, 면도기, 수공구, 지퍼 부품 |
| 산업용 하드웨어 | 손잡이, 피팅, 패스너, 소켓, 커넥터, 스프링클러, 노즐 |
| 전자 제품 | 커넥터, 스위치, 마이크로모터, 마이크로기어, 스크리닝 마스크, 인덕터, 자석 로터 |
** 특정 애플리케이션을 위한 MIM의 장점**
- 정밀도: 복잡한 형상의 의료 기기나 시계 부품과 같은 소형 부품에 이상적입니다.
- 강도: 자동차 터보차저, 총기 방아쇠 등 고강도가 필요한 부품에 적합합니다.
- 내마모성: 공구강 합금으로 제작된 MIM 부품은 내마모성이 우수하여 수명이 길어집니다.
- 내식성: 스테인리스 스틸 MIM 부품은 재사용 가능한 수술 도구, 임플란트 등을 위해 부식을 견뎌냅니다.
- 높은 경도: MIM은 칼, 공구, 금형 등과 같은 40 HRC 이상의 경도를 가진 부품을 생산할 수 있습니다.
- 전기적 특성: MIM은 인덕터, 모터 로터 등과 같은 연자성 부품을 만드는 데 사용됩니다.
- 비용 효과: 대량 생산으로 가공에 비해 부품 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
MIM 장비 및 툴링 가이드
MIM 공정에 사용되는 주요 장비로는 사출 성형기, 디바인딩 및 소결로가 있습니다. 다음은 개요입니다:
| 장비 | 목적 | 고려 사항 |
|---|---|---|
| 사출 성형기 | 열과 압력을 받는 금형 캐비티에 MIM 공급 원료를 주입하려면 다음과 같이 하세요. | 금형 클램핑력, 사출 속도 및 압력 용량, 정밀도 및 반복성, 제어 및 자동화 기능. |
| 바인더 제거 오븐 | 성형 부품에서 열 또는 화학적으로 바인더를 제거하려면 다음과 같이 하세요. | 온도 범위, 대기 제어, 로딩 용량, 디바인딩의 균일성. |
| 소결로 | 녹는점에 가까워질 때까지 가열하여 디바운드 갈색 부분을 조밀하게 만듭니다. | 온도 범위, 대기 제어, 가열 균일성, 배치 용량, 완전 자동화를 선호합니다. |
| 금형 및 툴링 | MIM 공급 원료를 필요한 형상으로 형성하기 위한 성형 캐비티 | 성형 압력과 온도에 견딜 수 있고 정밀하게 가공되어 표면 마감이 우수하며 빠른 가열/냉각이 가능합니다. |
| 공급 원료 장비 | 금속 분말과 바인더를 균일한 MIM 공급 원료로 혼합하려면 다음을 수행합니다. | 믹서, 온도 조절기, 펠렛타이저. |
| 보조 처리 | 가공, 결합, 표면 처리와 같은 추가 단계 | CNC 가공, 용접, EDM, 코팅과 같은 부품 요구 사항에 따라. |
| 품질 관리 | 공급 원료, 소결 부품 속성 테스트하기 | 분말 형태, 밀도, 유량, 점도 분석기, 기계 테스트 장비. |
| 안전 장비 | 미세 분말을 안전하게 취급하려면 | 장갑, 호흡기, 집진 시스템. |
설계 및 성능 표준
- ISO 21227 - 금속 사출 성형용 분말
- ASTM F2885 - 금속 사출 성형 공정
- MPIF 35 - MIM 공급 원료에 대한 표준
- ASTM E2781 - MIM 인장 시험 시편 설계
- ISO 2740 - 소결 금속 사출 성형 부품
비용 분석
MIM 제작의 일반적인 비용 분포는 다음과 같습니다:
- 원료(파우더 + 바인더): 50-60%
- 제조(성형 + 디바인딩 + 소결): 25-35%
- 보조 처리: 5-10%
- 품질 관리: 2-5%
- 엔지니어링(R&D, 디자인) 2-5%
공급업체 및 가격
다음은 MIM 장비의 주요 글로벌 공급업체와 가격대입니다:
| 공급업체 | 제품 카테고리 | 가격 범위 |
|---|---|---|
| ARBURG | 사출 성형기 | $100,000 – $500,000 |
| 인도-미국 MIM | MIM 공급 원료 및 서비스 | Kg당 $5 - $50 |
| Elnik | 디바인딩 및 소결로 | $50,000 – $1,000,000 |
| FineMIM | 엔드투엔드 MIM 프로덕션 | 부품당 $0.5 - $5 |
| 파마테크 | 금속 분말 분무 | $250,000 – $1,000,000 |
| 메리디안 테크놀로지스 | 툴링 및 금형 설계 | $5,000 – $100,000 |
설치, 운영 및 유지보수
MIM은 자동화된 프로세스이지만 최적의 성능을 위해서는 신중한 설치, 운영 및 유지 관리가 필요합니다:
| 활동 | 세부 정보 |
|---|---|
| 설치 | 사출 성형기와 금형을 정밀하게 정렬합니다. 온도 컨트롤러를 보정합니다. 시험 배치로 테스트 실행. |
| 운영 | 표준에 따른 공급 원료 품질 관리를 보장합니다. 사출 압력, 온도 및 속도와 같은 공정 파라미터를 달성합니다. |
| 유지 관리 | 성형기 배럴, 나사, 금형에 대한 예방 유지보수를 예약합니다. 디바인딩 퍼니스 분위기를 유지합니다. 기기를 보정합니다. |
| 청소 | 가동 후 기계 배럴 청소에 대한 SOP를 따르세요. 용광로나 덕트에 가루가 쌓이지 않도록 하십시오. 설계된 미디어로 금형 청소. |
| 안전 | 미세 분말을 취급할 때는 개인 보호 장비를 착용하세요. 화학 바인더를 적절히 폐기합니다. 유지보수 전에 용광로를 식히세요. |
| 교육 | 기계 및 용광로 운영자에게 절차에 대한 교육을 실시합니다. 안전 및 유지 관리에 대한 재교육 세션을 실시합니다. |
| 최적화 | 부품 품질이 사양 내에서 안정화될 때까지 공정 파라미터를 조정합니다. 상세한 공정 기록을 유지합니다. |
일반적인 유지 관리 활동 및 빈도
| 활동 | 빈도 |
|---|---|
| 사출 성형기 노즐 세척 | 각 배치 후 |
| 금형 연마 | 주간 |
| 머신 배럴 청소 | 월간 |
| 바인더 제거 오븐 분위기 점검 | 월간 |
| 소결로 열전대 교정 | 6개월 |
| 금형 흐름 연구 | 매년 |
MIM 공급업체를 선택하는 방법
합리적인 비용으로 양질의 부품을 적시에 공급받으려면 유능한 MIM 공급업체를 선택하는 것이 중요합니다. 고려해야 할 중요한 요소는 다음과 같습니다:
| 팩터 | 기준 |
|---|---|
| 기술 역량 | 첨단 장비, 다년간의 경험, 기술 전문성 |
| 머티리얼 옵션 | 스테인리스 스틸, 공구강, 텅스텐 합금과 같은 다양한 소재 |
| 보조 처리 | 자체 가공, 접합, 코팅 시설 |
| 품질 시스템 | ISO 9001 인증, 품질 관리 및 검사 절차 |
| 생산 능력 | 안정성을 위한 대량 생산 능력 |
| 리드 타임 | 설계부터 배송까지 빠른 처리 시간 |
| 위치 | 물류 효율성을 위한 지리적 근접성 |
| 비용 | 가격 모델 - 부품당 가격 책정 방식 선호 |
| 고객 서비스 | 문의에 대한 응답, 기술 지원, 프로젝트 관리 |
잠재적 MIM 공급업체에게 물어볼 질문
- 어떤 재료와 부품 크기에 대한 경험이 있나요?
- 가공이나 코팅과 같은 2차 가공을 제공하나요?
- 어떤 품질 인증 및 검사 절차를 따르나요?
- 티타늄 합금이나 텅스텐 카바이드와 같은 민감한 재료의 취급은 어떻게 이루어지나요?
- 월 단위로 안정적으로 제공할 수 있는 생산량은 어느 정도인가요?
- 스크랩을 최소화하고 수율을 극대화하는 방법은 무엇인가요?
- 치수 및 속성의 부품 간 가변성은 어떻게 되나요?
- MIM 프로세스를 위한 설계 최적화는 어떻게 이루어지나요?
- 어떤 품질 보고서와 관리 차트가 제공되나요?
MIM과 다른 프로세스 비교
MIM과 다른 금속 제조 공정의 비교:
| 프로세스 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| MIM | 복잡한 형상, 대량 생산, 그물에 가까운 모양, 다양한 소재 선택 가능 | 사전 툴링 투자, 크기 제한 |
| CNC 가공 | 재료 유연성, 프로토타입의 빠른 제작 기간 | 제한된 복잡성, 낮은 볼륨 |
| 금속 주조 | 낮은 부품 비용, 대량 생산 | 모양 제한, 낮은 강도 |
| 금속 스탬핑 | 빠른 속도, 대용량, 저렴한 비용 | 2D 지오메트리에만 적합 |
| 3D 프린팅 | 자유로운 디자인, 빠른 프로토타이핑 | 낮은 강도, 높은 비용, 제한된 크기 및 재료 |
기계 가공에 비해 MIM의 이점
- 그물에 가까운 모양으로 재료 활용도 향상
- 복잡한 형상을 위한 고비용 가공 불필요
- 우수한 기계적 특성
- 가공 금형에 비해 낮은 툴링 비용
- 자동화된 프로세스로 대량 생산 가능
- 더 나은 표면 마감 가능
금속 주조 대비 MIM의 장점
- 치수 정확도 및 표면 마감 개선
- 주조 부품에 비해 다공성과 같은 결함 감소
- 방향성 캐스팅과 다른 등방성 특성
- 주조와 달리 플래시 또는 개방이 적거나 없음
- 용융 관련 반응 또는 성분 변화 없음
- 캐스팅과 달리 코어 및 언더컷 가능
- 캐스터블 합금을 넘어선 다양한 소재 옵션
- 분말 야금과 특성의 일관성 유지
MIM과 CNC 가공의 한계점
- 사출 성형기 용량에 따른 크기 제한
- 툴링에 소요되는 시간과 비용 절감
- 엄격한 공차 +/- 0.5% 대 CNC 가공의 경우 +/- 0.1%
- 형상 제한 대 제한 없는 가공
- 기계 가공에 비해 달성 가능한 최대 경도가 낮습니다.
- 공차를 달성하기 위해 여전히 2차 가공이 필요한 경우가 많습니다.
MIM을 사용하지 않는 경우
- MIM 장비 용량을 초과하는 매우 큰 부품
- 0.5% 미만의 매우 엄격한 공차가 필요한 부품
- 50 HRC 이상의 표면 경도가 필요한 응용 분야
- 볼륨 요구 사항이 매우 낮은 제품
- 성형에 적합하지 않은 극단적인 종횡비를 가진 부품
- MIM 프로세스를 위한 설계 최적화를 위한 시간이 없는 경우
- 저렴한 제조 옵션을 갖춘 비용에 민감한 애플리케이션
MIM 설계 및 모델링 고려 사항
MIM이 필요한 특성과 성능을 달성하려면 적절한 부품 및 공급원료 설계가 중요합니다. 다음은 주요 설계 고려 사항입니다:
부품 설계 단계
- 사출 시 균일한 금형 충진을 위한 벽 두께 최적화
- 넉넉한 내부 반경과 필렛으로 쉽게 채울 수 있습니다.
- 흐름 경로를 따라 단면의 심한 변화를 피하세요.
- 적절한 흐름 패턴에 적합한 몰드 게이트 및 러너 설계
- 처짐이나 뒤틀림을 방지하기 위해 강화 리브와 거셋을 추가합니다.
- 초기 치수에서 소결 중 부품 수축을 고려합니다.
- 본격적인 생산 전 설계 검증을 위한 프로토타입 금형 개발
공급 원료 개발
- 성형 온도에서 공급 원료 점도와 금형 복잡성을 일치시킵니다.
- 필요한 소결 밀도에 맞는 충분한 파우더 로딩을 보장합니다.
- 혼합성을 위해 적합한 바인더 성분과 파우더 비율을 선택합니다.
- 분말 포장 밀도를 위한 분말 입자 크기 분포 최적화
- 결함 없는 바인더 제거를 위해 공급 원료 배합 조정
- 금형 흐름 시뮬레이션을 통한 공급 원료 특성 검증
- 여러 피드스톡 반복을 테스트하여 완전한 금형 성능 달성
시뮬레이션 및 모델링
- 금형 흐름 모델링을 통한 게이트 위치 및 러너 최적화
- 뒤틀림을 예측하고 부품 형상을 최적화하는 구조적 FEA
- 균일한 바인더 제거 및 소결을 위한 CFD 시뮬레이션
- 잔류 응력을 최소화하는 열 모델링
- 강도와 성능을 극대화하는 기계 모델링
- 매개 변수 간의 상호작용을 연구하는 프로세스 모델링 소프트웨어
- 프로토타입 몰드를 통한 소프트웨어 예측의 실험적 검증
주요 모델링 결과물
- 금형 충진 시간, 공급 원료 점도, 유동 전면 온도
- 용접 라인, 에어 트랩 및 기타 성형 결함 예측
- 공간 바인더 함량, 온도 및 용해 구배
- 소결 속도, 밀도 구배, 수축, 뒤틀림 추세
- 잔류 응력 분포, 핫 티어 및 균열 예측
- 기계적 강도, 피로 수명, 손상 허용 오차 분석
MIM 결함 및 완화 방법
최적화되지 않은 공급 원료, 성형 파라미터 또는 용광로 조건으로 인해 MIM 부품에 결함이 발생할 수 있습니다. 다음은 일반적인 MIM 결함 및 완화 방법입니다:
| 결함 | 근본 원인 | 완화 방법 |
|---|---|---|
| 표면 결함 | 낮은 금형 온도, 높은 마찰, 바인더 구성 요소 | 금형 연마 최적화, 이형제 사용, 금형 온도를 점진적으로 낮추십시오. |
| 용접 라인 | 바람직하지 않은 공급 원료 흐름 전선 | 모델링을 통해 게이트 및 러너 설계를 최적화하여 용접선 방지 |
| 뒤틀림 | 용광로의 불균일한 가열, 잔류 응력 | 구조 최적화, 소결 전 응력 완화, 최적화된 용광로 설정 |
| 균열 | 빠른 소결, 높은 바인더 함량, 가파른 열 구배 | 낮은 가열 속도, 바인더 시스템 최적화, 구조 재설계 |
| 다공성 | 공급 원료의 낮은 분말 로딩, 혼합 불량 | 공급 원료의 분말 함량 증가, 혼합 공정 개선 |
| 차원 변화 | 일관성 없는 수축, 금형 마모, 밀도 구배 | 통계적 공정 제어, 금형 유지보수, 디바인딩 및 소결 최적화 |
| 오염 | 취급 불량, 용광로 대기 제어 | 적절한 PPE, 공기 필터 개선, 용광로 배치의 교차 오염 방지 |
| 불완전한 채우기 | 높은 금형 온도, 높은 점도 | 금형 및 공급 원료 온도 상승, 저점도 바인더 사용 |
MIM 산업 데이터 및 동향
MIM 글로벌 시장 규모
2022년 글로벌 MIM 시장은 15억 달러 규모였으며 의료, 자동차, 항공우주 분야의 수요에 힘입어 연평균 8.71% 성장하여 2030년에는 31억 달러에 달할 것으로 예상됩니다.
업계 성장 동력
- 자동차, 항공우주, 전자 부문의 경량화 트렌드
- 의료 기기의 작고 복잡한 금속 부품에 대한 수요
- 더 넓은 범위의 MIM 가능 머티리얼로 실용성 향상
- 자동화를 통한 생산 비용 절감
- 정밀 부품 제조의 성장
- 시계 제조와 같은 새로운 애플리케이션에서의 채택 증가
지역별 예상 CAGR
- 아시아 태평양: 9.3% CAGR
- 유럽: 10.2% CAGR
- 북미: 7.6% CAGR
- 기타 지역: 7.9% CAGR
산업별 MIM 부품 점유율
- 소비자 제품: 22%
- 자동차: 21%
- 총기: 15%
- 의료: 14%
- 산업: 13%
- 항공우주: 8%
- 기타 7%
MIM 기술 개발 동향
- 결함을 줄이고 복잡한 형상을 구현하는 새로운 바인더 시스템
- 더 나은 분말 로딩 및 소결을 위한 새로운 공급 원료 배합
- 다양한 분말을 하나의 구성 요소로 결합하는 다중 재료 MIM
- 가공, 결합, 스레딩 등과 같은 후처리 자동화
- 하이브리드 MIM + 적층 제조 기술
- 더 빠른 처리를 위한 마이크로파 소결 같은 새로운 가열 방법
- 여러 물리 및 제조 단계를 결합한 통합 시뮬레이션
- 품질 관리 시스템 도입 증가
요약
주요 요점
- MIM은 사출 성형과 분말 야금을 결합하여 복잡한 금속 부품을 대량으로 생산할 수 있습니다.
- 의료, 총기, 자동차, 항공우주 및 소비재 산업의 작고 복잡한 고정밀 부품에 적합합니다.
- 그물에 가까운 모양, 다양한 재료 선택, 가공 재료에 가까운 우수한 기계적 특성 등의 이점이 있습니다.
- 특수 장비를 사용한 공급 원료 성형, 디바인딩 및 소결 단계가 포함됩니다.
- 부품 설계, 원료 개발, 공정 모델링, 결함 관리 및 품질 관리에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 산업 전반의 수요에 힘입어 전 세계적으로 연평균 8.71% 성장할 것으로 예상됩니다.
- 더 빠른 처리, 더 많은 재료, 향상된 자동화 및 부품 품질 향상을 위한 지속적인 기술 개발이 진행 중입니다.
자주 묻는 질문
Q: MIM 기술의 주요 장점은 무엇인가요?
A: MIM의 주요 장점은 다음과 같습니다:
- 기계 가공이나 주조로는 불가능한 작고 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.
- 그물 모양에 가까운 제조 결과
질문: MIM의 일반적인 허용 오차 범위는 어떻게 되나요?
A: MIM은 일반적으로 +/- 0.5%의 공차를 달성할 수 있지만 일부 형상에서는 +/- 0.3%도 가능하며 더 엄격한 공차를 위해 가공이 필요할 수 있습니다.
Q: MIM을 사용하여 생산할 수 있는 부품의 크기는 어느 정도인가요?
A: MIM은 0.1그램부터 최대 약 250그램의 부품을 생산할 수 있습니다. 더 큰 부품도 가능하지만 성형기 크기의 제한으로 인해 어렵습니다.
Q: MIM은 플라스틱 사출 성형과 어떻게 다른가요?
A: 둘 다 사출 성형 장비를 사용하지만, 플라스틱은 강도가 훨씬 낮은 반면 MIM은 금속 부품을 생산할 수 있습니다. 그러나 MIM은 플라스틱 사출 성형보다 생산 속도가 낮고 비용이 높습니다.
Q: MIM에는 어떤 열처리가 사용되나요?
A: MIM의 소결 공정은 금속 분말을 거의 녹는점까지 가열하기 때문에 일반적으로 추가 열처리가 필요하지 않습니다. 필요에 따라 특성을 변경하기 위해 추가 열처리를 수행할 수 있습니다.
Q: MIM에 사용할 수 있는 소재에는 어떤 것이 있나요?
A: 스테인리스강, 공구강, 초합금, 티타늄, 텅스텐 중합금, 자성 합금 등 다양한 재료에 MIM을 적용할 수 있습니다. 신소재 개발은 MIM의 핵심 연구 분야입니다.
Q: MIM은 금속 3D 프린팅과 어떻게 다른가요?
A: MIM은 더 나은 표면 마감과 기계적 특성으로 더 많은 양을 생산할 수 있습니다. 하지만 3D 프린팅은 프로토타입이나 맞춤형 부품을 더 자유롭게 설계하고 출시 기간을 단축할 수 있습니다.