(Pressing)과립을 이용한 건식성형

1. 서론
 
과립을 이용한 건식성형법은 세라믹제품을 성형할 때 사용하는 가장 일반적이고 경제적인 방법이다. 1mm 이하의 작은 크기에서부터 2~3m에 이르는 큰 제품에 이르기까지 성형이 가능하고 성형공정의 자동화가 용이하며 그에 따른 제조단가, 성형체의 치수정밀도 등은 다른 성형방식에 비해 비교우위적이기 때문에 가장 널리 쓰이는 성형공정이다.1),2) 건식성형법은 일반적으로 2~3%이하의 수분을 함유한 분말을 소정의 형상을 갖는 금형에 넣어 일축 혹은 다축으로 가압하는 프레스성형법과 부드러운 고무형틀안에 분말을 채워넣고 유체를 압력매개체로 하여 등방가압하는 정수압 성형법이 있다. 전자는 주로 aspect ratio (길이/직경)가 4 이하이거나 두께가 0.5mm이상인 제품 또는 압력을 가하는 방향으로 표면 굴곡이 있는 비교적 단순한 형상의 제품에 적용되며, 후자는 aspect ratio가 4 이상이거나 복잡형상의 요철, 또는 매우 두꺼운 단면적을 지닌 큰 제품을 만들 때 적용된다. 물론 상기의 기준이 절대적인 것은 아니며 제조업체의 공정능력에 따라 가장 경제적인 방법을 취하게 된다.
 
제조공정상 제품의 치수편차, 형상변화, 균열, 얼룩 등의 불량현상은 주로 소결이후에 파악되지만, 그 원인은 소결이전의 공정들, 즉 원료나 성형공정에 기인하는 바가 크다. 아울러 세라믹은 소결공정중에 수축이 발생한다는 점을 고려할 때 성형공정에서의 치수관리는 매우 중요하며, 이를 적절히 관리하여 소결후의 가공량을 줄이면 그만큼 제조단가는 낮아진다. 양산성 및 재현성을 갖는 최종제품을 얻기위해서는 균일한 밀도 및 치수정도가 우수한 성형체가 필수적이며 이같은 목적을 달성하기 위해서는 출발원료, 슬러리의 제조, 구상화, 과립분말의 제조 및 특성평가등에 이르는 원료공정의 엄격한 관리가 필요하다. 또한 제품의 특성에 맞는 프레스의 선정, 성형방법, 금형의 설계등도 매우 중요한 변수로 작용하며 종종 간과하기 쉬운 성형체의 보관방법이나 적재판의 재질등도 후속공정과 연계하여 검토해야 한다.
 
본 고에서는 프레스성형 과 정수압성형 방식의 개요, 장비의 종류 및 특성, 현장에서 적용되고 있는 성형법의 일부 및 성형조건선정시 고려해야 할 사항 등에 대하여 간략하게 기술하고자 한다. 
 
 
2. 건식 성형 
 
   2.1 프레스성형 (Die Pressing)
 
     2.1.1 개요
 
프레스성형이란 과립상의 분말을 이용하여 소정의 형상을 한 금형에 충진시킨후 압력을 가하여 모양을 만든 후, 이를 탈형하는 일련의 과정을 의미한다. 프레스성형은 비교적 성형밀도가 높고 치수정도의 관리가 용이하여 공업적으로 가장 널리 쓰이는 성형방법이다. 
그러나 프레스 성형은 일축으로 가압하기 때문에 성형체내에 응력의 구배가 발생하여 균일한 밀도의 성형체를 얻기가 어렵다. 그러므로 프레스에서 가해지는 가압력을 균일하게 전달시켜 가능한한 균일한 밀도의 성형체를 얻기 위해 여러 연구가 행해지고 있으며 그 대표적인 성형법을 그림 1에 나타내었다.3)
 

그림1. 프레스 성형법의 종류

 

1) 단압성형법
 
   한 방향에서 가압하는 방법으로 다이와 하부펀치를 고정시키고, 상부펀치로만 가압하며, 성형체를 탈형할 시에는 하부펀치를 상승하여 취출한다. 이 방법에서는 상하방향으로 밀도구배가 생기므로 워셔같은 얇은 제품을 성형하는데 이용한다.
 
2) 양압성형법
 
   두 방향에서 가압하는 방법으로 다이를 고정시키고, 상부펀치와 하부펀치 양방향에서 가압하는 방법이다. 단, 반드시 양펀치가 동시에 작동하지않아도  된다. 제품의 탈형은 하부펀치를 상승시켜 행하며 이 방법에서는 성형체의 밀도가 상하방향으로 균일하다.
 
3) 플로팅다이법(Floating Die)
 
   하부펀치를 고정하고, 다이는 스프링, 공기압 또는 유압으로 지지된다. 상부펀치로 가압하기 시작하여 다이벽과 분말간의  마찰이 점차증대하여 스프링, 공기압 또는 유압의 힘보다 커지면 다이와 상부펀치가 같이 하강한다. 상대적으로 하부펀치가 상승한 것처럼 되고, 양압성형법과 마찬가지로 균일한 밀도를 얻을 수 있다.
 
4) Withdrawal법
 
   하부펀치를 고정하고 다이를 강제적으로 하강시키므로써 성형하는 양얍성형법으로 상부펀치가 소정의 거리만큼 가압하면, 다이가 함께 하강하기 시작하여, 가압성형이 완료됨과 동시에 상부펀치가 상승하고, 다이를 더욱 끌어내림으로써 성형체를 탈형한다. 또, 가압공정에서 상부펀치와 다이의 하강속도가 같으면 비동시가압이 되고, 다이의 하강속도를 1/2로 하면 동시강압이 된다. 이 방법은 복잡한 형상의 제품을 균일한 밀도를 갖게 성형하는데 적당하여 폭넓게 채용된다.
 
 상기와 같은 여러방식의 성형밥법을 적절히 구사하기 위해서는 프레스의 작동mechanism을 충분히 이해하는 것이 필요하다. 일반적으로 프레스는 기계식 과 유압식으로 나누어지며 프레스성형의 공정은 충진,가압,탈형이라는 세가지 과정으로 나눌 수 있는데 본 절에서는 기계식 프레스의 예를 들어 프레스의 주요기구(상부펀치, Dies, Feeder Cup)의 동작을 성형공정과 연계시킨 프레스의 작동선도를 그림 2에 나타내었다.4) 즉, Press의 주축회전각도를 x축으로 하고, Press의 주요기구의 동작을 Y축으로 나타내어 성형프로세르를 도식적으로 나타낸 것으로  그 프로세스를 대별하면 다음과 같다.
 

그림2. 프레스의 작동선도 및 성형프로세스 모식도

1) 충진 프로세스
 
   다이의 탈형완료후 다이는 다시 상승하여 소정의 다이충진고까지 캠 동작에 따라 에어실린더(Air cylinder)의 힘에 의해 부드럽게 충진된다. 한편 feeder cup은 다이의 탈형완료 직후 전진하여 방금 성형된 성형체를 밀어내면서 금형내부로 분말을 충진하고 다이 복귀 완료후 feeder cup도 feeder cam의 동작에 따라 후퇴하여 충진공정을 마친다.
 
2) 가압 프로세스
 
   상부펀치가 하강하여 금형본체에 들어가면서 가압한다. 상부펀치가 들어가기 직전에 underfill 또는 overfill을 이용하는 경우도 있다. 가압방법은 여러 가지가 있으므로 3단계 가압방식을 예를들어 설명하면 다음과 같다. 처음에 상부펀치가 충진 완료 후 금형내로 들어가면 금형내 분말의 상부가 적절한 예압밀도로 상승한다(제 1단계 가압). 다음으로 미리 설정된 다이 조정치에 달하면 다이는 상부펀치와 동시에 하강하여 분말하부의 밀도를 소정 밀도까지 올린다(제 2단계 가압). 그리고 가압완료 직전에 미리 정해진 높이로 설정된 다이 스토퍼(stopper)위에 다이가 닿으면 하강이 중단 된다. 상부펀치는 계속하여 내려가 분말의 상부가 또 한 번 압력을 받아 성형체 상하의 밀도구배를 최소화 한다(제 3단계 가압).
 
3) 탈형 프로세스
 
   가압공정이 완료되면 상부 펀치가 상승하고 다이에 연결된 하부램은 주축회전에 따라 탈형캠과 탈형레버에 의해 성형체는 하부 고정펀치위로 탈형된다. 상부펀치의 hold down(가압탈형)을 사용하는 경우는 상램이 작동선도의 곡선대로 상승하지 않고 에어실린더의 작동으로 상부펀치가 성형체를 누르고 있는 상태로 탈형하여 성형체의 크랙발생을 방지할수 있다.
 
2.1.2 프레스성형의 방식 및 특성
 
압력을 전달하는 방식에 따라 기계식, 유압식으로 대별되며5) 가압하는 압력의 정도에 따라 작게는 1톤미만에서부터 수백톤에 이르기까지 그종류는 다양하다. 또한 프레스성형기의 경우에는 성형할 형상의 제품에 적합하도록 Die set를 적절히 선택하므로서 프레스의 운용폭을 극대화 할 수 있다. 제품의 특성에 맞는 프레스의 선정, 프레스의 작동 Mechanism의 이해, Die set의 운용 및 Mold의 설계등은 세라믹을 연구하고 생산하는데 있어 그 출발점이라고 해도 과언이 아니다.  세라믹 성형공정에 사용하는 Press 및 그 일반적인 특징은 표 1과 같이 분류된다.
 
표 1. 유압식 프레스와 기계식 프레스의 비교
 

1) 유압식 프레스
 
액압프레스는 유압, 수압등 액압에 의해 구동하는 프레스의 총칭으로 일반적으로는 유압을 많이 사용한다. 유압식 프레스는 기계식프레스에 비해 구조가 간단하고 가압능력이 크다는 특징이 있다. 또한 전기판넬의 Push Botton으로 자동적으로 구동하는 구조로 유압을 제어하여 밀도를 일정하게 성형하는 것이 용이하다. 또한 가압용량의 대형화가 가능하고 다양한 성형조건을 설정할수 있어 가압하는 방향으로 여러 단계의 요철면을 갖는 비교적 복잡한 형상의 제품에 적용되지만 생산성은 기계식에 비해 다소 떨어진다.  유압식프레스의 구성은 프레임, 메인실린더, 하부실린더, 오일탱크, 유압펌프, 유압조작판넬, 전기조작판넬로 구성되어 있으며, 실린더로 램을 상하로 작동시켜, 제품을 가압성형하는 구조로 되어있다. 그림 3에 유압식 프레스의 구조를 나타내었다. 
 

그림 3. 유압식 프레스의 구조

 

 

2) 기계식 프레스
 
  기계식 프레스는 유압식에 비해 생산성이나 보수유지비용이 저렴하며 치수정도의 관리등이 용이한 반면, 다양한 성형조건을 구사하기에는 다소 한계를 갖고 있어 주로 단순형상의 양산규모를 갖는 제품에 적용이 된다. 압력을 전달하는 방식에 따라 크랭크 모션(Crank motion) 과 토글 모션(Toggle Motion)으로 나눌수 있는데 이의 기구 및 작동선도를 그림 4와 그림5에 나타내었다. 앞서도 언급했듯이 기계식 프레스에서는 주축의 1회전사이에 원료의 충진, 성형, 탈형의 공정을 하도록 되어있다. 크랭크모션에서는 분말의 충진시간이 충분하지만 가압시간이 짧은 대신, 토글모션에서는 충진시간이 짧아 고속성형시 유동성이 좋지 않은 분말의 경우 분말충진이 불충분하다.
  

그림 4. 크랭크 프레스의 동작과 작동선도

 

그림 5. 토글 프레스의 동작과 작동선도

 
   보통, 기계식 프레스의 성형능력은 6~24 stroke /min이지만 최근에는 통상의 프레스에 비해 5~10배의 생산능력을 갖는 프레스도 나오고 있다. 특히, 소형,박형의 제품성형을 위해서 Anvil방식의 고속프레스가 생산되고 있는데 이 프레스는 Die plate표면을 Sliding하는 anvil과 punch사이에서 분말을 압축성형한다. anvil자체가 상부펀치의 역활을 하여 특히 소형의 얇은 제품성형에 적당하고 분말충진고가 19mm정도의 성형체를 분당 100Stroke의 속도로 성형가능하다.  기계식 프레스는 유압식 프레스와 마찬가지로 프레임, 램의 구동을 하기위한 토글, 크랭크, 캠 등의 기구와 전기조작판넬로 구성되어 있으며, 램의 상하작동으로 제품을 성형하는 구조로 되어있다. 그림 6에 토글프레스의 구조를 나타내었다.
 

그림 6. 기계식 프레스의 구조도

 
2.1.3. 프레스 성형용 금형
 
 세라믹 분말의 프레스 성형에 사용되는 금형은 사용환경의 가혹성이나 요구되는 치수의 정밀도라는 측면에서 볼 때 그 설계 및 제작기술의 중요성은 매우 크다. 일반적으로 프레스 성형용 금형을 설계할 때 고려할 사항으로는 ① 충진고, 수축률, 압축거동과 같은 사용분말의 특성 ② 프레스 및 Die set간의 호환성 ③ 취급 및 셋팅(Setting)의 용이성 및 안정성 ④ 원활한 성형을 위한 공차 및 형상 ⑤ 금형재질 ⑥생산성 등을 검토해야 한다.
 
다시말해 금형으로의 분말충진이 용이하고 가압, 탈형이 가능한 형상으로 설계하여야 하며, 균일한 성형밀도을 얻을 수 있도록 설계하여야 한다. 또한 부위별로 적정한 가공여유를 부여하여야 하고, 가능한 한 가공량이 없거나 적도록 설계하는 것이 설계의 노우하우이다. 또 프레스간, die set간 금형의 호환성, 셋팅의 용이성등 외에도 금형의 공차 역시 중요한 고려 대상이다. 금형의 공차는 제품마다 다르지만 보통의 경우 die와 punch간, punch와 core간의 clearance는 5~25㎛정도이며, 특히 초경이나 써멧절삭공구의 경우와 같이 가공을 하지 않고 출하하는 제품의 경우는 이보다 적은 15㎛이하이다.  또한 금형 재질 역시 중요한데, 최근의 프레스성형 작업의 경향은 양극화되고 있다. 그 하나는 고정밀도, 고속다량생산으로 24시간 연속성형하는 것이며 또 하나는 다품종소량생산으로 금형비를 철저히 내려 제품의 가격인하를 꾀하려고 하는 것이다. 따라서 금형재료는 전자의 경우는 초경합금, KF2합금, 분말하이스강등이 주로 사용되며, 후자의 경우는 SK, SKS, SKD등이 사용되고 있다. 분말성형의 경우 punch와 die에는 생산량으로 판단할 때, 시제품을 제작하거나 단기품목일 경우 ANSI A-2 강(Rockwell C 경도 58-60) 또는 ANSI D-2 강(Rockwell D 경도 58-60)을 주로 사용하며, 다량생산일 경우 단순형상의 제품은 6% Co의 초경합금을, 복잡형상이거나 multiple punch(일반적으로 multicavity라 부른다)일 경우는 6~17% Co의 초경합금을 사용한다. 최근에는 합금공구강인 SKD11보다 경도가 우수한 분말하이스강의 ASP-23, 30, 60 및 HAP-10, 40, 50을 많이 사용하는 추세이다. 이는 고속도강 또는 고합금강은 응고할 때 매우 많은 편석현상을 나타내어 화학성분 및 조직의 국부적인 변화가 크게 나타나서 제품물성 및 편차가 심한데 반해, 이 재질은 이러한 편석이 없어 치수의 크기나 합금성분의 함량에 관계없이 제품물성이 일정하며 편차가 적기 때문이다. 또한 초경합금의 경우 와이어방전기술의 발전에 따라 초경재료의 사용이 편리해졌을 뿐만 아니라 제조업체의 제조공정개선등으로 납기문제도 많은 부분 해소가 되고 있는 실정이며, 특히 제조방법에 있어서도 HIP처리를 도입하여 품질이 현저히 향상 되고 있다. 참고로 금형재료용 초경합금의 기계적 성질을 표2 에 나타내었다.6)
 
표2  금형재료용 초경합금의 기계적 성질  

구분            JIS규격	V1	V2	V3	V4	V5	V6
다이제트사 재종규격	D1	D2	D3	G5	KG70	MH5
비중(g/cm3)	15.0	14.9	14.7	14.4	13.9	13.6
경도(HRA)	92	91	90	89	86.5	84
항절력(Kg/mm2)	185	200	220	240	262	275
충격치(Kg-m)	0.23	0.31	0.36	0.38	0.50	0.73
압축강도(Kg/mm2)	610	535	500	470	400	320
인장강도(Kg/mm2)	120	150	180	190	190	190
영율(X104Kg/mm2)	6.4	6.2	5.9	5.7	5.5	6.1
Poisson비	0.21	0.21	0.22	0.22	0.23	0.24
열팽창계수(X10-6℃)    RT~200℃	4.5	4.9	5.0	5.3	5.7	6.0

2.1.4 프레스 성형시 발생되는 Trouble
 
프레스성형시 발생하는 문제로는  밀도구배, ‚ Spring Back, ƒ Lamination과 End-capping, „ crack 등을 들수 있다.7) 밀도구배가 발생하는 원인으로는 과립과 die간의 마찰력이 작용하기 때문이며 이외에도 분말의 충진이 균일치 못하거나 aspect ratio가 크기 때문에도 발생하기도 한다. 밀도구배를 감소시키기 위한 방법으로는  die에 윤활제를 칠하거나 ‚ 과립에 외부윤활제를 첨가하며 ƒ 균일한 충진이 되도록 진동을 가한다.
 
Spring back은 바인더나 윤활제등 유기첨가제들이 압력을 받아 수축했다가 압력이 해제되어 탄성적인 회복거동을 보이기 때문에 발생하는 것으로 가압압력이 높을수록 spring back은 더욱 커진다. spring back이 심한 경우, 크랙을 발생시킬 우려가 있으며, 과립의 바인더가 가소화가 많이 될 수록 spring back은 감소하는 경향을 보인다.
 
그림7에 나타낸 lamination과 end-capping은 탈형시 원주방향으로는 힘을 받고 있는 데 반해 가압한 축방향으로는 탄성적인 복귀를 하려고 하기 때문에 발생하는 결함으로, 바인더시스템을 개선하여 성형체의 강도를 향상시키거나 성형압력을 줄여 압력구배를 감소시켜 lamination현상을 줄일 수 있다. 또한 end-capping은 탈형시 가압탈형을 하거나 과립과 die간의 마찰력을 줄여 해결할 수 있다. 성형체에서의 결함의 발생원인과 대책을 표3에 정리하였다.  
 

그림 7. Lamination과 End-capping

 

 표3. 성형체에서의 대표적인 결함의 원인과 대책

구분	발생원인	해결책
하부 End-capping	하부펀치위의 die벽 윤활과다	탈형시 윤활제를 분무한다
상부 End-capping	Die의 테이퍼각이 너무 크다	die 테이퍼를 줄인다  금형재질을 초경으로 바꾼다
크랙, 치핑	성형압력이 너무 높다	Soft한 과립을 사용한다  성형유지시간을 길게한다
수직방향 크랙	성형압력이 너무 낮다(<200MPa)	성형압력을 높힌다  분말의 agglomerate를 제거한다
원주방향 크랙	성형밀도가 불균일하다  Die와 Punch의 clearance가 크다  Die와 Punch의 직진도가 안좋다  Punch표면이 거칠다	초기가압력과 유지시간을 높힌다  Die와 Punch의 clrarance를 작게   한다  Punch를 재가공한다

 
2.2  정수압 성형 (Isostatic Pressing)
 
   2.2.1 원리와 특징
 
“밀페시킨 유체의 일부에 압력을 가하면 유체는 각 방향으로 똑같은 힘으로 압력을 전달한다”. 이 말은 프랑스의 과학자 Blaise Pascal이 제안한 것으로 일명 “Pascal의 원리”로 알려져 있다. 이 원리를 분말재료의 성형에 응용한 것이 정수압 성형법으로 상온에서 행해지는 냉간정수압성형(Cold isosstatic pressing, CIP)과 열간에서 행해지는 열간정수압성형(Hot isostatic pressing, HIP)으로 나누어지며 여기에서는 CIP에 대해서만 언급하고자 한다.
 
CIP는 1910년대에 미국에서 최초로 개발되어8) 1950년대에 들어와서 본격적인 공업화 연구가 진행되어 현재는 고압기술의 발전으로 기기의 대형화, 고압화가 계속 이루어지고 있다. CIP 성형법에는 다음과 같은 특징이 있다.9)
 
1) 균질한 성형체를 얻을 수 있다.
 
   금형 내벽과의 마찰이 없고 등방적으로 가압력이 작용하므로 밀도가 균일하면서 방향성이 적은 성형체를 얻을 수 있다. 그러므로 소결공정에서 일어날 수 있는 변형을 최소화할 수있어 불량률을 감소시킬 수 있다. 그림8은 프레스성형과 CIP의 밀도분포를 비교한 것으로 그림8에서 보듯이 CIP성형이 프레스성형보다 훨씬  균일함을 알 수있다.
 
 

그림 8. Mo 분말의 성형체 밀도분포

2) 고밀도의 성형체를 얻을 수 있다.
 
   같은 성형압력하에서 비교해 볼 때, 금형과의 마찰이 거의 없기 때문에 일축가압성형 등의 다른 성형방법에 비해 높은 성형밀도를 갖는 성형체를 만들 수 있다. 아울러 고압하에서의 운전이 가능하므로 소결후의 치수변화가 적어 최종제품의 치수관리 및 성형체 상태의 기계가공도 용이하다.
 
   그림 9는 성형체 밀도 및 소결체강도를 프레스성형과 CIP 성형의 경우를 비교한 것으로 CIP 성형의 유효성을 알 수 있다.  또 그림10는 성형후의 기공분포를 나타낸 것으로 프레스성형에 비해 CIP성형이 소결후의 결함이 적다는 것을 알 수 있다.
 
 

그림 9. Al2O3 분말의 성형체밀도와 소결체 강도

그림 10. 성형방법에 따른 Al2O3-SiO2계 성형체의 기공크기분포

 

   3) Binder 사용을 최소화 할 수 있다.
 
   CIP성형시에는 프레스성형과는 달리 결합제의 양이 극히 적어도 성형이 가능하므로 결합제등의 유기첨가제의 양이 적게 들어간 과립분말을 사용한다. 따라서 순도가 높은 성형체를 얻을 수있고 소결전에 행해지는 탈지공정을 생략 할수 있다.
 
4) 성형체의 크기에 제약을 받지 않는다.
 
   고압용기내에 수용가능한 크기라면 그 크기나 길이에 상관없이 금형의 설계.제작에 따라 다양한 형상의 제품을 얻을 수있다. 단, 두께가 얇은 판형상의 제품은 적용이 곤란한 하다.
 
5) 복잡형상의 성형이 가능하다
 
  고무금형을 이용하여 금형프레스에서는 불가능한 복잡한 요철모양의 제품을 제작할 수 있다.
 
6) 복합제품의 성형이 가능하다
 
  서로 다른 재료를 층상충진 또는 분할충진 시키거나, 충진시킨형상이 서로 다른 제품을 접합시켜 복합제품을 만들 수도 있다. CIP성형은 분말재료의 성형뿐만 아니라 다른 성형법 (프레스성형, 사출성형 등)으로 제조한 성형체의 고밀도화 및 균질화에도 유효하다. 실제 생산라인에서 고품질의 제품을 얻기위해 일축가압성형한 제품을 다시 일축성형압이나 그보다 조금 높은 압력으로 CIP처리하여 프레스성형의 결점을 해소하고 있다.
 
   2.2.2 CIP의 종류 및 장비의 구조
 
CIP성형법은 분체가 충진되는 성형몰드와 압력을 전달하는 압력매체와의 관계에서 습식법 및 건식법의 2종류로 대별할 수 있다.
습식법은 그림 11에 나타낸 고압용기의 외부에서 성형몰드에 과립을 충진하여 밀봉한 후, 고압용기내의 압력매체속에 직접침투시켜, 성형몰드의 외벽에 등방가압하는 방법으로 복잡형상이나 대형제품의 다품종소량생산이나 시작연구에 적합하다. 구조적으로는 그림11에 나타내었듯이 승압장치를 고압용기와 독립시켜 고압용기내로 외부에서 압력매체를 압입하여 압축가압하는 외부 승압식과 상부뚜겅대신 피스톤을 설치하여 고압용기내에 밀봉된 압력매체를 피스톤으로 직접압축가압하는 피스톤식이 있다. 외부승압식이 일반적으로 많이 사용되어지고 있는 구조로 상부의 뚜껑Sealing부위를 제외한 모든 부위를 사용할 수 있다는 장점외에 성형체의 처리량 및 수축량에 관계없이 반드시 요구되는 압력을 얻을 수 있다는 특징이 있다. 하지만 외부에 별도의 승압장치 및 고압배관이 필요하며 일반적으로 안전성의 측면에서 5000kgf/cm2미만의 장치에 이용되고 있다.
 피스톤직압은 초고압배관이 최소한이며, 고압Sealing부도 적어 초고압력에 대한 신뢰성이 우수하지만 가압되는 길이만큼의 용적을 사용할 수 없는 단점이 있다. 또한 성형체처리량 및 수축량이 큰 경우 가압길이가 부족하거나 요구되는 압력까지 올라가지 않는 경우도 발생한다.
 
 

그림 11. 습식 CIP법의 구조와 종류

 

건식법은 그림 12에서 보듯이 고압용기내부에 압력매체를 sealing하기 위해 삽입된 가압고무몰드(Outer bag)를 개입시켜 압력을 전달하여 성형고무몰드(Inner bag)내부에 충진된 과립을 성형하는 방법으로 생산성있는 자동화가 용이하며, 스파크플러그 같은 단순형상의 대량생산에 적합하다. 건식법은 압력이 작용하는 방향에 따라 그림 12에서 보듯이 외주·축가압식 및 외주가압식으로 구별된다. 외주·축가압식은 모자형상의 가압고무몰드를 사용하여 성형고무몰드의 외주면법선방향 및 상면축방향으로 가압하여 성형체에 거의 등방적으로 압력이 작용한다. 이에 비해 축가압식은 원통형가압몰드가 사용되며 성형고무몰드의 외주면법선방향으로만 가압되지만 분체의 유체적인 성질을 이용하여 성형체에 등방적인 압력을 작용시킬 수 있다. 따라서 aspect ratio가 큰 제품을 성형하는 데 유리하다.
 
 

그림 12. 건식CIP의 구조와 종류

 

 

   2.2.3 CIP의 성형고무몰드
 
CIP성형에 있어 분말의 제조와 더불어 성형체의 불량을 결정하는 중요한 공정은 성형몰드의 설계이며, 성형몰드가 갖추어야 할 조건은 다음과 같다.
 
1) 가압중의변형이 균일하고 압력손실이 없을 것
2) 최종제품형상에 가까운 성형체를 얻을 것
3) 감압시 성형체를 파손시키지 않을 것
4) 압력매체가 침투하지 말아야 하며, 압력매체를 확실하게 sealing할 것
5) 몰드와 성형체의 이형성이 양호할 것
6) 고압력하에서 반복사용하여도 형상변화나 열화가 없을 것
7) 몰드자체의 제작이 용이할 것
8) 분체의 충진이 용이할 것
 
상기 조건들은 습식법이나 건식법 모두 적용되는 사항으로 원하는 성형체를 얻을때까지는 통상 수차례 시행착오가 필요하다. CIP성형법은 Rubber Press라고도 하는 데 이는 성형몰드로서 고무가 많이 사용되고 있기 때문이며, 파이프나 컵 등의 성형에는 금속제 맨드릴(Mandrel)을 조합하여 사용하기도 한다.
 
고무의 종류로는 천연고무, 클로로플렌고무, 우레탄고무, 실리콘고무, 니트릴고무가 사용되고 있으며 이들 고무의 일반적인 특성을 표4에 나타내었다.
 
 
표4. 각종 고무의 기본성질

구분		천연고무	클로로플렌 고무	우레탄 고무	실리콘고무	니트릴고무
ASTM기호		NR	CR	U	Q	NBR
생고무의 비중		0.92	1.20	1.15	0.96	1.10
가황고무	인장강도 (Kgf/cm2)	<350	<250	<450	<150	<250
	신율(%)	<1000	<1000	<800	<500	<800
	경도  (JIS Hs)	10~100	10~90	20~100	30~90	20~100
	인장강도	Good	Normal	Good	Bad	Normal
	압축영구변형	Good	Normal	Good	Bad	Normal
	내마모성	Good	Good	Good	Bad	Normal
	내노화성	Normal	Good	Normal	Good	Good
	내유성	Bad	Good	Normal	Good	Good
	고온사용한도 (℃)	120	130	80	280	130

 
이 중에서도 클로로플렌고무는 비교적 가격이 싸고 우수한 성능을 보여 연구용에서 생산용에 이르기 까지 폭넓게 이용되며 우레탄고무는 액상원료를 주형하여 제작하므로 복잡형상의 몰드를 제조에 적당하다. 또한 몰드에 사용되는 고무의 경도는 60~70이 일반적이며 필요에 따라 변화시켜야 한다.
 
 
2.2.4 CIP성형시 발생하는 트러블
 
일축가압성형에서도 탈형시 성형체에 크랙이 가지만 CIP성형에서의 대부분의 문제는 크랙이다. CIP성형에 의한 크랙발생의 원인으로서는
 
1) 성형체중의 잔류공기의 급격한 팽창
2) 고무몰드의 복원력
3) 분말자체의 Spring back
 
을 들 수 있다. 가압속도가 빠르면 분말의 급격한 치밀화와 통기율의 저하에 의해 성형체내에 공기가 일부 갇혀 성형체의 파손이나 lamination 현상이 일어날 수 있고, 감압속도가 빠르면 잔류공기가 급격히 팽창하여 성형체를 파괴시키게 된다. 이 현상을 방지하기 위해서는 1) 수분이나 성형조제등 공기를 포함할 수 있는 요인을 적게 한다. 2) 원료분말이 조립되어있지 않은 분말인 경우에는 조립구상화하여 통기성을 좋게 한다. 3) Tapping 또는 강제탈기하여 충진시의 혼입공기량을 적게한다. 4) 200kgf/cm2부근까지는 천천히 가압하여 성형체에서 충분히 배기되도록 한다. 5) 감압속도(보통 200Kgf/cm2이하)를 천천히 하여 잔류공기의 급격한 팽창을 방지한다.  특히 4)의 가압속도는 성형속도가 빠른 건식법에서 주의를 해야한다. 그림 13에 성형압과 탈기량의 관계를 나타내었다
 

그림 13. 압력과 탈기량과의 관계

고무몰드는 가압시 크게 압축변형되며, 감압시 원래의 상태로 돌아온다. 감압시에 생기는  고무몰드의 복원력으로 인해 생긴 충격이 성형체에 전달되어 그림 14와 같이 성형체가 파손되는 경우가 있다. 이런 현상을 방지하려면 1) 고무몰드의 살을 두껍게하거나 경도를 내린다. 2)분체의 충진밀도를 올려 성형에 의한 압축율을 작게한다. 3) 성형체의 강도를 올린다. 4)저압영역(보통 200Kgf/cm2이하)에서의 감압속도를 천천히 조정하여 고무몰드의 급격한 복원을 방지한다.
 
 

그림 14. CIP성형체의 Lamination

 

감압시에 발생하는 또 다른 현상으로는 Spring Back이 있다. 보통 Spring Back은 매우 작고 또 균일하게 일어나 크랙이 생기는 일은 거의 없지만 분말상태가 안 좋은 경우 크랙이 발생할 수도 있다. 이런 경우의 대책으로는 과립의 특성을 향상시키는 것이 무엇보다도 중요하다.
 
이외의 CIP성형에서의 문제점으로는 금속제 펀치 및 뚜껑을 사용할 경우 고무몰드 및 펀치등의 재질간의 복원력차에 의해 코끼리발(Elephant‘s foot)현상이 일어날 수 있는데, 이러한 코끼리발이 발생한 성형체의 경우 성형체 가공이 필요하게 된다.
 
 

그림15. CIP성형체의 코끼리발(Elephant's foot)

 

 

3. 성형조건 선정시 고려사항
 
3.1 과립의 제조와 평가
 
  보통 건식성형에 사용되는 분말은 분무건조공정(Spray drying)을 거쳐 제조한 과립분말이다. 과립의 제조공정은 원하는 조성의 원료를 혼합·분쇄하여 slurry를 제조하는 공정과 제조된 Slurry를 Spray dryer를 통해 조립화 하는 분무건조공정으로 대별된다.
Slurry를 제조하는 경우, 슬러리의 분산이나 레올로지(Rheology)를 조절하기 위해 분산제,가소제,Wetting제등의 계면활성제를, 성형체의 강도 및 성형성 그리고 윤활성을 향상시키기 위해 바인더나 윤활제를 첨가하기도 한다. 이런 유기첨가제들은 슬러리거동에 영향을 미쳐 과립특성 및 과립의 성형특성에 영향을 준다. 분무건조과정에서도 과립의 특성은 Spray Dryer의 기종이나 운전조건에 따라 많이 변하게 된다.
Slurry제조를 포함하여 과립이 갖추어야 할 바람직한 조건과 그 평가항목 및 세라믹분말의 조립화에 대해서 보다 구체적으로 알고자 하는 독자는 이전의 문헌10)을 참고하기 바란다.
 
   3.2 유기첨가제가 성형에 미치는 영향
 
1) 가소성
 
 보통 건식성형용 분말을 제조하기 위해 수용성 바인더중 PVA를 많이 사용하는데, PVA를 사용한 과립이 너무 건조되면 과립이 딱딱해져 버린다. 이러한 과립은 압력을 받아도 깨어지지 않고, 소결후에도 그 과립의 경계가 남아 파괴원으로 작용하게 된다. PVA는 수분에 민감하여 공기중의 수분에 의해서도 가소화된다. 즉, 수분이 PVA의 가소제로 작용하여 탄성력과 유리전이온도(Tg)를 낮추어 고분자를 가소변형하게 된다.11) 그러므로 PVA를 사용하여 제조된 분말은 보관하는 장소의 수분정도에 따라 물성이 변하므로 각별한 주의가 필요하다.
 
  상대습도의 증가에 따른 수분의 흡착정도를 그림 16에 나타내었다. Reed 등의 연구에 의하면12) PVA를 2.3wt% 함유한 알루미나 과립분말을 성형했을때의 거동은 습도가 변화함에 따라 그 양상이 크게 달라진다고 한다. 따라서 binder의 함량을 0.95wt%까지 줄이면 습도에 따른 압축거동의 변화를 최소화 시킬 수 있다는 결과를 도출해 내었다. 이는 아마도 binder의 양이 분말의 표면을 완전히 덮을 정도로 많지 않기 때문이라고 생각된다.(그림 17). PVA는 수분뿐 만 아니라 다른 성분, 즉 글리세린이나 poly ethylen glycol(PEG), poly propylen glycol(PPG)에 의해서도 가소성이 변화 되는데, 이러한 현상은 PEG,PPG등이 PVA분자 사이로 침투하여 고분자(polymer)를 연결하는 수소결합을 끊음으로서 고분자체인의 이동자유도를 증가시켜 유리전이온도(Tg)를 낮추기 때문에 발생한다.
 
 

그림 16. 상대습도에 따른 과립의 수분흡착

그림 17. 알루미나 과립의 압축거동

 
 Messing등은 PVA의 가소성에 미치는 PEG의 역할에 대한 연구를 통해13), 그림 18과 19에서 보듯이 PEG첨가량에 따라 Tg가 급격히 감소하고, 알루미나 과립의 겉보기 yield point는 바인더의 Tg가 커질수록 증가하며, PVA의 가소화정도가 클수록 성형체 밀도가 높다는 결과를 얻었다. 이러한 결과로부터, PVA에 가소제를 적절히 혼합하면 binder의 Tg를 낮추어 과립의 성형특성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 최근에는 비수용성 binder, 예를 들어  아크릴계 binder는 수분에 의해 가소화 되지 않을 뿐만 아니라 보관장소의 습도, 과립분말자체의 습도에도 거의 영향을 받지 않기 때문에 수용성인 PVA에 비해 공정제어가 다소 용이하다. 단, PVA같은 수용성binder를 사용하는 경우에는 성형체의 재활용이 가능하나 비수용성 binder의 경우는 재활용이 불가능하다는 점을 고려해야 한다.
 

그림 18. PVA가소성과 PEG량과의 관계

 

그림 19. PVA에 대한 PEG 첨가량에 따른 Tg 변화 와 알루미나 과립의 yield point

 

 

2) 과립의 밀도
 
   밀도가 높은 과립은 유동성 및 충진거동이 우수하여 성형체의 강도를 향상시킬 수 있고 성형체내의 밀도구배도 줄일 수 있다. 고밀도의 과립을 얻기 위해서는 적절한 유기첨가제의 선택이 매우 중요하며 제조된 과립의 품질은 엄격한 기준으로 관리되어야 한다.
 과립의 품질은 충진밀도, 겉보기밀도, 유동도, 안식각 등으로 평가될 수 있으며, 과립의 품질을 일정하게 유지하면서 성형공정의 기초데이타로 활용하고 이를 다시 원료공정으로 feedback하는 것은 무엇보다도 중요하다. 
 
 
3) 마찰과 윤활특성 
 
   성형공정동안 성형체내의 입자들은 여러종류의 힘을 받게 되고 그에 따른 마찰저항이 분체의 흐름을 방해한다. Thomson등에 의하면14), 건식성형시 가압에 의하여 분말과 금형내벽과의 마찰력(외부마찰력) 과 분말간에 작용하는 마찰력(내부마찰력)이 작용한다고 보고하고 있다. 이러한 내·외부의 마찰력은 과립의 밀도, 과립의 형상, 과립의 윤활특성과 밀접한 관계가 있으며 금형내벽의 표면조도와도 깊은 관련이 있다.
   이같은 내·외부의 마찰력을 감소시키기 위하여 윤활제를 첨가하는 경우가 있는데, 이러한 윤활제의 첨가는 내부마찰력을 감소시켜 성형성을 증대시키고 성형체의 미세구조를 향상시킬 뿐만 아니라 외부마찰력을 줄여 성형체의 탈형을 용이하게 하는 역할을 한다.   
 
 
   3.3 성형조건
 
고밀도의 균일한 세라믹 성형체를 만들기 위해서는 제품이나 프레스의 특성에 맞는 성형조건의 설정이 필요하다. 성형체의 정확한 치수관리 및 밀도관리는 소결 및 가공에 이르는 후속공정에서의 불량률 감소 및 제조cost의 절감과 직결되므로 정밀한 성형조건의 제어는 무엇보다도 중요하다. 특히 복잡한 형상의 다단 제품을 기계식 프레스에서 성형하는 경우, 분말의 충진고나 성형압력 외에도 ① 양압의 유무 또는 양압의 길이, ② 가압탈형기능, ③ 유동코아(Floating core), ④ Die Control기능, ⑤ Underfill/Overfill기능 등을 통해 성형체의 각 부위에 균일한 압력을 전달시켜 프레스 성형이 갖는 한계를 상당부분 극복할 수 있다. 예를 들어 가압탈형 기능을 사용하면 성형체의 spring back 현상을 최소화하여 단부위의 크랙이나 치수편차를 줄일수 있고, die control 기능을 이용하면 성형체의 하단부에 걸리는 압력을 상단부와 동일하게 하여 성형체 상하부의 치수편차를 줄일수 있다.
 
유압식 프레스의 경우에도 기계식 프레스와 유사한 성형조건을 구사할수 있으며, 양압의 길이 및 압력조절의 폭이 기계식에 비해 크고 가압탈형의 유지시간을 길게 설정할 수 있기 때문에 특히 스트로크가 큰, 긴 형상의 제품을 성형하는 경우에 유리하다. 이상과 같은 성형조건의 종류는 다단제품의 경우뿐만 아니라 단순한 형상의 제품에도 적용이 가능하며 이를 통해 성형체의 균일성을 향상시킬수 있다.
 
정수압성형의 경우에는 분말을 압축하는 가압과정, 성형체 내부를 균일화 시키는 최고압유지과정 , 감압과정의 3단계로 나누어 성형조건의 설정을 고려해야한다. 각 단계별 성형조건의 선정은 2.2.4절에서 언급한 여러 경우를 고려하여 선정하여야 한다.
 
   3.4 성형체의 평가
 
 세라믹 제품 생산에 있어 소결 이후의 공정에서 발견되는 결함은 전체 제조cost중 후속공정 즉, 소결 및 가공공정이 차지하는 비중이 60%이상을 점유한다는 관점에서 볼 때 매우 큰 손실이라 할 수 있다. 즉, 성형체 불량이 후속공정으로 넘어가지 않는 것 자체만으로도 세라믹 제품의 제조비용을 상당히 절감할수 있다. 그런 의미에서 성형체의 평가는 최종제품의 특성평가 못지 않게 중요하다.
 
일반적으로 성형공정에서 관리해야 할 항목으로는 ① 성형체의 무게 및 밀도, ②치수, ③ 성형체의 크랙 등의 결함, ④성형체의 오염 ⑤ burr 등의 성형체 외관 ⑥성형체의 미세구조등이다. 상기와 같은 성형체의 평가는 후속공정과의 연계를 고려할 때 매우 신속하게 이루어져야 하기 때문에 그 평가방법은 간단하고 정확해야 한다. 예를 들면 성형체의 결함을 알아보는 방법중에서 성형체를 유기용매에 담가 발생하는 기포의 정도를 통해 내부의 결함을 측정하는 방법이나 성형체와 굴절률이 동일한 용액을 이용하여 광학현미경만으로 성형체 내부를 검사하는 방법15)들이 있다. 합리적이고 체계적인 성형체의 평가를 위해서는 평가항목의 선정도 중요하지만 측정평가된 데이터의 통계처리를 통한 불량 원인별 및 불량유형별 분석과 다양한 Q.C기법의 활용을 통한 공정능력지수의 파악 및 공정규격의 확립등도 병행되어야 한다.   
 
 
4. 결론
 
   건식성형에 대한 그간의 연구는 주로 ① slurry의 제조를 포함한 분말의 조립화, ② 조립된 과립의 성형성, ③ 성형체내의 응력분포 및 결함의 해석, ④ 과립의 성형특성이 최종제품에 미치는 영향 등으로 요약할 수 있다. 이 같은 연구들이 건식성형의 mechanism을 규명하고 발전시키는데 큰 일익을 담당했다는 것은 주지의 사실이다. 그러나 최근 선진 각국의 건식성형기술의 눈부신 발달의 이면에는 상기의 연구결과 이외에도 프레스장비의 제작기술이나 복잡한 공정변수를 갖는 다축, 다단 성형 기술의 발전도 상당부분 기여를 했다고 할 수 있다. 이러한 관점에서 본 고에서는 그동안의 건식성형의 연구 결과와 더불어 프레스성형과 CIP성형의 특징과 장비, 금형을 포함한 성형조건 선정시 기술적 고려사항, 성형공정에서 발생하는 문제점 등에 대해 소개하였다.
 
장비와 관련된 성형기술들은 대부분 각 업체들만이 갖는 Know-How이기 때문에 후발업체의 경우 기술정립에 많은 시간을 투자해야 한다. 또한 프레스성형의 경우, 분말, 금형, 장비, 성형기술중 어느 하나가 부족해도 좋은 결과를 낼 수 없으며, 특히 성형기술은 정량화가 곤란한 분야이다. 하지만 경제적 생산이 가능한 건식성형을 한 단계 향상시키기 위해서는 무엇보다도 세라믹분말의 성형mechanism 및 장비에 따른 성형기술분야에 더 많은 연구가 행해져야 한다고 생각된다.
 

요업기술 Vol.12 (1) 1997