국내 인베스트먼트 주조공장에서는 모형성형용 금형제작공장 및 제작공장을 자사 공장내에서 시설되어있는 회사는 극히 드물다. 전체의 10~15%정도이다. 따라서 거의 공장에서 제1공정은 모형성형공정이 된다. 금형제작은 외주가 주류를 이룬다.
그를 위해서 외주 수입검사에 있어서 특히 금형표면정도, 바리발생의 유무, 금형분활면정도, 금형분활 및 왁스성형성등을 중점대상으로 체크를 실시한다.
왁스 모형성형고 관련하여 금형기구의 요소로서는 금형 Injection plate의 노즐 크기가 Ø8㎜로하고, 금형에 충분한 Air Bent가 있을 것, 왁스모형의 이형성이 좋을 것, 왁스 사출기의 기능에 이상이 없는지 등이 요구된다.
한편 금형은 왁스 사출기의 기종에 따라 자동금형과 수동금형으로 분류된다.
[1] 왁스 모형재료와 종류
인베스트 주조용 왁스모형재료에 관해서는 그림 2에 나타냈다.
인베스트먼트 주조용 모형재료로서는 오늘날 왁스계, 요소계, 폴리스틸렌수지 및 나프탈린계가 있다. 그 가운데 가장 많이 사용되고 있는 것이 왁스계 모형재료이다. 왁스계 모형재료는 그 활용범위에 있어서 Non filler wax와 Filler wax로 크게 분류된다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 것이 Non filler wax이다. Non filler wax는 그림에서 보는 바와 같이 천연왁스 및 합성왁스등 여러 가지 종류의 재료의 배합으로 이루어진다.
그 실례로 표1에 나타내었다.
일반적으로 Filler wax는 Non Filler wax에 대해서 각종 필라재(폴리스틸렌, 유기산계, 지방산아민계, 전분계, 물)이 30~45%배합되어진 것이다.
Non Filler wx와 Filler wax와의 성능비교에 관해서 표2에 나타내었다.
Filler wax 우수한 특성에서 그 사용량은 매년 증가 추세이다. 피라왁스는 특히 정도요구가 높은 항공우주 관련 부품이나 알루미늄, 마그네슘합금의 대형제품에 많이 활용되고 있다. 필라왁스 활용이 갑자기 증가하기 시작한 이유 중 하나가 재생이 가능하게 됐다는 것과 그외 국내 제조가 가능하게 되고 필라재의 신개발 연구에 의해서 탈왁스 성능이 크게 개선됐기 때문이다. 이러한 왁스구성물질의 특성은 표3에 나타냈다. 천연왁스 및 합성왁스의 배합은 강도나 경도를 높이는 쪽으로 수축을 크게한다. 피라핀계물질의 배합은 융점을 낮추지만 면수축을 크게한다. 수지계 물질의 배합은 응고를 조속히 수축이나 면 수축을 적게하는 효과가 있다. 통상 왁스에서는 이러한 물질에 Oil collar 착색제가 첨가 배합된다.
통상 사용하고 있는 Non filler wax의 주성분은 파라핀계, 왁스계 및 수지계의 3가지 성분으로 이루어져 있다. 이러한 3성분으로 만들어진 왁스조서물 삼각도는 그림3에 나타나 있다. 일반적으로 재료성능은 각 왁스제조업체에 있어서 실시되고 있다.
성능측정 시험항목으로는 점도, 연화저, 침입도, 굽휨강도, 회분 수분(재생품), 응고점, 비중, 열수장율, 열전도율, 탈왁스속도, 스러리부착성, 변형 및 휨등이 대상으로 되어 있다. 특히 측정시험 결과중 점도, 굽휨강도, 회분, 수분 응고점, 열수장율 탈왁스속도, 스러리의 부착성, 변형 및 휨등이 중요 포인트로 되어 있다. 통상 왁스입하시 판재에서 파렛트상태로 되어 있어 역시 자동성형기에 공급이 용이하게 되어 있다.
[2] 왁스 성형기
현재 활용되고 있는 왁스성형기는 수동성형기, 반자동성형기, 전자동성형기로 분류되고 그 밖에 사출압력기능에서 저압형과 고압형으로 구분된다. 이러한 왁스 성형기의 분류는 표 4에 기재한 것과 같다.
왁스성형기 가운데 가장 많이 활용되고 있는 기종은 사진 1에 나타나 고압식입형(高壓式立型) 종사출(縱射出) 반자동 성형기이다.
본 기계의 경우 왁스 공급방식은 잉곳트(INGOT)를 이용한 방식이다. 따라서 공급왁스의 상태는 반액체 상태이다. 본기계는 다품종 소량형 수주형태에 알맞은 기조이라고들 말한다. 그래서 다량 롯트(LOT)품에 대응하기 위해 24시간 풀가동이 가능한 고압식횡형(高壓式橫型) 종사출 전자동사출기(사진2)도 도입하게 됐다. 본 기계는 이형제 도포에서 제품성형까지 전자동 처리할 수 있다. 왁스공급은 대형 왁스용융탱크에서 파이프를 통해 압송되는 방식을 되어 있다.
[3] 왁스모형재료의 용융과 숙성조질(熟成調質)
왁스모형재료는 물, 기름을 가열하여 100~200℃에서 간접용해 된다. 특히, 필라왁스의 경우는 필라계의 분리침전을 방지하기 위하여 혼합하지 않으면 안되다.
액체(LIQUIDE) 상태에서 왁스공급은 소정의 온도까지 왁스를 냉각하여 사용하고 있지만 잉곳트에 의한 공급에서는 이 왁스를 잉곳트로 만드는 주입에서 소정의 온도(실제 사출기의 왁스온도 +2~3℃)의 왁스탱크 중에 24시간 정치 유지하고나서 성형기에 삽입하여 사용한다.
또 왁스의 특수한 숙성조질방법을 이용하는 것으로 종래보다도 평활하고 미려한 왁스모형의 표면이 얻어지는 것이 밝혀지게 됐다.
그 방법은 왁스의 급랭화 숙성에 있고 그림 4에 나타냈다.
[4] 왁스모형 성형의 실제
왁스모형성형에 있어서 결함과 대책에 관하여는 표 5에 나타냈다. 일반적으로 왁스모형 성형공정에 있어서 성형품 양품율은 95%이상이지만 불량내용으로는 왁스충진불량, 표면조도불량, 기포혼입불량, 면수축불량, 돌기(FLASH, 바리) 발생, 주름발생 및 변형·휨불량 등이 있다.
모형성형 조건으로는 가능한 한 사출입력이 높을수록 좋다. 통상 사출압력은 25~30㎏/㎠에서 거의 만족하고 있다. 사출온도(실질적으로 왁스온도)는 왁스의 종류에 따라 다르다. 그러나 거의 55~70℃의 범위내에서 설정되지만, 왁스의 열전도성이 나쁘다고 해서 설정온도를 변화시켜도 곧 설정온도에 제어하는 일은 할 수 없다고 말하면 결점이 있다.
실제로 성형에 있어 왁스의 사출속도의 요인은 결함대책에 매우 민감하며 성형기의 기능으로서는 빼놓을 수 없는 중요한 요소로 되어 있다. 한편 사출시간의 요인은 왁스 모형의 수축율이나 면수축과 큰 관계가 있다.
다시말해서 성형기의 노즐을 개방한 상태로 사출시간을 연장함에 따라 수축율이나 면수출의 정도는 적어진다. 사출시간과 수축율의 관계에 있어서는 물론 사출아력이 높을수록 수축율이나 면수축이 적어진다.
한편 사출온도가 높을수록 수축율이나 면수축은 많아진다. 사출온도와 수축율 및 면수축과의 관계에 대해서는 표 6에 나타냈다.
왁스의 선정은 중요하며 일반적으로 살이 얇은 대형 모형성형에서는 왁스의 완전충진과 변형방지의 관점에서 일정의 사출온도에 있어서 최대한 저점성의 왁스가 좋고, 부러지는 성질이 적으며, 강한 고체상태의 왁스가 바람직하다. 한편 살두께가 두꺼운 모형성형에서는 냉각라인을 사용하거나 수냉식 금형구조를 활용하는 일도 있다.
보통 왁스모형성혀에 있어서 NON FILLER WAX의 표준성형수는 시간당 거의 35~50개 정도에 비해 FILLER WAX는 거의 50~65개 성형이 가능하다. 성형작업은 합형-사출-개방이 1쇼트이며 각각의 요하는 소요시간비는 약 1 : 1 : 1 이다. 성형작업은 또 왁스 모형이 금형으로부터 이형성에도 크게 좌우된다. 왁스모형의 이형제는 실리콘계와 후론계 및 수용성의 것이 사용된다.
후론계 이형계는 최근 문제가 되고 있어 지구환경상의 오존층파괴와 관련이 있다하여 사용이 어려워지고 있다. 또한 최근에 와서 물과 친수력이 있는 P-WAX라고 하는 새로운 왁스가 미국에서 개발되어 수용성 이형제로 금형에 도포하여 쉽게 이형되며 생산성이 높은 왁스로서 주목되고 있다. 왁스모형의 이형에 있어서는 AIR BLOWING함으로서 더욱 이형이 촉진된다.
[5] 왁스모형의 검사와 수정
왁스모형을 금형에서 이형할 때에는 가급적 모형에 응력을 주지않고 최소면적을 TOUCH한다. 응력변형을 피하고 손의 체온에 의하여 모형표면에 지문이 찍히는 것을 피하기 위함이다.
각종 제품의 왁스모형 견본을 준비하여 특히 모형성형에 있어서의 7가지 결함을 주시하면서 좋고, 나쁨을 구분 판단하여 결정한다.
7가지의 결함에는 유흐름, 면수축, 기포의 혼입, 탕경(湯境 경계면) 바리발생 및 모형의 부분파손이다. 이들의 결함과 구체적 수정방법에 대하여는 그림 6에 표시함과 같다. 이들의 수정에 있어서는 수선용왁스나 가느다란 인두등이 이용된다.
왁스모형은 보관중에 시간 경과를 따른 변화로 처지거나 변형 및 휘이 발생하지 않도록 모형의 보관방법이나 치구의 사용등을 충분히 고려할 필요가 있다.
또 모형은 일정한 실온에서 보관하지 않으면 표 7에서 표시함과 같이 수축율이 변화하여 치수정도나 변형, 휨의 큰요인이 된다.
왁스에 바리가 발생한 경우에는 금형정도에 문제가 있는가, 형의 분활면에 상처가 없는가, 또는 불순물이 부착되어 있는가, 금형의 체결력이 적당한가, 사출압력이 적당한가, 혹은 왁스온도가 너무 높은가 등의 이유에 의한 것이다. 어느 쪽이든 수정공수와 성형공수와의 비교에 있어서 판단하여야 한다.
[6] 왁스의 재생과 재새왁스 성질
생산라인에 있어서 소정의 제품에서의 왁스성형조건과 성형된 왁스모형의 치수정도 및 외관정도는 항상 일정하지 않으면 안된다.
와그는 재생되어 반복하여 사용할 경우 특히 수분이나 회분의 혼입에 의하여 품질이 불안정하게 된다.
또 수회 반복하여 사용되는 정도와 탈왁스공정에 있어서 일반적으로 150℃의 열을 여러차례 받아 왁스의 성질이 변화한다.
INVESTMENT주조용 왁스는 화학적으로 탄소수 18~45를 보유하고 있으며, 수소와 결합하여 쇄상(鎖狀, 열쇠고리모양) 또는 직쇄상(直鎖狀)의 결합이 파괴되어 특히 2중결합기가 파손 新왁스에 비하여 융합이 떨어져 연화되는 경향이 있다.
실제로 생산라인에 있어서 이러한 왁스의 품질안정을 유지하기 위하여 표 8에 표시함과 같이 하기의 검사나 CHECK를 정기적으로 실시 관리하지 않으면 안된다.
일반적으로 오토 크레이브(AUTO CLEAVE)탈왁스장치에서 회수된 왁스의 재생처리는 INVERSTMENT 주조품 제조회사내에서 각기 다른 방법을 재생산되고 있다. 현재 가장 품질이 바람직한 재생공정은 그림 7, 그림 8에 표시한 가압식 여과재생이다.
왁스의 재새은 그림 7에 나타난 바와 같이 회수왁스 중에서 단순히 수분과 회분만을 제거하는 단순재생방법과 왁스의 물리화학적 성질가지 조절해서 신(新)왁스에 대등한 성질을 형성하기 위한 조절재생방법등이 있다. 물론 NON FILLER WAX나 FILLER WAX라도 조질재생은 가능하다. 표 9는 가압식 여과재생 및 자연침전재생 철망통과 재생과의 물성치를 비교한 것이다.
특히 회분의 제거율은 RDKQTLR 여과재생이 가장 효율적임을 알 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 왁스 재생품[단순재생품]에 신(新)왁스를 배합함으로서 단순하게 조질재생품을 만드는 것도 가능하다. 표10은 신(新)왁스와 단순재생품의 배합에 의한 물성치에 비교한 것이다.
FILLER WAX에서 조질재생은 단순재생단계에 있어서 FILLER 성분을 완전히 분리제거하여 새로운 FILLER 성분만을 배합 첨가하는 방법이 이용되고 있다.
기본적으로 오토 크레이브 탈왁스에 의한 회수 왁스중에 함유된 수분은 대략 55%이고 회분함유량은 0.22%정도이며, 가압식여과재생에 의한 회분은 0.02%, 수분은 0.02%까지 제거된다.
단순재생품은 탕도나 탕구용 왁스로서 활용되고 한편 조질재생품은 제품왁스로서 이용된다.
[7] 수용성왁스 중자와 중자모형성형
수용성왁스의 기본적 조성 및 성분은 표11에 나타냈다. 수용성왁스 중자성형과 보통왁스 성형기가 그대로 사용될 수 있으며, 중자강도를 요구하는 경우에는 그라스화이버(GLASS FIBER)섬유혼입의 수용성 왁스가 활용되고 있다.
주형왁스 성형사출압력보다도 수㎏/㎠이상 높은 압력으로 중자를 사출성형하여야 한다. 수용성왁스의 수축율은 2/1000~3/1000정도이다. 성형한 중자는 어느 것이나 흡수하기 쉬우므로 성형후 가급적 빨리 주형의 왁스로 주입하여 성형하여야 한다.
특히 정도를 정확히 요구하는 경우에는 수용성왁스 중자를 건조제가 들어있는 박스에 넣어서 주형왁스 성형까지 보관하여야 한다. 수용성왁스 중자의 설계기준과 형상한계에 있어서의 금형방안에 대하여는 그림 10에 표시했다.
표 12에는 시판중인 수용성왁스의 특성에 관하여 나타냈다. 실제로 중자성형에 있어서는 수용성왁스가 일반 모형용 왁스보다도 유동성이 나쁨으로 성형기의 노즐구경 및 금형의 사출구 크기는 어느 것이든 ￠8㎜로 하여야 한다.
중자성형품의 대부분은 굽휨강도가 요구된다. 그것은 주형왁스성형에 있어서 중자의 깨어짐을 방지하기 위함이다. 중자왁스는 물속에서 대략 20분/㎠ 정도의 용출속도가 있지만 3~5%의 염산용액에서는 2분/㎠정도의 용출속도가 된다. 또다시 용출속도를 촉진하기 위하여 중자두께가 두꺼운 부분은 관통형상의 살빼기 설계를 하여야 한다.
또 용액을 서서히 저어줌으로서 중자용출을 보다 빠르게 할 수 있다. 용출액은 최후에 중화무독화처리해서 방류된다. 두께가 얇고 대형화로 변화하고 있는 오늘날 중자형상을 가진 제품요구가 높아지는 가운데 수용성왁스 사용량은 증가 추세이다.
수용서왁스의 열용융은 직접가열을 피하고 필히 물 또는 기름 욕조속에 간접가열하여야 하며 절대로 100℃이상의 온도를 올려서는 안된다. 각종 중자재료로서는 표 13에 표시한대로 수용성왁스, 세라믹중자 및 금형중자가 등이 있다.
이들중 어느 중자방법을 채용하는가는 대응한 제품의 생산수량이나 제품가격 및 제품중자 형상등에서 선정돼야 한다.
[8] PROTOTYPE용 모형재료
몇 개 또는 소량생산, 금형제작전의 시작품제작용으로서 활용되는 가구용 마시나블왁스 모형재료가 소량INVERSTMENT주조용 모형재료로서 이용되고 있다.
PROTOTYPE용 모형재료는 직접 가공용모형재료로서 활용되고 있다. 본 제품은 가공성이 우수하여 탭핑이나 선반가공, 프라이스가공, 혹은 끌이나 대패등 모든 절삭가공이 가능하며 살붙임수정도 가능한 단단한 블록상태의 모형재료이다. 본 제품은 또 고융점이지만 재생도 가능하다.
금형 시작용으로서 활용되어 폴리오래핀등 몇 가지의 왁스종류가 배합되어 상품명 FORMAX NG-001이나 FREEMAN 10800 및 포밍왁스등이 쓰여지고 있다.
본 PROTOTYPE WAX 모형이 제작된 후 대개 생산공정으로 연결돼 제조된다. 본 PROTOTYPE의 활용은 점점 증가하는 추세다.
[9] 각종제품에 적용사례
최근에 INVESTMENT 주조품은 특히 수용요구의 고도화와 대형화 및 제품형상 자유도의 복잡화가 기대되어 점점 기술의 고도화 총합력이 필요로하게 되어가고 있다. INVESTMENT주조품 가운데 최고기술이 요구되는 분야는 항공우주 관련부품이다.
다시 말해서 단결정조직에서 만들어지는 브레이드류이다.
본 제품의 왁스모형에서 요구되는 표면조도는 6S이하이다. 따라서 그것에 사용되는 왁스재료는 전부 외관결함이 없는 것을 조건으로 하기위해 HI-FILLED WAX가 쓰여지고 있다.
이 왁스의 성질로는 왁스중에 함유된 불순물량이 0.015%이하 아니면 안된다고 규정되어 있다. 물론 이 적용분야에서는 왁스재생품의 사용은 안되며, 모두 엄선된 신(新)왁스만으로 되어있다.
한편 제품의 초소형화와 형상의 복잡성을 수반한 PRIENT용 YOKE CORE HEAD부품에서는 치수정도, 외관정도, 휨, 변형 및 왁스성형 생산성면에서 FILLER WAX가 활용되어 자동왁스성형기가 이용되고 있다.
성형품의 품질을 만족시킬 수 있다는 점에서 그 성형조건은 사출압력이 30㎏/㎠이상 40㎏/㎠이하의 고압성형이다. 성형한 왁스모형은 전수외관검사를 하도록 되어있다. YOKE CORE HEAD 부품용 왁스재료의 선정 필요조건은 하기와 같다.
(1) 치수정도가 우수할 것.
(2) 외관이 미려하고 평활하며 결함이 없을 것.
(3) 강도가 있고 인성이 있을 것.
(4) 생산성이 높을 것.
(5) 유동성이 좋을 것.
대형 INVESTMENT주조품의 경우 크게 분류하면 두가지 분야로 구분된다.
그 첫 번째는 원자력부품이나 주조류 부품에 대표될만한 대형품이다. 본 제품을 대상으로하는 왁스재료의 선정조건은 하기와 같다. (1) 수축율이 적을 것.
(2) 응고온도범위가 좁은 왁스.
본 제품을 대상으로하는 성형조건은 하기와 같다.
(1) 성형기 사출용 노즐을 개방한상태에서 사출가압시간을 조정한다.
(2) 왁스충진율을 높이기 위하여 30㎏/㎠이사의 고압사출성형
한편 대형 INVESTMENT주조품의 경우 비철대상품으로서의 대형케이스와 하우징 형상품이 있다. 본제품에서이 왁스재료 선정조건으로는 성형시에 적당한 인성이 있고, 성형후에 단단한 고체상태가 되고, 시간이 지나도 변형이 없는 왁스가 가장 좋다.
다시 말해서 성형시에 왁스모형의 이형을 용이하게 하는 점에서 왁스모형의 적당한 인성이 필요하고 다음공정의 조립이나 코팅공정을 생각해서 강한고체상태나 변형이 없는 성질이 요구된다. 그렇지 않으면 조립공정에서 큰 변형이오고 코팅공정에서 1차코팅에 있어서 받는 압력에서 주형의 크랙이나 분리결함을 일으키고 CRITICAL한 결함으로 된다.
여기까지는 항공우주 관련부품이나 산업용부품을 대상으로 하는 제품으로 특히 치수정도에 중점을 두었다. 이들에 대하여 골프아이언헤드(GOLF IRON HEAD)에서는 중량정도가 POINT가 된다.
본 제품에서의 왁스모형성형에 있어서는 특히 흠이 있는 FACE LINE면에서의 국부적 면수축의 정도와 관련된다.
본 제품에 적용되는 왁스재료로서는 면수축이 적은 왁스선정이 첫 POINT가 된다. 그러나 성형기의 기능이나 성형조건 및 공시용왁스조절의 미묘한 조절에 의해 왁스모형의 면수축정도에 차이의 격차가 발생한다.
그럼으로 성형품의 면수축검사와 중량측정을 관리항목으로 하여야 한다. 본 제품에서의 왁스모형에 이어서 면수축 한계는 0.15㎜이며 도 제품에서의 중량정도 한계는 250g±3g이다. 한편 왁스 모형에서의 바리발생의 정도에는 크게 영향을 미치는 금형의 조립정도, 사출조건 및 사출왁스온도를 충분히 고려할 필요가 있다.
기본적으로 면수축 대책으로서는 25㎏/㎠이상의 고압사출을 조건으로 하고 노즐을 개방한 상태에서 사출시간을 조정함으로서 방지된다.
GOLF IRON HEAD의 경우 왁스모형표면에 0.15㎜이상의 국부면수축이 발생하는 경우 본 제품에서의 중량 바란스정도는 ±5g이상 된다. 본 왁스 성형에 있어서의 중점은 하기와 같다. (1) 면수축이 적은 왁스
(2) 응고온도범위가 적은 왁스
(3) 사출온도에 있어서의 적정한 유동성을 잦은 왁스
(4) 바리(돌출)발생이 없을 것
(5) 모형표면에 기포발생이 없을 것
(6) 왁스모형의 중량측정을 실시할 것
(7) 노즐을 개방하여 사출시간을 조정
(8) 왁스중자 INLET방식을 활용
(9) 금형냉각라인의 활용
한편, METAL WOOD의 경우에는 평균 두께가 극히 얇음으로 유동성이 우수한 왁스가 바람직하다. 어느 제품에 있어서도 치수정도, 중량정도나 외관정도의 품질우위를 유지하면서 적합한 성형기로서 소정의 사출성형조건을 조정하며 생산성과의 바란스관리에 의하여 성형작업을 진행한다.
INVESTMENT주조품으로서의 적용예는 더욱 증가하는 추세에 있으며 특히, OA기기나 자동차엔진부품, 의료관련부품 등 신규 수요분야의 확대가 현저하다. 그 적용분야별 일례를 표 14에 나타냈다. 이하 다음공정에 관해서는 계속해서 보도한다.
그를 위해서 외주 수입검사에 있어서 특히 금형표면정도, 바리발생의 유무, 금형분활면정도, 금형분활 및 왁스성형성등을 중점대상으로 체크를 실시한다.
왁스 모형성형고 관련하여 금형기구의 요소로서는 금형 Injection plate의 노즐 크기가 Ø8㎜로하고, 금형에 충분한 Air Bent가 있을 것, 왁스모형의 이형성이 좋을 것, 왁스 사출기의 기능에 이상이 없는지 등이 요구된다.
한편 금형은 왁스 사출기의 기종에 따라 자동금형과 수동금형으로 분류된다.
[1] 왁스 모형재료와 종류
인베스트 주조용 왁스모형재료에 관해서는 그림 2에 나타냈다.
인베스트먼트 주조용 모형재료로서는 오늘날 왁스계, 요소계, 폴리스틸렌수지 및 나프탈린계가 있다. 그 가운데 가장 많이 사용되고 있는 것이 왁스계 모형재료이다. 왁스계 모형재료는 그 활용범위에 있어서 Non filler wax와 Filler wax로 크게 분류된다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 것이 Non filler wax이다. Non filler wax는 그림에서 보는 바와 같이 천연왁스 및 합성왁스등 여러 가지 종류의 재료의 배합으로 이루어진다. 그 실례로 표1에 나타내었다.
일반적으로 Filler wax는 Non Filler wax에 대해서 각종 필라재(폴리스틸렌, 유기산계, 지방산아민계, 전분계, 물)이 30~45%배합되어진 것이다.
Non Filler wx와 Filler wax와의 성능비교에 관해서 표2에 나타내었다.
Filler wax 우수한 특성에서 그 사용량은 매년 증가 추세이다. 피라왁스는 특히 정도요구가 높은 항공우주 관련 부품이나 알루미늄, 마그네슘합금의 대형제품에 많이 활용되고 있다. 필라왁스 활용이 갑자기 증가하기 시작한 이유 중 하나가 재생이 가능하게 됐다는 것과 그외 국내 제조가 가능하게 되고 필라재의 신개발 연구에 의해서 탈왁스 성능이 크게 개선됐기 때문이다. 이러한 왁스구성물질의 특성은 표3에 나타냈다. 천연왁스 및 합성왁스의 배합은 강도나 경도를 높이는 쪽으로 수축을 크게한다. 피라핀계물질의 배합은 융점을 낮추지만 면수축을 크게한다. 수지계 물질의 배합은 응고를 조속히 수축이나 면 수축을 적게하는 효과가 있다. 통상 왁스에서는 이러한 물질에 Oil collar 착색제가 첨가 배합된다.
통상 사용하고 있는 Non filler wax의 주성분은 파라핀계, 왁스계 및 수지계의 3가지 성분으로 이루어져 있다. 이러한 3성분으로 만들어진 왁스조서물 삼각도는 그림3에 나타나 있다. 일반적으로 재료성능은 각 왁스제조업체에 있어서 실시되고 있다.
성능측정 시험항목으로는 점도, 연화저, 침입도, 굽휨강도, 회분 수분(재생품), 응고점, 비중, 열수장율, 열전도율, 탈왁스속도, 스러리부착성, 변형 및 휨등이 대상으로 되어 있다. 특히 측정시험 결과중 점도, 굽휨강도, 회분, 수분 응고점, 열수장율 탈왁스속도, 스러리의 부착성, 변형 및 휨등이 중요 포인트로 되어 있다. 통상 왁스입하시 판재에서 파렛트상태로 되어 있어 역시 자동성형기에 공급이 용이하게 되어 있다.
[2] 왁스 성형기
현재 활용되고 있는 왁스성형기는 수동성형기, 반자동성형기, 전자동성형기로 분류되고 그 밖에 사출압력기능에서 저압형과 고압형으로 구분된다. 이러한 왁스 성형기의 분류는 표 4에 기재한 것과 같다.왁스성형기 가운데 가장 많이 활용되고 있는 기종은 사진 1에 나타나 고압식입형(高壓式立型) 종사출(縱射出) 반자동 성형기이다.
본 기계의 경우 왁스 공급방식은 잉곳트(INGOT)를 이용한 방식이다. 따라서 공급왁스의 상태는 반액체 상태이다. 본기계는 다품종 소량형 수주형태에 알맞은 기조이라고들 말한다. 그래서 다량 롯트(LOT)품에 대응하기 위해 24시간 풀가동이 가능한 고압식횡형(高壓式橫型) 종사출 전자동사출기(사진2)도 도입하게 됐다. 본 기계는 이형제 도포에서 제품성형까지 전자동 처리할 수 있다. 왁스공급은 대형 왁스용융탱크에서 파이프를 통해 압송되는 방식을 되어 있다.
[3] 왁스모형재료의 용융과 숙성조질(熟成調質)
왁스모형재료는 물, 기름을 가열하여 100~200℃에서 간접용해 된다. 특히, 필라왁스의 경우는 필라계의 분리침전을 방지하기 위하여 혼합하지 않으면 안되다. 액체(LIQUIDE) 상태에서 왁스공급은 소정의 온도까지 왁스를 냉각하여 사용하고 있지만 잉곳트에 의한 공급에서는 이 왁스를 잉곳트로 만드는 주입에서 소정의 온도(실제 사출기의 왁스온도 +2~3℃)의 왁스탱크 중에 24시간 정치 유지하고나서 성형기에 삽입하여 사용한다.
또 왁스의 특수한 숙성조질방법을 이용하는 것으로 종래보다도 평활하고 미려한 왁스모형의 표면이 얻어지는 것이 밝혀지게 됐다.
그 방법은 왁스의 급랭화 숙성에 있고 그림 4에 나타냈다.
[4] 왁스모형 성형의 실제
왁스모형성형에 있어서 결함과 대책에 관하여는 표 5에 나타냈다. 일반적으로 왁스모형 성형공정에 있어서 성형품 양품율은 95%이상이지만 불량내용으로는 왁스충진불량, 표면조도불량, 기포혼입불량, 면수축불량, 돌기(FLASH, 바리) 발생, 주름발생 및 변형·휨불량 등이 있다.
모형성형 조건으로는 가능한 한 사출입력이 높을수록 좋다. 통상 사출압력은 25~30㎏/㎠에서 거의 만족하고 있다. 사출온도(실질적으로 왁스온도)는 왁스의 종류에 따라 다르다. 그러나 거의 55~70℃의 범위내에서 설정되지만, 왁스의 열전도성이 나쁘다고 해서 설정온도를 변화시켜도 곧 설정온도에 제어하는 일은 할 수 없다고 말하면 결점이 있다.
실제로 성형에 있어 왁스의 사출속도의 요인은 결함대책에 매우 민감하며 성형기의 기능으로서는 빼놓을 수 없는 중요한 요소로 되어 있다. 한편 사출시간의 요인은 왁스 모형의 수축율이나 면수축과 큰 관계가 있다.
다시말해서 성형기의 노즐을 개방한 상태로 사출시간을 연장함에 따라 수축율이나 면수출의 정도는 적어진다. 사출시간과 수축율의 관계에 있어서는 물론 사출아력이 높을수록 수축율이나 면수축이 적어진다.
한편 사출온도가 높을수록 수축율이나 면수축은 많아진다. 사출온도와 수축율 및 면수축과의 관계에 대해서는 표 6에 나타냈다.
왁스의 선정은 중요하며 일반적으로 살이 얇은 대형 모형성형에서는 왁스의 완전충진과 변형방지의 관점에서 일정의 사출온도에 있어서 최대한 저점성의 왁스가 좋고, 부러지는 성질이 적으며, 강한 고체상태의 왁스가 바람직하다. 한편 살두께가 두꺼운 모형성형에서는 냉각라인을 사용하거나 수냉식 금형구조를 활용하는 일도 있다.
보통 왁스모형성혀에 있어서 NON FILLER WAX의 표준성형수는 시간당 거의 35~50개 정도에 비해 FILLER WAX는 거의 50~65개 성형이 가능하다. 성형작업은 합형-사출-개방이 1쇼트이며 각각의 요하는 소요시간비는 약 1 : 1 : 1 이다. 성형작업은 또 왁스 모형이 금형으로부터 이형성에도 크게 좌우된다. 왁스모형의 이형제는 실리콘계와 후론계 및 수용성의 것이 사용된다.
후론계 이형계는 최근 문제가 되고 있어 지구환경상의 오존층파괴와 관련이 있다하여 사용이 어려워지고 있다. 또한 최근에 와서 물과 친수력이 있는 P-WAX라고 하는 새로운 왁스가 미국에서 개발되어 수용성 이형제로 금형에 도포하여 쉽게 이형되며 생산성이 높은 왁스로서 주목되고 있다. 왁스모형의 이형에 있어서는 AIR BLOWING함으로서 더욱 이형이 촉진된다.
[5] 왁스모형의 검사와 수정
왁스모형을 금형에서 이형할 때에는 가급적 모형에 응력을 주지않고 최소면적을 TOUCH한다. 응력변형을 피하고 손의 체온에 의하여 모형표면에 지문이 찍히는 것을 피하기 위함이다.
각종 제품의 왁스모형 견본을 준비하여 특히 모형성형에 있어서의 7가지 결함을 주시하면서 좋고, 나쁨을 구분 판단하여 결정한다.
7가지의 결함에는 유흐름, 면수축, 기포의 혼입, 탕경(湯境 경계면) 바리발생 및 모형의 부분파손이다. 이들의 결함과 구체적 수정방법에 대하여는 그림 6에 표시함과 같다. 이들의 수정에 있어서는 수선용왁스나 가느다란 인두등이 이용된다.
왁스모형은 보관중에 시간 경과를 따른 변화로 처지거나 변형 및 휘이 발생하지 않도록 모형의 보관방법이나 치구의 사용등을 충분히 고려할 필요가 있다.
또 모형은 일정한 실온에서 보관하지 않으면 표 7에서 표시함과 같이 수축율이 변화하여 치수정도나 변형, 휨의 큰요인이 된다. 왁스에 바리가 발생한 경우에는 금형정도에 문제가 있는가, 형의 분활면에 상처가 없는가, 또는 불순물이 부착되어 있는가, 금형의 체결력이 적당한가, 사출압력이 적당한가, 혹은 왁스온도가 너무 높은가 등의 이유에 의한 것이다. 어느 쪽이든 수정공수와 성형공수와의 비교에 있어서 판단하여야 한다.
[6] 왁스의 재생과 재새왁스 성질
생산라인에 있어서 소정의 제품에서의 왁스성형조건과 성형된 왁스모형의 치수정도 및 외관정도는 항상 일정하지 않으면 안된다.
와그는 재생되어 반복하여 사용할 경우 특히 수분이나 회분의 혼입에 의하여 품질이 불안정하게 된다.
또 수회 반복하여 사용되는 정도와 탈왁스공정에 있어서 일반적으로 150℃의 열을 여러차례 받아 왁스의 성질이 변화한다.
INVESTMENT주조용 왁스는 화학적으로 탄소수 18~45를 보유하고 있으며, 수소와 결합하여 쇄상(鎖狀, 열쇠고리모양) 또는 직쇄상(直鎖狀)의 결합이 파괴되어 특히 2중결합기가 파손 新왁스에 비하여 융합이 떨어져 연화되는 경향이 있다.
실제로 생산라인에 있어서 이러한 왁스의 품질안정을 유지하기 위하여 표 8에 표시함과 같이 하기의 검사나 CHECK를 정기적으로 실시 관리하지 않으면 안된다.
일반적으로 오토 크레이브(AUTO CLEAVE)탈왁스장치에서 회수된 왁스의 재생처리는 INVERSTMENT 주조품 제조회사내에서 각기 다른 방법을 재생산되고 있다. 현재 가장 품질이 바람직한 재생공정은 그림 7, 그림 8에 표시한 가압식 여과재생이다. 왁스의 재새은 그림 7에 나타난 바와 같이 회수왁스 중에서 단순히 수분과 회분만을 제거하는 단순재생방법과 왁스의 물리화학적 성질가지 조절해서 신(新)왁스에 대등한 성질을 형성하기 위한 조절재생방법등이 있다. 물론 NON FILLER WAX나 FILLER WAX라도 조질재생은 가능하다. 표 9는 가압식 여과재생 및 자연침전재생 철망통과 재생과의 물성치를 비교한 것이다.
특히 회분의 제거율은 RDKQTLR 여과재생이 가장 효율적임을 알 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 왁스 재생품[단순재생품]에 신(新)왁스를 배합함으로서 단순하게 조질재생품을 만드는 것도 가능하다. 표10은 신(新)왁스와 단순재생품의 배합에 의한 물성치에 비교한 것이다.
FILLER WAX에서 조질재생은 단순재생단계에 있어서 FILLER 성분을 완전히 분리제거하여 새로운 FILLER 성분만을 배합 첨가하는 방법이 이용되고 있다.
기본적으로 오토 크레이브 탈왁스에 의한 회수 왁스중에 함유된 수분은 대략 55%이고 회분함유량은 0.22%정도이며, 가압식여과재생에 의한 회분은 0.02%, 수분은 0.02%까지 제거된다.
단순재생품은 탕도나 탕구용 왁스로서 활용되고 한편 조질재생품은 제품왁스로서 이용된다.
[7] 수용성왁스 중자와 중자모형성형
수용성왁스의 기본적 조성 및 성분은 표11에 나타냈다. 수용성왁스 중자성형과 보통왁스 성형기가 그대로 사용될 수 있으며, 중자강도를 요구하는 경우에는 그라스화이버(GLASS FIBER)섬유혼입의 수용성 왁스가 활용되고 있다.
주형왁스 성형사출압력보다도 수㎏/㎠이상 높은 압력으로 중자를 사출성형하여야 한다. 수용성왁스의 수축율은 2/1000~3/1000정도이다. 성형한 중자는 어느 것이나 흡수하기 쉬우므로 성형후 가급적 빨리 주형의 왁스로 주입하여 성형하여야 한다.
특히 정도를 정확히 요구하는 경우에는 수용성왁스 중자를 건조제가 들어있는 박스에 넣어서 주형왁스 성형까지 보관하여야 한다. 수용성왁스 중자의 설계기준과 형상한계에 있어서의 금형방안에 대하여는 그림 10에 표시했다.
표 12에는 시판중인 수용성왁스의 특성에 관하여 나타냈다. 실제로 중자성형에 있어서는 수용성왁스가 일반 모형용 왁스보다도 유동성이 나쁨으로 성형기의 노즐구경 및 금형의 사출구 크기는 어느 것이든 ￠8㎜로 하여야 한다.
중자성형품의 대부분은 굽휨강도가 요구된다. 그것은 주형왁스성형에 있어서 중자의 깨어짐을 방지하기 위함이다. 중자왁스는 물속에서 대략 20분/㎠ 정도의 용출속도가 있지만 3~5%의 염산용액에서는 2분/㎠정도의 용출속도가 된다. 또다시 용출속도를 촉진하기 위하여 중자두께가 두꺼운 부분은 관통형상의 살빼기 설계를 하여야 한다.
또 용액을 서서히 저어줌으로서 중자용출을 보다 빠르게 할 수 있다. 용출액은 최후에 중화무독화처리해서 방류된다. 두께가 얇고 대형화로 변화하고 있는 오늘날 중자형상을 가진 제품요구가 높아지는 가운데 수용성왁스 사용량은 증가 추세이다.
수용서왁스의 열용융은 직접가열을 피하고 필히 물 또는 기름 욕조속에 간접가열하여야 하며 절대로 100℃이상의 온도를 올려서는 안된다. 각종 중자재료로서는 표 13에 표시한대로 수용성왁스, 세라믹중자 및 금형중자가 등이 있다. 이들중 어느 중자방법을 채용하는가는 대응한 제품의 생산수량이나 제품가격 및 제품중자 형상등에서 선정돼야 한다.
[8] PROTOTYPE용 모형재료
몇 개 또는 소량생산, 금형제작전의 시작품제작용으로서 활용되는 가구용 마시나블왁스 모형재료가 소량INVERSTMENT주조용 모형재료로서 이용되고 있다.
PROTOTYPE용 모형재료는 직접 가공용모형재료로서 활용되고 있다. 본 제품은 가공성이 우수하여 탭핑이나 선반가공, 프라이스가공, 혹은 끌이나 대패등 모든 절삭가공이 가능하며 살붙임수정도 가능한 단단한 블록상태의 모형재료이다. 본 제품은 또 고융점이지만 재생도 가능하다.
금형 시작용으로서 활용되어 폴리오래핀등 몇 가지의 왁스종류가 배합되어 상품명 FORMAX NG-001이나 FREEMAN 10800 및 포밍왁스등이 쓰여지고 있다.
본 PROTOTYPE WAX 모형이 제작된 후 대개 생산공정으로 연결돼 제조된다. 본 PROTOTYPE의 활용은 점점 증가하는 추세다.
[9] 각종제품에 적용사례
최근에 INVESTMENT 주조품은 특히 수용요구의 고도화와 대형화 및 제품형상 자유도의 복잡화가 기대되어 점점 기술의 고도화 총합력이 필요로하게 되어가고 있다. INVESTMENT주조품 가운데 최고기술이 요구되는 분야는 항공우주 관련부품이다.
다시 말해서 단결정조직에서 만들어지는 브레이드류이다.
본 제품의 왁스모형에서 요구되는 표면조도는 6S이하이다. 따라서 그것에 사용되는 왁스재료는 전부 외관결함이 없는 것을 조건으로 하기위해 HI-FILLED WAX가 쓰여지고 있다.
이 왁스의 성질로는 왁스중에 함유된 불순물량이 0.015%이하 아니면 안된다고 규정되어 있다. 물론 이 적용분야에서는 왁스재생품의 사용은 안되며, 모두 엄선된 신(新)왁스만으로 되어있다.
한편 제품의 초소형화와 형상의 복잡성을 수반한 PRIENT용 YOKE CORE HEAD부품에서는 치수정도, 외관정도, 휨, 변형 및 왁스성형 생산성면에서 FILLER WAX가 활용되어 자동왁스성형기가 이용되고 있다.
성형품의 품질을 만족시킬 수 있다는 점에서 그 성형조건은 사출압력이 30㎏/㎠이상 40㎏/㎠이하의 고압성형이다. 성형한 왁스모형은 전수외관검사를 하도록 되어있다. YOKE CORE HEAD 부품용 왁스재료의 선정 필요조건은 하기와 같다.
(1) 치수정도가 우수할 것.
(2) 외관이 미려하고 평활하며 결함이 없을 것.
(3) 강도가 있고 인성이 있을 것.
(4) 생산성이 높을 것.
(5) 유동성이 좋을 것.
대형 INVESTMENT주조품의 경우 크게 분류하면 두가지 분야로 구분된다.
그 첫 번째는 원자력부품이나 주조류 부품에 대표될만한 대형품이다. 본 제품을 대상으로하는 왁스재료의 선정조건은 하기와 같다. (1) 수축율이 적을 것.
(2) 응고온도범위가 좁은 왁스.
본 제품을 대상으로하는 성형조건은 하기와 같다.
(1) 성형기 사출용 노즐을 개방한상태에서 사출가압시간을 조정한다.
(2) 왁스충진율을 높이기 위하여 30㎏/㎠이사의 고압사출성형
한편 대형 INVESTMENT주조품의 경우 비철대상품으로서의 대형케이스와 하우징 형상품이 있다. 본제품에서이 왁스재료 선정조건으로는 성형시에 적당한 인성이 있고, 성형후에 단단한 고체상태가 되고, 시간이 지나도 변형이 없는 왁스가 가장 좋다.
다시 말해서 성형시에 왁스모형의 이형을 용이하게 하는 점에서 왁스모형의 적당한 인성이 필요하고 다음공정의 조립이나 코팅공정을 생각해서 강한고체상태나 변형이 없는 성질이 요구된다. 그렇지 않으면 조립공정에서 큰 변형이오고 코팅공정에서 1차코팅에 있어서 받는 압력에서 주형의 크랙이나 분리결함을 일으키고 CRITICAL한 결함으로 된다.
여기까지는 항공우주 관련부품이나 산업용부품을 대상으로 하는 제품으로 특히 치수정도에 중점을 두었다. 이들에 대하여 골프아이언헤드(GOLF IRON HEAD)에서는 중량정도가 POINT가 된다.
본 제품에서의 왁스모형성형에 있어서는 특히 흠이 있는 FACE LINE면에서의 국부적 면수축의 정도와 관련된다.
본 제품에 적용되는 왁스재료로서는 면수축이 적은 왁스선정이 첫 POINT가 된다. 그러나 성형기의 기능이나 성형조건 및 공시용왁스조절의 미묘한 조절에 의해 왁스모형의 면수축정도에 차이의 격차가 발생한다.
그럼으로 성형품의 면수축검사와 중량측정을 관리항목으로 하여야 한다. 본 제품에서의 왁스모형에 이어서 면수축 한계는 0.15㎜이며 도 제품에서의 중량정도 한계는 250g±3g이다. 한편 왁스 모형에서의 바리발생의 정도에는 크게 영향을 미치는 금형의 조립정도, 사출조건 및 사출왁스온도를 충분히 고려할 필요가 있다.
기본적으로 면수축 대책으로서는 25㎏/㎠이상의 고압사출을 조건으로 하고 노즐을 개방한 상태에서 사출시간을 조정함으로서 방지된다.
GOLF IRON HEAD의 경우 왁스모형표면에 0.15㎜이상의 국부면수축이 발생하는 경우 본 제품에서의 중량 바란스정도는 ±5g이상 된다. 본 왁스 성형에 있어서의 중점은 하기와 같다. (1) 면수축이 적은 왁스
(2) 응고온도범위가 적은 왁스
(3) 사출온도에 있어서의 적정한 유동성을 잦은 왁스
(4) 바리(돌출)발생이 없을 것
(5) 모형표면에 기포발생이 없을 것
(6) 왁스모형의 중량측정을 실시할 것
(7) 노즐을 개방하여 사출시간을 조정
(8) 왁스중자 INLET방식을 활용
(9) 금형냉각라인의 활용
한편, METAL WOOD의 경우에는 평균 두께가 극히 얇음으로 유동성이 우수한 왁스가 바람직하다. 어느 제품에 있어서도 치수정도, 중량정도나 외관정도의 품질우위를 유지하면서 적합한 성형기로서 소정의 사출성형조건을 조정하며 생산성과의 바란스관리에 의하여 성형작업을 진행한다.
INVESTMENT주조품으로서의 적용예는 더욱 증가하는 추세에 있으며 특히, OA기기나 자동차엔진부품, 의료관련부품 등 신규 수요분야의 확대가 현저하다. 그 적용분야별 일례를 표 14에 나타냈다. 이하 다음공정에 관해서는 계속해서 보도한다.