마이크로 분말사출성형을 위한 바이모달 마이크로-나노 분말 피드스톡의 최적설계에 관한 연구

Abstract

Micro powder injection molding (μ-PIM) is one of the key technologies to satisfy the increasing demands for microcomponents associated to miniaturization and functionalization in different application fields. This thesis presents an in-depth study on the optimal design of a bimodal micro-nano powder feedstock based on both iron (Fe) and 316L stainless steel (STS 316L) powders for μ-PIM. In particular, the effects of nano powder addition on a series of the injection molding process of bimodal micro-nano powder feedstock are examined. First, the effect of nano powder addition on the mixing properties of bimodal micro-nano powder mixtures and wax-based binder components were investigated. It was found that the technical feasibility of increasing the powder content in a bimodal micro-nano powder feedstock by nano powder addition was obtained using torque rheometry and microstructure observation. In the case of bimodal Fe micro-nano powder feedstock, a maximum powder loading of 70 vol.% in the feedstock was achieved at the nano powder composition of 25%. The optimal powder volume loading with bimodal STS 316L micro-nano powder is determined at 66 vol.% based upon the rheological and thermal properties. After optimization of the feedstock, low temperature injection molding was successfully conducted at 70 oC and 4 MPa. The molded part showed uniform microstructure, and especially, the nano powders fitted into the interstitial spaces between the micro powders for the Fe and STS 316L systems, respectively. Subsequently, the effects of nano powder addition on the microstructure and related properties during heat-treatment of injection molded bimodal micro-nano powder sample was studied. The debound part maintained uniform structure owing to network formation between the micro powders by enhanced nano powder sintering effect at low temperature. During the sintering process, the presence of the nano powders not only increases material transport paths for rapid densification but also suppresses the grain growth. Consequently, the sintered parts of bimodal micro-nano powder mixtures exhibited higher sintered density, lower shrinkage, and finer microstructure than the corresponding monomodal micro powder mixtures.|최근 부품산업은 전기, 전자산업의 발달에 따라 소형화, 복잡화되어가고 있으며, 마이크로 부품의 발전은 현대 산업의 다양화를 촉진하고 있다. 따라서 미소 부품 제조기술에 대한 중요성이 증가되고 있으며, 대량 생산에 적합한 전통의 부품제조기술을 마이크로 부품 제조에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 마이크로 분말사출성형 (Micro Powder Injection Molding, μ-PIM)은 원재료 선택에 대한 제약이 없고, 복잡형상 부품의 대량 생산에 적합한 기술로서 주목받고 있지만, 마이크로 부품 제조를 위해서는 원료 분말, 바인더, 그리고 장비와 공정에 이르는 부분까지 새로운 기술적 접근을 필요로 한다. 따라서 본 연구에서는 마이크로 분말사출성형을 위한 바이모달 마이크로-나노분말 피드스톡의 최적설계에 관한 연구를 수행하였다. 특히, μ-PIM의 각 공정에서 (피드스톡 혼합, 사출성형, 탈지, 및 소결공정) 나노분말의 역할에 대해 고찰하였다. 먼저, 피드스톡 혼합 시, 나노분말의 첨가는 피드스톡 내 분말함량을 크게 높여주는 역할을 하는 것으로 확인되었다. 나노분말 응집체는 피드스톡 혼합 시, "roller bearing" 효과를 통해 고상 바인더로서 작용하며, 피드스톡의 재배열과 높은 충진율을 야기한다. 이러한 효과는 마이크로 분말과 나노분말의 혼합비율이 75 : 25인 조건에서 가장 크게 나타나며, 이때, 피드스톡 내 분말의 함량은 최대 70 vol.%까지 증가되는 것으로 확인되었다. 또한 피드스톡 내 최적 분말함량을 결정하기 위해, 피드스톡의 유변학적 및 열분해 거동을 분석하였으며, 바이모달 마이크로-나노 혼합분말의 경우 66 vol.% 분말함량의 피드스톡이 가장 우수한 특성을 나타내었다. 상기 제조한 피드스톡은 70 oC, 4 MPa 이하의 조건에서 사출성형공정을 수행하였다. 사출성형체는 분말과 바인더의 분포가 균일한 미세구조를 나타내었으며, 특히 나노분말은 마이크로 분말 사이 공간에 균일하게 자리하고 있는 구조를 보였다. 이러한 바이모달 구조는 탈지 및 소결공정에서 시편의 치밀도를 향상시키는 역할을 한다. 탈지공정 직 후, 나노분말의 저온 소결효과는 탈지시편의 성형강도를 효과적으로 개선하였다. 이 후, 소결공정에서 나노분말은 시편 내 계면의 수를 증가시켜, 소결 치밀화를 촉진 시켰다. 또한 마이크로 분말 사이에 위치한 나노분말은 마이크로 분말 결정립 계면의 이동을 효과적으로 방해하여, 소결 시 시편의 결정립 성장을 억제하는 역할을 하였다. 결과적으로, 본 연구를 통해 바이모달 마이크로-나노 분말 피드스톡의 최적설계가 가능하였고, 마이크로 분말사출성형 공정에 성공적으로 적용할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 제안한 바이모달 마이크로-나노 분말 개념은 다양한 재료 시스템 및 net-shaping 응용분야에 적용이 가능할 것으로 판단된다.; Micro powder injection molding (μ-PIM) is one of the key technologies to satisfy the increasing demands for microcomponents associated to miniaturization and functionalization in different application fields. This thesis presents an in-depth study on the optimal design of a bimodal micro-nano powder feedstock based on both iron (Fe) and 316L stainless steel (STS 316L) powders for μ-PIM. In particular, the effects of nano powder addition on a series of the injection molding process of bimodal micro-nano powder feedstock are examined. First, the effect of nano powder addition on the mixing properties of bimodal micro-nano powder mixtures and wax-based binder components were investigated. It was found that the technical feasibility of increasing the powder content in a bimodal micro-nano powder feedstock by nano powder addition was obtained using torque rheometry and microstructure observation. In the case of bimodal Fe micro-nano powder feedstock, a maximum powder loading of 70 vol.% in the feedstock was achieved at the nano powder composition of 25%. The optimal powder volume loading with bimodal STS 316L micro-nano powder is determined at 66 vol.% based upon the rheological and thermal properties. After optimization of the feedstock, low temperature injection molding was successfully conducted at 70 oC and 4 MPa. The molded part showed uniform microstructure, and especially, the nano powders fitted into the interstitial spaces between the micro powders for the Fe and STS 316L systems, respectively. Subsequently, the effects of nano powder addition on the microstructure and related properties during heat-treatment of injection molded bimodal micro-nano powder sample was studied. The debound part maintained uniform structure owing to network formation between the micro powders by enhanced nano powder sintering effect at low temperature. During the sintering process, the presence of the nano powders not only increases material transport paths for rapid densification but also suppresses the grain growth. Consequently, the sintered parts of bimodal micro-nano powder mixtures exhibited higher sintered density, lower shrinkage, and finer microstructure than the corresponding monomodal micro powder mixtures.