CIP(Cold Isostatic Pressing)의 원리
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Blaise Pascal의 압력 개념을 바탕으로 CIP의 원리 이해
CIP(Cold Isostatic Pressing)는 파스칼의 법칙으로 알려진 블레즈 파스칼(Blaise Pascal)이 제안한 원리에 기초한 재료 가공 방법입니다. 이 원리에 따르면 밀폐된 유체에 가해지는 압력은 크기의 변화 없이 유체 전체에 걸쳐 모든 방향으로 전달됩니다.
CIP에서는 분말을 변형 저항이 낮은 엘라스토머 몰드에 넣어 압축합니다. 그런 다음 금형에 균일한 액체 압력이 가해져 분말이 압축됩니다. 그 결과 매우 치밀한 고체가 형성됩니다.
CIP는 플라스틱, 흑연, 분말 야금, 세라믹 및 스퍼터링 타겟을 포함한 다양한 재료를 처리하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 분말을 다양한 크기와 모양의 구성 요소로 성형하고 압축하는 다목적 방법입니다.
분체재료를 성형금형에 밀봉하고 액압을 가하는 공정
CIP 공정에서는 고무주머니와 같이 변형 저항이 낮은 성형 금형에 분말 재료를 밀봉합니다. 그런 다음 액체 압력을 금형에 균일하게 적용하여 분말을 압축합니다. 이 액체 압력은 금형 전체에 전달되어 성형체가 전체 표면에 걸쳐 균일하게 압축됩니다.
CIP는 실온에서 수행되며 우레탄, 고무 또는 폴리염화비닐과 같은 탄성중합체 재료로 만든 금형을 사용합니다. CIP에 사용되는 유체는 일반적으로 오일 또는 물이며, 작동 중에 적용되는 압력의 범위는 일반적으로 60,000lbs/in2(400MPa)에서 150,000lbs/in2(1000MPa)입니다.
CIP의 장점은 왜곡을 줄이고 정확도를 높이며 공기 포획 및 공극의 위험을 최소화하는 데 도움이 된다는 것입니다. 의료, 항공우주, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 부품 생산에 널리 사용됩니다.
금형 프레싱은 CIP와 유사한 방법입니다. 이 공정에서는 금형과 하부펀치에 의해 제한된 공간에 분체재료가 채워지게 됩니다. 그런 다음 상부 펀치와 하부 펀치 사이의 거리를 좁혀서 압축됩니다.
전반적으로 CIP는 분말 재료를 고체 구성 요소로 성형 및 압축하여 높은 수준의 정확성을 제공하고 결함 위험을 줄이는 효과적인 방법입니다.
CIP와 금형프레싱의 비교
금속 금형 프레싱 소개
금형 프레싱은 CIP(Cold Isostatic Pressing)와 유사한 재료 가공 방법입니다. 이 압착방식은 금형과 하부펀치로 둘러싸인 공간에 분체재료를 채우는 방식입니다. 그런 다음 상부 펀치와 하부 펀치 사이의 거리를 좁혀서 압축됩니다.
산업용 금속 금형 프레싱 장비의 자동화된 공정
산업 환경에서 사용되는 금형 프레싱 장비는 일련의 자동화된 공정으로 구성됩니다. 이러한 공정에는 분말 충전, 압축 및 성형체 제거가 포함됩니다. 일반적으로 사용되는 방법인 단동압착은 하부 펀치를 고정한 상태에서 분말을 압축하여 형태를 만드는 방식입니다.
CIP와 Metal Mold Pressing의 가압 공정 차이
CIP와 금형 프레싱의 주요 차이점은 그들이 활용하는 가압 공정에 있습니다. CIP는 액체 압력을 사용하여 재료에 등방압을 적용하는 반면, 금형 프레싱은 단축 압력만 적용합니다. 이러한 차이로 인해 밀도 분포가 다른 제품이 생산됩니다.
CIP와 Metal Mold Pressing으로 성형한 제품의 밀도분포 비교
CIP는 금형과의 마찰이 없어 균일한 밀도와 균질성을 지닌 제품을 생산합니다. 반면, 금형 프레싱은 밀도 분포에 변화를 가져올 수 있습니다. 금형 프레싱에 의해 제조된 성형체의 하부는 상부에 비해 밀도가 낮은 경향이 있다. 이는 분말과 금형 또는 펀치 사이, 분말 입자 사이의 마찰로 인해 발생합니다.
요약하면 CIP와 금형 프레싱은 모두 다양한 산업에서 사용되는 재료 가공 방법입니다. 분말 재료의 사용, 압축 등의 유사점을 공유하지만 가압 과정과 성형품의 밀도 분포가 다릅니다. CIP는 균일한 밀도와 균질성을 제공하는 반면, 금형 프레싱으로 인해 밀도가 달라질 수 있습니다.
CIP 처리 유형
CIP 성형 방법은 두 가지 유형으로 분류됩니다. 분말을 충전하는 성형 금형과 압력을 전달하는 압력 매체 사이의 관계에 따라 습식 백 공정과 건식 백 공정이 있습니다.
웨트백 공정
Wet Bag 공정에서는 아래 그림과 같이 분말을 성형 금형에 채우고 고압 용기 외부에 기밀 밀봉한 후 압력 매체에 직접 담그는 방식입니다. 그런 다음 금형의 외부 표면에 등압을 가하여 분말을 모양으로 압축합니다. 이 방법은 복잡한 형상이나 대규모 제품을 위한 다양한 종류의 소량 생산 및 시험 생산 연구에 적합합니다.
제한사항:
- 사이클 시간: 웨트백의 경우 5~30분
- 차갑다(상온)
- 균일한 그린 밀도
- 단축 프레싱보다 느림
- 왁스가 없고 복잡한 모양
- 부품에 후가공이 필요할 수 있음
드라이백 공정
자동화된 건조 백 공정에서는 한 번에 한 부분씩 분말이 성형 금형에 채워지고 고압 용기 내부에 기밀하게 밀봉됩니다. 그런 다음 압력 용기에 압력 매체를 주입하고 금형의 외부 표면에 등압을 가하여 분말을 모양으로 압축합니다. 이 방법은 비용 효율적인 방식으로 다양한 모양의 부품을 생산하는 데 적합합니다.
제한사항:
- 사이클 시간: 3-5분
- 따뜻함(100°C)
- 소결 후 제거
- 뜨겁다 (2200°C)
- 기계적, 물리적 특성을 향상시킵니다.
- 사이클 시간은 느릴 수 있습니다: 10-15시간
- 거의 그물 모양
- 전체 밀도
웨트백 CIP
수년에 걸쳐 두 가지 유형의 CIP 방법, 즉 습식 백(wet-bag)과 건식 백(dry-bag)이 발전했습니다. 소위 웨트백(wet-bag) 방식은 혼합 형태를 생산하는 데 사용됩니다. 현재 전 세계적으로 직경 50~2000mm 크기의 웨트백 프레스가 3000대 이상 사용되는 것으로 추산됩니다.
CIP 프로세스의 응용
거의 그물 모양의 처리 기술인 CIP는 일반적으로 다음 응용 프로그램에 사용됩니다.
- 재료가 상대적으로 비싸서 거의 순형 공정을 사용하여 폐기물(예: 가공 부스러기 형태)을 최소화하는 응용 분야는 상당한 경제적, 환경적 이점을 제공할 수 있습니다.
- 재료를 기계로 가공하기 어렵고 분말 가공을 통해 부품을 성형하는 것이 더 실용적인 응용 분야입니다.
- 부품의 기하학적 복잡성으로 인해 고가의 툴링이 필요한 응용 분야(예: HIP의 희생 캐니스터). CIP는 복잡한 모양을 생산할 수 있는 상대적으로 저렴한 재사용 가능(또는 잠재적으로 일회용) 유연한 도구를 활용합니다.
- 특정 기계적 성능을 달성하기 위해 미세 구조의 균일성과 균질성이 필요한 응용 분야. 분말을 등방적으로 가공하는 것은 단축 압착이나 주조와 같은 다른 공정에 비해 상대적인 이점을 제공합니다.
- 다중 재료 또는 등급 구조가 필요한 응용 분야. 일부 응용 분야에서는 기존 접합 기술이 적합하지 않으므로 CIP는 솔리드 스테이트 접합 프로세스를 제공합니다.
CIP 공정은 수년 전에 개발되었지만 금속의 상업적 응용은 상대적으로 제한적이었습니다. 기존 응용 분야에서는 파이프, 수압 피팅, 벽이 얇은 용기 라이너와 같이 종횡비가 높은 관형 또는 솔리드 부품과 같은 프리폼과 상대적으로 단순한 형상에 중점을 두었습니다. 최근 CIP는 고부가가치 부문 전반에 걸쳐 상대적으로 발전된 응용 분야로 고려되었습니다. 예를 들어, 자동차 응용 분야에는 커넥팅 로드용 단조 프리폼과 차량 캠 페이저 시스템의 알루미늄 부품이 포함됩니다. 항공우주 응용 분야에는 재생 냉각 추력 챔버가 포함됩니다. 발전 응용 분야에는 핵분열로 부품, 원자로의 구조 부품, 미래 핵 시스템의 연료 클래딩 또는 구조 재료에 사용되는 산화물 분산 강화 페라이트 합금이 포함됩니다. 국방 응용 분야에는 미사일 탄두 케이스가 포함됩니다. CIP+HIP는 Stinger 미사일 탄두 케이스(최대 생산량)를 만들기 위해 구현되었습니다.
시장 세분화
제품 유형을 기준으로 냉간 정수압 프레싱(CIP) 장비 시장은 다음과 같이 나뉩니다.
- 젖은 가방 누르기
습식 백 공정에서는 분말 재료를 플렉스 몰드 백에 넣고 압력 용기의 고압 액체에 담급니다. 그런 다음 금형의 외부 표면에 등압을 가하여 분말을 모양으로 압축합니다. 이 공정은 다형, 소량부터 대량 생산, 대형 제품의 프레싱에 이상적입니다.
CIP와 HIP 공정 모두 CIP의 세라믹 분말이 포함된 폴리머 쉘과 HIP의 고급 분말 야금 합금이 포함된 용접 연강판 재료 케이스 등 다중 재료 구조를 사용합니다. 따라서 두 방법 모두 다중 재료 적층 제조를 통해 구조물을 단일 단계로 전처리할 수 있는 기회를 제공합니다. 이 접근 방식은 소규모 시리즈나 프로토타입을 생산하는 데 특히 유용할 수 있으며, 더 적은 처리 단계와 시간으로 부품 복잡성을 증가시켜 제조 비용을 줄일 수도 있습니다.
Wet Bag 공정의 세부사항
Wet Bag 공정에 대한 설명
Wet Bag 기술은 분말을 금형에 채우고 밀봉하여 성형하는 방식입니다. 그런 다음 금형을 압력 용기 내의 압력 유체에 담급니다. 금형의 외부 표면에 등방압이 가해져 분말이 고체 덩어리로 압축됩니다. 이 공정은 다형 및 소량부터 대량 생산에 적합합니다.
습식백 공정은 건식백 공정만큼 일반적이지는 않지만 여전히 널리 사용되고 있습니다. 현재 전 세계적으로 직경 50mm에서 2000mm에 이르는 3000개 이상의 습식 백 프레스가 사용되고 있습니다. 대용량 펌프와 향상된 로딩 메커니즘은 일반적으로 완료하는 데 5~30분이 소요되는 프로세스 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
다양한 유형의 생산에 대한 Wet Bag Process의 적합성
Wet Bag 공정은 다양한 유형의 생산, 특히 복잡한 형상이나 대규모 제품 및 시험 생산 연구에 적합합니다. 이는 다른 방법으로는 달성하기 어려울 수 있는 복잡한 형상의 제품 생산을 가능하게 합니다. 이 공정은 소량생산에도 적합하며 대량생산에도 활용이 가능하다.
Wet Bag Process의 구조형태 : 외부 가압식과 피스톤 직접 가압식
Wet Bag 공정에는 외부 가압형과 피스톤 직접 가압형의 두 가지 구조적 유형이 있습니다.
외부 가압 방식은 외부에서 압력 용기 안으로 압력 매체를 가압하는 방식입니다. 압력 매체는 금형 외부에서 적용되어 분말을 내부에서 압축합니다.
반면, 피스톤 직접 가압식은 상부 폐쇄 장치 대신 피스톤을 설치하여 고압 용기 내부에 밀봉된 압력 매체를 직접 가압하는 방식입니다. 이러한 유형의 웨트백 공정은 외부 가압이 필요하지 않아 더욱 효율적입니다.
전반적으로 Wet Bag 공정은 분말 성형을 위한 독특한 방법을 제공하며 다양한 유형의 생산에 적합합니다. 복잡한 형상의 제품 생산이 가능하며 소량생산과 대량생산 모두 가능합니다. Wet Bag 공정의 두 가지 구조적 유형은 성형 공정에 유연성과 효율성을 제공합니다.
Dry Bag 공정의 세부사항
Dry Bag 공정 설명
Dry Bag 공법은 고압용기내의 가압고무주형을 통해 압력을 전달하여 성형고무주형에 충전된 분말을 성형하는 공법입니다. 이 방법은 노동력을 절약할 수 있는 자동 운전으로 단순하고 한정된 다양한 제품의 대량 생산에 적합합니다.
Dry Bag Process의 대량생산 적합성
드라이백 프레싱은 유연한 멤브레인이 압력 용기에 만들어지고 모든 프레싱 사이클 동안 활용된다는 점에서 웨트백과 다릅니다. 이 멤브레인은 "드라이 백"이 되는 금형에서 압력 유체를 분리합니다. 이 공정은 플렉스 몰드가 젖은 파우더로 오염되지 않기 때문에 훨씬 더 깨끗합니다. 더욱이, 용기를 덜 청소해야 합니다. 이 방법은 주기가 빠르며 분말 제품의 자동화된 대량 생산에 매우 이상적입니다.
Dry Bag 공정 시스템 분류: 원주 + 축 가압 시스템 및 원주 가압 시스템
Dry Bag 공정은 원주 + 축 가압 시스템과 원주 가압 시스템의 두 가지 시스템으로 분류됩니다. 원주+축 가압 시스템은 압력 매체를 외부에서 압력 용기 안으로 가압하는 방식이고, 원주 가압 시스템은 상단 폐쇄 대신 피스톤을 설치하여 고압 용기 내부에 밀봉된 압력 매체를 직접 가압하는 방식입니다.
Dry Bag 기술은 재료의 대량 생산에 이상적입니다. 이 과정은 일반적으로 1분 정도 소요되므로 웨트백 기술보다 훨씬 빠릅니다.
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