Micro MIM(Micro Metal Injection Molding) 기술은 금속 분말과 바인더를 혼합하고 금형을 통해 초소형 부품을 사출하는 첨단 공정입니다. 이 기술은 사출 성형의 높은 정밀도와 분말 야금의 다양한 소재를 결합하여 복잡하고 작으며 고정밀인 금속 부품을 생산하며, 일반적으로 크기는 수 밀리미터 또는 몇 마이크로미터에 이릅니다. Micro MIM 기술은 정밀 제조 분야에서 중요한 역할을 하며, 특히 고정밀 초소형 부품 생산에 적합하여 경량화와 소형화에 대한 현대 기술의 요구를 충족합니다.

Micro MIM 기술은 의료, 전자 및 자동차와 같은 분야에서 널리 필요합니다. 의료 분야에서는 초소형 수술 도구와 임플란트를 생산하는 데 사용할 수 있으며, 전자 산업에서는 초소형 커넥터와 휴대전화 부품을 제조하는 데 사용할 수 있고, 자동차 분야에서는 고정밀 센서와 엔진 부품을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 복잡한 형상과 높은 정밀도를 지원하기 때문에 Micro MIM은 정밀 제조에서 없어서는 안 될 공정 기술이 되었습니다.

I. Micro MIM 기술 소개

Micro MIM(Micro Metal Injection Molding) 기술은 초소형의 복잡한 금속 부품을 생산하기 위해 특별히 사용되는 정밀 가공 기술입니다. 기본 원리는 금속 분말과 바인더를 혼합하여 사출 재료를 만든 다음 금형에 주입하는 것입니다. 고정밀·복잡한 형상의 초소형 부품을 제조할 수 있기 때문에 Micro MIM 기술은 의료 기기, 전자 부품 및 자동차 부품에 널리 사용됩니다.

II. 정의 및 원리

Micro MIM 기술, 즉 초소형 금속 사출 성형은 금속 분말과 유기 바인더를 혼합하여 "공급 재료"를 형성한 다음, 사출 성형, 탈지, 소결 등의 단계를 거쳐 고정밀 초소형 금속 부품을 생산하는 제조 공정입니다. 주요 작동 원리는 다음과 같습니다.

분말 준비: 적합한 금속 분말을 선택하고 바인더와 균일하게 혼합하여 사출에 적합한 공급 재료를 형성합니다.
사출 성형: 공급 재료를 금형에 주입하고 고온·고압에서 부품의 초기 구조를 성형합니다.
탈지: 가열 또는 화학적 방법으로 부품 내부의 바인더를 제거하여 소결에 적합하게 만듭니다.
소결: 탈지된 부품을 금속 분말의 소결 온도까지 가열하여 분말 입자의 융합을 촉진하고, 최종적으로 고강도·고밀도의 초소형 금속 부품을 형성합니다.

Micro MIM 기술은 분말 야금과 사출 성형 공정의 장점을 효과적으로 결합하여 기존 제조 공정으로 가공하기 어려운 작고 복잡한 금속 부품을 생산할 수 있습니다.

III. 소재 선정

Micro MIM 기술에 사용되는 소재는 주로 높은 강도와 높은 정밀도가 요구되는 금속 분말입니다. 일반적으로 사용되는 금속 소재에는 스테인리스강, 티타늄 합금, 구리 합금, 텅스텐 합금, 니켈 합금 및 코발트-크롬 합금이 있습니다. 다음은 각 금속 소재와 그 장단점에 대한 자세한 설명입니다:

스테인리스강

스테인리스강은 크롬을 함유한 철 기반 합금으로, 우수한 내식성과 높은 강도로 알려져 있습니다. 의료 기기, 식품 가공 장비 및 건축 부품과 같이 내식성과 강도가 필요한 분야에 자주 사용됩니다. Micro MIM에 사용되는 일반적인 종류로는 304, 316 및 기타 스테인리스강이 있습니다.

장점:

내식성: 스테인리스강에는 크롬이 함유되어 있어 내식성이 우수하며, 습하거나 부식성이 높은 환경에 적합합니다.
높은 기계적 강도: 스테인리스강은 강도가 높아 큰 기계적 응력을 받는 소형 부품에 적합합니다.
상대적으로 낮은 비용: 다른 소재에 비해 스테인리스강은 비용이 낮아 대량 생산에 적합합니다.
우수한 가공성: 기존 분말 야금 공정에 적합하며 사출 성형이 용이합니다.

단점:

높은 밀도: 스테인리스강은 밀도가 높아 경량화가 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있습니다.
높은 소결 온도: 스테인리스강의 소결 온도는 높으며, 일반적으로 1200°C를 초과하여 공정의 에너지 소비와 비용을 증가시킵니다.

티타늄 합금

티타늄 합금은 매우 높은 비강도(강도/중량비)와 우수한 내식성을 갖추고 있어 항공우주, 의료 기기 및 화학 산업에서 널리 사용됩니다. Micro MIM에 사용되는 일반적인 티타늄 합금에는 Ti6Al4V가 있습니다.

장점:

생체 적합성: 티타늄 합금은 인체에서 거부 반응을 일으키지 않아 의료용 임플란트 제조에 이상적인 소재입니다.
높은 강도 대 중량비: 티타늄 합금은 강도가 높고 무게가 가벼워 항공우주 및 소형화 장비에 매우 적합합니다.
우수한 내식성: 티타늄 합금은 해수와 화학적 부식에 대한 내성이 우수합니다.

단점:

높은 가공 비용: 티타늄 합금은 원자재 및 가공 비용이 높습니다.
높은 소결 공정 요구 사항: 티타늄 합금은 소결 온도가 높아 특정 소결 장비와 정밀한 온도 제어가 필요합니다.
저온 취성: 일부 티타늄 합금은 저온에서 취성화되어 극저온 환경에서의 사용이 제한됩니다.

구리 합금

구리 합금은 우수한 전기 전도성과 열전도성으로 알려져 있으며, 전자 산업과 통신 장비에 자주 사용됩니다. Micro MIM에 사용되는 구리 합금에는 황동, 청동 등이 있습니다.

장점:

뛰어난 전기전도성: 구리 합금은 전기전도성이 뛰어난 소재로 커넥터 및 접속 부품과 같은 전자 부품에 널리 사용됩니다.
우수한 열전도성: 구리 합금은 열전도성이 뛰어나 전자 장비의 열 방출에 도움이 됩니다.
상대적으로 낮은 소결 온도: 구리 합금의 소결 온도는 비교적 낮으며, 일반적으로 1000°C 미만이므로 공정의 에너지 소비와 장비 요구 사항을 줄일 수 있습니다.

단점:

내식성이 낮음: 구리 합금은 습하거나 산성인 환경에서 부식되기 쉬워 사용 수명이 제한될 수 있습니다.
낮은 기계적 강도: 스테인리스강 및 티타늄 합금과 비교하면 구리 합금은 강도가 낮아 큰 기계적 응력을 견디기 어렵습니다.
높은 밀도: 구리 합금은 밀도가 높아 높은 경량성이 요구되는 용도에는 적합하지 않을 수 있습니다.

텅스텐 합금

텅스텐 합금은 밀도가 높고 녹는점이 높으며 내마모성이 뛰어나 고온 환경과 높은 경도가 필요한 용도에 자주 사용됩니다. 텅스텐 기반 합금은 주로 항공우주, 군수 산업 및 기타 분야에 사용됩니다.

장점:

높은 밀도와 경도: 텅스텐 합금은 밀도가 매우 높고 내마모성이 뛰어나 높은 경도와 강도가 필요한 부품에 적합합니다.
내열성: 텅스텐 합금의 녹는점은 3000°C를 초과하여 용사 및 고온 부품과 같은 고온 용도에 적합합니다.
우수한 방사선 차폐성: 텅스텐은 밀도가 높아 방사선 차폐 효과가 뛰어나며 원자력 산업 및 의료 영상 장비에 적합합니다.

단점:

높은 비용: 텅스텐 원료는 희소하고 비싸 대규모 저비용 생산에는 적합하지 않습니다.
높은 소결 난이도: 텅스텐 합금의 소결 온도는 매우 높아 특수 장비와 높은 에너지 소비가 필요합니다.
높은 취성: 텅스텐 합금은 연성이 낮아 큰 응력을 받으면 취성 파괴가 발생할 수 있습니다.

니켈 합금

니켈 합금은 내식성과 내열성이 뛰어나 화학 처리 장비, 터빈 엔진 부품 및 고온 환경용 부품에 널리 사용됩니다. 일반적인 니켈 기반 합금으로는 인코넬, 하스텔로이 등이 있습니다.

장점:

우수한 내식성: 니켈 합금은 다양한 산성 및 알칼리성 부식 환경에 견딜 수 있습니다.
우수한 고온 강도 유지력: 니켈 합금은 고온 환경에서도 강도를 유지할 수 있어 고온 부품에 적합합니다.
강한 내산화성: 니켈 합금은 고온에서도 산화에 효과적으로 저항할 수 있습니다.

단점:

가공이 어려움: 니켈 합금은 경도와 밀도가 높아 가공 및 소결 공정이 복잡하고 시간이 많이 걸립니다.
높은 비용: 니켈 합금의 높은 가격으로 인해 일부 저비용 응용 분야에서의 사용이 제한됨.
높은 밀도: 니켈 합금은 밀도가 높아 중량에 민감한 응용 분야에는 적합하지 않음.

코발트크롬 합금

코발트크롬 합금은 높은 경도와 내마모성, 뛰어난 생체 적합성을 갖추고 있어 인공 관절, 치과용 합금 등 의료용 임플란트에 자주 사용됨. 또한 뛰어난 내식성으로 인해 해양 및 화학 분야에서도 널리 사용됨.

장점:

뛰어난 생체 적합성: 코발트크롬 합금은 인체 조직과의 적합성이 우수하여 관절 및 치아와 같은 의료용 임플란트 제조에 선호되는 소재임.
높은 경도와 내마모성: 코발트크롬 합금은 경도가 높고 쉽게 마모되지 않아 마찰이 큰 응용 분야에 적합함.
뛰어난 내식성: 산성 및 알칼리성 환경에서 우수한 내식성을 나타내며 체내 또는 열악한 환경에서 장기간 사용하기에 적합함.

단점:

높은 가공 비용: 코발트크롬 합금은 경도가 높고 가공이 어려우며 장비 요구 사항이 더 엄격함.
낮은 탄성: 코발트크롬 합금은 티타늄 합금만큼 탄성이 높지 않아 일정 수준의 인성과 탄성이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않음.
높은 비용: 코발트크롬 합금은 원자재 및 가공 비용이 높아 고부가가치 응용 분야에 적합함.

기타 마이크로 금속 분말 소재

브랜드	상 구조	자성	열처리	응용 분야
304L	오스테나이트	약자성	경화 효과 없음	내부 구조 및 외관, 렌즈 링 보호 커버/카드 홀더
316L/317L	오스테나이트	약자성	경화 효과 없음	내부 구조 및 외관, 렌즈 링 보호 커버/카드 홀더
904L	오스테나이트	약자성	경화 효과 없음	스마트워치 하이라이트 부품
P.A.N.A.C.E.A.	오스테나이트	비자성	비자성 내식성	회로 기판 브래킷 및 비자성 구조 부품, 렌즈 링 보호 커버
310N	오스테나이트	약자성	경화 효과 없음	750800°C에서 장기간 사용 가능한 내열성
420J2	마르텐사이트	강자성	수냉 경화	내마모 부품, 다양한 쿠션, 제품 샤프트, 노트북/폴더블 스크린 휴대전화
440C	마르텐사이트	강자성	수냉 경화	내마모 부품, 다양한 쿠션, 제품 샤프트, 노트북/폴더블 스크린 휴대전화
2507	듀플렉스	강자성	수냉 경화	스마트워치 하이라이트 부품
174PH	듀플렉스	강자성	석출 경화	다양한 구조 부품/커넥터 및 단자 포트

브랜드	상 구조	열처리	응용 분야
Fe	중자성	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품/인덕터 부품
(SAE1010)	고자기 유도	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품/인덕터 부품
Fe2Ni	중자성	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품
Fe4Ni	중자성	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품
Fe8Ni	중자성	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품
Fe50Ni	고투자율	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품
FeSi3	고투자율	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품
저합금	중자성	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품/인덕터 부품
((비철 원소 함량 낮음))	고자기 유도	탄소 함량에 따른 경화	다양한 방청 처리가 필요한 내부 구조 부품/인덕터 부품

브랜드	상 구조	열처리	응용 분야
Fe50Co	자기 전도성 없음	어닐링 연화로 인성이 향상됨	커넥터 및 단자 포트/EMC 차폐
ASTM F75	자기 전도성 없음	어닐링 연화로 인성이 향상됨	회로 기판 브래킷 및 비자성 구조 부품, 렌즈 링 보호 커버
Inconel 718	자기 전도성 없음	어닐링 연화로 인성이 향상됨	커넥터 및 단자 포트와 같은 내부 구조 부품
WNiFe	저자성	탈수소 처리를 통해 인성이 향상됩니다	다양한 평형추 및 진동판
Cu	비자성	탈수소 처리를 통해 인성이 향상됩니다	다양한 방열 및 EMC 차폐벽 커버 설계
WCu	비자성	탈수소 처리를 통해 인성이 향상됩니다	다양한 방열, 낮은 변형, 빠른 방열이 요구됨
Ti (TA1)	비자성	탈수소 처리를 통해 인성이 향상됩니다	특히 인체와 접촉하는 용도
Ti6Al4V (TC4)	비자성	탈수소 처리를 통해 인성이 향상됩니다	특히 인체와 접촉하는 용도
고강도 강철 THOR	비자성	석출 경화	축

각 금속 소재에는 고유한 장단점이 있습니다. 적절한 소재의 선택은 부품 품질을 보장하면서 제조 비용을 최적화할 수 있도록 구체적인 적용 요구 사항과 비용 예산을 기준으로 해야 합니다.

IV. 성형 공정

Micro MIM 기술 또는 초소형 금속 사출 성형은 작고 복잡한 금속 부품을 제조하기 위해 특별히 설계된 고정밀 제조 공정입니다. 분말 야금과 사출 성형 기술의 장점을 결합하여 금속 분말을 바인더와 혼합하고 사출 성형을 통해 복잡한 소형 금속 부품을 생산합니다. 다음은 Micro MIM 기술의 상세한 작동 원리와 주요 단계입니다.

금속 분말과 바인더 혼합

Micro MIM 기술의 첫 단계는 금속 분말을 유기 바인더와 혼합하여 "피드스톡"이라고 하는 플라스틱 혼합물을 형성하는 것입니다. 일반적으로 사용되는 금속 분말에는 스테인리스강, 티타늄 합금, 구리 합금 등이 있으며, 바인더는 보통 열가소성 폴리머, 왁스, 오일 등의 소재로 구성됩니다.

금속 분말: 입자 크기는 1~10마이크로미터로, 정밀 가공에 적합하도록 합니다.
바인더: 금속 분말이 사출 성형 금형을 통과하고 성형 과정에서 형태를 유지할 수 있도록 지지하는 역할을 합니다.

혼합 공정: 금속 분말과 바인더를 일정한 비율로 혼합하고, 고전단 혼합 장비를 사용하여 금속 분말을 바인더에 균일하게 분산시켜 균질한 혼합물을 형성합니다. 이 혼합물은 가열하면 유동성을 가지며 냉각 후 성형할 수 있습니다.

사출 성형

사출 성형은 Micro MIM의 핵심 단계 중 하나입니다. 이 공정에서는 혼합물을 일정 온도까지 가열하여 바인더를 연화시키고 유동성을 확보합니다. 그런 다음 가열된 혼합물을 사출기를 통해 정밀 금형에 주입하여 부품의 대략적인 형상을 형성합니다.

금형 설계: 요구되는 형상과 세부 사항을 얻으려면 금형이 정밀해야 합니다. 정확도와 내구성을 보장하기 위해 일반적으로 경도가 높은 소재로 제작됩니다.

사출 온도 및 압력: 혼합물이 금형 캐비티를 원활하게 채우도록 하려면 일반적으로 더 높은 온도와 압력으로 사출해야 합니다.

냉각 및 성형: 혼합물을 금형에 주입한 후 즉시 냉각하여 응고시킵니다. 응고된 부품을 "성형체"라고 하며, 여기에는 다량의 바인더가 포함되어 있고 금속 분말의 형태를 유지합니다.

탈지

탈지란 고밀도의 순금속 부품을 얻기 위해 성형체에서 바인더를 제거하는 것을 의미합니다. 탈지 공정은 일반적으로 예비 탈지와 본 탈지의 두 단계로 나뉩니다.

예비 탈지: 먼저 용매 탈지 또는 열 탈지를 사용하여 그린 성형체 내 바인더의 약 60-80%를 제거합니다. 부품 구조의 손상을 방지하기 위해 더 낮은 온도에서 수행됩니다.
본 탈지: 고온 또는 촉매 탈지 기술을 사용하여 남아 있는 바인더를 완전히 제거합니다. 이때 부품은 "갈색 성형체"가 되며, 구조적으로 금속 분말 입자의 결합은 여전히 유지되지만 바인더는 제거된 상태입니다.

탈지 공정 중, 특히 예비 탈지 단계에서는 그린 성형체의 변형이나 균열을 방지하는 것이 매우 중요합니다. 온도와 시간을 제어하면 형상을 유지하면서 부품이 균일하게 탈지되도록 할 수 있습니다.

소결

소결은 마이크로 MIM 기술의 마지막 단계로, 고온 처리를 통해 갈색 성형체의 금속 분말 입자를 치밀한 금속 구조로 결합하는 공정입니다. 이 과정에서 갈색 성형체의 분말 입자가 고온에서 확산되고 서로 결합하여 높은 강도와 밀도를 가진 부품을 형성합니다.

소결 온도: 금속 재료에 따라 소결 온도는 일반적으로 1100°C에서 1400° 사이입니다.
소결 분위기: 산화 또는 기타 반응을 방지하기 위해 소결은 일반적으로 진공 환경이나 불활성 가스(예: 질소 또는 수소) 보호하에서 수행됩니다.
체적 수축: 소결 공정 중 부품은 일반적으로 15-20% 정도 수축합니다. 이러한 수축으로 밀도와 강도가 향상될 수 있습니다.
최종 성형: 소결 후 부품의 밀도와 기계적 특성이 크게 향상되어 설계에 필요한 정밀도와 품질을 달성합니다.

후처리(선택 사항)

적용 요구 사항에 따라 소결된 부품에는 다음과 같은 추가 후처리 단계가 필요할 수 있습니다.

열처리: 경도와 기계적 특성을 향상하기 위한 담금질 또는 뜨임 등이 있습니다.
표면 처리: 표면 품질이나 내식성을 향상하기 위한 도금, 연마 또는 산화 처리 등이 있습니다.
기계 가공: 특수한 경우 정확한 치수를 얻기 위해 소규모 기계 가공 조정이 필요할 수 있습니다.

V. 마이크로 금속 사출 성형의 장점

높은 정밀도:

MIM의 일반 공차는 ±0.5%로, 로스트 왁스의 ±1%보다 높습니다.

복잡한 형상 제조:

MIM 공정은 높은 자유도로 3차원 형상을 제작할 수 있습니다. 금속 판재 스탬핑과 같은 다른 금속 성형 공정과 비교하면 MIM은 매우 복잡한 기하학적 형상의 부품을 성형할 수 있습니다. 여기에는 기존 가공 방법으로 제조하기 어려운 얇은 벽 구조와 내부 채널 등의 부품도 포함됩니다. 다시 말해 MIM은 플라스틱 사출 성형으로 제작할 수 있는 복잡한 부품 구조도 완성할 수 있습니다.

저비용 생산:

MIM은 사출 성형기를 사용하여 성형체를 제조하므로 생산 효율이 크게 향상되고 인력과 자원이 크게 절감되며 생산 비용이 낮아집니다. 동시에 사출 성형 제품은 종류가 다양하고 반복 생산성이 우수하여 대규모 산업 생산을 위한 기반을 제공합니다.

높은 재료 이용률:

사출 재료는 반복적으로 재사용할 수 있으며, 재료 이용률은 거의 100%입니다. 생산 폐기물이 사실상 발생하지 않으므로 금속 분말을 최대한 활용하고 재료 낭비를 줄일 수 있습니다.

균일한 미세 조직, 높은 밀도 및 우수한 부품 성능:

MIM은 유동 성형 공정입니다. 바인더가 존재하므로 분말이 균일하게 배열되어 성형체의 불균일한 미세 조직이 제거됩니다. 미세 조직이 균일하고, 주조 공정에서 나타나는 조대한 결정 구조와 성분 편석이 없으므로 소결 제품의 밀도는 재료의 이론 밀도에 도달할 수 있습니다. 일반적으로 MIM은 이론 밀도의 95%~99%에 도달할 수 있으며, 탄소 함량이 높은 액상 소결의 경우 상대 밀도가 거의 100%에 이를 수 있습니다. 높은 밀도는 MIM 부품의 강도를 높이고, 인성, 연성, 전기 전도도와 열전도도를 향상시키며, 자기 특성도 개선할 수 있습니다. 전통적인 분말 성형으로 압축된 부품의 밀도는 이론 밀도의 최대 85%에 불과합니다. 이는 주로 금형 벽과 분말 사이, 그리고 분말 입자 사이의 마찰로 인해 압축 압력이 고르지 않게 분포하기 때문이며, 그 결과 압축 성형체의 미세 조직이 불균일해집니다. 이로 인해 압축 성형된 분말 야금 부품은 소결 과정에서 불균일하게 수축하게 되므로, 이러한 영향을 줄이기 위해 소결 온도를 낮춰야 합니다. 그 결과 기공률이 높아지고 재료 밀도가 낮아지며 제품의 밀도도 낮아져 부품의 기계적 특성에 심각한 영향을 미칩니다.

높은 강도와 우수한 표면 품질:

주조 공정에 가까운 기계적 강도를 얻을 수 있으며, 기계적 특성이 정밀 주조 및 전통적인 분말 야금보다 월등히 우수합니다. 제품의 치수 정밀도와 표면 마감도 정밀 주조 제품보다 우수하여 후속 가공의 필요성을 줄일 수 있습니다. 표면 거칠기는 Rmax6~8μm(Ra1.5~2)에 이를 수 있습니다.

VI. 마이크로 금속 사출 성형 기술의 적용

1. 의료 기기

의료 기기는 일반적으로 우수한 사용성과 충분히 긴 사용 수명을 갖추어야 하며, 구조와 형상 설계가 유연해야 합니다. MIM 기술은 1980년대 초 의료 제품에 처음 적용되었으며, MIM 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야가 되었습니다.

현재 대부분의 의료용 MIM 제품은 스테인리스강 재료를 사용하며, 주요 등급은 316L과 17-4PH입니다. 또한 티타늄 합금, 마그네슘 합금, 금, 은, 탄탈럼 등도 사용됩니다.

1.1 교정 브래킷

MIM 기술은 의료 분야에서 일부 교정 장치를 생산하는 데 처음 사용되었습니다. 이러한 정밀 제품은 크기가 매우 작고 생체적합성과 내식성이 우수하며, 주로 사용되는 재료는 316L 스테인리스강입니다. 현재도 교정 브래킷은 MIM 산업의 주요 제품입니다.

한 회사는 MIM 기술을 사용하여 양방향 후크형 교정 브래킷을 생산하며, 이를 통해 기계적 유지력을 30% 높일 수 있습니다. MIM 일체 성형 및 연마를 사용하면 아치와이어에 대한 브래킷의 마찰을 크게 줄일 수 있습니다. 이 제품은 치열 교정 수술에 긍정적인 역할을 합니다.

1.2 수술 도구

수술 도구에는 높은 강도, 낮은 혈액 오염 및 강력한 소독 절차를 수행할 수 있는 능력이 요구됩니다. MIM 기술의 설계 유연성은 대부분의 수술 도구에 적용될 수 있습니다. 또한 공정상의 이점이 있어 다양한 금속 제품을 저렴한 비용으로 제조할 수 있습니다. 따라서 기존 생산 기술을 점차 대체하며 주요 제조 방식이 되고 있습니다.

1.3 무릎 임플란트 부품

MIM 기술은 인간 임플란트 분야에서 더디게 발전해 왔는데, 주된 이유는 제품의 인증 및 승인을 위해 장기간이 필요하기 때문입니다.

현재 MIM 기술은 뼈와 관절을 부분적으로 대체하는 부품을 생산하는 데 사용할 수 있으며, 사용되는 금속 재료는 주로 Ti 합금입니다.

생체적합성 측면에서 Chen Liangjian 등은 MIM 기술을 사용하여 기공률 60%의 다공성 티타늄을 제조하고, 변형된 축합 중합 가교법으로 젤라틴 서방성 미소구체를 제조하여 다공성 티타늄 표면에 코팅했습니다.

1.4 보청기 음향관

MIM 기술은 다양한 의료 기기용 부품을 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다.

Indo-MIM은 독일 Phonak을 위해 MIM 기술을 사용하여 보청기 음향관을 생산하며, 음질을 개선하고 청력을 향상시키는 효과가 있습니다.

MIM 성형 및 소결 후 복잡한 형상의 보청기 음향관을 얻을 수 있습니다. 음향관 표면을 매끄럽게 만들기 위해 유리 비드 샌드블라스팅 공정만 거치면 됩니다.

MIM 기술은 중재적 치료용 스텐트, 텅스텐 고밀도 합금 주사기의 방사선 차폐 부품, 미세수술 조작기, 마이크로 펌프 내시경 부품 및 약물 흡입기를 비롯한 다양한 의료 분야 제품을 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다.

2. 전자 장비

전자 기기 산업은 MIM 부품의 주요 응용 분야로, 아시아 지역 MIM 부품 매출의 약 50%를 차지합니다. 전자 기기의 소형화로 인해 더 작고 생산 비용이 낮으며 성능이 우수한 부품이 요구되는데, 이는 바로 MIM 부품의 장점입니다.

중국에서 MIM의 발전은 전자 산업, 특히 휴대전화 산업 등의 성장에 힘입었습니다. 2009년부터 전체 산업이 빠르게 성장하기 시작했으며, 특히 2011년 중반 이후 Apple과 Samsung Electronics 간의 경쟁으로 인해 휴대전화 기기에 대량의 MIM 부품이 사용되기 시작했습니다. 이는 이전에는 볼 수 없었던 추세입니다.

2.1 스마트폰

1990년대에 가장 잘 알려진 MIM 응용 분야는 BP 기계 진동 모터에 사용된 텅스텐 합금 진동자였습니다. 2000년 이후에는 광섬유 커넥터, 소비자 전자 제품의 힌지 부품, 휴대전화 버튼, SIM 카드 트레이 등 스테인리스강 계열이 널리 사용되기 시작했습니다. 최근 MIM 산업의 투자 붐은 휴대전화 산업에서 MIM 부품이 광범위하게 사용된 데서 비롯되었으며, 3C 산업의 조립 공장도 중국에 있고 투자 진입 장벽이 낮아지면서 대규모 자본 유입을 끌어들였습니다.

2.2 휴대전화 케이스 제조

휴대전화 케이스는 휴대전화의 중요한 부품입니다. MIM 공정은 고정밀, 고강도, 경량의 휴대전화 케이스를 생산할 수 있습니다. 제조 과정에서는 먼저 MIM 공정을 사용해 휴대전화 케이스의 사출 성형용 예비 성형체를 제조한 다음, 예비 성형체를 금형에 넣어 사출 성형하고, 마지막으로 표면 처리와 조립을 진행합니다.

2.3 카메라 제조

휴대전화 카메라 제조에는 높은 정밀도와 소형화가 요구됩니다. MIM 공정은 고정밀 소형 렌즈와 브래킷을 제조할 수 있습니다. 생산 과정에서는 먼저 MIM 공정을 사용해 카메라 브래킷과 렌즈의 사출 성형용 예비 성형체를 제조한 다음, 예비 성형체를 금형에 넣어 사출 성형하고, 마지막으로 표면 처리와 조립을 진행합니다.

2.4 카드 트레이 제조

카드 트레이는 휴대전화 전자 제품의 중요한 부품입니다. MIM 공정은 고정밀, 고강도, 경량의 카드 트레이를 제조할 수 있습니다. 제조 과정에서는 먼저 MIM 공정을 사용해 카드 트레이의 사출 성형용 예비 성형체를 제조한 다음, 예비 성형체를 카드 트레이 금형에 넣어 사출 성형하고, 마지막으로 표면 처리와 조립을 진행합니다.

2.5 힌지 제조

폴더블 휴대전화도 전자 제품의 일종입니다. 폴더블 화면의 힌지도 MIM 공정을 사용해 제조할 수 있습니다. 가장 정밀한 부품 중 일부는 MIM 기술을 사용해야 하며, MIM 기술의 정밀도는 ±0.1%~±0.3%에 달할 수 있습니다.

2.6 버튼 제조

스마트워치 옆면의 버튼도 3C 전자 제품에 사용되며, 아래 버튼과 같은 제품 역시 MIM 기술로 제작됩니다.

2.7 정전식 펜 캡 제조

iPad에 장착되는 정전식 펜에 사용되는 부품도 MIM 기술로 제작됩니다.

2.8 스마트워치 밴드 제조

스마트워치 밴드는 3C 전자 제품의 한 종류입니다. MIM 기술로 고정밀 스마트워치 밴드를 제조할 수 있습니다. 또한 후속 가공을 통해 정교한 제품을 얻을 수 있습니다.

3. 광섬유 부품

광섬유 기술은 통신, 센싱 및 의료 분야에서 널리 사용됩니다. 핵심 부품은 고정밀, 고강도 및 소형화 특성을 갖춰야 합니다. 마이크로 금속 사출 성형(μMIM)은 높은 정밀도, 복잡한 기하학적 형상 가공 및 대량 생산 능력 덕분에 광섬유 부품 제조에 이상적인 선택이 되었습니다. 이 공정은 분말 야금과 사출 성형을 결합하여 현대 광섬유 기술의 요구 사항을 충족하는 초소형 부품을 생산합니다.

3.1 커넥터 하우징

광섬유 커넥터는 광섬유 통신 시스템에서 광섬유의 끝단을 연결하는 데 사용되는 핵심 부품 중 하나입니다. 커넥터 하우징은 매우 작고 높은 내마모성이 필요하며, 우수한 전자기 차폐 성능도 요구됩니다. μMIM 공정은 정밀하고 내구성이 뛰어난 금속 커넥터 하우징을 제작하여 광신호의 효율적인 전송을 보장할 수 있습니다.

3.2 광섬유 고정구 및 얼라이너

광섬유 시스템에서는 신호 전송을 위해 광섬유를 정밀하게 정렬하는 것이 필수적입니다. μMIM 공정을 사용하면 고정밀 광섬유 얼라이너와 고정구를 제작할 수 있습니다. 이러한 부품은 일반적으로 복잡한 기하학적 구조를 갖습니다. μMIM은 한 번에 성형할 수 있어 기존 가공에서 발생하는 오차를 방지하고 광섬유 정렬의 정확도를 보장합니다.

3.3 광섬유 어댑터 및 소켓

광섬유 어댑터는 광섬유 플러그를 장치에 연결하는 데 사용됩니다. 소켓의 정밀도와 내구성은 광섬유 시스템의 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. μMIM 기술은 복잡한 형상의 어댑터를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 기계적 강도와 내구성도 제공하여 고빈도 사용 요구 사항을 충족합니다.

3.4 센서 패키지

광섬유 센싱 시스템에서 센서 패키지는 방진, 방수 및 내고온 특성을 갖추는 동시에 센싱 과정에서 광섬유가 안정적인 신호 전송을 유지하도록 해야 합니다. μMIM 공정은 높은 강도와 복잡한 형상의 패키지를 제작할 수 있어 보호 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 광섬유의 성능에도 영향을 주지 않습니다.

3.5 광섬유 절단기 및 단면 연마 도구

광섬유 절단 및 단면 연마 공구는 광섬유 단면의 평탄도와 광 신호의 효율적인 전송을 보장하기 위해 매우 높은 정밀도가 필요합니다. μMIM 공정은 장기간 안정적인 성능을 유지하고 작업 효율을 향상시킬 수 있는 고경도, 고정밀 금속 절삭 공구와 연마 공구를 생산할 수 있습니다.

4. 자동차 산업

MIM 부품이 1990년대 초 자동차 시장에 진입한 이후 약 20년간 발전하면서 자동차용 MIM 부품 제조업체가 점점 늘어났습니다. 기존 가공 방법과 비교할 때 MIM 부품은 높은 정밀도, 높은 강도, 높은 형상 복잡도, 다양한 재료 및 낮은 비용이라는 특징을 가지므로 MIM 기술은 자동차에 널리 사용되어 왔습니다. 현재 자동차에 사용되는 MIM 부품은 일반적으로 철 기반 재료이며, 주로 Fe-Ni 합금강, Fe-04C-1Cr-075Mn-0.2Mo 합금강, 사전 합금화된 Cr-Mo-C강, Ni-Cr-Mo-C강, 316L, 17-4PH, 400 계열, HK 계열 스테인리스강, Conel713C 니켈 기반 내열 고온 합금강 등이 사용됩니다.

4.1 터보차저

터보차저는 주로 터빈, 펌프 휠, 로터, 임펠러 등으로 구성됩니다. 엔진에서 배출되는 고압 배기가스가 발생시키는 관성력이 펌프 휠을 회전시키고, 로터가 터빈을 회전시켜 엔진 흡기 압력을 높입니다. 최근 몇 년 동안 터보차저 MIM 부품의 연구 개발과 생산은 과학 연구의 중점 과제가 되었습니다. 동시에 터보차저는 MIM 제조의 대표적인 부품 중 하나이기도 합니다. 구조가 매우 복잡하고 작업 환경이 가혹하며 정밀도 요구 사항이 높습니다. 그러나 다른 가공 방법은 비용이 많이 들고 제어가 어렵습니다. 터보차저 부품은 주로 니켈 기반 초고온 합금, 크리스털 합금 및 기타 재료로 구성됩니다. MIM은 터보차저 부품에 크게 기여해 왔습니다.

4.2 자동차

자동차의 많은 소형 정밀 조립 부품은 MIM 기술을 사용하여 제조할 수 있습니다. 조립 부품은 일반적으로 단조, 정밀 주조 및 기타 방법으로 제조됩니다. 이렇게 제조된 부품은 비용이 많이 들고 정밀도가 낮아 양호한 경제적 효과를 달성하기 어렵습니다. MIM 기술을 사용하면 생산 효율과 정밀도를 향상하고, 재료를 절약하며, 공정을 줄이고, 비용을 절감할 수 있습니다. 자동차 엔진의 전자 제어식 가솔린 인젝터는 20개 이상의 부품으로 구성됩니다. 그중 철심, 전기자, 자성 가이드판, 가이드 본체 및 기타 부품은 인젝터의 자기 회로 구조를 구성합니다. 이러한 부품은 모두 연자성 합금 재료로 제작됩니다. MIM 기술로 철 기반 나노결정 연자성 합금 분말을 사용해 제조한 부품은 기존 가솔린 인젝터에 비해 MIM 기술로 제조된 인젝터의 종합 성능을 향상시켰습니다.

4.3 센서

과학 기술의 발전과 함께 자동차에 사용되는 센서의 종류와 기능은 다양화, 지능화, 소형화되는 추세입니다. 센서는 적용 분야에 따라 엔진 섀시, 차체 내비게이션 및 기타 시스템에 사용됩니다! 엔진 섀시, 차체 내비게이션 및 기타 시스템에 사용되는 많은 센서가 압력 센서 부품, 에어백 센서 인서트, 산소 센서, 조향 센서, 크루즈 컨트롤 센서 시트, 센서 하우징 등과 같이 MIM 공정으로 제조됩니다. 정밀 주조 공정과 비교할 때 MIM 공정은 표면 거칠기가 우수하고 인장 강도가 높으며, 부품 통합을 실현하여 부품 수를 줄이고 비용을 절감하며 효율성을 향상할 수 있다는 장점이 있습니다.

위 부품 외에도 자동차의 점화 키, 엔진 로커 암 부품, 조향 장치 U 클립, 후진 싱크로나이저, 밸브 푸시 로드, 피스톤 링 연소실 커버, 자동차 고정 장치 등은 모두 MIM 공정으로 제조됩니다.

5. 정밀 기계

MIM 기술은 복잡도가 높고 정밀도와 강도가 높으며 외관이 뛰어나고 초소형 규격을 갖춘 복잡한 3차원 형상의 금속 부품을 대량으로 생산할 수 있습니다. 또한 효율이 높고 비용이 낮아 다양한 정밀 기기에 널리 사용됩니다. 이러한 기어는 일반적으로 직경이 밀리미터 단위이거나 그보다 작으며, 설계가 복잡하고 높은 강도와 내마모성, 정밀한 맞물림 성능이 요구됩니다. 과학 기술의 발전과 함께 마이크로 기어는 전자 제품, 의료 장비, 항공우주 및 기타 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

5.1 정밀 시계 장치

시계 제조 산업, 특히 고급 기계식 시계에서 마이크로 기어는 핵심 부품 중 하나입니다. 정밀한 기어 맞물림을 통해 기계식 시계는 매우 정확한 시간 측정 기능을 유지할 수 있습니다. 기계식 시계 내부 공간은 제한적이므로 기어의 크기는 매우 작아야 하며 작동도 매우 원활해야 합니다. 마이크로 기어의 높은 정밀도와 낮은 마찰 성능은 매우 중요합니다.

5.2 현미경 및 광학 기기

현미경에 사용되는 초점 조절 시스템과 광학 부품의 정밀 조정은 마이크로 기어의 동력 전달에 의존합니다. 마이크로 기어의 정확도는 현미경의 배율 조정과 이미지 선명도에 직접적인 영향을 미칩니다. 또한 마이크로 기어는 광학 경로를 정밀하게 제어하기 위해 광학 기기의 미세 조정 메커니즘에도 널리 사용됩니다.

5.3 의료 기기

최소 침습 수술 장비에서 마이크로 기어는 다양한 초소형 로봇 팔과 수술 도구를 구동하는 데 사용됩니다. 이러한 기어는 크기가 매우 작지만, 수술 중 정확성과 안전성을 보장하기 위해 매우 높은 정밀도와 신뢰성이 요구됩니다. 또한 마이크로 기어는 치과 장비의 마이크로 드릴 조정 시스템과 혈액 펌프에도 널리 사용됩니다.

5.4 로봇 및 자동화 장비

마이크로 로봇은 수술, 제조 및 실험실 자동화에 자주 사용됩니다. 이러한 로봇에는 유연한 관절과 정밀한 동작 제어가 필요합니다. 마이크로 기어 시스템은 이러한 로봇의 핵심 부품으로, 복잡한 움직임과 작업을 수행하도록 지원합니다. 로봇의 구조가 콤팩트하기 때문에 마이크로 기어의 높은 효율과 저소음 특성이 특히 중요합니다.

6. 소비자 전자제품

전자 통신 제품은 MIM 부품의 중요한 시장입니다. 거의 모든 휴대전화 제조업체가 대량의 MIM 제품을 구매하며, 통신 기기에 사용되는 소형 다기능 부품은 MIM 기술의 장점에 적합합니다. MIM 사출 성형은 생산 비용 절감, 생산 효율 향상, 부품의 소형화 및 경량화라는 장점을 실현할 수 있습니다. 휴대전화 개발자가 추구하는 장점은 박형화, 경량화 및 부품의 촉감 개선입니다. 휴대전화 프로젝트 개발은 매우 빠르게 진행되며, 짧은 기간에 이렇게 많은 부품을 생산할 수 있는 기술은 MIM뿐입니다.

카드 트레이 외에도 현재 인기 있는 폴더블 스마트폰에 사용되는 힌지도 MIM 부품입니다. 물론 위에서 언급한 대표적인 부품 외에도 소비자 전자제품에는 MIM 부품의 다른 많은 응용 분야가 있습니다.

VII. 과제 및 한계

1 높은 장비 비용

금형 비용이 높음:

μMIM 공정에서는 성형 정밀도를 보장하기 위해 고정밀 금형을 사용해야 합니다. 이러한 금형의 제작 및 유지보수 비용은 높으며, 특히 복잡한 형상과 소량 생산 부품에서는 더욱 그렇습니다. 금형 비용이 전체 생산 비용에서 차지하는 비중이 더 커질 수 있습니다.

재료 낭비 및 낮은 이용률: 마이크로 부품 생산 과정에서는 탈지 및 소결 중 발생하는 재료 손실을 완전히 회수하기 어렵습니다. 특히 티타늄이나 귀금속과 같은 고가 재료를 사용할 경우 이러한 재료 낭비가 크게 증가하여 생산 비용이 높아집니다.

기계 및 장비 비용이 높음:

마이크로 금속 사출 성형(μMIM) 장비에는 일반적으로 정교한 마이크로 사출 성형기, 정교한 소결로 및 효율적인 탈지 시스템이 필요합니다. 이러한 장비는 제조에 막대한 투자가 필요할 뿐만 아니라, 유지보수 및 사용 과정에서도 추가 비용이 발생합니다.

2 성형 정밀도 및 크기 제한

μMIM 공정은 마이크론급 부품 가공에 뛰어나지만, 여전히 일부 정밀도 및 크기상의 한계가 있습니다.

치수 수축 및 변형:

μMIM 공정에서는 탈지 및 소결 과정에서 금속 분말의 부피가 크게 수축하며, 일반적으로 약 15%에서 20% 정도 수축합니다. 이러한 수축은 성형 정밀도에 영향을 미치며, 특히 복잡한 형상과 박벽 부품에서는 불균일한 변형이 발생할 가능성이 더 높습니다.

표면 마감 및 미세구조 가공의 어려움:

소결된 미세 부품의 표면에는 거칠기가 높고 입자감이 뚜렷한 문제가 자주 발생합니다. 광학 수준의 표면 마감과 미세 구조 정밀도를 달성하려면 전기 도금, 연마 등 추가적인 표면 처리 공정이 필요한 경우가 많습니다.

3 재료 선택의 제한

μMIM 공정은 재료 선택에 대한 요구 사항이 높습니다. 이 공정에 사용되는 금속 분말은 다음과 같은 특성을 갖추어야 합니다.

매우 미세하고 균일한 입자:

일반적으로 μMIM 공정에 사용되는 금속 분말 입자의 직경은 10마이크로미터 미만입니다. 그러나 입자가 지나치게 미세하면 쉽게 응집되어 혼합 과정에서 균일하게 분산하기 어려우므로 성형 품질에 영향을 미칩니다.

특수 합금 재료 가공의 어려움: 일부 고성능 합금(예: 티타늄 합금, 알루미늄 합금)은 활성이 높거나 산화되기 쉬운 특성 때문에 μMIM 공정에서 분말 소결 및 탈지를 수행하기 어렵습니다. 따라서 이러한 재료의 적용에는 여전히 한계가 있습니다.

재료 호환성 문제: μMIM 공정에 사용되는 바인더와 금속 분말의 호환성이 매우 높아야 합니다. 그렇지 않으면 성형 중 부품의 유동성과 최종 부품의 기계적 특성에 영향을 미칩니다.

4 제조 공정 제어의 복잡성

금속 사출 성형 공정(MIM)의 제조 공정 제어는 매우 복잡하며, 주로 여러 핵심 단계의 정밀한 관리가 필요하다는 점에 반영됩니다. 먼저 혼합 및 사출 성형에서는 금속 분말과 바인더를 혼합하고 균일성을 확보하여 성형 결함을 방지해야 합니다. 사출 과정의 온도, 압력 및 속도를 엄격하게 제어하여 재료가 금형을 완전히 충전하는 동시에 기포와 빈 공간의 발생을 방지해야 합니다. 이러한 요소를 세심하게 관리하지 않으면 부품 표면 결함이나 내부 구조의 불균일성이 발생할 수 있습니다. 또한 금형 설계도 매우 중요하며, 특히 복잡한 형상과 미세한 특징을 가진 부품에는 매우 높은 금형 정밀도가 요구됩니다.

이후의 탈지 및 소결 공정은 더욱 까다롭습니다. 탈지는 사출 공정에 사용된 바인더를 제거하여 금속 골격만 남기는 과정입니다. 이 단계에서는 장시간 가열과 정밀한 시간 제어가 필요합니다. 탈지 과정에서 온도와 분위기가 조금만 변동해도 부품 내부에 균열이나 기공이 형성될 수 있습니다. 소결 공정에서는 고온에서 금속 분말을 치밀화하여 최종적으로 완제품의 기계적 강도와 정밀도를 확보해야 합니다. 소결 온도와 시간의 제어는 매우 중요합니다. 온도가 너무 높으면 부품이 변형되고, 시간이 너무 짧으면 완전한 치밀화가 이루어지지 않을 수 있습니다. 종합하면 각 단계를 세심하게 제어하는 것이 최종 부품의 품질과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

VIII. 향후 발전

1 기술 발전

기술이 지속적으로 발전함에 따라 마이크로 금속 사출 성형(μMIM) 공정은 특히 재료 과학, 장비 정밀도 및 공정 최적화 분야에서 획기적인 발전과 함께 크게 개선되었습니다. 고품질 금속 분말의 연구 개발로 분말 입자가 더 작고 균일해져 부품의 표면 마감과 구조 강도가 크게 향상되었습니다. 또한 탈지 및 소결 기술이 개선되어 더 효율적이고 정밀한 제어를 통해 생산 결함을 줄이고 공정의 신뢰성과 일관성을 높였습니다. 동시에 자동 모니터링 및 매개변수 최적화와 같은 지능형 제조 기술을 도입하여 μMIM 공정의 효율성이 더욱 향상되었으며, 마이크로 복잡 부품의 대량 생산이 더 안정적이고 경제적으로 이루어질 수 있게 되었습니다.

2 신소재 개발

마이크로 금속 사출 성형(μMIM) 공정에서 신소재 개발은 주로 고성능 합금과 복합 재료의 연구 및 적용에 중점을 둡니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 마이크로 부품의 강도, 내식성 및 전기 전도성에 대한 특수 요구 사항에 대응하여 μMIM 공정에 적합한 티타늄 합금, 스테인리스강 및 고온 합금과 같은 신소재를 개발했습니다. 이러한 소재는 더 우수한 기계적 특성과 가공성을 제공하는 동시에 소결 및 탈지 과정에서 발생하는 결함을 줄입니다. 또한 생체 적합성 금속 소재의 개발은 의료, 전자 및 기타 분야에서 마이크로 부품을 제조할 수 있는 새로운 선택지를 제공합니다. 소재 배합을 개선함으로써 이러한 신소재는 제품 성능을 향상할 뿐만 아니라 μMIM 공정의 생산 효율과 비용 관리도 최적화합니다.

3 생산 효율 향상

마이크로 금속 사출 성형(μMIM) 공정의 생산 효율을 높이기 위해 기술 개선은 주로 공정 최적화와 장비 업그레이드에 중점을 둡니다. 정밀한 온도 제어 시스템과 결합된 첨단 자동 사출 장비는 사출 성형 공정을 더 빠르고 안정적으로 만들어 불량률을 낮춥니다. 동시에 마이크로파 소결 및 진공 탈지와 같은 신속 탈지 및 소결 기술을 도입하여 생산 주기를 크게 단축했습니다. 또한 공정에 지능형 모니터링 및 데이터 분석 기술을 적용하면 생산 중 주요 매개변수를 실시간으로 조정하여 효율적이고 연속적인 생산을 보장할 수 있습니다. 이러한 기술 개선은 단위 시간당 생산 능력을 향상할 뿐만 아니라 제품의 일관성과 품질 안정성도 높입니다.