[제조지식] 금속사출(MIM)에 대해 알아봅시다

금형사출은 제품을 양산하는 가장 대표적인 제조 방식입니다. 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 제품 중 다수가 금형사출 방식으로 생산됩니다. 그렇다면 '금속사출'에 대해서 들어보셨나요?

금속사출은 금속 분말을 활용해 소형 부품을 양산하는 제조 방식입니다. 서로 딱 한 글자만 다르다 보니 간혹 금형사출과 금속사출을 헷갈리는 경우도 적지 않습니다.

오늘은 금형사출과 혼동을 빚곤 하는 금속사출에 대해 자세하게 알아보려고 합니다. 금속사출의 정의부터 금속사출로 만든 제품, 금속사출의 재료까지 자세하게 정리했습니다. 이 글을 잘 따라가기만 하면 앞으로 이 두 용어를 헷갈리는 일은 없을 겁니다.

1️⃣ 금속사출(MIM)이란?

먼저 금형사출은 보통 플라스틱을 사용해 제품을 양산하는 대표적인 제조 방식입니다. 금형 제작엔 비용이 많이 들기 때문에 보통 시제품 제작 단계에서는 3D프린팅 같은 다른 제조 방식을 사용합니다. 하지만 제품을 대량으로 생산해 시장에서 판매할 계획이라면 금형을 제작해 똑같은 모양의 제품을 대량으로 생산하는 것이 유리합니다.

금형(金型)은 금속으로 만든 틀(거푸집)을 의미합니다. 금형사출은 금형에 액체 상태의 재료를 밀어넣어 금형 모양의 제품을 만들어내는 제조 방식입니다. 붕어빵 틀에 붕어빵 재료를 부어서 붕어빵 모양을 만들어내는 것과 비슷합니다. 금형사출의 종류에는 일반사출 외에도 인서트 사출, 블로우 사출 등의 방식이 있습니다.

금속사출도 금형에 재료를 주입해 형태를 만든다는 점에서 금형사출과 비슷합니다. 다만, 플라스틱 대신 금속 분말을 재료로 사용한다는 점과, 사출 이후에 추가 공정이 필요하다는 점 등에서 차이가 납니다.

구체적으로 설명하자면 금속사출(MIM, Metal Injection Molding)은 형상이 복잡하고 소형인 정밀 부품의 대량생산을 위해 개발된 기술입니다. 미세 금속분말을 결합제(binder)와 혼합해 원료를 만들고, 사출성형 방식으로 제품의 형태를 만든 뒤 추가 공정을 통해 최종 제품을 얻어냅니다.

금속사출은 다음과 같은 공정을 거칩니다. (1) 금속 분말을 적당한 결합제와 섞어 과립형의 펠릿(pelllet)을 만듭니다. (2) 펠릿을 가열해 액체 상태로 만든 뒤 금형에 사출하고, 냉각을 거쳐 금형에서 떼어냅니다. (3) 용제 혹은 열처리 과정 등을 통해 사출품에서 결합제를 제거합니다. 이 과정을 '탈지(debinding)'라 하는데, 금속사출 제품의 품질을 결정하는 중요한 공정입니다. (4) 탈지를 거친 제품을 고온(섭씨 1200~1600도)에서 가열해 소결(燒結)합니다. (5) 후처리 과정 등을 거쳐 완성품을 만듭니다.

2️⃣ 금속사출로 만든 제품들

금속사출은 기존 방식으로는 생산하기 어려운 금속 소재의 소형 정밀부품을 만들어내는 데 특화된 제조 방식입니다. 제조 분야의 대표적인 혁신 기술로 현재 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.

휴대폰 부품

휴대폰의 정밀한 부품 생산에 금속사출 방식이 사용됩니다. 대표적으로 휴대폰을 접을 때(flip open) 사용되는 부품을 금속사출로 생산합니다. 전통적인 방식으로는 여러 부품을 만들어 조립해야 하는데, 금속사출을 이용하면 이를 단순화할 수 있어 내구성이 좋고 생산비용을 아낄 수 있습니다. 이처럼 복잡하고 단가가 높은 부품들을 제조하는 데는 금속사출이 가장 이상적입니다.

자동차 부품

엔진, 변속기, 연료 분사기 등 자동차의 다양한 부품들이 금속사출 방식으로 제작됩니다.

의료기기

치과 치료용 도구, 인공관절 부품, 의료용 스카프 등 의료 분야에서 사용되는 다양한 기구들을 제작할 때도 금속사출 기술이 두루 활용되고 있습니다.

스포츠 용품

골프 클럽헤드, 자전거 부품, 스포츠용 낚싯대 등 다양한 스포츠 용품들이 금속사출 기술로 생산됩니다.

군수품

무기를 비롯한 군수품은 금속사출이 가장 활발히 활용되는 분야입니다. 소총 부품, 폭탄 부품, 헬멧 등 군수 분야에서 사용되는 다양한 제품들이 금속사출을 활용해 만들어지고 있습니다.

3️⃣ 금속사출이 가능한 재료

금속사출이 가능한 금속 분말의 재료는 다양합니다. 아래에 일반적으로 금속사출에 사용되는 금속 분말의 종류와 특징을 정리했습니다.

스테인리스 스틸

스테인리스 스틸은 크롬(Chromium)을 함유하고 있는 금속 합금입니다. 일반적으로 내식성이 뛰어나고 산화, 부식, 열에 강합니다. 스테인리스 스틸은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되며 사용 목적 등에 따라 종류와 등급이 다양하게 나뉘어 있습니다.
크롬 산화막은 표면을 보호하여 금속이 산화되거나 부식되는 것을 방지하며, 고온에서도 안정성을 유지하며, 충격과 응력에 강합니다.

강철

강철은 철과 탄소를 주성분으로 하는 합금으로, 다른 금속이나 비금속 물질과의 혼합으로도 이루어집니다. 건축, 자동차, 조선, 기계 등 다양한 산업 분야에서 중요한 재료로 사용됩니다. 다양한 종류의 강철 역시 금속사출 분말 재료로 사용됩니다. 일반적으로 금속사출에 사용되는 강철은 (합금원소 함유량이 적은) 저합금 강철로, 강도와 내식성이 뛰어납니다.

니켈 기반 합금

니켈 기반 합금은 니켈을 주요 구성 요소로 하는 금속 합금입니다. 니켈은 다른 금속과 결합해 다양한 합금을 형성하는 데 사용됩니다. 니켈 기반 합금은 고온 환경에서 성능이 우수해 내식성과 내열성이 요구되는 부품에 사용됩니다. 니켈 합금 분말 재료로 인코넬(Inconel), 하스텔로이(Hasteloy) 등이 있습니다.

텅스텐 합금

텅스텐을 주성분으로 하는 텅스텐 합금은 강도가 높고 내열성이 뛰어나 금속사출 재료로 널리 사용됩니다. 텅스텐 합금은 고온에서 높은 강도를 유지하고, 내식성이 뛰어나 산화나 부식에 강합니다. 또한 높은 경도와 내마모성을 가지고 있어 마모에 잘 견디는 부품을 만드는 데 사용됩니다. 텅스턴 합금 분말 재료로는 W(텅스텐)-Ni(니켈)-Fe(철), W-Ni-Cu(구리) 등이 있습니다.

*️⃣ 주요 용어 풀이

• 사출: 열을 가해 액체 상태로 만든 재료를 속이 비어 있는 금형에 주입해 제품을 얻어내는 가공 방식. 붕어빵 틀에 재료를 부어 붕어빵을 만들어내는 것을 연상하면 된다. 보통 플라스틱 제품을 양산할 때 가장 많이 사용되는 제조 방식입니다.
• 소결(燒結): 분말 재료를 이용해 만든 제품을 재료의 녹는점 이하의 온도로 가열해 더욱 단단하게 만드는 작업을 의미합니다. 금속사출 과정에서 소결을 거치면 보통 제품의 크기가 줄어들게 됩니다.
• 내식성: 부식이나 침식을 잘 견디는 성질을 가리킵니다.