사형주조의 기본 원리
사형주조는 주물사로 만든 주형에 용융 금속을 붓고, 금속이 응고하여 탈사하기에 적합한 상태까지 냉각되면 모래를 제거하고 주물을 꺼내는 제조 방법입니다. 비교적 단순한 중실 부품뿐 아니라 모래 중자를 이용해 내부 유로와 공동이 있는 부품도 만들 수 있습니다.
유로가 있는 펌프 케이싱을 예로 들어 보겠습니다. 금속의 바깥 윤곽은 어떻게 형성될까요? 내부에는 어떻게 굽은 통로가 남을까요? 주입 후에는 부품을 사용할 수 있는지 어떻게 판단할까요? 모형, 사형, 중자의 역할을 구분한 다음 조형, 주입, 응고, 검사에 이르는 전체 과정을 따라가면 답을 찾을 수 있습니다.
1. 모형·사형·중자·주물을 구분하기
이 네 용어는 제조 과정에서 서로 다른 대상을 가리키므로 혼용하면 안 됩니다.
| 대상 | 공정에서의 역할 | 펌프 케이싱의 예 |
|---|---|---|
| 모형 | 기존 조형 방식에서 주형 공동을 만드는 공구 | 주조에 필요한 보정을 포함하여 케이싱 외형과 관련된 형상을 제공 |
| 사형 | 주물의 형상을 정하고 주입된 용탕을 담음 | 케이싱 외형과 주입에 필요한 공간을 둘러쌈 |
| 모래 중자 | 비워 두어야 하거나 직접 조형하기 어려운 부분을 차지함 | 주입 중 내부 유로가 될 위치를 차지함 |
| 주물 | 금속이 응고한 뒤 얻는 고체 | 청소 후 케이싱 주조 소재를 얻고 요구에 따라 가공·검사 |
여기서 사형은 실제 물체이고, 주형 공동은 사형 안에 금속을 위해 남겨 둔 공간입니다. 중자를 넣으면 금속은 사형과 중자 사이를 채웁니다. 중자를 제거하면 그 자리가 내부 통로가 됩니다. 미국주조협회의 주물사 소개도 외부 윤곽과 내부 공동을 통해 사형과 중자의 역할을 설명합니다.
일반적인 수평 분할 주형에서는 상형과 하형이 분할면에서 만나고, 주형 상자가 모래를 지지합니다. 중자는 중자 받침부와 이에 대응하는 주형의 안착부 등으로 지지·위치 결정되며, 공동 안에 임의로 놓는 것이 아닙니다. 위치가 틀어지면 외형이 정상이어도 내부 유로와 국부 벽 두께가 요구를 벗어날 수 있습니다.
주형에는 금속을 유도하는 탕도, 응고 수축을 보충하는 압탕, 가스를 배출하는 통로도 필요합니다. 이들은 부품 공동과 함께 주형 시스템을 이루며 서로 다른 역할을 수행합니다. 따라서 주형 설계는 형상, 용탕 흐름, 응고, 배기를 함께 다루어야 합니다.
2. 사형은 무엇으로 만들며 어떻게 형태를 유지할까요?
흩어진 모래 입자만으로는 복잡한 형태를 유지하기 어렵습니다. 주물사에서는 기본 모래가 골격을 이루고, 점결제 시스템이 조형과 주입에 필요한 특성을 부여합니다. 수분, 경화 성분, 기타 첨가제의 사용 여부는 선택한 재료 시스템에 따라 달라집니다.
대표적인 두 방식으로 이해할 수 있습니다. 생형사는 보통 점토와 물이 결합에 관여하고, 수지 자경성 모래는 적절한 조건에서 경화하는 수지 시스템을 사용합니다. 생형사의 영어 명칭인 ‘green sand’에서 green은 녹색이나 환경 등급을 뜻하지 않습니다. 관련 용어는 AFS 주조 용어집에서 확인할 수 있습니다.
모래를 고를 때는 경도만 보면 안 됩니다. 사형은 운반, 조립, 용탕 작용을 견디는 강도와 주입 조건에 맞는 내화성을 갖춰야 합니다. 가스가 빠져나가야 하고 주조 후 모래를 제거하기도 쉬워야 합니다. 조형할 때는 모형 주변의 세부 형상도 채울 수 있어야 합니다.
이 요구들은 서로 연결됩니다. 미세한 구조를 유지한다고 해서 내부 잔사가 쉽게 제거되는 것은 아닙니다. 같은 배합을 모든 합금과 부품에 검증 없이 적용할 수도 없습니다. 주물사, 점결제, 사용 모래의 재생 계획을 함께 고려해야 합니다. 모래 프린팅 재료를 고른다면 네 가지 프린팅용 모래의 특성과 적용 조건을 참고할 수 있습니다.
3. 사형주조의 8단계: 도면에서 합격 주물까지
사형주조는 다음 8단계로 나누어 이해할 수 있습니다. 실제 생산에서는 조형, 중자 제작, 용해가 병행될 수 있습니다. 여기서는 부품이 만들어지는 과정을 이해하기 쉬운 순서로 설명합니다.
1. 부품 요구를 검토하고 주조 방안을 정하기
먼저 재료 등급, 부품 형상, 수량, 납품 요구를 명확히 합니다. 도면의 중요 치수, 벽 두께 변화, 가공면, 인수 기준은 조형과 주입 방안에 함께 영향을 줍니다.
유로가 있는 펌프 케이싱에서는 내부 통로의 형성 방법, 플랜지 면의 가공 방법, 압력·누설 시험의 필요 여부를 확인해야 합니다. 외형 모델만으로는 중자 위치, 가공 여유를 둘 곳, 최종 인수 방법을 정하기 어렵습니다.
납품 대상이 주조 소재인지 완전 가공 부품인지도 확인합니다. 이를 초기에 명확히 하면 설계, 구매, 주조 공장이 같은 목표에 맞춰 일할 수 있습니다.
2. 부품 형상을 모형·사형·중자 설계로 바꾸기
기존 방식에는 모형과 중자 상자가 필요합니다. 중자 상자는 중자를 만드는 공구입니다. 직접 프린팅 방식은 사형, 중자, 관련 공정 구조의 디지털 모델을 준비합니다. 두 방식 모두 제품 형상을 실제 제조 가능한 주조 방안으로 바꿔야 합니다.
혼동하기 쉬운 보정이 세 가지 있습니다. 빼기 구배는 실물 모형이나 중자를 해당 공구에서 꺼내기 쉽게 합니다. 가공 여유는 후속 절삭에 필요한 금속을 남깁니다. 치수 수축 보정은 냉각 후 주물의 크기 변화를 고려합니다.
목적이 다르므로 서로 대체할 수 없습니다. 모델을 확대한다고 응고 중 급탕 부족으로 발생하는 수축공이 해결되지는 않습니다. 사형을 직접 프린팅하면 실물 모형을 빼기 위한 구배 제약은 사라지지만, 모래 조형물의 반출, 조립, 잔사 제거, 최종 치수는 여전히 고려해야 합니다.
3. 사형과 중자를 제작하고 품질 확인하기
기존 조형에서는 모형 둘레에 모래를 성형하고 모형을 빼내 공동을 남깁니다. 중자는 선택한 공정으로 중자 상자에서 만듭니다. 경화, 도형제 도포, 건조 요구는 모래 시스템과 사용 조건에 따라 정하며, 특정 처리를 모든 모래 부품의 필수 단계로 볼 수는 없습니다.
조립 전에는 치수, 모래 표면의 건전성, 위치 결정 부위를 점검합니다. 가늘고 긴 중자는 형상이 맞더라도 운반과 조립을 견뎌야 합니다. 주입 때 드러난 손상은 통로 형상을 바꾸거나 용탕에 모래 입자를 유입시킬 수 있습니다.
이 단계의 목표는 설계대로 조립할 수 있고 이후 주입 요구를 만족하는 모래 부품을 얻는 것입니다.
4. 중자를 설치하고 합형한 뒤 탕도와 배기 점검하기
중자 설치는 중자를 설계된 위치에 놓는 작업입니다. 위치 결정, 지지, 필요한 고정을 마친 뒤 합형하고 조립 상태를 확인합니다.
합형 전에는 세 질문에 답할 수 있어야 합니다. 금속은 어디로 들어오는가, 응고 중 보충할 금속은 어디에서 오는가, 공동과 중자의 가스는 어떻게 빠지는가입니다. 탕도는 흐름을 유도하고 압탕은 설계에 따른 급탕을 제공하며 배기 구조는 가스를 내보냅니다.
이 구조들은 공정 설계 때 정해져 있어야 합니다. 지금 확인하는 것은 설계대로 형성되고 올바르게 연결되었는지입니다. 필터 사용과 배치도 합금과 충전 방안에 맞춰 결정합니다.
5. 금속을 용해·처리하고 주입하기
금속 원료를 용해하고 합금에 맞게 성분을 관리하며 필요한 용탕 처리를 수행한 다음, 준비된 주형에 붓습니다.
주입 온도, 용탕 청정도, 유입 위치, 충전 과정은 주물 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 온도와 처리 방법은 합금, 벽 두께, 주형 조건에 맞아야 합니다. 알루미늄, 철, 강, 구리 합금에 하나의 범용 조건을 공통 적용할 수는 없습니다.
펌프 케이싱 같은 중공 부품에서는 금속이 중자 주위를 채워 연속된 벽을 형성해야 합니다. 공동이 찼다는 것은 충전이 끝났다는 뜻일 뿐입니다. 내부 건전성, 중자 위치 유지, 치수 적합성은 응고 관리와 검사를 더 거쳐야 합니다.
6. 응고·냉각을 제어하고 유효한 급탕 유지하기
주형에 들어간 금속은 모든 부위에서 동시에 응고하지 않습니다. 벽 두께, 형상, 열 방출 조건에 따라 순서가 달라집니다. 보충이 필요한 영역에는 유효한 경로를 통해 액상 금속이 공급될 수 있어야 합니다.
예를 들어 두꺼운 부위는 아직 급탕이 필요한데 압탕과 연결된 얇은 부분이 먼저 응고하면, 압탕이 가까이 있어도 공급이 끊길 수 있습니다. 미국강주물협회의 응고와 급탕 설명에서 이 관계를 다룹니다. 방향성 응고 설계의 목적 중 하나는 급탕에 유리한 응고 순서를 만드는 것입니다.
따라서 냉각 후 치수 변화와 내부 수축공은 서로 다른 문제입니다. 전자는 치수 관리, 후자는 국부 응고 중 충분한 금속이 공급되는지에 관한 문제입니다. 압탕은 합금과 구조에 맞게 설계해야 합니다.
7. 탈사·중자 제거·탕도와 압탕 절단·표면 청소하기
후속 작업이 가능한 상태로 냉각된 주물을 사형에서 분리하는 단계가 탈사입니다. 이후 중자를 제거하고 탕도, 압탕, 여분의 금속을 잘라내며 요구에 따라 표면을 청소합니다.
이때 비로소 펌프 내부 유로가 사용할 수 있는 공동이 됩니다. 복잡한 통로는 잔사가 빠질 수 있는지, 도구나 세척 매체가 도달하는지, 청소 결과를 어떻게 확인할지 함께 설계해야 합니다. 외부가 깨끗하다고 내부 청소까지 끝난 것은 아닙니다.
탈사 과정에서 사형의 형태는 보통 파괴되지만, 모래는 적합한 처리와 재생 공정으로 보낼 수 있습니다. 모래 재사용과 매번 새 사형을 만드는 것은 서로 모순되지 않습니다.
8. 요구에 따라 열처리·기계가공·검사하기
청소 후에는 재료와 납품 요구에 맞는 후처리를 진행합니다. 필요한 부품은 정해진 열처리를 받고, 맞춤면·장착면·밀봉면은 도면에 따라 가공합니다. 구체적인 순서는 공정 계획으로 정합니다.
검사는 보통 외관과 치수에서 시작해 요구에 따른 재료와 특성 확인으로 이어집니다. 내부 품질이나 밀봉 요구가 있으면 적절한 비파괴검사, 압력 시험, 누설 시험을 할 수 있습니다. 검사 항목과 인수 기준은 용도에 맞아야 합니다.
평가 대상은 이제 단순히 형상을 만들었는지가 아니라 납품 요구를 충족했는지입니다. 문제가 발견되면 재료, 모래 부품, 주입, 후처리 기록을 추적하여 개선에 활용할 수 있어야 합니다.
4. 기존 조형과 사형 3D 프린팅은 어느 단계가 달라질까요?
핵심 차이는 사형과 중자를 얻는 방법입니다.
기존 방식은 모형과 중자 상자 등 공구를 먼저 만들고 반복 조형에 사용합니다. 직접 모래 프린팅은 디지털 모델에서 출발해 바인더 젯팅으로 모래 입자를 층별로 결합하며, 재료 시스템에 따라 경화, 느슨한 모래 제거, 검사를 수행합니다. NIST의 바인더 젯팅 소개는 결합제로 입자를 붙이는 원리를 설명합니다. 모래를 사용하면 결과물은 주조용 사형이나 중자입니다.
구체적인 프린팅 단계는 CAD 슬라이싱에서 잔사 제거와 후처리까지의 사형 프린팅 공정을 참고하세요.
| 비교 항목 | 기존 모형·중자 상자 방식 | 직접 모래 프린팅 방식 |
|---|---|---|
| 초기 준비 | 실물 공구 제작·검증·유지관리 | 프린팅 데이터 준비, 모래와 결합제 시스템 검증 |
| 설계 변경 | 공구 수정 또는 재제작 검토 | 디지털 설계 수정 후 프린팅과 주조 결과 검증 |
| 복잡한 내부 공동 | 중자 상자 구조, 중자 분할·조립 검토 | 출력 가능성, 중자 강도, 잔사 제거 조건 검토 |
| 반복 생산 | 기존 공구와 조형 주기를 고려 | 프린팅·후처리·조립 능력을 고려 |
시제품, 예비 부품, 복잡한 중자, 잦은 설계 변경에는 직접 프린팅을 검토할 수 있습니다. 안정적인 반복 생산에서는 공구, 모래 부품 제작, 청소, 검사를 함께 비교해야 하며 수량만으로 결정하면 안 됩니다. 기존 사형과 프린팅 중자의 조합으로 필요한 단계에 디지털 제조를 도입할 수도 있습니다.
펌프 외형이 같고 여러 내부 유로만 시험한다면 외형 공구를 유지하면서 중자를 각각 프린팅하는 방안을 검토할 수 있습니다. 기존 사형과의 위치 결정, 벽 두께, 각 버전의 잔사 제거성은 계속 확인해야 합니다. 부분적으로 프린팅해도 전체 주조 검증은 필요합니다.
Cprint 3D의 SJ-1200 사형 3D 프린터는 주조용 사형과 중자를 제작하며 이 단계에 투입됩니다. 프린팅 후에도 조립, 주입, 응고, 인수 검사는 필요합니다. 모래 조형물의 치수 성능을 최종 주물 공차와 바로 동일시할 수는 없습니다.
5. 어떤 금속과 부품에 사형주조를 사용할 수 있을까요?
사형주조는 여러 합금 계열에 적용할 수 있지만, 구체적인 방안은 재료 등급과 부품 요구를 기준으로 정합니다.
| 금속 종류 | 부품 예시 | 주요 확인 조건 |
|---|---|---|
| 알루미늄 합금 | 하우징, 엔진 부품, 시제품 | 벽 두께, 내부 품질, 열처리, 가공 요구 |
| 주철 | 공작기계 구조물, 펌프·밸브, 엔진 부품 | 재료 조직, 구조, 사용 성능 |
| 주강 | 적절한 등급의 밸브 몸체와 기계 부품 | 사형 내화성, 급탕, 후처리 방안 |
| 구리 합금 | 적절한 등급의 밸브·배관 부품 | 합금 선택, 사용 환경, 표면 요구 |
예를 들어 미국구리개발협회의 C89537 자료에는 사형주조 상태와 밸브 관련 용도가 나옵니다. 그렇다고 모든 구리 합금을 서로 대체할 수 있다는 뜻은 아닙니다. 마찬가지로 ‘알루미늄 하우징’이라는 이름만으로는 생산 방안을 정할 수 없으며 등급, 형상, 수량, 인수 요구가 필요합니다.
복잡한 내부 공동, 큰 일체형 구조, 비교적 적은 수량의 설계 검증에는 사형주조를 검토 대상으로 삼을 수 있습니다. 디지털 조형 용도는 사형·중자 제조 응용 분야를 참고하세요. 최종 선택은 다른 금속 주조 공정과 후속 가공도 함께 고려해야 합니다.
6. 장점과 한계를 함께 살펴보기
사형주조는 다양한 합금과 부품 크기에 적용되며 중자로 내부 유로와 공동을 만들 수 있습니다. 기존 모형은 재사용할 수 있고, 디지털 조형은 일부 설계 변경과 복잡한 중자에 추가 선택지를 제공합니다.
비용 장점은 구체적인 대상에 따라 다릅니다. 미국알루미늄협회의 공정 소개는 일부 소량·복잡·대형 알루미늄 주물에서 사형주조가 다이캐스팅이나 영구주형 주조보다 경제적일 수 있다고 설명합니다. 이를 모든 금속과 수량에서 가장 저렴하다는 주장으로 확대하면 안 됩니다.
한계도 분명합니다. 사형은 보통 일회용이므로 조형, 모래 처리, 청소에 계속 자원이 듭니다. 복잡한 중자는 안정적인 위치 결정과 잔사 제거 조건이 필요합니다. 주조 표면과 치수 능력은 공정에 영향을 받으며 중요 면은 기계가공이 필요할 수 있습니다.
사형 주조와 정밀 주조의 금형 공동 형성, 외형 세부, 내부 공간 조건을 비교하려면 사형 주조와 정밀 주조는 무엇이 다를까요을 참고하세요.
총비용을 평가할 때는 공구, 재료, 제조, 후처리, 검사를 같은 목록에 넣어야 합니다. 조형비만 비교하면 납품에 영향을 미치는 작업을 놓칠 수 있습니다.
견적의 납품 범위도 같아야 합니다. 주조 소재만의 가격과 가공·검사 포함 가격은 직접 비교할 수 없습니다. 가공면, 내부 청정도, 시험 항목을 명시하면 비용 차이가 공정 때문인지 납품 범위 때문인지 알 수 있습니다.
7. 일반적인 결함은 어디서부터 조사할까요?
공극, 개재물, 치수 편차가 발견되면 먼저 위치와 형태를 확인한 뒤 생산 기록으로 원인을 판단합니다. 비슷한 외관에도 원인은 다를 수 있습니다. 사진 한 장만으로 변경할 공정 조건을 정하는 것은 적절하지 않습니다.
| 관찰 현상 | 검토할 유형 | 다음 점검 사항 |
|---|---|---|
| 공극 또는 기공 | 가스성 기공, 급탕 부족 등 | 위치·형태·검사 결과와 용탕·주형 기록을 함께 검토 |
| 국부 수축공 또는 수축 기공 | 응고와 급탕 문제 | 두께 변화, 늦게 응고하는 부위, 급탕 경로 확인 |
| 모래 혼입 또는 모래 잔류물 | 모래 침식이나 탈락 가능성 | 모래 표면, 중자 건전성, 금속 유입 경로 확인 |
| 이음매처럼 융합되지 않은 영역 | 콜드 셧과 같은 충전 문제 | 용탕 선단의 합류 위치, 온도, 흐름 조건 검토 |
| 분할면에서 외형이 어긋남 | 주형 불일치 또는 조립 위치 문제 | 합형 위치를 확인하고 내부 편차는 중자 위치를 별도 점검 |
이 표는 조사 방향을 정할 뿐 검사 결론을 대신하지 않습니다. 내부 공극을 보고 압탕을 늘려도 가스 문제는 해결되지 않을 수 있고, 배기만 바꿔도 끊긴 급탕은 회복되지 않을 수 있습니다. 주조 수축·수축공·가스 기공의 차이를 확인한 뒤 해당 부품의 공급 경로와 공정 기록을 살펴보세요. 주입구, 압탕, 배기는 함께 평가해야 합니다.
8. 사형주조에 관한 다섯 가지 질문
모든 사형 주물에 중자가 필요한가요?
반드시 그렇지는 않습니다. 사형 자체로 형상을 만들 수 있으면 별도 중자가 필요하지 않을 수 있습니다. 사용 여부와 분할 방식은 형상, 주형 분할, 생산 방안에 따라 정하며 크기만으로 판단하지 않습니다.
사형을 부수면 모래는 다시 사용할 수 없나요?
사형의 형태는 보통 한 번 쓰지만 모래는 적절한 처리와 품질 확인을 거쳐 재사용할 수 있습니다. 방법, 재사용 비율, 새 모래 보충량은 시스템과 생산 조건에 따라 달라지며 무한 재활용을 약속할 수는 없습니다.
부품을 꺼낼 때 사형을 보통 부수는 이유는 무엇인가요?
주물은 사형에 둘러싸여 있고 복잡한 구조에는 중자도 들어 있습니다. 탈사와 청소로 이를 제거해야 주물과 내부 공간을 얻습니다. 기존 모형은 별도 공구이므로 다음 사형을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
사형 3D 프린팅으로 금속 부품을 바로 만들 수 있나요?
아닙니다. 모래 프린팅은 주조용 중간 부품을 만듭니다. 이후에도 용해, 주입, 청소 등의 공정이 필요합니다. 장비를 논할 때는 모래 부품 제작 능력과 전체 주조 생산 능력을 구분해야 합니다.
사형과 모형은 같은 것인가요?
일반적인 ‘틀’이라는 표현만으로는 대상이 모호할 수 있습니다. 여기서는 주조에 쓰는 모래 구조를 사형, 기존 조형에 쓰는 공구를 모형이라 부릅니다. 대상과 용도를 명확히 밝히는 것이 포괄적인 용어만 쓰는 것보다 정확합니다.
부품 형상에서 완전한 주형 설계로
사형주조는 네 가지 연결된 질문으로 이해할 수 있습니다. 형상을 어떻게 만들고, 금속을 어떻게 유입시키며, 응고 중 어떻게 공급하고, 가스를 어떻게 배출하는가입니다. 이들이 함께 도면을 요구에 맞는 주물로 바꿀 수 있는지 결정합니다.
사형이나 중자 제조를 검토한다면 3D 모델, 합금 등급, 수량, 중요 치수, 인수 요구를 정리한 뒤 Cprint 3D 팀에 문의하세요. 기존 공정에 모래 프린팅을 어떻게 적용할지 논의할 수 있습니다.