패턴은 주조 공정에서 핵심 도구입니다. 원하는 주물 형상을 본떠 만든 모형으로, 이를 습한 모래나 기타 적합한 재료에 눌러 주형(mould)이라는 인상을 만듭니다. 이 주형에 용융 금속을 붓고 응고시키면 패턴과 똑같은 형상의 주물(casting)이 얻습니다. 패턴을 만드는 작업을 패턴 메이킹(pattern making)이라 합니다.
특정 주물에 어떤 패턴을 쓸지는 여러 조건에 따라 결정됩니다. 주조 작업의 난이도, 소량·대량 생산 여부, 주형 방식, 주물 형상의 특수성 등이 주요 고려 사항입니다. 가장 흔히 쓰이는 14가지 패턴 유형을 소개합니다.
이음매, 파팅 라인, 이완 조각 없이 통짜로 만든 패턴입니다. 프레임이나 플레이트에 고정하지 않아 '이완 패턴(loose pattern)'이라고도 합니다. 제작비가 저렴하지만, 주조자가 러너·게이트·라이저를 직접 깎아야 해 시간이 걸리고 소량 생산에만 적합합니다. 단순한 형상의 대형 주물에 주로 사용합니다.
한 조각으로 만들기 어려운 복잡한 형상이나 정교한 디자인의 주물에 씁니다. 보통 상·하 두 부분으로 나뉘며, 하부는 드래그(아래 주형), 상부는 코프(위 주형)를 형성합니다. 두 부분은 다웰 핀으로 정확한 상대 위치를 유지합니다. 두 조각의 분리면이 파팅 면(parting surface) 또는 파팅 라인(parting line)이 되며, 이는 주형의 파팅 면과 일치합니다. 세 조각 이상이 필요한 경우 다중 조각 패턴(multi-piece pattern)이라 하며, 세 조각 패턴은 삼중 플라스크나 이중 플라스크에서 성형할 수 있습니다.
분할 패턴의 상·하부를 한 플레이트 양면에 마주보게 장착한 것입니다. 한 플레이트에 단일 또는 다수 패턴을 탑재할 수 있습니다. 패턴은 금속으로, 파팅 라인이 되는 플레이트는 목재나 금속(주로 알루미늄)입니다. 게이트·러너 패턴도 드래그 측 플레이트에 정확한 위치에 고정해 한 번에 완성합니다. 주형 제작 시 모든 패턴을 뽑으면 코프와 드래그가 완벽하게 맞물립니다. 소형 주물 대량 생산용 성형기에서 정밀·고속 생산에 쓰이며, 초기 비용은 높지만 양산 시 경제적입니다.
대형 주물은 완전한 주형이 너무 무거워 한 사람이 다루기 어렵습니다. 이를 해결하려고 패턴을 편리한 이음선에서 상·하로 나누고, 각각 별도 플레이트·보드에 장착한 코프 패턴과 드래그 패턴으로 만듭니다. 한 조는 코프 반쪽을, 다른 조는 드래그 반쪽을 동시에 작업할 수 있어 분업으로 생산성이 크게 향상됩니다.
용융 금속이 주형 구석구석까지 원활히 채워지려면 게이팅(탕구 시스템)이 필수입니다. 대량 생산에서는 손으로 게이트를 깎고 패턴을 뽑는 시간이 너무 깁니다. 여러 패턴을 연결해 다중 공동 주형을 만들고, 패턴 사이 연결부에 게이트·러너를 통합해 이 문제를 해결합니다. 게이트 성형부를 패턴 본체에 부착한 형태를 게이티드 패턴이라 합니다. 목재나 금속으로 만들며 소형 주물 대량 생산에 적합합니다.
패턴을 분할하고 파팅 면을 여러 평면에 내도 한 조각으로 뺄 수 없는 형상에 씁니다. 주 패턴을 먼저 뽑고, 나머지 별도 조각들을 돌려서 또는 이동시켜 뺍니다. 유지보수가 많이 들고 성형 속도가 느린 단점이 있습니다.
대칭 형상의 주형·코어, 특히 대형품에 유용합니다. 원하는 주물 단면 형상에 맞춘 보드(스위프)를 중심축을 중심으로 회전시켜 모래를 다져 형상을 만듭니다. 원형 단면 부품 성형에 쓰이며, 곡선 스위프는 대형 주철 솥 등의 일부, 직선 스위프는 홈이나 돌기 성형에 씁니다. 비싼 패턴 제작비를 절감할 수 있는 것이 최대 장점입니다.
초대형 주물은 통짜 패턴을 만들려면 목재가 엄청나게 듭니다. 스켈레톤 패턴은 리브(골격) 구조에 사각·직사각 개구부를 다수 두어 전체 윤곽과 크기만 잡습니다. 내부 점토·모래·룸으로 채우고 스트라이크오프 보드(스티클 보드)로 여분을 긁어내 평탄하게 만듭니다. 보통 코프용·드래그용 두 부분으로 만듭니다. 수도관, 밸브 바디, 박스류 등에 적용됩니다.
링, 휠 림, 기어 등 원형 작업에 씁니다. 패턴을 부채꼴 섹션으로 나누어, 이를 회전시키며 주형 둘레를 한 섹션씩 다져 완성합니다. 드래그 플라스크 중심에 수직 스핀들을 고정하고, 패턴을 스핀들에 고정한 뒤 바깥쪽과 안쪽(단면 제외)을 다집니다. 한 섹션 다지면 다음 섹션으로 이동해 반복합니다.
배관 피팅, 파이프 작업에 주로 쓰입니다. 금속제로 플레이트에 장착하고 중심선에서 파팅해 양면을 다웰로 정밀 결합합니다. 짧은 밴드류는 보통 한 쌍씩 주조합니다. 셸 패턴은 속이 빈 껍질 구조로, 외면은 패턴으로 쓰고 내면은 코어 박스로 씁니다. 때로는 전체 형상을 한 패턴으로 만든 것도 셸 패턴, 내부를 코어 아웃시킨 것을 블록 패턴이라 구분하기도 합니다.
나무 판재나 스트립을 접착·못·나사로 조립해 상자 모양으로 만듭니다. 대형 패턴의 목재 사용량을 줄이고 무게를 가볍게 합니다. 직사각형 등 정형화된 형상의 주물 패턴에 널리 활용됩니다.
두 조각 이상을 조합·접합해 만듭니다. 특수 풀리 패턴 등은 나무 스트립을 곡률에 맞게 잘라 층층이 접합해 원하는 두께를 만듭니다. 플랜지도 비슷하게 제작합니다. 통나무 블록에서 복잡한 형상을 깎아내기 어려울 때, 조각들을 접합해 형상을 쌓아 올리는 방식으로 제작합니다.
실린더, 파이프, 기둥 등 원통형 작업에 쓰이는 스테이브(stave) 구조입니다. 세로 스트립(래그/스테이브) 양면을 경사지게 깎아 바깥쪽 이음매가 단단하게 맞물리게 하고, 양끝의 '헤드(head)'라 부르는 원형 목재에 접착·못·나사로 고정합니다. 반정다각형 헤드를 써서 종방향으로 파팅되는 실린더·배럴을 만듭니다. 최대 강도를 내면서 완성 형상에 가깝게 제작해 후가공 여유를 최소화합니다.
한 쌍으로 만들어야 하는데 형상이 비대칭이라 뒤집어 쓸 수 없고, 허브·보스 중심이 반대쪽에 일렬로 놓일 때 필요합니다. 오버헤드 샤프트 행거 'J'자형, 목선반 다리, 정원 벤치, 패들형 재봉틀, 철도 객차 짐받이 브라켓 등이 예입니다. 도면이 좌측 또는 우측 한쪽만 주어졌을 때 양쪽 패턴 장비를 모두 만들어야 하는데, 복잡한 도면에서는 좌우 구분이 어려울 수 있습니다. 베이스 위치만 다른 경우(도면 A 참조) 베이스 설계를 대칭으로 하면 두 패턴이 필요 없어지기도 합니다.
대량 생산용으로 쓰이며, 이완 패턴으로는 거의 안 씁니다. 주조로 만드므로 이음매나 분할이 필요 없지만, 제작 공정이 정교하고 고도의 숙련이 필요합니다. 패턴 메이커는 금속 절삭·마감·제작 기술 외에 검사 기술도 갖춰야 합니다. 금속 패턴은 보통 패턴 플레이트 한 면 또는 양면에 장착합니다. 소형이면 한 플레이트에 여러 개를 탑재합니다.
패턴을 주물 완성 치수와 똑같이 만들면 수축 등으로 인해 주물이 작아집니다. 따라서 수축, 테이퍼, 가공, 변형, 두들김(래핑) 등에 대비해 여유량을 둡니다.
금속은 응고·냉각 시 수축합니다. 이를 보상하려고 패턴을 주물보다 크게 만듭니다. 패턴 메이커는 일반 자보다 약간 긴 수축 자(shrink rule)를 씁니다. 예: 주철은 1m당 10mm 수축하므로 주철용 패턴에는 1m당 10mm 긴 수축 자를 사용합니다. 금속마다 수축률이 달라 전용 수축 자가 필요합니다. 금속 패턴을 마스터 패턴(목재)에서 주조할 때는 이중 수축 여유를 둬야 합니다.
패턴을 주형에서 뺄 때 주형 모서리가 손상될 위험이 있습니다. 패턴 수직면을 약간 안쪽으로 경사지게(테이퍼) 하면 이 위험을 크게 줄입니다. 이 경사를 드래프트(draft)라 합니다. mm/m 또는 도(度)로 표현하며, 필요량은 (1) 수직면 길이, (2) 패턴 복잡도, (3) 주형 방식에 따라 다릅니다. 통상 외부 면 10~20mm/m, 내부 면 40~60mm/m입니다.
가공해야 할 주물 거친 면은 도면 치수보다 여유 있게 만듭니다. 이 여분을 기계 가공 여유량이라 하며, 해당 면 모서리는 피니시 마크(V 또는 F)로 표시합니다. 여유량은 (1) 금속 종류, (2) 주물 크기·형상, (3) 주형 방식에 따라 달라지며, 수작업 주형용 표준값이 표로 정리돼 있습니다.
크기·형상·금속 종류에 따라 냉각 중 뒤틀림(휨)이 생기는 주물이 있습니다. 불균등 수축 탓인데, 벽 두께 차이나 한쪽 면이 더 노출돼 빨리 식는 게 원인입니다. 패턴을 반대 방향으로 미리 휘게 만들어(캠버) 보상합니다. 예: U자형 주물은 다리가 벌어지려 하므로, 패턴은 다리가 모이게 만듭니다. 냉각 후 다리가 펴져 평행이 됩니다. 데이터상 정해진 값은 없으나, 대형 주물 기준 표준 가공 여유량에서 최대 20mm까지 줍니다.
패턴을 주형에서 빼기 전 두들기면(래핑) 주형 공동이 약간 커집니다. 치수 정밀도가 중요한 주물은 이를 보정해 패턴을 실제보다 약간 작게 만듭니다.
패턴 재료 선택의 주된 기준:
좋은 패턴 재료의 조건:
이를 만족하는 재료군: 목재·목재 제품, 금속·합금, 석고, 플라스틱·고무, 왁스.
가장 흔한 패턴 재료로 위 조건 다수를 충족합니다. 가공이 쉽고 구하기 쉽습니다. 접합, 굽힘, 곡면 가공이 자유롭고, 샌딩으로 매끄러운 면을 낼 수 있으며, 셸락 도장으로 보존합니다(목재 패턴 마감제로 가장 흔함).
대량 생산이나 목재가 견디기 힘든 혹독한 조건에서 씁니다. 습기에 형상 변화가 없고, 보관 중 뒤틀림이 없습니다. 기계 주조에서 정밀도·내구성·강도 덕에 매우 유용합니다. 보통 목재 마스터 패턴에서 주조해 만듭니다. 금속 패턴을 마스터 패턴에서 주조할 때는 이중 수축을 고려해야 합니다. 예: 황동 패턴으로 주철 주물을 뽑을 때, 마스터 패턴 여유량 = 황동 14mm/m + 주철 10mm/m = 24mm/m. 주철, 강, 황동, 알루미늄, 백색 금속 등이 쓰입니다.
특수 고정밀 패턴에 쓰입니다. 강하고 주형 면이 매끄럽고 예리하게 나오며 모래 마모에 강합니다. 하지만 무겁고 잘 깨집니다. 녹이 잘 슬어 건조 보관 필요.
소형 금속 패턴에 적합. 강하고 녹 안 슬며 주철보다 나은 표면 마감이 나오고 모래 마모에 강합니다. 하지만 주철보다 무거워 소형으로 제한됩니다.
가장 범용적인 금속. 녹는점이 낮고, 연질이라 가공 쉽고, 가볍고, 내식성 우수. 다만 연질이라 거친 다루기에 손상되기 쉽습니다.
패턴용으로는 잘 안 쓰나, 정교하고 미세한 형상 제작에 최적입니다. 다이캐스팅 합금으로 불리며 다이캐스팅에 널리 쓰입니다. 녹는점 약 200℃, 수축 거의 없음. 비교 평가표(Table 11.1) 참조.
현대적 패턴 재료로 부상 중. 수분 흡수 없고, 강하며 치수 안정, 내마모성, 매끄러운 광택 표면, 경량. 광택 표면 덕에 이형제 없이도 주형에서 쉽게 빠집니다. 고체 수축도 매우 낮습니다. 플라스틱 패턴 제작 시 목재 마스터 패턴으로 몰드(주로 파리 석고)를 만들고 거기에 플라스틱 레진을 부어 만듭니다. 열경화성(에폭시 레진 인기)과 열가소성(폴리스티렌 폼 일반적) 두 종류를 씁니다.
실리콘 고무 등 특정 고무는 정밀 주조(인베스트먼트 캐스팅)용 복잡한 다이 제작에 유리합니다. 에폭시처럼 바인더와 경화제 2액형으로, 액상 혼합 후 마스터 패턴이나 다이에 부어 경화시키면 고체 패턴이 됩니다.
파리 석고(석고 시멘트)도 패턴·코어 박스 제작에 쓰입니다. 압축 강도 높음(최대 300kg/cm²), 목공 도구로 가공 가능. 활석·시멘트·물 혼합으로 가소성 덩어리 만들어 주조합니다. 팔로우 보드 제작에도 편리. 울트라칼, 하이드로칼, 하이드로스톤, 패턴숍 하이드로칼 등 전용 제품도 있습니다. 마스터 패턴 몰드에 슬러리 부어 만들거나, 스위프-스트라이크오프 방식으로 성형합니다.
정밀 주조(인베스트먼트 캐스팅)용 왁스 패턴에 최적. 여러 왁스 혼합에 중합제, 안정제 등 첨가. 파라핀, 셸락, 밀랍, 세레신, 마이크로크리스탈린 왁스 등을 씁니다. 원하는 특성: 저회분(≤0.05%), 1차 코트 재료에 내성, 고인장강도·경도, 우수한 용접 강도. 보통 액상 또는 반액상 왁스를 분할 다이에 사출 성형하며, 수축 방지·강도 향상을 위해 고체 사출도 씁니다.
산업기술
배관 설비(plumbing fixtures)는 배관 시스템 중 고유한 용도와 적용처가 있는 부품을 말합니다. 이는 파이프처럼 물만 운반하는 다른 배관 부품과 구별됩니다. 예를 들어 수도꼭지(faucet)는 틀면 물이 나와 설비입니다. 다른 대표적 설비: 변기, 샤워헤드, 비데, 욕조, 세면대. 배관 시스템 기본 목적은 청소, 요리, 폐기물 처리를 위해 물을 지정된 영역으로 분배하는 것입니다. 가정용 3대 분류: 주방, 욕실, 배관 시스템 설비 가정용 배관 설비는 주방 설비, 욕실 설비, 배관 시스템 설비 세 범주로 나뉩니다. 주방
다년생 작물(perennial crops)은 매년 재식할 필요 없이 해마다 식량을 생산하므로, 상업적으로 재배하기 가장 비용 효율적이고 환경 친화적인 식물 유형 중 하나입니다. 일반적으로 네 가지 종류가 있으며, 일부는 다른 것보다 더 흔합니다. 많은 과일 품종이 자연적으로 다년생이지만, 해마다 다시 자라는 채소 작물은 훨씬 적습니다. 일반적으로 인간이 가장 많이 소비하는 곡물은 일년생(annuals)이지만, 다년생 작물의 환경·재정적 이점 때문에 재식할 필요 없는 하이브리드 곡물이 개발되기도 했습니다. 이 범주에 속하는 콩과 식물
