KIAT-0935.HWP

Transcription

1 초경량 / 고품위전자기기외장케이스개발을위한마그네슘프레스금형 / 성형기술지원 한국생산기술연구원 ( 주 ) 이노캐스트 산업자원부

2 초경량 / 고품위전자기기외장케이스개발을위한마그네슘프레스금형 / 성형기술지원 한국생산기술연구원 ( 주 ) 이노캐스트 산업자원부 2

3 제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 초경량/ 고품위전자기기외장케이스개발을위한마그네슘프레스금 형/ 성형기술지원 ( 지원기간 : ~ ) 과제의기술지원성과보고서로제출 합니다 지원기관 : ( 기관명) 한국생산기술연구원 ( 대표자) 나경환 지원기업 : ( 기업명) ( 주) 이노캐스트 ( 대표자) 최락헌 지원책임자 : 김홍규 참여연구원 : 김기덕 : 홍석관 : 김대욱 : 우병대 : 이민삼 3

4 기술지원성과요약서 과제고유번호연구기간 ~ (12 개월) 연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업 지원과제명 초경량 / 고품위전지기기외장케이스개발을위한마그네슘프레스금형 / 성형기술지 원 지원책임자김홍규지원연구원수 총 : 3명 내부: 3명 외부: 0명 총 사업비 정부: 90,000천원 기업: 90,000천원 계: 180,000천원 지원기관명한국생산기술연구원소속부서명정밀금형팀 참여기업기업명 : ( 주) 이노캐스트기술책임자: 김대욱 요약 외장케이스제품설계기술지원 보고서 공정비용절감을위해압연판재의품질과무관한성형성확보할수있도록 Note PC 케이스패턴형상설계 면수 상대부품에대한내부조립기구설계가가능하도록해당기초데이터확보 온간프레스금형설계및제작기술지원 마그네슘압연판재의성형성을고려하여상/ 하형에따른별도온도제어및국부미 세온도제어가가능하도록금형가열시스템개발 공정불량억제력을높이기위한형상부 Shape factor를최적화한프레스금형설계 기술확보 서보프레스기반의케이스성형공정기술지원 마그네슘판재의서보프레스성형시험및평가를통해기초적인인장시험과딥드 로잉시험, FEM 시뮬레이션수행 기초시험, 시뮬레이션, 실제프레스성형시험의결과를기초로하여최적공정조건 ( 성형온도/ 변형량/Shape Factor 등) 을도출하였으며양산성확보의토대마련 외장케이스시제품제작및특성평가기술지원 확보된공정기술을토대로하며 Note PC 케이스시작품제작 해당제품에대한도장및가조립완료하여프레스성형을통해기존다이캐스팅주 조공법에비하여우수한양산성과원가절감효과가얻어질수있음을확인 색인어 ( 각 5 개이상) 한글마그네슘, 프레스, 금형, 전자기기, 케이스 영어 Magnesium, Press, Die, Electronic appliance, Case 4

5 기술지원성과요약문 1. 사업목표 최근일본에서는온간프레스금형기술을적용하여마그네슘판재기반의상용화제품을 개발하였고, 포스코는마그네슘판재사업에본격진출하였다. 이에따라조만간기존의 다이캐스팅제품시장이급속히판재프레스성형제품시장으로전환되고, 기계적특성 미흡으로인해적용이어려웠던구조부품시장도새로창출될것으로기대된다. ( 주) 이 노캐스트는이러한시대적추세에따라마그네슘판재프레스성형기술의기반을확보 하고이를통해전자기기케이스제품을개발, 상용화하고자한다. 따라서마그네슘소 재기술, 표면처리기술, 도장기술, 시험기술등을이미보유한 ( 주) 이노캐스트에한국 생산기술연구원이보유한서보프레스기술, 온간금형설계/ 제작기술, 금형가열/ 냉각제 어기술, 온간윤활기술, 제품및공정설계를위한성형해석기술을종합적으로지원하 여제품개발을지원하고이를통해향후국내는물론세계시장에서마그네슘판재프 레스부품시장을개척할수있도록하고자한다. 구체적으로는다음각각의기술에대한 지원을수행하고자한다. 전자기기외장케이스개발을위한 Mg 판재물성/ 성형성평가 전자기기 1 장케이스개발을위?# 은갓프레스금형설계/ 제작 전자기기외장케이스개발을웠한서보프레스기반의제품시성형 전자기기외장케이스개발을위한 CAE 해석및제품설계응용 5

6 2. 기술지원내용및범위 Mg 판재물성/ 성형성평가 마그네슘소재별물성데이터분석 마그네슘판재의물성측정시험 마그네슘판재의조직측정/ 분석 마그네슘물성시험데이터의활용기술 마그네슘판재의성형성측정시험 마그네슘판재의성형성평가 성형성평가데이터분석기술 온간프레스금형설계/ 제작 온간프레스금형가열모듈기술 온간프레스금형냉각모듈기술 온간프레스금형온도제어 온간프레스금형온도측정 온간프레스금형설계 온간프레스금형제작 온간프레스금형윤활기술 서보프레스기반제품시성형 성형성을고려한프레스모션설계 서보프레스제어및프로그래밍 서보프레스기반의제품시성형 서보프레스성형공정최적화 CAE 해석및제품설계응용 Mg Mg Mg Mg CAE 프레스성형공정변수측정 프레스성형공정모델링 프레스성형공정해석 프레스성형해석결과분석 해석에의한제품설계 제품설계최적화 6

7 3. 지원실적 지원항목 기술지원前 지원내용 기술지원後 비고 Mg 판재 물성/ 성형성평가 정량적데이터부족 온도, 속도별물성및 성형성데이터확보 정량적평가완료 온간프레스금형 설계/ 제작 온간프레스금형기술부재 Mg 성형용온간프레 스금형의 기반기술확보 설계/ 제작 설계및제작완료 서보프레스기반 제품시성형 서보프레스기술부재 서보프레스기반성형 기술화보 제품시성형완료 CAE 해석및제품 Mg 프레스성형 CAE Mg 특성을 고려한 제품설계응용수 설계응용 기술부재 CAE 활용기술축적 행 4. 기술지원성과및효과 1) 해당기술적용제품 o 적용제품명 o 모델명 : : NotePC Case 본기술개발사업을통해기존다이캐스팅공정에국한된마그네슘노트북케 이스생산량을대체할수있는제품설계기술을확보하였고이를위한데이터베 이스구축및시작품제작을성공적으로완료하였다. 그리고향후본연구개발을 통하여축적한데이터베이스를토대로하여노트북케이스외에도디지털카메라, 휴대전화, MP3 플레이어등여러전자산업분야로적용범위를넓힘과아울러 향후자동차산업분야에진출할수있는초석을마련하였다. 다만, 현재까지수요업체(LG 전자등) 가 Mg 판재외장케이스제품을완성품에적 용할지여부를시장상황에따라예의주시하고있는상황이고실제적용제품이발 생하지는않고있다. 이에대해서는 ( 주) 이노캐스트측에서좀더시간을두고노력 할필요가있는상황이다. 7

8 2) 품질및가격 구 분 경쟁제품 경쟁제품대비품질중국 WAFFER 社 Note case 경쟁제품대비가격중국 WAFFER 社 Note case 해당기술적용제품 지원전 지원후 대등 높음 높음 대등 비고 3) 원가절감효과 구분절감금액비고 원부자재절감 인건비절감 계 60 백만원/ 년( 30%) 차년도예상매출기준 140 백만원/ 년( 70%) 200 백만원/ 년( 100%) ( 근거자료) 프레스성형을통한마그네슘합금노트 캐스팅공정대비약 70% 에비해우수한원가경쟁력확보가가능. PC케이스제작기술의확보시기존다이 전후제조원가로양산이가능하여해외및국내기업들 다이캐스팅 프레스성형 공정 공정원가 공정 공정윈가 마그네슘잉곳마그네슘판재 100 다이캐스팅주조 256 가공 프레스성형 세척 100 세척 46 사상표면처리 표면처리 퍼티도장 100 도장 69 개별단가 100 개별단가 69 금형단가 100 금형단가 70 합계 100 합계 69 8

9 4) 적용제품시장전망 ( 매출성과 ) 구분당해연도매출차년도예상매출전년대비증가비율비고 내수 0 백만원/ 년 500 백만원/ 년 % 수출 0 천달러/ 년 0 천달러/ 년 % 계 0 백만원/ 년 500 백만원/ 년 % 마그네슘합금프레스성형기술의확보를통하여추후노트북케이스외다양 한전자산업기기에적용할경우 2009년이후약 61억에이르는시장을형성할 수있을것으로생각된다. ( 단위: 억원, 당사다이캐스팅생산수량토대로산출함) 판매 계획 구분 년도 내수 수출 계 ) 수입대체효과 모델명당해연도수입액차년도수입액수입대체금액비고 Top case Bottom case 계 0 천달러/ 년 500 천달러/ 년 500 천달러/ 년 0 천달러/ 년 300 천달러/ 년 300 천달러/ 년 0 천달러/ 년 500 천달러/ 년 500 천달러/ 년 6) 해당기술의기술력향상효과 국내개발된바없는마그네슘합금프레스성형공정을통한노트북케이스제조원 천기술확보. 마그네슘합금프레스성형의양산화를위한기초데이터확보. 9

10 7) 기술적파급효과 박육제품성형한계의극복과표면처리등의후처리비용감소기대. 공정단축을통한생산성, 양산성의획기적발전기대. 기존 Mg 부품의고품질화( 기계적강성, 표면품질, 내구성). 전자기기케이스를시작으로향후수송기기부품으로의적용확대기대. 세계적으로초기단계에있는 Mg 형/ 성형산업인프라의비약적발전기대. 판재프레스성형핵심기술구축으로향후프레스금 5. 적용기술인증, 지적재산권획득여부 1) 규격, 인증회득 인증명품목인증번호승인기관인증일자 2) 지적재산권 종류명칭번호 발명자 ( 고안자) 권리자 실시권자 비고 ( 등록, 출원) 10

11 6. 세부지원실적 항 기술정보제공 시제품제작 양산화개발 공정개선 품질향상 시험분석 목 수출및해외바이어발굴 교육훈련 지원건수 지원성과 18건 Mg 온간서보프레스금형/ 성형기술정보확보 15건 Mg 판재외장케이스시제품개발기술확보 0건 0건 0건 2건 0건 0건 기술마케팅/ 경영자문 0건 정책자금알선 논문게재및학술발표 사업관리시스템 지인실적업로드회수 참여기업방문회수 0건 12건논문게재 3 건, 학술발표 9건 33 건 33건 기타 0건 상기세부지원실적에대한세부내용첨부 7. 종합의견 기술정보제공및시제품제작지원을통해 ( 주) 이노캐스트의 Mg판재노트PC 케이스 시제품개발을성공적으로수행함. 업체의기술지원수요에따른맞춤형지원수행함. 현재까지는양산제품적용을위해수요업체와의향후지속적협력이필요한상황임. 11

12 연구과제 ( 세부과제 ) 성과 1. 과학기술연구개발성과논문게재성과 논문게재세부사항 (9) 게재년도 (10) 논문명 주저자 (11) 저자교신저자 공동저자 (12) 학술지명 (13) Vol. (NO.) (14) 국내외구분 (15) SCI 구분 AZ31 판재의온간사각컵디프드로잉에서금형설계에대한성형성민감도의평가마그네슘합금판재의온간딥드로잉공정의성형해성 NonIsothermal Simulation of Warm Circular Cup Deep Drawing Processing of an AZ31 Magnesium Alloy Sheet 김홍규 김홍규 김기덕 이명한 오수익 김헌영김홍규 김헌영 이명한 오수익 김홍규 김기덕 한국소성가공학회지한국소성가공학회지 Materials Transactions 16(2) 국내 비SCI 16(5) 국내 비SCI 49(5) 국외 SCI 2. 사업화성과 특허성과 Ο 출원된특허의경우 세부사항 (9) 출원년도 (10) 특허명 (11) 출원인 (12) 출원국 (13) 출원번호 Ο 등록된특허의경우 특허세부사항 (9) 등록년도 (10) 특허명 (11) 등록인 (12) 등록국 (13) 등록번호 12

13 사업화현황 (9) 사업화명 (10) 사업화내용 업체명 사업화세부사항 (11) 사업화업체개요대표자종업원수사업화형태 (12) 기매출액 ( 백만원 ) (13) 당해연도매출액 ( 백만원 ) (14) 매출액합계 ( 백만원 ) 고용창출효과 (9) 창업 ( 명 ) 고용창출세부사항 (10) 사업체확장 ( 명 ) (11) 합계 ( 명 )

14 세부지원실적증빙내용 1. 참여기업현장방문 : 33 건 NO. 일자 구체적내용 증빙유무 향후기술개발일정과지원방안협의 유 서울대에서의 Mg판재성형개발정보제공및금형개발전략논의 생기원딥드로잉금형시험현황및개발상예상문제점논의 생기원딥드로잉금형구조및세부스펙정보제공 생기원딥드로잉금형구조및세부스펙정보제공 (2) Mg판재딥드로잉금형시험수행및문제점정보공유지원 Mg 판재프레스제품개발동향및시장정보제공 Mg 판재프레스성형기술개발정보제공 Mg판재딥드로잉금형시험수행및문제점정보공유지원 (2) 온간프레스금형개발가능업체정보제공 온간프레스금형/ 성형관련기술정보제공 온간프레스금형개발가능업체정보제공 (2) 프레스금형제작업체선정을위한미팅참석및기술자문 포스코기술연구소기술개발정보제공 프레스금형제작업체선정을위한미팅참석및기술자문 Mg 판재성형프레스금형개발업체방문및기술협의지원 프레스금형제작업체선정을위한기술력분석지원 Mg 판재노트북프레스금형기본설계를위한기술지원 Mg판재노트북프레스금형기본설계를위한기술지원 (2) 일본에서의 Mg 판재기술개발정보제공지원 전남신소재센터입주기업의 Mg판재부품개발동향정보제공 Mg 노트북성형을위한예비시험지원 Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (2) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (3) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (4) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (5) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (6) 해외학회(Plasticity2008) 참가에따른 Mg프레스기술동향제공 Mg판재 FSW(Friction Stirred Welding) 기술정보제공및활용방안논의 Mg 판재도장품질검토및윤활방안논의 실무책임자퇴사에따른기술지원현황점검및세부기술내용제공 열간성형공정에서금형냉각시열전달효과의평가기술정보지원 Mg 노트북성형시험및시제품제작평가지원 14

15 2. 기술정보제공 : 18 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 향후기술개발일정과지원방안협의유 서울대에서의 및금형개발전략논의 MG판재성형개발정보제공 생기원딥드로잉금형시험현황및개발상 예상문제점논의 생기원딥드로잉금형구조및세부스펙 정보제공 생기원딥드로잉금형구조및세부스펙 정보제공 (2) Mg 판재딥드로잉금형시험수행및문제 점정보공유지원 Mg 판재프레스제품개발동향및시장정 보제공 Mg 판재프레스성형기술개발정보제공 Mg 판재딥드로잉금형시험수행및문제 점정보공유지원 (2) 온간프레스금형/ 성형관련기술정보제 공 포스코기술연구소기술개발정보제공 Mg 판재성형프레스금형개발업체방문및 기술협의지원 일본에서의 Mg판재기술개발정보제공 지원 전남신소재센터입주기업의 Mg판재부품 개발동향정보제공 해외학회(Plasticity2008) 프레스기술동향제공 참가에따른 Mg판재 FSW(Friction Stirred Welding) 술정보제공및활용방안논의 Mg 기 실무책임자퇴사에따른기술지원현황점 검및세부기술내용제공 열간성형공정에서금형냉각시열전달효과 의평가기술정보지원 15

16 3. 시제품제작 : 15 건 NO. 일자 구체적내용 증빙유무 온간프레스금형개발가능업체정보제공 유 온간프레스금형기발가능업체정보제공 (2) 프레스금형제작업체선정을위한미팅참석및기술자문 프레스금형제작업체선정을위한미칭참석및기술자문 프레스금형제작업체선정을위한기술력분석지원 Mg판재노트북프레스금형기본설계를위한기술지원 Mg판재노트북프레스금형기본설계를위한기술지원 (2) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (2) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (3) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (4) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (5) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (6) Mg판재도장품질검토및윤활방안논의 Mg 노트북성형시험및시제품제작평가지원 16

17 4. 시험분석 : 2 건 NO. 일자 구체적내용 증빙유무 마그네슘합금광학이미지촬영 유 마그네슘합금인장시험 유 17

18 5. 기술지원실적업로드 : 33 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 향후기술개발일정과지원방안협의 유 서울대에서의 Mg판재성형개발정보제공및금형개발전략논의 생기원딥드로잉금형시험현황및개발상예상문제점논의 생기원딥드로잉금형구조및세부스펙정보제공 생기원딥드로잉금형구조및세부스펙정보제공 (2) Mg판재딥드로잉금형시험수행및문제점정보공유지원 Mg 판재프레스제품개발동향및시장정보제공 Mg 판재프레스성형기술개발정보제공 Mg판재딥드로잉금형시험수행및문제점정보공유지원 (2) 온간프레스금형개발가능업체정보제공 온간프레스금형/ 성형관련기술정보제공 온간프레스금형개발가능업체정보제공 (2) 프레스금형제작업체선정을위한미팅참석및기술자문 포스코기술연구소기술개발정보제공 프레스금형제작업체선정을위한기술력분석지원 Mg판재성형프레스금형개발업체방문및기술협의지원 프레스금형제작업체선정을위한기술력분석지원 Mg판재노트북프레스금형기본설계를위한기술지원 Mg판재노트북프레스금형기본설계를위한기술지원 (2) 일본에서의 Mg 판재기술개발정보제공지원 전남신소재센터입주기업의 Mg판재부품개발동향정보제공 Mg 노트북성형을위한예비시험지원 Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (2) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (3) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (4) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (5) Mg 노트북성형을위한예비시험지원 (6) 해외학회(Plasticity2008) 참가에따른 Mg프레스기술동향제공 Mg판재 FSW(Friction Stirred Welding) 기술정보제공및활용방안논의 Mg 판재도장품질검토및윤활방안논의 실무책임자퇴사에따른기술지원현황점검및세부기술내용제공 열간성형공정에서금형냉각시열전달효과의평가기술정보지원 Mg 노트북성형시험및시제품제작평가지원 18

19 목 차 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 제 2 절기술지원목표 제 3 절기술지원내용 제 2 장국내외기술현황 제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1 절기술지원수행 제 2 절기술지원성과 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 5 장기술지원결과의활용계획 부록 19

20 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 ( 주) 이노캐스트는현재마그네슘다이캐스팅공법을적용하여전자기기류( 예: 노트 북, DVD) 외장케이스및자동차부품류를자체생산하여 LG 전자, GM대우를비롯 한대기업에수년간납품하고있다. 다이캐스팅공법은다양하고복잡한형상의마 그네슘부품을정밀하게제조할수있으나제품의기계적강도, 표면특성, 박육제 품성형성등에서는아직기술적어려움이있는상태이다. 반면소성가공기술을 기반으로하는프레스성형공법은마그네슘소재고유의난성형성과더불어압연 판재의고가특성으로인해그동안널리적용되지못했다. 최근일본을비롯한몇 몇선진국에서는서보프레스와온간금형을결합한새로운정밀프레스금형기술을 적용하여일부전자기기케이스류에대해마그네슘판재기반의상용화제품을생 산, 판재하고있으며, 향후마그네슘판재를사용한프레스성형부품시장의급속한 확대가기대되는상황이다. 또한작년에포스코가마그네슘판재사업에본격신출 함에따라조만간기존의다이캐스팅제품이급속히판재프레스성형제품으로전 환되고, 기계적특성미흡으로인해적용이어려웠던구조부품시장도새로창출 될것으로기대된다. ( 주) 이노캐스트는이러한시대적추세에따라현재초기단계 인마그네슘판재프레스성형기술의기반을확보하여기존의다이캐스팅사업의 상당부분을장기적으로판재프레스사업으로전환하고신시장을개척하고자한 다. 마그네슘소재의경우워낙소성가공성이좋지않기때문에프레스금형/ 성형 제품을개발하기위해서도소재고유의특성에대한노하우간여전히매우중요하 고, 여기에일반프레스금형/ 성형보다기술적으로어려운서보프레스기반의온간 프레스금형/ 성형기술에대한전반적인지원이필요하다. 따라서마그네슘소재기 술, 표면처리기술, 도장기술, 시험기술등을이미보유한 ( 주) 이노캐스트에한국 생산기술연구원이보유한서보프레스기술, 온간금형설계/ 제작기술, 금형가열/ 냉 각제어기술, 온간윤활기술, 제품및공정설계를위한성형해석기술을종합적으 로지원하여상용화를목표로하는제품개발을지원하고이를통해얻는시너지 효과를극대화하여향후국내는물론세계시장에서마그네슘판재프레스부품시 장을개척할수있도록하고자하였다. 20

21 제 2 절기술지원목표 최근일본에서는온간프레스금형기술을적용하여마그네슘판재기반의상용화제 품을개발하였고, 포스코는마그네슘판재사업에본격진출하였다. 이이따라조만 간기존의다이캐스팅제품시장이급속히판재프레스성형제품시장으로전환되 고, 기계적특성미흡으로인해적용이어려웠던구조부품시장도새로창출될것 으로기대된다. ( 주) 이노캐스트는이러한시대적추세에따라마그네슘판재프레스 성형기술의기반을확보하고이를통해전자기기케이스제품을개발, 상용화하고 자한다. 따라서마그네슘소재기술, 표면처리기술, 도장기술, 시험기술등을 이미보유한 ( 주) 이노캐스트에한국생산기술연구원이보유한서보프레스기술, 온간 금형설계/ 제작기술, 금형가열/ 냉각제어기술, 온간윤활기술, 제품및공정설 계를위한성형해석기술을종합적으로지원하여제품개발을지원하고이를통해 향후국내는물론세계시장에서마그네슘판재프레스부품시장을개척할수있도 록하고자한다. 구체적으로는다음의기술지원목표를달성하고자한다. 전자기기외장케이스개발을위한 Mg 판재물성/ 성형성평가 전자기기외장케이스개발을위한온간프레스금형설계/ 제작 전자기기외장케이스개발을위한서보프레스기반의제품시성형 전자기기외장케이스개발을위한 CAE 해석및제품설계응용 21

22 제 3 절기술지원내용 Mg 판재물성 / 성형성평가 마그네슘소재별물성데이터분석지원 마그네슘판재의물성측정시험기술지원 마그네슘판재의조직측정/ 분석기술지원 마그네슘물성시험데이터의활용기술지원 마그네슘판재의성형성측정시험기술지원 마그네슘판재의성형성평가기술지원 성형성평가데이터분석기술지원 온간프레스금형설계 / 제작 온간프레스금형가열모듈기술지원 온간프레스금형냉각모듈기술지원 온간프레스금형온도제어기술지원 온간프레스금형온도측정기술지원 온간프레스금형설계기술지원 온간프레스금형제작기술지원 온간프레스금형윤활기술지원 서보프레스기반제품시성형 성형성을고려한프레스모션설계기술지원 서보프레스제어및프로그래밍기술지원 서보프레스기반의제품시성형기술지원 서보프레스성형공정최적화기술지원 CAE 해석및제품설계응용 Mg Mg Mg Mg CAE 프레스성형공정변수측정기술지원 프레스성형공정모델링기술지원 프레스성형공정해석기술지원 프레스성형해석결과분석기술지원 해석에의한제품설계기술지원 제품설계최적화기술지원 22

23 제 2 장국내외기술현황 현재까지노트북 PC 케이스및 DVD 플레이어케이스등의전자제품에마그네슘 을사용한예는일부제조사에국한되어있으며, 대부분고속고압다이캐스팅을 제조공정으로사용하였다. 이는마그네슘합금이전산업분야에걸쳐있는경량화 요구에부합하면서도상대적으로우수한박육제품주조성을가지고있기때문에 가능한일이었으며, 전자분야에서는특히일본내제조업체들을중심으로하여 DVD, 노트북, 디지털카메라, 이동전화등의내외장재로적용되어왔다. 특히가장 보편화되어있는공정증하나인마그네슘다이캐스팅공법은일본외에도전세계 노트북시장의 70% 이상을 OEM으로공급하고있는대만의 ASUS, MSI, GIGABYTE 등에서고급모델의케이스생산에적용하고있다. 이와같은국외선발주자들과의경쟁에서품질및가격경쟁력을확보하기위해서 는프레스성형법에의한부품제조기술개발이필수적으로요구되며이를통해 국내외마그네슘합금산업분야의환경적/ 기술적요구를만족시켜야한다. 또한 모델변화가빠르고생산량변화가극심한전자부품시장의변화에대응하기위해 서도, 강화플라스틱소재의신공정적용과설계적대응에비해가격적인면에서 우위를점하기위해서도해당기술의개발이절실히필요한시점에이르렀다고할 수있을것이다. 최근일본에서는 5~7년전부터개발을진행해온마그네슘프레스성형기술을활 용하여노트PC 케이스의양산을개시하였으며, 이를위해구조적설계기술및합 금개발, 공정기술을이미확보해놓은상태이다. 일본의 SANKI co. Itd. 와 A.J.C co. Itd., 마쯔시타전기가공동개발한마그네슘프레스성형기술로생산한노트 PC 케이스는 2002년도일본내에서 2개월간노트북판매순위중 1위점한바있 으며, 마그네슘프레스성형기술개발을본격화시키는데에기폭제가되어일본 3~4개사에서노트PC 양산적용에박차를가하고있다. 이에비해국내에서는지금까지양산적용을위한마그네슘프레스성형기술에대 한연구는거의전무한실정이며, 국내일부대학및연구기관에서학술연구의 일환으로프레스단조기술개발및온도에따른성형특성연구를진행하고있는 상태이다. 마그네슘프레스성형공정에있어서현재까지의기술적인한계로는소 재특성및공정의이해를통한공정개발과금형/ 윤활기술개발등이있으며, 양산화 를위해서는다방면의연구개발을통해이들문제의해결이필요한상황이다. 그 러나마그네슘판재의온간프레스금형설계기술, 공정기술, 윤활기술등에대해서는 아직까지국내외에서보고된연구결과가충분하지않은상황이고대부분의핵심기 술들은현재연구개발진행중이다. 23

24 소재특성및공정이해를통한공정개발측면에서볼때, 마그네슘프레스성형공정은주조공정에비해서는상대적으로적은공정변수를가지고있어충분한연구지원이이루어진다면그결과를빠른시일내에도출할수있다. 일반적으로조밀육방정결정구조를갖는마그네슘합금은작동슬립계의수가적기때문에상온성형성이나쁘고상대적으로고온에서소성가공이이루어져야한다. 또한성형성극대화를위해서는승온과정과변형과정에서발생하는기계적쌍정의제어도필요한것으로알려져있다. 현재까지의소성가공기술은주로제품의성형성이확보되는온도변수의확립에주력하였으나미세구조와의상관관계, 열처리조건의영향등에대한기초적인연구결과와함께이를실제양산에적용하기위한공정설계적인측면에서의연구성과가미약하며, 그로인해가공재의성형능력에일정한계를보이고있어그적용범위가상대적으로넓지않다. 따라서대학및연구소와같은학술연구기관에서는마그네슘합금의프레스성형을위한소재변형기구정립과이에따른최적성형공정을도출하고, 기업에서는이를토대로하여양산라인을구축할수있도록지속적인상호협력이이루어져야할것이다. 1 압연판재 MD Player Case ( 일본 Sony) 2 압연판재노트 PC 케이스 ( 일본 Panasonic) 표 1 국내ㆍ외의주요연구개발현황 연구수행기관연구개발의내용연구개발성과의활용현황 RIST 판재 Strip Casting 생산기술 POSCO의판재사업추진 이노캐스트社 Mg 다이캐스팅공법전자부품, 자동차부품생산 Aida, Komatsu 서보프레스 (Mg 프레스성형用 ) Mg 프레스성형에활용 Sony Hitachi와공동으로 Mg 프레스성형기술세계최초로 MD케이스제조 Casio Mg 프레스성형기술 디지털카메라케이스제조 Panasonic Mg 프레스성형기술 노트북컴퓨터케이스제조 폭스바겐外 Mg 압출, 단조자동차부품개발시도 생기원, 기계연外 Mg 프레스성형기반기술 Prototype 개발시도 서울대外 Mg 프레스성형해석기술 금형/ 성형기술개발과연계 24

25 제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1 절기술지원수행 1. 마그네슘판재노트 PC 케이스제품설계 기존의고속고압다이캐스팅주조를이용한마그네슘합금박육제품의개발은 1.2mm 가거의한계이며, 그이하의두께에서는공정불량률이 50% 가까이에달해 다이캐스팅이효율적인공정이되지못한다. 프레스성형을이용한생산시에도두 께 0.6mm이하의초박형제품생산에는유리하나소재자체의두께가얇기때문에 인장강도는확보가되지만제품의평탄도유지및형상적왜곡의억제가어려운 난점이있다. 따라서제품에요구되는우수한기계적특성을확보하기위해서는최 적화된케이스설계가필요하며이를위하여다음표2와같은다양한패턴의적용 여부를검토하였다. 표 2 패턴방안별설계적용검토 NO 패턴장점단점 1 압연판재의 ND/RD 집합조직분포에따른위치별성형성차이가거의없음 패턴간단절로인하여중 앙부강성저하우려됨 2 압연재 스트라이프패턴방향이 RD방향과일치할경 우우수한성형성예상됨. 스트라이크/ 타원형 교차부강성증가 패턴 스트라이프/ 타원형패턴교차점성형시형상제한으로크랙발생가능성높음 3 스트라이프패턴방향이압연재 RD 방향과일치할경우우수한성형성예상됨. 패턴방향에따른강성은 우수하나압연재 ND 방향측 의 굽힘 저항성 약화 우려 됨. 4 선정안 압연재의방향성과무관하 게성형성확보가가능함 만곡부 R값책정시기존패턴보다수회반복시험이필요할것임. 25

26 2. 마그네슘판재물성 / 성형성기본특성조사 대부분의합금소재와동일하게마그네슘합금은 250 전후의온간가공및그 이상의열간가공시에동적재결정에의하여비교적양호한소성가공성을보이게 되며, 온도가증가함에따라우수한인장특성을보이게된다. 그예로써대표적인 상용마그네슘합금인 AZ31B 의인장특성은아래과같이보고되어있으며, 한계드로잉비율역시인장특성과동일한특성을보이는것으로나타나프레스 성형을위한금형제삭시에가열시스템을적용하는기준으로삼았다. 6 상용 AZ31B 합금의고온인장특성변화예시 7 성형온도에따른 Mg 합금의한계드로잉비변화예시 26

27 또한마그네슘합금압연판재는상온및고온변형시에내부에분포하는집합조 직에따라그성형성이크게좌우된다. 일반적으로마그네슘합금판재는냉간제 조가불가능하여온간압연을통해생산하는데, 주로 {0001}<001> 집합조직성분이발달하게된다. 압연진행방향에서보았을때에 집합조직은압연과같은판재제조및이후의성형공정에서압연방향(RD/ND) 에 따른소성가공성의차이가발생하는원인을규명하기위하여연구가시작되었으 며, 특히철강소재의가공성에큰영향을미치는것으로알려져있다. 이때압연 방향은 RD(Rolling Direction), 두께방향은 TD (Transverse Direction), 판재의평 면은 ND (Normal Direction) 으로통칭한다. 에를틀어, 집합조직상에서 {112}<111> 성분이많다는것은물적적의미로보았을때에는압연방향에서보 았을때에해당슬립계에의한소성변형이이루어질확률이높다는것을뜻하며, 해당마그네슘합금판재의경우에는주로 {0001}<001> 집합조직성분이높게 나타나고있어상온및고온에서의슬립시스템의수는늘어나지않으나온도증가 에의해시스템의활성화가이루어진다는것을의미한다. 3는시험에사용한 합금판재중 AZ31 판재의집합조직분석결과를보여주고있다. 이러한집합조직 의차이는압연및딥드로잉과같은실제소성가공시에판재방향에따른성형 성의차이 ( 소성변형비, 이방성) 로나타나게된다. 8 AZ31B 마그네슘합금판재의온도 방향성 항복강도관계 ("Ansiotropic) Properties of Magnesium Sheet AZ31", Mater Sci. Forum, , 2003) 27

28 따라서압연판재의압연방향및패턴간의방향성이어떤관계로이루어지는가 는판재의소성가공성, 특히드로잉특성에큰영향을미치게되어양산성을좌우 하는요소라할수있으며, 그에따른가공성향상을확보하기위해시는원형및타 원형패턴이가장적합하다고볼수있다. 단타원의만곡부등에서제품의찢김이 나크랙을방지하기위하여적정 R값을 Trial & Error로설정해야하기때문에다른 패턴에비하여시험가공횟수가증가하였다. 3. 마그네슘판재물성 / 성형성평가를위한재료시험및분석결과 재료의특성과파악하기위하여속도별, 온도별인장시험을직접실시하였다. 시편 은 KS B B의규격에따라압연방향기준 0, 45, 90 방향에서채취하여 가공하였다. 인장시험시크로스헤드속도는 6, 60mm/min 로하였다. 11. 인장시편규격 (KS B B) 12 압연판재로부터방위별시편가공 28

29 마그네슘합금인 AZ31 판재의특성파악을위해위와같이가공된시편을대상으 로인장시험을수행하였다. 시험조건을정리하면다음과같다. 시험온도: 상온, 100, 150, 200, 250 시험속도: 6, 60mm/min (0.1, 1mm/sec) 시편방위: 압연방향 (RD) 으로부터 0, 45, 90 시험에서얻어진하중, 변위곡선으로부터온도별, 속도별, 방위별결과를비교하였 다. 그결과는다음과같다. 가. 온도별 온도가상온에서부터증가할수록하중의크기는작아지고연신율은커지는경향을 나타내었다. 이는앞서 6에서보았던바와같이 200 전후에서활성화되는 동적재결정으로인하여연신율이증가하는현상이다. 동적재결정은외부로부터 가해지는응력에의해기존의미세조직내부에서전위들이집적되어전위셀을형 성하게되고, 새로운결정립이형성되고결정립계로전위가소멸되는현상이상호 연속적으로이어지는현상을말한다. 특히 HCP 결정구조를가지는마그네슘합금 의경우에는내부의변형쌍정에의하여다양한변형지구를나타내게되고, 고온 변형시상대적으로예측불가능한변형거동을보이게된다. 13 온도별인장특성변화 나. 속도별각각의시험온도에따라편차는있지만시험속도가증가하면최대하중이점점커지는경향을나타내고있으며, 이는변형속도증가에따라동적재결정및쌍정변형에필요한요건이충족되지않았기때문으로판단된다. 29

30 14. 각온도별변형속도에따른인장특성변화비교 다. 방위별 방위별인장특성은각온도에따라약간의편차는보이고있으나, 압연방향으로 부터 0, 45 에서는서로비슷한경향을나타내고 90 는상대적으로높은인장강 도와낮은연신율을나타내고있다. 이는맞서기술한바와같이마그네슘합금특 유의집합조직특성에기인한것으로, 시험온도에따라조금씩다른집합조직성 분분포를보이기때문에온도별방위별인장특성이조금씩다르게나타나고있 다. 15 판재방위별인장특성변화비교 30

31 4. 마그네슘판재물성 / 성형성평가를위한온간 Deep Drawing 시험및분석결과 Mg 판재의온간성형성평가를위해서온간딥드로잉시험을수행하였다. 마그네슘 판재는상온에서의성형성이매우나쁘다고알려져있고이것은앞의인장시험결 과를통해서도알수있다. 실제노트북성형을수행하기전에기본적인성형성평 가를위해서사각컵형상의딥드로잉금형을제작하였다. 딥드로잉금형은온간 드로잉이가능하도록다이와블랭크홀더에히터를삽입하고, 외부로부터 PID SCR 제어가가능하도록설계하였다. 반면펀치에는히터를삽입하지않고냉각수 유로를가공하였는데, 이것은일반적으로드로잉에서펀치의냉각이성형성이도움 을주기때문에이를구현하기위해서였다. 이때펀치의유로에는 15 의일정한 온도로설정된냉각수가순환되도록하였다. 블랭크홀더의홀더가압을위해서는프레스에별도로설치되어있는압축공기타 입의다이쿠션을사용하였는데, 다이쿠션으로부터연결봉을사용하여블랭크홀더 를지지하였다. 실제딥드로이성형시에는다이쿠션의반발력에의해적절한블 랭크홀딩을할수있도록하였고, 초기에공기압을제어, 설정할수있도록하였다. 성형에최적인블랭크홀딩력을줄수있도록 최초시험시에는윤활제없이딥드로잉성형을수행하였으나다이와의접촉표면 에서의마찰및스크래치등의영향으로작은성형깊이에서도파단이발생하였고 이는온도가올라가도크게향상되지못했다. 따라서접촉면에서의영향을줄이고 최대한소재자체의성형특성을고찰할수있도록다양한윤활제를사용하여성형 시험을하였다. 이에대해서는아래에서다시자세히설명하였다. 상온, 100, 150, 200, 250 의온도에서온간딥드로잉성형시험을수행하였고 온도에따라성형성이두드러지게차이가나타났다. 이에대해서도아래에서다시 자세히설명하였다. 가. 윤활제에따른딥드로잉성형성 윤활제없이디프드로잉을수행한결과온간공정의경우냉간공정에비해성형성 이향상되었으나만족할만한수준의성형성을얻을수는없었다. 이에온간디프 드로잉에적합한윤활제를사용하여성형성을더욱향상시킬수있는지를시험하였 다. 이때온간디프드로이의온도조건이상온에서거의 300 까지의범위인점을 고려하면, 이온도범위에서제기능을발휘할수있는윤활제를사용해야했다. 이 러한점을고려하면일반적인유체윤활유나그리스등에비해고체윤활제가적합 할것으로판단하였다. 따라서본연구에서는다음의 3가지종류의고체윤활제를 선택하였다. 각각의고체윤활제사용시에는마그네슘합금 AZ31 판재블랭크의 상하면에스프레이방식으로도포하여표면에윤활막이형성되도록하였다. 이후 온간딥드로잉시험은무운활시와동일한조건에서수행하였다. 상온, 100, 150, 200, 250 의온도에서온간딥드로잉성형시험을수행하였으 며그결과는아래 18 과같다. 여기서최대드로잉깊이는성형한사각컵에 서파단이발생하는순간까지의드로잉깊이를의미한다. 온도별결과를보면시험 온도증가에따라최대드로잉깊이는증가하는경향을보이나 려감소하고있어기존연구결과에나타난경향과유사하다. 250 가되면오히 31

32 PTFE( 폴리테트라플루오르에틸렌): 260 에서의장기사용에견디는내열성과전기절 연성. 단점은낮은기계적강도, 마찰열로인한재료표면의용융, 마멸량이비교적큰 점. PTFE를사용하면 0.005~0.02 정도의마찰계수를갖는다고알려져있음. MoS2( 이황화몰리브덴): 높은내압성을갖고저온에서 400 정도의고온에이르기까 지낮은마찰계수를나타내지만윤활제효과를위해서는부착성을개선할필요. Graphite( 흑연): 열팽창률이극히작아서고온에서의치수정밀도가우수하고, 대부분 의금속에비하여열전도율이큼. 이렇게열팰창률이작고열전도율이커서급격한온도 변화에견디는내열충격성이우수. 이밖에높은전기전도성과온도와강도와의비례성 등의특성. 16 온간딥드로잉금형의일반적구조 17 온간딥드로잉금형 ( 생기원기보유 ) 32

33 18 온도별딥드로잉성형성 또한윤활제사용시무윤활시에비하여우수한성형성을관찰할수있었으며, 정량적인비교를위해 PTFE를사용했을때의온도별최대디프드로잉깊이를무 윤활시와비교하여위의 18 에같이나타내었다. 여기서보면딥드로잉성형 성이가장좋은온도 200 부근에서윤활에의한성형성의향상효과도가장두 드러지게나타났는데, 대략무윤활시에비하여 3배정도로최대드로잉깊이가증 가했다. 역으로생각하면이는소재자체의성형성이나쁜온도조건에서는윤활제 를사용하더라도그로인한성형성향상효과가미미함을나타낸다. 즉, 윤활제가 성형성에미치는영향은소재의가열온도조건보다는부차적임을나타낸다. 위에서살펴본바와같이 PTFE 윤활제를사용했을때에무윤활에비해디프드로잉 성형성이크게향상됨을볼수있었다. 그런데앞에서언급한 3가지의윤활제를모 두시험해본결과사용한윤활제에따라성형성에차이가발생함을볼수있었다. 150, 200, 250 의 3가지소재가열온도조건에대해 PTFE, 흑연, MoS2의각각 을윤활제로사용한디프드로잉시험을수행하고그때의최대드로잉깊이를살펴 보았다. 결과를보면, 소재의온도가 200 일때는 3가지윤활제의경우모두금형 에의해설정된최대드로잉깊이 40mm까지소재의파단없이성공적으로드로잉 성형되었다. 반면, 소재의온도가 150, 250 에서는비록무윤활의경우보다는최 대드로잉깊이가향상되었지만 3가지윤활제모두 40mm까지드로잉성형되기전 에소재파단이발생하였다. 이때시험측정에의하면같은윤활제를사용했을때도최대드로잉깊이에는약 간의편차가나타나기도했다. 이것은이들윤활제를스프레이를사용하여도포하 였을때수작업으로인해윤활막의부착상태에편차가발생했기때문으로추정된 다. 윤활제종류에따라최대드로잉깊이의차이가나타났는데, 평균적으로보면 최대드로잉깊이는흑연, MoS 2, PTFE 의순서로나타났다. 이러한결과는마그네슘판재의온간디프드로잉의성형성향상을위해어떤윤활 제가가장적합한지를보여준다. 이러한차이가나타나는원인은각각의윤활제특 성과밀접한관계가있을텐데, PTFE의경우는 250 까지의온간조건에서는고분 자소재의특성상제기능을충분히발휘하는데문제가있었고금형과판재의마찰 로인해윤활막이성형중에상당히많이마멸, 박리되었기때문으로보인다. 33

34 19 윤활제에따른딥드로잉성형성 이같은박리현상은흑연과 MoS 2 을사용한경우에도여전히나타났지만흑연이나 MoS 2 은구성성분의특성상상대적으로온간조건에서도원래의제기능을발휘할수있었던것으로보인다. 특히 MoS 2 는 400 정도에이르기까지제기능을발휘한다고알려져있는데비해흑연은훨씬고온에이르기까지제기능을발휘할수있는것으로알려져있다. 그러나흑연과 MoS 2 도마그네슘판재와의부착성에한계가있었고성형중박리현상이나타났다. PTFE, 흑연, MoS 2 를윤활제로사용한온도별온간딥드로잉성형후의시편형상들를나타낸위의사진을보면, 성형후시편의표면상태로부터초기의윤활막이상당히손상피어있음을볼수있었다. 결국윤활제성분자체가고온조건을견딜수있을뿐만아니라성형도중에판재표면에얼마나잘부착되어윤활막을유지할수있는지가실제윤활기능을발휘하는데중요함을추정할수있었다. 나. 성형속도에따른딥드로잉성형성 펀치의속도가다를때한계드로잉깊이가어떻게변하는지고찰하고자하였다. 이를위해서보프레스(Komastsu, 200ton) 의속도조절기능을사용하였다. 다양한 속도를사용함으로써성형속도가드로잉성형성에어떤영향을미치는지관찰할 수있었다. 본연구의온간드로잉공정에서사용된펀지모션(40mm 드로잉기준) 프로파일을아래에나타내었다. 이때온간딥드로잉성형시험온도는 150, 250 로설정하였으며, 성형속도는 서보프레스의최대속도(100%) 를기준으로하여상대적으로설정하여사용하였다. 150 에서는 BHF( 블랭크홀더가압력) 5KN에서펀치속도를 1% 에서 5% 까지증가 시키며드로잉시험하였다. 그에따른성형깊이변화와성형후시편모습은아래 21, 22 와같으며, 펀치속도가증가함에따라한계드로잉깊이가감소함을볼 수있었다. 34

35 20 온간딥드로잉을위한펀치모션프로파일 21 드로잉깊이변화 (150 ) (a) (b) (c) (d) (a) 150 8mm2% (b) 150 5mm3% (c) 150 3mm4% (d) 150 3mm5% 22 드로잉시편사진 (150 ) 35

36 250 에서는 BHF 7.5KN을사용하였는데이것은 BHF 5KN 으로설정하였을경우, 성형성의차이가거의없었기때문이며, 펀치속도를 1% 에서 50% 까지증가시키 며드로잉시험을수행하였다. 그에따른성형깊이변화와성형후시편모습을 아래에나타내었다. 결과를보면펀치속도가 15% 이하일경우에만 40mm까 지성형이가능하였고, 앞서의결과와마찬가지로펀치속도가증가함에따라한계 드로잉깊이가감소함을볼수있었다. 23 드로잉깊이변화 (250 ) (a) (b) (c) (d) (a) mm1% (b) mm15% (c) mm16% (d) mm50% 24 드로잉시편사진 (250 ) 36

37 펀치속도에따른온간드로잉성형성을재료의기본특성과비교하기위하여속도 별, 온도별인장시험과비교해보았다. 기준의인장시험에서시험속도가 2수준 밖에안되었기때문에추가인장시험을하였다. 이때시편은 ASTM E8(sub siae) 의규격에따라제작하였고, 시험속도를 0.1, 0.64, 4mm/sec의 3수준으로하였 다. 실험에서얻어진 150, 250 에서의 StressStrain 곡선들을세방향( 압연방 향기준 0, 45, 90 ) 에대해평균하였다. 인장시험에서시편파단시의변형율도세 방향에대해평균하였는데시험속도가증가할수록파단변형율이감소함을확인 할수있었다. 25 시험속도에따른인장시험결과 26 시험속도에따른인장시험시파단변형률변화 37

38 파단변형률과변형률속도의값을알수있으면인장시험에서얻은속도에따른 파단변형률결과와비교할수있다. 이를위해아래에보인것과같이 25 0 조건에서드로잉공정의유한요소성형해석을수행하였다. 성형해석결과로부 터시험에서얻어진실제파단시점의최대변형률과그위치에서의변형률속도값 을추출하였다. 그리고 250 인장시험결과를변형률과변형률속도의관계로환 산하여다시나타내었다. 이렇게하여드로잉시험과인장시험에서나타난파단변 형률의변형률속도에따른변화를아래과같이비교하여나타내었다. 결과를 보면대체적인경향은시험결과와유사함을알수있었다. 27 온간드로잉공정의유한요소해석 (MARC) 28 딥드로잉시험과인장시험의파단변형률비교 또는속도별성형해석에서 Damage 모델을적용하면바로파단시점을예측해볼 수도있다. 이와같은방식으로속도별파단경향을유한요소해석으로예측해보았 다. 예측된결과는속도별딥드로잉시험결과와비교하였다. 비교결과절대값에 약간의차이는있지만전체적인경향에서는상당히유사함을볼수있었다. 38

39 29 Damage 모델에의한딥드로잉파단예측 30 성형속도에따른파단거동의유한요소해석과시험의비교 다. 딥드로잉성형의유한요소해석향후마그네슘판재의성형공정설계에해석기술을제대로활용하기위해서는위에서언급한인장시험과드로잉시험결과를토대로유한요소해석기술을검증하고정립하는단계가필요하다. 먼저성형해석의재료물성값입력을위해서는인장시험결과를적절히모델링할필요가있다. 따라서앞에서설명한 AZ31 판재의인장시험결과를다시고찰하였다결과를보면온도가증가할수록유동응력(Flow Stress) 은계속감소하였으나파단되기까지의한계변형률은 150, 200 부근에서최대가되고 250 가되면오히려감소하였다. 이는앞의딥드로잉성형시험결과에서 250 가되면성형가능깊이가감소하는현상과일치하는데, 프레스성형에있어최적의온도조건이있음을말해준다. 또한시편방위에따라서도그차이가존재하지만, 온도증가에따라편차는감소하였으며 6, 60mm/min의 2가지변형속도에서는차이가크지않았다. 따라서우선은온도에따른응력변형률곡선만을모델링하고유한요소해석의입력데이터로이용하였다. 39

40 31 마그네슘판재의온도별응력 변형률거동 그런데위의과같이인장시험을통해얻어진응력변형률곡선은시편의국 부적인네킹(Necking) 이후에대해서는정확한진응력진변형률관계를보여주지 못하게된다. 더구나온간시험구간에서는시편내에회복(Recovery), 동적재결 정(Dynamic Recrystalization) 등의열간메커니즘으로인해응력연화(Softening) 와네킹으로인한영향이혼합되어그구분이어렵게된다. 따라서우선이와같은 열간메커니즘의영향은고려하지않고네킹의영향만이있다고기정하고이의보 정을위해인장시험으로얻어진응력변형률데이터를다음과같은근사식을이용 하여모델링하고사용하였다. 위와같은근사식을사용하여임의의온도에서의응력변형률관계를고려한유한 요소해석을수행하였다. 40

41 한편소재의성형성한계로인한파단을해석적으로예측할수있어야하는데이를위한여러가지방법들이있다. 예를들어성형해석에서계산된변형률이성형한계도의임계변형률상태에도달하면파단으로판정하거나, 판재의경우국부네킹이발생하는불안정조건이되면파단으로판정하는것이다. 앞에서보여진온도별응력 변형률곡선을보면파단에이르기까지시편에가해진소성일(Plastic work) 의양이여러온도에대해대체적으로비슷한것을알수있다. 이는온도가올라가면유동응력은감소하고한계변형률은증가했기때문인데, 이로부터소재에축적되는일의양이일정수준에도달하면파단이발생한다고추정할수있다. 이와같은물리적관점으로부터본연구에서는파단을예측하기위한기준으로손상모델을사용하였다. 손상모델의기본적인개념은위와같이소성일의축적양을계산하고임계값에도달하면파단으로판정하는것인데, 여러연구자들에의해다양한형태의식들이제안되어있다. 여기에서는위와같이온도가올라가더라도소성일의축적양이비슷하다는관찰을바탕으로온간성형에서의파단예측을위해손상모델을도입하고실제실험결과와의비교를통해그타당성과한계를고찰하였다. 이를위해여러손상모델중 Oyane 모델을사용하였다. 성형해석은 MARC를사용하였는데, 사용자서브루틴(User Subroutine) 을활용하여위의손상모델의적분값을계산하였다. 여기에서는실험에서관찰되는파단순간까지유한요소해석을수행하고그때까지의손상값(Damage Value) 을계산하고고찰하였다. 계산상의편좌를위해판재의이방성은무시하고원형블랭크 1/4모델에대해서해석을수행하였다. 요소로는 4 절점사각형쉘(shell) 요소를사용하였다. PTFE 윤활상태를가정하여소재와하부다이, 펀치사이의마찰계수를 0.02 로하였으며, 프레스성형시드로잉속도도실험과마찬가지로 10mm/min 으로가정하였다. 열전달해석을위한 AZ31판재의물성치와대류열전달계수로는아래와같은값들을사용하였다. 표 3 FE simulation conditions for AZ31 (ref.: Density 1770 kg/m 3 Heat Capacity 1000 J/(kg ) Thermal conducivity 96 W/(m ) Heat transfer coefficient 2.95 W/(m2 ) 온간인장시험으로부터근사화된온도별응력변형률관계식을사용하여유한요소해석을수행하였다. 온간성형공정에영향을미치는많은인자가존재하므로적절한공정변수를고려하지않으면유한요소해석의정확성을확보할수없다. 따라서먼저딥드로잉성형시험에서관찰된소재의유동특성을기준으로이를정확히예측하기위해필요한핵심공정변수를검토하였다. 이를위해검토할공정변수로서열전달효과와마찰효과를선택하였다. 실험한온간딥드로잉공정에서소재는열선이내장된블랭크홀더와하부다이사이에물려가열되고정해진온도로유지되지만펀치와접촉하는순간부터열전달에의한열의손실이발생한다. 일반적으로접촉열전달계수의크기는대략수~ 수십 kw/(m 2 ) 로알려져있으므로이를고려하면공기를통한열전달보다훨씬큰열전달이펀치와의접촉을통해발생할것으로예상된다. 여기에서는펀치와소재사이의접촉열전달계수로 4 kw/(m 2 ) 를사용하여계산하였다. 한편, 소재와금형사이의윤활조건도판재성형공정에영향을미치는주요인자이므로마찰계수를변화시켜영향을살펴보았다. 41

42 에서의최적블랭크형상 (a) 열전달이없고국부마찰배제시, (b) 열전달이있고국부마찰존재시, (c) 열전달이있고국부마찰배제시 ( 점선은최초블랭크형상을나타낸다 ) 200 에서유한요소해석에의해얻어진몇가지결과를위의그럼에나타내었다. 먼저펀치로의열전달을고려하지않고펀치전체면의마찰계수를 0.02로하였을 때의결과를 (a) 에나타내었다. 40mm 깊이까지성형을하였으나최종적인플랜지 (Flange) 와초기블랭크를비교해보면블랭크의유입은거의이루어지지않았음을 알수있다. (b) 에나타낸결과는여전히열전달을고려하지않고플랜지의유입을 원활히할수있도록펀치바닥면의마찰계수만을 0.9 로증가시켰을때이다. 실제 실험에서는테프론을사용하여윤을하였으나테프론사용조건으로는비교적높은 온도에서펀치로부터접촉면에강한압력을받으며성형이이루어지는조건이므로 윤활막이손상되어기능이저하될가능성이있다. 따라서이와같이펀치바닥면에 높은마찰계수를적용해볼필요가있다고판단하였다. 해석결과펀치바닥면에 서의마찰효과가증가하여펀치가소재를잡고유입시키는정도가향상되었다. 그 결과플랜지의유입이 (a) 의경우보다는증가하있다. 이번이는마찰계수의변화없 이펀치로의열전달만을고려하여해석을하였고그결과는 (c) 와같다. 펀치로의 열전달로인해펀치바닥면과맞닿은소재부위가급격히냉각되는데, 냉각된부위 의물성은온도별응력변형률곡선에서알수있듯유동응력이증가하고이는곧 상대적인유동성감소로나타난다. 냉각에의한펀치접촉면부근의유동성감소로 플랜지부위소재가상대적으로변형하기쉽게되고유입이많이이루어진다. 특히 (b) 결과와의차이점은사각컵모서리방향에비해벽면방향에서의플랜지유입 양이증가하였다는점이다 에서의변형량시험비교 (a) ( 상부 ) 최종블랭크형상, (b) ( 측면 ) FE simulation 과그리드변형비교 42

43 실제 200 에서성형된사각컵의형상은위의에나타내었다. 소재의유동을 보기위해초기블랭크에는일정한간격의격자(Grid) 를인쇄하였다. 블랭크유입을 나타내는결과인 (a) 와앞의해석결과를비교하면, 사각컵모서리방향과벽면방 향의플랜지유입양의크기와상대적인비율면에서열전달을고려한경우가가장 유사함을볼수있다. 열전달을고려했을경우의유한요소해석결과와비교하여 측면에서관찰한초기격자의변형을 (b) 에나타내었다. 열전달을고려했을경우가 실제공정을가장잘나타냄은펀치에걸린하중의측정치와해석으로얻어진하중 을비교한아래을통해서도알수있다. 다른두가지경우에비해열전달을 고려했을때실험측정치와가장유사함을알수있다. 34 펀치하중계산치와시험값비교 (200 ) 앞절의소재유동에관한실험결과와유한요소해석의비교로부터실제성형공정을예측하는데있어열전달의영향이매우중요함을알수있었다. 이번에는소재의파단을고려하여유한요소해석에서중요한공정변수를검토하였다. 여기에서는손상값을계산하였지만비교검토를위하여유효변형률의분포도고찰하였다. 200 의공정에서계산된손상값과유효변형율의분포아래의에나타내었다. 43

44 에서의손상분포곡선 (a) 열전달이없고국부마찰없을때, (b) 열전달이있고국부마찰존재시, (c) 열전달이있고국부마찰없을때 (BHP=2.5MPa) 에서의유효응력분포 (a) 열전달이없고국부마찰없을때, (b) 열전달이있고국부마찰존재시, (c) 열전달이있고국부마찰없을때 (BHP=2.5MPa) 앞절과마찬가지로접촉열전달을무시한경우, 펀치면에높은마찰계수를적용 한경우, 접촉열전달만을고려한경우의세가지에대해비교하였다. 결과를보면 접촉열전달을무시한경우에는손상값과유효변형률모두컵바닥면코너부위 에서최대값을나타냄을알수있다. 바닥면마찰계수를증가했을때는손상값과 유효변형률모두컵바닥면코너부위의약간아래쪽에서최대값을나타내었다. 마지막으로앞의소재유동측면에서가장적합한결과를보였던열전달을고려한 경우에는손상값이컵옆면모서리중간, 유효변형률이컵옆면모서리의아래쪽 플랜지가까이에서최대값을나타내었다. 손상값또는유효변형률이최대값을나 타내는부위가파단의가능성이가장높다고볼수있다. 실제실험에서온도가 200 이고블랭크홀딩압력이 1MPa일때는정해진깊이인 40mm 만큼드로잉되어도파단이발생하지않았지만블랭크홀딩압력이증가할수 록파단의가능성이높아졌다. 즉, 블랭크홀딩압력이 2.5MPa이되면여러번의 시험중에파단이되는불량이간혹관찰되었고블랭크홀딩압력이 5MPa이되면 거의성형중간에파단이되었다. 이렇게블랭크홀딩압력이증가했을때실험에 서관찰된시편의파단모습을아래에나타내었다. 44

45 37 파단시험편사진 (a) 2000 / BHP = 2.5MPa, (b) 250 / BHP = 5.0MPa 사진을보면두경우모두사각컵의바닥면과플랜지중간정도의부위에서파단 이일어났음을볼수있다. 위치와비교하면, 이러한경향을앞의손상값과유효변형률최대값의 열전달을고려한최대손상값위치가실험에서의관찰과가장 유사함을알수있다. 열전달을고려한경우가더적합함은앞의소재유동을고려 했을때와마찬가지의결과이고, 유효변형률보다는손상값의파단예측성이더 우수하다고판단된다. 본연구에서사용한 Oyane 의모델을사용하기위해서는내부상수를정해야한다. 이내부상수는공정에따라적절한조절이가능하고이는 Oyane 모델의자유도를 높이는기능이있다. 마그네슘합금의경우아직값에대한충분한연구가없기때 문에본연구에서는편의상스테인레스스틸계열소재에대한기존연구를참고하 여사용하였다. 사각컵외에원형컵의딥드로잉성형에대해서도마찬가지로시험과유한요소해석 을수행하고서로비교하였다. 아래은그예를보여준다. 38 원형컵온간딥드로잉시험과유한요소해석의비교 라. 금형설계에따른딥드로잉성형성 펀치와다이의금형설계, 특히어깨부반경의벽화에따른성형성을평가하기위 하여각각 2 가지수준의어깨부반경을갖는펀치와다이를가공하였다. 사각컵드 로잉을위한펀치와다이의형상설계번수와실제제작된값들을아래과표 에보여주고있다. 45

46 39 사각컵딥드로잉금형제작을위한금형설계변수 표 4. 사각컵딥드로잉용금형의설계변수값 (unit: mm) 사각컵은 40mmx40mm 의정사각형단면이고, 사각컵코너반경은펀치기준으로 10mm, 클리어런스는사용한판재두께 0.8mm를고려하여 0.96mm의값을모든경우에사용하였다. 반면에다이어깨부반경(Rd) 으로 6.25mm와 3mm, 펀치어깨부반경(Rp) 으로 6.25mm와 1.8mm를갖는각각 2종류의다이와펀치를가공하고이들의조합으로총 4 세트의금형시스템을제작하였다. 금형가열을위해다이와블랭크홀더내부에는밀봉히터(Sheath Heater) 타입의열선을삽입하고가열하였다. 반면펀치내부의유로에는 15 의냉각수를순환시켜펀치의온도상승을억제할수있도록하였다. 두께 0.8mm의마그네슘합금 AZ31 판재로부터지름 120mm의원형블랭크를가공하여딥드로잉성형시편으로사용하였다. 성형공정은앞에서설명된바와같은슬라이드모션에따라진행되었는데, AZ31 판재블랭크는드로잉성형직전에블랭크홀더와다이사이에서약간의예압 (Pressing 단계) 하에 10 초동안가열(Heating 단계) 된후곧바로드로잉성형 (Drawing 단계) 되었다. 드로잉성형이완료된후에는금형과성형물에충격을주지않도록적절한속도로슬라이드를초기위치로복귀(Return 단계) 시켰다. 판재투입부터성형물취출까지의이모든공정을수행하는데사용된시간은스트로크가가장긴 40mm 드로잉의경우를기준으로약 50 초였다. 물론각단계의슬라이드속도를바꾸면전체공정시간도바뀌게된다. 블랭크홀더가압력설정을위해서초기공압수준을제어하였고, 공압다이쿠션의특성으로인해 40mm 스트로크의경우블랭크홀더가압력이초기가압력으로부터약 35% 증가하였다. 여기에서는수차례의성형시험을토대로비교적우수한드로잉결과를얻을수있는 7.5kN 의초기블랭크홀더가압력을사용하였다. 46

47 일반적으로똑같은드로잉깊이를목표로하는경우에도펀치와다이의코너또는 어깨부반경은조금씩다를수있다. 이럴경우반경의크기에따라목표로한드 로잉깊이까지성공적으로성형될수도있고도중에파단이발생할수도있다. 즉, 성형성측면에서보면펀치와다이의코너와어깨부반경등은최적의갈이존재하 는것이일반적인경향이다. 예를들면, 펀치어깨부반경이너무크면펀치밑부분 에서 2축인장에의한판두께감소가심하고금형에의한구속력이작아져변형 영역이커지고때로는보디주름이발생한다. 반면펀치어깨부반경이너무작으 면굽힘변형에의한파단가능성이커진다. 이와유사하게, 다이어깨부반경이너 무크면금형의구속을안받는영역이커져서보디주름가능성이커지고, 다이 어깨부반경이너무작으면굽힘저항에의한펀치력이증가하고굽힘으로인한파 단가능성이커진다. 사각컵코너반경의경우에도대부분의경우반경이작아지면 성형성이안좋아지지만때로는코너부에집중될수축변형양의일부가길어진사 각컵직변부로흡수되어드로잉저항이어느정도완화되기도한다. 이밖에펀치 와다이사이의간극인클리어런스도판재의딥드로잉성형성에큰영향을주는 점은잘알려져있다. 모두 4 세트의금형을사용하여온간딥드로잉을수행하였다. 드로잉깊이를 0~40mm범위에서 5mm 간격으로증가시키면서성형시험을수행하고육안으로파 단이관찰되지않으면성형성공, 파단이관찰되면성형실패로판단하였다. 그때 성형성공으로판단되는온도별최대드로잉깊이를금형세트각각에대해표시하 면아래그래프와같다. 40 시험펀치 / 다이별온도에따른드로잉깊이변화 위의그래프로부터평균적인성형성을평가하면, 금형세트 #1의경우가다른경우 보다월등히좋은성형성을보이고, 금형세트 #2의경우는중간정도의성형성을 보임을알수있다. 금형세트 #3 과금형세트 #4의경우는온도별로서로간의우 열이다르고실제드로깊이도작아서명확한차이를말하기는어렵다. 근사적으로 보면본연구에서사용한 Rp와 Rd에서는가능하면큰쪽의값을사용할때더큰 드로잉깊이를얻을수있을것으로예상된다. 47

48 금형온도에따른딥드로잉성형성은앞에서보인드로잉깊이데이터로부터판단 할수있는데, 금형세트에따라약간의차이는있지만대부분온도가올라갈수록 드로잉깊이가증가하였고 200 와 250 에서는드로잉깊이가서로같거나 250 에서근소하게큰값을보여주었다. 이러한경향은이전에온도 200 에서최대드 로잉깊이를나타낸점과약간의차이를보여준다. 이러한차이점은첫째로최고의 성형성을갖는온도조건이 200 와 250 사이에존재하기때문일수도있고, 둘 째로펀치냉각으로인해비록금형온도기준으로 250 로측정되었지만판재의 온도는그보다낮기때문일수도있다. 이번에사용한금형의구조상판재의온도 를직접측정하기가곤란하였는데, 좀더정확한평가를위해서는향후판재자체 의온도분포를측정해야하겠다. 이번에는최대드로잉깊이이상으로드로잉했을때나타나는사각컵의파단양상 을고찰하였다. 금형세트 #1~#4를사용하였을때얻어진사각컵파단의대표적 인모습들을아래사진들에보여주고있다. 41. 금형 #1 드로잉파단사진 (a) 드로잉깊이 : 35mm / 200, (b) 드로잉깊이 : 40mm / 금형 #2 드로잉파단사진 (a) 드로잉깊이 : 10mm / 150, (b) 드로잉깊이 : 20mm /

49 43. 금형 #3 의드로잉파단사진 (a) 드로잉깊이 10mm / 200, (b) 드로잉깊이 10mm / 금형 #4 의드로잉파단사진 (a) 드로잉깊이 5mm / 200, (b) 드로잉깊이 15mm / 250 금형세트 #1의경우에 200 의온도에서드로잉깊이 35mm까지는대부분의경 우 파단이 나타나지 않았지만 몇몇 경우에는 파단이 관찰되기도 하였다. 한편 40mm 까지드로잉하면대부분의경우파단이나타났다. 35mm와 40mm 드로잉에 서나타나는파단의모습을보면, 플랜지가까운모서리부근에서파단이발생했음 을볼수있다. 이때플랜지부위의심할주름도볼수있는데드로잉중어느시 점에서급속히주름이발생함을괸찰할수있었다. 주름억제를위해서는블랭크 홀더가압력을증가시킬필요가있으며, 금형세트 #1의파단양상도어느정도주 름발생의영향을받았을가능성이있다. 그럼에도 40mm 드로잉이완료될때까지 일반적인드로잉파단후보지역인펀치바닥면근방벽면에서는파단의모습을볼 수없었다. 금형세트 #1과같이 Rp=6.25mm 의값을갖는금형세트 #2의경우에는드로잉 깊이가금형세트 #1에비해감소하였지만온도에상관없이플랜지에가까운컵 벽면을가로지르며파단이전파되었음을볼수있었다. 즉, 파단위치의관점에서 는금형세트 #1의경우처럼펀치바닥면부근보다는플랜지부근에서나타났음 을알수있다. 반면 Rp=1.8mm로서 Rd 의값보다작은금형세트 #3, #4의경우에는온도에따 라다른파단양상을보여준다. 즉, 온도 200 에서는펀치바닥면에가까운컵벽 면을가로지르며파단이전파되었는데, 온도 250 에서는 Rp의갈이작음에도불 구하고금형세트 #1, #2의경우처럼플랜지가까운컵벽면을가로지르며파단이 전파되었다. 즉, 파단선이온도증가에따라펀치바닥쪽에서플랜지쪽으로이동 한셈이다. 49

50 위와같은관찰로부터대략온도 200 이하에서는 Rp와 Rd의값에따라컵벽면 의파단위치가결정되지만대략온도 250 이상에서는그와상관없이플랜지부 근의컵벽면에서파단이발생한다고추정할수있다. 이렇게파단위치가플랜지 쪽으로이동하는현상은다이의가열과펀치의냉각효과에어느정도기인한다. 즉, 펀치근방의냉각된판재는드로잉중변형이상대적으로억제되고이로인해 판재연신으로인한파단진행으로부터안전하게되기때문이다. 다만다이온도 200 이하에서는 Rp의값에따라서초기드로잉에서굽힘변형이어려웠거나가 능했더라도후속드로잉도중에파단을유발할정도로상태가안좋아서그와같은 펀치냉각에의한파단억제호과가큰역할을못하게된다. 5. 온간프레스금형설계및제작 프레스금형의형상부는상용고온합금강증하나인 SKD61 종을선정하였으며, 그 외베이스부등은 S45C 계열의고강도탄소강을사용하였다. 재료선정과정에서 SKD61 은 ( 주) 이노캐스트의주력공법인다이캐스팅금형에가장보편화되어있는 소재로써해당합금에대한열팽창특성및내열특성에대하여널리알려져있어 추후양산금형제작시에바로도입및적용이가능하도록하기위하여선정하였 다. 금형중형상부위는프레스성형에용이하고현장에서바로교환이가능할수 있도록상판과하판베이스에각각의코어를삽입하는형태로제작하였으며, 이는 금형가열을위한열선단선등과같은가열시스템문제발생시에보수를용이하 게하기위함이다. 패턴선정및제품설계에따른금형의제작은온간프레스성형시부위별온도 제어가가능하도록하였으며, 총 20 개의가열존으로구성되어있다. 아래은 시작금형의패턴에따른열선구성 Spot Heating의개략도로패턴부중에서도 타원상곡률반경이적은부분에집중적으로가열이이루어질수있도록열선을배 치하여성형중소재의찢김이나크랙발생을억제코자하였다. 49 프레스금형성형을위한 Mg 판재블랭크설계안 50

51 53 온간프레스금형열선배치도 이때열선은최초테스트시에는일반니크롬발열선을사용하였으며이후양산성 평가시험을위해서 PTC 히터로교체하여장시간조업이가능하도록하였다. 열선 의종류에대해서는추후초도양산시실제수명을평가하여새로이선정하여야 할것이다. 상기도면을토대로하여프레스금형의플레이트/ 베이스/ 코어부를아래과같 이제작하였으며상/ 하판베이스및코어내가열시스템구성을위한열선삽입 경로역시확인할수있다. 54 Mg 판재성형용온간프레스금형 ( 조립전 ) 51

52 10 프레스금형장착및냉간시성형수행 6. 서보프레스성형공정설계 성형공정설계를위해서위에서이미언급한바와같이우선판재의물성과성형성의파악을위해압연판재에대하여인장시험을수행하였으며, 성형성평가를위해사각컵딥드로잉시험을수행하고분석하였다. 이과정에서프레스성형성향상을위해필수적인몇가지윤활제의성능을평가하였다. 딥드로잉시험에서는프레스성형속도에따른영향, 금형설계변수( 코너부반경) 의영항을검토하였다. 또한성형해석을위해유한요소해석을수행하고시험결과와비교검증하였으며, 이를토대로하여서보프레스성형공정을설계하여시제품성형가공을수행하고자하였다. 서보프레스의구조는아래과같으며서보모터의제어를통하여토글방식의링크를움직여성형을하는방식으로되어있다. 이러한서보프레스는기타프레스에비하여양산성및성형성에있어우수한장점을가지고있다. 일반적으로서보프레스의자유모션설정이가능한장점이있어온간딥드로잉외에도다양한성형공정에폭넓게사용할수있다. 46 서보프레스의구조 47 서보프레스의특성 52

53 48 다양한성형에서의서보프레스활용 한국생산기술연구원에는아래사진에보인것과같은일본 KOMATSU사의 200ton 서보프레스를보유하고있다. 마그네슘판재의성형에활용되는서보프레스아래과같은구조로되어있으며, 크랭크프레스, 링크프레스, 유압프레스등에비해생산성이나성형성에서좋은특성을가지고있다. 45 서보프레스 (KOMAISU 社, 200ton) 53

54 7. 1 차시성형 ( 초기성형조건시험및개선안도출 ) 앞절에서이미설멍한바와같이제작된노트북성형금형을서보프레스위에설 치하였다. 아래 49 는금형설치후상/ 하형을개방한상태의모습을나타낸 다. 49 서보프레스에설치된노트북성형금형 성형을위한마그네슘판재는포스코에서생산한두께 0.6mm AZ31 판재를사용하였다. 성형에사용할블랭크의형상은아래및사진과같이설계하였다. 힌지부분의블랭크형상은힌지부분성형성과성형후플랜지양을고려하여설계하였다. 50 판재블랭크설계 51 실제제제작된판재블랭크 54

55 앞에서이미설명된것처럼금형의상형과하형의온도는별도로제어, 유지가가 능하도록설계, 제작되었다. 앞의사각컵과원형컵시험및해석을통해성형성에 대한정보를축적하였지만실제노트북케이스의성형특성과는또다른특성을나 타낼수있다. 따라서제작된금형의기능을활용하여상형과하형에대해다양한온도를적용하 여시험해볼필요가있다. 이에다음과같은온도의조합을시험해보았다. 상형 : 100, 250, 275, 400 하형 : 100, 200, 250, 350 여기서상형온도인 275 는판재제조사인포스코기술진의의견( 최적성형성의 온도조건) 을참고하여설정한것이고, 그밖의온도는편의상몇개의온도조건 들을적용한것이다. 금형의하형은프레스볼스터에클램핑고정되고상형은프레스슬라이드에클램핑 고정되므로프레스성형속도, 또는펀치속도는프레스슬라이드속도의설정에 따른다. 여기서는프레스속도 100% 기준으로하여다음과같은조건들을시험하 였다. 슬라이드속도: 0.1, 1, 2, 5% (1% 0.36mm/s) 프레스속도설정 100% 는프레스모션의특성상성형구간에따라다른절대속도 를갖는다. 여기서노트북성형구간을기준으로 LVDT를통해실측해보면 1% 는 약 0.36mm/s 의절대속도에해당하였다. 성형시윤활제로는흑연(Graphite) 을사용하거나아무윤활제도사용하지않는무 윤활조건을적용하였다. 위와같은다양한조건들을조합하여결극다음표와같은 12가지조건에대해성 형시험을수행하였다. 표 5 노트북 PC 케이스성형을위한금형및성형조건들 위의각경우에대한성형시험결과는다음과같았다. 55

56 (1) #1 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 jog 무윤활 상형과하형의온도를 100 로동일하게하였고윤활은하지않았다. 속도는프레 스의 jog 모드로하였는데이것은대략적으로보아도 5% 가넘는속도값이므로상 대적으로저속도에따른이득을기대하기힘든조건이었다. 금형의온도가비교적 낮아서금형의작동등에서큰문제는없었지만성형성측면에서는만족스러운결 과를얻지못했다. 힌지부분은물론이고패턴부분도원호를따라파단이발생하 였다. 또한블랭크정렬이좋지않을때는벽면과플랜지간의파단까지발생하였 다. 52 패턴부파단 53 플랜지지파단 54 힌지 / 플랜지지파단 (2) #2 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 jog 무윤활 상형과하형의온도를 250 로동일하게적용하였다. 역시무윤활조건이고 jog 속 도를적용하였다. 온도가높아짐에따라패턴부의파단이조금개선되는경향은있 었지만힌지부분파단을여전하였다. 56

57 55 패턴부파단 56 패턴부파단 57 힌지지파단 (3) #3 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 jog Graphite 앞의조건에서패턴부의파단이약간개선되었기때문에이조건에서흑연윤활을 하고다시성형시험을하였다. 그러나별다른차이가나타나지는않았다. 패턴부 파단도여전히나타났으며힌지의파단도발생하였다. 58 패턴부파단 59 패턴부파단 57

58 60 힌지지파단 (4) #4 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 jog 무윤활 온도를증가시키면성형성이좀더개선될가능성이있는지확인하고자하형의온 도를 350 로올렸다. 그러나패턴부의파단이여전히발생하였다. 61 패턴부파단 62 패턴부파단 63 힌지지파단 (5) #5 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 jog Graphite 58

59 위의조건에서흑연윤활을하고동일한시험을하였다. 완전히파단이없어지지는않았지만패턴부파단이좀더개선되었다. 그러나힌지의파단은여전히발생하였다. 64 패턴부파단 65 패턴부파단 66 힌지지파단 (6) #6 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 이번에는위의조건에서프레스슬라이드속도를 0.1% 로대폭감소시켜시험하였 다. 흑연윤활도하였다. 결과적으로보면패턴부도어느정도파단없이성형되었 고힌지도성형되었다. 그러나성형시간이너무오려걸렸고무엇보다성형후케 이스가평면상에서오목하게휘어져있는결과가나타났다. 이것은오랜시간금형 내에서눌려있으면서열에의한변형효과가반영된것으로보인다. 또한실제로 는금형이형시에성형된판재가쉽게분리되지못하면서이형에의한추가변형 이영향을끼친것으로도보인다. 59

60 67 패턴부성형 68 힌지지성형 (7) #7 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % 무윤활 위에서하형의온도를 350 까지올리면서패턴부의성형성이약간개선되기는했 지만완전히좋아지지는않았고힌지부분의경우오히려나빠지는경향도나타났 다. 그리고무엇보다하형이너무높은온도로가열된경우열팽창으로인해하형 의작동이원활하지못한문제까지발생하였디. 즉지나치게높은온도가정작성 형성개선에는큰도움이안되고불필요한작동상의문제점을야기한다고판단하였 다. 이에하형의온도를 200 로낮추었다. 그리고속도 1%, 무윤활조건으로시 험하였다. 그러나무윤활조건때문인지만족할만한성형성이나타나지않았다. 69 패턴부파단 70 패턴부파단 60

61 71 패턴부파단 72 힌지지파단 (8) #8 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 위와같은조건에서흑연윤활을하여다시시험을하였다. 그결과상당히좋은 성형성을얻을수있었다. 무엇보다힌지부분이파단없이성형되었고, 패턴부에서 도미세한크랙은존재하지만완전한파단은없이성형이되었다. 힌지부분의경 우드로잉성형이위주이기때문에지나치게높은금형온도의경우소재의연신이 너무쉽게발생할수있기때문에딥드로잉시파단에취약말수있다. 이것은앞의 사각컵, 원형컵딥드로잉시험에서펀치의냉각이성형성에도움을주는것으로부 터유추해볼수있는사실이다. 비록이전의높은온도조건에서패턴부의성형성 이개선되기는하지만그런다고미세한크랙이완전히없어진것도아니고힌지의 파단은여전히발생하기때문에, 이번시험결과로판단하면하형 200 조건이 350 조건보다더우수한성형조건으로보인다. 73 패턴부성형 74 패턴부성형 61

62 75 패턴부성형 76 힌지지성형 (9) #9 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 위에서나름대로최적의성형조건을찾았기때문에이로부터성형속도를얼마나 증가시킬수있는시험하였다. 이를위해프레스슬라이드속도를 1% 에서 2% 로 증가시켰다. 결과를보면만족할만한성형성을얻지못했다. 성형성이속도에상당 히민감하게반응함을볼수있었다. 77 패턴부파단 78 패턴부파단 62

63 79 패턴부파단 80 힌지지파단 (10) #10 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 이번에는최적의온도조건에서온도를얼마나더낮출수있는지시험하였다. 앞 의초반시험에서상형과하형의온도를모두 100 로하초시험한바있었고상 당히좋지않은성형성을얻은바있는지여기서는상형은앞의경우처럼 275 로 놔두고하형만 100 로변경하였다. 속도및윤활등의다른조건은최적의경우만 동일하게하였다. 결과를보면역시만족할만한성형성을얻지는못했다. 하형의 온도가그래도 200 이상은되어야할것으로보인다. 81 패턴부파단 82 패턴부파단 63

64 83 패턴부파단 84 힌지지파단 (11) #11 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 최적의조건에서상형은 275, 하형은 200 였기때문에하형의온도를 100 정 도로낮추는대신상형의온도를더높여판재가받는평균적인온도를비슷하게 하여시험하였다. 구체적으로는상형의온도를 400 로올렸다. 다른조건은최적 의경우와동일하였다. 결과를보면패턴부는그런대로좋은성형성을나타내지만 힌지부분에파단이발생하였다. 하형의온도는더낮아지고상형은온도는더높 아졌기때문에결과적으로성형초기의판재온도는더낮아지고힌지드로잉후반 부의판재온도는더높아진셈이다. 앞의드로잉시험에서알수있듯이드로잉 성형성을개선하려면드로잉초기에는충분히가열한상태에서성형을시작하고어 느정도드로잉이된후반에는펀치냉각등을통해소재의온도를낮춰줄필요가 있는데, 이번경우의조건은최적온도조건에비해오히려역방향으로변화한셈 이기때문에성형성의저하가나타난것으로보인다. 85 패턴부파단 86 패턴부파단 64

65 87 패턴부파단 88 힌지지파단 (12) #12 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 이번에는최적온도조건에비해하형의온도는그대로나두고상형의온도를 40 0 로증가시켰다. 역시이전처럼패턴부의성형성은좋아지지만힌지의파단이발 생하였다. 앞에서설명한것처럼힌지드로잉후반부의판재온도가너무높기때 문에발생하는문제로보인다. 89 패턴부파단 90 패턴부파단 91 패턴부성형 92 힌지지파단 65

66 이와같은 다. 12가지조건에대해성형시험을수행하고그결과다음의결론을얻었 금형의온도를증가시키면패턴부파단이개선되지만미세크랙이완전히없어지 지는않았다. 힌지부의경우금형의온도가너무낮아도파단이발생하지만너무높아도파단 이발생하였다. 위조건들에서는상형 275 & 하형 200 일때힌지의성형이가능하였고패 턴부에서도다른조건못지않은성형성을볼수있었다. 66

67 8. 2 차시성형 ( 금형형상수정및성형조건최적화 ) 모든조건들에서패턴부의파단이미세크랙도없이완전히없어지지는않았기때 문에최종적으로는금형의수정가공을하기로하였다. 기존에는다이캐스팅금형 의설계를따라패턴부에지부분의코너반경이거의없었기때문에이번에는판 재의굽힘변형을고려하여 0.3mm 의코너반경을갖도록금형을가공하였다. 힌지 의경우최적온도조건에서이미성형이가능하였기때문에수정금형에서도성공 적으로성형가능할것으로예상되었다. 따라서최적온도조건에대해서만수정 금형에대해다음과같은몇가지조건에서의재시험을수행하였다. 표 6 노트북 PC 케이스성형을위한금형및성형조건들 ( 수정금형에서 ) # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % 무윤활 % Graphite % Graphite % Graphite (1) #1 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % 무윤활 이전금형에서의최적조건에서윤활없이무윤활조건으로시험하였다. 이것은패 턴부에지가수정되었기때문에그에따라무윤활조건에서얼마만큼성형가능한 지를보기위해서였다. 결과를보면패턴부는무난히성형되었지만힌지부에약간 의갈라짐이발생하였다. 93 패턴부성형 94 패턴부성형 67

68 95 패턴부성형 96 힌지미세파단 (2) #2 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 금형수정전에도이조건에서는이미나름대로좋은성형성을보였기때문에패턴 부금형이수정된후에는더욱좋은성형성이기대되었다. 패턴부는물론이고힌지부토파단없이성형되었음을볼수있었다. 결과를보면예상대로 97 패턴부성형 98 패턴부성형 99 패턴부성형 100 힌지지성형 68

69 (3) #3 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 위의최적조건에서성형속도를증가시켜보았다. 지만힌지부에서는약간의갈라짐이발생하였다. 역시패턴부는무난히성형되었 101 패턴부성형 102 패턴부성형 103 패턴부성형 104 힌지미세파단 (4) #4 조건에대한성형시험결과 # 상형온도 ( ) 하형온도 ( ) 속도조건윤활조건 % Graphite 위의조건에서성형속도가더증가하였을때파단의정도가얼마나변하는지보고 자성형속도를 2% 에서 5% 로증가시켰다. 1% 에서 2% 로증가시켰을때갈라지는 파단양상이나타난것에비해 2% 에서 5% 로증가시키면파단의정도에큰차이는 나타나지않았다. 69

70 105 패턴부성형 106 패턴부성형 107 패턴부성형 108 힌지미세파단 위의성형시험을통해금형수정후에도상형 275, 하형 200 의온도조건에 서프레스속도 1% 일때최적성형성을나타냄을볼수있었다. 금형의패턴부에 지반경을증가시킨결과패턴부성형은대부분의경우무난히성공하였다. 힌지부는금형의수정이없었기때문에이전과마찬가지로 넘지않아서파단없는성형이가능하였다. 1% 반면 정도의성형속도를 이러한금형성형시험을통해다음과같은성형불량요인들을추정할수있었다. 금형열변형에의한치수공차변화 재료성형한계대비과도한변형양 윤활불량에의한소재유입불량 70

71 9. 노트 PC 케이스시작품제작 위와같이최적공정조건을수립한후에는해당조건에서성형한판재를이용하여 시작품제작을수행하였다. 시작품제작은프레스성형판재에대하여트리밍가공 및외곽절삭가공, 샌딩및방청, 도장의순으로진행되었으며완성된시작품에대 해서는기계적특성평가를위하여인장시험을, 시험을실시하였다. 도장부착성을확인하기위하여 아래은시작품제작에있어기존다이캐스팅공정대비 프레스성형공정도를나타내고있다. 앞에서이미언급한바와같이서보프레스 를이용한마그네슘합금판재의노트북케이스성형은기존다이캐스팅에비하여 사상이나퍼티공정과같은인력위주의후공정삭제가가능하여제조원가절감 측면에서유리한장점을가지고있다. 또한다이캐스팅공정은제품외에비스켓, 런너, 오버플로우등과같은주조방안들에의해그회수율 ( 용탕투입중량대비 제품중량) 이최저 50 % 가까이낮게형성되므로, 트리밍공정에서복잡형상부만 펀치트리밍으로제거하는서보프레스공법이월등히우수한회수율을보이게된 다. 또한리턴스크랩의리사이클링을위해서는별도의리사이클링시설을갖추거 나외주업체를통하여야하므로공정내스크랩발생을최소화할수있는서보프 레스성형공법이간접설비투자및비용을절감하는데에유리하다. 109 다이캐스팅주조 / 서보프레스성형공정비교 71

72 110 다이캐스팅공법으법으로로제조한마그네슘합금 노트북케이스 ( 회수율평균 60%) ( 적색점선 제품 / 황색색실선 오버플로우 / 청색실선선 비스켓및런 너 ) 111 서보프레스성형법으법으로로제조한마그네슘합금노트북케이스 72

73 앞서시작성형단계에서는공정조건수립을위하여 109의서보프레스성 형공정중첫번째경우에해당하는공정순서를따라시험을수행하였으나, 공정 조건확립후에는양산과정중제품회수율을최대한높이기위하여원소재인열 연및냉연코일을위 것이바람직하다. 51과같이형상판재로만드는블랭킹공정을추가하는 블랭킹공정추가시에는마그네슘합금코일 UnCoiling Leveling Blanking Servo Press Forming Trimming Machining Washing에이르 는인라인공정구성이가능해지게되어공정중인력투입에따른제조원가증 가및품질문제발생을최대한억제할수있을것으로기대된다. 또한완성품 마그네슘합금판재노트북상판을조립시필요한보스등고객사 측에서추가요청시보스융착공정을추가하는수준에서적용이가능하므로최소 한의투자및공정변경으로우수한양산성을보유한라인구성이가능할것이다. 성형을마친시작품에대해서는도장작업을진행하였다. 서보프레스성형제품에 대한도장작업을완료한후에상대부품과가조립하여실응용이가능한것을확 인하였으며그결과를아래에나타내었다. 113 서보프레스성형시작품 ( 좌로부터 Mg 합금판재, 샌딩상태, ( 무광 ), 도장상태 ( 유광 ), 가조립상태 ) 도장상태 73

74 제 2 절기술지원성과 1. 추진진일정 2. 수행주체별담당당업무 지원기관 : 한국생산기술연구원 Mg 판재물성/ 성형성평가 온간 프레스금형설계/ 제작 서보프레스기반제품 시성형 CAE 해석및제품설계 응용 마그네슘소재별물성 데이터분석지원 마그네슘판재의물성 측정시험기술지원 마그네슘판재의조직 측정/ 분석기술지원 마그네슘물성시험데 이터의활용기술지원 성형성평가데이터분 석기술지원 온간프레스금형가열모듈기술지원 온간프레스금형냉각모듈기술지원 온간프레스금형온도제어기술지원 온간프레스금형설계기술지원 온간프레스금형제작기술지원 온간프레스금형윤활기술지원 성형성을고려한프레스모션설계기술지원 서보프레스제어및프로그래밍기술지원 서보프레스기반의제품시성형기술지원 서보프레스성형공정최적화기술지원 Mg 프레스성형공정변수측정기술지원 Mg 프레스성형공정모델링기술지원 Mg 프레스성형공정해석기술지원 Mg 프레스성형해석결과분석기술지원 CAE 해석에의한제품설계기술지원 제품설계최적화기술지원 참여기업: ( 주) 이노캐스트 74

75 3. 수행방법 일본, 유럽등의기술정보를수집하고지원기업에지속적으로제공. 국내외관련전문가를통한기술자문과세미나등을통해최신기술및시장동향을파악. 기술지원에필요한수요기술이발생하면생기원을비롯한관련전문가및연구그룹과연계하여지원. 지속적인파견지원을통해업체에대한긴밀한근접지원도모. 수요기업들과의적극적인교류를통해다각적인지원체계구축. 4. 지원성과 가. 마그네슘판재노트 PC 케이스설계 마그네슘합금노트 PC케이스를프레스성형을통하여제조하기위하여기존의다 이캐스팅주조와는다른노트 PC 케이스설계를진행하였다. 마그네슘합금압연 판재의성형성은판재방향에따라변화가예상되므로노트북케이스상단의문양 을집합조직의영향을최대한받지않도록설계하였으며, 추후양산과정에서합 금판재의방향성에따라불량률변화가발생할수있는가능성을최대한배제토록 하였다. 또한노트북케이스와의상대부품조립을하기위하여보스제작및융착 등과같은추가공정이필요로하며, 추후양산화단계에서심도깊게논의되어야할것이다. 나. 온긴프레스금형설계및제작 이는고객사측의설계변경이요구되는바 서보프레스금형은상/ 하형별개로온도제어가가능함은물론국부적온도제어 가가능하도록제작하여다양한공정조건을적용할수있도록하였다. 또한일반 다이캐스팅용금형에사용되는것과동일한소재를사용하여추후범용성및양산 화가용이하도록하였으며, 향후가열시스템교체가용이하도록스팟히팅방식으 로제조하였다. 다. 서보프레스성형공정설계 서보프레스성형공정설계를위하여해당판재에대한각방위별상온및고온 인장시험을수행하였으며, 기존연구개발결과들과유사한결과를얻었다. 모든 온도구간에서압연판재의각방위에따른인장강도및연신율의편차가존재하 고있었으며, 변형속도의증가에따리인장강도의증가를관찰할수있었다. 이는 변형속도에따라지배적인변형기구가결정되기때문으로생각되며, 추후프레스 가공시에도공정조건을설정하는데에참고로하였다. 또한프레스성형성의확 보를위하여사각컵및원통컵딥드로잉시험과그에따른 FEM 시뮬레이션을 병행하여적정변형속도와프레스공정시작조건을구하였으며, 이결과를토대 로하여윤활제의종류선정및윤활조건을결정하여최적공정조건을설정하였 다. 75

76 라. 노트 PC 케이스시작품제작앞서얻어진최적공정조건을토대로하여서보프레스공정을통한노트북케이스시작품을성형하여샌딩및도장공정을거친최종제품으로완성하였다. 기존다이캐스팅주조품에대한도장공정에서필요하였던수회에걸친퍼티공정이삭제되었을뿐만아니라샌딩및도장공정역시그차수가현저히줄어들어도우수한도장상태를보이고있었다. 이로써다이캐스팅주조에비하여프레스성형공정이양산성및원가절감측면에서우수한특성을보이고있는것을확인할수있었다. 상기와같이각연구단계별로얻어진결론들로미루어보아프레스성형을이용한 노트북케이스제작공정은상대적으로미려한외관과혁신적인원가절감효과를 가져올수있는것을재차확인할수있었으며, 추후양산화과정에서자동생산 라인설계가원활히이루어질경우에국제적인경쟁력은물론동종업계에서우월 한기술적인지위를차지할수있음을새삼확인하였다. 다음과같은기술개발이추가로보완되어야할것이다. 금형기술 열변형을고려한금형설계 온간조건에서의윤활기술 제품설계시재료성형한계반영 성형기술 마그네슘합금에최적화된공정시뮬레이션데이터베이스구축 향후양산화과정에서는 다양한소재에대한공정시뮬레이션데이터구축및시험데이터와의비교축적 인라인자동화가가능한시험생산라인구축 76

77 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 1. 목표달성도 기술지원목표 가중치 지원전 평가기준 지원후 물성/ 성형성평가지윈 20 % DB확보 온간프레스금형 설계/ 제작지원 (1) 온간프레스금형 설계/ 제작지원 (2) 온간프레스금형 설계/ 제작지원 (3) 온간프레스금형 설계/ 제작지원 (4) 서보프레스기반시성형 CAE 지원 해석및제품설계 지원 평가방법 평가기관등 달성도 KS시험횟수 100% 10 % 상온 <300 금형온도 100% 10 % >10mm/s 성형속도 100% 10 % >2mm >10mm 성형깊이 100% 10 % <20mm <10mm 코너부반경 100% 20 % <1min 공정 Cycle 시간 100% 20 % 오차 20% 오차 10% 파단변형률예측도 90% 2. 기술발전에의기여도 마그네슘합금프레스성형을통한노트북 PC케이스양산기술을확보하여국외선발주자가개척하지않은시장에서기술적우위를선점함과아울러후처리공정을단축한청정생산체제를구축할수있을것으로기대된다. 기준고속고압다이캐스팅공정으로생산한각종전자제품케이스등을판재성형품으로공정대체개발함으로써제품의외관요구특성을크게향상시킴과동시에불량률및후처리비용을대폭감소시킬것으로기대된다. 이를통해제조원가의절감효과가클것으로판단되며국내전자제품의국제적경쟁력강화에크게기여할것으로기대된다. 77

78 제 5 장기술지원결과의활용계획 Mg 제품은휴대성및이동성이중요시되는각종휴대용기기및스포츠ㆍ레저 용품으로적용확대가예상된다. 향후국내완성차업계의마그네슘합금부품개 발로드맵에의거자동차부품으로의시장개척이이루어질경우해당산업에서의 시장규모확대가예상되므로본기술지원에의해확보된기술을기반으로차후 추가연구개발지원이필요할것으로예상된다. 본기술개발지원사업을통한기존다운캐스팅으로생산한마그네슘노트북케이 스를대체할수있는프레스성형용제품설계기술을확보하고이를위한금형및 공절설계 DB 를구축하여시작품의제작을성공적으로완료하였다. 이는현재마 그네슘판재의프레스성형기술개발의성공적인수행으로평가할수있으며, 향 후공정단축에따른제조원가절감달성및기술적우위화보에활용할수있을 것으로예상된다. 향후본기술개발지원을통하여축적한기술을토대로하여노트PC 케이스외 에도디지털카메라, 휴대전화, MP3 플레이어등여러전자산업분야로적용범 위를넓힘과아울러향후자동차산업분야에진출할수있는초석을마련하게될 것이다. 78

79 79