초경량고품위 전자기기 외장케이스 개발을//// 위한 마그네슘 ... · 2011-12-20 · -4-기술지원성과 요약서 과제고유번호 연구기간 2007.4.1.~2008.3.31.(12

초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을////

위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원////

2008. 5.2008. 5.2008. 5.2008. 5.

한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

주 이노캐스트주 이노캐스트주 이노캐스트주 이노캐스트( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을////

위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술 지원////

2008. 5.2008. 5.2008. 5.2008. 5.

한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

주 이노캐스트주 이노캐스트주 이노캐스트주 이노캐스트( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 3 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산업자원부장관 귀 하산업자원부장관 귀 하산업자원부장관 귀 하산업자원부장관 귀 하

본 보고서를 초경량 고품위 전자기기 외장케이스 개발을 위한 마그네슘 프레스금“ /

형 성형기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출/ ”( : 2007.4.~2008.3.)

합니다.

2008. 5. .2008. 5. .2008. 5. .2008. 5. .

지원기관 : 기관명 한국생산기술연구원( )

대표자 나 경 환( )

지원기업 : 기업명 주 이노캐스트( ) ( )

대표자 최 락 헌( )

지원책임자 : 김 홍 규

참여연구원 : 김 기 덕

“ : 홍 석 관

“ : 김 대 욱

“ : 우 병 대

“ : 이 민 삼

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 개월2007. 4. 1. ~ 2008. 3. 31. (12 )

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명초경량 고품위 전지기기 외장케이스 개발을 위한 마그네슘 프레스금형 성형 기술지/ /

원

지원책임자 김홍규 지원연구원수

총 명: 3

내부 명: 3

외부 명: 0

총

사업비

정부 천원: 90,000

기업 천원: 90,000

계 천원: 180,000

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 정밀금형팀

참여기업 기 업 명 주 이노캐스트: ( ) 기술책임자 김대욱:

요약보고서

면수

외장 케이스 제품설계 기술 지원외장 케이스 제품설계 기술 지원외장 케이스 제품설계 기술 지원외장 케이스 제품설계 기술 지원

공정비용 절감을 위해 압연 판재의 품질과 무관한 성형성 확보할 수 있도록- Note PC

케이스 패턴 형상 설계

상대 부품에 대한 내부 조립 기구 설계가 가능하도록 해당 기초 데이터 확보-

온간 프레스 금형설계 및 제작 기술 지원온간 프레스 금형설계 및 제작 기술 지원온간 프레스 금형설계 및 제작 기술 지원온간 프레스 금형설계 및 제작 기술 지원

마그네슘 압연 판재의 성형성을 고려하여 상 하형에 따른 별도 온도 제어 및 국부 미- /

세 온도 제어가 가능하도록 금형 가열 시스템 개발

공정 불량 억제력을 높이기 위한 형상부 를 최적화한 프레스 금형설계- Shape factor

기술 확보

서보 프레스 기반의 케이스 성형 공정 기술 지원서보 프레스 기반의 케이스 성형 공정 기술 지원서보 프레스 기반의 케이스 성형 공정 기술 지원서보 프레스 기반의 케이스 성형 공정 기술 지원

마그네슘 판재의 서보 프레스 성형 시험 및 평가를 통해 기초적인 인장 시험과 딥드-

로잉 시험 시뮬레이션 수행, FEM

기초 시험 시뮬레이션 실제 프레스 성형 시험의 결과를 기초로 하여 최적 공정조건- , ,

성형온도 변형량 등 을 도출하였으며 양산성 확보의 토대 마련( / /Shape Factor )

외장케이스 시제품 제작 및 특성평가 기술 지원외장케이스 시제품 제작 및 특성평가 기술 지원외장케이스 시제품 제작 및 특성평가 기술 지원외장케이스 시제품 제작 및 특성평가 기술 지원

확보된 공정기술을 토대로 하며 케이스 시작품 제작- Note PC

해당 제품에 대한 도장 및 가조립 완료하여 프레스 성형을 통해 기존 다이캐스팅 주-

조 공법에 비하여 우수한 양산성과 원가 절감 효과가 얻어질 수 있음을 확인

색 인 어

각 개 이 상( 5 )

한 글 마그네슘 프레스 금형 전자기기 케이스, , , ,

영 어 Magnesium, Press, Die, Electronic appliance, Case

- 5 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

최근 일본에서는 온간프레스금형 기술을 적용하여 마그네슘 판재 기반의 상용화 제품을

개발하였고 포스코는 마그네슘 판재 사업에 본격 진출하였다 이에 따라 조만간 기존의, .

다이캐스팅 제품 시장이 급속히 판재 프레스 성형 제품 시장으로 전환되고 기계적 특성,

미흡으로 인해 적용이 어려웠던 구조 부품 시장도 새로 창출될 것으로 기대된다 주 이. ( )

노캐스트는 이러한 시대적 추세에 따라 마그네슘 판재 프레스성형 기술의 기반을 확보

하고 이를 통해 전자기기 케이스 제품을 개발 상용화하고자 한다 따라서 마그네슘 소, .

재 기술 표면처리 기술 도장 기술 시험 기술 등을 이미 보유한 주 이노캐스트에 한국, , , ( )

생산기술연구원이 보유한 서보프레스기술 온간금형 설계 제작 기술 금형 가열 냉각 제, / , /

어 기술 온간 윤활기술 제품 및 공정 설계를 위한 성형해석기술을 종합적으로 지원하, ,

여 제품 개발을 지원하고 이를 통해 향후 국내는 물론 세계 시장에서 마그네슘 판재 프

레스부품 시장을 개척할 수 있도록 하고자 한다 구체적으로는 다음 각각의 기술에 대한.

지원을 수행하고자 한다.

전자기기 외장케이스 개발을 위한 판재 물성 성형성 평가Mg /■

전자기기 장케이스 개발을 위 은갓 프레스금형 설계 제작1 ?# /■ 』

전자기기 외장케이스 개발을 웠한 서보프레스 기반의 제품 시성형■

전자기기 외장케이스 개발을 위한 해석 및 제품 설계 응용CAE■

- 6 -

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

판재 물성 성형성 평가Mg /■

마그네슘 소재별 물성 데이터 분석-

마그네슘 판재의 물성 측정 시험-

마그네슘 판재의 조직 측정 분석- /

마그네슘 물성 시험 데이터의 활용 기술-

마그네슘 판재의 성형성 측정 시험-

마그네슘 판재의 성형성 평가-

성형성 평가 데이터 분석 기술-

온간 프레스금형 설계 제작/■

온간 프레스금형 가열 모듈 기술-

온간 프레스금형 냉각 모듈 기술-

온간 프레스금형 온도 제어-

온간 프레스금형 온도 측정-

온간 프레스금형 설계-

온간 프레스금형 제작-

온간 프레스금형 윤활 기술-

서보프레스 기반 제품 시성형■

성형성을 고려한 프레스 모션 설계-

서보프레스 제어 및 프로그래밍-

서보프레스 기반의 제품 시성형-

서보프레스 성형 공정 최적화-

해석 및 제품 설계 응용CAE■

프레스성형 공정변수 측정- Mg

프레스성형 공정 모델링- Mg

프레스성형 공정 해석- Mg

프레스성형 해석 결과 분석- Mg

해석에 의한 제품 설계- CAE

제품 설계 최적화-

- 7 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

판재Mg

물성 성형성 평가/정량적 데이터 부족

온도 속도별 물성 및,

성형성 데이터 확보정량적 평가 완료

온간 프레스금형

설계 제작/

온간 프레스금형 기술

부재

성형용 온간 프레Mg

스금형의 설계 제작/

기반기술 확보

설계 및 제작 완료

서보프레스 기반

제품 시성형서보프레스 기술 부재

서보프레스 기반 성형

기술 화보제품 시성형 완료

해석 및 제품CAE

설계 응용

프레스성형Mg CAE

기술 부재

특성을 고려한Mg

활용 기술 축적CAE

제품 설계 응용 수

행

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명o : NotePC Case

모 델 명o : -

본 기술 개발 사업을 통해 기존 다이캐스팅 공정에 국한된 마그네슘 노트북 케※

이스 생산량을 대체할 수 있는 제품 설계 기술을 확보하였고 이를 위한 데이터 베

이스 구축 및 시작품 제작을 성공적으로 완료하였다 그리고 향후 본 연구 개발을.

통하여 축적한 데이터 베이스를 토대로 하여 노트북 케이스 외에도 디지털 카메라,

휴대 전화 플레이어 등 여러 전자 산업 분야로 적용 범위를 넓힘과 아울러, MP3

향후 자동차 산업 분야에 진출할 수 있는 초석을 마련하였다.

다만 현재까지 수요 업체 전자 등 가 판재 외장 케이스 제품을 완성품에 적, (LG ) Mg

용할지 여부를 시장 상황에 따라 예의주시하고 있는 상황이고 실제 적용제품이 발

생하지는 않고 있다 이에 대해서는 주 이노캐스트 측에서 좀더 시간을 두고 노력. ( )

할 필요가 있는 상황이다.

- 8 -

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질중국 WAFFER社

Note case대등 높음

경쟁제품 대비 가격중국 WAFFER社

Note case높음 대등

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년60 / ( 30%) 차년도 예상매출 기준

인건비 절감 백만원 년140 / ( 70%) “

계 백만원 년200 / ( 100%) “

근거자료( )※

프레스 성형을 통한 마그네슘 합금 노트 케이스 제작 기술의 확보 시 기존 다이PC

캐스팅 공정 대비 약 전후 제조 원가로 양산이 가능하여 해외 및 국내 기업들70%

에 비해 우수한 원가 경쟁력 확보가 가능.

다이캐스팅 프레스 성형

공정 공정원가 공정 공정윈가

마그네슘 잉곳100

마그네슘 판재256

다이캐스팅 주조

가공

100

프레스 성형

46세척 세척

사상

표면처리

100

표면처리

69퍼티

도장 도장

개별 단가 100 개별 단가 69

금형 단가 100 금형 단가 70

합계 100 합계 69

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적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 백만원 년0 / 백만원 년500 / %

수 출 천달러 년0 / 천달러 년0 / %

계 백만원 년0 / 백만원 년500 / %

마그네슘 합금 프레스 성형 기술의 확보를 통하여 추후 노트북 케이스 외 다양※

한 전자 산업 기기에 적용할 경우 년 이후 약 억에 이르는 시장을 형성할2009 61

수 있을 것으로 생각된다.

단위 억원 당사 다이캐스팅 생산 수량 토대로 산출함( : , )

구분년도

2008 2009 2010 2011

판매

계획

내수 19.8 36.3 38.5 38.0

수출 13.2 24.2 25.5 25.0

계 33 60.5 64 63

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Top case 천달러 년0 / 천달러 년500 / 천달러 년500 /

Bottom case 천달러 년0 / 천달러 년300 / 천달러 년300 /

계 천달러 년0 / 천달러 년500 / 천달러 년500 /

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

국내 개발된 바 없는 마그네슘 합금 프레스 성형 공정을 통한 노트북 케이스 제조 원-

천 기술 확보.

마그네슘 합금 프레스 성형의 양산화를 위한 기초 데이터 확보- .

- 10 -

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

박육제품 성형한계의 극복과 표면처리 등의 후처리 비용 감소 기대.￭

공정 단축을 통한 생산성 양산성의 획기적 발전 기대, .￭

기존 부품의 고품질화 기계적강성 표면품질 내구성Mg ( , , ).￭

전자기기 케이스를 시작으로 향후 수송기기 부품으로의 적용확대 기대.￭

세계적으로 초기 단계에 있는 판재 프레스성형 핵심기술 구축으로 향후 프레스금Mg￭

형 성형 산업 인프라의 비약적 발전 기대/ .

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증회득규격 인증회득규격 인증회득규격 인증회득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

- 11 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건18 온간 서보프레스 금형 성형 기술 정보 확보Mg /

시제품제작 건15 판재 외장케이스 시제품 개발 기술 확보Mg

양산화개발 건0

공정개선 건0

품질향상 건0

시험분석 건2

수출 및 해외바이어 발굴 건0

교육훈련 건0

기술마케팅 경영자문/ 건0

정책자금알선 건0

논문게재 및 학술발표 건12 논문게재 건 학술발표 건3 , 9

사업관리시스템

지인실적업로드 회수건33

참여기업방문회수 건33

기 타 건0

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

기술정보제공 및 시제품제작 지원을 통해 주 이노캐스트의 판재 노트 케이스- ( ) Mg PC

시제품 개발을 성공적으로 수행함.

업체의 기술 지원 수요에 따른 맞춤형 지원 수행함- .

현재까지는 양산제품 적용을 위해 수요업체와의 향후 지속적 협력이 필요한 상황임- .

- 12 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과□

논문게재 세부사항논문게재 세부사항논문게재 세부사항논문게재 세부사항

(9)(9)(9)(9)

게재게재게재게재

년도년도년도년도

(10)(10)(10)(10)

논문명논문명논문명논문명

저자저자저자저자(11)(11)(11)(11)(12)(12)(12)(12)

학술지명학술지명학술지명학술지명

(13)(13)(13)(13)

Vol.Vol.Vol.Vol.

(NO.)(NO.)(NO.)(NO.)

(14)(14)(14)(14)

국내외국내외국내외국내외

구분구분구분구분

(15)(15)(15)(15)

SCISCISCISCI

구분구분구분구분주저자주저자주저자주저자 교신저자교신저자교신저자교신저자 공동저자공동저자공동저자공동저자

2007

판재의 온간AZ31

사각컵 디프드로잉에서

금형 설계에 대한 성형성

민감도의 평가

김홍규 김홍규 김기덕한국소성가공

학회지16(2) 국내 비SCI

2007

마그네슘 합금 판재의

온간 딥드로잉 공정의

성형해성

이명한 오수익김헌영

김홍규

한국소성가공

학회지16(5) 국내 비SCI

2007

Non-Isothermal

Simulation of Warm

Circular Cup Deep

Drawing Processing of

an AZ31 Magnesium

Alloy Sheet

이명한 오수익

김헌영

김홍규

김기덕

Materials

Transactions49(5) 국외 SCI

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과□□□□

출원된 특허의 경우Ο

세부사항세부사항세부사항세부사항

(9)(9)(9)(9)

출원년도출원년도출원년도출원년도

(10)(10)(10)(10)

특허명특허명특허명특허명

(11)(11)(11)(11)

출원인출원인출원인출원인

(12)(12)(12)(12)

출원국출원국출원국출원국

(13)(13)(13)(13)

출원번호출원번호출원번호출원번호

- - - - -

등록된 특허의 경우Ο

특허 세부사항특허 세부사항특허 세부사항특허 세부사항

(9)(9)(9)(9)

등록년도등록년도등록년도등록년도

(10)(10)(10)(10)

특허명특허명특허명특허명

(11)(11)(11)(11)

등록인등록인등록인등록인

(12)(12)(12)(12)

등록국등록국등록국등록국

(13)(13)(13)(13)

등록번호등록번호등록번호등록번호

- - - - -

- 13 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황□□□□

사업화 세부사항사업화 세부사항사업화 세부사항사업화 세부사항

사업화사업화사업화사업화(9)(9)(9)(9)

명명명명

(10)(10)(10)(10)

사업화사업화사업화사업화

내용내용내용내용

사업화 업체 개요사업화 업체 개요사업화 업체 개요사업화 업체 개요(11)(11)(11)(11)(12)(12)(12)(12)

기 매출액기 매출액기 매출액기 매출액

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )

(13)(13)(13)(13)

당해연도당해연도당해연도당해연도

매출액매출액매출액매출액

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )

(14)(14)(14)(14)

매출액 합계매출액 합계매출액 합계매출액 합계

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )업체명업체명업체명업체명 대표자대표자대표자대표자 종업원수종업원수종업원수종업원수

사업화사업화사업화사업화

형태형태형태형태

- - - - - - - - -

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과□□□□

고용창출 세부사항고용창출 세부사항고용창출 세부사항고용창출 세부사항

(9)(9)(9)(9)

창업창업창업창업

명명명명( )( )( )( )

(10)(10)(10)(10)

사업체 확장사업체 확장사업체 확장사업체 확장

명명명명( )( )( )( )

(11)(11)(11)(11)

합계합계합계합계

명명명명( )( )( )( )

0 0 0

- 14 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건1. : 331. : 331. : 331. : 33

NO. 일자 구체적 내용 증빙 유무

1 2007-04-03 향후 기술개발 일정과 지원 방안 협의 유

2 2007-05-08서울대에서의 판재성형 개발정보 제공 및 금형 개발전Mg

략 논의“

3 2007-05-17생기원 딥드로잉 금형시험 현황 및 개발상 예상 문제점

논의“

4 2007-05-25 생기원 딥드로잉 금형 구조 및 세부 스펙 정보 제공 “

5 2007-05-29 생기원 딥드로잉 금형 구조 및 세부 스펙 정보 제공 (2) “

6 2007-06-13판재 딥드로잉 금형 시험 수행 및 문제점 정보 공유Mg

지원“

7 2007-06-15 판재 프레스제품 개발 동향 및 시장 정보 제공Mg “

8 2007-06-25 판재 프레스성형 기술개발 정보 제공Mg “

9 2007-06-29판재 딥드로잉 금형 시험 수행 및 문제점 정보 공유Mg

지원 (2)“

10 2007-07-06 온간 프레스금형 개발 가능 업체 정보 제공 “

11 2007-07-18 온간 프레스금형 성형 관련 기술 정보 제공/ “

12 2007-07-23 온간 프레스금형 개발 가능 업체 정보 제공 (2) “

13 2007-07-26 프레스금형제작 업체 선정을 위한 미팅 참석 및 기술자문 “

14 2007-08-17 포스코기술연구소 기술개발 정보 제공 “

15 2007-08-22프레스금형제작 업체 선정을 위한 미팅 참석 및 기술 자

문“

16 2007-08-24 판재성형 프레스금형 개발업체 방문 및 기술협의 지원Mg “

17 2007-08-30 프레스금형제작 업체 선정을 위한 기술력 분석지원 “

18 2007-09-04 판재 노트북 프레스금형 기본 설계를 위한 기술지원Mg “

19 2007-09-21판재 노트북 프레스금형 기본 설계를 위한 기술지원Mg

(2)“

20 2007-10-09 일본에서의 판재 기술개발 정보 제공 지원Mg “

21 2007-10-23전남신소재센터 입주기업의 판재부품 개발동향 정보Mg

제공“

22 2007-10-26 노트북 성형을 위한 예비 시험 지원Mg “

23 2007-11-02 노트북 성형을 위한 예비 시험 지원Mg (2) “





28 2008-01-01해외학회 참가에 따른 프레스기술 동(Plasticity2008) Mg

향 제공“

29 2008-01-18판재 기술 정보 제공Mg FSW(Friction Stirred Welding)

및 활용 방안 논의“

30 2008-01-30 판재 도장 품질 검토 및 윤활 방안 논의Mg “

31 2008-02-28실무책임자 퇴사에 따른 기술지원 현황 점검 및 세부기술

내용 제공“

32 2008-03-12열간성형 공정에서 금형냉각시 열전달효과의 평가기술정

보 지원“

33 2008-03-18 노트북 성형 시험 및 시제품 제작 평가 지원Mg “

- 15 -

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 182. : 182. : 182. : 18



2 2007-05-08서울대에서의 판재성형 개발정보 제공MG

및 금형 개발전략 논의“

3 2007-05-17생기원 딥드로잉 금형시험 현황 및 개발상

예상 문제점 논의“

4 2007-05-25생기원 딥드로잉 금형 구조 및 세부 스펙

정보 제공“

5 2007-05-29생기원 딥드로잉 금형 구조 및 세부 스펙

정보 제공 (2)“

6 2007-06-13판재 딥드로잉 금형 시험 수행 및 문제Mg

점 정보 공유 지원“

7 2007-06-15판재 프레스제품 개발 동향 및 시장 정Mg

보 제공“


9 2007-06-29판재 딥드로잉 금형 시험 수행 및 문제Mg

점 정보 공유 지원 (2)“

10 2007-07-18온간 프레스금형 성형 관련 기술 정보 제/

공“


12 2007-08-24판재성형 프레스금형 개발업체 방문 및Mg

기술협의 지원“

13 2007-10-09일본에서의 판재 기술개발 정보 제공Mg

지원“

14 2007-10-23전남신소재센터 입주기업의 판재부품Mg

개발동향정보 제공“

15 2008-01-01해외학회 참가에 따른(Plasticity2008) Mg

프레스기술 동향 제공“

16 2008-01-18판재 기Mg FSW(Friction Stirred Welding)

술 정보 제공 및 활용 방안 논의“

17 2008-02-28실무책임자 퇴사에 따른 기술지원 현황 점

검 및 세부기술내용 제공“

18 2008-03-12열간성형 공정에서 금형냉각시 열전달효과

의 평가기술정보 지원“

- 16 -

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 153. : 153. : 153. : 15


1 2007-07-06온간 프레스금형 개발 가능 업체 정보 제

공유

2 2007-07-23온간 프레스금형 기발 가능 업체 정보 제

공 (2)“

3 2007-07-26프레스금형제작 업체 선정을 위한 미팅 참

석 및 기술자문“

4 2007-08-22프레스금형제작 업체 선정을 위한 미칭 참

석 및 기술 자문“

5 2007-08-30프레스금형제작 업체 선정을 위한 기술력

분석 지원“

6 2007-09-04판재 노트북 프레스금형 기본 설계를Mg

위한 기술 지원“

7 2007-09-21판재 노트북 프레스금형 기본 설계를Mg

위한 기술 지원 (2)“


9 2007-11-02노트북 성형을 위한 예비 시험 지원Mg

(2)“


(3)“


(4)“


(5)“


(6)“

14 2008-01-30판재 도장 품질 검토 및 윤활 방안 논Mg

의“

15 2008-03-18노트북 성형 시험 및 시제품 제작 평Mg

가 지원“

- 17 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 24. : 24. : 24. : 2


1 2007-08-10 마그네슘합금 광학이미지 촬영 유

2 2007-08-16 마그네슘합금 인장시험 유

- 18 -

기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. : 335. : 335. : 335. : 33



2 2007-05-08서울대에서의 판재성형 개발정보 제공 및 금형 개Mg

발전략 논의“

3 2007-05-17생기원 딥드로잉 금형시험 현황 및 개발상 예상 문제

점 논의“

4 2007-05-25 생기원 딥드로잉 금형 구조 및 세부 스펙 정보 제공 “

5 2007-05-29생기원 딥드로잉 금형 구조 및 세부 스펙 정보 제공

(2)“

6 2007-06-13판재 딥드로잉 금형 시험 수행 및 문제점 정보 공Mg

유 지원“

7 2007-06-15 판재 프레스제품 개발 동향 및 시장 정보 제공Mg “


9 2007-06-29판재 딥드로잉 금형 시험 수행 및 문제점 정보 공Mg

유 지원 (2)“

10 2007-07-06 온간 프레스금형 개발 가능 업체 정보 제공 “

11 2007-07-18 온간프레스금형 성형 관련 기술 정보 제공/ “

12 2007-07-23 온간 프레스금형 개발 가능 업체 정보 제공 (2) “

13 2007-07-26프레스금형제작 업체 선정을 위한 미팅 참석 및 기술

자문“


15 2007-08-22 프레스금형제작 업체 선정을 위한 기술력 분석 지원 “

16 2007-08-24판재성형 프레스금형 개발업체 방문 및 기술협의Mg

지원“

17 2007-08-30 프레스금형제작 업체 선정을 위한 기술력 분석 지원 “

18 2007-09-04판재 노트북 프레스금형 기본 설계를 위한 기술 지Mg

원“

19 2007-09-21판재 노트북 프레스금형 기본 설계를 위한 기술 지Mg

원 (2)“

20 2007-10-09 일본에서의 판재 기술개발 정보 제공 지원Mg “

21 2007-20-23전남신소재센터 입주기업의 판재부품 개발동향 정Mg

보 제공“







28 2008-01-01해외학회 참가에 따른 프레스기술(Plasticity2008) Mg

동향 제공“

29 2008-01-18판재 기술 정보 제Mg FSW(Friction Stirred Welding)

공 및 활용 방안 논의“

30 2008-01-30 판재 도장 품질 검토 및 윤활 방안 논의Mg “

31 2008-02-28실무책임자 퇴사에 따른 기술지원 현황 점검 및 세부

기술내용 제공“

32 2008-03-12열간성형 공정에서 금형냉각시 열전달효과의 평가기술

정보 지원“

33 2008-03-18 노트북 성형 시험 및 시제품 제작 평가 지원Mg “

- 19 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

부록부록부록부록

- 20 -

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

주 이노캐스트는 현재 마그네슘 다이캐스팅 공법을 적용하여 전자기기류 예 노트( ) ( :

북 외장케이스 및 자동차 부품류를 자체 생산하여 전자 대우를 비롯, DVD) LG , GM

한 대기업에 수년간 납품하고 있다 다이캐스팅 공법은 다양하고 복잡한 형상의 마.

그네슘 부품을 정밀하게 제조할 수 있으나 제품의 기계적 강도 표면 특성 박육제, ,

품 성형성 등에서는 아직 기술적 어려움이 있는 상태이다 반면 소성가공 기술을.

기반으로 하는 프레스성형 공법은 마그네슘 소재 고유의 난성형성과 더불어 압연

판재의 고가 특성으로 인해 그동안 널리 적용되지 못했다 최근 일본을 비롯한 몇.

몇 선진국에서는 서보프레스와 온간금형을 결합한 새로운 정밀프레스금형 기술을

적용하여 일부 전자기기 케이스류에 대해 마그네슘 판재 기반의 상용화 제품을 생

산 판재하고 있으며 향후 마그네슘 판재를 사용한 프레스성형 부품 시장의 급속한, ,

확대가 기대되는 상황이다 또한 작년에 포스코가 마그네슘 판재 사업에 본격 신출.

함에 따라 조만간 기존의 다이캐스팅 제품이 급속히 판재 프레스성형 제품으로 전

환되고 기계적 특성 미흡으로 인해 적용이 어려웠던 구조 부품 시장도 새로 창출,

될 것으로 기대된다 주 이노캐스트는 이러한 시대적 추세에 따라 현재 초기 단계. ( )

인 마그네슘 판재 프레스성형 기술의 기반을 확보하여 기존의 다이캐스팅 사업의

상당 부분을 장기적으로 판재 프레스 사업으로 전환하고 신시장을 개척하고자 한

다 마그네슘 소재의 경우 워낙 소성가공성이 좋지 않기 때문에 프레스금형 성형. /

제품을 개발하기 위해서도 소재 고유의 특성에 대한 노하우간 여전히 매우 중요하

고 여기에 일반 프레스 금형 성형보다 기술적으로 어려운 서보프레스 기반의 온간, /

프레스금형 성형 기술에 대한 전반적인 지원이 필요하다 따라서 마그네슘 소재 기/ .

술 표면처리 기술 도장 기술 시험 기술 등을 이미 보유한 주 이노캐스트에 한국, , , ( )

생산기술연구원이 보유한 서보프레스기술 온간금형 설계 제작 기술 금형 가열 냉, / , /

각 제어 기술 온간 윤활기술 제품 및 공정 설계를 위한 성형해석기술을 종합적으, ,

로 지원하여 상용화를 목표로 하는 제품 개발을 지원하고 이를 통해 얻는 시너지

효과를 극대화하여 향후 국내는 물론 세계 시장에서 마그네슘 판재 프레스부품 시

장을 개척할 수 있도록 하고자 하였다.

- 21 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

최근 일본에서는 온간프레스금형 기술을 적용하여 마그네슘 판재 기반의 상용화 제

품을 개발하였고 포스코는 마그네슘 판재 사업에 본격 진출하였다 이이 따라 조만, .

간 기존의 다이캐스팅 제품 시장이 급속히 판재 프레스성형 제품 시장으로 전환되

고 기계적 특성 미흡으로 인해 적용이 어려웠던 구조 부품 시장도 새로 창출될 것,

으로 기대된다 주 이노캐스트는 이러한 시대적 추세에 따라 마그네슘 판재 프레스. ( )

성형 기술의 기반을 확보하고 이를 통해 전자기기 케이스 제품을 개발 상용화하고,

자 한다 따라서 마그네슘 소재 기술 표면처리 기술 도장 기술 시험 기술 등을. , , ,

이미 보유한 주 이노캐스트에 한국생산기술연구원이 보유한 서보프레스기술 온간( ) ,

금형 설계 제작 기술 금형 가열 냉각 제어 기술 온간 윤활기술 제품 및 공정 설/ , / , ,

계를 위한 성형해석기술을 종합적으로 지원하여 제품 개발을 지원하고 이를 통해

향후 국내는 물론 세계 시장에서 마그네슘 판재 프레스부품 시장을 개척할 수 있도

록 하고자 한다 구체적으로는 다음의 기술지원 목표를 달성하고자 한다. .

전자기기 외장케이스 개발을 위한 판재 물성 성형성 평가Mg /■

전자기기 외장케이스 개발을 위한 온간 프레스금형 설계 제작/■

전자기기 외장케이스 개발을 위한 서보프레스 기반의 제품 시성형■

전자기기 외장케이스 개발을 위한 해석 및 제품 설계 응용CAE■

- 22 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

판재 물성 성형성 평가판재 물성 성형성 평가판재 물성 성형성 평가판재 물성 성형성 평가Mg /Mg /Mg /Mg /■■■■

마그네슘 소재별 물성 데이터 분석 지원-

마그네슘 판재의 물성 측정 시험 기술 지원-

마그네슘 판재의 조직 측정 분석 기술 지원- /

마그네슘 물성 시험 데이터의 활용 기술 지원-

마그네슘 판재의 성형성 측정 시험 기술 지원-

마그네슘 판재의 성형성 평가 기술 지원-

성형성 평가 데이터 분석 기술 지원-

온간프레스금형 설계 제작온간프레스금형 설계 제작온간프레스금형 설계 제작온간프레스금형 설계 제작////■■■■

온간 프레스금형 가열 모듈 기술 지원-

온간 프레스금형 냉각 모듈 기술 지원-

온간 프레스금형 온도 제어 기술 지원-

온간 프레스금형 온도 측정 기술 지원-

온간 프레스금형 설계 기술 지원-

온간 프레스금형 제작 기술 지원-

온간 프레스금형 윤활 기술 지원-

서보프레스 기반 제품 시성형서보프레스 기반 제품 시성형서보프레스 기반 제품 시성형서보프레스 기반 제품 시성형■■■■

성형성을 고려한 프레스 모션 설계 기술 지원-

서보프레스 제어 및 프로그래밍 기술 지원-

서보프레스 기반의 제품 시성형 기술 지원-

서보프레스 성형 공정 최적화 기술 지원-

해석 및 제품 설계 응용해석 및 제품 설계 응용해석 및 제품 설계 응용해석 및 제품 설계 응용CAECAECAECAE■■■■

프레스성형 공정변수 측정 기술 지원- Mg

프레스성형 공정 모델링 기술 지원- Mg

프레스성형 공정 해석 기술 지원- Mg

프레스성형 해석 결과 분석 기술 지원- Mg

해석에 의한 제품 설계 기술 지원- CAE

제품 설계 최적화 기술 지원-

- 23 -

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

현재까지 노트북 케이스 및 플레이어 케이스 등의 전자 제품에 마그네슘PC DVD

을 사용한 예는 일부 제조사에 국한되어 있으며 대부분 고속 고압 다이캐스팅을,

제조 공정으로 사용하였다 이는 마그네슘 합금이 전 산업 분야에 걸쳐있는 경량화.

요구에 부합하면서도 상대적으로 우수한 박육 제품 주조성을 가지고 있기 때문에

가능한 일이었으며 전자 분야에서는 특히 일본 내 제조업체 들을 중심으로 하여,

노트북 디지털 카메라 이동전화 등의 내외장재로 적용되어 왔다 특히 가장DVD, , , .

보편화 되어 있는 공정 증 하나인 마그네슘 다이캐스팅 공법은 일본 외에도 전세계

노트북 시장의 이상을 으로 공급하고 있는 대만의70% OEM ASUS, MSI,

등에서 고급 모델의 케이스 생산에 적용하고 있다GIGABYTE .

이와 같은 국외 선발 주자들과의 경쟁에서 품질 및 가격 경쟁력을 확보하기 위해서

는 프레스 성형법에 의한 부품 제조 기술 개발이 필수적으로 요구되며 이를 통해

국내외 마그네슘 합금 산업 분야의 환경적 기술적 요구를 만족시켜야 한다 또한/ .

모델 변화가 빠르고 생산량 변화가 극심한 전자 부품 시장의 변화에 대응하기 위해

서도 강화 플라스틱 소재의 신공정 적용과 설계적 대응에 비해 가격적인 면에서,

우위를 점하기 위해서도 해당 기술의 개발이 절실히 필요한 시점에 이르렀다고 할

수 있을 것이다.

최근 일본에서는 년 전부터 개발을 진행해 온 마그네슘 프레스 성형 기술을 활5~7

용하여 노트 케이스의 양산을 개시하였으며 이를 위해 구조적 설계 기술 및 합PC ,

금 개발 공정 기술을 이미 확보해 놓은 상태이다 일본의 와, . SANKI co. Itd. A.J.C

마쯔시타 전기가 공동 개발한 마그네슘 프레스 성형 기술로 생산한 노트co. Itd.,

케이스는 년도 일본 내에서 개월간 노트북 판매 순위 중 위 점한바 있PC 2002 2 1

으며 마그네슘 프레스 성형 기술 개발을 본격화시키는 데에 기폭제가 되어 일본,

개사에서 노트 양산 적용에 박차를 가하고 있다3~4 PC .

이에 비해 국내에서는 지금까지 양산 적용을 위한 마그네슘 프레스 성형 기술에 대

한 연구는 거의 전무한 실정이며 국내 일부 대학 및 연구 기관에서 학술 연구의,

일환으로 프레스 단조 기술 개발 및 온도에 따른 성형 특성 연구를 진행하고 있는

상태이다 마그네슘 프레스 성형 공정에 있어서 현재까지의 기술적인 한계로는 소.

재특성 및 공정의 이해를 통한 공정개발과 금형 윤활기술개발 등이 있으며 양산화/ ,

를 위해서는 다방면의 연구 개발을 통해 이들 문제의 해결이 필요한 상황이다 그.

러나 마그네슘 판재의 온간프레스금형 설계기술 공정기술 윤활기술 등에 대해서는, ,

아직까지 국내외에서 보고된 연구 결과가 충분하지 않은 상황이고 대부분의 핵심기

술들은 현재 연구개발 진행 중이다.

- 24 -

소재특성 및 공정 이해를 통한 공정개발 측면에서 볼 때 마그네슘 프레스 성형 공,

정은 주조 공정에 비해서는 상대적으로 적은 공정 변수를 가지고 있어 충분한 연구

지원이 이루어진다면 그 결과를 빠른 시일 내에 도출할 수 있다 일반적으로 조밀.

육방정 결정구조를 갖는 마그네슘 합금은 작동 슬립계의 수가 적기 때문에 상온 성

형성이 나쁘고 상대적으로 고온에서 소성 가공이 이루어져야 한다 또한 성형성 극.

대화를 위해서는 승온 과정과 변형과정에서 발생하는 기계적 쌍정의 제어도 필요한

것으로 알려져 있다 현재까지의 소성 가공 기술은 주로 제품의 성형성이 확보되는.

온도변수의 확립에 주력하였으나 미세 구조와의 상관관계 열처리 조건의 영향 등,

에 대한 기초적인 연구 결과와 함께 이를 실제 양산에 적용하기 위한 공정 설계적

인 측면에서의 연구 성과가 미약하며 그로 인해 가공재의 성형능력에 일정 한계를,

보이고 있어 그 적용 범위가 상대적으로 넓지 않다 따라서 대학 및 연구소와 같은.

학술 연구 기관에서는 마그네슘 합금의 프레스 성형을 위한 소재 변형기구 정립과

이에 따른 최적 성형공정을 도출하고 기업에서는 이를 토대로 하여 양산 라인을,

구축할 수 있도록 지속적인 상호 협력이 이루어져야 할 것이다.

그림 압연 판재그림 압연 판재그림 압연 판재그림 압연 판재1 MD Player Case1 MD Player Case1 MD Player Case1 MD Player Case

일본일본일본일본( Sony)( Sony)( Sony)( Sony)

그림 압연판재 노트 케이스그림 압연판재 노트 케이스그림 압연판재 노트 케이스그림 압연판재 노트 케이스2 PC2 PC2 PC2 PC

일본일본일본일본( Panasonic)( Panasonic)( Panasonic)( Panasonic)

표 국내 외의 주요 연구개발 현황표 국내 외의 주요 연구개발 현황표 국내 외의 주요 연구개발 현황표 국내 외의 주요 연구개발 현황1111 ㆍㆍㆍㆍ

연구수행 기관 연구개 발의 내용 연구개발성과의 활용현황

RIST 판재 생산 기술Strip Casting 의 판재 사업 추진POSCO

이노캐스트 社 다이캐스팅 공법Mg 전자부품 자동차부품 생산,

Aida, Komatsu 서보프레스 프레스성형(Mg )用 프레스성형에 활용Mg

Sony 와 공동으로 프레스성형 기술Hitachi Mg 세계 최초로 케이스 제조MD

Casio 프레스성형 기술Mg 디지털카메라 케이스 제조

Panasonic 프레스성형 기술Mg 노트북컴퓨터 케이스 제조

폭스바겐 外 압출 단조Mg , 자동차부품 개발 시도

생기원 기계연, 外 프레스 성형 기반 기술Mg 개발 시도Prototype

서울대 外 프레스 성형 해석 기술Mg 금형 성형 기술 개발과 연계/

- 25 -

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

마그네슘 판재 노트 케이스 제품 설계마그네슘 판재 노트 케이스 제품 설계마그네슘 판재 노트 케이스 제품 설계마그네슘 판재 노트 케이스 제품 설계1. PC1. PC1. PC1. PC

기존의 고속 고압 다이캐스팅 주조를 이용한 마그네슘 합금 박육 제품의 개발은

가 거의 한계이며 그 이하의 두께에서는 공정 불량률이 가까이에 달해1.2mm , 50%

다이캐스팅이 효율적인 공정이 되지 못한다 프레스 성형을 이용한 생산 시에도 두.

께 이하의 초박형 제품 생산에는 유리하나 소재 자체의 두께가 얇기 때문에0.6mm

인장 강도는 확보가 되지만 제품의 평탄도 유지 및 형상적 왜곡의 억제가 어려운

난점이 있다 따라서 제품에 요구되는 우수한 기계적 특성을 확보하기 위해서는 최.

적화된 케이스 설계가 필요하며 이를 위하여 다음 표 와 같은 다양한 패턴의 적용2

여부를 검토하였다.

표 패턴 방안별 설계 적용 검토표 패턴 방안별 설계 적용 검토표 패턴 방안별 설계 적용 검토표 패턴 방안별 설계 적용 검토2222

NO 패턴 장점 단점

1

압연 판재의 집합- ND/RD

조직 분포에 따른 위치별 성

형성 차이가 거의 없음

패턴 간 단절로 인하여 중-

앙부 강성 저하 우려됨

2

스트라이프 패턴 방향이-

압연재 방향과 일치할 경RD

우 우수한 성형성 예상됨.

스트라이크 타원형 패턴- /

교차부 강성 증가

스트라이프 타원형 패턴- /

교차점 성형 시 형상 제한으

로 크랙 발생 가능성 높음

3

스트라이프 패턴 방향이-

압연재 방향과 일치할 경RD

우 우수한 성형성 예상됨.

패턴 방향에 따른 강성은-

우수하나 압연재 방향측ND

의 굽힘 저항성 약화 우려

됨.

4

선

정

안

압연재의 방향성과 무관하-

게 성형성 확보가 가능함

만곡부 값 책정 시 기존- R

패턴보다 수회 반복 시험이

필요할 것임.

- 26 -

마그네슘 판재 물성 성형성 기본 특성 조사마그네슘 판재 물성 성형성 기본 특성 조사마그네슘 판재 물성 성형성 기본 특성 조사마그네슘 판재 물성 성형성 기본 특성 조사2. /2. /2. /2. /

대부분의 합금 소재와 동일하게 마그네슘 합금은 전후의 온간 가공 및 그250 ℃

이상의 열간 가공 시에 동적 재결정에 의하여 비교적 양호한 소성 가공성을 보이게

되며 온도가 증가함에 따라 우수한 인장 특성을 보이게 된다 그 예로써 대표적인, .

상용 마그네슘 합금인 의 인장 특성은 아래 그림과 같이 보고되어 있으며AZ31B ,

한계 드로잉 비율 역시 인장 특성과 동일한 특성을 보이는 것으로 나타나 프레스

성형을 위한 금형 제삭 시에 가열 시스템을 적용하는 기준으로 삼았다.

그림 상용 합금의 고온 인장 특성 변화 예시그림 상용 합금의 고온 인장 특성 변화 예시그림 상용 합금의 고온 인장 특성 변화 예시그림 상용 합금의 고온 인장 특성 변화 예시6 AZ31B6 AZ31B6 AZ31B6 AZ31B

그림 성형 온도에 따른 합금의 한계 드로잉 비 변화 예시그림 성형 온도에 따른 합금의 한계 드로잉 비 변화 예시그림 성형 온도에 따른 합금의 한계 드로잉 비 변화 예시그림 성형 온도에 따른 합금의 한계 드로잉 비 변화 예시7 Mg7 Mg7 Mg7 Mg

- 27 -

또한 마그네슘 합금 압연 판재는 상온 및 고온 변형 시에 내부에 분포하는 집합 조

직에 따라 그 성형성이 크게 좌우된다 일반적으로 마그네슘 합금 판재는 냉간 제.

조가 불가능하여 온간 압연을 통해 생산하는데 압연 진행 방향에서 보았을 때에,

주로 집합 조직 성분이 발달하게 된다{0001}<001> .

집합 조직은 압연과 같은 판재 제조 및 이후의 성형 공정에서 압연방향 에(RD/ND)

따른 소성 가공성의 차이가 발생하는 원인을 규명하기 위하여 연구가 시작되었으

며 특히 철강 소재의 가공성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 이 때 압연, .

방향은 두께 방향은 판재의 평RD(Rolling Direction), TD (Transverse Direction),

면은 으로 통칭한다 에를 틀어 집합조직 상에서ND (Normal Direction) . ,

성분이 많다는 것은 물적적 의미로 보았을 때에는 압연 방향에서 보{112}<111>

았을 때에 해당 슬립계에 의한 소성 변형이 이루어질 확률이 높다는 것을 뜻하며,

해당 마그네슘 합금 판재의 경우에는 주로 집합 조직 성분이 높게{0001}<001>

나타나고 있어 상온 및 고온에서의 슬립 시스템의 수는 늘어나지 않으나 온도 증가

에 의해 시스템의 활성화가 이루어진다는 것을 의미한다 그림 는 시험에 사용한. 3

합금 판재 중 판재의 집합조직 분석 결과를 보여주고 있다 이러한 집합조직AZ31 .

의 차이는 압연 및 딥 드로잉과 같은 실제 소성 가공 시에 판재 방향에 따른 성형

성의 차이 소성변형비 이방성 로 나타나게 된다( , ) .

그림 마그네슘 합금 판재의 온도 방향성 항복 강도 관계그림 마그네슘 합금 판재의 온도 방향성 항복 강도 관계그림 마그네슘 합금 판재의 온도 방향성 항복 강도 관계그림 마그네슘 합금 판재의 온도 방향성 항복 강도 관계8 AZ31B - -8 AZ31B - -8 AZ31B - -8 AZ31B - -

("Ansiotropic) Properties of Magnesium Sheet AZ31", Mater Sci. Forum, 419-422, 2003)("Ansiotropic) Properties of Magnesium Sheet AZ31", Mater Sci. Forum, 419-422, 2003)("Ansiotropic) Properties of Magnesium Sheet AZ31", Mater Sci. Forum, 419-422, 2003)("Ansiotropic) Properties of Magnesium Sheet AZ31", Mater Sci. Forum, 419-422, 2003)

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따라서 압연 판재의 압연 방향 및 패턴 간의 방향성이 어떤 관계로 이루어지는 가

는 판재의 소성 가공성 특히 드로잉 특성에 큰 영향을 미치게 되어 양산성을 좌우,

하는 요소라할 수 있으며 그에 따른 가공성 향상을 확보하기 위해시는 원형 및 타,

원형 패턴이 가장 적합하다고 볼 수 있다 단 타원의 만곡부 등에서 제품의 찢김이.

나 크랙을 방지하기 위하여 적정 값을 로 설정해야 하기 때문에 다른R Trial & Error

패턴에 비하여 시험 가공 횟수가 증가하였다.

마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 재료 시험 및 분석 결과마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 재료 시험 및 분석 결과마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 재료 시험 및 분석 결과마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 재료 시험 및 분석 결과3. /3. /3. /3. /

재료의 특성과 파악하기 위하여 속도별 온도별 인장시험을 직접 실시하였다 시편, .

은 의 규격에 따라 압연방향 기준 방향에서 채취하여KS B 0801 13B 0°, 45°, 90°

가공하였다 인장 시험시 크로스 헤드 속도는 로 하였다. 6, 60mm/min .

그림 인장 시편 규격그림 인장 시편 규격그림 인장 시편 규격그림 인장 시편 규격11. (KS B 0801 13B)11. (KS B 0801 13B)11. (KS B 0801 13B)11. (KS B 0801 13B)

그림 압연판재로부터 방위별 시편가공그림 압연판재로부터 방위별 시편가공그림 압연판재로부터 방위별 시편가공그림 압연판재로부터 방위별 시편가공12121212

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마그네슘 합금인 판재의 특성 파악을 위해 위와 같이 가공된 시편을 대상으AZ31

로 인장 시험을 수행하였다 시험 조건을 정리하면 다음과 같다. .

시험 온도 상온- : , 100, 150, 200, 250℃

시험 속도- : 6, 60mm/min (0.1, 1mm/sec)

시편 방위 압연 방향 으로부터- : (RD) 0, 45, 90°

시험에서 얻어진 하중 변위 곡선으로부터 온도별 속도별 방위별 결과를 비교하였, , ,

다 그 결과는 다음과 같다. .

가 온도별.

온도가 상온에서부터 증가할수록 하중의 크기는 작아지고 연신율은 커지는 경향을

나타내었다 이는 앞서 그림 에서 보았던 바와 같이 전후에서 활성화되는. 6 200℃

동적 재결정으로 인하여 연신율이 증가하는 현상이다 동적 재결정은 외부로부터.

가해지는 응력에 의해 기존의 미세 조직 내부에서 전위들이 집적되어 전위 셀을 형

성하게 되고 새로운 결정립이 형성되고 결정립계로 전위가 소멸되는 현상이 상호,

연속적으로 이어지는 현상을 말한다 특히 결정 구조를 가지는 마그네슘 합금. HCP

의 경우에는 내부의 변형 쌍정에 의하여 다양한 변형 지구를 나타내게 되고 고온,

변형 시 상대적으로 예측 불가능한 변형 거동을 보이게 된다.

그림 온도별 인장 특성 변화그림 온도별 인장 특성 변화그림 온도별 인장 특성 변화그림 온도별 인장 특성 변화13131313

나 속도별.

각각의 시험 온도에 따라 편차는 있지만 시험 속도가 증가하면 최대 하중이 점점

커지는 경향을 나타내고 있으며 이는 변형 속도 증가에 따라 동적 재결정 및 쌍정,

변형에 필요한 요건이 충족되지 않았기 때문으로 판단된다.

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그림 각 온도별 변형 속도에 따른 인장 특성 변화 비교그림 각 온도별 변형 속도에 따른 인장 특성 변화 비교그림 각 온도별 변형 속도에 따른 인장 특성 변화 비교그림 각 온도별 변형 속도에 따른 인장 특성 변화 비교14.14.14.14.

다 방위별.

방위별 인장 특성은 각 온도에 따라 약간의 편차는 보이고 있으나 압연 방향으로,

부터 에서는 서로 비슷한 경향을 나타내고 는 상대적으로 높은 인장 강0°, 45° 90°

도와 낮은 연신율을 나타내고 있다 이는 맞서 기술한 바와 같이 마그네슘 합금 특.

유의 집합조직 특성에 기인한 것으로 시험 온도에 따라 조금씩 다른 집합 조직 성,

분 분포를 보이기 때문에 온도별 방위별 인장 특성이 조금씩 다르게 나타나고 있

다.

그림 판재 방위별 인장 특성 변화 비교그림 판재 방위별 인장 특성 변화 비교그림 판재 방위별 인장 특성 변화 비교그림 판재 방위별 인장 특성 변화 비교15151515

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마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 온간 시험 및 분석 결과마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 온간 시험 및 분석 결과마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 온간 시험 및 분석 결과마그네슘 판재 물성 성형성 평가를 위한 온간 시험 및 분석 결과4. / Deep Drawing4. / Deep Drawing4. / Deep Drawing4. / Deep Drawing

판재의 온간성형성 평가를 위해서 온간딥드로잉 시험을 수행하였다 마그네슘Mg .

판재는 상온에서의 성형성이 매우 나쁘다고 알려져 있고 이것은 앞의 인장 시험 결

과를 통해서도 알 수 있다 실제 노트북 성형을 수행하기 전에 기본적인 성형성 평.

가를 위해서 사각 컵 형상의 딥 드로잉 금형을 제작하였다 딥 드로잉 금형은 온간.

드로잉이 가능하도록 다이와 블랭크홀더에 히터를 삽입하고 외부로부터, PID -

제어가 가능하도록 설계하였다 반면 펀치에는 히터를 삽입하지 않고 냉각수SCR .

유로를 가공하였는데 이것은 일반적으로 드로잉에서 펀치의 냉각이 성형성이 도움,

을 주기 때문에 이를 구현하기 위해서였다 이때 펀치의 유로에는 의 일정한. 15℃

온도로 설정된 냉각수가 순환되도록 하였다.

블랭크 홀더의 홀더 가압을 위해서는 프레스에 별도로 설치되어 있는 압축공기 타

입의 다이 쿠션을 사용하였는데 다이 쿠션으로부터 연결봉을 사용하여 블랭크홀더,

를 지지하였다 실제 딥 드로이 성형 시에는 다이 쿠션의 반발력에 의해 적절한 블.

랭크 홀딩을 할 수 있도록 하였고 성형에 최적인 블랭크 홀딩력을 줄 수 있도록,

초기에 공기압을 제어 설정할 수 있도록 하였다, .

최초 시험 시에는 윤활제 없이 딥 드로잉 성형을 수행하였으나 다이와의 접촉 표면

에서의 마찰 및 스크래치 등의 영향으로 작은 성형 깊이에서도 파단이 발생하였고

이는 온도가 올라가도 크게 향상되지 못했다 따라서 접촉면에서의 영향을 줄이고.

최대한 소재 자체의 성형 특성을 고찰할 수 있도록 다양한 윤활제를 사용하여 성형

시험을 하였다 이에 대해서는 아래에서 다시 자세히 설명하였다. .

상온 의 온도에서 온간 딥 드로잉 성형 시험을 수행하였고, 100, 150, 200, 250℃

온도에 따라 성형성이 두드러지게 차이가 나타났다 이에 대해서도 아래에서 다시.

자세히 설명하였다.

가 윤활제에 따른 딥드로잉 성형성.

윤활제 없이 디프드로잉을 수행한 결과 온간 공정의 경우 냉간 공정에 비해 성형성

이 향상되었으나 만족할 만한 수준의 성형성을 얻을 수는 없었다 이에 온간 디프.

드로잉에 적합한 윤활제를 사용하여 성형성을 더욱 향상시킬 수 있는지를 시험하였

다 이 때 온간 디프드로이의 온도 조건이 상온에서 거의 까지의 범위인 점을. 300℃

고려하면 이 온도 범위에서 제 기능을 발휘할 수 있는 윤활제를 사용해야 했다 이, .

러한 점을 고려하면 일반적인 유체 윤활유나 그리스 등에 비해 고체 윤활제가 적합

할 것으로 판단하였다 따라서 본 연구에서는 다음의 가지 종류의 고체 윤활제를. 3

선택하였다 각각의 고체 윤활제 사용시에는 마그네슘 합금 판재 블랭크의. AZ31

상하면에 스프레이 방식으로 도포하여 표면에 윤활 막이 형성되도록 하였다 이후.

온간 딥 드로잉 시험은 무 운활 시와 동일한 조건에서 수행 하였다.

상온 의 온도에서 온간 딥 드로잉 성형 시험을 수행하였으, 100, 150, 200, 250℃

며 그 결과는 아래 그림 과 같다 여기서 최대 드로잉 깊이는 성형한 사각 컵에18 .

서 파단이 발생하는 순간까지의 드로잉 깊이를 의미한다 온도별 결과를 보면 시험.

온도 증가에 따라 최대 드로잉 깊이는 증가하는 경향을 보이나 가 되면 오히250℃

려 감소하고 있어 기존 연구 결과에 나타난 경향과 유사하다.

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폴리테트라플루오르에틸렌 에서의 장기 사용에 견디는 내열성과 전기절PTFE( ): 260▪ ℃

연성 단점은 낮은 기계적 강도 마찰열로 인한 재료표면의 용융 마멸량이 비교적 큰. , ,

점 를 사용하면 정도의 마찰 계수를 갖는다고 알려져 있음. PTFE 0.005~0.02 .

MoS▪ 2 이황화몰리브덴 높은 내압성을 갖고 저온에서 정도의 고온에 이르기까( ): 400℃

지 낮은 마찰계수를 나타내지만 윤활제 효과를 위해서는 부착성을 개선할 필요.

흑연 열팽창률이 극히 작아서 고온에서의 치수 정밀도가 우수하고 대부분Graphite( ): ,▪

의 금속에 비하여 열전도율이 큼 이렇게 열팰창률이 작고 열전도율이 커서 급격한 온도.

변화에 견디는 내열충격성이 우수 이 밖에 높은 전기 전도성과 온도와 강도와의 비례성.

등의 특성.

그림 온간 딥드로잉 금형의 일반적 구조그림 온간 딥드로잉 금형의 일반적 구조그림 온간 딥드로잉 금형의 일반적 구조그림 온간 딥드로잉 금형의 일반적 구조16161616

그림 온간 딥드로잉 금형 생기원 기보유그림 온간 딥드로잉 금형 생기원 기보유그림 온간 딥드로잉 금형 생기원 기보유그림 온간 딥드로잉 금형 생기원 기보유17 ( )17 ( )17 ( )17 ( )

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그림 온도별 딥 드로잉 성형성그림 온도별 딥 드로잉 성형성그림 온도별 딥 드로잉 성형성그림 온도별 딥 드로잉 성형성18181818

또한 윤활제 사용 시 무 윤활 시에 비하여 우수한 성형성을 관찰할 수 있었으며,

정량적인 비교를 위해 를 사용했을 때의 온도별 최대 디프 드로잉 깊이를 무PTFE

윤활 시와 비교하여 위의 그림 에 같이 나타내었다 여기서 보면 딥 드로잉 성형18 .

성이 가장 좋은 온도 부근에서 윤활에 의한 성형성의 향상 효과도 가장 두200℃

드러지게 나타났는데 대략 무윤활 시에 비하여 배 정도로 최대 드로잉 깊이가 증, 3

가했다 역으로 생각하면 이는 소재 자체의 성형성이 나쁜 온도 조건에서는 윤활제.

를 사용하더라도 그로 인한 성형성 향상 효과가 미미함을 나타낸다 즉 윤활제가. ,

성형성에 미치는 영향은 소재의 가열 온도 조건보다는 부차적임을 나타낸다.

위에서 살펴본 바와 같이 윤활제를 사용했을 때에 무윤활에 비해 디프드로잉PTFE

성형성이 크게 향상됨을 볼 수 있었다 그런데 앞에서 언급한 가지의 윤활제를 모. 3

두 시험해 본 결과 사용한 윤활제에 따라 성형성에 차이가 발생함을 볼 수 있었다.

의 가지 소재 가열 온도 조건에 대해 흑연150, 200, 250 3 PTFE, , MoS℃ 2의 각각

을 윤활제로 사용한 디프드로잉 시험을 수행하고 그 때의 최대 드로잉 깊이를 살펴

보았다 결과를 보면 소재의 온도가 일 때는 가지 윤활제의 경우 모두 금형. , 200 3℃

에 의해 설정된 최대 드로잉 깊이 까지 소재의 파단 없이 성공적으로 드로잉40mm

성형되었다 반면 소재의 온도가 에서는 비록 무윤활의 경우보다는 최. , 150, 250℃

대 드로잉 깊이가 향상되었지만 가지 윤활제 모두 까지 드로잉 성형되기 전3 40mm

에 소재 파단이 발생하였다.

이 때 시험 측정에 의하면 같은 윤활제를 사용했을 때도 최대 드로잉 깊이에는 약

간의 편차가 나타나기도 했다 이것은 이들 윤활제를 스프레이를 사용하여 도포하.

였을 때 수작업으로 인해 윤활막의 부착 상태에 편차가 발생했기 때문으로 추정된

다 윤활제 종류에 따라 최대 드로잉 깊이의 차이가 나타났는데 평균적으로 보면. ,

최대 드로잉 깊이는 흑연, MoS2 의 순서로 나타났다, PTFE .

이러한 결과는 마그네슘 판재의 온간 디프드로잉의 성형성 향상을 위해 어떤 윤활

제가 가장 적합한지를 보여준다 이러한 차이가 나타나는 원인은 각각의 윤활제 특.

성과 밀접한 관계가 있을 텐데 의 경우는 까지의 온간 조건에서는 고분, PTFE 250℃

자 소재의 특성상 제 기능을 충분히 발휘하는데 문제가 있었고 금형과 판재의 마찰

로 인해 윤활막이 성형중에 상당히 많이 마멸 박리되었기 때문으로 보인다, .

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그림 윤활제에 따른 딥 드로잉 성형성그림 윤활제에 따른 딥 드로잉 성형성그림 윤활제에 따른 딥 드로잉 성형성그림 윤활제에 따른 딥 드로잉 성형성19191919

이 같은 박리 현상은 흑연과 MoS2을 사용한 경우에도 여전히 나타났지만 흑연이나

MoS2은 구성 성분의 특성상 상대적으로 온간 조건에서도 원래의 제 기능을 발휘할

수 있었던 것으로 보인다 특히. MoS2는 정도에 이르기까지 제 기능을 발휘400℃

한다고 알려져 있는데 비해 흑연은 훨씬 고온에 이르기까지 제 기능을 발휘할 수

있는 것으로 알려져 있다 그러나 흑연과. MoS2도 마그네슘 판재와의 부착성에 한

계가 있었고 성형 중 박리 현상이 나타났다 흑연. PTFE, , MoS2를 윤활제로 사용한

온도별 온간 딥 드로잉 성형 후의 시편 형상들를 나타낸 위의 사진을 보면 성형,

후 시편의 표면 상태로부터 초기의 윤활막이 상당히 손상피어 있음을 볼 수 있었

다 결국 윤활제 성분 자체가 고온 조건을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 성형 도중에.

판재 표면에 얼마나 잘 부착되어 윤활막을 유지할 수 있는지가 실제 윤활 기능을

발휘하는데 중요함을 추정할 수 있었다.

나 성형 속도에 따른 딥드로잉 성형성.

펀치의 속도가 다를 때 한계 드로잉 깊이가 어떻게 변하는지 고찰하고자 하였다.

이를 위해 서보프레스 의 속도 조절 기능을 사용하였다 다양한(Komastsu, 200ton) .

속도를 사용함으로써 성형속도가 드로잉 성형성에 어떤 영향을 미치는지 관찰 할

수 있었다 본 연구의 온간 드로잉 공정에서 사용된 펀지 모션 드로잉 기준. (40mm )

프로파일을 아래 그림에 나타내었다.

이때 온간 딥 드로잉 성형 시험 온도는 로 설정하였으며 성형 속도는150, 250 ,℃

서보프레스의 최대 속도 를 기준으로 하여 상대적으로 설정하여 사용하였다(100%) .

에서는 블랭크 홀더 가압력 에서 펀치속도를 에서 까지 증가150 BHF( ) 5KN 1% 5%℃

시키며 드로잉 시험하였다 그에 따른 성형 깊이 변화와 성형 후 시편 모습은 아래.

그림 와 같으며 펀치속도가 증가함에 따라 한계 드로잉 깊이가 감소함을 볼21, 22 ,

수 있었다.

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그림 온간 딥드로잉을 위한 펀치 모션 프로파일그림 온간 딥드로잉을 위한 펀치 모션 프로파일그림 온간 딥드로잉을 위한 펀치 모션 프로파일그림 온간 딥드로잉을 위한 펀치 모션 프로파일20202020

그림 드로잉 깊이 변화그림 드로잉 깊이 변화그림 드로잉 깊이 변화그림 드로잉 깊이 변화21 (150 )21 (150 )21 (150 )21 (150 )℃℃℃℃

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(a) 150 -8mm-2% (b) 150 -5mm-3%(a) 150 -8mm-2% (b) 150 -5mm-3%(a) 150 -8mm-2% (b) 150 -5mm-3%(a) 150 -8mm-2% (b) 150 -5mm-3%℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

(c) 150 -3mm-4% (d) 150 -3mm-5%(c) 150 -3mm-4% (d) 150 -3mm-5%(c) 150 -3mm-4% (d) 150 -3mm-5%(c) 150 -3mm-4% (d) 150 -3mm-5%℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

그림 드로잉 시편 사진그림 드로잉 시편 사진그림 드로잉 시편 사진그림 드로잉 시편 사진22 (150 )22 (150 )22 (150 )22 (150 )℃℃℃℃

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에서는 을 사용하였는데 이것은 으로 설정하였을 경우250 BHF 7.5KN BHF 5KN ,℃

성형성의 차이가 거의 없었기 때문이며 펀치 속도를 에서 까지 증가 시키, 1% 50%

며 드로잉 시험을 수행하였다 그에 따른 성형 깊이 변화와 성형 후 시편 모습을.

아래 그림에 나타내었다 결과를 보면 펀치 속도가 이하일 경우에만 까. 15% 40mm

지 성형이 가능하였고 앞서의 결과와 마찬가지로 펀치 속도가 증가함에 따라 한계,

드로잉 깊이가 감소함을 볼 수 있었다.

그림 드로잉 깊이 변화그림 드로잉 깊이 변화그림 드로잉 깊이 변화그림 드로잉 깊이 변화23 (250 )23 (250 )23 (250 )23 (250 )℃℃℃℃

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(a) 250 -40mm-1% (b) 250 -40mm-15%(a) 250 -40mm-1% (b) 250 -40mm-15%(a) 250 -40mm-1% (b) 250 -40mm-15%(a) 250 -40mm-1% (b) 250 -40mm-15%℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

(c) 250 -28mm-16% (d) 250 -22mm-50%(c) 250 -28mm-16% (d) 250 -22mm-50%(c) 250 -28mm-16% (d) 250 -22mm-50%(c) 250 -28mm-16% (d) 250 -22mm-50%℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

그림 드로잉 시편 사진그림 드로잉 시편 사진그림 드로잉 시편 사진그림 드로잉 시편 사진24 (250 )24 (250 )24 (250 )24 (250 )℃℃℃℃

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펀치 속도에 따른 온간 드로잉 성형성을 재료의 기본 특성과 비교하기 위하여 속도

별 온도별 인장시험과 비교해 보았다 기준의 인장 시험에서 시험 속도가 수준, . 2

밖에 안 되었기 때문에 추가 인장 시험을 하였다 이때 시편은. ASTM E8(sub siae)

의 규격에 따라 제작하였고 시험 속도를 의 수준으로 하였, 0.1, 0.64, 4mm/sec 3

다 실험에서 얻어진 에서의 곡선들을 세 방향 압연방. 150 , 250 Stress-Strain (℃ ℃

향 기준 에 대해 평균 하였다 인장시험에서 시편 파단시의 변형율도 세0, 45, 90°) .

방향에 대해 평균하였는데 시험 속도가 증가 할수록 파단 변형율이 감소함을 확인

할 수 있었다.

그림 시험 속도에 따른 인장시험 결과그림 시험 속도에 따른 인장시험 결과그림 시험 속도에 따른 인장시험 결과그림 시험 속도에 따른 인장시험 결과25252525

그림 시험 속도에 따른 인장시험시 파단 변형률 변화그림 시험 속도에 따른 인장시험시 파단 변형률 변화그림 시험 속도에 따른 인장시험시 파단 변형률 변화그림 시험 속도에 따른 인장시험시 파단 변형률 변화26262626

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파단 변형률과 변형률 속도의 값을 알 수 있으면 인장시험에서 얻은 속도에 따른

파단 변형률 결과와 비교 할 수 있다 이를 위해 아래 그림에 보인 것과 같이. 25

조건에서 드로잉 공정의 유한요소 성형해석을 수행하였다 성형 해석 결과로부0 .℃

터 시험에서 얻어진 실제 파단시점의 최대 변형률과 그 위치에서의 변형률 속도 값

을 추출하였다 그리고 인장시험 결과를 변형률과 변형률 속도의 관계로 환. 250℃

산하여 다시 나타내었다 이렇게 하여 드로잉 시험과 인장시험에서 나타난 파단 변.

형률의 변형률 속도에 따른 변화를 아래 그림과 같이 비교하여 나타내었다 결과를.

보면 대체적인 경향은 시험 결과와 유사함을 알 수 있었다.

그림 온간 드로잉 공정의 유한요소해석그림 온간 드로잉 공정의 유한요소해석그림 온간 드로잉 공정의 유한요소해석그림 온간 드로잉 공정의 유한요소해석27 (MARC)27 (MARC)27 (MARC)27 (MARC)

그림 딥드로잉시험과 인장시험의 파단변형률 비교그림 딥드로잉시험과 인장시험의 파단변형률 비교그림 딥드로잉시험과 인장시험의 파단변형률 비교그림 딥드로잉시험과 인장시험의 파단변형률 비교28282828

또는 속도별 성형해석에서 모델을 적용하면 바로 파단 시점을 예측해 볼Damage

수도 있다 이와 같은 방식으로 속도별 파단 경향을 유한요소해석으로 예측해 보았.

다 예측된 결과는 속도별 딥 드로잉 시험 결과와 비교하였다 비교 결과 절대값에. .

약간의 차이는 있지만 전체적인 경향에서는 상당히 유사함을 볼 수 있었다.

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그림 모델에 의한 딥 드로잉 파단 예측그림 모델에 의한 딥 드로잉 파단 예측그림 모델에 의한 딥 드로잉 파단 예측그림 모델에 의한 딥 드로잉 파단 예측29 Damage29 Damage29 Damage29 Damage

그림 성형속도에 따른 파단 거동의 유한요소해석과 시험의 비교그림 성형속도에 따른 파단 거동의 유한요소해석과 시험의 비교그림 성형속도에 따른 파단 거동의 유한요소해석과 시험의 비교그림 성형속도에 따른 파단 거동의 유한요소해석과 시험의 비교30303030

다 딥 드로잉 성형의 유한요소해석.

향후 마그네슘 판재의 성형 공정 설계에 해석기술을 제대로 활용하기 위해서는 위

에서 언급한 인장시험과 드로잉시험 결과를 토대로 유한요소해석 기술을 검증하고

정립하는 단계가 필요하다.

먼저 성형해석의 재료 물성값 입력을 위해서는 인장시험 결과를 적절히 모델링할

필요가 있다 따라서 앞에서 설명한 판재의 인장 시험 결과를 다시 고찰하였. AZ31

다 결과를 보면 온도가 증가할수록 유동응력 은 계속 감소하였으나(Flow Stress)

파단 되기까지의 한계 변형률은 부근에서 최대가 되고 가 되면150, 200 250℃ ℃

오히려 감소하였다 이는 앞의 딥 드로잉 성형 시험 결과에서 가 되면 성형. 250℃

가능 깊이가 감소하는 현상과 일치하는데 프레스 성형에 있어 최적의 온도 조건이,

있음을 말해준다 또한 시편 방위에 따라서도 그 차이가 존재하지만 온도 증가에. ,

따라 편차는 감소하였으며 의 가지 변형 속도에서는 차이가 크지 않6, 60mm/min 2

았다 따라서 우선은 온도에 따른 응력 변형률 곡선만을 모델링하고 유한요소 해석. -

의 입력 데이터로 이용하였다.

- 40 -

그림 마그네슘 판재의 온도별 응력 변형률 거동그림 마그네슘 판재의 온도별 응력 변형률 거동그림 마그네슘 판재의 온도별 응력 변형률 거동그림 마그네슘 판재의 온도별 응력 변형률 거동31 -31 -31 -31 -

그런데 위의 그림과 같이 인장 시험을 통해 얻어진 응력 변형률 곡선은 시편의 국-

부적인 네킹 이후에 대해서는 정확한 진응력 진변형률 관계를 보여주지(Necking) -

못하게 된다 더구나 온간 시험 구간에서는 시편 내에 회복 동적 재결. (Recovery),

정 등의 열간 메커니즘으로 인해 응력 연화(Dynamic Recrystalization) (Softening)

와 네킹으로 인한 영향이 혼합되어 그 구분이 어렵게 된다 따라서 우선 이와 같은.

열간 메커니즘의 영향은 고려하지 않고 네킹의 영향만이 있다고 기정하고 이의 보

정을 위해 인장 시험으로 얻어진 응력 변형률 데이터를 다음과 같은 근사식을 이용-

하여 모델링하고 사용하였다.

위와 같은 근사식을 사용하여 임의의 온도에서의 응력 변형률 관계를 고려한 유한-

요소 해석을 수행하였다.

- 41 -

한편 소재의 성형성 한계로 인한 파단을 해석적으로 예측할 수 있어야 하는데 이를

위한 여러 가지 방법들이 있다 예를 들어 성형 해석에서 계산된 변형률이 성형한.

계도의 임계 변형률 상태에 도달하면 파단으로 판정하거나 판재의 경우 국부 네킹,

이 발생하는 불안정 조건이 되면 파단으로 판정하는 것이다 앞에서 보여진 온도별.

응력 변형률 곡선을 보면 파단에 이르기까지 시편에 가해진 소성일 의- (Plastic work)

양이 여러 온도에 대해 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다 이는 온도가 올라가면.

유동 응력은 감소하고 한계 변형률은 증가했기 때문인데 이로부터 소재에 축적되,

는 일의 양이 일정 수준에 도달하면 파단이 발생한다고 추정할 수 있다 이와 같은.

물리적 관점으로부터 본 연구에서는 파단을 예측하기 위한 기준으로 손상 모델을

사용하였다 손상 모델의 기본적인 개념은 위와 같이 소성일의 축적 양을 계산하고.

임계값에 도달하면 파단으로 판정하는 것인데 여러 연구자들에 의해 다양한 형태,

의 식들이 제안되어 있다 여기에서는 위와 같이 온도가 올라가더라도 소성일의 축.

적 양이 비슷하다는 관찰을 바탕으로 온간 성형에서의 파단 예측을 위해 손상 모델

을 도입하고 실제 실험 결과와의 비교를 통해 그 타당성과 한계를 고찰하였다 이.

를 위해 여러 손상 모델 중 모델을 사용하였다 성형 해석은 를 사용Oyane . MARC

하였는데 사용자 서브루틴 을 활용하여 위의 손상 모델의 적분값, (User Subroutine)

을 계산하였다 여기에서는 실험에서 관찰되는 파단 순간까지 유한요소 해석을 수.

행하고 그 때까지의 손상 값 을 계산하고 고찰하였다(Damage Value) .

계산상의 편좌를 위해 판재의 이방성은 무시하고 원형 블랭크 모델에 대해서 해1/4

석을 수행하였다 요소로는 절점 사각형 쉘 요소를 사용하였다 윤활. 4 (shell) . PTFE

상태를 가정하여 소재와 하부 다이 펀치 사이의 마찰 계수를 로 하였으며 프, 0.02 ,

레스 성형 시 드로잉 속도도 실험과 마찬가지로 으로 가정하였다 열전10mm/min .

달 해석을 위한 판재의 물성치와 대류 열전달 계수로는 아래와 같은 값들을AZ31

사용하였다.

표표표표 3 FE simulation conditions for AZ31 (ref.: www.matweb.com)3 FE simulation conditions for AZ31 (ref.: www.matweb.com)3 FE simulation conditions for AZ31 (ref.: www.matweb.com)3 FE simulation conditions for AZ31 (ref.: www.matweb.com)

Density 1770 kg/m3

Heat Capacity 1000 J/(kg )•℃

Thermal conducivity 96 W/(m )•℃

Heat transfer coefficient 2.95 W/(m2 )•℃

온간 인장 시험으로부터 근사화된 온도별 응력 변형률 관계식을 사용하여 유한요소-

해석을 수행하였다 온간 성형 공정에 영향을 미치는 많은 인자가 존재하므로 적절.

한 공정 변수를 고려하지 않으면 유한요소 해석의 정확성을 확보할 수 없다 따라.

서 먼저 딥 드로잉 성형 시험에서 관찰된 소재의 유동 특성을 기준으로 이를 정확

히 예측하기 위해 필요한 핵심 공정 변수를 검토하였다 이를 위해 검토할 공정 변.

수로서 열전달 효과와 마찰 효과를 선택하였다 실험한 온간 딥 드로잉 공정에서.

소재는 열선이 내장된 블랭크 홀더와 하부 다이 사이에 물려 가열되고 정해진 온도

로 유지되지만 펀치와 접촉하는 순간부터 열전달에 의한 열의 손실이 발생한다 일.

반적으로 접촉 열전달 계수의 크기는 대략 수 수십~ kW/(m2

로 알려져 있으므로)•℃

이를 고려하면 공기를 통한 열전달보다 훨씬 큰 열전달이 펀치와의 접촉을 통해 발

생할 것으로 예상된다 여기에서는 펀치와 소재 사이의 접촉 열전달 계수로. 4

kW/(m2

를 사용하여 계산하였다 한편 소재와 금형 사이의 윤활 조건도 판재) . ,•℃

성형 공정에 영향을 미치는 주요 인자이므로 마찰 계수를 변화시켜 영향을 살펴보

았다.

- 42 -

그림 에서의 최적 블랭크 형상 열전달이 없고 국부 마찰 배제 시그림 에서의 최적 블랭크 형상 열전달이 없고 국부 마찰 배제 시그림 에서의 최적 블랭크 형상 열전달이 없고 국부 마찰 배제 시그림 에서의 최적 블랭크 형상 열전달이 없고 국부 마찰 배제 시32 200 (a) ,32 200 (a) ,32 200 (a) ,32 200 (a) ,℃℃℃℃

열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부 마찰 배제 시열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부 마찰 배제 시열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부 마찰 배제 시열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부 마찰 배제 시(b) , (c)(b) , (c)(b) , (c)(b) , (c)

점선은 최초 블랭크 형상을 나타낸다점선은 최초 블랭크 형상을 나타낸다점선은 최초 블랭크 형상을 나타낸다점선은 최초 블랭크 형상을 나타낸다( )( )( )( )

에서 유한요소 해석에 의해 얻어진 몇 가지 결과를 위의 그럼에 나타내었다200 .℃

먼저 펀치로의 열전달을 고려하지 않고 펀치 전체 면의 마찰 계수를 로 하였을0.02

때의 결과를 에 나타내었다 깊이까지 성형을 하였으나 최종적인 플랜지(a) . 40mm

와 초기 블랭크를 비교해 보면 블랭크의 유입은 거의 이루어지지 않았음을(Flange)

알 수 있다 에 나타낸 결과는 여전히 열전달을 고려하지 않고 플랜지의 유입을. (b)

원활히 할 수 있도록 펀치 바닥면의 마찰 계수만을 로 증가시켰을 때이다 실제0.9 .

실험에서는 테프론을 사용하여 윤을 하였으나 테프론 사용 조건으로는 비교적 높은

온도에서 펀치로부터 접촉면에 강한 압력을 받으며 성형이 이루어지는 조건이므로

윤활막이 손상되어 기능이 저하될 가능성이 있다 따라서 이와 같이 펀치 바닥면에.

높은 마찰 계수를 적용해 볼 필요가 있다고 판단하였다 해석 결과 펀치 바닥면에.

서의 마찰 효과가 증가하여 펀치가 소재를 잡고 유입시키는 정도가 향상되었다 그.

결과 플랜지의 유입이 의 경우보다는 증가하있다 이번이는 마찰 계수의 변화 없(a) .

이 펀치로의 열전달만을 고려하여 해석을 하였고 그 결과는 와 같다 펀치로의(c) .

열전달로 인해 펀치 바닥면과 맞닿은 소재 부위가 급격히 냉각되는데 냉각된 부위,

의 물성은 온도별 응력 변형률 곡선에서 알 수 있듯 유동 응력이 증가하고 이는 곧-

상대적인 유동성 감소로 나타난다 냉각에 의한 펀치 접촉면 부근의 유동성 감소로.

플랜지 부위 소재가 상대적으로 변형하기 쉽게 되고 유입이 많이 이루어진다 특히.

결과와의 차이점은 사각 컵 모서리 방향에 비해 벽면 방향에서의 플랜지 유입(b)

양이 증가하였다는 점이다.

그림 에서의 변형량 시험 비교 상부 최종그림 에서의 변형량 시험 비교 상부 최종그림 에서의 변형량 시험 비교 상부 최종그림 에서의 변형량 시험 비교 상부 최종33 200 (a) ( )33 200 (a) ( )33 200 (a) ( )33 200 (a) ( )℃℃℃℃

블랭크 형상 측면 과 그리드 변형 비교블랭크 형상 측면 과 그리드 변형 비교블랭크 형상 측면 과 그리드 변형 비교블랭크 형상 측면 과 그리드 변형 비교, (b) ( ) FE simulation, (b) ( ) FE simulation, (b) ( ) FE simulation, (b) ( ) FE simulation

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실제 에서 성형된 사각 컵의 형상은 위의 그림에 나타내었다 소재의 유동을200 .℃

보기위해 초기 블랭크에는 일정한 간격의 격자 를 인쇄하였다 블랭크 유입을(Grid) .

나타내는 결과인 와 앞의 해석 결과를 비교하면 사각 컵 모서리 방향과 벽면 방(a) ,

향의 플랜지 유입 양의 크기와 상대적인 비율 면에서 열전달을 고려한 경우가 가장

유사함을 볼 수 있다 열전달을 고려했을 경우의 유한요소 해석 결과와 비교하여.

측면에서 관찰한 초기 격자의 변형을 에 나타내었다 열전달을 고려했을 경우가(b) .

실제 공정을 가장 잘 나타냄은 펀치에 걸린 하중의 측정치와 해석으로 얻어진 하중

을 비교한 아래 그림을 통해서도 알 수 있다 다른 두 가지 경우에 비해 열전달을.

고려했을 때 실험 측정치와 가장 유사함을 알 수 있다.

그림 펀치 하중 계산치와 시험값 비교그림 펀치 하중 계산치와 시험값 비교그림 펀치 하중 계산치와 시험값 비교그림 펀치 하중 계산치와 시험값 비교34 (200 )34 (200 )34 (200 )34 (200 )℃℃℃℃

앞 절의 소재 유동에 관한 실험 결과와 유한요소 해석의 비교로부터 실제 성형 공

정을 예측하는데 있어 열전달의 영향이 매우 중요함을 알 수 있었다 이번에는 소.

재의 파단을 고려하여 유한요소 해석에서 중요한 공정 변수를 검토하였다 여기에.

서는 손상 값을 계산 하였지만 비교 검토를 위하여 유효 변형률의 분포도 고찰하였

다 의 공정에서 계산 된 손상 값과 유효 변형율의 분포 아래의 그림에 나타. 200℃

내었다.

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그림 에서의 손상 분포 곡선 열전달이 없고 국부 마찰그림 에서의 손상 분포 곡선 열전달이 없고 국부 마찰그림 에서의 손상 분포 곡선 열전달이 없고 국부 마찰그림 에서의 손상 분포 곡선 열전달이 없고 국부 마찰35. 200 (a)35. 200 (a)35. 200 (a)35. 200 (a)℃℃℃℃

없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부, (b) , (c), (b) , (c), (b) , (c), (b) , (c)

마찰 없을 때마찰 없을 때마찰 없을 때마찰 없을 때 (BHP=2.5MPa)(BHP=2.5MPa)(BHP=2.5MPa)(BHP=2.5MPa)

그림 에서의 유효 응력 분포 열전달이 없고 국부 마찰그림 에서의 유효 응력 분포 열전달이 없고 국부 마찰그림 에서의 유효 응력 분포 열전달이 없고 국부 마찰그림 에서의 유효 응력 분포 열전달이 없고 국부 마찰36. 200 (a)36. 200 (a)36. 200 (a)36. 200 (a)℃℃℃℃

없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부없을 때 열전달이 있고 국부 마찰 존재 시 열전달이 있고 국부, (b) , (c), (b) , (c), (b) , (c), (b) , (c)

마찰 없을 때마찰 없을 때마찰 없을 때마찰 없을 때 (BHP=2.5MPa)(BHP=2.5MPa)(BHP=2.5MPa)(BHP=2.5MPa)

앞 절과 마찬가지로 접촉 열전달을 무시한 경우 펀치 면에 높은 마찰 계수를 적용,

한 경우 접촉 열전달만을 고려한 경우의 세 가지에 대해 비교하였다 결과를 보면, .

접촉 열전달을 무시한 경우에는 손상 값과 유효 변형률 모두 컵 바닥면 코너 부위

에서 최대값을 나타냄을 알 수 있다 바닥면 마찰 계수를 증가했을 때는 손상 값과.

유효 변형률 모두 컵 바닥면 코너 부위의 약간 아래 쪽에서 최대값을 나타내었다.

마지막으로 앞의 소재 유동측면에서 가장 적합한 결과를 보였던 열전달을 고려한

경우에는 손상 값이 컵 옆면 모서리 중간 유효 변형률이 컵 옆면 모서리의 아래쪽,

플랜지 가까이에서 최대값을 나타내었다 손상 값 또는 유효 변형률이 최대값을 나.

타내는 부위가 파단의 가능성이 가장 높다고 볼 수 있다.

실제 실험에서 온도가 이고 블랭크 홀딩압력이 일 때는 정해진 깊이인200 1MPa℃

만큼 드로잉 되어도 파단이 발생하지 않았지만 블랭크 홀딩 압력이 증가할수40mm

록 파단의 가능성이 높아졌다 즉 블랭크 홀딩 압력이 이 되면 여러 번의. , 2.5MPa

시험 중에 파단이 되는 불량이 간혹 관찰되었고 블랭크 홀딩 압력이 이 되면5MPa

거의 성형 중간에 파단이 되었다 이렇게 블랭크 홀딩 압력이 증가했을 때 실험에.

서 관찰된 시편의 파단 모습을 아래 그림에 나타내었다.

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그림 파단 시험편 사진그림 파단 시험편 사진그림 파단 시험편 사진그림 파단 시험편 사진37373737

(a) 2000 / BHP = 2.5MPa, (b) 250 / BHP = 5.0MPa(a) 2000 / BHP = 2.5MPa, (b) 250 / BHP = 5.0MPa(a) 2000 / BHP = 2.5MPa, (b) 250 / BHP = 5.0MPa(a) 2000 / BHP = 2.5MPa, (b) 250 / BHP = 5.0MPa℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

사진을 보면 두 경우 모두 사각 컵의 바닥면과 플랜지 중간 정도의 부위에서 파단

이 일어났음을 볼 수 있다 이러한 경향을 앞의 손상 값과 유효 변형률 최대값의.

위치와 비교하면 열전달을 고려한 최대 손상 값 위치가 실험에서의 관찰과 가장,

유사함을 알 수 있다 열전달을 고려한 경우가 더 적합함은 앞의 소재 유동을 고려.

했을 때와 마찬가지의 결과이고 유효 변형률 보다는 손상 값의 파단 예측성이 더,

우수하다고 판단된다.

본 연구에서 사용한 의 모델을 사용하기 위해서는 내부 상수를 정해야 한다Oyane .

이 내부 상수는 공정에 따라 적절한 조절이 가능하고 이는 모델의 자유도를Oyane

높이는 기능이 있다 마그네슘 합금의 경우 아직 값에 대한 충분한 연구가 없기 때.

문에 본 연구에서는 편의상 스테인레스 스틸 계열 소재에 대한 기존 연구를 참고하

여 사용하였다.

사각컵 외에 원형컵의 딥드로잉 성형에 대해서도 마찬가지로 시험과 유한요소해석

을 수행하고 서로 비교하였다 아래 그림은 그 예를 보여준다. .

그림 원형컵 온간 딥드로잉 시험과 유한요소해석의 비교그림 원형컵 온간 딥드로잉 시험과 유한요소해석의 비교그림 원형컵 온간 딥드로잉 시험과 유한요소해석의 비교그림 원형컵 온간 딥드로잉 시험과 유한요소해석의 비교38383838

라 금형 설계에 따른 딥드로잉 성형성.

펀치와 다이의 금형 설계 특히 어깨부 반경의 벽화에 따른 성형성을 평가하기 위,

하여 각각 가지 수준의 어깨부 반경을 갖는 펀치와 다이를 가공하였다 사각컵 드2 .

로잉을 위한 펀치와 다이의 형상 설계 번수와 실제 제작된 값들을 아래 그림과 표

에 보여주고 있다.

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그림 사각 컵 딥 드로잉 금형 제작을그림 사각 컵 딥 드로잉 금형 제작을그림 사각 컵 딥 드로잉 금형 제작을그림 사각 컵 딥 드로잉 금형 제작을39393939

위한 금형 설계 변수위한 금형 설계 변수위한 금형 설계 변수위한 금형 설계 변수

표 사각 컵 딥 드로잉 용 금형의 설계 변수 값표 사각 컵 딥 드로잉 용 금형의 설계 변수 값표 사각 컵 딥 드로잉 용 금형의 설계 변수 값표 사각 컵 딥 드로잉 용 금형의 설계 변수 값4. (unit: mm)4. (unit: mm)4. (unit: mm)4. (unit: mm)

사각 컵은 의 정사각형 단면이고 사각 컵 코너 반경은 펀치 기준으로40mmx40mm ,

클리어런스는 사용한 판재 두께 를 고려하여 의 값을 모든10mm, 0.8mm 0.96mm

경우에 사용하였다 반면에 다이 어깨부 반경 으로 와 펀치 어깨. (Rd) 6.25mm 3mm,

부 반경 으로 와 를 갖는 각각 종류의 다이와 펀치를 가공하고(Rp) 6.25mm 1.8mm 2

이들의 조합으로 총 세트의 금형 시스템을 제작하였다 금형 가열을 위해 다이와4 .

블랭크 홀더 내부에는 밀봉 히터 타입의 열선을 삽입하고 가열하였(Sheath Heater)

다 반면 펀치 내부의 유로에는 의 냉각수를 순환시켜 펀치의 온도 상승을 억. 15℃

제할 수 있도록 하였다 두께 의 마그네슘 합금 판재로부터 지름. 0.8mm AZ31

의 원형 블랭크를 가공하여 딥 드로잉 성형 시편으로 사용하였다120mm .

성형 공정은 앞에서 설명된 바와 같은 슬라이드 모션에 따라 진행되었는데, AZ31

판재 블랭크는 드로잉 성형 직전에 블랭크 홀더와 다이 사이에서 약간의 예압

단계 하에 초 동안 가열 단계 된 후 곧바로 드로잉 성형(Pressing ) 10 (Heating )

단계 되었다 드로잉 성형이 완료된 후에는 금형과 성형물에 충격을 주지(Drawing ) .

않도록 적절한 속도로 슬라이드를 초기 위치로 복귀 단계 시켰다 판재 투입(Return ) .

부터 성형물 취출까지의 이 모든 공정을 수행하는데 사용된 시간은 스트로크가 가

장 긴 드로잉의 경우를 기준으로 약 초였다 물론 각 단계의 슬라이드 속40mm 50 .

도를 바꾸면 전체 공정 시간도 바뀌게 된다.

블랭크 홀더 가압력 설정을 위해서 초기 공압 수준을 제어하였고 공압 다이 쿠션,

의 특성으로 인해 스트로크의 경우 블랭크 홀더 가압력이 초기 가압력으로40mm

부터 약 증가하였다 여기에서는 수 차례의 성형 시험을 토대로 비교적 우수한35% .

드로잉 결과를 얻을 수 있는 의 초기 블랭크 홀더 가압력을 사용하였다7.5kN .

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일반적으로 똑 같은 드로잉 깊이를 목표로 하는 경우에도 펀치와 다이의 코너 또는

어깨부 반경은 조금씩 다를 수 있다 이럴 경우 반경의 크기에 따라 목표로 한 드.

로잉 깊이까지 성공적으로 성형될 수도 있고 도중에 파단이 발생할 수도 있다 즉. ,

성형성 측면에서 보면 펀치와 다이의 코너와 어깨부 반경 등은 최적의 갈이 존재하

는 것이 일반적인 경향이다 예를 들면 펀치 어깨부 반경이 너무 크면 펀치 밑부분. ,

에서 축 인장에 의한 판 두께 감소가 심하고 금형에 의한 구속력이 작아져 변형2

영역이 커지고 때로는 보디 주름이 발생한다 반면 펀치 어깨부 반경이 너무 작으.

면 굽힘 변형에 의한 파단 가능성이 커진다 이와 유사하게 다이 어깨부 반경이 너. ,

무 크면 금형의 구속을 안 받는 영역이 커져서 보디 주름 가능성이 커지고 다이,

어깨부 반경이 너무 작으면 굽힘 저항에 의한 펀치력이 증가하고 굽힘으로 인한 파

단 가능성이 커진다 사각컵 코너 반경의 경우에도 대부분의 경우 반경이 작아지면.

성형성이 안 좋아지지만 때로는 코너부에 집중될 수축 변형 양의 일부가 길어진 사

각 컵 직변부로 흡수되어 드로잉 저항이 어느 정도 완화되기도 한다 이 밖에 펀치.

와 다이 사이의 간극인 클리어런스도 판재의 딥 드로잉 성형성에 큰 영향을 주는

점은 잘 알려져 있다.

모두 세트의 금형을 사용하여 온간 딥 드로잉을 수행하였다 드로잉 깊이를4 .

범위에서 간격으로 증가시키면서 성형 시험을 수행하고 육안으로 파0~40mm 5mm

단이 관찰되지 않으면 성형 성공 파단이 관찰되면 성형 실패로 판단하였다 그 때, .

성형 성공으로 판단되는 온도별 최대 드로잉 깊이를 금형 세트 각각에 대해 표시하

면 아래 그래프와 같다.

그림 시험 펀치 다이 별 온도에 따른 드로잉 깊이 변화그림 시험 펀치 다이 별 온도에 따른 드로잉 깊이 변화그림 시험 펀치 다이 별 온도에 따른 드로잉 깊이 변화그림 시험 펀치 다이 별 온도에 따른 드로잉 깊이 변화40 /40 /40 /40 /

위의 그래프로부터 평균적인 성형성을 평가하면 금형 세트 의 경우가 다른 경우, #1

보다 월등히 좋은 성형성을 보이고 금형 세트 의 경우는 중간 정도의 성형성을, #2

보임을 알 수 있다 금형 세트 과 금형 세트 의 경우는 온도별로 서로간의 우. #3 #4

열이 다르고 실제 드로 깊이도 작아서 명확한 차이를 말하기는 어렵다 근사적으로.

보면 본 연구에서 사용한 와 에서는 가능하면 큰 쪽의 값을 사용할 때 더 큰Rp Rd

드로잉 깊이를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

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금형 온도에 따른 딥 드로잉 성형성은 앞에서 보인 드로잉 깊이 데이터로부터 판단

할 수 있는데 금형 세트에 따라 약간의 차이는 있지만 대부분 온도가 올라갈수록,

드로잉 깊이가 증가하였고 와 에서는 드로잉 깊이가 서로 같거나200 250 250℃ ℃ ℃

에서 근소하게 큰 값을 보여주었다 이러한 경향은 이전에 온도 에서 최대 드. 200℃

로잉 깊이를 나타낸 점과 약간의 차이를 보여준다 이러한 차이점은 첫째로 최고의.

성형성을 갖는 온도 조건이 와 사이에 존재하기 때문일 수도 있고 둘200 250 ,℃ ℃

째로 펀치 냉각으로 인해 비록 금형 온도 기준으로 로 측정되었지만 판재의250℃

온도는 그 보다 낮기 때문일 수도 있다 이번에 사용한 금형의 구조상 판재의 온도.

를 직접 측정하기가 곤란하였는데 좀 더 정확한 평가를 위해서는 향후 판재 자체,

의 온도 분포를 측정해야 하겠다.

이번에는 최대 드로잉 깊이 이상으로 드로잉했을 때 나타나는 사각 컵의 파단 양상

을 고찰하였다 금형 세트 를 사용하였을 때 얻어진 사각 컵 파단의 대표적. #1~#4

인 모습들을 아래 사진들에 보여주고 있다.

그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이41. #1 (a) : 35mm /41. #1 (a) : 35mm /41. #1 (a) : 35mm /41. #1 (a) : 35mm /

드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이200 , (b) : 40mm / 200200 , (b) : 40mm / 200200 , (b) : 40mm / 200200 , (b) : 40mm / 200℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 드로잉 파단 사진 드로잉깊이42. #2 (a) : 10mm /42. #2 (a) : 10mm /42. #2 (a) : 10mm /42. #2 (a) : 10mm /

드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이150 , (b) : 20mm / 250150 , (b) : 20mm / 250150 , (b) : 20mm / 250150 , (b) : 20mm / 250℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

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그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉깊이그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉깊이43. #3 (a) 10mm /43. #3 (a) 10mm /43. #3 (a) 10mm /43. #3 (a) 10mm /

드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이200 , (b) 10mm / 250200 , (b) 10mm / 250200 , (b) 10mm / 250200 , (b) 10mm / 250℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉 깊이그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉 깊이그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉 깊이그림 금형 의 드로잉 파단 사진 드로잉 깊이44. #4 (a) 5mm /44. #4 (a) 5mm /44. #4 (a) 5mm /44. #4 (a) 5mm /

드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이드로잉깊이200 , (b) 15mm / 250200 , (b) 15mm / 250200 , (b) 15mm / 250200 , (b) 15mm / 250℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

금형 세트 의 경우에 의 온도에서 드로잉 깊이 까지는 대부분의 경#1 200 35mm℃

우 파단이 나타나지 않았지만 몇몇 경우에는 파단이 관찰되기도 하였다 한편.

까지 드로잉하면 대부분의 경우 파단이 나타났다 와 드로잉에40mm . 35mm 40mm

서 나타나는 파단의 모습을 보면 플랜지 가까운 모서리 부근에서 파단이 발생했음,

을 볼 수 있다 이 때 플랜지 부위의 심할 주름도 볼 수 있는데 드로잉 중 어느 시.

점에서 급속히 주름이 발생함을 괸찰할 수 있었다 주름 억제를 위해서는 블랭크.

홀더 가압력을 증가시킬 필요가 있으며 금형 세트 의 파단 양상도 어느 정도 주, #1

름 발생의 영향을 받았을 가능성이 있다 그럼에도 드로잉이 완료될 때까지. 40mm

일반적인 드로잉 파단 후보 지역인 펀치 바닥면 근방 벽면에서는 파단의 모습을 볼

수 없었다.

금형 세트 과 같이 의 값을 갖는 금형 세트 의 경우에는 드로잉#1 Rp=6.25mm #2

깊이가 금형 세트 에 비해 감소하였지만 온도에 상관없이 플랜지에 가까운 컵#1

벽면을 가로 지르며 파단이 전파되었음을 볼 수 있었다 즉 파단 위치의 관점에서. ,

는 금형 세트 의 경우처럼 펀치 바닥면 부근 보다는 플랜지 부근에서 나타났음#1

을 알 수 있다.

반면 로서 의 값보다 작은 금형 세트 의 경우에는 온도에 따Rp=1.8mm Rd #3, #4

라 다른 파단 양상을 보여준다 즉 온도 에서는 펀치 바닥면에 가까운 컵 벽. , 200℃

면을 가로지르며 파단이 전파되었는데 온도 에서는 의 갈이 작음에도 불, 250 Rp℃

구하고 금형 세트 의 경우처럼 플랜지 가까운 컵 벽면을 가로지르며 파단이#1, #2

전파되었다 즉 파단선이 온도 증가에 따라 펀치 바닥 쪽에서 플랜지 쪽으로 이동. ,

한 셈이다.

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위와 같은 관찰로부터 대략 온도 이하에서는 와 의 값에 따라 컵 벽면200 Rp Rd℃

의 파단 위치가 결정되지만 대략 온도 이상에서는 그와 상관없이 플랜지 부250℃

근의 컵 벽면에서 파단이 발생한다고 추정할 수 있다 이렇게 파단 위치가 플랜지.

쪽으로 이동하는 현상은 다이의 가열과 펀치의 냉각 효과에 어느 정도 기인한다.

즉 펀치 근방의 냉각 된 판재는 드로잉 중 변형이 상대적으로 억제되고 이로 인해,

판재 연신으로 인한 파단 진행으로부터 안전하게 되기 때문이다 다만 다이 온도.

이하에서는 의 값에 따라서 초기 드로잉에서 굽힘 변형이 어려웠거나 가200 Rp℃

능했더라도 후속 드로잉 도중에 파단을 유발할 정도로 상태가 안 좋아서 그와 같은

펀치 냉각에 의한 파단 억제 호과가 큰 역할을 못하게 된다.

온간프레스 금형 설계 및 제작온간프레스 금형 설계 및 제작온간프레스 금형 설계 및 제작온간프레스 금형 설계 및 제작5.5.5.5.

프레스 금형의 형상부는 상용 고온 합금강 증 하나인 종을 선정하였으며 그SKD61 ,

외 베이스 부 등은 계열의 고강도 탄소강을 사용하였다 재료 선정 과정에서S45C .

은 주 이노캐스트의 주력 공법인 다이캐스팅 금형에 가장 보편화되어 있는SKD61 ( )

소재로써 해당 합금에 대한 열팽창 특성 및 내열 특성에 대하여 널리 알려져 있어

추후 양산 금형 제작 시에 바로 도입 및 적용이 가능하도록 하기 위하여 선정하였

다 금형 중 형상 부위는 프레스 성형에 용이하고 현장에서 바로 교환이 가능할 수.

있도록 상판과 하판 베이스에 각각의 코어를 삽입하는 형태로 제작하였으며 이는,

금형 가열을 위한 열선 단선 등과 같은 가열 시스템 문제 발생 시에 보수를 용이하

게 하기 위함이다.

패턴 선정 및 제품 설계에 따른 금형의 제작은 온간 프레스 성형 시 부위별 온도

제어가 가능하도록 하였으며 총 개의 가열 존으로 구성되어 있다 아래 그림은, 20 .

시작 금형의 패턴에 따른 열선 구성 의 개략도로 패턴부 중에서도- Spot Heating

타원상 곡률 반경이 적은 부분에 집중적으로 가열이 이루어질 수 있도록 열선을 배

치하여 성형 중 소재의 찢김이나 크랙 발생을 억제코자 하였다.

그림 프레스 금형 성형을 위한 판재 블랭크 설계안그림 프레스 금형 성형을 위한 판재 블랭크 설계안그림 프레스 금형 성형을 위한 판재 블랭크 설계안그림 프레스 금형 성형을 위한 판재 블랭크 설계안49 Mg49 Mg49 Mg49 Mg

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그림 온간프레스 금형 열선 배치도그림 온간프레스 금형 열선 배치도그림 온간프레스 금형 열선 배치도그림 온간프레스 금형 열선 배치도53535353

이때 열선은 최초 테스트 시에는 일반 니크롬 발열선을 사용하였으며 이후 양산성

평가시험을 위해서 히터로 교체하여 장시간 조업이 가능하도록 하였다 열선PTC .

의 종류에 대해서는 추후 초도 양산 시 실제 수명을 평가하여 새로이 선정하여야

할 것이다.

상기 도면을 토대로 하여 프레스 금형의 플레이트 베이스 코어부를 아래 그림과 같/ /

이 제작하였으며 상 하판 베이스 및 코어 내 가열 시스템 구성을 위한 열선 삽입/

경로 역시 확인할 수 있다.

그림 판재 성형용 온간프레스 금형 조립전그림 판재 성형용 온간프레스 금형 조립전그림 판재 성형용 온간프레스 금형 조립전그림 판재 성형용 온간프레스 금형 조립전54 Mg ( )54 Mg ( )54 Mg ( )54 Mg ( )

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그림 프레스 금형 장착 및 냉간 시성형 수행그림 프레스 금형 장착 및 냉간 시성형 수행그림 프레스 금형 장착 및 냉간 시성형 수행그림 프레스 금형 장착 및 냉간 시성형 수행10101010

서보 프레스 성형 공정 설계서보 프레스 성형 공정 설계서보 프레스 성형 공정 설계서보 프레스 성형 공정 설계6.6.6.6.

성형 공정 설계를 위해서 위에서 이미 언급한 바와 같이 우선 판재의 물성과 성형

성의 파악을 위해 압연 판재에 대하여 인장 시험을 수행하였으며 성형성 평가를,

위해 사각 컵 딥 드로잉 시험을 수행하고 분석하였다 이 과정에서 프레스 성형성.

향상을 위해 필수적인 몇 가지 윤활제의 성능을 평가하였다 딥 드로잉 시험에서는.

프레스 성형 속도에 따른 영향 금형설계 변수 코너부 반경 의 영항을 검토하였다, ( ) .

또한 성형해석을 위해 유한 요소 해석을 수행하고 시험 결과와 비교 검증하였으며,

이를 토대로 하여 서보 프레스 성형 공정을 설계하여 시제품 성형 가공을 수행하고

자 하였다.

서보프레스의 구조는 아래 그림과 같으며 서보 모터의 제어를 통하여 토글 방식의

링크를 움직여 성형을 하는 방식으로 되어 있다 이러한 서보프레스는 기타 프레스.

에 비하여 양산성 및 성형성에 있어 우수한 장점을 가지고 있다 일반적으로 서보.

프레스의 자유 모션 설정이 가능한 장점이 있어 온간 딥 드로잉 외에도 다양한 성

형 공정에 폭 넓게 사용할 수 있다.

그림 서보프레스의 구조그림 서보프레스의 구조그림 서보프레스의 구조그림 서보프레스의 구조46464646 그림 서보프레스의 특성그림 서보프레스의 특성그림 서보프레스의 특성그림 서보프레스의 특성47474747

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그림 다양한 성형에서의 서보프레스 활용그림 다양한 성형에서의 서보프레스 활용그림 다양한 성형에서의 서보프레스 활용그림 다양한 성형에서의 서보프레스 활용48484848

한국생산기술연구원에는 아래 사진에 보인 것과 같은 일본 사의KOMATSU 200ton

서보프레스를 보유하고 있다 마그네슘 판재의 성형에 활용되는 서보프레스 아래.

그림과 같은 구조로 되어 있으며 크랭크 프레스 링크 프레스 유압 프레스 등에, , ,

비해 생산성이나 성형성에서 좋은 특성을 가지고 있다.

그림 서보프레스그림 서보프레스그림 서보프레스그림 서보프레스45454545

(KOMAISU , 200ton)(KOMAISU , 200ton)(KOMAISU , 200ton)(KOMAISU , 200ton)社社社社

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차 시성형 초기 성형 조건 시험 및 개선안 도출차 시성형 초기 성형 조건 시험 및 개선안 도출차 시성형 초기 성형 조건 시험 및 개선안 도출차 시성형 초기 성형 조건 시험 및 개선안 도출7. 1 ( )7. 1 ( )7. 1 ( )7. 1 ( )

앞 절에서 이미 설멍한 바와 같이 제작된 노트북 성형 금형을 서보프레스 위에 설

치하였다 아래 그림 는 금형 설치 후 상 하형을 개방한 상태의 모습을 나타낸. 49 /

다.

그림 서보프레스에 설치된 노트북 성형 금형그림 서보프레스에 설치된 노트북 성형 금형그림 서보프레스에 설치된 노트북 성형 금형그림 서보프레스에 설치된 노트북 성형 금형49494949

성형을 위한 마그네슘 판재는 포스코에서 생산한 두께 판재를 사용하0.6mm AZ31

였다 성형에 사용할 블랭크의 형상은 아래 그림 및 사진과 같이 설계하였다 힌지. .

부분의 블랭크 형상은 힌지 부분 성형성과 성형 후 플랜지 양을 고려하여 설계하였

다.

그림 판재 블랭크 설계그림 판재 블랭크 설계그림 판재 블랭크 설계그림 판재 블랭크 설계50505050

그림그림그림그림 실실실실제 제작된 판재 블랭크제 제작된 판재 블랭크제 제작된 판재 블랭크제 제작된 판재 블랭크51515151

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앞에서 이미 설명된 것처럼 금형의 상형과 하형의 온도는 별도로 제어 유지가 가,

능하도록 설계 제작되었다 앞의 사각 컵과 원형 컵 시험 및 해석을 통해 성형성에, .

대한 정보를 축적하였지만 실제 노트북 케이스의 성형 특성과는 또 다른 특성을 나

타낼 수 있다.

따라서 제작된 금형의 기능을 활용하여 상형과 하형에 대해 다양한 온도를 적용하

여 시험해 볼 필요가 있다 이에 다음과 같은 온도의 조합을 시험해 보았다. .

상형- : 100, 250, 275, 400℃

하형- : 100, 200, 250, 350℃

여기서 상형 온도인 는 판재 제조사인 포스코 기술진의 의견 최적 성형성의275 (℃

온도 조건 을 참고하여 설정한 것이고 그 밖의 온도는 편의상 몇 개의 온도 조건) ,

들을 적용한 것이다.

금형의 하형은 프레스 볼스터에 클램핑 고정되고 상형은 프레스 슬라이드에 클램핑

고정 되므로 프레스 성형 속도 또는 펀치 속도는 프레스 슬라이드 속도의 설정에,

따른다 여기서는 프레스 속도 기준으로 하여 다음과 같은 조건들을 시험하. 100%

였다.

슬라이드 속도- : 0.1, 1, 2, 5% (1% 0.36mm/s)≒

프레스 속도 설정 는 프레스 모션의 특성상 성형 구간에 따라 다른 절대 속도100%

를 갖는다 여기서 노트북 성형 구간을 기준으로 를 통해 실측해보면 는. LVDT 1%

약 의 절대속도에 해당하였다0.36mm/s .

성형 시 윤활제로는 흑연 을 사용하거나 아무 윤활제도 사용하지 않는 무(Graphite)

윤활 조건을 적용하였다.

위와 같은 다양한 조건들을 조합하여 결극 다음 표와 같은 가지 조건에 대해 성12

형 시험을 수행하였다.

표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건들들들들5 PC5 PC5 PC5 PC

위의 각 경우에 대한 성형 시험 결과는 다음과 같았다.

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조건에 대한 성형 시험 결과(1) #1

# 상형 온도( )℃ 하형 온도( )℃ 속도 조건 윤활 조건

1 100 100 jog 무윤활

상형과 하형의 온도를 로 동일하게 하였고 윤활은 하지 않았다 속도는 프레100 .℃

스의 모드로 하였는데 이것은 대략적으로 보아도 가 넘는 속도 값이므로 상jog 5%

대적으로 저속도에 따른 이득을 기대하기 힘든 조건이었다 금형의 온도가 비교적.

낮아서 금형의 작동 등에서 큰 문제는 없었지만 성형성 측면에서는 만족스러운 결

과를 얻지 못했다 힌지 부분은 물론이고 패턴 부분도 원호를 따라 파단이 발생하.

였다 또한 블랭크 정렬이 좋지 않을 때는 벽면과 플랜지 간의 파단까지 발생하였.

다.

그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단52525252 그림그림그림그림 플랜플랜플랜플랜지 파단지 파단지 파단지 파단53535353

그림그림그림그림 힌힌힌힌지지지지 플랜플랜플랜플랜지 파단지 파단지 파단지 파단54 /54 /54 /54 /



2 250 250 jog 무윤활

상형과 하형의 온도를 로 동일하게 적용하였다 역시 무윤활 조건이고 속250 . jog℃

도를 적용하였다 온도가 높아짐에 따라 패턴부의 파단이 조금 개선되는 경향은 있.

었지만 힌지 부분 파단을 여전하였다.

- 57 -

그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단55555555 그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단56565656

그림그림그림그림 힌힌힌힌지 파단지 파단지 파단지 파단57575757



3 250 250 jog Graphite

앞의 조건에서 패턴부의 파단이 약간 개선되었기 때문에 이 조건에서 흑연 윤활을

하고 다시 성형 시험을 하였다 그러나 별다른 차이가 나타나지는 않았다 패턴부. .

파단도 여전히 나타났으며 힌지의 파단도 발생하였다.


- 58 -




4 250 350 jog 무윤활

온도를 증가시키면 성형성이 좀 더 개선될 가능성이 있는지 확인하고자 하형의 온

도를 로 올렸다 그러나 패턴부의 파단이 여전히 발생하였다350 . .℃





5 250 350 jog Graphite

- 59 -

위의 조건에서 흑연 윤활을 하고 동일한 시험을 하였다 완전히 파단이 없어지지는.

않았지만 패턴부 파단이 좀 더 개선되었다 그러나 힌지의 파단은 여전히 발생하였.

다.





6 250 350 0.01% Graphite

이번에는 위의 조건에서 프레스 슬라이드 속도를 로 대폭 감소시켜 시험하였0.1%

다 흑연 윤활도 하였다 결과적으로 보면 패턴부도 어느 정도 파단 없이 성형되었. .

고 힌지도 성형되었다 그러나 성형 시간이 너무 오려 걸렸고 무엇보다 성형 후 케.

이스가 평면상에서 오목하게 휘어져 있는 결과가 나타났다 이것은 오랜 시간 금형.

내에서 눌려 있으면서 열에 의한 변형 효과가 반영된 것으로 보인다 또한 실제로.

는 금형 이형 시에 성형된 판재가 쉽게 분리되지 못하면서 이형에 의한 추가 변형

이 영향을 끼친 것으로도 보인다.

- 60 -

그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형67676767 그림그림그림그림 힌힌힌힌지 성형지 성형지 성형지 성형68686868



7 275 200 1% 무윤활

위에서 하형의 온도를 까지 올리면서 패턴부의 성형성이 약간 개선되기는 했350℃

지만 완전히 좋아지지는 않았고 힌지 부분의 경우 오히려 나빠지는 경향도 나타났

다 그리고 무엇보다 하형이 너무 높은 온도로 가열된 경우 열팽창으로 인해 하형.

의 작동이 원활하지 못한 문제까지 발생하였디 즉 지나치게 높은 온도가 정작 성.

형성 개선에는 큰 도움이 안되고 불필요한 작동상의 문제점을 야기한다고 판단하였

다 이에 하형의 온도를 로 낮추었다 그리고 속도 무윤활 조건으로 시. 200 . 1%,℃

험하였다 그러나 무윤활 조건 때문인지 만족할만한 성형성이 나타나지 않았다. .


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그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단그림 패턴부 파단71717171 그림그림그림그림 힌힌힌힌지 파단지 파단지 파단지 파단72727272



8 275 200 1% Graphite

위와 같은 조건에서 흑연 윤활을 하여 다시 시험을 하였다 그 결과 상당히 좋은.

성형성을 얻을 수 있었다 무엇보다 힌지 부분이 파단 없이 성형되었고 패턴부에서. ,

도 미세한 크랙은 존재하지만 완전한 파단은 없이 성형이 되었다 힌지 부분의 경.

우 드로잉 성형이 위주이기 때문에 지나치게 높은 금형 온도의 경우 소재의 연신이

너무 쉽게 발생할 수 있기 때문에 딥드로잉시 파단에 취약말 수 있다 이것은 앞의.

사각컵 원형컵 딥드로잉 시험에서 펀치의 냉각이 성형성에 도움을 주는 것으로부,

터 유추해 볼 수 있는 사실이다 비록 이전의 높은 온도 조건에서 패턴부의 성형성.

이 개선되기는 하지만 그런다고 미세한 크랙이 완전히 없어진 것도 아니고 힌지의

파단은 여전히 발생하기 때문에 이번 시험 결과로 판단하면 하형 조건이, 200℃

조건보다 더 우수한 성형 조건으로 보인다350 .℃

그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형73737373 그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형74747474

- 62 -




9 275 200 2% Graphite

위에서 나름대로 최적의 성형 조건을 찾았기 때문에 이로부터 성형 속도를 얼마나

증가시킬 수 있는 시험하였다 이를 위해 프레스 슬라이드 속도를 에서 로. 1% 2%

증가시켰다 결과를 보면 만족할 만한 성형성을 얻지 못했다 성형성이 속도에 상당. .

히 민감하게 반응함을 볼 수 있었다.


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10 275 100 1% Graphite

이번에는 최적의 온도 조건에서 온도를 얼마나 더 낮출 수 있는지 시험하였다 앞.

의 초반 시험에서 상형과 하형의 온도를 모두 로 하초 시험한 바 있었고 상100℃

당히 좋지 않은 성형성을 얻은바 있는지 여기서는 상형은 앞의 경우처럼 로275℃

놔두고 하형만 로 변경하였다 속도 및 윤활 등의 다른 조건은 최적의 경우만100 .℃

동일하게 하였다 결과를 보면 역시 만족할 만한 성형성을 얻지는 못했다 하형의. .

온도가 그래도 이상은 되어야 할 것으로 보인다200 .℃


- 64 -




11 400 100 1% Graphite

최적의 조건에서 상형은 하형은 였기 때문에 하형의 온도를 정275 , 200 100℃ ℃ ℃

도로 낮추는 대신 상형의 온도를 더 높여 판재가 받는 평균적인 온도를 비슷하게

하여 시험하였다 구체적으로는 상형의 온도를 로 올렸다 다른 조건은 최적. 400 .℃

의 경우와 동일하였다 결과를 보면 패턴부는 그런대로 좋은 성형성을 나타내지만.

힌지 부분에 파단이 발생 하였다 하형의 온도는 더 낮아지고 상형은 온도는 더 높.

아졌기 때문에 결과적으로 성형 초기의 판재 온도는 더 낮아지고 힌지 드로잉 후반

부의 판재 온도는 더 높아진 셈이다 앞의 드로잉 시험에서 알 수 있듯이 드로잉.

성형성을 개선하려면 드로잉 초기에는 충분히 가열한 상태에서 성형을 시작하고 어

느 정도 드로잉이 된 후반에는 펀치 냉각 등을 통해 소재의 온도를 낮춰줄 필요가

있는데 이번 경우의 조건은 최적 온도 조건에 비해 오히려 역방향으로 변화한 셈,

이기 때문에 성형성의 저하가 나타난 것으로 보인다.


- 65 -




12 400 200 1% Graphite

이번에는 최적 온도 조건에 비해 하형의 온도는 그대로 나두고 상형의 온도를 40

로 증가시켰다 역시 이전처럼 패턴부의 성형성은 좋아지지만 힌지의 파단이 발0 .℃

생하였다 앞에서 설명한 것처럼 힌지 드로잉 후반부의 판재 온도가 너무 높기 때.

문에 발생하는 문제로 보인다.


그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형91919191 그림그림그림그림 힌힌힌힌지 파단지 파단지 파단지 파단92929292

- 66 -

이와 같은 가지 조건에 대해 성형 시험을 수행하고 그 결과 다음의 결론을 얻었12

다.

금형의 온도를 증가시키면 패턴부 파단이 개선되지만 미세 크랙이 완전히 없어지-

지는 않았다.

힌지부의 경우 금형의 온도가 너무 낮아도 파단이 발생하지만 너무 높아도 파단-

이 발생하였다.

위 조건들에서는 상형 하형 일 때 힌지의 성형이 가능하였고 패- 275 & 200℃ ℃

턴부에서도 다른 조건 못지않은 성형성을 볼 수 있었다.

- 67 -

차 시성형 금형 형상 수정 및 성형 조건 최적화차 시성형 금형 형상 수정 및 성형 조건 최적화차 시성형 금형 형상 수정 및 성형 조건 최적화차 시성형 금형 형상 수정 및 성형 조건 최적화8. 2 ( )8. 2 ( )8. 2 ( )8. 2 ( )

모든 조건들에서 패턴부의 파단이 미세 크랙도 없이 완전히 없어지지는 않았기 때

문에 최종적으로는 금형의 수정 가공을 하기로 하였다 기존에는 다이캐스팅 금형.

의 설계를 따라 패턴부 에지 부분의 코너 반경이 거의 없었기 때문에 이번에는 판

재의 굽힘 변형을 고려하여 의 코너 반경을 갖도록 금형을 가공하였다 힌지0.3mm .

의 경우 최적 온도 조건에서 이미 성형이 가능하였기 때문에 수정 금형에서도 성공

적으로 성형 가능할 것으로 예상되었다 따라서 최적 온도 조건에 대해서만 수정.

금형에 대해 다음과 같은 몇 가지 조건에서의 재시험을 수행하였다.

표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건표 노트북 케이스 성형을 위한 금형 및 성형 조건들들들들 수정 금형에서수정 금형에서수정 금형에서수정 금형에서6 PC ( )6 PC ( )6 PC ( )6 PC ( )


1 275 200 1% 무윤활

2 275 200 1% Graphite

3 275 200 2% Graphite

4 275 200 5% Graphite



1 275 200 1% 무윤활

이전 금형에서의 최적 조건에서 윤활 없이 무윤활 조건으로 시험하였다 이것은 패.

턴부 에지가 수정되었기 때문에 그에 따라 무윤활 조건에서 얼마만큼 성형 가능한

지를 보기 위해서였다 결과를 보면 패턴부는 무난히 성형되었지만 힌지부에 약간.

의 갈라짐이 발생 하였다.


- 68 -

그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형그림 패턴부 성형95959595 그림그림그림그림 힌힌힌힌지지지지 미세미세미세미세 파단파단파단파단96969696



2 275 200 1% Graphite

금형 수정 전에도 이 조건에서는 이미 나름대로 좋은 성형성을 보였기 때문에 패턴

부 금형이 수정된 후에는 더욱 좋은 성형성이 기대되었다 결과를 보면 예상대로.

패턴부는 물론이고 힌지부토 파단 없이 성형되었음을 볼 수 있었다.



- 69 -



3 275 200 2% Graphite

위의 최적 조건에서 성형 속도를 증가시켜 보았다 역시 패턴부는 무난히 성형되었.

지만 힌지부에서는 약간의 갈라짐이 발생하였다.





4 275 200 5% Graphite

위의 조건에서 성형 속도가 더 증가하였을 때 파단의 정도가 얼마나 변하는지 보고

자 성형 속도를 에서 로 증가시켰다 에서 로 증가시켰을 때 갈라지는2% 5% . 1% 2%

파단 양상이 나타난 것에 비해 에서 로 증가시키면 파단의 정도에 큰 차이는2% 5%

나타나지 않았다.

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위의 성형 시험을 통해 금형 수정 후에도 상형 하형 의 온도 조건에275 , 200℃ ℃

서 프레스 속도 일 때 최적 성형성을 나타냄을 볼 수 있었다 금형의 패턴부 에1% .

지 반경을 증가시킨 결과 패턴부 성형은 대부분의 경우 무난히 성공하였다 반면.

힌지부는 금형의 수정이 없었기 때문에 이전과 마찬가지로 정도의 성형 속도를1%

넘지 않아서 파단 없는 성형이 가능하였다.

이러한 금형 성형 시험을 통해 다음과 같은 성형 불량 요인들을 추정할 수 있었다.

금형 열변형에 의한 치수 공차 변화-

재료 성형 한계 대비 과도한 변형양-

윤활 불량에 의한 소재 유입 불량-

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노트 케이스 시작품 제작노트 케이스 시작품 제작노트 케이스 시작품 제작노트 케이스 시작품 제작9. PC9. PC9. PC9. PC

위와 같이 최적 공정 조건을 수립한 후에는 해당 조건에서 성형한 판재를 이용하여

시작품 제작을 수행하였다 시작품 제작은 프레스 성형 판재에 대하여 트리밍 가공.

및 외곽 절삭 가공 샌딩 및 방청 도장의 순으로 진행되었으며 완성된 시작품에 대, ,

해서는 기계적 특성 평가를 위하여 인장 시험을 도장 부착성을 확인하기 위하여,

시험을 실시하였다 아래 그림은 시작품 제작에 있어 기존 다이캐스팅 공정 대비.

프레스 성형 공정도를 나타내고 있다 앞에서 이미 언급한 바와 같이 서보 프레스.

를 이용한 마그네슘 합금 판재의 노트북 케이스 성형은 기존 다이캐스팅에 비하여

사상이나 퍼티 공정과 같은 인력 위주의 후 공정 삭제가 가능하여 제조 원가 절감

측면에서 유리한 장점을 가지고 있다 또한 다이캐스팅 공정은 제품 외에 비스켓. ,

런너 오버플로우 등과 같은 주조 방안들에 의해 그 회수율 용탕 투입 중량 대비, (

제품 중량 이 최저 가까이 낮게 형성되므로 트리밍 공정에서 복잡 형상부만) 50 % ,

펀치 트리밍으로 제거하는 서보 프레스 공법이 월등히 우수한 회수율을 보이게 된

다 또한 리턴 스크랩의 리사이클링을 위해서는 별도의 리사이클링 시설을 갖추거.

나 외주 업체를 통하여야 하므로 공정 내 스크랩 발생을 최소화할 수 있는 서보 프

레스 성형 공법이 간접 설비 투자 및 비용을 절감하는 데에 유리하다.

그림 다이그림 다이그림 다이그림 다이캐캐캐캐스스스스팅팅팅팅 주조 서보 프레스 성형 공정 비교주조 서보 프레스 성형 공정 비교주조 서보 프레스 성형 공정 비교주조 서보 프레스 성형 공정 비교109 /109 /109 /109 /

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그림 다이그림 다이그림 다이그림 다이캐캐캐캐스스스스팅팅팅팅 공공공공법으법으법으법으로 제조한 마그네슘 합금로 제조한 마그네슘 합금로 제조한 마그네슘 합금로 제조한 마그네슘 합금110110110110

노트북 케이스 회수노트북 케이스 회수노트북 케이스 회수노트북 케이스 회수율율율율 평평평평균균균균 적적적적색색색색 점선 제품점선 제품점선 제품점선 제품( 60%) ( - /( 60%) ( - /( 60%) ( - /( 60%) ( - /

황황황황색 실색 실색 실색 실선선선선 오버플오버플오버플오버플로로로로우 청색 실우 청색 실우 청색 실우 청색 실선 비스선 비스선 비스선 비스켓켓켓켓 및및및및 런런런런- / -- / -- / -- / -

너너너너))))

그림 서보프레스 성형그림 서보프레스 성형그림 서보프레스 성형그림 서보프레스 성형법으법으법으법으로 제조한 마그네슘 합금 노트북 케이스로 제조한 마그네슘 합금 노트북 케이스로 제조한 마그네슘 합금 노트북 케이스로 제조한 마그네슘 합금 노트북 케이스111111111111

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앞서 시작 성형 단계에서는 공정 조건 수립을 위하여 그림 의 서보 프레스 성109

형 공정 중 첫 번째 경우에 해당하는 공정 순서를 따라 시험을 수행하였으나 공정,

조건 확립 후에는 양산 과정 중 제품 회수율을 최대한 높이기 위하여 원소재인 열

연 및 냉연 코일을 위 그림 과 같이 형상 판재로 만드는 블랭킹 공정을 추가하는51

것이 바람직하다.

블랭킹 공정 추가 시에는 마그네슘 합금 코일 Un-Coiling Leveling▷ ▷ ▷

에 이르Blanking Servo Press Forming Trimming Machining Washing▷ ▷ ▷ ▷

는 인라인 공정 구성이 가능해 지게 되어 공정 중 인력 투입에 따른 제조 원가 증

가 및 품질 문제 발생을 최대한 억제할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 완성품 마그네슘 합금 판재 노트북 상판을 조립 시 필요한 보스 등 고객사-

측에서 추가 요청 시 보스 융착 공정을 추가하는 수준에서 적용이 가능하므로 최소

한의 투자 및 공정 변경으로 우수한 양산성을 보유한 라인 구성이 가능할 것이다.

성형을 마친 시작품에 대해서는 도장 작업을 진행하였다 서보 프레스 성형 제품에.

대한 도장 작업을 완료한 후에 상대 부품과 가조립하여 실 응용이 가능한 것을 확

인하였으며 그 결과를 아래 그림에 나타내었다.

그림 서보프레스 성형 시작품그림 서보프레스 성형 시작품그림 서보프레스 성형 시작품그림 서보프레스 성형 시작품 좌좌좌좌로부터 합금 판재로부터 합금 판재로부터 합금 판재로부터 합금 판재 샌딩샌딩샌딩샌딩 상상상상태태태태 도장 상도장 상도장 상도장 상태태태태113 ( Mg , ,113 ( Mg , ,113 ( Mg , ,113 ( Mg , ,

무광무광무광무광 도장 상도장 상도장 상도장 상태태태태 유유유유광광광광 가 조립 상가 조립 상가 조립 상가 조립 상태태태태( ), ( ), )( ), ( ), )( ), ( ), )( ), ( ), )

- 74 -

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

추추추추진 일정진 일정진 일정진 일정1.1.1.1.

수행 주체별수행 주체별수행 주체별수행 주체별 담담담담당 업당 업당 업당 업무무무무2.2.2.2.

지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원::::

판재 물성 성형성 평가Mg /온간

프레스금형 설계 제작/

서보프레스 기반제품

시성형

해석 및 제품 설계CAE

응용

마그네슘 소재별 물성-

데이터 분석 지원

마그네슘 판재의 물성-

측정 시험 기술 지원

마그네슘 판재의 조직-

측정 분석 기술 지원/

마그네슘 물성 시험 데-

이터의 활용 기술 지원

성형성 평가 데이터 분-

석 기술 지원

온간 프레스금형 가열-

모듈 기술 지원

온간 프레스금형 냉각-

모듈 기술 지원

온간 프레스금형 온도-

제어 기술 지원

온간 프레스금형 설계-

기술 지원

온간 프레스금형 제작-

기술 지원

온간 프레스금형 윤활-

기술 지원

성형성을 고려한 프-

레스모션 설계 기술 지

원

서보프레스 제어 및-

프로그래밍 기술 지원

서보프레스 기반의-

제품 시성형 기술 지원

서보프레스 성형 공-

정 최적화 기술 지원

프레스성형 공정- Mg

변수 측정 기술 지원


모델링 기술 지원


해석 기술 지원

프레스성형 해석- Mg

결과 분석 기술 지원

해석에 의한 제- CAE

품 설계 기술 지원

제품 설계 최적화 기-

술 지원

참여기업 주 이노캐스트: ( )

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수행 방수행 방수행 방수행 방법법법법3.3.3.3.

일본 유럽 등의 기술정보를 수집하고 지원기업에 지속적으로 제공, .￭

국내외 관련 전문가를 통한 기술자문과 세미나 등을 통해 최신기술 및 시장동향￭

을 파악.

기술지원에 필요한 수요기술이 발생하면 생기원을 비롯한 관련 전문가 및 연구그￭

룹과 연계하여 지원.

지속적인 파견 지원을 통해 업체에 대한 긴밀한 근접 지원 도모.￭

수요 기업들과의 적극적인 교류를 통해 다각적인 지원 체계 구축.￭

지원 성과지원 성과지원 성과지원 성과4.4.4.4.

가 마그네슘 판재 노트 케이스 설계가 마그네슘 판재 노트 케이스 설계가 마그네슘 판재 노트 케이스 설계가 마그네슘 판재 노트 케이스 설계. PC. PC. PC. PC

마그네슘 합금 노트 케이스를 프레스 성형을 통하여 제조하기 위하여 기존의 다PC

이캐스팅 주조와는 다른 노트 케이스 설계를 진행하였다 마그네슘 합금 압연PC .

판재의 성형성은 판재 방향에 따라 변화가 예상되므로 노트북 케이스 상단의 문양

을 집합 조직의 영향을 최대한 받지 않도록 설계하였으며 추후 양산 과정에서 합,

금 판재의 방향성에 따라 불량률 변화가 발생할 수 있는 가능성을 최대한 배제토록

하였다 또한 노트북 케이스와의 상대부품 조립을 하기 위하여 보스 제작 및 융착.

등과 같은 추가 공정이 필요로 하며 이는 고객사 측의 설계 변경이 요구되는 바,

추후 양산화 단계에서 심도 깊게 논의 되어야 할 것이다.

나 온나 온나 온나 온긴긴긴긴 프레스금형 설계 및 제작프레스금형 설계 및 제작프레스금형 설계 및 제작프레스금형 설계 및 제작....

서보 프레스 금형은 상 하형 별개로 온도 제어가 가능함은 물론 국부적 온도 제어/

가 가능하도록 제작하여 다양한 공정 조건을 적용할 수 있도록 하였다 또한 일반.

다이캐스팅 용 금형에 사용되는 것과 동일한 소재를 사용하여 추후 범용성 및 양산

화가 용이하도록 하였으며 향후 가열 시스템 교체가 용이하도록 스팟 히팅 방식으,

로 제조하였다.

다 서보 프레스 성형 공정 설계다 서보 프레스 성형 공정 설계다 서보 프레스 성형 공정 설계다 서보 프레스 성형 공정 설계....

서보 프레스 성형 공정 설계를 위하여 해당 판재에 대한 각 방위별 상온 및 고온

인장 시험을 수행하였으며 기존 연구 개발 결과들과 유사한 결과를 얻었다 모든, .

온도 구간에서 압연 판재의 각 방위에 따른 인장 강도 및 연신율의 편차가 존재하

고 있었으며 변형 속도의 증가에 따리 인장 강도의 증가를 관찰할 수 있었다 이는, .

변형 속도에 따라 지배적인 변형 기구가 결정되기 때문으로 생각되며 추후 프레스,

가공 시에도 공정 조건을 설정하는 데에 참고로 하였다 또한 프레스 성형성의 확.

보를 위하여 사각 컵 및 원통 컵 딥 드로잉 시험과 그에 따른 시뮬레이션을FEM

병행하여 적정 변형 속도와 프레스 공정 시작 조건을 구하였으며 이 결과를 토대,

로 하여 윤활제의 종류 선정 및 윤활 조건을 결정하여 최적 공정 조건을 설정하였

다.

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라라라라 노트 케이스 시작품 제작노트 케이스 시작품 제작노트 케이스 시작품 제작노트 케이스 시작품 제작. PC. PC. PC. PC

앞서 얻어진 최적 공정 조건을 토대로 하여 서보프레스 공정을 통한 노트북 케이스

시작품을 성형하여 샌딩 및 도장 공정을 거친 최종 제품으로 완성하였다 기존 다.

이캐스팅 주조품에 대한 도장 공정에서 필요하였던 수회에 걸친 퍼티 공정이 삭제

되었을 뿐만 아니라 샌딩 및 도장 공정 역시 그 차수가 현저히 줄어들어도 우수한

도장 상태를 보이고 있었다 이로써 다이캐스팅 주조에 비하여 프레스 성형 공정이.

양산성 및 원가 절감 측면에서 우수한 특성을 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다.

상기와 같이 각 연구 단계별로 얻어진 결론들로 미루어 보아 프레스 성형을 이용한

노트북 케이스 제작 공정은 상대적으로 미려한 외관과 혁신적인 원가 절감 효과를

가져 올 수 있는 것을 재차 확인할 수 있었으며 추후 양산화 과정에서 자동 생산,

라인 설계가 원활히 이루어질 경우에 국제적인 경쟁력은 물론 동종 업계에서 우월

한 기술적인 지위를 차지할 수 있음을 새삼 확인하였다 향후 양산화 과정에서는.

다음과 같은 기술 개발이 추가로 보완되어야 할 것이다.

금형 기술•

열변형을 고려한 금형 설계-

온간 조건에서의 윤활 기술-

제품 설계 시 재료 성형 한계 반영-

성형 기술•

마그네슘 합금에 최적화된 공정 시뮬레이션 데이터 베이스 구축-

다양한 소재에 대한 공정 시뮬레이션 데이터 구축 및 시험 데이터와의 비교 축적-

인라인 자동화가 가능한 시험 생산 라인 구축-

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제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

목표달성도목표달성도목표달성도목표달성도1.1.1.1.

기술지원 목표 가중치평가기준 평가방법

평가기관 등달성도

지원전 지원후

물성 성형성 평가 지윈/ 20 % - 확보DB 시험횟수KS 100%


설계 제작 지원/ (1)10 % 상온 <300℃ 금형 온도 100%


설계 제작 지원/ (2)10 % - >10mm/s 성형 속도 100%


설계 제작 지원/ (3)10 % >2mm >10mm 성형 깊이 100%


설계 제작 지원/ (4)10 % <20mm <10mm 코너부 반경 100%

서보프레스 기반 시성형

지원20 % - <1min 공정 시간Cycle 100%

해석 및 제품 설계CAE

지원20 % 오차20% 오차10% 파단변형률 예측도 90%

기술발전에의 기기술발전에의 기기술발전에의 기기술발전에의 기여여여여도도도도2.2.2.2.

마그네슘 합금 프레스 성형을 통한 노트북 케이스 양산 기술을 확보하여 국외- PC

선발 주자가 개척하지 않은 시장에서 기술적 우위를 선점함과 아울러 후처리 공정

을 단축한 청정 생산 체제를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

기준 고속 고압 다이캐스팅 공정으로 생산한 각종 전자 제품 케이스 등을 판재-

성형품으로 공정 대체 개발함으로써 제품의 외관 요구 특성을 크게 향상시킴과 동

시에 불량률 및 후처리 비용을 대폭 감소시킬 것으로 기대된다 이를 통해 제조 원.

가의 절감 효과가 클 것으로 판단되며 국내 전자 제품의 국제적 경쟁력 강화에 크

게 기여할 것으로 기대된다.

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제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

제품은 휴대성 및 이동성이 중요시되는 각종 휴대용 기기 및 스포츠 레저- Mg ㆍ

용품으로 적용 확대가 예상된다 향후 국내 완성차 업계의 마그네슘 합금 부품 개.

발 로드맵에 의거 자동차 부품으로의 시장 개척이 이루어질 경우 해당 산업에서의

시장 규모 확대가 예상되므로 본 기술 지원에 의해 확보된 기술을 기반으로 차후

추가 연구개발 지원이 필요할 것으로 예상된다.

본 기술개발 지원사업을 통한 기존 다운캐스팅으로 생산한 마그네슘 노트북 케이-

스를 대체할 수 있는 프레스 성형용 제품 설계 기술을 확보하고 이를 위한 금형 및

공절 설계 를 구축하여 시작품의 제작을 성공적으로 완료하였다 이는 현재 마DB .

그네슘 판재의 프레스 성형 기술 개발의 성공적인 수행으로 평가할 수 있으며 향,

후 공정 단축에 따른 제조 원가 절감 달성 및 기술적 우위 화보에 활용할 수 있을

것으로 예상된다.

향후 본 기술개발 지원을 통하여 축적한 기술을 토대로 하여 노트 케이스 외- PC

에도 디지털 카메라 휴대 전화 플레이어 등 여러 전자 산업 분야로 적용 범, , MP3

위를 넓힘과 아울러 향후 자동차 산업 분야에 진출할 수 있는 초석을 마련하게 될

것이다.

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Documents

초경량고품위 전자기기 외장케이스 개발을//// 위한 마그네슘 ... · 2011-12-20 · -4-기술지원성과 요약서 과제고유번호 연구기간 2007.4.1.~2008.3.31.(12