[논문]압축성형공정에 대한 알루미나 성형체 밀도분포의 FE 분석

임종인; 육영진

doi:10.4191/kcers.2006.43.12.859

문제 정의

본 논문에서는 알루미나 분말의 압축 성형공정 중 발생하는 성형체의 밀도 및 내부 밀도분포를 유한요소법을 이용하여 해석하고, 성형공정의 제조조건을 변화시켜 성형체의 내부 밀도분포에 미치는 영향을 분석하여 균일한 밀도분포를 갖는 성형체의 제조 가능성에 대하여 알아보고자 하였다.
본 논문에서는 알루미나 분말의 압축 성형공정 중 발생하는 성형체의 밀도 및 내부 밀도분포를 유한요소법을 이용하여 해석하고, 성형공정의 제조조건을 변화시켜 성형체의 내부 밀도분포에 미치는 영향을 분석하여 균일한 밀도분포를 갖는 성형체의 제조 가능성에 대하여 조사하였다.
본 연구에서는 이러한 산업체의 애로사항을 해소하는데 조금이나마 도움이 될 수 있을까 하여 불완전 하지 만성형체의 결함 가능성 및 소결 후 변형을 예측할 수 있는 결과에 대하여 제시하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 Shima와 Oyane가 구리분말에 대하여 구한 재료상수가 다른 금속 분말에 대한 금형압축 공정 해석 결과에도 비교적 정확한 것으로 알려져 있어6, 7) 분말재료에 따라서 크게 민감하지 않는 a와 y를 다음과 같이 알루미나 분말에 대해서도 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

)의 측정결과로부터 알루미나 분말의 재료상수 m, a, b 및 n을 구하였다. 그리고 실제 공정과 유사한 제조조건인 금형 벽면에 윤활제를 바르지 않고 실험한 결과(O)로부터 마찰계수 卩를 구하였다. 이렇게 측정한 알루미나 분말의 재료상수들을 다음과 같다.
본 연구에서 사용한 알루미나 세라믹스 분말에 대하여직경이 15mm인 원통형 초경금형을 이용한 분말 압축실험을 통해 측정한 인가 압력에 따른 상대밀도의 변화를 측정하고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 여기서, 마찰의 영향이 매우 적은 경우(.
본 연구의 결과, 금형 압축실험을 통하여 알루미나 분말의 재료상수 및 유한요소법 해석을 통하여 알루미나 분말의 금형 마찰계수를 구하였다. 그리고 알루미나 분말의 압축 성형공정 중 발생하는 분말의 유동형태 및 성형체의 내부 밀도분포를 분석할 수 있었고, 성형조건을 변경함에 따라 밀도변화를 분석함으로써 성형체 내부의 밀도 균일화를 달성할 수 있었다.
본 연구의 알루미나 세라믹스 분말의 압축 성형공정에 대한 성형체의 치밀화 거동 및 밀도분포를 해석하기 위하여 상용화된 유한요소 프로그램을 사용하였다.
2. 압축 성형조건에 따른 알루미나 성형체의 밀도 분포 알루미나 세라믹스 분말과 Fig. 2에 나타낸 금형을 이용하여 다양한 압축 성형공정 중 일어나는 분말의 유동 특성 및 성형체의 밀도변화를 분석하고, 그 결과를 Figs. 4부터 6까지 나타내었다.
그리고, 실린더 금형 보! 면의마찰조건을 실제 공정의 마찰조건과 같도록 하고 이전보다는 많은 양의 분말을 채움으로써 금형 벽면과 분말과의 마찰 효과가 나타나도록 한다. 이렇게 구한 밀도와 압력 데이터를 잘 따라가는 마찰 계수 卩를 유한요소 해석을 통해서 구하였다.

대상 데이터

본 연구의 알루미나 분말 압축성형에 사용한 금형은 상부 펀치(P1), 하부 펀치 (P2), 코어 로드 및 외부 다이로 구성되어 있고, 2차원 축대칭 금형 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 금형의 상부 펀치 및 하부 펀치는 서로 반대 방향으로 움직이도록 설계되어 있고, 다이와 코어로드는 고정되어 있다.

이론/모형

본 연구에서는 재료 물성을 측정하기 위한 방법으로 몇 번의 금형압축 실험만을 필요로 하는 단순화 된 방법 2)을 사용하였다. 그리고 모재 유동응력의 재료상수 m, a, b 및 n을 찾기 위해서 분말과 금형과의 마찰 효과를 가급적 이면 줄이는 것이 중요하다.

성능/효과

4(a)의 결과에서 알 수 있듯이, Fig. 2(a)의 성형조건과 같이 금형의 상부 및 하부 펀치가 동일하게 이동한 경우, 압축성형 과정에서 전체적인 알루미나 분말의 유동이 불균일하고, 분말 유동이 일어나지 않는 부분이 외쪽 하단 모서리부분에서 우측 측면부분으로 사선방향으로 존재하는 것으로 분석되었다. 그러나 Fig.
이 결과로부터 성형조건 변화에 시켜 전체 성형체의 밀도를 측정하는 경우, 성형조건이 변화하여도 밀도가 변화하지 않는 것으로 잘못 판단할 수 있는 것으로 분석된다. 그러나 성형공정 중 성형체의 밀도분포를 근거로 최대 및 최소의 밀도편차를 분석한 Fig. 6 의 결과에서 알 수 있듯이, 동일한 평균밀도를 보이더라도 내부의 밀도편차는 성형조건에 따라 아주 많이 차이가 나는 것으로 분석되었다. 즉, 성형조건 1의 경우, 성형 체내 부의 밀도편차가 0.
8의 결과에서 알 수 있듯이, 성형체 결함의 발생 가능성이 가장 높은 부분은 성형체의 내부 밀도변화가 가장 크게 나타나는 우측 하단부에서 좌측 하단부로 휘어지는 모서리 곡면부분인 것으로 분석되었다. 그리고 성형조건 1의 경우, 성형결함 가능성은 약 2정도이지만 성형조건 2로 변경할 경우, 성형결함 발생 가능성은 약 0.025 정도로 크게 감소하는 것으로 분석되었다. 이 결과에서 성형결함 가능성을 나타내는 수치의 절대값보다 성형조건의 변경에 따라 상대적인 값의 변화가 더 의미를 두는 것이 타당하다고 사료된다.
금형 마찰계수를 구하였다. 그리고 알루미나 분말의 압축 성형공정 중 발생하는 분말의 유동형태 및 성형체의 내부 밀도분포를 분석할 수 있었고, 성형조건을 변경함에 따라 밀도변화를 분석함으로써 성형체 내부의 밀도 균일화를 달성할 수 있었다. 또한 이러한 성형체 밀도분포로부터 성형결함 발생 가능성 및 소결 후 변형 정도를 예측하고, 균일한 내부 밀도분포를 갖도록 성형조건을 최적화하게 되면 성형결함 및 소결 변형을 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
이 결과에서 성형결함 가능성을 나타내는 수치의 절대값보다 성형조건의 변경에 따라 상대적인 값의 변화가 더 의미를 두는 것이 타당하다고 사료된다. 따라서 성형조건 2를 사용할경우, 성형결함 발생 가능성은 약 1/10정도로 감소한다고 판단되고, 이 결과는 성형체 내부의 밀도분포 분석 결과와도 일치하는 결과라고 판단된다.
그리고 알루미나 분말의 압축 성형공정 중 발생하는 분말의 유동형태 및 성형체의 내부 밀도분포를 분석할 수 있었고, 성형조건을 변경함에 따라 밀도변화를 분석함으로써 성형체 내부의 밀도 균일화를 달성할 수 있었다. 또한 이러한 성형체 밀도분포로부터 성형결함 발생 가능성 및 소결 후 변형 정도를 예측하고, 균일한 내부 밀도분포를 갖도록 성형조건을 최적화하게 되면 성형결함 및 소결 변형을 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
알루미나 분말의 압축 성형공정 중 평균 밀도변화를 나타낸 Fig. 5의 결과에서 알 수 있듯이, 성형조건을 변화시킴에 따라 성형체의 상대 평균밀도는 동일하게 변화됨을 알 수 있고, 성형종료 후 이론밀도의 약 75%에 도달하는 것으로 분석되었다. 이 결과로부터 성형조건 변화에 시켜 전체 성형체의 밀도를 측정하는 경우, 성형조건이 변화하여도 밀도가 변화하지 않는 것으로 잘못 판단할 수 있는 것으로 분석된다.
2(b)와 같이 상부 및 하부 펀치 이동거리를 다르게 하여 성형한 경우, 분말 유동이 일어나지 않는 부분이 거의 수평으로 나타나는 것으로 분석되었다. 이 결과로부터 압축 성형조건의 변경에 의하여 분말 유동특성이 아주 많이 변경됨을 확인할 수 있었고, 지금까지 추측만 하고 있었던 사항을 가시화하여 보여준 결과라 할 수 있다.
025 정도로 크게 감소하는 것으로 분석되었다. 이 결과에서 성형결함 가능성을 나타내는 수치의 절대값보다 성형조건의 변경에 따라 상대적인 값의 변화가 더 의미를 두는 것이 타당하다고 사료된다. 따라서 성형조건 2를 사용할경우, 성형결함 발생 가능성은 약 1/10정도로 감소한다고 판단되고, 이 결과는 성형체 내부의 밀도분포 분석 결과와도 일치하는 결과라고 판단된다.
7의 결과는 알루미나 분말의 압축성형 종료 후, 성형체의 상대 밀도분포를 나타낸 결과이다. 이 결과에서 알 수 있듯이, 성형체의 우측 하부 밀도가 상부 보다 다소 높고, 우측 하단부에서 좌측 하단부로 휘어지는 모서리 곡면부분이 가장 밀도가 낮은 것으로 나타났다. 또한 성형조건이 변화됨에 따라 성형체 내부의 밀도변화가 판이하게 달라지고, 밀도분포 차이도 크게 변화하는 알 수 있다.
이상의 결과로부터 성형조건의 변화가 압축 성형공정 중 알루미나 분말의 유동특성에 많은 영향을 주고, 이러한 분말 유동특성변화로부터 성형체 내부의 밀도 편차를 발생시킨다고 판단된다.
또한 성형조건이 변화됨에 따라 성형체 내부의 밀도변화가 판이하게 달라지고, 밀도분포 차이도 크게 변화하는 알 수 있다. 즉, 성형조건 1의 경우, 성형체 내부의 상대 밀도는 약 20%정도 차이가 나고, 성형조건 2로 변경할 경우, 성형체 내부의 상대밀도는 약 10% 이내의 분포를 보이고있는 것으로 분석되었다.

후속연구

본 연구에서 진행하고자 하는 알루미나 분말의 압축 성형공정 중 발생하는 성형체의 밀도 및 내부 밀도분포를 분석하기 위해서는 먼저 알루미나 분말에 대한 재료 상수를 측정하고, 성형조건을 변화함에 따라 밀도분포를 해석하는 것이 필요하다.
9의 결과는 평균밀도로부터 균일하게 수축한 경우와 성형체의 내부 밀도분포의 분석 결과로부터 성형 체내 부가 100% 상대밀도가 도달한 경우를 가정하여 단순하게 외부 형상변형을 비교한 결과이다. 이 결과로부터 성형조건 1에서 성형조건 2로 변경될 경우, 소결 후 성형체 상단부 변형이 많이 감소하는 것으로 예측되므로 최종적으로 제품의 가공처리를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.

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