[논문]세탁기용 VCM 강판 성형시 PET 코팅층 찢김 저감방법

손영기; 이찬주; 변상덕; 김명덕; 김병민

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.9.1027

[국내논문] 세탁기용 VCM 강판 성형시 PET 코팅층 찢김 저감방법
Methods for Suppressing Tearing of PET Coating During Forming of VCM Steel Sheet for Fabricating Washer 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.9, 2011년, pp.1027 - 1033

손영기 (부산대학교 기계공학부) , 이찬주 (부산대학교 기계공학부) , 변상덕 (LG 전자 HA DE Group) , 김명덕 (LG 전자 HA DE Group) , 김병민 (부산대학교 기계공학부)

초록
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VCM 강판은 용융아연도금강판 위에 PET/PVC 코팅하여 가전제품의 외판 소재로 사용되고 있다. 본 연구에서는 VCM 강판의 프레스 성형 중 발생하는 PET 코팅층의 찢김을 저감하기 위해 프레스 성형공정변수를 재설계하였다. 프레스 공정변수들이 PET 코팅층의 찢김에 미치는 영향을 분석하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. PET 코팅의 찢김 현상은 드로잉 성형시 제품의 코너부 소재두께의 증가로 인해 금형과 소재 사이의 과도한 마찰에 의해 발생한다. 이를 해결하기 위해 블랭크 형상의 변경을 통해 드로잉성형시 코너부의 소재두께 증가를 저감하였으며, 트리밍 공정시 플랜지부의 과도한 두께 증가부분을 제거하여 플랜지 성형시 소재두께가 금형간극 이하로 분포하도록 하였다. 또한 성형실험과 유한요소해석을 통해 재설계된 공정변수들을 검증하였다. 이를 통해 PET 코팅의 찢김이 없는 양호한 최종제품의 성형이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A VCM sheet is a metal sheet on which PET/PVC is coated for outer panels of home appliances. The purpose of this study is to obtain methods for suppressing PET tearing that occurs during the press forming of the VCM sheet. In order to identity the factors that minimize PET tearing, an FE analysis was performed. The occurrence of PET tearing cannot be predicted using the conventional forming limit diagram. PET is torn by friction between a die and sheet, which is caused by the thickening of material at a die corner. To reduce the thickening of material, the blank shape was re-designed and the thickened material at a flange was removed by a trimming process. The results of the FE-analysis involving modified process parameters showed that the thickness of the product at a die corner is distributed within the clearance of drawing and flangeforming process. A forming experiment was conducted to verify the proposed process parameters. A good final product was obtained without PET tearing of the VCM sheet.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 VCM 강판의 프레스 성형 중 발생하는 PET 코팅층의 찢김 원인 분석하고, 이를 저감하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 유한 요소해석을 통해 PET 코팅층의 찢김이 발생하는 부위의 금형과 접촉특성을 파악하고, PET 코팅층의 찢김을 방지하기 위한 공정을 재설계하였다.
본 연구에서는 드로잉 금형의 간극을 1.04mm 로 증가시켜 드로잉 공정시 발생하는 PET 찢김 현상을 개선하고자 하였다. Fig.

가설 설정

5(b)와 같이 플랜지 성형공정을 통해 완료된다. 금형과 소재사이의 마찰 계수는 0.1 로 가정하였다.⁽¹⁰⁾

제안 방법

또한 PET 코팅 된 강판의 계면 거동을 규명하기 위해 수치적, 실험적 접근을 시도하였고, 표면 조도, 초기 변형률상태, 완화 시간에 따른 접착강도의 변화를 90° 박리시험을 실험과 유한요소해석결과를 비교하였다.
van Tijum 등^(5,6)은 소성변형 시 폴리머 코팅 강판의 표면조도 변화를 해석하고 실험으로 검증하였다. 또한 변형 후 폴리머 코팅 강판의 표면을 복굴절 현미경 관찰을 통해 관찰, 분석하였다. Lee 등⁽⁷⁾은 접착제의 인장물성평가를 위해 cohesive zone model 을 이용한 유한요소해석과 T 형 박리 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 VCM 강판의 프레스 성형 중 발생하는 PET 코팅층의 찢김 원인 분석하고, 이를 저감하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 유한 요소해석을 통해 PET 코팅층의 찢김이 발생하는 부위의 금형과 접촉특성을 파악하고, PET 코팅층의 찢김을 방지하기 위한 공정을 재설계하였다. 최종적으로는 실 공정에 적용하여 제시된 공정변수의 타당성을 검증하였다.
유한 요소해석을 통해 PET 코팅층의 찢김이 발생하는 부위의 금형과 접촉특성을 파악하고, PET 코팅층의 찢김을 방지하기 위한 공정을 재설계하였다. 최종적으로는 실 공정에 적용하여 제시된 공정변수의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서 사용한 VCM 강판의 기계적 물성치는 인장실험 및 이방성실험을 통해 평가하였으며, 그 결과는 Table 1 에 정리하였다. 또한 성형 중 발생하는 모재의 파단을 판단하기 위해서 돔 장출실험을 통해 평가하여 Fig. 3 에 VCM 강판의 성형한 계선도(forming limit diagram)를 나타내었다. (1)~(7)로 표시한 길이 200mm, 폭 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200mm 의 7 개 시편을 사용하여 돔 장출실험 후파단부의 변형률을 측정하였다.
3 에 VCM 강판의 성형한 계선도(forming limit diagram)를 나타내었다. (1)~(7)로 표시한 길이 200mm, 폭 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200mm 의 7 개 시편을 사용하여 돔 장출실험 후파단부의 변형률을 측정하였다.
VCM 강판의 프레스 성형공정은 DYNAFORM 5.5 를 전처리기(pre-processor)로 유한요소 모델을 하였으며, LS-DYNA 를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
8 과 같이 제거하였다. 플랜지 제거량은 최종제품의 조립성을 고려하여 결정하였다. Fig.
에 의하면 블랭크 크기를 증가시켜 블랭크 홀딩력의 증가와 같은 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 플랜지의 두께가 많이 증가하는 코너부의 블랭크 형상을 Fig. 11과 같이 변경하여 드로잉 공정에서 코너부의 플랜지 소재 두께분포를 조사하였다.
수정된 공정변수들을 검증하기 위해 실제품에 대한 성형실험을 수행하였다. 성형실험은 플랜지 부의 두께증가가 가장 크게 나타난 모델 C 에 대해 수정된 공정변수들을 적용하였다.
수정된 공정변수들을 검증하기 위해 실제품에 대한 성형실험을 수행하였다. 성형실험은 플랜지 부의 두께증가가 가장 크게 나타난 모델 C 에 대해 수정된 공정변수들을 적용하였다. Table 2 는 수정된 공정변수들을 나타낸 것이다.
블랭크 형상은 드로잉 성형시 코너부의 소재유입을 억제하기 위해 코너부의 블랭크 크기를 20mm 증가시킨 블랭크를 사용하였다. 드로잉 성형시 금형과 소재의 마찰을 최소화하기 위해 금형간극을 기존 0.99 에서 1.04mm 로 증가시켰다. 또한 트리밍 공정을 통해 두께가 증가된 플랜지를 Fig.
VCM 강판의 프레스 성형 중 발생하는 PET 코팅층의 찢김현상은 종래의 프레스 성형에서 발생하는 성형한계선도로 판단할 수 없다. 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 PET 코팅층 찢김 현상의 원인을 분석하고, 이에 대한 공정변수를 수정하였다. 또한 성형실험을 통해 유한요소해석결과를 검증하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 유한요소해석을 통해 PET 코팅층 찢김 현상의 원인을 분석하고, 이에 대한 공정변수를 수정하였다. 또한 성형실험을 통해 유한요소해석결과를 검증하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

8mm 아연도금강판과 PVC(64 ㎛), PET(30~50 ㎛)와 보호 필름(46 ㎛)로 이루어져 있으며, 모재와 각 코팅들은 접착제에 의해 접합되어 있다. VCM 강판의 총 두께는 PET 의 두께 및 접착제의 두께에 따라 달라지며, 본 연구에서는 현장에서 사용하고 있는 총 두께 0.94mm 와 0.98mm VCM 강판을 사용하였다.
본 연구에서 사용한 VCM 강판의 기계적 물성치는 인장실험 및 이방성실험을 통해 평가하였으며, 그 결과는 Table 1 에 정리하였다. 또한 성형 중 발생하는 모재의 파단을 판단하기 위해서 돔 장출실험을 통해 평가하여 Fig.
4 는 본 연구에서 고려한 제품형 상을 나타낸 것이다. 모델 A 는 0.94mm VCM 강판을 사용하였으며, 모델 B 와 C 는 0.98mm VCM 강판을 사용하였다. Fig.

이론/모형

코팅층은 VCM 강판에 비해 매우 낮은 강도를 가지며, 얇은 두께로 인해 VCM 강판의 기계적 물성에 영향을 거의 미치지 않기 때문에 성형해석시 코팅층의 변형거동은 고려하지 않았다. 또한 제품의 성형에 영향을 미치지 않는 블랭크 트리밍 공정 및 트리밍공정은 블랭크 요소제거법을 이용하였다.

성능/효과

블랭크의 크기의 증가로 플랜지부의 주변형률이 높게 분포하였으며, 이는 플랜지부의 인장력이 크게 부과되었음을 나타낸다. 즉, 블랭크 형상의 크기를 증가시켜서 코너부의 소재유입을 억제한 결과, 드로잉 공정시 코너부의 PET 찢김 현상을 제거할 수 있었음을 확인하였다. 그 결과, Fig.
그 결과, Fig. 14(a)에 나타낸 것과 같이 수정된 공정변수를 적용하여 실제품 드로잉 성형 실험을 수행하여, 드로잉 성형 후 제품의 코너부에 발생하는 PET 코팅층 찢김현상을 개선할 수 있었다. Fig.
14(b)는 플랜지 성형실험 후의 결과를 나타낸 것이다. 플랜지 성형실험결과, 제품의 코너부에서 발생하는 PET 찢김 현상없이 양호한 최종 제품을 성형할 수 있었다.
(2) 플랜지 트리밍을 통해 두께가 두꺼워진 부분을 제거 후 플랜지 성형을 할 경우, PET 필름의 찢김을 억제할 수 있으나, 플랜지 트리밍이 불가능하거나 두꺼워진 부분이 충분히 제거되지 않을 경우, 플랜지 두께증가를 억제할 수 있도록 공정을 설계해야 한다.
(3) 금형의 간극을 소재두께의 5%로 증가시켜 금형과 PET 필름의 접촉을 최소화하였으며, 블랭크 외곽을 20mm 증가시켜 코너부의 두께증가를 억제하여 소재의 두께가 금형의 간극보다 작은 경우, PET 필름의 찢김현상을 예방할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PET 코팅층의 찢김현상에 대한 유한요소해석 결과는?	(1) VCM 강판의 프레스 성형공정에서 코너부의 두께가 두꺼워지기 때문에 충분한 간극이 확보되지 않으면, 플랜지 성형 시 금형과의 접촉면에서 심한 마찰로 인해 PET 필름의 찢김이 발생하였다. 따라서 금형의 초기 간극을 소재 두께의 5% 수준으로 증가시켜서 마찰을 감소시켰다. (2) 플랜지 트리밍을 통해 두께가 두꺼워진 부분을 제거 후 플랜지 성형을 할 경우, PET 필름의 찢김을 억제할 수 있으나, 플랜지 트리밍이 불가능하거나 두꺼워진 부분이 충분히 제거되지 않을 경우, 플랜지 두께증가를 억제할 수 있도록 공정을 설계해야 한다. (3) 금형의 간극을 소재두께의 5%로 증가시켜 금형과 PET 필름의 접촉을 최소화하였으며, 블랭크 외곽을 20mm 증가시켜 코너부의 두께증가를 억제하여 소재의 두께가 금형의 간극보다 작은 경우, PET 필름의 찢김현상을 예방할 수 있다.
	PET 코팅의 찢김 현상이 발생하는 원인은?	프레스 공정변수들이 PET 코팅층의 찢김에 미치는 영향을 분석하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. PET 코팅의 찢김 현상은 드로잉 성형시 제품의 코너부 소재두께의 증가로 인해 금형과 소재 사이의 과도한 마찰에 의해 발생한다. 이를 해결하기 위해 블랭크 형상의 변경을 통해 드로잉성형시 코너부의 소재두께 증가를 저감하였으며, 트리밍 공정시 플랜지부의 과도한 두께 증가부분을 제거하여 플랜지 성형시 소재두께가 금형간극 이하로 분포하도록 하였다.
	VCM 강판이란?	VCM 강판은 Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 아연도금강판 위에 PVC 와 PET 필름이 코팅된 소재이다. VCM 강판의 프레스 성형시 발생하는 대표적인 문제점은 코팅의 박리(delamination)와 더불어 Fig.

참고문헌 (11)

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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