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문제 정의
- 본 연구에서는 보다 효과적인 미세성형 공정을 수행하기 위하여 데스크 탑 크기의 마이크로 성형 시스템을 개발하였고 이론적 모델링 및 실험적 고찰을 통하여 미세성형 공정의 크기효과를 연구 하였다.
- 미세성형은 본질적으로 공정의 복잡성과 비선형적 특성을 가지고 있어 실용화 및 근본적인 이해를 확대하기 위해서는 마이크로 영역에서의 재료, 공정, 장비, 금형, 제품 품질 등에 대한 지속적인 추가 연구가 필요하다. 본 연구에서는 효율적인 미세성형 공정을 수행하기 위한 데스크 탑 크기의 다목적 마이크로 성형시스템을 개발하였고 그 성능을 평가하였다. 개발된 마이크로 성형시스템을 통한 유동응력 측정 결과는 이론적 모델링에서의 예측 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있었다.
- 미세성형 공정에서는 소재의 변형영역이 마이크로 단위로 줄어들기 때문에 기존 매크로 영역에서 축적된 많은 성형 관련 기술과 노하우들을 그대로 적용하기 어렵다. 성형 공정에서 제품의 품질과 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 유동 응력과 마찰특성으로, 이들 인자들에 대한 이론적 모델링 및 개발된 마이크로 성형시스템을 활용한 실험적 연구를 통해 미세성형 공정의 특성 및 크기 효과를 규명하고자 하였다.
제안 방법
- (1) 볼스크류 및 AC 서보모터를 이용하여 1.5톤의 성형하중용량을 가지는 마이크로 성형시스템을 개발하였다. 개발된 성형시스템을 활용하여 인장 및 압축실험을 실시하였으며, 실험결과는 기존의 마이크로 인장시험기를 통한 예측결과와 매우 유사함을 확인하였다.
- Fig. 7 에 나타난 것처럼 반지름 250, 500, 2500 µm 의 원기둥 시편을 절삭가공 하였고, 시편의 상대적인 크기는 지름:높이=1:1.5 로 고정하였다.
- 또한 하부 프레임에는 인장 및 압축 힘 측정을 위한 로드셀(Load cell)을 부착하였으며, 로드셀 위로 x-y 스테이지를 설치하여 성형 실험시 상하중심선이 일치하도록 조정하였다. 다이와 펀치는 가공영역의 상부 및 하부 판에 설치하였으며, 인장시험을 비롯한 다양한 성형 공정을 수행할 수있도록 탈부착이 가능한 형태로 설계하였다. 마이크로 성형시스템의 전체 크기는 350×400×650 (mm) 이고, 최대 이송속도는 100 mm/s, 성형하중용량은 최대 1.
- 결정립의 크기가 커지면 소재의 자유표면에 존재하는 결정립 경계영역이 증가하기 때문에 미세성형과 유사한 공정 조건으로 접근하게 된다. 따라서 다양한 변형률 조건에서 d-1/2 과 유동응력의 관계를 고찰하여 기존 Hall-Pecth12 관계식의 유효성을 조사 하였다. Fig.
- 개발된 마이크로 성형시스템을 통한 유동응력 측정 결과는 이론적 모델링에서의 예측 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 또한 성형공정의 특성을 결정하는 가장 중요한 인자인 유동응력과 마찰특성을 대상으로 이론적 모델링과 실험을 수행하여 마이크로 영역에서의 크기효과를 정량적으로 고찰하였다.
- (3) 다양한 크기의 원기둥 시편에 대한 업세팅 공정을 실시하여 미세성형에서 접촉면의 평균마찰 응력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 이론적 모델링과의 비교를 통하여 시편의 크기에 따른 마찰인자의 변화를 정량적으로 분석할 수 있었다.
- 본 시스템은 최대 회전속도 6,000 rpm 을 가지는 AC 서보모터(Servo motro), 감속비 10:1 을 가지는 모터 감속기(Reducer), 두 개의 리니어 모션(LM) 가이드, 볼 스크류(Ball screw), 100 nm 의 분해능을 가지는 리니어 엔코더(Linear encoder)로 구성되었다. 또한 하부 프레임에는 인장 및 압축 힘 측정을 위한 로드셀(Load cell)을 부착하였으며, 로드셀 위로 x-y 스테이지를 설치하여 성형 실험시 상하중심선이 일치하도록 조정하였다. 다이와 펀치는 가공영역의 상부 및 하부 판에 설치하였으며, 인장시험을 비롯한 다양한 성형 공정을 수행할 수있도록 탈부착이 가능한 형태로 설계하였다.
- 마이크로 성형시스템을 활용하여 다양한 크기의 시편에 대한 실험을 실시하였고, 시편의 변형 특성 및 배럴링을 측정하여 시편 크기에 따른 마찰력의 변화를 정량적으로 분석하였다. Fig.
- 시편은 아세톤을 이용하여 세척한 후 윤활제(engine oil + MoS2)를 시편 표면에 적용하였다. 변형률 민감도(strain rate sensitivity) 효과를 제거하기 위하여 10-4 s-1의 변형률 속도로 실험을 실시하였다.
- 2(a)와 같은 형태의 인장시편을 가공하였다. 시편은 초기 표점거리(gauge length)와 표점폭(gauge width)을 각각 3 mm 및 1 mm 로 고정하였고, 3 mm 의 곡률반경을 통해 응력집중을 줄이고자 하였다. 시편은 Fig.
- 실험 전 시편을 다양한 온도에서 풀림 처리(300, 500, 700℃)하여 결정립 크기를 각각 15, 30, 70 µm 로 조절하였다.
- 즉 소성변형시 소재 접촉표면의 가장자리에는 윤활제가 쉽게 빠져나는 열린윤활포켓(open lubricant pocket)이 생성되는데, 미세성형에서는 그 기하학적인 특성상 열린윤활포켓의 상대적인 비율이 증가하여 마찰력이 증가하게 된다는 것이다. 이러한 마찰특성의 정량적인 분석을 위하여 다양한 크기를 가지는 원기둥 시편의 업세팅(upsetting) 공정을 대상으로 이론적, 실험적 연구를 진행하였다.
- 변형률 측정시 그립부의 미끄러짐 및 오차를 최소화하기 위하여 시편 양단에 구멍을 뚫어 그립부에 고정하였다. 한편, 마이크로 인장시험기의 경우는 시편에 표점을 찍고 CCD 카메라로 표점거리를 실시간으로 측정하여 변형률을 측정하였다.
- 효과적인 미세성형 실험을 위하여 Fig. 1 과 같은 데스크 탑 크기의 마이크로 성형시스템을 제작하였다. 본 시스템은 최대 회전속도 6,000 rpm 을 가지는 AC 서보모터(Servo motro), 감속비 10:1 을 가지는 모터 감속기(Reducer), 두 개의 리니어 모션(LM) 가이드, 볼 스크류(Ball screw), 100 nm 의 분해능을 가지는 리니어 엔코더(Linear encoder)로 구성되었다.
대상 데이터
- 1 과 같은 데스크 탑 크기의 마이크로 성형시스템을 제작하였다. 본 시스템은 최대 회전속도 6,000 rpm 을 가지는 AC 서보모터(Servo motro), 감속비 10:1 을 가지는 모터 감속기(Reducer), 두 개의 리니어 모션(LM) 가이드, 볼 스크류(Ball screw), 100 nm 의 분해능을 가지는 리니어 엔코더(Linear encoder)로 구성되었다. 또한 하부 프레임에는 인장 및 압축 힘 측정을 위한 로드셀(Load cell)을 부착하였으며, 로드셀 위로 x-y 스테이지를 설치하여 성형 실험시 상하중심선이 일치하도록 조정하였다.
- 5 로 고정하였다. 시편은 아세톤을 이용하여 세척한 후 윤활제(engine oil + MoS2)를 시편 표면에 적용하였다. 변형률 민감도(strain rate sensitivity) 효과를 제거하기 위하여 10-4 s-1의 변형률 속도로 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 개발된 마이크로 성형시스템의 가공 성능을 평가하기 위하여 인장시험을 수행하였고, 그 결과를 기존의 마이크로 인장시험기(SMT-H50)와 비교하였다. 알루미늄(Al6061) 소재를 방전 가공하여 Fig.
성능/효과
- (2) 다양한 크기의 결정립을 가지는 시편에 대한 유동응력 측정 결과 마이크로 영역에서 이론적 모델링을 통한 계산 값과 일치함을 확인할 수 있었다. 하지만 결정립의 크기가 시편의 크기보다는상대적으로 작아 Hall-Petch 곡선의 비선형성은 확인하지 못하였으며 향후 시편의 크기 및 미세조직을 조절한 추가적인 실험이 요구된다.
- (3) 다양한 크기의 원기둥 시편에 대한 업세팅 공정을 실시하여 미세성형에서 접촉면의 평균마찰 응력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 이론적 모델링과의 비교를 통하여 시편의 크기에 따른 마찰인자의 변화를 정량적으로 분석할 수 있었다.
- 실험 전 시편을 다양한 온도에서 풀림 처리(300, 500, 700℃)하여 결정립 크기를 각각 15, 30, 70 µm 로 조절하였다. Fig. 4 에 나타난 것처럼 개발된 성형시스템을 통한 실험결과는 이론적 모델링을 통한 유동응력의 계산 결과와 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있으며, 결정립의 크기가 커질수록 유동응력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 식(3)과 (4)를 이용하여 원기둥 시편의 변형을예측하였으며 마찰인자에 따른 시편의 최대지름과 상부지름의 변화를 정량적으로 분석할 수 있었다. Fig. 6 에 나타난 것처럼 시편의 상부지름의경우 마찰력에 대한 민감도가 최대지름보다 컸으며, 마찰력이 클수록 시편의 최대지름과 상부지름의 차이가 증가하여 배럴링(barreling) 현상이 두드러진 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서는 효율적인 미세성형 공정을 수행하기 위한 데스크 탑 크기의 다목적 마이크로 성형시스템을 개발하였고 그 성능을 평가하였다. 개발된 마이크로 성형시스템을 통한 유동응력 측정 결과는 이론적 모델링에서의 예측 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 또한 성형공정의 특성을 결정하는 가장 중요한 인자인 유동응력과 마찰특성을 대상으로 이론적 모델링과 실험을 수행하여 마이크로 영역에서의 크기효과를 정량적으로 고찰하였다.
- 5톤의 성형하중용량을 가지는 마이크로 성형시스템을 개발하였다. 개발된 성형시스템을 활용하여 인장 및 압축실험을 실시하였으며, 실험결과는 기존의 마이크로 인장시험기를 통한 예측결과와 매우 유사함을 확인하였다.
- 2 의 범위에서 마찰인자가 결정되었다. 따라서 본 실험을 통하여 마이크로 영역에서 열린윤활포켓의 상대적인 증가에 따른 마찰력의 증가를 설명할 수 있었고, 시편의 크기에 따른 마찰력의 정량적인 변화를 분석할 수 있었다.
- 실제로 마이크로 영역에서는 크기인자 λ 의 영향이 증가하여 Hall-Petch 곡선이 비선형적으로 변환될 것으로 예상되지만, 본 실험에서는 결정립의 크기가 시편의 크기보다는 상대적으로 작아 이러한 효과가 나타나지 않은 것으로 판단된다.
- 인장 시험 속도를 200 µm/min 으로 고정하였을 때 응력변형률 곡선이 거의 일치함을 확인할 수 있었고 개발된 마이크로 성형시스템의 정확성과 성능을 검증할 수 있었다.
후속연구
- (4) 본 연구는 마이크로 성형에 대한 이해 및 실용화 확대, 효율적인 마이크로 성형의 공정설계및 최적화에 기여할 것으로 기대된다. 향후 다양한 소재와 공정을 대상으로 지속적인 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 미세성형은 본질적으로 공정의 복잡성과 비선형적 특성을 가지고 있어 실용화 및 근본적인 이해를 확대하기 위해서는 마이크로 영역에서의 재료, 공정, 장비, 금형, 제품 품질 등에 대한 지속적인 추가 연구가 필요하다. 본 연구에서는 효율적인 미세성형 공정을 수행하기 위한 데스크 탑 크기의 다목적 마이크로 성형시스템을 개발하였고 그 성능을 평가하였다.
- 본 연구의 결과는 마이크로 성형에 대한 근본적인 이해를 확대하고, 마이크로 성형공정에서 효율적인 공정설계 및 최적화를 위한 가이드라인을 제공하는데 활용될 수 있을 것이다. 향후 다양한 소재 및 공정을 대상으로 본 연구의 결과를 적용하고, 변형률 속도, 이방성, 표면특성 등 추가적인 재료 및 공정변수를 고려한 지속적인 연구가 필요 하다.
- (2) 다양한 크기의 결정립을 가지는 시편에 대한 유동응력 측정 결과 마이크로 영역에서 이론적 모델링을 통한 계산 값과 일치함을 확인할 수 있었다. 하지만 결정립의 크기가 시편의 크기보다는상대적으로 작아 Hall-Petch 곡선의 비선형성은 확인하지 못하였으며 향후 시편의 크기 및 미세조직을 조절한 추가적인 실험이 요구된다.
- 본 연구의 결과는 마이크로 성형에 대한 근본적인 이해를 확대하고, 마이크로 성형공정에서 효율적인 공정설계 및 최적화를 위한 가이드라인을 제공하는데 활용될 수 있을 것이다. 향후 다양한 소재 및 공정을 대상으로 본 연구의 결과를 적용하고, 변형률 속도, 이방성, 표면특성 등 추가적인 재료 및 공정변수를 고려한 지속적인 연구가 필요 하다.
- (4) 본 연구는 마이크로 성형에 대한 이해 및 실용화 확대, 효율적인 마이크로 성형의 공정설계및 최적화에 기여할 것으로 기대된다. 향후 다양한 소재와 공정을 대상으로 지속적인 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 즉 시편의 크기가 더욱 작아지거나 결정 립의 크기가 커질 경우 소재의 자유표면에 존재하는 결정립의 상대적인 비율이 증가하여 미세성형에서의 유동응력 크기효과가 더욱 현저하게 나타날 것으로 예상된다. 향후 시편의 크기와 미세조직을 조절하여 추가적인 실험 및 검증이 필요하다.
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