[논문]전자기력을 이용한 압인 패턴 성형의 실험적 연구

안우진; 노학곤; 강범수; 김정

doi:10.5228/kstp.2014.23.6.363

전자기력을 이용한 압인 패턴 성형의 실험적 연구
Experimental Study of Pattern Emboss Forming using an Electromagnetic Force 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.23 no.6, 2014년, pp.363 - 368

안우진 (부산대학교 항공우주공학과) , 노학곤 (부산대학교 항공우주공학과) , 강범수 (부산대학교 항공우주공학과) , 김정

Abstract ▼ AI-Helper

Electromagnetic forming(EMF) is one of the high-speed forming methods, and has been used to deform metal sheets. The advantages of electromagnetic forming are reduced wrinkling due to non-contact characteristic and fine formability because of the high speed impact. In the current study, we suggest the application of electromagnetic forming to emboss pattern shapes using electromagnetic forces with only one forming coil and one punch. The high impact of the sheet at speeds of 100~300m/s produces significant coining pressure. In the current paper, electromagnetic forming was applied to Al 1100-O sheets; with thickness of 1.27mm and an area of $40mm{\times}40mm$. Using a single spiral coil, totally different types of patterns were created. Four different patterns were successfully produced on the aluminum sheet. The length and depth of the patterns were measured by three-dimensional scanning. Comparisons to the die shape showed good agreement. The test results confirm that emboss pattern forming by EMF using a single die can be used to replace the costly conventional method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 4 종의 상이한 펀치를 이용한 밀리미터(mm) 단위의 압인 패턴 성형에 EMF 공정을 적용시켜 보았다.
본 연구에서는 상이한 4종의 압인 패턴을 얻기 위한 Al 1100-O 소재를 이용한 EMF를 제시하였다. 단일 면을 사용하는 성형 다이를 EMF에 사용하여, 다이의 한쪽 면이 전자기력을 받을 때, 반대쪽 면은 소재와 접촉한다 오직 하나의 코일을 사용하여 4종의 압인 패턴을 성형이 가능하도록 공정을 설계하였다[8].

제안 방법

이와 같이, EMF의 고속에 의한 강한 충격으로 펀치의 미세한 패턴의 성형까지 가능하다. 3D 스캐닝 장비를 사용하여 실험을 통해 성형된 패턴의 깊이와 폭을 측정하였다. Fig.
나선형 코일의 비교적 강하고 균일한 부분을 판재에 적용시켜 실험을 수행하였다. EMF공정을 통해, 높은 속도로 하여금 소재에 강한 충격력을 적용하여 패턴 성형을 수행하였다.
패턴은 소재 표면의 면적, 40mm×40mm에서 일어나는 변형으로 성형된다. 나선형 코일의 비교적 강하고 균일한 부분을 판재에 적용시켜 실험을 수행하였다. EMF공정을 통해, 높은 속도로 하여금 소재에 강한 충격력을 적용하여 패턴 성형을 수행하였다.
본 연구에서는 상이한 4종의 압인 패턴을 얻기 위한 Al 1100-O 소재를 이용한 EMF를 제시하였다. 단일 면을 사용하는 성형 다이를 EMF에 사용하여, 다이의 한쪽 면이 전자기력을 받을 때, 반대쪽 면은 소재와 접촉한다 오직 하나의 코일을 사용하여 4종의 압인 패턴을 성형이 가능하도록 공정을 설계하였다[8]. 성형 코일의 폭과 두께 그리고 나선 방향의 회전 수는 선행 연구의 해석 결과를 토대로 결정하였다.
펀치의 크기는 40mm×40mm 이며 4 종의 펀치는 각각 다른 패턴의 표면을 가지고 있다. 부산대학교 Logo(PNU Logo)를 첫 번째 펀치로 하였고, 두 번째로 원형 미로 펀치, 세 번째로 이종 깊이 펀치, 마지막 펀치로 다이아몬드 펀치를 제작하였다. 특히, Fig.
27mm두께의 Al 1100-O 판재로 수행하였다. 성형 코일은 10mm의 dead zone (Di=10)을 가지는 나선형으로 설계하였다. Fig.
단일 면을 사용하는 성형 다이를 EMF에 사용하여, 다이의 한쪽 면이 전자기력을 받을 때, 반대쪽 면은 소재와 접촉한다 오직 하나의 코일을 사용하여 4종의 압인 패턴을 성형이 가능하도록 공정을 설계하였다[8]. 성형 코일의 폭과 두께 그리고 나선 방향의 회전 수는 선행 연구의 해석 결과를 토대로 결정하였다. 패턴 성형에는 각각 다른 4종의 펀치를 사용하였다.
실험에는 EMF장비, PNU-32를 이용하여 12kV(27 kJ)의 출력 전압을 적용하였다. 판재에 각 패턴을 성형할 정도의 전자기력이 발생하기 위해서는 성형 코일과 성형 다이 사이에 충분한 성형 속도를 얻을 수 있도록 2mm정도의 간격이 필요하다.

대상 데이터

EMF성형 공정 동안 코일은 다이에 볼트로 체결되고, 판재 고정대는 판재를 밀어준다. 실험에 쓰인 박판은 지면에 수직인 축에 대해 성형 다이와 성형 코일 사이에 위치시켰다. Fig.
1의 적색 화살표는 자속 (magnetic flux)의 밀도와 유도 전류로부터 생성된 전자기력을 나타낸다. 실험은 1.27mm두께의 Al 1100-O 판재로 수행하였다. 성형 코일은 10mm의 dead zone (Di=10)을 가지는 나선형으로 설계하였다.
패턴 성형에는 각각 다른 4종의 펀치를 사용하였다. 펀치 표면의 패턴은 NC 절삭 가공을 하였고, Al 1100-O 소재를 이용하여 실험을 수행하였다.

성능/효과

변형된 판재의 단면은 성형 다이의 단면과 잘 합치 되는 것이 관찰되었는데, 이는 소재에 압인 패턴 성형이 성공적으로 이루어진 것을 보여준다. 하지만 이종 깊이 펀치의 경우 홈의 깊이와 폭에 따라 성형성에 차이를 보인다.

후속연구

7(c)와 같이 판재가 펀치의 안쪽까지 닿지 않았다. 보다 완벽한 성형을 위해서는 성형이 가능한 폭과 깊이에 관한 연구가 추가적으로 이루어 져야 할 것이다. 또한 자속(magnetic flux) 집중 장치를 통해 추가적인 전자기력을 적용함으로써 문제점을 해결하는데 도움을 줄 수 있다.
EMF를 이용한 압인 패턴 성형의 상업적 적용을 위해서는 균일한 전자기력을 분포하는 코일의 설계가 요구된다. 본 논문에서 제안된 방법이 실제 산업에 적용되기 위해서는 비용분석뿐만 아니라 추가적으로 매개변수와 최적화에 대한 연구가 뒷받침되어야 할 것이다. 추후에는 주로 레이저 성형 기술을 이용해왔던 정밀한 패턴 성형을 마이크론(μ) 단위의 EMF공정으로의 대체에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다.
본 논문에서 제안된 방법이 실제 산업에 적용되기 위해서는 비용분석뿐만 아니라 추가적으로 매개변수와 최적화에 대한 연구가 뒷받침되어야 할 것이다. 추후에는 주로 레이저 성형 기술을 이용해왔던 정밀한 패턴 성형을 마이크론(μ) 단위의 EMF공정으로의 대체에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자기 성형기술은 무엇을 개선하기 위해 제시되었나?	전자기 성형(EMF, Electromagnetic forming)은 고속 성형(High speed forming) 기술의 하나로서 강한 전자기력을 가공하고자 하는 금속에 작용시켜 물리적 접촉 없이 고속(100~300m/s)으로 금속을 성형하는 기술이다. 알루미늄 합금의 낮은 성형성 문제와 자동차의 경량화를 위해 사용되는 고강도강의 스프링백 현상 등을 개선하기 위한 방안으로 전자기 성형기술이 제시되면서 이와 관련하여 활발한 연구가 진행되고 있다.
	전자기 성형(EMF, Electromagnetic forming)이란?	전자기 성형(EMF, Electromagnetic forming)은 고속 성형(High speed forming) 기술의 하나로서 강한 전자기력을 가공하고자 하는 금속에 작용시켜 물리적 접촉 없이 고속(100~300m/s)으로 금속을 성형하는 기술이다. 알루미늄 합금의 낮은 성형성 문제와 자동차의 경량화를 위해 사용되는 고강도강의 스프링백 현상 등을 개선하기 위한 방안으로 전자기 성형기술이 제시되면서 이와 관련하여 활발한 연구가 진행되고 있다.
	전자기 성형 장비에서 가장 중요한 부분은 무엇인가?	전자기 성형 장비는 고압의 DC전원과 높은 용량의 캐패시터, 솔레노이드 성형 코일, 연결선, 캐패시터 충전을 위한 전원 공급장치와 제어 회로 등으로 구성되어 있다. 이 중 가장 중요한 부분은 입력전류(I)의 주된 영향을 미치는 방전압이다. 식 (1)로 부터, 에너지(U)는 캐패시터의 용량(C)와 입력전압(V)에 의해 정의된다.

참고문헌 (14)

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Y. E. Yoo, Y. H. Seo, T. J. Je, D. S. Choi, 2005, Injection Molding Technology for Micro/Nano pattern, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol.22, No. 2, pp. 23-29.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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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