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문제 정의
- 이러한 특성으로 탄성체는 부하(loading)와 제하(unloading) 시의 응력-변형률 곡선이 다르며, 초기의 응력-변형률 곡선을 다시 반복하지 않고 동일 변형률 구간에서 대략 3～10회 정도의 반복하중을 받아야 곡선이 안정화된다. 그리고 재료가 이전에 받았던 변형률 보다 더 큰 수준의 변형률을 받으면 응력-변형률 곡선은 다시 변하게 되므로 변형률 변화에 따른 물성을 파악하기 위한 시험을 수행하였다.
제안 방법
- (3) 단축인장, 이축인장시험을 통해 얻어진 응력변형률의 결과를 이용하여 변형률 범위에 따른 비선형 재료상수 값을 Mooney-Rivlin 2항과 Ogden 3항의 함수로 결정하여 성형해석의 물성 데이터로 활용하였다.
- 국내 대부분의 소재업체에서는 쇼어 경도를 사용하고 있기 때문에 본 연구에서는 시편 및 부품의 정확한 경도를 측정하기 위해서 두 종류의 시험기를 병행해서 측정하였다. 경도 측정은 한 시편에 대해 여러 곳에 대해 측정하였으며 최대 및 최소값을 제외하고 나머지 값으로 대표경도로 정하였다. Table 1에서와 같이 국내에서 제작된 우레탄 고무와 수입 우레탄에 대한 경도는 90이상의 높은 경도로 비슷하게 나타났으며 쇼어 경도와 마이크로 경도로 측정된 값은 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
- 쇼어 경도계는 측정 및 휴대가 편리하기 때문에 많이 사용되지만 측정자 간의 편차가 있어 정확한 경도 측정에 한계가 있고, 마이크로 경도기는 정밀한 경도 측정이 가능하나 측정할 수 있는 형상 및 크기에 제약이 따른다. 국내 대부분의 소재업체에서는 쇼어 경도를 사용하고 있기 때문에 본 연구에서는 시편 및 부품의 정확한 경도를 측정하기 위해서 두 종류의 시험기를 병행해서 측정하였다. 경도 측정은 한 시편에 대해 여러 곳에 대해 측정하였으며 최대 및 최소값을 제외하고 나머지 값으로 대표경도로 정하였다.
- 단축인장, 이축인장시험을 통해 얻어진 응력변형률의 결과와 변형률 에너지함수로부터 구해진 응력-변형률의 관계식을 이용하여 Table 2와 3에서와 같이 변형률 범위에 따른 비선형 재료상 수 값을 무늬-리블린(Mooney-Rivlin)과 오그덴(Ogden) 3항의 함수로 결정하였다.5)
- 특히, 탄성체 재료의 물성 데이터들은 요구되는 물성이 다양하고 구성 성분이 너무 많아 다양한 실험을 통해서만 가능하기 때문에 국내의 영세한 탄성체 제작업체가 정확한 물성과 특성을 파악하는 것은 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 고 탄성체 성형에 적합한 우레탄 고무에 대한 물성시험을 수행하여 특성을 평가하였으며 시험으로 얻어진 응력-변형률을 이용하여 비선형 재료상수를 결정하여 성형해석에 필요한 물성 데이터를 확보하여 튜브 축관을 위한 고 탄성체 성형공정에 활용하였다. 또한, 우레탄 고무의 두께 결정 및 하중을 고려한 공정설계를 위해 성형해석을 수행하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 고 탄성체 성형에 적합한 우레탄 고무에 대한 물성시험을 수행하여 특성을 평가하였으며 시험으로 얻어진 응력-변형률을 이용하여 비선형 재료상수를 결정하여 성형해석에 필요한 물성 데이터를 확보하여 튜브 축관을 위한 고 탄성체 성형공정에 활용하였다. 또한, 우레탄 고무의 두께 결정 및 하중을 고려한 공정설계를 위해 성형해석을 수행하였다.
- 물성시험은 환경 챔버와 레이저 익스텐서메타(laser extensometer)로 구성된 영국 테스토메트릭(testometric)사의 500N 인장시험기를 이용하여 100mm/min의 속도로 시험하였으며 그립 부분에 물려있는 시편이 변형의 진행에 따라 약간씩 빠져나오는 현상을 방지하기 위해 롤러 그립을 사용하여 고정하여 인장강도와 신율을 측정하여 기계적 물성을 비교, 검토하였다.2,3)
- 우레탄 고무는 제조과정에서 배합성분 및 함량조건이 다양하고 재현성을 확보하지 못하기 때문에 아직까지 표준화된 물성이 자리 잡지 못하고 있다. 소재의 물성을 구하기 위해 먼저 시험에 적절한 시편을 제작한 후 경도를 측정하여 시편간의 오차가 최소화 되도록 한 다음에 시험 온도와 시험 속도 등 시험조건을 설정하여 단축인장과 이축인장시험 및 노화시험을 통해 얻어진 데이터를 분석하여 물성을 파악하였으며 유한요소해석에 필요한 비선형 재료상수를 결정하여 성형해석에 활용하였다.
- 시험조건은 주파수 변화에 따른 특성을 파악하기 위해 1～100 Hz 영역에서 시험을 하였으며, 변형률 변화는 정적 변형률은 5%로 하고 동적 변형률은 0.1%로 하여 노화 조건에 따른 동 특성을 파악하였으며 탄성체 소재의 전이온도를 파악하기 위해 -100°C～+100°C의 온도영역에서 시험을 수행하였다.
- 정현파 진동에 의한 탄성체의 동적 성질인 저장 탄성계수 및 손실계수를 파악하기 위하여 동특성시험을 수행하였다. 시험에 사용된 시험편은 10mm x 1mm의 사각시편(strip)으로 제작하였다.
- 5에서와 같이 금형과 펀치 그리고 맨드렐의 금형 시스템과 고 탄성체인 우레탄을 이용하여 성형하게 된다. 튜브 축관을 위한 탄소성 유한요소 모델은 축대칭을 이용하였으며 튜브는 탄성체, 우레탄 고무는 물성시험을 통해 얻어진 재료상수 값을 이용한 초 탄성체 그리고 금형과 펀치, 만드렐은 강체로 가정하였고 접촉부위는 만드렐과 소재, 펀치와 소재, 금형과 소재, 고 탄성체와 펀치, 고 탄성체와 금형, 고 탄성체와 맨드렐은 강체와 소재사이에 있어서 접촉 처리를 하였으며 고 탄성체와 소재는 변형이 가능한 매체간의 접촉 처리하였다.
대상 데이터
- 고 탄성체 성형에 이용되는 탄성체에 대한 물리적 특성을 검토한 결과, 마모저항이 높고 고강도, 고경도와 탁월한 내마모성으로 피로수명이 좋은 우레탄 고무를 고 탄성체 성형에 사용될 소재로 선정하였다. 우레탄 고무는 제조과정에서 배합성분 및 함량조건이 다양하고 재현성을 확보하지 못하기 때문에 아직까지 표준화된 물성이 자리 잡지 못하고 있다.
- 물성시험을 통해 구해진 비선형 재료상수 값들은 성형해석에 필요한 물성 데이터로 활용하였다.
- 정현파 진동에 의한 탄성체의 동적 성질인 저장 탄성계수 및 손실계수를 파악하기 위하여 동특성시험을 수행하였다. 시험에 사용된 시험편은 10mm x 1mm의 사각시편(strip)으로 제작하였다. 시험조건은 주파수 변화에 따른 특성을 파악하기 위해 1～100 Hz 영역에서 시험을 하였으며, 변형률 변화는 정적 변형률은 5%로 하고 동적 변형률은 0.
- 초기 튜브는 외경 44.5mm, 내경 41.2mm, 두께 2.5mm를 가지고 있으며 우레탄 고무의 두께 결정 및 하중을 고려한 공정설계를 위해 해석을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 고 탄성체 성형에 사용될 우레탄 고무의 경도는 90이상으로 높게 측정되었으며, 수입 우레탄 고무의 인장강도와 신율이 국내 우레탄보다 약 2배 이상 높게 나타나 기계적 특성이 우수함을 알 수 있었다.
- (2) 우레탄 고무에 대한 동특성시험 결과, 국내 소재의 저장 탄성계수는 25～55 MPa, 수입 소재는 45～55 MPa로 저장 탄성계수의 변화가 작았으며, 손실계수는 국내 소재는 0.25～0.45, 수입 소재는 0.1～0.2로 수입 우레탄 소재의 동적 특성이 우수함을 알 수 있었다.
- (4) 우레탄 고무의 두께변화에 따른 요구되는 펀치거리와 해석 후 펀치거리를 비교 한 결과, 해석과 이론 결과가 거의 일치하여 해석에 대한 검증을 하였으며 우레탄 고무만으로 성형하기에는 매우 큰 하중이 걸리게 되기 때문에 이동판의 사용으로 코너부를 성형할 필요가 있음을 알 수 있었다.
- 이때 각 재료를 선택하는 가장 중요한 것은 사용되는 제품의 용도와 사용조건에 따른 요구 물성과 특성을 만족할 수 있어야 한다.1) 국내 탄성체 관련기술들은 경험과 시행착오적인 방법으로 개발․전수되어 설계 및 해석기술을 비롯하여 재료, 제조 및 시험평가의 모든 면에서 매우 취약한 상태이다. 특히, 탄성체 재료의 물성 데이터들은 요구되는 물성이 다양하고 구성 성분이 너무 많아 다양한 실험을 통해서만 가능하기 때문에 국내의 영세한 탄성체 제작업체가 정확한 물성과 특성을 파악하는 것은 현실적으로 매우 어려운 실정이다.
- Fig. 2에서 보는 바와 같이 수입 우레탄 고무의 인장강도와 신율이 국내 우레탄보다 약 2배이상 높게 나타나 수입 우레탄 소재가 국내 소재보다 기계적 특성이 우수함을 알 수 있었다.
- Fig. 3은 우레탄 고무에 대한 동 특성시험 결과를 나타낸 것으로 주파수 변화에 따른 국내 소재의 저장 탄성계수는 25～55 MPa, 수입 소재는 45～55 MPa로 수입 소재가 저장 탄성계수의 변화가 작았으며, 손실계수는 국내 소재는 0.25～0.45, 수입 소재는 0.1～0.2로 수입 우레탄 소재의 동적 특성이 우수함을 알 수 있었다.
- 초기에는 튜브가 평면 상태에서 변형을 일으키기 위하여 하중이 상승하다가 펀치의 변위가 약 20% 정도에서 변형된 튜브를 성형하면서 완만히 하중이 증가한다. 그리고 펀치의 변위가 약 90% 정도에 이르렀을 때 튜브의 코너부를 성형과정에서 하중이 급격히 상승하여 두께가 25mm일 경우 약 400톤 정도의 하중이 필요함을 알 수 있었다. 이는 튜브의 코너부위를 완전히 채우지 않았을 때의 하중으로 코너부를 고려하였을 경우 하중은 급격히 상승할 것으로 예측된다.
- 즉 이전의 변형률 수준보다 더 많은 변형률을 받으면 강성이 감소하는 경향이 있었다. 따라서 탄성체 부품의 유한요소 해석에 필요한 물성을 얻기 위해서는 실제 사용조건과 동일한 변형률 구간에서 물성시험이 이루어져야 정확한 특성을 예측할 수 있음을 알았다.
후속연구
- 본 연구에서 개발하고자 하는 고 탄성체 성형(elasto-forming)기술은 고무나 우레탄과 같은 고탄성력을 이용하여 튜브를 임의의 형상으로 성형하는 방법으로 타 공정에 비해 요구 치수 정밀도와 높은 생산성으로 인해 저 원가, 고 생산성을 필요로 하는 본 연구 대상품의 생산에 최적의 기술로 연구개발의 필요성이 절실하다 하겠다. 고 탄성체 성형기술에 이용되는 탄성체는 제품의 특성에 따라 탄성체 종류를 결정하고 충전제를 비롯한 여러 가지 첨가제를 특정한 비율로 배합한 혼합물 형태로 사용된다.
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