[논문]마이크로 와이어 프레스 성형 후 발생하는 스프링백의 해석적 연구

홍석관; 강정진; 전병희; 고귀현; 양승진; 표창률

문제 정의

10과 같이 tip 끝이 아래 방향으로 향하면서 굽어져 있다. 따라서 이를 보정하기 위해 역으로 tip 끝이 위를 향하도록 굽혀서 성형하고 이로부터 발생한 스프링백 이 target의 profile과 일치 하게 하는 것 이 목표이 다.
따라서, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 성형성을 파악하고 그 결과를 토대로 성형 공정 및 시스템을 설계하는 것이 필수적이라 할 수있다. 본 논문에서는 FEM 해석을 통한 마이크로 와이어의 성형 공정 모델링 및 성형공정 해석에 대한 해석기법을 마련함으로써 가공 시스템의 설계 및 제작에 반영하고자 한다.

가설 설정

따라서 주요 성형 공정시 고려되어야 하는 부분은 head 부와 bending 부이다. 본연구에서는 bending부의 성형공정만을 논의하였다. Bending부는 굽힘공정과 단조공정을 통해 성형되어야 한다.

제안 방법

MEMS 프로브 카드의 핵심 구성 요소인 bridge suspension을 개발하기 위해 FEM 을 이용하여 마이크로 와이어 성형 공정을 분석하였다. 이를 위해 bridge suspension 원소재인 마이크로 와이어의 압입시험을 통해 성형공정 모델링을 검증하였고, 성형 공정 모델링에 기반을 둔 마이크로 와이어 성형 공정 해석을 수행하여 스프링 백량을 예측하였다.
따라서 마이크로 와이 어의 스프링백 후 형상은 상기의 2구역에서 발생한 스프링백량이 복합적으로 영향을 미친 결과이다. 그러므로 본 연구에서는 fig. 10과 같이 스프링백의 정확한 평가를 위해서 2구역의 각도를 정의하였다.
압입시험에는 지름 801im의 마이크로 와이어를 사용하였으며, 길이가 2mm정도 압입되도록 금형을 제작하였다. 또한, 하중 대 압입율의 상관관계를 분석하기 위하여 압입하중은 lOkgf부터 5kgf 단위로 50kgf까지 단계별로 가압하였으며, 이에 따른 마이크로 와이어의 변형 두께를 측정하여 fig. 3에 도시하였다.
마이크로 와이어의 단조 실험 결과와 비교하기 위해서 실험조건과 같이 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 상용 유한요소 해석프로그램인 MSC.
이를 위해 bridge suspension 원소재인 마이크로 와이어의 압입시험을 통해 성형공정 모델링을 검증하였고, 성형 공정 모델링에 기반을 둔 마이크로 와이어 성형 공정 해석을 수행하여 스프링 백량을 예측하였다. 마지막으로 스프링백을 보정할 수 있는 금형설계안을 제안하였다. 따라서 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
상기와 같은 기준으로 보정굽힘각1이 3°일 때와 6°일 때의 금형 profile을 작도하여 수정하였고, 시뮬레 이션을 통해 스프링백 량을 평가하였다.
수행하였다. 시뮬레이션은 상용 유한요소 해석프로그램인 MSC.MARC를 사용하였으며, 물성치는 table 1에 제시한 바와 같이 본 마이크로 와이어의 기계적 물성치를 해석에 적용하였다. fig.
을 이용하여 마이크로 와이어 성형 공정을 분석하였다. 이를 위해 bridge suspension 원소재인 마이크로 와이어의 압입시험을 통해 성형공정 모델링을 검증하였고, 성형 공정 모델링에 기반을 둔 마이크로 와이어 성형 공정 해석을 수행하여 스프링 백량을 예측하였다. 마지막으로 스프링백을 보정할 수 있는 금형설계안을 제안하였다.
넥킹부의 스프링백은 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 실험결과를 바탕으로 스프링백 해석 정도를 높이기 위해 요소수를 변화시키면서 실험결과와 비교하였다. 해석 결과를 정량적으로 평가해보면 fig.
해석모델은 효율성을 높이기 위해서 1/2 대칭 모델을 적용하였다. 해석은 상기에서 검증된 해석 모델 및 조건을 사용하여 수행하였다. 해석 결과를 살펴보면 fig.

대상 데이터

본 해석을 위해서 fig. 6에 나타낸 것처럼 툴형상과 마이크로 와이어를 모델링 하였다. 해석모델은 효율성을 높이기 위해서 1/2 대칭 모델을 적용하였다.
2와 같이 마이크로 와이어의 압입시험을 수행하였다. 압입시험에는 지름 801im의 마이크로 와이어를 사용하였으며, 길이가 2mm정도 압입되도록 금형을 제작하였다. 또한, 하중 대 압입율의 상관관계를 분석하기 위하여 압입하중은 lOkgf부터 5kgf 단위로 50kgf까지 단계별로 가압하였으며, 이에 따른 마이크로 와이어의 변형 두께를 측정하여 fig.

이론/모형

6에 나타낸 것처럼 툴형상과 마이크로 와이어를 모델링 하였다. 해석모델은 효율성을 높이기 위해서 1/2 대칭 모델을 적용하였다. 해석은 상기에서 검증된 해석 모델 및 조건을 사용하여 수행하였다.

성능/효과

(1) 마이크로 와이어의 압입시험을 통해 해석 모델을 검증하였으며, 하중 대 변위의 응답특성에 대한 해석모델의 정확도는 91.8%, 변위 대 하중은 87.3%를 얻었다.
(3) 소량의 스프링백을 보정하기 위해 굽힘각1을 기준으로 금형 profile을 수정하였고, 그 결과 3° 로 보정굽힘각1을 수정하면 스프링백량이 억제될 수 있음이 해석을통해 예측되었다.
Bridge suspension의 bending부를 성형하기위한 굽힘-단조 공정 해석을 수행한결과 스프링백 예측능은 굽힘각1에서 80%, 굽힘각2에서는 99.7의 정확도를 얻었다.
따라서본 해석의 경우 스프링백 예측 정밀도를 높이기 위한 요소 수는 3000개 이상임을 알수 있다. 결과적으로 본 스프링백 해석에서 굽힘각의 예측에 대한 정밀도는 굽힘각1에서는 80%, 굽힘각2에서는 99.7%로 평가되었다.
이는 유한요소수가 스프링백 해석에 민감한 인자가 됨을 알 수 있는 결과이다. 따라서본 해석의 경우 스프링백 예측 정밀도를 높이기 위한 요소 수는 3000개 이상임을 알수 있다. 결과적으로 본 스프링백 해석에서 굽힘각의 예측에 대한 정밀도는 굽힘각1에서는 80%, 굽힘각2에서는 99.
최고 압입 하중이 50kfg일때는 압입률이 약 60% 발생하였다. 또한, 본 bridge suspension의 bending부 두께인 40um 단조 성형을 위해서는 압입률이 50% 이므로 하중은 약 35 kgf가 필요하다는 것을 본 실험을 통해 알 수 있었다.
실험 결과를 살펴보면 최저 압입 하중인 lOkgf에서는 압입률이 약 12%정도 발생하였으며, 최고 압입 하중이 50kfg일때는 압입률이 약 60% 발생하였다. 또한, 본 bridge suspension의 bending부 두께인 40um 단조 성형을 위해서는 압입률이 50% 이므로 하중은 약 35 kgf가 필요하다는 것을 본 실험을 통해 알 수 있었다.
이와 같은 실험결과를 바탕으로 스프링백 해석 정도를 높이기 위해 요소수를 변화시키면서 실험결과와 비교하였다. 해석 결과를 정량적으로 평가해보면 fig. 11에서 보이는 바와 같이 굽힘각1에서나 굽힘각2에서 simulation 1(요소 수 2000 개)보다 simulation 2(요소 수 3000개)일 때가 실험결과와 더 유사한 경향을 보였다. 이는 유한요소수가 스프링백 해석에 민감한 인자가 됨을 알 수 있는 결과이다.
해석결과를 살펴보면 fig. 14에 나타낸 바와 같이 대체적으로 수정모델이 초기모델에 비해서 스프링백량이 억제된 것을 확인할 수 있다. 또한 보정굽힘각1이 6° 일때보다 3°일때가 스프링백 보정이 더 잘된 것으로 평가할 수 있다.

후속연구

(4) 향후 제시 된 금형보정안을 바탕으로 금형을 제작하여 굽힘-단조 성 형실험을 수행할 예정이다.
따라서 보정굽힘각1의 각도가 미세하게 조정되어야 함을 알 수 있다. 따라서 보정굽힘각1이 0, 3, 6°일 때의 결과를 바탕으로 curve fitting을 해보면 정 확하게 스프링백 이 보정 될 수 있는 보정 굽힘각을 추정할 수 있을 것이다.

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