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문제 정의
- 본 연구에서는 기존에 다이캐스팅 방식으로 제작되고 있는 노트 PC 케이스를 프레스성 형에 의해 압연 판재 제품으로 대체 개발하고자 하였다. 기존 상용 모델을 바탕으로 제품의 설계를 하되 프레스 성형성을 고려하여 약간의 형상 수정을 하였다.
- 서보프레스의 속도 조절과 금형 온도의 제어를 통해 설계된 제품 성형이 가능한 최적의 공정 조건을 도출하고 적용하였다. 이러한 과정올 통해 마그네슘 판재 제품 개발의 가능성과 양산화 측면에서의 문제점을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- (1) 1 세트 금형을 사용하여 케이스 형상을 구현하였다. 이를 위해 다양한 성형 공정 조건에서의 시험을 하고 최적의 금형 온도, 프레스 속도, 윤활 조건을 도줄하였다.
- 기존 상용 모델을 바탕으로 제품의 설계를 하되 프레스 성형성을 고려하여 약간의 형상 수정을 하였다. 경제성을 고려하고 제품 성형 한계를 검토하고자 1 세트의 금형 만으로 성형을 시도하였다. 서보프레스의 속도 조절과 금형 온도의 제어를 통해 설계된 제품 성형이 가능한 최적의 공정 조건을 도출하고 적용하였다.
- 따라서 이를 고려하여 케이스 넓은 면에 엠보싱 형태의 패턴 형상(이하 , 패턴부, )을 포함하도록 설계하였다. 그리고 노트 PC 본체와 조립되기 위해서는 힌지(Hinge)가 장착 부, )을 포함하여 설계하였다. 최종 설계된 노트pc되어야 하므로 이를 위한 드로잉 형상(이하, 힌지케이스의 형상은 Fig.
- 블랭크 형상 설계가 특히 힌지부의 성형성에 매우 큰 영향을 미치기 때문에 연강을 사용한 냉간성형 시험을 미리 수행하여 최적의 블랭크 형상을 도출하였다. 금형은 카트리지 히터와 온도 제어기를 사용하여 원하는 온도로 가열할 수 있도록 설계하였다. 최적의 금형 온도 조건을 찾기 위해 금형의 상형과 하형에 대해 독립적으로 다양한 온도 조합을 적용하여 성형 시험하였다.
- 기존 상용 모델을 바탕으로 제품의 설계를 하되 프레스 성형성을 고려하여 약간의 형상 수정을 하였다. 경제성을 고려하고 제품 성형 한계를 검토하고자 1 세트의 금형 만으로 성형을 시도하였다.
- 또한 외부 충격으로부터 LCD패널과 기타 부품들을 보호할 수 있는 구조적 강성을 가져야 한다. 따라서 이를 고려하여 케이스 넓은 면에 엠보싱 형태의 패턴 형상(이하 , 패턴부, )을 포함하도록 설계하였다. 그리고 노트 PC 본체와 조립되기 위해서는 힌지(Hinge)가 장착 부, )을 포함하여 설계하였다.
- 그러나 경제성을 고려하면 1 세트의 금형으로 1 번에 성형하는 것이 최선이다. 따라서 케이스 최종 형상을 바탕으로 금형을 제작하고 성형공정 조건의 최적화를 통해 1 번의 공정으로 설계된 케이스의 성형을 시도하였다.
- 이를 위해 다양한 성형 공정 조건에서의 시험을 하고 최적의 금형 온도, 프레스 속도, 윤활 조건을 도줄하였다. 또한 초기 제품 설계에서의 패턴부 성형성 문제를 해결하기 위해 엠보싱 가공의 난이도를 조절하였다.
- 마그네슘 합금 AZ31 압연 판재로부터 온간 프레스 성형과 표면 도장에 의해 노트PC 케이스 시제품을 제작하였다.(Fig.
- 3과 같은 블랭크 형상을 가공하여 성형에 사용하였다. 블랭크 형상 설계가 특히 힌지부의 성형성에 매우 큰 영향을 미치기 때문에 연강을 사용한 냉간성형 시험을 미리 수행하여 최적의 블랭크 형상을 도출하였다. 금형은 카트리지 히터와 온도 제어기를 사용하여 원하는 온도로 가열할 수 있도록 설계하였다.
- 최적의 금형 온도 조건을 찾기 위해 금형의 상형과 하형에 대해 독립적으로 다양한 온도 조합을 적용하여 성형 시험하였다. 상형에 대해서는 100, 250, 275, 400℃, 하형에 대해서는 100, 200, 250, 350℃ 등의 온도 조건을 시험하였다. 성형 속도에는 프레스 최고 속도 100%를 기준으로 하여 0.
- 경제성을 고려하고 제품 성형 한계를 검토하고자 1 세트의 금형 만으로 성형을 시도하였다. 서보프레스의 속도 조절과 금형 온도의 제어를 통해 설계된 제품 성형이 가능한 최적의 공정 조건을 도출하고 적용하였다. 이러한 과정올 통해 마그네슘 판재 제품 개발의 가능성과 양산화 측면에서의 문제점을 파악하고자 하였다.
- 상형에 대해서는 100, 250, 275, 400℃, 하형에 대해서는 100, 200, 250, 350℃ 등의 온도 조건을 시험하였다. 성형 속도에는 프레스 최고 속도 100%를 기준으로 하여 0.1, 1, 2, 5%를 적용하였다. LVDT 측정에 의하면 1%는 대략 0.
- 수정된 금형에 대해 위에서 사용한 최적 성형공정 조건을 적용하여 시험을 수행하였다. 그 결과 힌지부는 물론이고 패턴부도 크랙 없이 완전히 성형되었다.
- 이러한 현상의 가장 큰원인은 AZ31 압연 판재의 고유 성형성에 비해 패턴 부 엠보싱 형상의 가공 난이도가 너무 높게 설계되었기 때문으로 판단되었다. 위의 시험 결과 1 번의 성형으로 기존 설계 형상을 완전히 구현하기 어렵기 때문에 패턴부의 엠보싱 가공 난이도를 낮추고 이를 반영하여 금형을 수정 가공하였다.
- (1) 1 세트 금형을 사용하여 케이스 형상을 구현하였다. 이를 위해 다양한 성형 공정 조건에서의 시험을 하고 최적의 금형 온도, 프레스 속도, 윤활 조건을 도줄하였다. 또한 초기 제품 설계에서의 패턴부 성형성 문제를 해결하기 위해 엠보싱 가공의 난이도를 조절하였다.
- 금형은 카트리지 히터와 온도 제어기를 사용하여 원하는 온도로 가열할 수 있도록 설계하였다. 최적의 금형 온도 조건을 찾기 위해 금형의 상형과 하형에 대해 독립적으로 다양한 온도 조합을 적용하여 성형 시험하였다. 상형에 대해서는 100, 250, 275, 400℃, 하형에 대해서는 100, 200, 250, 350℃ 등의 온도 조건을 시험하였다.
- 36mm/s의 속도에 해당하였다. 판재 성형성을 향상시키기 위해서 흑연(Graphite) 타입의 윤활제를 사용하였다.
대상 데이터
- 제품 성형에는 포스코에서 생산한 두께 0.6mm 의 마그네슘 합금 AZ31 압연 판재를 사용하였다. 설계된 최종 케이스의 치수를 고려하여 Fig.
성능/효과
- (2) 시험을 통해 파악한 성형 불량 원인으로는 금형 열변형에 의한 정렬 불량, 판재 평탄도 성형불량, 판재 성형 한계 대비 과도한 변형 양, 윤활 불량 등이었다.
- 1과 같다. Komatsu사 서보프레스에 설계/제작된 온간프레스금형을 설치하여 케이스 성형을 수행하였는데(Fig. 2), 서보프레스를이용함으로써 성형 속도를 임의로 조절할 수 있었다.
- 조건을 적용하여 시험을 수행하였다. 그 결과 힌지부는 물론이고 패턴부도 크랙 없이 완전히 성형되었다.
- 다양한 성형 공정 조건을 적용한 시험 결과 상형 275℃, 하형 200℃, 프레스 속도 1%일 때 성형성이 가장 우수하였다. 온도가 이보다 올라가면 패턴부의 성형성은 향상되었으나 힌지 부에서 파단이 발생하였고, 온도가 이보다 내려가면 특히 패턴부의 크랙이 쉽게 발생하였다.
- 윤활제를 사용하지 않은 경우와 사용한 경우를 비교하면 힌지부와 서 성형성의 큰 차이가 나타났다. 속도(1%)와 금형 온도 조건에서도 흑연 윤활제를 패턴부 모두에 동일한 프레스 윤활제를 사용 하지 않은 경우에는 힌지부와 패턴부 모두에서 심한 파단이 발생하였지만(Fig. 4), 윤활제를 사용한 경우에는 패턴부에 약간의 크랙이 발생하는 정도였다(Fig. 5).
- 가장 우수하였다. 온도가 이보다 올라가면 패턴부의 성형성은 향상되었으나 힌지 부에서 파단이 발생하였고, 온도가 이보다 내려가면 특히 패턴부의 크랙이 쉽게 발생하였다. 또한 힌지 부의 성형성을 좀 더 향상시키기 위해서는 하형의 온도가 상형보다 약간 낮은 것이 유리하였는데 이것은 기존의 딥드로잉 시험 결과들과 유사한 경향이다.
후속연구
- (3) 따라서 향후 개발 과제로는 열변형을 고려한 금형 설계, 온간 윤활 기술, 성형 한계를 반영한 제품 설계 등이 있다. 또한 양산성 확보를 위한 수율 향상도 필요할 것으로 보인다.
- 한국의 경우에는 그동안 다이캐스팅 방식 제품생산이 주를 이루었으나 최근 포스코의 마그네슘 판재 사업으로 인해 판재 프레스 성형에 의한 제품 개발 연구가 활발히 추진되고 있는 상황이다. 기술 발전에 따라 향후에는 마그네슘 판재 제품의 시장이 더욱 확대될 것으로 예상된다.
- 제품 설계 등이 있다. 또한 양산성 확보를 위한 수율 향상도 필요할 것으로 보인다.
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