보고서 정보
주관연구기관 |
(주)서울금속 |
연구책임자 |
나승우
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2017-05 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201800040135 |
과제고유번호 |
1415146095 |
사업명 |
우수기술연구센터(ATC) |
DB 구축일자 |
2018-10-13
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키워드 |
마이크로 나사.체결력.정밀단조.나사산 전조.비전검사.
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초록
▼
□ 핵심기술
○ 고장력 티타늄 와이어를 이용한 마이크로 나사를 개발하여 체결성능을 향상시킨 기능성 체결부품 개발
□ 최종목표
○ 차세대 휴대폰 및 웨어러블 기기 적용 티타늄 정밀나사 설계 및 생산기술 개발
① 타이타늄 정밀나사 설계 및 생산기술 개발
② 800MPa급 CP Ti Gr. 4 원소재 제조 기술 개발
③ 머리부 두께 300㎛ 초정밀 체결부품 단조성형기술 개발
④ 나사산 피치 200㎛ 정밀 체결부품 전조성형기술 개발
⑤ 체결력 향상을 위한 나이록 코팅 표면처리 기술 개발
□ 핵심기술
○ 고장력 티타늄 와이어를 이용한 마이크로 나사를 개발하여 체결성능을 향상시킨 기능성 체결부품 개발
□ 최종목표
○ 차세대 휴대폰 및 웨어러블 기기 적용 티타늄 정밀나사 설계 및 생산기술 개발
① 타이타늄 정밀나사 설계 및 생산기술 개발
② 800MPa급 CP Ti Gr. 4 원소재 제조 기술 개발
③ 머리부 두께 300㎛ 초정밀 체결부품 단조성형기술 개발
④ 나사산 피치 200㎛ 정밀 체결부품 전조성형기술 개발
⑤ 체결력 향상을 위한 나이록 코팅 표면처리 기술 개발
⑥ 정밀 나사 적용을 위한 경량화 소재 CFRP 적용 기술 개발
⑦ 검사신뢰성 99%가 구현되는 자동검사 시스템 구축
□ 개발내용 및 결과
1. 타이타늄 나사 설계기술 개발
(1) 타이타늄 나사 설계기술
○ 본 과제에서 개발하고자하는 초소형 나사는 두께 7mm급 이하 차세대 휴대폰 적용을 위한 제품으로, 나사의 형태는 체결용으로 가장 널리 사용되는 3각 나사로 선정하였다. 아래의 그림은 M0.7×0.2P 초소형 타이타늄 나사의 설계도면이다.
(2) 타이타늄 나사 원소재 신선기술 개발
○ 순수 CP Ti Gr.4 소재의 나사 적용을 위해 M0.7mm 나사 개발용 소재의 직경을 아래와 같이 계산하였다.
D2(소재경) = D(유효지름) - 0.649519 x P (나사 피치)
= 0.5701mm
○ 계산결과 M0.7mm는 직경 0.57mm의 소재가 필요하였다.
그러나 현재 1mm급 이하의 소재는 양산품으로 판매되고 있지 않으며, 특히 고장력 와이어 소재의 경우 다단 신선공정 기술적용을 통한 개발이 필요한 소재이다. 따라서 아래 그림과 같이 다단 신선 금형을 개발하여, 신선 공정을 통해 0.57mm급 와이어 소재를 개발하였다.
2. 타이타늄 나사 고강도화 소재기술 개발
(1) CP Ti Gr.4 원소재 특성 분석
○ 4차년도에서는 고강도 초소형 타이타늄 나사 제조를 위하여 CP Ti Gr.4 원소재를 적용하였다. 타이타늄 와이어의 인장특성 은 ASTM E8 및 B863의 규정을 준수하여 실시하였다.
(2) Gr.4 고강도화 공정 설계 및 고강도 CP Ti 성형성 분석
○ Gr.4 타이타늄 원소재의 고강도화를 위하여 본 연구에서는 냉간스웨이징/인발 공정을 이용하였다. 특히, 800MPa급 이상의 고강도화를 위하여 아래의 조건으로 공정설계를 하였다.
- CP Ti Gr.4 □ 20 봉재를 이용한 성형특성 예측
- 타이타늄 원소재의 냉간 가공량 60% 이상 부여
- 냉간 가공 후 성형성 제어를 위한 열처리공정 (400~500℃, 10 ~ 60min.)
○ CP Ti Gr.4의 성형성 예측을 위한 기초 시험으로 고온 압축시험을 수행하였고, 그 결과를 아래 그림에 나타내었다. Gleeble 단조모의시험기를 이용하여 고온압축시험을 수행하였다. 이때, 온도는 150~250℃ 범위로 변형율 속도 0.01~10/sec의 조건에서 수행 하였다.
(3) 인발공정 설계 및 고강도 타이타늄 와이어 제조 및 평가
○ Gr.4 타이타늄 와이어 인발을 위하여 다이직경, 다이 반각,랜드부 길이를 고려하여 3차년도에 개발한 금형을 참조하여 인발 금형을 제조하였다.
- 다이 직경 : □ 1.0~0.57까지
- 다이 반각 : 8± 1 □
- 랜드부 길이 : 0.45 ~ 0.6mm
- 도입부 반각 : 20± 5 □
- 랜드부 소재 : COMPAX
- Case 소재 : SUS 304
- Case 직경 : 41mm
○ Gr.4 타이타늄 와이어를 고강도화 공정을 설계하기 위하여 직경 □ 0.9 ~ 0.57 다이스를 이용하여 인발하였다. 인발 후 각 공정별 와이어 직경은 다이스 직경보다 0.02mm 작은 크기를 나타내었다. 단면 감소율 70% 이상까지 열처리 없이 냉간 가공이 가능하였다.
(4) CP Ti 고강도 타이타늄 공정에 따른 미세조직 평가
○ 고강도 CP Ti Gr.4제조를 위하여 초기 미세조직이 평균결정립 크기가 14.8㎛인 Gr.4 와이어를 사용하였고 EBSD(Electron Backscattered Diffaction)를 이용한 미세조직 분석 결과를 아래 그림에 나타내었다.
○ 단계별 냉간 가공 후 미세조직을 분석하기 위하여 EBSD을
이용하여 CP Ti의 미세조직을 분석하였다. 패스별 소재의 평균 결정립 크기는 13.4, 10.0, 8.5, 5.1㎛로 총 단면감소율이 증가할수록 평균 결정립의 크기는 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나 원소재의 경우 냉간가공량이 없어 정량적인 분석이 가능하지만, 냉간가공량이 증가할수록 Grain distortion이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
3. 타이타늄 나사 단조 성형기술 개발
(1) 단조금형 설계 및 제작
○ 펀치의 응력 집중 최적 설계를 위해아래와 같이 M0.7x0.2p용 펀치 금형을 설계하였다. 또한 도면의 제품을 3D 시뮬레이션을 실시하기 위하여 허브 마스터, 펀치 소재(반재), 하부 다이를 3D 모델링을 실시하였다.
○ M0.7mm 단조 금형은 나사머리 성형 시 다이(Die) 역할을 하는 헤딩(Heading) 금형과 머리 형상을 성형하는 펀치 금형이서로 맞닿아 파괴될 수도 있는 위험이 있다. 이에 따라 4차년도 금형은 다이 금형의 윗부분을 안전 탭을 내어 이러한 위험을 방지 하였다.
(2) 온간 단조공정 성형해석 기술 개발
○ 인장시험 결과를 바탕으로 파손 임계값을 해석을 통해서 온 간 단조를 위한 Titanium Gr.4 물성 분석을 진행 하였다.
○ 펀치 형상에 따라 해석한 결과 모델 (a)는 접힘 결함이 나타났으며 모델 (b)는 약간의 미충진 결함이 나타났다. 또한 모델(d)가 가장 결함이 없는 것을 확인하였다.
○ 온간 성형 해석 결과 과적으로 최대 손상도는 연신율보다 단면수축률에 의해 결정되고 온간 성형에서는 단면수축률이 크기 때문에 손상도가 비교적 낮게 예측이 됨을 알 수 있다. 이것은 파손 시점에 파손 부위의 국부 변형률이 파손에 관계되기 때문으로 사료된다.
4. 타이타늄 나사 전조 성형기술 개발
(1) M0.7 나사의 금형간격 선정
○ 식(1)과 (2)는 금형간격 W를 구하기 위한 식이다. 금형간격(W)는 금형 나사산의 모따기 크기에 따라 외경 크기에 영향을준다. 모따기를 나사산과 나사골을 동일하게 0.03 mm, 0.02mm 두 가지로 설계한 금형간격과 나사산을 0.03 mm 나사골을 0.02 mm로 설계한 금형간격범위를 3가지로 나누었다. 아래 표에 금형간격을 정리하여 나타냈다. 금형간격은 모든 범위를 합쳐서 총 6가지로 계산되었다.
(2) M0.7 나사의 금형 간격별 전조 성형해석
○ C1, C2가 0.03 mm 일 때 해석결과 스트로크에 따른 외경 변화를 아래 그래프로 나타냈다. 스트로크가 3.4 mm 이상에서 ISO 외경범위(0.70~0.679 mm)에 만족하는 것을 확인하였다.
최대 외경은 0.693 mm로 계산되었다.
○ C1, C2가 0.02 mm 일 때 해석결과 금형간격은 0.41, 0.42,0.43 mm 총 3가지를 적용하여 해석을 진행 하였다.
○ C1이 0.03 mm C2가 0.02 mm 일 때 해석결과
○ 비대칭 나사 전조해석비대칭 금형의 경우 금형의 c1, c2을 동일하게 0.02 mm로 주어 설계하였다.
(3) 전조금형 설계 및 제작
○ 체결력 향상을 위해 서울과기대의 해석 및 설계검토를 바탕으로 아래 사진과 같이 대칭, 비대칭 나사용 전조 금형의 설계 및 개발을 수행하였다. 비대칭 나사용 금형의 피치는 200㎛, 리드각은 5.26°로 대칭 나사용 금형과 동일하며, 나사산 각도는 상부 10°, 하부 50°로 개발하였다. 특히 C1, C2 값을 0.02로 변경 하여 금형 설계를 최적화 하였다.
5. 타이타늄 나사 코팅기술 개발
(1) 코팅나사 Sample 무게 분석
○ 본 연구에서는 코팅에 의한 체결/풀림 토크 변화를 측정하기 위해 초소형 나사(M1.0x0.25p) 나사산에 코팅액을 도포하였으며, 코팅액이 도포된 정도에 따라 하나의 나사당 무게변화를 측정하였다. 무코팅, 180°코팅, 360°코팅으로 조건을 나누었으며,각각의 조건에 따른 무게와 증가율을 아래 표에 나타내었다.
○ 무게측정 결과 180°코팅 했을 때, 무코팅 나사에 비해 나사 1개당 무게는 0.236% 증가하였으며, 360°코팅의 경우에는 무게가 0.715% 증가함을 알 수 있었다.
(2) 코팅조건에 따른 체결력시험
○ 본 연구에서는 코팅조건에 따라 변화하는 체결/풀림토크 값을 확인하고 최적의 조건을 도출해내기 위하여 나이론을 다양한 조건으로 도포하였다. 코팅액이 도포된 정도와 도포된 코팅두께를 주요인으로 설정하였으며, 코팅 정도는 180°코팅, 360°코팅 총 2가지의 수준으로, 코팅두께는 얇음과 두꺼움의 총 2가지의 수준으로 진행하였다.
○ 각각의 코팅액이 도포된 샘플의 체결력을 평가하기 위해 체결/풀림토크를 측정하였다. 풀림방지 코팅 나사의 토크 측정은 코팅된 나사를 알루미늄 재질의 측정용 치구에 체결하고 디지털 토크미터를 사용하여 실험을 진행하였으며, 체결/풀림 토크 실험은 5회 반복하여 측정하였다.
○ 무코팅 나사의 체결과 풀림을 5회 반복함에 따른 토크 그래프를 아래 그림에 도시하였으며, 실험횟수가 반복될수록 체결/풀림토크 값이 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이 중에서 중요한 값은 1회째와 5회째의 체결/풀림토크 값이며, 추가적으로 1회째와 5회째의 토크 값의 감소량을 확인하였다.
6. 경량소재 체결특성 평가를 위한 선행기술 개발
(1) 경량화 복합 소재 컴퓨터 기반 평가기술 개발
○ 탄소섬유/기지 물성 획득을 위한 기초실험
- 탄소섬유복합재료 기초 물성을 얻기 위해서는 최소 5종류의 Lamina/Laminate형태의 시편을 제작하고 아래의 규격이 준하여 실행하였다.
○ 범용소프트웨어 물성 적용 인장 시뮬레이션 결과
-구조적인 해석을 위해 ANSYS Workbench 모델 Analysis systems의 Static Structural을 이용하였다. 실제 모델과 동일하게 인장, 굽힘 시험편의 크기에 따라 작성한 3D CAD Surface Model은 stp파일로 변환하여 ANSYS Workbench의 Geometry에서 Import시킨 후 Surface상태의 시편형상을 1×1mm 크기(Mesh size: 1mm, Mesh type: Quad only)로 4개의 질점을 갖는 Element로 생성하였다.
(2) 경량화 복합 소재 컴퓨터 기반 평가기술 최적화
○ 초소형 홀가공 CFRP 시험편 인장실험
- [15°/-15°]10시험편의 가장 높은 강도 값을 보였고[60°/-60°]10시험편이 가장 낮은 강도값을 나타내었다. 이는 하중방향에 섬유 방향각이 가까울수록 탄소섬유강도의 영향으로 강도가 증가하고 90°에 가까워질수록 탄소섬유 영향보다는 수지의 영향으로 인해 강도가 저하됨을 알 수 있었다.
(3) 정밀나사 홀가공 및 탭가공을 위한 가공 지그 개발
○ X-Y방향 이송형 정밀 바이스 설계 및 제작
- 홀/탭 가공시 시험편에 시험편을 고정시키는 장치로 시험편이 손쉽게 고정시킬수 있어야 하며 가공 시 흔들림이 없어야 한다.
- 관통하는 시험편 가공시 지그로 인한 영향이 없도록 시험편 고정부 하단에 일정한 홀가공을 하여 가공에 차질이 없도록 하여야한다.
- 정밀한 이동을 위해 0.01mm단위의 이동이 가능해야한다.
- 위 조건을 만족하기 위해 지그 하단부에 공간을 두어서 홀가공시 지그에 영향이 없도록 하였고, 지그 위쪽과 우측에 시험편이 움직이지 않도록 고정하고 좌측에서 screw 방식으로 시험편을 고정시켜 가공시 시험편이 흔들리지 않고 손쉬운 해체 가능하게 한다. X-Y 방향 정밀한 이동을 위해 볼나사를 적용하여 정밀한 이동을 가능하게 함.
7. 자동 검사시스템 신뢰성 향상기술 개발
(1) 검사시스템 알고리즘 개발
○ 검사 항목으로는 나사 외경, 형상, 머리 터짐, 이물, 표면 검사 등이 있다. 이들의 원활한 검사를 위해 나사 머리부 외경 부분과 형상 경계부를 안정적으로 추출하는 알고리즘 제안하였다.
(2) M0.7x0.2p 나사 신뢰성 실험
○ M0.7x0.2p 초소형 나사 검사시스템의 검사 신뢰성을 확인하기 위해, 자동검사 시스템에서 실제 제품을 검사하여 성능을 실험하였다. 정량적 목표인 검사 신뢰성 99%는 달성하였다
8. M0.8×0.2P 불량률 평가
○ M1.0.x0.25p 초소형 스크류의 불량률을 살펴보면, 2016년 3월 이전까지는 공정 불량률이 0.24%를 상회하였으나, 비트 각의 개선과 헤딩 공정 시 상부다이의 압출양을 조절하여 4월 이후는 공정불량을 0.20% 이하로 개선할 수 있었다. 생산량은 1월에서 4월까지 총 5,590천개, 월평균 1,397천개 이며, 단조 불량, 전조 불량 등 전체 불량은 12,960개였다.
○ 초소형 나사를 제조시에는 전조공정에서 발생하는 주요 불량유형인 나사산 겹침 및 줄흠, 표면 요철이 자주 발행하였으며,원인은 고정축 다이스와 이동축 다이스의 조건 부정확하거나,전조압이 일정하지 않고 낮거나 높았기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 불량 유형들을 분석하여 개선사항을 단조, 전조 공정에 적용한 결과 4차년도에는 목표치인 불량률을 0.1%이하로 달성할 수 있었다. 향후 공정해석 및 공정조건 최적화를 통해 이러한 공정개선 및 공정 최적화를 진행할 전망이다.
□ 기술개발 배경
○ 기능성 체결부품은 향후 스마트폰, 웨어러블 디바이스 등 스마트기기가 더욱 슬림화·경량화 되는 추세에 따라, 관련부품산업에도 이에 대응할 수 있는 기술개발이 절실함.
○ 스마트폰 시장은 슬림한 제품의 개발을 추진하고 있으며, 또한 아웃도어 활동의 증가고 방수 기능 또한 매우 중요한 기능중 하나로 대두되고 있음. 이에 따라 차세대 스마트폰에 적용되는 기능성 체결부품은 고강도 소재를 사용하여 작고 강하게 개발되어야 함.
○ 웨어러블 시장의 경우 손목형 제품이 출하량 및 시장점유율을 대부분을 차지하고 있지만 미래에는 다양한 제품군이 생산될 것으로 예상됨. 이에 대응하기 위해서는 M1.0mm이하 급으로 기능성 체결부품의 사이즈를 줄여야함. 그러나 체결부품의 경우사이즈가 작아질수록 실제 접합부(체결부) 길이가 짧아지기 때문에, 체결력도 감소함.
○ 현재 M1.4x0.3p 제품의 단위 길이당 임계 체결력은 0.14kgf/mm로 이미 한계치에 이르렀으며, 길이를 더 줄이고, 체결력을 유지 또는 향상 시기키 위해서는 경쟁사들보다 한발 앞선 독자적 기술개발이 시급함.
○ 정보통신 연구 진흥원이 주관하여 실시한 ‘IT분야 기술 수준 조사’에 따르면, IT분야의 국내 기술수준은 최고 기술을 보유한 일본 대비 80% 수준임.
○ ATC 사업 전 (주)서울금속은 체결 요소부품 관련기술(나사설계, 풀림방지, 단조, 전조등) 현황에서, 특허 보유 수준이 세계 11위로 해외 경쟁 기업들에 비해 현저히 낮음.
○ 하지만 기능성 체결부품의 개발을 통해 IT 전자제품에 사용되는 마이크로 나사 생산기술을 보유하게 된 서울금속은 선진국과의 기술격차를 10% 줄였으며, 스마트폰 시장에서 가장 화두가 되는 경량화와 두께 감소 분야에서 세계 일류 기업들과 견줄만한 기술을 확보하였고, 체결력 또한 기존 업체들 대비 20%이상 향상하여(M1.0x0.25p 기준) 국제시장에서 양산제품의 경쟁력을 확보 하였음.
○ 또한 스마트폰 시장의 포화로 새롭게 대두되는 웨어러블 디바이스 시장에서도 경량화 소재로 큰 각광을 받고 있으며 특히 웨어러블 디바이스는 그 사용 범위가 광범위하고 발전가능성이 무궁한 미래 산업으로 국가 정책적 육성이 필요하므로 ATC 사업을 통하여 기술 선점을 이룰 수 있을 것으로 기대 함.
○ ATC 기능성 체결부품 국내 상용화 제품
○ ATC 기능성 체결부품 국외 상용화 제품
( 출처 : 최종보고서초록 - 3. 개발결과 요약 5p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 2
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 30
- 목차 ... 51
- 제 1장 기술개발 내용 및 방법 ... 54
- 제 1절 연구 배경 및 목표 ... 54
- 1. 기업 현황 ... 54
- 2. 중장기 비전 ... 56
- 3. 연구 배경 및 목표 ... 59
- 제 2절 1단계 연구 결과 및 내용 ... 74
- 1. 1차년도 기술개발 실적 ... 74
- 2. 2차년도 기술개발 실적 ... 160
- 3. 결론 ... 233
- 제 3절 2단계 연구 결과 및 내용 ... 235
- 1. 3차년도 기술개발 실적 ... 235
- 2. 4차년도 기술개발 실적 ... 338
- 3. 결론 ... 421
- 제 4절 최종목표 및 평가 방법 ... 423
- 1. 최종 목표 ... 423
- 2. 개발기술의 평가 방법 및 평가 항목 ... 423
- 3. 핵심 키워드(5개 이상) ... 424
- 4. 정량적 목표 항목의 평가방법 및 평가환경 ... 424
- 5. 단계 목표 및 평가 ... 426
- 제 5절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 430
- 제 2장 결과 및 사업화 계획 ... 431
- 제 1절 단계 연구개발 최종 결과 ... 431
- 1. 단계 연구개발 추진 일정 ... 431
- 2. 단계 연구개발 추진 실적 ... 435
- 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 456
- 제 2절 연구개발 추진 체계 ... 467
- 1. 기관별 역할 및 추진 내역 ... 467
- 제 3절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 470
- 1. 기술개발 시작 시점의 시장 현황 ... 470
- 2. 현재 시장 현황 ... 472
- 3. 사업화 성과 ... 474
- 제 4절 고용 창출 효과 ... 477
- 제 5절 기업 재무건전성 현황 ... 481
- 제6절 자체보안관리진단표 ... 482
- 부 록 ... 483
- ※ 1차년도 첨부 ... 483
- 1차년도 첨부 목차 ... 483
- 2. 설계 도면 ... 484
- 3. 해외 논문 실적 ... 486
- 4. 국내 논문 실적 ... 492
- 5. 해외 발표 실적 ... 494
- 6. 국내 발표 실적 ... 500
- ※ 2차년도 첨부 ... 516
- 2차년도 첨부 목차 ... 516
- 2. 설계 도면 ... 517
- 3. 해외 논문 실적 ... 521
- 4. 국내 논문 실적 ... 523
- 5. 해외 발표 실적 ... 528
- 6. 국내 발표 실적 ... 529
- ※ 3차년도 첨부 ... 539
- 3차년도 첨부 목차 ... 539
- 2. 설계도면 ... 541
- 3. 국내 논문 실적 ... 546
- ※ 4차년도 첨부 ... 576
- 4차년도 첨부 목차 ... 576
- 2. 설계 도면 ... 577
- 3. 해외 논문 실적 ... 584
- 4. 국내 논문 실적 ... 586
- 5. 해외 발표 실적 ... 598
- 6. 국내 발표 실적 ... 601
- 끝페이지 ... 612
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