MOULD and DIE

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 탄소섬유강화 플라스틱으로 항공기에 대량으로 적용되기 시작한 이후 자동차를 비롯한 수송기계 분야에 활발히 적용되고 있다. CFRP의 강도와 탄성은 각각 철강의 6배, 3배이다. 내마찰, 내마모, 치수안정성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. 전기자동차의 대중화와 에너지 효율 차원에서 경량화가 키워드이지만 CFRP의 확대 적용을 어렵게 만드는 요인은 높은 재료 가격과 성형의 어려움으로 인한 제조비용이다. CFRP는 열경화성과 열가소성으로 나누어진다. 열경화성 CFRP는 에폭시 수지(열경화성 수지)를 탄소섬유에 침투시킨 재료이다. 과거에는 가열하여 경화하는 시간이 길었지만 3분 정도로 단축시킨 속(速)경화수지가 개발되었다. 열가소성 CFRP는 사출성형의 가열과 냉각에 의해 쉽게 형상을 만들 수 있는 장점이 있다. 열경화성의 모재 수지는 에폭시 수지가 대부분이지만, 열가소성 CFRP에 사용되는 모재 수지는 종류가 많아 모재 수지 특성이 성능에 미치는 영향이 크다. CFRP에 이용되는 열가소성 수지는 PP, PA, PPS, PEEK 등이다. 오토클래이브(Autoclave) 는오래 전부터 항공기 분야에서 널리 사용하던 성형 방식이다. 탄소섬유 프리프레그(Prepreg)를 오토클레이브 내부에 넣어 고온 고압으로 성형한다. 비행기 동체 등 큰 규모의 부품 제조에 사용되고 있다. 수지이송성형(RTM. Resin Transfer Molding) 은 열경화성 CFRP의 대표 성형 방법이다. 1차로 탄소섬유 소재를 원하는 형상으로 프레스해서 예비 성형품 형태를 만든다. 예비 성형품은 아직 수지가 함침되지 않은 드라이 상태인데 1차 성형에서의 형태를 유지하기 위해 섬유 사이는 열가소성 수지의 가느다란 실로 연결되어 있다. 2차로 이 형태를 별도의 프레스로 이동시켜 에폭시 수지를 주입하고 압력을 가해 경화시킨다. 단섬유 사출성형 은 탄소섬유와 열가소성 수...

CSS 절삭가공의 대표적인 특징은 높은 압력에서 빠른 속도로 회전하는 공구와 공작물의 접촉을 통한 마찰과 열의 발생이다. 마찰은 공구의 급격한 마멸을 초래하고, 절삭열은 공작물을 팽창시켜 치수안정도를 떨어뜨리며 표면층의 가공경화를 유발한다. 이러한 바람직하지 않은 영향을 감소시키기 위해 절삭유를 사용하여 가공표면을 순환시키고 마찰을 감소시키며 공구와 공작물을 냉각시키고 금속칩을 제거한다. 절삭유의 사용목적은 절삭성 향상을 위한 냉각과 윤활작용이며 부가적으로 방청작용도 포함한다. 절삭유 종류는 물로 희석해서 사용하는 수용성과 원액으로 사용하는 비수용성으로 나누어진다. 절삭유 선택에 있어서는 절삭성과 환경부하를 함께 고려해야 한다. 표에 수용성 절삭유와 비수용성 절삭유를 비교했다. 수용성 절삭유와 비수용성 절삭유의 상대비교 비교항목 수용성 절삭유 비수용성 절삭유 핵심기능 냉각 윤할 절삭성능 부족하다 우수하다 극압성 나쁘다 좋다 방청성 나쁘다 좋다 수명 짧다 길다 작업장 청결 좋다 나쁘다 관리 어렵다 편리하다 연기발생 적다 많다 가격 저렴하다 비싸다 환경오염 크다 적다 환경친화 생산공정, 청정기술 측면에서 볼 때 비수용성 절삭유를 사용하는 것이 바람직하다. 비수용성 절삭유는 기본 성능인 절삭성 뿐만 아니라 환경적인 면에서도 수용성 절삭유에 비하여 우수한 결과를 보여준다. 하지만 많은 가공업체들이 여전히 가격이 저렴하다는 이유로 환경부하가 큰 수용성 절삭유를 사용하고 있는 실정이다. 비수용성 절삭유를 사용하더라도 가공조...

CSS 3D 프린팅은 적층 제조 기법으로 물체 형상에 맞게 무수한 반복을 통해 쌓아올리는 인쇄 방식이다. 전통적인 방식인 재료를 깎거나 잘라서 생산하는 절삭가공, 두 종류 이상의 금속을 접합시키는 용접, 재료에 변형을 가하는 소성가공 등과 같은 제조 방식과 대조된다. 3D 프린터를 이용하면 조립이 필요없는 완성품을 제작할 수도 있다. 이러한 제품은 조립 부위가 없어서 파손이 없는 한 정기적인 수리가 불필요하다. 표는 3D 프린터의 재료형태와 조형원리에 대한 설명이다. 3D 프린터의 종류와 조형원리 구분 재료형태 조형원리 조형방식 액체 기반형 액체 레진 레이저나 자외선을 이용하여 재료를 경화 SLA 분말 기반형 플라스틱 분말 금속 분말 분말 재료를 선택적으로 가열하여 접합 결합제 또는 레이저 사용 SLS 고체 기반형 와이어 필라먼트 열가소성 수지를 녹인 후 노즐로 압출 FDM 펠릿 입자 재료를 헤드에서 녹여 노즐에서 분사 POLYJET 시트, 필름 시트를 접착하면서 칼로 절단 LOM 사용 재료로는 수지가 대부분이었으나 금속계 프린팅이 가능하도록 재료 종류가 다양해지고 있다. 앞으로도 새로운 금속소재 개발을 선도하는 것이 중요하다. 금속 적층에서 가장 유리한 기법은 분말 기반형인 SLS(선택적 레이저 소결) 방식이다. SLS 방식은 넓은 범위의 다양한 금속계를 사용할 수 있다. 적용할 수 있는 재료에는 순티타늄과 그 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스 합금, 마레이징강 등이 있다. 마레이징강은 강도와 인성이 매우 좋고, 티타늄은 비중이 낮아 가볍다. 티타늄의 경우 내식성과 기계적인 성질이 우수하며 인체에 무해한 생체 적합성까지 갖추고 있다. 최근에는 노즐을 통해...

사출성형에서 용융수지의 흐름 단면을 보면 금형면에 닿는 부위와 중심 부위의 속도차가 있음을 알 수 있다. 금형면 온도는 캐비티 중심부보다 낮기 때문에 흐름성이 저하되어 분수 유동 현상이 발생한다. 금형면에서는 마찰과 냉각의 영향으로 유동 속도가 더디고 일정 온도 이하가 되면 유동이 멈추면서 고화층을 형성한다. 캐비티 중심부는 빈 공간이긴 하지만 고화층 때문에 흐름 영역이 좁고, 차가운 공기의 저항으로 인해 유동성이 떨어지면서 용융수지가 바깥으로 밀려 나가는 현상을 보인다. 이 모습이 물을 내뿜는 분수와 비슷해서 용융수지 흐름을 설명할 때 분수유동이라고 부른다. 사출금형 캐비티 유동단면 velocity-유동속도, shear rate-전단속도, shear stress-전단응력 분수유동과 관련해서 사출성형에서만 나타나는 특징 중 하나는 충진 순서이다. 최초로 주입된 용융수지가 캐비티 깊은 곳으로 뻗어나가지 못하고 입구가 좁은 게이트 주변에서 고화되기 시작한다. 오히려 나중에 들어간 수지가 게이트로부터 멀리 떨어진 캐비티 끝 부분을 채워 나간다. 나중에 들어온 수지일수록 캐비티 말단을 향해 흘러가는 것이다. 일반적인 유체의 경우 먼저 들어가면 앞으로 전진하고 다음에 들어오는 유체가 뒤를 채운다. 하지만 사출성형에서는 플라스틱의 유동특성 변수가 작용하므로 반대이다. 유동정체현상(Hesitation effect)은 살두께가 불균일한 성형품에서 용융수지가 두꺼운 영역으로 먼저 이동하고 얇은 두께에서는 흐름이 정지되어 있는 상태를 말한다. 얇은 구간은 유동단면이 협소하여 빨리 고화되면서 미성형이 발생한다. 살두께가 다른 성형품에서 가느다란 리브(rib)가 존재하는 경우 서로 다른 방향의 사이드 게이트라 하더라도 게이트 부근의 리브에서 유동이 멈춰 미성형이 유발한다. 리브의 유동정체현상은 러너와 게이트 시스템을 변경해서 해소할 수 있다. 3단금형 핀포인트 게이트 또는 핫러너 밸브게이트를 채택하고 위치를 조정하여 리브 영역 충진이 ...

크리프(Creep)는 크기에 변함 없는 일정한 온도와 외력이 작용할 때 시간 경과에 따라 재료의 변형량에 변화가 생기는 현상을 말한다. 즉 소성변형이 일정한 응력하에서 시간에 따라 증가하는 속도를 나타낸 현상이다. 금속재료는 상온에서 크리프 현상을 거의 느낄 수 없으나 고온에서는 이를 무시할 수 없다. 고온 고하중에서 처음에는 변형이 급속히 진행하다가 어느 시점에서는 시간이 경과해도 변형량이 늘어나지 않는다. 최후에는 다시 변형이 급속도로 진행하여 결국에는 파단에 이른다. 최초 단계를 1기 크리프, 변형이 작아지는 중간 단계를 2기 크리프, 마지막 단계를 3기 크리프라고 한다. 고온에서 사용하는 부품은 설계 단계에서 크리프 변형을 신중히 고려할 필요가 있다. 내크리프성, 크리프 한도를 알기 위해 크리프 실험을 실시하는 경우도 있다. 크리프 현상은 고온 환경에서 사용하는 금속재료에서 자주 발생한다. 고분자 화합물인 플라스틱에서는 변형이 더욱 현저하게 나타난다. 크리프 곡선

  두 물체가 접촉한 상태에서 미끄러지면서 발생하는 저항을 마찰이라 하고, 이로 인하여 물체의 표면이 닳아 없어지거나 변형이 생기는 것을 마모라 한다. 마찰이 일어나는 부품은 마찰열, 소음, 진동 등의 에너지 형태로 흔적을 남긴다. 심화된 마찰은 표면의 형상 변화를 가져와서 본래의 기능을 약화시키고 부품 수명을 단축시킨다. 마찰 운동을 하는 물체의 표면특성을 실제의 사용 조건에 맞게 바꾸는 것을 표면특성 향상기술이라 한다. 표면특성 향상기술은 마찰, 마모, 부식, 윤활 등을 개량하는 표면개질과 마찰접촉면에 동종(同種) 또는 이종(異種) 소재를 물리적 화학적으로 얇게 붙이거나 증착시키는 코팅으로 분류된다. 대표적인 표면특성 향상기술에는 열처리, 금속침투법, 카본분사, 물리적 증착, 화학적 증착, 플라즈마질화 등이 있다.

CSS 경도는 재료의 기계적 성질을 알아내는 가장 간단한 방법으로 변형에 대한 저항력의 크기이다. 어느 물체에 그보다 더 딱딱한 물체로 눌렀을 때 생긴 흔적으로 크기를 계산한다. 경도는 가공성이나 내마모성에 영향을 미친다. 경도는 딱딱함이고 강도는 단단함이다. 유리의 경우 경도는 높지만 강도가 약해 충격에 깨지기 쉽다. 금속은 경도와 강도가 모두 우수한 재료이다. 각종 역학계산에서 경도값과 강도값을 혼동하지 않도록 주의해야 한다. 절삭가공한 강의 표면은 가공경화가 일어나 변질층이 형성되어 경도가 높지만 모재 안으로 들어갈수록 낮아진다. 반대로 경화 처리된 강을 절삭했을 때 급격한 절삭열의 발생으로 표면에 뜨임(템퍼링) 효과가 발생해서 연화하는 경우도 있다. 가공경화는 얇은 변질층을 생성시키는데 표면경도는 재료의 조직, 가공방법 등에 따라 차이가 있으나 보통 0.1~0.5㎜ 깊이에서부터 모재와 비슷해진다. 경도 종류에는 로크웰 경도, 브리넬 경도, 비커스 경도, 쇼어 경도 등이 있다. 경도 종류와 시험방법 종류 기호 하중형상 설명 로크웰 경도 HRB HRC 구(球) 원추 재료에 하중을 가해서 생긴 압흔의 깊이로 표시한다. 얇은 재료와 열처리한 단단한 재료도 측정 가능하다. B스케일과 C스케일이 있다. 브리넬 경도 HB 구(球) 원형 구(球)를 압입하여 생긴 압흔의 직경을 측정하여 그 표면적을 계산하고 단위면적당 작용한 응력으로 표시한다. 비커스 경도 HV 사각추 사각추를 압입하여 생긴 압흔의 대각선 길이를 측정하여 그 표면적을 계산하고 단위면적당 작용한 응력으로 표시한다. 쇼어 경도 HS 해머 다이아몬드가 부착된 해머를 자유낙하시켜 그 반발력으로 튀어오른 높이를 측정한다. ...

  이온질화(Ion nitriding)는 진공 상태의 질소 가스 분위기 속에서 전압을 가하여 질화층을 형성하는 열처리 방식이다. 전압에 의해 글루 방전이 발생하고 부드러운 빛의 플라즈마가 가공물을 덮기 때문에 플라즈마질화라고도 부른다. 이온화된 질소 가스가 가공물에 충돌하면서 운동에너지가 열에너지로 변환하고 이 과정에서 가공물을 가열해 표면에 강한 질화층을 형성한다. 이 방식은 작업환경이 매우 좋고 질화 속도가 빠르다. 이온질화는 내마모성, 내식성, 피로강도를 끌어올리고 표면경도를 극도로 높게 개선시킨다. 저온 진공 상태에서 처리하므로 변형이 거의 발생하지 않고 후가공을 생략할 수 있는 장점이 있다. 이온질화 방식은 종래의 질화법과 전혀 다른 처리 방법이며 기계부품, 사출성형기 부품, 사출금형 부품의 표면처리에 사용이 늘어나고 있다. 이온 플라즈마 표면처리 이온질화 전후 단면비교

  마레이징은 마텐자이트(Martensite)와 에이징(Aging)의 합성어이다. 마텐자이트 조직을 450~510℃ 사이에서 3시간 시효처리하면 초강력성을 발휘하게 된다. 니켈을 함유하고 있고 고온에서도 매우 단단하고 인성이 좋으며 가공성도 우수하다. 미사일 등의 군사무기 및 항공기, 제트엔진 등 초고온 초고압 환경에서 사용하는 부품에 적용한다. 내구성을 요구하는 다이케스팅 금형강으로도 사용하고 있으며 금속 3D 프린터, 분말야금 재료로 이용되고 있다. 마레이징강은 가혹 조건에서 강도와 경도가 매우 우수한 합금재료로써 일본이 한국을 대상으로 수출금지한 소재에 포함(2019년 기준)되어 있으며 가격이 매우 비싸다.