KR20120054430A - 금속 다공체의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 다공체의 성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 등의 경량화를 위한 핵심 소재인 개방형 다공체를 일반적인 프레스 성형을 이용하여 다양한 형상으로 가공하는 금속 다공체의 성형 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명에서는 자동차 구조재, 충돌부재 및 무빙 파트와 같은 복잡한 3차원 형상의 성형이 가능하도록, 고분자 필러를 이용하여 금속 다공체 소재의 가공성을 향상시킨 금속 다공체의 성형 방법을 제공하고자 한다.
이에 따라 본 발명에서는 금속 다공체를 절단하는 단계와, 금속 다공체의 기공부에 PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 CMC(carboxy methyl cellulose)와 같은 친수성 고분자를 충진하는 단계와, 상기 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 성형하는 단계와, 상기 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 침수시켜 충진된 친수성 고분자를 제거하는 단계를 포함하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

Description

금속 다공체의 성형 방법{Forming method of porous metal}

본 발명은 금속 다공체의 성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 등의 경량화를 위한 핵심 소재인 개방형 다공체를 일반적인 프레스 성형을 이용하여 다양한 형상으로 가공하는 금속 다공체의 성형 방법에 관한 것이다.

최근 경량화를 목적으로 다공체를 이용한 소재가 다양한 분야에서 적용되고 있다. 특히, 개방형 다공체는 차량 경량화를 위한 핵심 소재로 각광받고 있으며, 이러한 개방형 다공체를 차체에 적용하기 위하여 이를 원하는 형상으로 가공할 수 있는 성형 기술이 전제되어야 한다.

종래에는 이러한 금속 다공체를 성형함에 있어서, 금속 다공체를 그대로 절단한 후 이를 직접 사용하는 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있었으나, 이러한 방법은 형상 자유도가 낮아 그 활용도가 제한적이었다.

한편, 보다 복잡한 형상의 금속 다공체를 제작하기 위한 방법으로, 실형상의 몰드 또는 제품 내에 금속 다공체를 발포시킨 다음 사용하거나, 롤 포밍(Roll Foaming) 공정을 이용하여 박판 소재에 굽힘(bending)을 가하는 성형 방법이 이용되었다.

그러나, 이러한 방법을 사용하는 경우라 하더라도 복잡한 형상의 제작이 불가능하고, 실형상 몰드 내에 발포시키는 방법의 경우 생산성이 낮으며 개방형 다공체에는 적용이 불가능한 단점이 존재하였으며, 롤 포밍 공정의 경우에도 3차원 형상 구현이 불가능하고 불량율이 높아 차량용 소재와 같은 복잡한 형상의 가공에는 적합하지 않은 문제점이 존재하였다.

이러한 종래 기술의 문제는 근본적으로 금속 다공체 소재가 갖는 구조적 특징으로부터 기인하는 것으로, 일반적인 프레스 성형 및 벤딩 공정을 통하여 금속 다공체 소재를 성형하는 경우, 내부 빈 공간으로 인한 좌굴, 파단이 발생하여 성형이 불가능하게 되기 때문이다.

이로 인해 금속 다공체 소재의 우수한 특성에도 불구하고, 이를 차량의 대량 생산 라인에 직접 적용하기에는 기술적 한계가 존재하였다.

그러므로, 우수한 특성으로 차량의 경량화를 도모할 수 있는 금속 다공체 소재를 차량의 구조재 또는 충돌 부재 등으로 이용하기 위해서는 일반적인 프레스 성형 및 벤딩 공정을 적용하여 금속 다공체 소재를 자동화 공정 상에서 쉽게 성형할 수 있는 기술이 필수적이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 자동차 구조재, 충돌부재 및 무빙 파트와 같은 복잡한 3차원 형상의 성형이 가능하도록, 고분자 필러를 이용하여 금속 다공체 소재의 가공성을 향상시킨 금속 다공체의 성형 방법을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 금속 다공체의 기공부에 친수성 고분자를 충진하는 단계와; 상기 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 성형하는 단계와; 상기 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 침수시켜 충진된 친수성 고분자를 제거하는 단계;를 포함하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

또한, 상기 친수성 고분자를 충진하는 단계 이전에, 금속 다공체를 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

또한, 상기 친수성 고분자는 PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 CMC(carboxy methyl cellulose)인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

또한, 상기 금속 다공체는 Al 6000계(Al-Mg-Si) 또는 Al 7000계(Al-Zn)의 개방형 다공체인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

또한, 상기 친수성 고분자를 충진하는 단계에서는 분말 상태의 친수성 고분자와 물의 혼합물을 상기 금속 다공체에 채운 다음, 60℃ 내지 70℃의 온도에서 경화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

또한, 상기 친수성 고분자를 제거하는 단계에서는 상기 친수성 고분자가 PVA인 경우에는 80℃ 이상의 물에 침수시키는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

또한, 상기 친수성 고분자를 제거하는 단계에서는 상기 친수성 고분자가 CMC인 경우에는 60℃ 이상의 물에 침수시키는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 금속 다공체 소재의 가공성이 현저하게 상승되어, 가공에 따른 좌굴이나 파단이 발생하지 않는 효과가 있다.

둘째, 가공성이 향상되어, 자동차 구조재, 충돌부재 및 무빙 파트(도어, 후드, 트렁크 등)와 같은 복잡한 3차원 형상의 차량 부재라도, 현재 적용되고 있는 일반적인 프레스 공정을 이용하여 금속 다공체 소재로 제작할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 차량의 다양한 부품의 소재로 금속 다공체를 적용할 수 있어 차량의 경량화가 가능한 효과가 있다.

넷째, 일반적인 프레스 공정 상에 금속 다공체 내에 수용성 고분자를 채우고, 이를 제거하는 단계를 단순히 부가할 뿐이므로, 간단한 성형 방법을 통해 복잡한 형상의 금속 다공체 소재를 제작가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법에서 수행되는 각 단계를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법에 의하여 제작된 금속 다공체가 적용된 예와 이것이 적용되지 않은 예의 충돌 시 변형량의 차이를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법에 의하여 제작된 금속 다공체가 적용된 예와 이것이 적용되지 않은 예의 충돌 시 시험편의 형상을 각각 도시한 비교도이다.

본 발명은 차량의 경량화를 위한 핵심 소재인 금속 다공체를 복잡한 형상으로 가공할 수 있도록, 수용성 고분자 필러를 이용하여 금속 다공체의 가공성을 향상시켜 원하는 형상으로 상기 금속 다공체를 가공하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 일반 프레스 성형 등의 가공 방법을 직접 금속 다공체 소재에 적용할 수 있는 금속 다공체의 성형 방법을 제공한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 미리 제작된 다공체 소재를 원하는 형상으로 가공하는 성형 방법에 관한 것으로, 이러한 성형 방법이 수행되기 전 일련을 과정을 통해 제작된 다공체 소재가 이용된다.

특히, 본 기술에 사용되는 소재는 개방형(open cell type) 다공체 소재로서, 이러한 개방형 다공체를 이용하는 것은, 상기 개방형 다공체 소재의 각 기공부들을 통하여 성형 공정 중 고분자 충진(filling)이 용이하기 때문이다.

또한, 바람직하게는 상기 개방형 다공체 소재는 주조성 및 기계적 강도를 고려하여, Al 6000계(Al-Mg-Si) 또는 Al 7000계(Al-Zn)의 금속 다공체를 사용할 수 있다.

다만, 본 발명은 상술한 Al 6000계(Al-Mg-Si) 또는 Al 7000계(Al-Zn) 금속 다공체로 한정되지 않으며, 개방형으로 주조가 가능한 모든 금속 소재에 관하여 적용 가능하다.

또한, 그 용도에 따라서, 자동차용 구조재, 충돌부재용으로는 기공부의 크기가 5 ~ 20PPI(Particles Per Inch)인 금속 다공체가 적합하며, 외판 및 도어, 트렁크 리드, 후드 등의 적용을 위해서는 30PPI 정도의 미세한 기공부로 구성된 다공체가 적합하다.

그러므로, 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법에서는 원하는 용도에 맞게 적절한 기공부의 크기로 제작된 금속 다공체를 사용할 수 있다.

이하, 이러한 개방형 다공체 소재의 성형 방법에 관하여, 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법의 바람직한 구현예의 구체적인 단계들을 순차적으로 도시한 것이다.

(a) 먼저, 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법에서는 금속 다공체 소재를 미리 제작한 다음, 최종적으로 형성하고자 하는 형태에 따라 적절한 크기로 금속 다공체를 절단한다.

(b) 다음으로, 원하는 크기로 절단된 금속 다공체의 기공부에 친수성 고분자를 충진한다.

본 발명에서는 금속 다공체의 기공부에 충진되는 충진재로서, 친수성 고분자를 사용한다. 이러한 친수성 고분자는 금속 다공체의 기공부 내에 충진이 용이할 뿐만 아니라, 수용성을 가지므로 성형 후 간단히 소정 온도 이상에서 침수시키는 것 만으로 간단하게 충진재를 제거할 수 있다.

이러한 친수성 고분자로는 PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 CMC(carboxy methyl cellulose)가 사용될 수 있다.

따라서, 본 단계에서는 이러한 친수성 고분자로서, 미세한 분말상태로 존재하는 PVA 또는 CMC를 물과 1:1로 섞어 반죽한 다음, 이를 충진하고자 하는 금속 다공체에 채운 후 60 ~ 70도 온도에서 경화시킨다.

(c) 금속 다공체의 기공부가 친수성 고분자로 충분히 채워진 경우, 기계적인 프레스 가공 등을 통하여 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 다양한 형태로 가공한다.

본 단계와 관련하여, 본 발명의 가장 큰 특징은 일반적으로 판재를 성형하는 기계적 프레스 등을 사용하여 금속 다공체 소재를 직접 성형할 수 있다는 것에 있다.

따라서, 본 단계에서는 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 3차원 입체 형상을 갖는 프레스 금형 위에 안착시킨 다음 프레스 성형에 의해 원하는 형상으로 최종 성형하게 된다.

이때 충진된 고분자에 의해 다공체의 기공부에서의 좌굴이나 파단이 억제되어 궁극적으로 원하는 형상으로 성형할 수 있으며, 충분한 기계적 특성을 확보할 수 있다.

이러한 프레스 성형에서, 상술한 바와 같은 알루미늄 합금으로 제작할 경우, 5 ~ 10MPa 의 압력으로 성형함이 바람직하다.

(d) 원하는 형상으로 가공이 완료되었다면, 가공된 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 침수시켜 충진재인 친수성 고분자를 제거한다.

본 단계에서는 프레스 가공 등을 통하여, 원하는 형상으로 금속 다공체 소재가 성형되었다면, 충진된 친수성 고분자 성분을 제거하는 단계에 해당한다.

이러한 충진재로 사용된 친수성 고분자들은 소정의 온도 이상에서 물에 침수될 경우, 물에 녹아 제거되는 성질을 가진다.

따라서, 충진재로 PVA를 사용한 경우 80도 이상의 온도에서 침수시킬 경우 충진재가 제거되며, 충진재로 CMC를 사용한 경우 60도 이상의 물 속에 성형된 제품을 침수시킬 경우 친수성 고분자의 충진재가 제거된다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이 금속 다공체의 절단, 친수성 고분자 충진, 형상 가공 및 친수성 고분자 제거로 이루어지는 일련의 과정을 통하여 원하는 형상으로 가공된 금속 다공체를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에서는 이러한 방식으로 제작된 금속 다공체 소재를 실제 차량에 적용하였을 때 갖는 향상된 효과를 확인하기 위하여, 다음과 같은 충돌 시험을 수행하였다.

먼저, 본 발명의 금속 다공체의 성형 방법에 따라 제작된 금속 다공체 소재를 포함한 시험편을 실험예로 제작하고, 이러한 금속 다공체 소재를 포함하지 않은 일반적인 강판의 시험편을 비교예로 제작한 다음, 각각에 대한 충돌 시험을 수행하였다.

각각의 시험편은 거의 동일한 무게로 제작되었으며, 비교예로 사용되는 일반적인 금속 소재의 경우 1.8㎜ 두께의 강판으로 구성되었으며, 실험예의 경우 1.0㎜ 두께의 강판에 금속 다공체 소재를 포함하도록 제작되었다.

아래 표 1은 이와 같이 제작된 실험예 및 비교예의 구체적인 소재의 스펙을 정리한 것이다.

	두께	강판	다공체	총중량
비교예 (금속 다공체 미포함)	1.8㎜	1734g	0	1734g
실시예 (금속 다공체 포함)	1.0㎜	972g	807g	1779g

아래 도 2 및 도 3은 위 표에서와 같은 실험예 및 비교예로부터 70㎞/h 속도로 충돌 시험을 수행한 다음, 각각의 충돌 특성에 관한 실험 결과를 추출한 것이다.

도 2는 상기 실험예와 비교예 간에 나타나는 충돌 시 변형량의 차이를 도시한 것이고, 도 3은 이러한 충돌 시험이 수행된 이후의 시험편의 형상 변화를 각각 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 동일한 누적 에너지 흡수량을 기준으로 본 발명에 따른 금속 다공체의 성형 방법에 의하여 제작된 금속 다공체 소재를 적용한 실험예가 그렇지 않은 비교예에 비하여 24%정도 개선된 변형량을 나타냄을 확인할 수 있다.

또한, 이러한 결과는 도 3의 비교도에서도 충분히 확인되는 것으로, 금속 다공체 소재를 포함하지 않은 경우가 이를 포함한 경우에 비하여 현저하게 많은 변형이 발생하였음을 확인할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

Claims (7)

1. 금속 다공체의 기공부에 친수성 고분자를 충진하는 단계와;
   상기 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 성형하는 단계와;
   상기 친수성 고분자가 충진된 금속 다공체를 침수시켜 충진된 친수성 고분자를 제거하는 단계;
   를 포함하는 금속 다공체의 성형 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 친수성 고분자를 충진하는 단계 이전에, 금속 다공체를 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 친수성 고분자는 PVA(Polyvinyl alcohol) 또는 CMC(carboxy methyl cellulose)인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 금속 다공체는 Al 6000계(Al-Mg-Si) 또는 Al 7000계(Al-Zn)의 개방형 다공체인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 친수성 고분자를 충진하는 단계에서는 분말 상태의 친수성 고분자와 물의 혼합물을 상기 금속 다공체에 채운 다음, 60℃ 내지 70℃의 온도에서 경화시키는 단계인 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법.
   
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 친수성 고분자를 제거하는 단계에서는 상기 친수성 고분자가 PVA인 경우에는 80℃ 이상의 물에 침수시키는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법.
   
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 친수성 고분자를 제거하는 단계에서는 상기 친수성 고분자가 CMC인 경우에는 60℃ 이상의 물에 침수시키는 것을 특징으로 하는 금속 다공체의 성형 방법.
   

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