WO2020106125A1

WO2020106125A1 - 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 연자성체

Info

Publication number: WO2020106125A1
Application number: PCT/KR2019/016278
Authority: WO
Inventors: 차현록; 황명환; 한종호; 김동현; 이계성
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-05-28
Also published as: US20210398745A1; KR102096310B1

Abstract

본 발명은 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 연자성체에 관한 것이다. 보다 상세하게는 분말재료가 투입되는 개방공간인 투입공간을 구비한 다이부; 상기 투입공간의 인입되어, 상기 분말재료에 대한 가압을 수행하는 펀치부; 상기 다이부의 다이 외측면 둘레를 따라 배열되어 상기 다이부에 접촉하도록 설치된 초음파 진동기를 포함하는 초음파 진동제공부; 상기 다이부의 하부에 위치하여 상기 다이부를 중심으로 외측 둘레를 향하여 슬라이딩되도록 형성되는 본체부; 및 상기 펀치부의 압력 정도에 따라 상기 초음파 진동기의 주파수를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 연자성체에 관한 것이다. <대표도> 도3

Description

초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 연자성체

본 발명은 초음파를 이용한 연자성체 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 연자성체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우더를 가압하여 제조하는 연자성체의 밀도를 증대시키고, 성능을 향상시키기 위하여 초음파 진동을 이용하는 연자성체 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 연자성체에 관한 것이다.

하이브리드 또는 전기 자동차에 사용되는 전기 모터는 승차감을 위하여 점차 고출력이 요구되고 있고, 전기 모터 자체의 무게 또한 점차 증가되고 있는 추세이다. 이에 따라 많은 회사들이 높은 출력을 낼 수 있으면서도 가벼운 무게를 갖는 전기 모터의 개발에 열중하고 있다.

이러한 전기 모터에 사용되는 고정자로써, 연자성체 (Soft Magnetic Composite, SMC) 가 다양하게 활용되고 있다.

연자성체(SMC)는 크게 세 가지의 특징을 가지고 있는데, 첫째 그 구성은 페로-자성체 철 분말 입자로 이루어지는 점, 둘째 입자가 전자기 코팅층으로 둘러쌓여 있는 점, 셋째 압분에 의하여 조립되는 방법으로 사용되는 점이다.

연자성체는 와상전류(eddy current)의 역효과를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 일반적인 철 분말에 비하여 상당한 효과의 상승을 달성할 수 있으며, 간단한 하나의 압분 단계만으로 복잡한 형상의 단일 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.

특히 이러한 특징은 3D 형상의 자성 코어를 제조하는 모터 설계 분야에서 유리하게 작용할 수 있으며, 모터는 가벼운 무게를 가지면서도 강한 출력을 낼 수 있게 된다.

그러나, 종래 사용되던 연자성체 제조방법에 따르면 소결 과정에서의 높은 온도에 따라 자성체 분말의 코팅층이 파괴되기 때문에 압분 과정을 사용해야만 하였으며, 압분 과정만으로 입자 사이의 공극을 줄이고 기계적 물성을 향상시키는 것이 상당히 어려운 과제로 남아있었다.

이와 관련된 선행 문헌으로, 미국 공개특허 US 2014-0232034의 경우, 상대적으로 이동 가능한 제1 펀치와 다이로 만들어지는 캐비티에 원료 분말을 충전하고, 상기 제1 펀치와 제2펀치에 의해 상기 캐비티 내의 원료 분말을 가압하여, 압분 성형체를 성형하는 압분 성형체의 성형 방법에 관한 것임. 선행문헌의 기술은, 상기 원료 분말을 준비하는 준비 공정과, 상기 제1 펀치의 외주면과 상기 다이의 내주면 사이에 금형용 윤활제를 존재시키고, 이 상태로 이들 제1 펀치와 다이를 상대적으로 이동시켜, 상기 다이의 내주면에 상기 금형용 윤활제를 도포하는 도포 공정과, 상기 제1 펀치와 상기 금형용 윤활제가 도포된 상기 다이로 둘러싸인 캐비티에 상기 원료 분말을 충전하고, 상기 제1 펀치와 상기 제2 펀치에 의해 상기 원료 분말을 가압하여 압분 성형체를 성형하는 성형 공정이 개시되어 있다.

또한, 미국 등록특허 US 09318254의 경우, 제 1표면 및 대향한 제 2 표면을 갖는 베이스 코어 부분과, 제 1 표면에 횡단하는 방향으로 제 1 표면으로부터 연장하는 내부 코어 부분과, 외부 코어 부분을 포함하고, 외부 코어 부분은 제 1 표면으로부터 외부 코어 부분의 단부 표면으로, 제 1 표면에 횡단하는 방향으로 연장하고, 외부 코어 부분은 내부 코어 부분을 적어도 부분적으로 둘러싸며, 그에 의해, 권선을 수용하기 위한 공간을 내부 코어 부분 둘레에 형성하며, 제 1 표면은 권선의 연결부분을 수용하기 위한 오목부를 포함하고, 상기 오목부는 내부 코어 부분과 외부 코어 부분 사이의 거리의 적어도 일부로 연장하며, 외부 코어 부분은 오목부를 향해 상기 단부 표면으로부터 연장하는 슬릿을 제공하고, 제 2표면은 오목부에 대향하게 배열된 제 1 돌출부를 포함하는 압축된 연자성 분말 재료로 이루어진 인덕터 코어가 개시되어 있다.

<선행기술문헌>

미국 공개특허공보 US 2014-0232034

미국 등록특허공보 US 09318254

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연자성체의 밀도를 증대시키고, 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하고, 이를 구현하기 위하여 다이에 파우더를 삽입하고 파우더에 가압을 수행하며, 가압 수행과 동시에 다이에 초음파 진동을 공급하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다이 내측면 내부에 분말재료가 투입되는 개방공간인 투입공간을 구비한 다이부; 상기 투입공간의 인입되어, 상기 분말재료에 대한 가압을 수행하는 펀치부; 상기 다이부의 다이 외측면 둘레를 따라 배열되어 상기 다이부에 접촉하도록 설치된 초음파 진동기를 포함하는 초음파 진동제공부; 상기 다이부의 하부에 위치하여 상기 다이부를 중심으로 외측 둘레를 향하여 슬라이딩되도록 형성되는 본체부; 및 상기 펀치부의 압력 정도에 따라 상기 초음파 진동기의 주파수를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 펀치부는 상기 투입공간의 상부로 인입되어, 상기 분말자료의 상부를 가압하는 상부펀치; 및 상기 투입공간의 하부로 인입되어, 상기 분말자료의 하부를 가압하는 하부펀치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 초음파 진동제공부는 복수 개의 상기 초음파 진동기가 상기 다이부의 외측면 둘레를 따라 상호 대칭적으로 배치되어 상기 다이부에 동일한 진폭의 진동을 제공하며, 상기 다이부의 외측면은 상기 복수 개의 초음파 진동기에 상응하여, 상기 초음파 진동기와 맞닿는 평평한 부분인 접촉면을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 초음파 진동기는 상기 다이부와 접촉하여, 상기 다이부에 초음파 진동을 전달하는 진동기부; 상기 제어부의 제어신호를 수신하고 상기 진동기부의 초음파 진동 주파수를 제어하는 변환기부; 및 상기 진동기부가 상기 변환기부와 연결되는 부분을 감싸도록 형성되며, 상기 진동기부를 상기 본체부와 고정시키는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 초음파 진동기는 상기 지지대의 하단 끝단을 유동적으로 움직이게 하는 지지대 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 지지대는 상기 진동기부가 상기 변환기부와 연결되는 부분의 하부만을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 초음파 진동기는 상기 진동기부의 상기 지지대에 의해 감싸지는 둘레가 나사산을 구비하며, 상기 지지대의 상기 진동기를 감싸는 부분은 상기 진동기부의 상기 진동기에 의해 감싸지는 둘레와 맞물리는 나사산을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 본체부는 상기 다이부 및 상기 초음파 진동제공부의 하부에 결합하는 제1본체부(410); 상기 제1본체부(410)의 하부에 이격되어 형성되는 제2본체부(420); 및 상기 제1본체부(410)와 상기 제2본체부(420)의 사이에 위치하며, 상기 초음파 진동제공부가 상기 다이부에 제공하는 초음파 진동 및 이에 따른 반작용을 감쇄시키는 탄성수단(430)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 본체부는 상기 다이부에 전해지는 초음파 진동 및 이에 대한 반작용을 측정하여, 상기 측정값을 상기 제어부에 전송하는 힘 센서를더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다이부 내부의 개방공간에 분말재료를 투입하는 단계; 상기 분말재료를 가압하는 단계; 상기 분말재료에 가해지는 압력을 측정하는 단계; 상기 초음파 진동기가 상기 다이부의 외측면에 초음파 진동을 전달하는 단계; 상기 다이부의 진동이 상기 다이부의 내측면과 상기 분말재료의 입자 간 마찰을 감소시키는 단계; 및 연자성체의 밀도가 향상되는 단계를 포함하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조방법를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용하여 제조되는 연자성체를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 6000 W 입력전력 및 830MPA 압력 조건 하에서 상기 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치에 의해 제조되어, 7.2 g/cm³ 이상 7.38 g/cm³ 이하의 밀도 범위로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 다이의 둘레에 적어도 하나 이상의 초음파 진동기를 배열 설치하고, 초음파 진동이 다이에 제공되어 다이의 내부공간의 분말이 압착 시 분말의 결합력을 증대되도록 할 수 있다.

또한, 이러한 초음파 부가 과정을 거쳐 분말입자의 공극비가 감소되고, 7.38g/cm³의 목표밀도를 가지는 연자성체의 성형이 가능하다.

또한, 초음파 진동기를 대칭적으로 구성하여 초음파를 전달하는 구조로 이루어지기 때문에 어떠한 형상 제품을 가공하더라도 균일한 물성을 가지는 제품의 성형이 가능하며, 초음파 진동기를 지지하는 초음파 지지대의 하부 끝단을 유동적으로 움직일 수 있도록 함으로써 자유도를 높이고, 보다 향상된 초음파 전달이 가능하다.

또한, 다양한 설계 변수들을 직접 정의하여 이들의 관계를 도출함으로써 목표 밀도, 사용 가능 압력값, 필요한 입력 전력의 값을 손쉽게 도출할 수 있으며, 다양한 요구값에 따른 제조장치와 제어시스템의 구축이 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 기존의 초음파 진동을 적용하지 않은 연자성체 제조장치의 단면도이다.

도 2는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성제 제조장치의 일실시예에 따른 정면 개략도이다.

도 3는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성제 제조장치의 일실시예에 따른 사시도이다.

도 4는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 일실시예에 따른 공진 주파수와 다이의 직경 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 5내는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 일실시예에 따른 공진 주파수와 다이의 직경 및 다이의 두께 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 6는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 일실시예에 따른 공진 주파수와 다이의 직경 및 다이의 평평한 측면의 너비 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 7는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 일실시예에 다른 진동 진폭과 입력전원 및 초음파 진동기의 개수 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

도 8는 압력과 밀도 사이의 관계를 초음파 진동 적용여부에 따라 비교하여 도시한 그래프이다.

도 9는 윤활유의 사용량과 밀도 증가량의 관계를 초음파 진동 적용여부에 따라 비교하여 도시한 그래프이다.

도 10는 종래의 성형방법과 초음파 진동을 적용한 압분 방법에 따른 입자 및 공극을 나타내는 단면도이다.

도 11 은 압력변화로 인한 밀도와 입력 전력의 상관관계를 나타내는 3차원 그래프이다.

도 12는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 일실시예에 따른 초음파 진동기의 사시도이다.

도13은 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 일실시예에 따른 초음파 진동기의 사시도이다.

도 14는 본 발명인 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조방법의 방법흐름도이다.

본 발명에 따른 가장 바람직한 일 실시예는, 다이 내측면 내부에 분말재료가 투입되는 개방공간인 투입공간을 구비한 다이부; 상기 투입공간의 인입되어, 상기 분말재료에 대한 가압을 수행하는 펀치부; 상기 다이부의 다이 외측면 둘레를 따라 배열되어 상기 다이부에 접촉하도록 설치된 초음파 진동기를 포함하는 초음파 진동제공부; 상기 다이부의 하부에 위치하여 상기 다이부를 중심으로 외측 둘레를 향하여 슬라이딩되도록 형성되는 본체부; 및 상기 펀치부의 압력 정도에 따라 상기 초음파 진동기의 주파수를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 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.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

통상적으로 분말재료는 분말 입자 사이의 결합을 고온으로 발달시키는 소결(sintering) 공정을 사용함으로써 고밀도를 달성할 수 있다. 그러나, 연자성체(SMC, Soft Magnetic Composite) 분말은 고온으로 인해 절연 피막이 파괴되기 때문에 소결 공정에 사용할 수 없는 문제가 있어, 압분(압축) 방법만 적용할 수 있다.

다만, 이 때문에 SMC의 압축 과정에서 기공이 형성되어 자기 및 기계적 특성이 저하될 수 있으며, 종래에는 낮은 밀도의 단점을 극복하기 위해 매우 높은 압축 압력을 사용하는 방법이 고려되었다.

그러나 압축 압력이 높을수록 다이의 수명이 감소하고, 다이와 파우더 사이의 마찰이 증가하기 때문에 압축 SMC 시험편을 제거하는 데 어려움이 있기 때문에, 높은 자기적 및 기계적 특성을 얻기 위해서는 보다 새로운 압축방법이 필요하다.

이에 따라 여러 가지 초음파 압축 방법이 시도되어 왔지만, 초음파의 영향에 대한 정량분석에 대한 정보는 거의 알려지지 않았고, 또한 초음파 압축을 위한 디자인 가이드 라인 또한 알려지지 않았다.

따라서 본 발명은 SMC 성형 공정에서 초음파 진동을 다이에 적용하는 방법을 확립하고, 이를 통하여 초음파 진동을 이용한 연자성체의 제조방법을 새롭게 개시한다. 이에 따라, 초음파 압착 방법을 사용하여 생산 원가가 낮고 고효율인 전기 모터를 개발할 수 있는 장점이 있다.

도2와 도3는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 정면 투시도 및 사시도를 각각 개시한다.

본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치는 분말재료가 투입되는 공간인 투입공간(110)을 구비한 다이부(100); 상기 투입공간(110)의 인입되어, 상기 분말재료에 대한 가압을 수행하는 펀치부(200); 상기 다이부(100)의 다이 외측면(130) 둘레를 따라 배열되어 상기 다이부(100)에 접촉하도록 설치된 초음파 진동기(310)를 포함하는 초음파 진동제공부(300); 상기 다이부(100)와 상기 초음파 진동기(310)의 하부에 결합하며, 상기 다이부(100)를 중심으로 외측 둘레를 향하여 슬라이딩되도록 형성되는 본체부(400); 및 상기 펀치부(200)의 압력에 상응하여 상기 초음파 진동제공부(300)의 주파수를 제어하는 제어부(500)를 구성으로 한다.

종래의 시스템은 압력을 상기 분말재료의 한면에 적용하는 단일 조치였던 반면에, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치는 상기 분말재료에 두 방향으로 압력을 가할 수 있는 이중 작용 방법이 적용될 수 있다.

이에 따라 상기 펀치부(200)는 상기 투입공간(110)의 상부로 인입되어, 상기 분말자료의 상부를 가압하는 상부펀치(210); 및 상기 투입공간(110)의 하부로 인입되어, 상기 분말자료의 하부를 가압하는 하부펀치(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 진동제공부(300)는 상기 다이부(100)의 둘레를 따라 상호 대칭적으로 배치되는 복수 개의 상기 초음파 진동기(310)를 포함하며, 상기 다이부(100)의 측벽 상에 균일한 진동 진폭의 초음파 진동을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 다이부(100)의 다이 외측면(130)은 상기 복수 개의 초음파 진동기(310)와 상응하여, 상기 복수 개의 초음파 진동기(310)에 맞닿는 평평한 측면인 접촉면(131)을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 진동기(310)는 상기 다이부(100)와 접촉하여, 상기 다이부(100)에 초음파 진동을 전달하는 진동기부(311); 상기 제어부(500)의 제어신호를 수신하고 상기 진동기부(311)의 초음파 진동 주파수를 제어하는 변환기부(312); 및 상기 진동기부(311)가 상기 변환기부(312)와 연결되는 부분을 감싸도록 형성되며, 상기 진동기부(311)를 상기 본체부(400)와 고정시키는 지지대(313)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 기본적인 매커니즘은 다음과 같다.

첫번째 단계로 상기 펀치부(200)에 의하여 압력이 상기 다이부(100) 내부의 투입공간(110)에 분말재료인 SMC 시험편에 적용된다. 이때, 생성된 연자성체의 밀도는 평형상태(평형 인가력 및 저항력)에 의해 결정된다.

두번째 단계로 압력을 가한 상태에서 상기 초음파 진동 제공부에 의해 초음파 진동이 상기 다이부(100)에 가해진다. 상기 다이부(100)의 진동은 상기 다이부(100)의 내벽과 상기 분말재료 입자 간 마찰을 감소시키고, 이에 따라 SMC의 밀도 향상이 가능하게 된다.

이하 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치의 단순화된 초음파 주형 시스템을 설계 및 기본 성능을 평가에 대하여 설명한다.

상기 다이부(100)에서의 공진 주파수가 상기 초음파 진동제공부(300)의 공진주파수와 동일하도록 설계한다. 이에 따라 단순화된 초음파 주형 모델을 설계하기 위해 상기 다이부(100)의 직경(D), 두께(T) 및 접촉면(131)의 너비(S)를 주요 파라미터로 선택하여 실험을 실시한다.

도4 내지 도6은 미세요소법을 이용하여, 상기 다이부(100)의 직경(D), 두께(T) 및 접촉면(131)의 너비(S)를 변수로 한 공진 주파수과의 관계를 실험그래프를 통해 도시한다.

도4에 도시된 바와 같이, 첫번째 단계에서는 두께(T)는 30mm로, 접촉면(131)의 너비는 50mm를 갖는 상기 다이부(100)의 직경(D)과 공진 주파수의 관계를 검토한다. 도4의 실험 결과 그래프를 통해 상기 다이부(100)의 직경(D)은 공진 주파수에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 두번째 단계에서는 상기 다이부(100)의 직경(D)과 두께(T)의 관계를 검토한다. 도5의 실험 결과 그래프를 통해 상기 다이부(100)의 직경(D)이 140mm보다 클 때, 상기 다이부(100)의 두께(T)가 공진 주파수에 미치는 영향이 작다는 것을 확인할 수 있다.

도6에 도시된 바와 같이, 세번째 단계에서는 두께(T)는 50mm에서 상기 다이부(100)의 접촉면(131)의 너비(S)에 따른 공진 주파수의 관계를 검토한다. 평탄화 컷은 진동에 대한 질량이 절단으로부터 감소되기 때문에 공진 주파수를 증가시키게 된다.

상기 전술한 실험데이터를 기본으로 하여, 상기 다이부(100)가 상기 초음파 진동제공부(300)의 진동과 동일한 공진 주파수를 갖도록 직경(D), 두께(T), 접촉면(131)의 너비(S)를 조정하여 결정할 수 있다.

도7은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치 에 대한 입력 전압이 진동 진폭에 미치는 영향에 대한 실험 결과 그래프를 도시한다.

도7에 도시된 그래프와 같이, 진동 진폭은 동일한 압력 전압에서 상기 초음파 진동기(310)의 수가 증가할수록 높아진다. 하나의 상기 초음파 진동기(310)를 사용하는 경우, 90개의 입력 전압을 적용하여 약 7 μm의 진동 진폭을 얻게 된다.

한편 진동 압축을 위하여 6개의 상기 초음파 진동기(310)를 사용하는 경우, 15개의 입력 전압을 적용하여 약 7 μm의 진동 진폭을 얻게 된다. 이를 통해 동일한 진동 진폭을 얻기 위한 입력 전압은 상기 초음파 진동기(310)의 수에 반비례함을 알 수 있다.

신장 모드에서 기본 공진 주파수를 결정하는 주된 매개 변수는 상기 다이부(100)의 직경(D)이며, 상기 다이부(100)의 두께(T)는 공진 주파수에 큰 영향을 미치지 않는 반면, 힘 요인과 상기 초음파 진동기(310)의 수 사이에는 선형 관계가 있는 것이 도출된다.

이하 종래 기술과 비교하여, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치가 갖는 기술적 효과를 설명한다.

도8은 초음파 진동이 있는 상태와 초음파 진동이 없는 상태에서의 SMC의 밀도 그래프를 비교하여 도시한다. 도9는 윤활유를 적용한 경우와 윤활유와 초음파 진동이 적용된 경우에 밀도 SMC의 밀도 증가 그래프를 비교하여 도시한다.

도10은 초음파 진동이 있는 상태와 초음파 진동이 없는 상태에서의 압축 후 입자 사이 공극을 현미경을 통하여 분석한 결과이다.

일반적인 분말재료의 압축 프로세스는 다음과 같은 메커니즘을 갖는다. 압축의 첫번째 단계에서 입자는 압축되고, 압력 하에서 미끄러지고 분말의 변형없이 재배열되며, 이 단계를 밀도가 증가하는 '리패킹(Repacking)'이라고 한다. 두번째 단계에서는 분말의 입자가 고압으로 변형되기 시작하며, 이 단계를 '변형(Deformation)'이라고 하며 밀도가 증가하는 단계이다.

도8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성제 제조장치가 적용되는 경우, 초음파 진동이 없는 상태에서의 압축 결과와 비교하여, 초음파 진동의 적용에 의한 밀도 향상이 명백하다.

특히 압축결과의 밀도 차이는 '변형(Deformation)' 영역보다 상대적으로 '리패킹(Repacking)' 영역에서 크게 나타났으며, 이에 따라 '리패킹(Repacking)' 단계에서 초음파 진동의 효과가 상대적으로 두드러짐을 알 수 있다.

SMC 분말은 초음파 진동의 유무와 관계없이 300MPa의 압력에서 다양한 양의 윤활제로 압축되는데, 초음파 진동 없이 종래의 압축공정에서는 슬립 강화 효과로 윤활제 사용량이 많을수록 밀도가 높아진다. 도9에 도시된 바와 같이 0.8 wt%의 윤활유 사용으로 0.29 g / cm³ 이상의 밀도 증가가 측정된다.

반면, 초음파 진동이 가해지는 경우, 분말이 윤활되지 않았음에도 불구하고 밀도가 매우 크게 증가하였으며, 윤활유 사용으로도 밀도가 크게 증가한다. 이는 초음파 진동은 윤활제와 동일한 방식으로 재포장 단계에서 슬립 효과를 향상시킬 수 있기 때문이다.

도10에 도시된 실험 결과를 볼 때, 초음파 진동 없이 종래의 가공 방법에 의한 성형체는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 방식보다 기공이 많이 발생하는 다공성임을 알 수 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치는 상기 상기 다이부(100)에서 발생할 수 있는 진동 및 이에 대한 반작용을 감쇄시킬 수 있는 구성으로 할 수 있다.

이에 따라 상기 본체부(400)는 상기 다이부(100) 및 상기 초음파 진동제공부(300)의 하부에 결합하는 제1본체부(410); 상기 제1본체부(410)의 하부에 이격되어 형성되는 제2본체부(420); 및 상기 제1본체부(410)와 상기 제2본체부(420)의 사이에 위치하며, 상기 초음파 진동제공부(300)가 상기 다이부(100)에 제공하는 초음파 진동 및 이에 따른 반작용을 감쇄시키는 탄성수단(430)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 상기 본체부(400)는 상기 다이부(100)에 전해지는 초음파 진동 및 이에 대한 반작용을 측정하여, 상기 측정값을 상기 제어부(500)에 전송하는 힘 센서(440)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 초음파 진동기(310)는 분말자료에 효율적으로 초음파를 전달하기 위하여 하기의 일실시예를 갖는다.

도12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 지지대(313)는 상기 진동기부(311)가 상기 변환기부(312)와 연결되는 부분의 하부만을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 본 발명의 상기 진동기부(311)가 보다 유동적으로 움직이게 되어, 자유도를 높이고 향상된 초음파 전달이 가능해진다.

또한 도13에 도시된 바와 같이, 상기 초음파 진동기(310)는 상기 지지대(313)의 하부 끝단을 유동적으로 움직일 수 있도록 하는 지지대 가이드(314)를 더 포함하는 자유 이동형인 것을 특징으로 한다. 이에 따라 상기 초음파 진동기(310)가 고정형인 경우와 비교하여 분말재료 압축 시에 보다 높은 밀도를 달성하고 안정적인 구조를 유지할 수 있게 된다.

본 발명에 일실시예에 다른 상기 초음파 진동기(310)는 상기 진동기부(311)의 상기 지지대(313)에 의해 감싸지는 둘레가 양극 또는 음극의 의 나사산을 구비하며, 상기 지지대(313)의 상기 진동기를 감싸는 부분은 상기 진동기부(311)의 상기 진동기에 의해 감싸지는 둘레와 맞물리는 음극 또는 양극의 나사산을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 상기 진동기부(311)와 상기 지지대(313)가 높은 결합력을 갖게 되며, 결합 부분을 유동적으로 조절할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 복수의 상기 초음파 진동기(310)가 사용되지만, 상기 초음파 진동기(310)의 수를 결정하기 위하여 미리 결정된 설계 지침은 존재하지 않는다. 따라서 본 발명에서는 시뮬레이션된 입력 전원 및 임피던스를 기반으로 적절한 수의 상기 초음파 진동기(310)를 결정할 수 있는 방법을 제공한다.

도11은 압력변화로 인한 밀도와 입력 전력의 상관관계를 나타내는 3차원 그래프를 도시한다. 목표 밀도가 7.4g/cm³이고, 사용 가능한 압력이 830MPa일 때 필요한 입력 전력에 대하여 이하 설명한다.

도11에 도시된 바와 같이, 특정 압력에서 입력전력을 증가시키면 밀도가 급격하게 증가한다. 그러나 입력 전력이 4000W보다 낮으면 포화로 인하여 밀도의 증가 추세가 완만하게 줄어든다.

결과적으로 목표 밀도를 얻는데 필요한 조건은 6000W의 입력전력뿐만 아니라 830MPA의 압력이다. 또한 증폭기의 한계 전압은 200V이므로, 임피던스는 약 1.8Ω이다.

1.8Ω의 총 임피던스를 만족시키기 위해서 요구되는 총 상기 초음파 진동기(310)의 수는 12개 이상이다. 따라서 결과적으로 6000W의 입력 전력을 시스템에 공급하기 위한 본 발명의 일실시예는 12개의 상기 초음파 진동기(310)를 설계하여 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 기술적 특징은 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치를 이용하는 연자성체 제조방법에 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 연자성체 제조방법은 다이부(100) 내부의 개방공간에 분말재료를 투입하는 단계(S100); 상기 분말재료를 가압하는 단계(S200); 상기 분말재료에 가해지는 압력을 측정하는 단계(S300); 상기 초음파 진동기(310)가 상기 다이부(100)의 다이 외측면(130)에 초음파 진동을 전달하는 단계(S400); 및 상기 다이부(100)의 진동이 상기 다이부(100)의 다이 내측면(120)과 상기 분말재료의 입자 간 마찰을 감소시키는 단계(S500); 및 연자성체의 밀도가 향상하는 단계(S600)를 포함한다.

또한 본 발명의 또 다른 기술적 특징은 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치 및 제조방법에 의해 제조된 연자성체에 있다.

이상에서 설명한 방법에 따라 SMC 분말의 압축성을 시험을 통해 비교한 결과, 압축공정에서 본 발명의 일실시예를 적용하여 초음파 진동을 이용한 경우, 종래에 비해 0.18g/cm³의 밀도 향상이 달성되었다. 최종적으로 프로토 타입 시스템을 사용하여 최종 밀도 7.38g/cm³의 높은 밀도를 형성할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

<부호의 설명>

100: 다이부

110: 투입공간

120: 다이 내측면

130: 다이 외측면

131: 접촉면

200: 펀치부

210: 상부펀치

220: 하부펀치

300: 초음파 진동제공부

310: 초음파 진동기

311: 진동기부

312: 변환기부

313: 지지대

314: 지지대 가이드

400: 본체부

410: 제1본체부

420: 제2본체부

430: 탄성수단

440: 힘 센서

500: 제어부

Claims

다이 내측면 내부에 분말재료가 투입되는 개방공간인 투입공간을 구비한 다이부;

상기 투입공간의 인입되어, 상기 분말재료에 대한 가압을 수행하는 펀치부;

상기 다이부의 다이 외측면 둘레를 따라 배열되어 상기 다이부에 접촉하도록 설치된 초음파 진동기를 포함하는 초음파 진동제공부;

상기 다이부의 하부에 위치하여 상기 다이부를 중심으로 외측 둘레를 향하여 슬라이딩되도록 형성되는 본체부; 및

상기 펀치부의 압력 정도에 따라 상기 초음파 진동기의 주파수를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 펀치부는

상기 투입공간의 상부로 인입되어, 상기 분말자료의 상부를 가압하는 상부펀치; 및

상기 투입공간의 하부로 인입되어, 상기 분말자료의 하부를 가압하는 하부펀치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 초음파 진동제공부는 복수 개의 상기 초음파 진동기가 상기 다이부의 외측면 둘레를 따라 상호 대칭적으로 배치되어 상기 다이부에 동일한 진폭의 진동을 제공하며,

상기 다이부의 외측면은 상기 복수 개의 초음파 진동기에 상응하여, 상기 초음파 진동기와 맞닿는 평평한 부분인 접촉면을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 초음파 진동기는

상기 다이부와 접촉하여, 상기 다이부에 초음파 진동을 전달하는 진동기부;

상기 제어부의 제어신호를 수신하고 상기 진동기부의 초음파 진동 주파수를 제어하는 변환기부; 및

상기 진동기부가 상기 변환기부와 연결되는 부분을 감싸도록 형성되며, 상기 진동기부를 상기 본체부와 고정시키는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제4항에 있어서,

상기 초음파 진동기는

상기 지지대의 하단 끝단을 유동적으로 움직이게 하는 지지대 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제4항에 있어서,

상기 지지대는

상기 진동기부가 상기 변환기부와 연결되는 부분의 하부만을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제4항에 있어서,

상기 초음파 진동기는

상기 진동기부의 상기 지지대에 의해 감싸지는 둘레가 나사산을 구비하며,

상기 지지대의 상기 진동기를 감싸는 부분은 상기 진동기부의 상기 진동기에 의해 감싸지는 둘레와 맞물리는 나사산을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 본체부는

상기 다이부 및 상기 초음파 진동제공부의 하부에 결합하는 제1본체부;

상기 제1본체부의 하부에 이격되어 형성되는 제2본체부; 및

상기 제1본체부와 상기 제2본체부의 사이에 위치하며, 상기 초음파 진동제공부가 상기 다이부에 제공하는 초음파 진동 및 이에 따른 반작용을 감쇄시키는 탄성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 본체부는

상기 다이부에 전해지는 초음파 진동 및 이에 대한 반작용을 측정하여, 상기 측정값을 상기 제어부에 전송하는 힘 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치.
다이부 내부의 개방공간에 분말재료를 투입하는 단계;

펀치부가 상기 분말재료를 가압하는 단계;

상기 분말재료에 가해지는 압력을 측정하는 단계;

상기 초음파 진동기가 상기 다이부의 외측면에 초음파 진동을 전달하는 단계;

상기 다이부의 진동이 상기 다이부의 내측면과 상기 분말재료의 입자 간 마찰을 감소시키는 단계; 및

연자성체의 밀도가 향상되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용하여 제조되는 연자성체.
제11항에 있어서,

6000 W 입력전력 및 830MPA 압력 조건 하에서 상기 초음파 진동을 이용한 연자성체 제조장치에 의해 제조되어,

7.2 g/cm³ 이상 7.38 g/cm³ 이하의 밀도 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동을 이용하여 제조되는 연자성체.