알루미늄 압출이란?
알루미늄 압출은 예열된 알루미늄 합금 빌릿(350~500℃로 연화됨)을 압출 프레스 용기에 넣는 소성 변형 방법입니다. 압력을 가하면 빌릿이 금형의 개구부(다이)를 통해 흘러나오면서 알루미늄 빌릿이 방향성 소성 변형을 겪게 됩니다. 이 공정을 통해 원하는 단면 형상, 치수 및 특정 기계적 특성을 가진 부품 또는 반제품이 생산됩니다.
압출은 치약을 짜는 것과 같습니다.
이 과정에서 알루미늄 합금은 소성 유동과 단면 재형성을 겪습니다.
- 빌릿 내부의 금속 입자는 다이 캐비티 방향을 따라 이동합니다.
- 곡물이 길어지고 재배열됩니다.
- 재료의 기계적 특성은 변형 강화를 통해 향상될 수 있습니다.
그림에 나와 있는 자동차 크래시 빔과 같은 복잡한 중공 프로파일의 경우, 알루미늄 슬러그는 압력 하에서 여러 개의 금속 흐름으로 나뉩니다. 이 흐름들은 포트홀을 통과하여 용접실에서 모입니다. 고온, 고압, 고진공 조건에서 재용접된 후, 맨드렐과 다이 개구부 사이의 틈을 통해 최종적으로 배출됩니다. 이를 통해 필요한 치수와 성능을 충족하는 관형 또는 중공 프로파일이 형성됩니다. 굽힘 가공이 필요한 경우, 후속 장비에 굽힘 공구를 추가합니다.
압출 다이
제품 구조 설계 엔지니어로서, 알루미늄 압출 금형을 설계하지는 않지만, 가장 기본적인 금형 구조와 다양한 압출 프로파일을 형성하는 메커니즘을 이해하는 것은 필수적입니다. 이러한 지식은 금형 비용을 절감하고 압출 부품의 생산 효율을 향상시키기 위한 설계 최적화에 도움이 됩니다.
압출다이란 무엇인가?
압출 다이는 기본적으로 원하는 형상을 형성하기 위한 하나 이상의 구멍이 있는 두꺼운 원형 강철 디스크입니다. 일반적으로 H13 공구강으로 제작되며, 뜨거운 알루미늄이 다이를 통과할 때 발생하는 압력과 열을 견딜 수 있도록 열처리됩니다. 알루미늄은 비교적 부드러운 금속이지만, 단단한 알루미늄 잉곳(빌릿)을 얇고 다공성인 알루미늄 압출 다이를 통해 밀어 넣어 원하는 형상을 형성하려면 상당한 압력이 필요합니다.
다이 분류
알루미늄 압출 부품의 단면 형상에 따라 해당 다이는 3가지 유형으로 분류됩니다.
- 솔리드 다이
- 세미홀로우 다이
- 중공 다이
이 중 중공 다이는 구조가 가장 복잡하고, 마모와 파손이 발생하기 쉬우며, 비용이 가장 많이 듭니다.
알루미늄 압출 소재
압출에 적합한 알루미늄 합금 소재로는 2XXX, 6XXX, 7XXX 시리즈가 있습니다. 6XXX 시리즈는 높은 비용 효율성으로 가장 널리 사용됩니다.
5XXX 시리즈 알루미늄: 주로 5052 소재입니다. 이러한 특성은 뛰어난 내식성을 제공하지만 강도는 낮습니다. 건설 산업에서 흔히 사용되는 저응력, 고내식성 용도에 적합합니다.
6XXX 시리즈 알루미늄: 주로 6061, 6063, 6005, 6082 재질입니다. Mg와 Si를 함유하고 있으며, 압출성이 우수합니다. T6 열처리 후 적당한 강도와 저렴한 가격을 제공합니다. 이 시리즈는 신에너지 자동차(NEV)에 가장 많이 사용되는 압출 소재입니다.
예시 1 : 모터 케이스는 복잡한 단면과 통합 냉각 채널을 갖도록 6061강으로 압출 성형됩니다. 6061강은 또한 우수한 열 방출 성능을 제공합니다(열전도율은 201W/m·K).
7XXX 시리즈 알루미늄 합금: 주로 7075입니다. 매우 높은 강도를 제공합니다. 더 높은 압력과 더 정밀한 다이가 필요하기 때문에 압출 가공이 어렵습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 자동차에 사용되는 알루미늄 합금 압출 부품과 같이 강도가 매우 높은 부품에 적합합니다.
알루미늄 압출의 장점
높은 치수 정확도
다양한 알루미늄 합금 생산 공정은 각기 다른 수준의 정밀도를 제공합니다. 진공 다이캐스팅으로 제작된 구조 부품 의 경우 , 수축 및 열처리로 인한 변형 때문에 치수 편차가 종종 발생하며, 최대 1~3mm에 달하기도 합니다. 반면, 알루미늄 압출 공정은 일반적으로 단면 치수 정밀도가 높으며, 치수가 더 안정적이고 관리가 용이합니다.
고정밀 금형 가공 및 수정을 통해 자동차용 알루미늄 압출 프로파일은 많은 자동차 제품 의 치수 정밀도 요구 사항을 완벽하게 충족할 수 있습니다 . 압출 프로파일의 단면 형상 치수 정밀도만으로도 제품 설계 요구 사항을 충족하는 경우가 많으며, 1mm 이내의 정밀도로 제어할 수 있습니다. 따라서 치수 정밀도 측면에서 알루미늄 압출은 성숙하고 우수하며 경쟁력 있는 공정입니다.
제조 단계 감소
알루미늄 압출 프로파일은 복잡하고 다양한 단면을 가질 수 있고, 벽 두께 설계에 있어 높은 자유도를 제공하기 때문에 압출 성형된 원자재는 높은 치수 정밀도를 달성할 수 있습니다. 이는 설계 부품 수를 최소화하고 압출 블랭크에서 최종 완제품에 이르기까지 제조 공정을 간소화합니다. 부품은 절단, 드릴링, 펀칭, 가공 및 벤딩과 같은 공정만으로 바로 사용할 수 있도록 납품될 수 있습니다. 기계적 성능 조정이 필요한 경우 열처리 공정을 추가할 수도 있습니다.
우수한 열전도율
알루미늄은 자동차의 냉각 및 난방 분야에서 열 전달용으로 널리 사용됩니다. 알루미늄 합금은 대부분의 다른 금속 재료에 비해 단위 무게당 열전도율이 뛰어납니다. 예를 들어 전기 구동축 제어 장치의 방열판 , 차량 전면부의 냉각 모듈, 에어컨용 냉각수 파이프 등이 있습니다.
알루미늄 압출 프로파일은 액체 누출 위험을 방지하거나 줄이기 위해 중공 형상(튜브)으로 제작될 수 있습니다. 모터 케이스의 냉각수 채널, 수도관 커넥터, 배터리 팩의 냉각수 라인 모두 알루미늄 압출 프로파일을 사용합니다. 또한, 전자파 적합성(EMC) 요건이 적용되는 지역에서는 이음매 없는 알루미늄 프로파일이 탁월한 차폐 성능을 제공할 수 있습니다.
간편한 연결 및 조립
알루미늄 합금 부품은 용접, 마찰 교반 용접(FSW), 기계적 접합(FDS 및 SPR 포함), 접착 접합, 매립, 스냅 피팅 등 다양한 방식으로 연결할 수 있습니다. 이러한 방법은 모두 알루미늄 프로파일을 다른 소재에 연결하는 데 적합합니다. 조립 시에는 볼트를 사용하여 다른 부품에 고정하는 방식이 다양하고 유연한 옵션을 제공합니다.
짧은 생산주기
알루미늄 압출 부품은 소량 생산되는 "뮬" 차량 및 소프트 툴링 부품이든 대량 생산되는 하드 툴링 부품이든 짧은 개발 주기에 상당한 이점을 제공합니다.
- 간단한 알루미늄 압출 프로파일의 경우 금형 개봉부터 부품 생산까지의 주기는 1~2주에 불과합니다.
- 복잡한 단면을 가진 일부 대형 자동차용 알루미늄 압출 프로파일(예: 모터 케이스 및 실 빔)의 경우에도 금형 개방 주기는 약 4주에 불과합니다.
- 이와 대조적으로, 주조 및 스탬핑 부품의 금형 개방 주기는 일반적으로 4주에서 16주 사이입니다.
- 빠른 프로토타입 제작을 통해 3D 인쇄 금속 분말 소결은 단일 부품 생산 시 사이클이 짧지만 비용이 더 많이 듭니다. 또한, 부품 수량이나 성능 요건을 충족하지 못하는 경우도 있습니다.
낮은 다이 비용
알루미늄 프로파일용 압출 다이 세트의 가격은 수천 달러에서 수만 달러에 이릅니다. 이는 주조 및 스탬핑 다이에 필요한 수십만 달러에서 수백만 달러에 비해 상당히 저렴합니다. OEM의 경우, 압출 부품을 채택하면 일회성 투자 비용을 상당 부분 절감하고, 후속 설계 변경 비용을 줄이며, 설계 유연성을 높일 수 있습니다.
알루미늄 압출의 과제
금형 설계 및 제조
복잡한 단면의 다이의 경우, 금속 유동 속도를 정밀하게 계산해야 합니다. 이는 국부적인 유동이 너무 빠르거나(얇은 벽 등에서 균열 발생) 너무 느리거나(충진 부족 발생) 하는 것을 방지하기 위함입니다. 다이 가공 정밀도는 0.01mm에 도달해야 하므로 높은 비용이 발생합니다.
치수 정확도
재료의 열 팽창 및 수축, 그리고 압출 속도의 변동으로 인해 부품의 치수 편차(예: 진직도 오차 0.5mm/m 초과)가 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 연신 및 교정, 그리고 후속 가공을 통해 치수를 교정해야 합니다.
표면 품질
스크래치, 잔류 산화 스케일, 기포 등의 결함이 발생할 수 있습니다. 빌릿 표면 품질과 다이의 평활도(거칠기)(Ra 0.8µm 미만)에 대한 엄격한 관리가 요구됩니다.
대형 부품의 압출
NEV 배터리 팩 케이싱(길이 2m 초과)과 같은 부품은 대용량 압출 프레스(5000톤 이상)가 필요하며, 금속 흐름이 고르지 않아 변형되기 쉽습니다.
알루미늄 압출 부품의 설계 특징
압출 부품 치수
압출 부품의 크기는 외접원 직경(CCD)으로 평가됩니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 목표는 CCD를 최소화하는 것입니다.
비대칭 구조는 피하세요
단면은 대칭적이고 단순해야 합니다. 비대칭적이고 불균형한 단면 형상은 압출 생산의 복잡성을 증가시키고 품질 문제를 야기하기 쉽습니다.
- 치수 정확도를 보장하는 데 어려움이 있습니다.
- 평탄성을 보장하는 데 어려움이 있습니다.
- 중앙 부분이 휘어집니다.
- 생산 효율성이 낮음.
- 대량 생산 과정에서 다이는 마모되기 쉽습니다.
벽 두께
압출 부품의 벽 두께는 재질, 형상, 그리고 외접원 직경(CCD)과 관련이 있습니다. 압출 형상 또한 벽 두께 설계에 영향을 미칩니다. 그림에서 볼 수 있듯이(빨간색은 관형 구조, 파란색은 비관형 구조) [CCD와 최적 벽 두께의 관계를 보여주는 이미지. CCD가 증가할수록 가장 적합한 벽 두께가 증가합니다.]
매칭
배터리 모듈 등 다른 부품과의 조립 공차는 0.1mm여야 합니다. 이는 압출 치수 변동으로 인한 조립 문제를 방지하기 위한 것입니다. 동시에, 부품의 두께 치수 공차는 성능 요건을 고려하여 설계 여유를 유지해야 합니다.
