[Application Note]점진적 판금 성형(ISF)의 이해와 기하학적 정확도 및 두께 분포에 미치는 영향(Incremental Sheet Forming, 비파괴검사)

 

목차

 

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출처>> M. M. Gonzalez et al., "Analysis of Geometric Accuracy and Thickness Reduction in Multistage Incremental Sheet Forming using Digital Image Correlation," Procedia Manufacturing, vol. 34, pp. 950-960, Elsevier B.V., Jun 2019.

 

점진적 판금 성형(ISF)의 이해와 기하학적 정확도 및 두께 분포에 미치는 영향

 

 

점진적 판금 성형(ISF,Incremental Sheet Forming)은 단일 포인트 도구를 사용하여 금속 시트를 정의된 경로에 따라 점진적으로 변형시켜 3D 형상을 만드는 현대적인 제조 공정입니다. 이 기술은 특히 소량의 맞춤형 부품 제작이나 신속한 프로토타이핑에 유리하며, 전통적인 다이 성형 방법에 비해 효율성, 비용 절감 및 유연성 측면에서 큰 장점을 제공합니다.

 

 

단일 단계 vs. 다단계 점진적 성형

전통적으로 ISF는 단일 단계 성형 방식을 사용해왔습니다. 이 방식에서는 원하는 부품 형상에서 생성된 도구 경로를 따라 한 번의 작업으로 성형이 완료됩니다. 하지만 이 방법은 높은 변형률 집중으로 인해 특히 가파른 성형 각도에서 기하학적 정확도와 성형성이 떨어지는 문제가 있었습니다.

 

 

다단계 점진적 성형의 장점

다단계 점진적 성형(MSIF)은 이러한 문제를 개선하기 위한 방법으로, 중간 형상을 사용하여 단일 단계 성형의 성형 한계를 확장하고, 시트의 재료 분포를 높은 변형률 영역으로 이동시키는 기술입니다. 여러 연구에 따르면, MSIF는 이전에 단일 단계 ISF로는 실현할 수 없었던 기하학적 형상과 두께 분포를 달성하는 데 효과적입니다. 이를 위해 새로운 도구 경로 전략이나 예측 모델링을 사용하는 경우가 많습니다.

 

 

 

 

 

점진적 판금 성형(ISF)의 이해와 기하학적 정확도 및 두께 분포에 미치는 영향 결과 분석

 

 

 

실험 셋업

• ISF 공정은 ABB IRB 940 Tricept 로봇을 사용하여 구현되었습니다. 이 로봇은 반지름 6.35mm(1/4인치)의 구형 강철 성형 도구를 장착했습니다. 실험에 사용된 금속 시트는 알루미늄 6061-O 시트로, 명목 크기는 457.2×457.2×1.587 mm (18×18×1/16인치)입니다. 시트는 두 개의 알루미늄 프레임 사이에 고정되었습니다. 마찰을 줄이기 위해 성형 전에 6315 Monolec Way 윤활제를 시트에 도포했습니다.
• 디지털 이미지 상관 관계(DIC) 시스템: Correlated Solutions의 DIC 시스템과 Vic3D 소프트웨어를 사용하여 데이터를 수집했습니다. DIC 시스템은 두 대의 카메라를 사용하여 성형 과정 중 시트의 이미지를 캡처했습니다. 시트는 흰색 무광 스프레이 페인트로 도색된 후 무작위 패턴의 검은 점들(Speckle 패턴)을 인쇄하여 DIC 시스템이 시트의 고유한 지점을 식별하고 성형 과정 동안의 변위와 변형을 추적할 수 있도록 했습니다.
• 형상 경로: 최종 목표 형상의 3D CAD 모델을 사용하여 형상 경로를 생성했습니다. 경로는 점차 깊이를 증가시키는 일련의 폐쇄된 윤곽선 또는 층으로 구성됩니다. 도구의 이동 방향은 각 층이 완료된 후 뒤집어져 시트의 국부적 비틀림을 제거합니다. 각 층의 단계 깊이는 0.44 mm였으며 도구 속도는 42.5 mm/s였습니다.

 

결과 측정

• 두께 측정: DIC 시스템을 사용하여 각 지점의 3D 변위와 변형을 측정하고, 이를 기반으로 시트의 두께를 계산했습니다. 단일 단계 및 다단계 성형된 시트의 중심을 따라 특정 위치에서 두께를 측정하여 DIC 소프트웨어에서 계산된 값과 비교했습니다.
• 기하학적 정확도:실험에서 생성된 형상 경로와 참조 형상 간의 오차를 측정했습니다. 형상 경로 내의 영역과 외부 영역 모두에서 오차를 분석하여 각각의 기하학적 정확도를 평가했습니다.
• 단계별 성형 방법 비교: 단일 단계 성형 방식과 두 가지 다단계 성형 방법을 비교했습니다. 다단계 방법 1은 각 단계마다 일정한 소직경(d_min)을 유지하며 측벽 길이를 증가시켰고, 다단계 방법 2는 각 단계마다 소직경을 증가시키며 측벽 각도와 높이를 제어했습니다. 각 방법에 대한 성형된 원뿔 형상의 기하학적 정확도와 두께 분포를 비교했습니다.

 

 

 

실험과 결과

이 논문에서는 절단된 원뿔 형상을 단일 단계 방식과 두 가지 다단계 방식을 사용하여 성형하고, 디지털 이미지 상관 관계(DIC, Digital Image Correlation)를 통해 각 방식의 기하학적 정확도와 두께 분포를 비교하는 일련의 실험을 설명합니다. 수집된 데이터에 따르면 다단계 성형은 단일 단계 성형에 비해 처리된 시트의 기하학적 정확도에 상당한 영향을 미칩니다. 또한, 다단계 성형으로 처리된 시트는 균일한 두께 감소를 보이지 않고, 처리된 영역에서 포물선형 두께 분포를 나타냅니다.

 

 

결론

점진적 판금 성형(ISF)은 현대 제조 공정에서 중요한 역할을 하며, 다단계 성형 방법을 통해 기하학적 정확도와 두께 분포를 개선할 수 있습니다. 이 기술은 소량 생산 및 맞춤형 부품 제작에서 효율성과 비용 측면에서 큰 장점을 제공하며, 앞으로도 많은 연구와 발전이 기대됩니다.

 

 

 

 

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