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압출
압출(extrusion, 押出)은 재료를 용기에 넣고 가열 또는 가열하지 않은 상태로 특정한 모양의 구멍이 있는 다이를 통해 밀어내 일정하고 긴 모양의 제품을 연속적으로 생산하는 방식이다. 플라스틱, 알루미늄, 아연, 구리, 합금 등 소성이 큰 재료를 강력한 압력으로 각종 형상의 다이에 통과시켜 가공하는 방식으로 각종 형상의 단면재, 파이프, 선재 등을 제작할 때 사용된다.
개요
압출은 원하는 단면의 다이를 통해 재료를 밀어 고정 단면 프로필의 개체를 만드는 데 사용되는 프로세스다. 다른 제조 공정에 비해 두 가지 주요 이점이 있다. 첫째는 매우 복잡한 단면을 생성할 수 있고 둘째는 재료가 압축 및 전단 응력만 만나기 때문에 부서지기 쉬운 재료를 가공하는 것이다. 또한 우수한 표면 조도를 생성하고 설계 과정에서 상당한 형태의 자유를 제공한다. 플라스틱 압출기를 보면 사출성형기와 유사하나 금형이 없으며 튜브가 이어져 기계에서 나온다. 여기서 호퍼(hopper)로부터 들어온 칩은 기계적으로 스크루로써 가열부에 보내져 다이라고 불리는 금형에서 튜브 모양으로 밀려나온다. 중공이 되는 것은 다이의 중앙에 있는 맨드렐이라고 하는 부품이 녹은 플라스틱을 원통상으로 눌러 퍼지게 하는 역할을 하기 때문이다. 이렇게 된 튜브는 바로 냉각되어 감겨지든가 또는 적당히 절단되어 제품화된다.[1]
압출은 연속적(이론적으로 무기한 긴 재료 생산) 또는 반 연속적(많은 조각 생산)일 수 있다. 뜨겁거나 차가운 재료로 할 수 있다. 일반적으로 압출 재료에는 금속, 폴리머, 세라믹, 콘크리트, 모델링 점토 및 식품이 포함된다. 압출 제품은 일반적으로 압출물 이라고 한다. 홀 플랜지라고도 하는 압출된 재료 내의 중공 캐비티는 다이의 중앙 장벽을 지지할 방법이 없기때문에 단순한 평면 압출 다이를 사용하여 생성할 수 없다. 대신 다이는 먼저 중앙 섹션을 지지하는 모양 프로파일로 시작하여 깊이가 있는 블록 모양을 가정한다. 그런 다음 다이 모양은 내부적으로 길이를 따라 최종 모양으로 변경되며 매달린 중심 조각은 다이 뒤쪽에서 지지된다. 재료는 지지대 주위로 흐르고 원하는 닫힌 모양을 만들기 위해 융합된다.[2]
역사
1797년 영국의 조셉 브라마(Joseph Bramah)는 연금 금속으로 파이프를 만드는 첫 번째 압출 공정의 특허를 얻었다. 그것은 금속을 예열한 다음 손으로 움직이는 플런저를 통해 다이(Die)를 통과하도록 하는 것을 포함했다. 1820년에 영국의 마스 버(Thomas Burr)는 수압 프레스(Joseph Bramah에 의해 발명됨)로 납 파이프를 위한 그 과정을 구현했다. 그 당시에는 그 과정을 "스퀴링"이라고 불렀다. 1894년 알렉산더 딕(Alexander Dick)은 압출 과정을 구리와 놋쇠 합금으로 확장했다.[3]
고온하에서 하는 것을 열간(熱間)압출가공이라 하고, 실온(室溫)에서 하는 것을 냉간(冷間)압출가공이라고 한다. 제2차 세계대전 중 독일에서는 경금속(硬金屬)의 냉간압출 가공기술이 급속히 발달하여 특수강을 냉간압출하여 치수 정밀도가 높은 제품을 능률적으로 양산하여 군수물자 생산용으로 이용하였다.[4]
과정
압출 과정은 스톡 재료를 가열하는 것으로 시작한다. 다음 압축기의 용기에 적재된다. 더미 블록 뒤에 램이 재료를 눌러 주사위 밖으로 밀어내는 더미 블록이 배치된다. 그 후 압출은 펴기 위해 늘어난다. 더 나은 특성이 필요할 경우 열처리 또는 냉간 가공이 될 수 있다. 압출 비율은 시작 단면적을 최종 압출의 단면 영역으로 나눈 값으로 정의된다. 압출 공정의 주요 장점 중 하나는 이 비율이 매우 클 수 있는 동시에 양질의 부품을 생산할 수 있다는 것이다.
고온 압출
고온 압출은 뜨거운 작업 공정으로 재료의 재분해 온도 이상으로 진행되어 재료가 단단해지는 것을 방지하고 재료를 주사위를 통해 쉽게 밀어낼 수 있도록 한다는 것을 의미한다. 대부분의 고온의 외출은 230~1만 1000톤(250~12,130개의 쇼트톤)에 이르는 수평 유압을 통해 이루어진다. 압력 범위는 30~700MPa(4,400~101,500psi)이므로 윤활이 필요하며 윤활은 저온 외출을 위한 오일 또는 흑연 또는 고온 외출을 위한 유리 분말일 수 있다. 이 과정의 가장 큰 단점은 기계와 유지보수에 드는 비용이다.
다양한 금속의 고온 압출 온도
재료 온도 °C(°F) 마그네슘 350–450 (650–850) 알루미늄 350–500 (650–900) 구리 600–1100 (1200–2000) 강철 1200–1300 (2200–2400) 티타늄 700–1200 (1300–2100) 니켈 1000–1200 (1900–2200)
압출 공정은 압출되는 재료에 따라 일반적으로 수 킬로그램(패운드)에서 수 톤 사이에서 생산될 때 경제적이다. 롤 포밍이 더 경제적이 되는 교차점이 있다. 예를 들어, 일부 강철은 2만 kg(5만 lb) 이상 생산하면 생산성이 더 경제적이다.
냉간 압출
냉간 압출은 상온이나 상온 가까이에서 이루어진다. 고온 압출에 비해 이 재료의 장점은 산화 부족, 냉간 작업으로 인한 강도 증가, 공차 접근성, 표면 마감 성능 향상, 재료가 고온 단락에 노출될 경우 빠른 압출 속도 등이다. 일반적으로 냉간 압출 재료로는 납, 주석, 알루미늄, 구리, 지르코늄, 티타늄, 몰리브덴, 베릴륨, 바나듐, 니오비움, 강철 등이 있다. 이 공정에 의해 생산된 제품의 예로는 접이식 튜브, 소화기 케이스, 쇼크 업소버 실린더 및 기어 블랭크 등이 있다.
장비
대부분의 압출은 유압프레스에서 행하여 진다. 유압식 압출기는 램이 움직이는 방향에 따라 수직형과 수평형으로 나누어 진다. 수직형은 300∼2,000톤 용량 정도가 빠르고 면적을 작게 차지하는 점등의 장점이 있다. 그러나 긴 제품의 생산을 위해서는 장비가 높아지므로 바닥을 깊게 파야 할 필요가 있다. 수직 압출기에서는 컨테이너 속의 소재가 균일하게 냉각되므로 군일한 변형을 얻을 수가 있다. 그러나 수평식 압축기에서는 소재가 컨테이너 하부와 접촉하고 있는 부분은 상부에 비하여 빠르게 냉각하므로 컨테이너 내부를 가열하여 주지 않을 경우 불균일한 변형이 일어난다.
압출다이에는 두 가지 형이 있다. 평면형(flat faced)다이를 사용하면 컨테이너 속의 재료는 변형하지 않는 영역을 형성하여 스스로 적절한 다이각을 형성하게 된다. 다이 출구의 평형부는 다이를 보강하고 있으며, 다이 입구면을 재가공하더라도 다이 공의 크기가 변하지 않으므로 재사용이 가능하도록 고려된 것이다. 좋은 윤활상태를 유지하면서 콘형의 다이에서 다이 각을 작게 하면서 압출하게 되면 보다 균일한 변형을 얻을 수 있다. 그러나 다이 각이 어느 각 이하가 되면 마찰력이 너무 커지게 된다. 대부분의 압출작업에서 최적 다이 각은 45 ∼ 60°사이에 있다. 압출공장에서는 압출기 외에도 빌릿 가열장치, 가열된 빌릭을 컨테이너로 자동 이송하는 장치 등이 필요하다.
종류
- 직접 압출(Direct extrusion): 램의 진행 방향으로 소재가 압출되고 환봉, 형재, 관의 제로에 사용된다.
- 간접압출(Inverse extrusion) : 램의 진행 방향과 반대방향으로 소재가 압출되며 직접 압출에 비하여 소비동력이 작고 흔히 경질 재료에 사용된다.
- 충격압출(Impact extrusion) : 냉간 상태에서 소재에 강한 힘을 주어 성형하는 방법으로 치약 튜브나 탄피같이 속이 빈 짧은 용기의 제조에 많이 활용되고 재료로는 재질이 연한 금속들이 이용된다.
- 관재압출(Tube extrusion) : 가공하기 힘든 금속을 용접하지 않고서도 긴 관을 생산할 수 있으며 얇은 파이프를 압축할 때는 수직식 압출기를 사용된다.[5]
압출에서의 변형, 윤활 및 결함
압출 변형에서 빌릿과 컨테이너 사이의 마찰이 낮은 경우에는 균일한 변형이 나타난다. 빌릿의 변형은 다이 입구 부근까지 거의 균일하다. 컨테이너 벽의 마찰이 커지게 되면 다이의 코너(corner)에서 변형이 거의 일어나지 않는 영역(dead zone)이 형성되고 그 부분고 변형부 사이에서 그릿드의 찌그러짐이 크게 나타난다. 빌릿의 중심부는 순수 인장 변형을 받지만 표면부는 심한 전단 변형을 받는다.
효과적인 열간 압출 윤활제는 낮은 전단강도를 가져야 하고 고온에서도 파단되지 않고 안정하여야 한다. 강과 니켈 합금의 고온 열간압출에는 용융유리가 윤활제로 사용된다. 윤활의 성패는 빌릿-다이 사이에 유리를 계속 공급하는 방법이다. 윤활제의 두께는 그것의 전단응력보다는 윤활제가 녹는 속도에 관계되어 있다. 램의 속도, 소재 온도, 최적 윤활제 사이에는 복합적인 상호작용이 존재한다. 속도가 너무 늦으면 윤활제의 두께가 두꺼워져서 압출 압력을 낮게 한다. 그러나 윤활제가 빨리 없어지기 때문에 압축길이에 제한을 받는다. 만약 속도가 아주 빠르면, 윤활제의 두께가 아주 얇아지게 된다. 이 방법을 개선한 것이 빌릿의 표면에만 두꺼운 유리막을 만들어서 정수압 윤활을 생성하는 방법이다. 이 경우에는 윤활제의 점도가 압출 압력에 큰 영향을 준다.
마찰이 큰 직접 압출에서 빌릿 표면의 변형속도에 비하여 중심부의 변형 속도가 빠르기 때문에 빌릿의 표피 부분에 흐르지 않는 부분(dead metal zone)이 형성된다. 빌릿의 2/3 정도가 압출된 후에는 빌릿의 외부표피가 중심부에 따라 들어가게 된다. 이때 표면부의 산화피막이 재료의 내부에 따라 들어가서 내부 결함(internal pipe)을 유발하게 된다. 이것을 압출 결함(extrusion defect)이라 부른다. 압출품의 단면에 링형태의 산화물이 나타나게 되고, 계면의 마찰이 클수록 이 결함은 조장된다. 컨테이너의 온도가 낮을수록 표면에 의하여 내부가 빠르게 압출되므로 이와 같은 형태의 결함이 증가하게 된다. 이 압출 결함을 방지하는 하나의 방법이 표면 산화물이 재료의 중심부에 혼입되기 전에 압출을 중단하고 나머지를 버리는 방법이다.[6]
각주
참고자료
- 〈압출성형〉, 《위키백과》
- Z국대Z, 〈압출(Extrusion)의 종류 및 특징〉, 《티스토리》, 2022-01-23
- 〈압출〉, 《세계 뉴스》
- 〈압출〉, 《요다위키》
- 〈압출〉, 《네이버 지식백과》
같이 보기
