스탬핑
1. 개요
스탬핑은 금속 재료를 틀에 넣어 압력을 가해 원하는 모양의 부품을 대량 생산하는 가공 기술이다. 기원전 7세기 리디아에서 주화 제조에 처음 사용되었으며, 19세기 자전거 부품 생산에 적용되면서 산업 전반으로 확산되었다. 20세기 초 자동차 산업의 발전에 기여했으며, 현재는 자동차, 전자, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 스탬핑 기술은 굽힘, 엠보싱, 블랭킹, 코이닝, 드로잉, 아이어닝, 헤밍 등 다양한 공정으로 이루어지며, 윤활제 사용과 시뮬레이션을 통해 품질을 개선한다. 소형 부품 생산을 위한 마이크로스탬핑 기술도 개발되고 있다.
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| 종류 | 블랭킹 피어싱 벤딩 코이닝 드로잉 엠보싱 기타 |
|---|---|
| 재료 | 금속 플라스틱 |
| 사용 분야 | 자동차 산업 전자 제품 산업 기타 제조 산업 |
| 준비 | 금형 설계 및 제작, 재료 준비 |
|---|---|
| 스탬핑 | 프레스 기계를 사용하여 금형에 재료를 놓고 압력을 가해 성형 |
| 후처리 | 다듬기, 표면 처리 등 |
| 대량 생산 | 빠른 속도로 대량 생산 가능 |
|---|---|
| 정밀도 | 높은 정밀도로 복잡한 형상 제작 가능 |
| 비용 효율성 | 대량 생산 시 비용 효율적 |
| 초기 투자 비용 | 금형 제작에 높은 초기 투자 비용 필요 |
|---|---|
| 재료 제한 | 특정 재료에만 적용 가능 |
| 금형 설계 | 스탬핑 공정에 적합한 금형 설계 기술 |
|---|---|
| 프레스 기술 | 프레스 기계 작동 및 유지 보수 기술 |
| 재료 공학 | 스탬핑에 적합한 재료 선택 및 가공 기술 |
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시뮬레이션 소프트웨어 -
컴퓨터 시뮬레이션
컴퓨터 시뮬레이션은 시스템 동작 파악을 위해 방정식 풀이 알고리즘을 실행하는 과정으로, 2차 세계 대전 핵무기 개발 모델링에서 시작되어 컴퓨터 성능 발전과 함께 다양한 분야에서 활용되며, 모델 유형에 따라 확률/결정, 정상/동적, 연속/이산 등으로 나뉘고, 과학, 공학, 사회과학 등에서 활용되며 한국에서는 정부 주도로 기술 개발에 투자하고 있다. -
시뮬레이션 소프트웨어 -
Folding@home
Folding@home은 단백질 폴딩 연구를 위해 전 세계 컴퓨터 자원을 활용하여 알츠하이머병, 헌팅턴병 등 질병 연구에 기여하는 분산 컴퓨팅 프로젝트이다.
2. 역사
프레스 가공의 역사는 기원전 7세기 리디아인들이 주화를 제조하면서 시작되었다. 1880년대에 스탬핑 공정은 더욱 혁신적으로 발전했다.
금속 스탬핑, 단조 및 드로잉에서 모든 유형의 프레스는 금속 제조업의 중추적인 역할을 해왔다. 이러한 공정들은 한 번의 프레스 스트로크로 더 많은 금속을 이동시키는 방향으로 지속적으로 개선되고 있다. 프레스와 상호 연결된 자동화 장치는 생산 속도를 높이고, 인건비를 절감하며, 작업자의 안전을 더욱 향상시킨다.
2.1. 초기 발전
리디아인들이 기원전 7세기에 오늘날 터키 지역에서 최초로 주화를 주조한 것으로 알려져 있다. 1550년까지 망치질을 이용한 주조 방식이 주화 제조의 주된 방식이었다. 16세기 독일의 막스 슈밥은 최대 12명의 인원이 커다란 바퀴를 돌려 금속을 눌러 주화를 만드는 새로운 스탬핑 공정을 개발했다.
2.2. 산업 혁명과 프레스 가공
1880년대에 스탬핑 부품이 대량 생산된 자전거에 사용되었다. 스탬핑은 단조 및 기계 가공을 대체하여 비용을 크게 절감했다. 단조 부품만큼 강하지는 않았지만, 품질은 충분히 좋았다.
1890년에는 스탬핑된 자전거 부품이 독일에서 미국으로 수입되었다. 그 후 미국 회사들은 미국 기계 공구 제조업체에 스탬핑 기계를 맞춤 제작하기 시작했다. 연구 개발을 통해 웨스턴 휠은 대부분의 자전거 부품을 스탬핑할 수 있었다.
여러 자동차 제조업체들이 부품 스탬핑을 채택했다. 헨리 포드는 엔지니어들의 스탬핑 부품 사용 권고를 거부했지만, 회사가 단조 부품만으로는 수요를 충족할 수 없게 되자 결국 스탬핑을 사용해야 했다.
3. 프레스 가공의 종류 및 특징
프레스 가공은 사용되는 프레스 기계나 수행하는 가공 내용에 따라 다양한 종류로 나뉘지만, 일반적으로 다른 기계 가공에 비해 생산성이 높아 대량 생산에 적합하며, 연속 가공도 가능하다. 많은 경우 이러한 연속 가공은 자동화가 쉬워 생산성 향상을 기대할 수 있다. 연속 가공을 통해 바로 조립 가능한 부품 (기계 요소)을 제조할 수 있으며, 강판 등에 대한 금속 가공의 경우, 프레스 가공으로 제조된 금속 부품이 많은 공업 제품의 주요 구조 요소 (프레임 등)로도 사용된다.
기본적으로 프레스 가공은 소성 (유연하고, 한번 고정된 형태가 유지되는 것)이 있다면 대부분의 소재에 이용할 수 있지만, 특히 금속 가공 (판금 가공)이 잘 알려져 있으며, 금속판을 입체적으로 변형시킴으로써, 다양한 공업 제품이 제조되고 있다.
프레스 가공의 가장 원시적인 형태는 단조에서 찾을 수 있다. 단조에서는 금속을 한 번에 변형시키기에는 힘이 부족하지만, 연속적으로 두드림으로써 단계적으로 금속의 형태를 가공한다. 프레스 가공에서는 프레스 기계라는 큰 압력을 발생시키는 장치로 한 번에 대폭적인 가공을 가능하게 하지만, 그래도 금속 가공의 종류에 따라서는 수 단계로 가공 절차를 나누어 임의의 형태로 변형시키기도 한다.
피어싱과 절단은 스탬핑 프레스에서도 수행할 수 있다.
3.3. 엠보싱 (Embossing)
엠보싱은 금속판을 얕은 홈으로 늘려 주로 장식적인 패턴을 만드는 데 사용되는 가공 기법이다. Repoussé and chasing도 엠보싱과 관련된 기술이다.
3.6. 드로잉 (Drawing)
드로잉은 블랭크(금속판)의 표면적을 제어된 재료 흐름을 통해 다른 모양으로 늘리는 작업이다. 딥 드로잉이라고도 한다. 매끄러운 자동차 차체를 만들 때에는 블랭크 가장자리가 안쪽으로 움직이지 않도록 장력을 가하여 표면적을 늘리는 스트레칭 방식을 사용하기도 한다.
3.11. 프로그레시브 스탬핑 (Progressive Stamping)
프로그레시브 스탬핑은 여러 작업들을 순차적으로 조합하여 복잡한 형태의 부품을 생산하는 방식이다. 재료 스트립이 일련의 다이를 한 번에 한 단계씩 통과하면서, 굽힘, 블랭킹, 코이닝, 드로잉 등 다양한 작업이 순차적으로 이루어진다. 이 방법은 대량 생산에 적합하며, 연속 가공 및 자동화가 용이하여 생산성 향상에 기여한다.
4. 윤활
마찰학 과정은 마찰을 발생시키며, 이는 공구와 금형 표면을 긁힘이나 융착으로부터 보호하기 위해 윤활제의 사용을 필요로 한다. 윤활제는 또한 판금과 완성된 부품을 동일한 표면 마모로부터 보호하고, 찢어짐, 찢김, 주름을 방지하여 탄성 재료 흐름을 촉진한다. 이 작업에 사용할 수 있는 다양한 윤활제가 있는데, 여기에는 식물성 및 광물성 오일 기반, 동물성 지방 또는 라드 기반, 흑연 기반, 비누 및 아크릴 기반 건조 필름이 포함된다. 업계의 최신 기술은 고분자 기반 합성 윤활제이며, 이는 무유 윤활제라고도 한다. "수성" 윤활제라는 용어는 더 전통적인 오일 및 지방 기반 화합물을 포함하는 더 큰 범주를 의미한다.
5. 시뮬레이션
판금 성형 시뮬레이션은 판금 스탬핑 공정을 컴퓨터를 이용하여 계산하는 기술로, 균열, 주름, 스프링백 및 재료 얇아짐과 같은 일반적인 결함을 예측한다. 성형 시뮬레이션이라고도 알려진 이 기술은 비선형 유한 요소 분석의 특정 응용 분야이다. 이 기술은 특히 자동차 산업과 같이 시장 출시 시간, 비용 및 린 제조가 회사의 성공에 중요한 역할을 하는 제조 산업에서 많은 이점을 제공한다.
스탬핑 시뮬레이션은 판금 부품 설계자 또는 공구 제작자가 실제 공구를 제작하는 비용 없이 판금 부품을 성공적으로 제조할 가능성을 평가하고자 할 때 사용된다. 스탬핑 시뮬레이션을 통해 모든 판금 부품 성형 공정을 PC의 가상 환경에서 적은 비용으로 시뮬레이션할 수 있다.
스탬핑 시뮬레이션의 결과는 판금 부품 설계자가 저비용 제조를 위해 부품을 최적화하기 위해 대체 설계를 매우 빠르게 평가할 수 있게 해준다.
6. 마이크로스탬핑
마이크로스탬핑은 소형화 추세에 따라 연구되는 판금 부품 스탬핑 기술이다. 2000년대 초중반 마이크로 펀칭 기계의 초기 개발, 2010년대 노스웨스턴 대학교의 마이크로 벤딩 기계 제작 및 테스트 등 마이크로스탬핑 도구는 기계 가공 및 화학적 에칭의 대안으로 연구되고 있다.
마이크로스탬핑은 전기 커넥터, 마이크로메쉬, 마이크로 스위치, 전자총용 마이크로 컵, 손목시계 부품, 휴대용 장치 부품, 의료 기기 등 다양한 분야에 활용되지만, 품질 관리, 대량 생산 적용, 기계적 특성에 대한 재료 연구 등 해결해야 할 과제들이 남아있다.
일반적으로 프레스 가공은 다른 기계 가공에 비해 생산성이 높아 대량 생산에 적합하며, 연속 가공도 가능하다. 자동화가 쉽고 생산성 향상을 기대할 수 있으며, 연속 가공을 통해 바로 조립 가능한 부품을 제조할 수 있다. 프레스 가공으로 제조된 금속 부품은 많은 공업 제품의 주요 구조 요소(프레임 등)로 사용된다.