금속복합재료(MMC)의 부상: 금속복합재료(MMC)의 장점, 과제 및 솔루션
경량이면서도 견고한 특성을 지닌 금속복합재료(Metal Matrix Composites, MMC)는 특히 항공우주 및 자동차 부품 응용 분야에서 산업을 변화시키기 시작했습니다. 금속복합재료(MMC) 사용의 몇 가지 장단점과 이를 가장 잘 가공하는 방법들을 소개합니다.경량이면서도 견고한 특성을 지닌 금속복합재료(MMC)는 특히 항공우주 및 자동차 부품 응용 분야에서 산업을 변화시키기 시작했습니다. 다음은 금속복합재료(MMC) 사용의 몇 가지 장단점과 이를 가장 잘 가공하는 방법입니다.
오늘날 항공우주 및 자동차 산업의 엔지니어링 제조업체에게 성배가 있다면 그것은 바로 가벼우면서도 내구성이 뛰어난 제품을 만드는 방법입니다.
이 두 산업이 지속 가능성(규제와 고객 수요 증가)과 비용 효율성이라는 두 가지 압박에 대처해야 하기 때문에 이는 매우 큰 고민거리입니다.
"비행기나 자동차의 전체 연료 소비를 줄이면서도 강도, 내마모성, 내구성이 뛰어난 소재와 부품을 설계하려면 너무 무겁지 않아야 합니다."라고 세코툴스의 가공 연구 수석 전문가인 Rachid M'Saoubi는 설명합니다.
금속복합재료(MMC)는 무게 감소와 기계적 복원력 사이에서 어려운 균형을 이루는 소재의 한 종류입니다. 기본적으로 더 말랑한 소재와 더 딱딱하고 강화된 요소를 결합한 것입니다. 일반적인 예로는 무른 알루미늄 합금에 딱딱한 SiC 또는 Ti-SiC를 주입하는 것을 들 수 있습니다.
제조업체는 레시피를 개발하는 요리사처럼 내마모성, 기계적 강도 및 열 강도를 향상시키면서도 최신 자동차 및 항공우주 부품 설계에서 중요한 요소인 무게를 최소화하는 섬세한 조합을 추구합니다.
"항공우주 산업에서 비행기 엔진의 작동 온도와 작동 효율이 높아지면서 엔진에 사용되는 소재는 더 큰 스트레스를 견뎌야 합니다."라고 M’Saoubi는 말합니다.
Al-SiC 및 Al-Al2O3와 같은 알루미늄 금속복합재료는 내마모성과 열 안정성이 뛰어나 엔진, 브레이크 시스템 및 서스펜션 시스템에 적합한 자동차 산업에서 많이 사용됩니다.
Ti-SiC은 엔진의 고온 부품에 사용됩니다. 이러한 복합재료들은 티타늄을 세라믹 입자 또는 섬유로 강화한 매트릭스 재료로 사용합니다. 중량 대비 강도, 고온 저항성, 내식성이 뛰어나 터빈 블레이드, 연소 라이너, 배기 덕트 등의 부품에 적합합니다.
다른 금속복합재료(MMC)로는 마그네슘 기반 복합재료가 있으며, 이 복합재료는 강성, 내식성, 강도가 뛰어나 차체 패널, 섀시 구성 요소, 변속기 케이스에 사용하기 적합합니다. 또한 하이브리드 및 고급 MMC도 차체 패널, 휠 허브, 파워트레인 구성 요소에 사용됩니다.
금속복합재료(MMC)는 새로운 소재의 시대를 약속할 수 있지만, 실제 가공 시에는 고유의 장애물이 존재합니다. 그 소재들의 강점은 반대로 약점도 포함하고 있습니다.
"특성상 가볍기 때문에 가공 중에 변형이 일어나기 쉽습니다."라고 M'Saoubi는 설명합니다.
특히 벽이 얇은 구조물에서 흔히 발생하는 왜곡 문제는 가공과 열처리 단계 모두에서 세심한 주의가 필요합니다.
"휘어지거나 구부러지지 않고 성공적으로 가공하려면 정밀한 고정 장치와 특수 툴링이 필요합니다."라고 그는 덧붙입니다.
또한 대부분의 금속복합재료(MMC)의 준 최종 형상(near-net shape)은 작업자에게 매우 정밀한 작업이 요구됩니다. 재료가 적을수록 원재료 블록에 비해 모양을 만들 때 오차 범위가 줄어듭니다. "일반적으로 준 최종 형상(near-net shape)에 가까운 소재는 가볍기 때문에 탄성이 낮고 부품이 쉽게 구부러질 수 있습니다."라고 M'Saoubi는 말합니다.
"제거해야 하는 재료가 적을수록 툴링의 형상에 더 많은 주의를 기울여야 하므로 툴링의 미세 형상이 중요합니다."
금속복합재료(MMC)를 가공할 때는 올바른 인서트를 선택하는 것이 특히 중요합니다. 일반적으로 미립자 초경합금 또는 PCD 공구와 같이 내마모성이 높은 소재를 선호하는데, 이는 날카로운 절삭날을 유지하여 구성인선을 줄여주기 때문입니다.
그러나 장섬유 강화재를 사용한 티타늄 합금 등 새로운 금속복합재료(MMC) 구성의 등장은 작업자가 더 섬세한 접근 방식을 취해야 함을 의미합니다.
Rachid M’Saoubi는 “긴 섬유 소재는 특정 방향으로 특정한 속성을 발휘할 수 있습니다. 예를 들어, 이방성이 있는데, 섬유가 특정 방향으로만 정렬되기 때문에 방향에 따라 다른 거동이 나타납니다.”라고 말합니다.
"복합재료의 경우 이런 일이 자주 발생합니다. 예를 들어, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 특정 방향으로 배향된 섬유를 가지고 있습니다. 즉, 여러 방향에서 전반적으로 우수한 기계적 특성을 제공하도록 방향을 수정해야 합니다."
M’Saoubi는 금속복합재료(MMC)에서 짧은 입자는 문제가 되지 않는다고 말합니다(부피 비율 5~40%까지). 그러나 최상의 가공 결과를 얻기 위해서는 재료의 크기와 분포를 이해하는 것이 가장 중요합니다.
절삭 공구 기술의 선구자인 세코툴스는 절삭 전략을 지속적으로 혁신하고 유연한 가공 접근 방식을 수용하고 있으며, 금속복합재료(MMC)와 같은 문제를 집중적으로 다루는 파트너와 산업계 및 학계를 넘나들며 협력하고 있습니다.
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M'Saoubi는 "우리는 이러한 신소재가 제기하는 과제뿐만 아니라 공작 기계 개발로 발생하는 기회도 살펴봐야 합니다."라고 말합니다.
"공작기계는 툴링 솔루션을 더 잘 활용하기 위해 개발되고 있으며, 가볍고 준 최종 형상(near-net shape) 소재의 문제로 인해 이러한 소재를 가공할 때 고려해야 할 절삭 전략이 매우 중요합니다.
이 분야는 끊임없이 진화하고 있으며 새로운 가공 과제가 등장하고 있지만 Rachid M’Saoubi는 이러한 더 가볍고 탄력성이 더 강한 금속복합재료(MMC)가 엄청난 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다.
"향상된 성능, 효율성, 지속 가능성을 제공합니다."라고 그는 말합니다.
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