강철 통풍형 방열판 제조

방열판은 열 관리를 위해 사용되는 부품입니다. 방열판은 기계 내의 발열 부품이 과열되는 것을 방지합니다. 고성능 방열판은 구리, 알루미늄, 강철을 사용하여 제조할 수 있습니다.

통풍식 강철 방열판 가공은 강판에 구멍을 뚫어 금속 내부를 통해 공기가 흐르도록 함으로써 대류에 의한 열전달 효율을 높이는 공정입니다. 스테인리스강 방열판은 주로 다음과 같은 열악한 환경에서 사용됩니다:

• 고온 환경 – 스테인리스강은 구조적 강도를 저하시키지 않으면서 알루미늄보다 더 높은 온도를 잘 견딥니다.
• 부식성 물질이 존재하는 환경 – 주변 환경의 화학 물질이나 습기로 인해 알루미늄이 손상될 수 있는 경우, 스테인리스강을 대안으로 사용할 수 있습니다.
• 산업용 전력 전자공학 – 스테인리스강 방열판은 작동 시 발열이 심한 DC-DC 브릭, 모터 컨트롤러, 전기 용접기 등 고출력 응용 분야에 사용됩니다.
• 구조적 역할 – 스테인리스강 방열판은 냉각 기능과 함께 케이스의 구조적 구성 요소로서의 역할도 동시에 수행할 수 있습니다.

고객 요구 사항

한 방열판 제조업체가 방열판 신속 시제품 제작을 위해 퍼스트 몰드에 의뢰를 해왔습니다. 고객사는 이 프로젝트에 사용될 소재가 강철이라고 밝혔는데, 이는 냉각 기능 외에도 구조적 역할을 수행해야 하기 때문이라고 설명했습니다.

프로젝트 청사진을 검토하기 위한 첫 번째 회의에서, 의뢰인은 방열판 시제품의 공차가 0.01mm를 초과해서는 안 된다고 설명했습니다. 의뢰인에 따르면, 이 프로젝트는 고성능 용도로 진행되는 것이었습니다.

“최대의 열 효율을 달성하고, 배치 간 일관된 성능을 보장하며, 안정적인 구조적 장착을 위해서는 높은 내성이 필수적입니다.”라고 고객사가 설명했습니다.

논의가 끝난 후, 퍼스트 몰드의 프로젝트 매니저인 보웬 황(Bowen Huang)은 고객을 공장으로 안내하여 첨단 기계 설비 몇 가지를 소개하며, 퍼스트 몰드가 해당 프로젝트를 효과적으로 수행할 수 있는 역량을 갖추고 있음을 확신시켜 주었습니다.

“황 씨는 ”저희는 신속한 시제품 제작을 위해 업계에서 가장 첨단인 5축 CNC 공작기계를 보유하고 있습니다“라고 말했다. ”저희 엔지니어 팀은 CNC 가공 분야에서 총 100년이 넘는 경험을 쌓아왔습니다. 저희의 풍부한 경험을 뽐낼 수 있는 프로젝트를 맡게 될 때마다 큰 기쁨을 느낍니다.”

과제 및 솔루션

강철을 이용한 방열판 가공은 주로 재료의 특성상 독특한 어려움을 수반합니다. 강철은 열전도율이 낮고 가공 경화율이 높아 가공이 더 어렵습니다. 강철 방열판 제조 시 직면하는 주요 어려움은 다음과 같습니다:

• 공구의 과도한 마모: 강철은 마모성이 강하고 단단하기 때문에 공구의 마모를 가속화합니다. 공구가 과도하게 마모되면 공구 비용이 증가하고 공구 교체 사이의 가동 중단 시간도 늘어납니다. 이로 인해 가공 시간이 길어질 수 있습니다.
• 진동은 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다: 높은 절삭력은 진동을 유발할 수 있으며, 이로 인해 얇고 섬세한 구조물이 변형되거나 표면 마감이 나빠질 수 있습니다.
• 높은 열 응력으로 인한 뒤틀림: 강철은 절단 과정에서 열을 발산하기보다는 축적하는 성질이 있습니다. 적절히 냉각하지 않으면 이러한 열 집중으로 인해 가공물이 뒤틀릴 수 있습니다.
• 칩 관리의 어려움: 강철 가공 시 상당한 양의 고온 칩이 발생합니다. 이를 적절히 관리하지 않으면 공구가 손상되거나 표면 마감이 나빠질 수 있습니다.

강철 방열판을 성공적으로 가공하기 위해, 퍼스트 몰드의 엔지니어들은 이러한 독특한 난제를 극복할 방법을 찾아야만 했습니다.

강철의 경화 현상 및 낮은 열전도율 극복

강철은 인성과 강도가 높기 때문에 가공 시 더 큰 절삭력이 필요합니다. 그러나 절삭력을 높이면 진동이 발생할 수 있습니다. 진동 외에도 절삭 과정에서 표면이 급격히 경화되어 후속 절삭이 더 어려워질 수 있습니다. 이로 인해 절삭 공구의 마모가 가속화될 수 있습니다.

강철의 열전도율이 낮다는 것은 또한 CNC 가공을 이용한 방열판 제조 과정에서 절삭면에서 발생하는 열이 칩을 통해 방출되거나 배출되지 않는다는 것을 의미합니다. 이로 인해 열이 절삭 공구 끝부분에 집중되어 공구의 마모와 파손을 가속화합니다.

First Mold에서 사용하는 5축 CNC 기계에는 절삭면에 고압(1,000+ psi)의 절삭유를 분사하는 4개의 노즐 냉각 시스템이 특별히 장착되어 있습니다. 이러한 냉각수 시스템은 절삭 날에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 뿐만 아니라, 칩을 분쇄 및 제거하여 방열판 시제품 표면의 변형을 방지합니다.

곡면 강철 방열판 시제품 표면 가공

고객사가 제시한 곡면 방열판 설계도는 가공에 있어 특별한 난제를 제기했습니다. 평면은 간단한 공구 경로를 허용하지만, 곡면은 특수한 공구 경로가 필요합니다. 곡면 강재 가공의 주요 난제는 다음과 같습니다:

• 복잡한 CAM 프로그래밍: 곡선형 강재를 이용한 방열판 제조에는 변화하는 윤곽선을 따라 공구의 방향과 이송 속도를 제어하기 위해 정교한 소프트웨어를 사용해야 합니다.
• 다축 기계의 필요성: 곡면 가공에는 정밀한 마무리 가공 공정을 수반하는 복잡한 다중 동작이 필요합니다. First Mold의 5축 CNC 공작기계는 오류를 유발할 수 있는 공작물의 반복적인 수동 재위치 설정을 없애는 데 도움이 됩니다.

First Mold 엔지니어 팀은 고속 CNC 기계가 원형 나선형 공구 경로를 사용하여 슬롯을 절삭하는 ‘트로코이달 밀링’ 기법을 적용했습니다. 이 기법은 반경 방향 접촉과 높은 축 방향 절삭 깊이를 유지함으로써 절삭 힘, 발열 및 진동을 줄여줍니다. 이를 통해 더 빠른 재료 제거가 가능해지고 공구 수명도 연장됩니다. 또한 이 기술은 방열판 시제품 제작 시간을 단축하는 데도 도움이 됩니다.

방열판 가공 효율 최적화

높은 재료 인성, 저속 가공, 그리고 특수 공구의 조합으로 인해 강철의 가공 공정은 느리고 시간이 많이 소요됩니다.

이러한 단점을 극복하기 위해 First Mold의 엔지니어 팀은 제조 적합성 설계(DFM) 원칙을 적용했습니다. 예를 들어, 절삭력을 줄이기 위해 내열성이 뛰어나고 양의 경사각을 가진 코팅 공구를 사용했습니다.

가공 중 강성을 높이기 위해 핀 두께를 약간 늘리고 핀 깊이를 제한했습니다. 또한, 팀은 CAM 프로그래밍에 특화된 공구 경로를 적용하고, 진동과 변형을 최소화하기 위해 고강성 가공 장비를 사용했습니다.

방열판 제조 프로젝트에서 0.01mm 공차를 유지하는 것의 중요성

방열판 가공 과정에서 First Mold의 엔지니어들은 0.01mm 공차 요건을 충족하기 위해 CAM 프로그래밍에 각별한 주의를 기울였습니다. 원하는 공차를 달성하는 것은 다음과 같은 여러 가지 이유로 매우 중요했습니다:

• 정밀 장착: 적절한 정밀도를 확보하면 장착면의 나사와 구멍이 완벽하게 정렬됩니다. 이를 통해 부품에 가해지는 구조적 응력을 방지할 수 있습니다.
• 구조적 안정성 강화: 0.01mm의 공차 덕분에 이 방열판 시제품은 구조적 지지대 역할도 수행할 수 있습니다. 강철의 높은 강도 덕분에, 열 성능을 저하시키지 않으면서도 고압, 고온, 고진동 환경에서 사용할 수 있습니다.
• 배치 간 일관된 성능: 대량 방열판 제조의 경우, 0.01mm의 공차를 유지함으로써 모든 제품의 성능이 동일하게 보장됩니다. 이는 의료 영상 및 항공우주와 같은 특수 산업 분야에서 매우 중요합니다.

퍼스트몰드의 솔루션을 통해 고객이 얻은 이점

강철을 사용한 방열판 시제품이 예정보다 일주일 일찍 납품되어 고객사로부터 큰 호평을 받았습니다. First Mold는 혁신적인 가공 기술을 활용하여, 고객사가 이전에 접촉했던 다른 가공 업체들이 제시한 견적보다 더 유리한 조건으로 시제품을 가공해 낼 수 있었습니다.

“지난 경험을 바탕으로 일정 기대치를 현실적으로 잡았습니다,”라고 고객은 방열판 시제품이 설계도와 일치하는지 확인한 뒤 말했다. “시제품을 받기까지 아직 일주일 정도는 더 걸릴 줄 알았거든요.”.

First Mold와 파트너십을 맺음으로써, 해당 고객사는 필요할 때 수시에 따라 사업 규모를 확장할 수 있도록 지원해 줄 신뢰할 수 있는 공급업체를 확보하게 되었습니다. 황 씨는 “우리는 언제나 고객의 성공과 행복을 최우선으로 생각하기 위해 최선을 다하고 있습니다”라고 말했습니다.  

자주 묻는 질문

이 고객은 당사의 홍보 활동에 큰 지지를 보냈고, 공작물의 CNC 밀링 공정 동영상을 보여줄 것을 제안했습니다.