압출 공정 완벽 가이드: 원리, 종류, 소재, 장단점 및 응용 분야

압출 공정은 오늘날 생산 현장에서 가장 일반적인 공정 중 하나입니다. 금속, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 소재를 사용하며, 더 나은 물성이 필요할 때 뜨거운 상태나 차가운 상태에서 수행할 수 있습니다. 금속 압출 공정은 소재의 강도를 높일 수 있습니다.

이 글에서는 압출 공정의 정의, 용도, 기능, 공정, 소재, 장비, 종류, 작동 원리, 장단점을 종합적으로 다루겠습니다.

압출 공정이란 무엇인가?

압출은 베이스 소재를 미리 형성된 다이를 통해 강제로 밀어내어 특정 형상과 프로파일을 가진 물체를 제조하는 성형 제조 공정입니다. 이 공정은 고정된 단면 프로파일을 가진 물체를 만드는 데 사용됩니다. 작동 원리는 소재를 원하는 단면 형상의 다이를 통해 밀어내면, 소재의 형상이 다이의 형상을 반영하여 변하는 것입니다. 압출 제품은 일반적으로 "압출물(extrudates)"이라고 부릅니다.

압출 비율은 초기 단면적을 최종 압출 단면적으로 나눈 값으로 정의됩니다. 압출 공정의 장점 중 하나는 이 비율이 매우 커도 품질 좋은 부품을 생산할 수 있다는 점입니다. 이 공정은 매우 복잡한 단면 형상 제작이 가능하며 취성 소재도 가공할 수 있습니다. 이는 소재가 압축 응력과 전단 응력만 받기 때문입니다. 또한 압출 공정은 부품에 우수한 표면 조도를 제공하고 설계 공정에서 상당한 형상 자유도를 줍니다.

압출 공정은 인발(drawing)과 유사한데, 인발은 소재의 인장 강도를 이용해 다이를 통해 당깁니다. 인발 공정은 와이어, 금속 봉, 튜브 생산에 사용되지만, 단순한 형상에 제한되고 보통 여러 단계가 필요합니다. 반면 압출은 한 단계로 완료됩니다.

압출은 이론적으로 무한히 긴 소재를 생산하는 연속 방식이거나, 여러 조각을 생산하는 반연속 방식일 수 있습니다. 압출 공정에 사용되는 일반적인 소재로는 금속, 폴리머, 세라믹, 콘크리트, 모델링 클레이, 식품 등이 있습니다.

압출 공정의 응용 분야

압출의 응용은 우리 주변에서 매우 흔합니다. 집, 사무실, 작업장에서 사용하는 대부분의 소재가 압출물이기 때문입니다. 압출 성형의 좋은 예는 치약을 짤 때 페이스트가 나오는 형상입니다. 아이싱 백에서 아이싱이 밀려나오는 것도 좋은 예입니다.

플라스틱 압출 성형은 일정한 단면을 가진 긴 형상을 만드는 데 사용됩니다. 파이프, 홈통, 창틀, 장식 몰딩 등을 생산할 수 있습니다. PVC(폴리염화비닐), LDPE(저밀도 폴리에틸렌), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌) 같은 열가소성 소재 모두 압출 가능합니다. 열가소성 압출물의 일반적인 용도는 다음과 같습니다:

• 전선 및 케이블용 절연 코팅
• 간판, 글레이징, 냉장고 내부를 위한 평평한 플라스틱 시트
• 조명 용도
• 로프, 강모, 합성 섬유용 모노필라멘트
• 호스, 수도, 가스, 하수, 배수용 파이프 및 튜브

압출 공정의 산업적 응용으로는:

• 튜브 및 중공 파이프 생산
• 알루미늄 압출재의 다양한 산업 구조물 적용
• 자동차 부품의 광범위한 제조

(소재 섹션에서 더 많은 압출 공정 응용 사례를 확인하세요.)

참고: 압출의 주 기능은 고정된 단면과 프로파일을 가진 물체를 제조하는 것입니다.

압출 공정 상세

열간 또는 온간 압출 공정은 소재를 가열하는 것으로 시작하며, 이는 프레스의 컨테이너에 로드됩니다. 더미 블록을 뒤에 놓고 램이 소재를 눌러 다이를 통해 밀어냅니다. 압출물은 곧게 펴기 위해 신장됩니다. 특정 또는 더 나은 물성이 요구되면 냉간 가공이나 열처리를 수행합니다.

열간 압출 공정(Hot Extrusion):

이는 소재의 재결정 온도 이상에서 수행되는 열간 가공 공정입니다. 이를 통해 소재의 가공 경화를 방지하고 다이를 통한 밀어내기를 용이하게 합니다. 열간 압출은 주로 수평 유압 프레스에서 수행되며, 230~11,000메트릭 톤(250~12,130숏 톤) 범위입니다. 압력 범위는 30~700MPa(4,400~101,500psi)입니다. 따라서 윤활이 필요하며, 저온 압출에는 오일이나 흑연, 고온 압출에는 유리 분말을 사용합니다.

금속 소재는 열간 압출 시 서로 다른 온도를 요구합니다. 마그네슘, 알루미늄, 구리, 강철, 티타늄, 니켈, 내열 합금 등이 각각 다른 온도를 필요로 합니다.

냉간 압출 공정(Cold Extrusion):

냉간 압출은 상온 또는 그에 가까운 온도에서 수행됩니다. 열간 공정 대비 장점으로는 산화 없음, 가공 경화에 의한 높은 강도, 더 엄격한 공차, 더 나은 표면 조도, 빠른 압출 속도 등이 있습니다. 냉간 압출에 흔히 쓰이는 소재로는 납, 주석, 알루미늄, 구리, 지르코늄, 티타늄, 몰리브덴, 베릴륨, 바나듐, 니오븀, 강철 등이 있습니다. 냉간 압출 응용으로는 접이식 튜브, 소화기 케이스, 쇼크 업소버 실린더, 기어 블랭크 등이 있습니다.

온간 압출 공정(Warm Extrusion):

온간 압출은 철계 및 비철 금속과 합금에 모두 이롭습니다. 상온 이상이지만 소재의 재결정 온도 미만에서 수행됩니다. 온도 범위는 800~1800°F(424~975°C)입니다. 이 공정은 필요 힘, 연성, 최종 압출 물성 간의 적절한 균형을 달성하기 위해 주로 사용됩니다.

마찰 압출(Friction Extrusion):

이 공정은 금속 기지 복합 소재에서 균질한 미세 구조와 입자 분포를 생성하기 위해 도입되었습니다. 기존 압출과 극명하게 다른 점은 차지(charge)가 압출 다이 회전한다는 것입니다. 압출 힘이 차지를 다이 쪽으로 밀어붙입니다. 다이와 차지 모두 회전하거나 어떤 경우는 역회전하기도 합니다. 차지와 다이 사이의 이 상대적 회전 운동은 공정에 몇 가지 중요한 영향을 미칩니다:

• 회전 평면에서의 상대 운동으로 인한 큰 전단 응력 발생
• 다이와 접촉하거나 근처에 있는 차지 층의 소성 변형
• 소성 변형이 회복 및 재결정 과정을 통해 소산되며 변형 중인 차지를 실질적으로 가열
• 보조 수단으로 차지 예열이 필요 없어 잠재적으로 더 에너지 효율적인 공정

두 번째로,

• 상대 회전 운동 영역에서의 상당한 소성 변형은 분말의 고체 상태 용접을 촉진할 수 있습니다. 플레이크와 칩 같은 기타 미세 분할 전구체도 효과적으로 차지를 압착(마찰 압착)하여 압출 전 응고시킵니다. 마지막으로,

미세 압출(Micro Extrusion):

이 공정은 서브밀리미터 범위에서 수행되는 미세 성형 압출 공정입니다. 통상적으로 금속을 다이 오리피스를 통해 밀어내지만, 결과물의 단면이 1mm 정사각형을 통과할 수 있습니다. 정방향에서는 램과 빌렛이 같은 방향으로 움직이고, 역방향에서는 반대 방향으로 움직입니다.

압출 공정용 소재

앞서 언급했듯 압출 소재는 금속, 목재, 플라스틱, 세라믹 등이 있습니다. 각각을 자세히 살펴보겠습니다.

금속:

금속은 압출 공정에서 가장 흔히 사용되는 소재 중 하나입니다. 금속 종류가 작업 온도와 필요 물성을 결정합니다. 압출 공정에 사용되는 다양한 금속 종류는 다음과 같습니다.

알루미늄(Aluminum)은 가장 흔히 압출되는 소재로, 작업 방식에 따라 열간 또는 냉간 압출이 가능합니다. 575~1100°F(300~600°C)로 가열됩니다. 알루미늄 압출 제품으로는 트랙, 프레임, 레일, 뮬리언, 히트싱크용 프로파일 등이 있습니다.

황동(Brass)은 엔지니어링 부품, 자동차 부품, 파이프 피팅, 부식 없는 봉재 압출에 주로 사용됩니다.

구리(Copper)는 파이프, 와이어, 봉, 바, 튜브, 용접 전극 압출에 사용됩니다. 작업 온도는 1100~1825°F(600~1000°C)입니다.

납(Lead)과 주석(Tin)은 최대 575°F(300°C) 온도에서 파이프, 튜브, 와이어, 케이블 피복 압출에 사용됩니다. 용융 납을 수직 압출 공정에서 빌렛 대신 사용할 수도 있습니다.

마그네슘(Magnesium)은 원자력 산업 부품과 항공기 부품 압출에 널리 쓰이며, 작업 온도는 575°F(300~600°C)입니다. 이 소재의 압출성은 알루미늄과 거의 비슷합니다.

아연(Zinc)은 피팅, 난간, 하드웨어 부품, 튜브, 바, 봉 등에 널리 쓰이며, 온도는 400~650°F(200~350°C)입니다.

강철(Steel) – 1825~2375°F(1000~1300°C)에서 봉과 트랙에 사용됩니다. 합금강과 스테인리스강도 압출 가능하지만, 보통 일반 탄소강을 압출합니다.

티타늄(Titanium)은 시트 트랙, 엔진 링, 기타 구조 부품 등 항공기 부품에 사용됩니다. 작업 온도는 1100~1825°F(600~1000°C)입니다.

플라스틱:

플라스틱은 압출에 흔히 쓰이는 또 다른 소재입니다. 보통 플라스틱 칩이나 펠릿 형태로 사용되며, 수분 제거를 위해 건조됩니다. 압출 장비에서 소재는 호퍼를 통해 공급되고, 히터와 압출 스크류의 전단 가열이 결합되어 용융 상태가 됩니다. 싱글 또는 트윈 스크류가 레진을 다이를 통해 밀어내어 원하는 형상을 만듭니다.

압출물은 다이나 워터 탱크를 통과하며 당겨질 때 냉각 고화됩니다. 압출물의 전반적 품질 향상을 위해 캘리풀-오프(caterpillar haul-off)가 압출 라인에 장력을 제공하는 데 사용됩니다. 펠레타이저도 압출 스트랜드를 당겨 절단하며 장력을 만들 수 있지만, 캘리풀-오프가 더 일관된 당김을 제공합니다. 그렇지 않으면 절단 길이 진동이나 제품 변형이 발생합니다.

플라스틱 압출 공정 다이어그램:

아래 영상에서 플라스틱 압출 공정 작동 원리를 확인하세요:

세라믹:

세라믹도 압출을 통해 형상을 만들 수 있는 소재입니다. 많은 현대 벽돌도 벽돌 압출 공정으로 생산됩니다.

압출 장비

압출 장비는 다음 네 가지 특성에 따라 다양한 변형이 있습니다:

• 램에 대한 압출물의 움직임: 직접 압출 또는 간접 압출. 직접 압출은 다이가 고정되고 램이 다이 쪽으로 움직이는 방식입니다. 간접 압출은 램이 고정되고 다이가 램 쪽으로 움직이는 방식입니다. 이는 뒤에서 더 자세히 설명하겠습니다.
• 프레스 위치: 수직 또는 수평
• 구동 방식: 유압식 또는 기계식
• 하중 유형: 통상(가변) 또는 정수압식

압출 장비에서 싱글 또는 트윈 스크류 오거는 전기 모터로 구동되거나, 램은 유압, 오일 압력으로 구동됩니다. 최신 직접/간접 압출 프레스는 주로 유압 구동이지만, 소형 기계식 프레스도 여전히 쓰입니다. 이 유압 프레스는 직접 구동 오일 프레스와 축수기 워터 드라이브 두 종류가 있습니다.

압출 장비 다이어그램:

직접 구동 오일 프레스는 가장 일반적인 유형 중 하나로 신뢰성과 견고성이 높습니다. 35MPa(5000psi) 이상의 압력을 전달할 수 있습니다. 시스템 내 빌렛은 일정한 압력을 받습니다. 다만 이 장비는 느린 편으로 50~200mm/s(2~8ips) 속도입니다.

축수기 워터 드라이브는 직접 구동 오일 프레스보다 비싸고 큽니다. 스트로크 중 약 10% 압력 손실이 있지만 훨씬 빠른 속도, 약 380mm/s(15ips)까지 작업 가능합니다. 이 때문에 강철 압출에 사용됩니다. 매우 높은 온도가 필요한 소재의 안전성 측면에서도 사용됩니다.

압출 공정의 종류

압출 공정의 종류는 다음 기준으로 분류할 수 있습니다:

소재 흐름 방향 기준

직접 압출(Direct Extrusion):

이 압출 방식에서는 소재가 펀치 공급 방향으로 흐릅니다. 공정 중 펀치가 다이 쪽으로 움직입니다. 직접 압출은 빌렛과 컨테이너 사이의 마찰이 커 더 큰 힘이 필요합니다. 정방향 압출이라고도 하며 산업계에서 매우 일반적입니다. 작동 원리는 빌렛을 두꺼운 벽의 컨테이너에 놓고 램이나 스크류로 다이를 통해 밀어내는 것입니다. 램과 빌렛 사이의 재사용 가능한 더미 블록이 둘을 분리해 줍니다.

이 공정의 주요 한계는 빌렛을 압출하는 데 필요한 힘이 크다는 점입니다. 빌렛이 컨테이너 전체 길이를 이동해야 하므로 마찰력이 생기기 때문입니다. 공정 초기에 더 큰 힘이 필요했다가 빌렛이 소모되면서 서서히 감소합니다. 빌렛 말단에 이르면 소재가 얇아지고 다이를 빠져나가기 위해 방사상으로 흘러야 하므로 힘이 다시 급격히 증가합니다.

간접 압출(Indirect Extrusion):

간접 압출 공정에서는 작업 소재가 플런저 움직임의 반대 방향으로 흐릅니다. 다이는 펀치 움직임의 반대쪽에 장착됩니다. 소재는 펀치와 컨테이너 사이의 환형 공간을 통해 흐릅니다. 역압출이라고도 합니다. 이 공정에서는 빌렛과 컨테이너가 함께 움직이며 다이는 고정됩니다. 컨테이너 길이보다 긴 "스템"이 다이를 고정합니다. 압출물의 최대 길이는 궁극적으로 스템의 기둥 강도에 의해 결정됩니다. 빌렛이 컨테이너와 함께 움직이므로 마찰력이 발생하지 않습니다.

간접 압출의 장점:

• 마찰이 25~30% 감소하여 더 큰 빌렛 압출 가능, 속도 향상, 더 작은 단면 압출 가능
• 마찰열이 없어 압출물 크랙 발생 경향 감소
• 컨테이너 라이너 수명 연장(마모 감소)
• 빌렛이 더 균일하게 소모되어 결함과 조대 입자 감소

간접 압출의 단점:

• 빌렛 표면의 결함과 불순물이 압출물 표면에 영향
• 제한된 단면적으로 직접 압출만큼 다용도 아님

정수압 압출(Hydrostatic Extrusion):

이 압출 유형은 유체를 이용해 빌렛에 압력을 가합니다. 빌렛이 실린더 벽이나 플런저와 접촉하지 않아 마찰이 제거됩니다. 빌렛과 플런저 사이에 유체가 있고, 플런저가 유체에 힘을 가해 빌렛에 전달합니다. 식물성 오일이 정수압 압출 유체로 주로 사용됩니다. 이 공정의 한 효과는 누수 문제와 제어되지 않는 압출 속도입니다. 이 공정은 열간, 온간, 냉간으로 수행 가능하지만, 온도는 유체 안정성에 의해 제한됩니다. 이 공정 수행을 위해 정수압 매체를 담은 밀폐 실린더가 필요합니다.

유체 가압은 두 가지 방식이 있습니다. 첫째, 일정 속도 압출로 램이나 플런저로 컨테이너 내 유체를 가압합니다. 둘째, 일정 압력 압출로 펌프(압력 증폭기 가능)를 사용해 유체를 가압한 후 컨테이너로 펌핑합니다.

정수압 압출의 장점

• 컨테이너와 빌렛 간 마찰이 없어 필요 힘 감소
• 더 빠른 속도, 더 높은 압출 비율, 더 낮은 빌렛 온도
• 고압 하에서 소재 연성 증가
• 컨테이너 벽에 빌렛 잔여물 없음
• 큰 빌렛과 큰 단면 모두 압출 가능

정수압 압출의 단점

• 빌렛 한쪽 끝을 다이 진입 각도에 맞게 테이퍼링해 준비해야 함. 즉, 시작부터 씰 형성이 필요
• 빌렛 전체를 가공해 표면 결함 제거 필요
• 고압 유체 달성이 어려움
• 압출 유체의 갑작스러운 방출 방지를 위해 빌렛 잔재나 더 단단한 소재의 플러그를 압출 말단에 남겨야 함

작동 온도 기준

열간 압출(Hot Extrusion):

앞서 언급했듯 열간 압출은 소재의 재결정 온도 이상에서 수행됩니다. 보통 용융 온도의 50~60% 이상입니다. 이 압출 유형에서는 낮은 힘이 필요하고, 작업이 용이하며, 제품에 변형 경화가 없습니다. 다만 높은 유지보수가 필요합니다.

냉간 압출(Cold Extrusion):

냉간 압출은 상온 또는 소재의 재결정 온도 이하에서 수행됩니다. 높은 기계적 물성, 높은 표면 조도, 금속 표면 산화 없음을 제공합니다. 다만 높은 힘이 필요하고 제품에 변형 경화가 수반됩니다.

압출 작동 원리

압출 작동 원리는 이해하기 쉽습니다. 압출 공정 종류별 다양한 설명을 통해 압출 공정의 여러 변형에 대해 알게 되었습니다. 통상적인 방법에서는 피스톤이나 플런저가 공작물에 압축력을 가합니다. 열간 압출에서는 빌렛을 가열하거나 냉간 압출에서는 상온 유지 후 압출 프레스에 넣습니다. 이는 피스톤-실린더 장치와 유사합니다. 금속을 실린더에 넣고 피스톤으로 밀어냅니다. 실린더 상부는 원하는 물체 형상을 가진 다이로 장착됩니다.

프레스에 장착된 이 플런저가 빌렛을 원하는 형상을 가진 다이를 향해 밀어냅니다. 가해진 높은 압축력으로 작업 소재가 다이를 통해 흐르며 형상으로 변환됩니다. 부품을 프레스에서 꺼내면 작업이 완료됩니다.

아래 영상에서 압출 공정 작동 원리를 자세히 확인하세요:

압출 공정의 장단점

장점:

압출 공정의 다양한 용도에서의 이점은 다음과 같습니다:

• 냉간 압출로 높은 기계적 물성 달성 가능
• 복잡한 단면 형상 쉽게 제작 가능
• 취성 및 연성 소재 모두 가공 가능
• 높은 압출 비율

단점:

압출 공정의 좋은 장점에도 불구하고 몇 가지 한계가 있습니다:

• 높은 초기 설치 비용
• 높은 압축력 필요

결론

압출 공정은 오늘날 생산 현장에서 가장 일반적인 공정 중 하나입니다. 금속, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 소재를 사용하며, 더 나은 물성이 필요할 때 열간 또는 냉간으로 수행할 수 있습니다. 베이스 소재를 미리 형성된 다이를 통해 강제로 밀어내어 특정 형상과 프로파일을 가진 물체를 제조하는 성형 제조 공정입니다. 이상으로 압출 공정의 정의, 용도, 기능, 공정, 소재, 장비, 종류, 작동 원리, 장단점에 대한 논의를 마칩니다.

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