최근 차량 온실가스 배출로 인한 지구 온난화 문제의 심각성이 대두됨에 따라 자동차 산업에서 배기가스를 줄이기 위한 친환경 차량에 대한 연구·개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 특히, 전기자동차는 연비 효율이 높으며, 배기가스를 배출하지 않기 때문에 친환경 차량에서도 가장 주목을 받고 있다. 현재까지 상용 전기 자동차는 무게 대비 적은 배터리 용량의 한계로 인하여 기존 자동차에 비해 주행거리가 짧은 문제가 있다. 급증하는 전기 자동차 시장에서 이러한 문제를 해결하기 위하여 전기자동차용 경량 대용량 전기 배터리 개발에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이와 비례하여 전지 구성품을 안전하게 내장하기 위한 배터리 케이스를 더 저렴하게 제조하려는 공법이 요구되고 있다.
배터리 케이스를 제조는 일반적으로 다단 딥드로잉 공법(Multi-stage deep drawing process)과 충격압출 공법(Impact extrusion process)이 활용되어 왔다. 하지만, 다단 딥드로잉 공법은 펀치로 블랭크 판재를 다이 공동부로 밀어 넣음으로써 캔을 제조하는 방식으로써, 공법에 대한 연구 및 노하우가 많이 축적되어있다. 하지만, 제품이 깊고 단·장변 형상비(Aspect ratio)가 증가할수록 공정수가 증가하며, 추가적인 아이어닝 공법이 수반되기 때문에 공정수에 비례하여 제조원가 및 개발기간이 증가하는 단점이 있다. 반면, 배터리 케이스 제조 공법으로 최근 주목받는 충격압출 공법은 1~2회의 공정만으로 형상비가 크고, 깊은 직사각형 배터리 케이스를 제조할 수 있기 때문에 생산성과 가격경쟁력 측면에서 유리한 장점이 있다. 하지만, 직사각형 배터리 케이스 제조 시 단·장변부의 불균일한 금속 유동에 의해 성형품의 높이 차이가 발생하는 대표적인 이어링 결함(Earring defects)이 발생한다. 이어링이 심화되는 경우 찢어짐 등의 이차적인 결함이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 대책이 요구되며, 또한 금형의 가공 및 조립 정밀도에 따른 품질 편차가 크기 때문에 높은 수준의 금형 정밀도가 요구된다.
따라서, 본 논문에서는 충격압출 공법을 이용한 알루미늄 직사각형 이차전지 배터리 케이스 제조 시 결함방지를 위한 공정변수 연구를 해석 및 실험을 통하여 수행하였다.
첫 번째로, 복잡한 금속 유동을 분석하기 위해서 충격압출 공정을 바닥부 업세팅 모드와 측벽부 압출 모드로 단순화하였고, 해석을 통해 각각의 모드에서 불균일 금속 유동 발생 원인을 규명하였다.
두 번째로, 충격압출 공정 시 해석을 통한 공정변수 영향평가를 수행하였다. 마찰에 따라 이어링 형상이 상이한 것을 업세팅 해석 결과를 통해 규명하였으며, 금형 형상과 슬러그 형상이 이어링에 미치는 영향을 해석을 통해 확인하였다.
마지막으로, 해석 결과를 검증하기 위해서 충격압출 실험을 수행하였으며, 이때 안전한 금형설계를 위하여 금형 탄성변형 및 응력 해석을 수행하였다. 실험은 금형 형상과 슬러그 형상에 대해 수행하였으며, 실험 중 윤활막 찢어짐의 문제가 발생하여 코팅에 대한 실험을 추가로 수행하였다.
본 연구에서 배터리 케이스 제조를 위한 충격압출 공정 중, 불균일 금속 유동으로 인한 대표적인 결함인 이어링을 줄이기 위하여 해석 및 실험을 수행하였다. 이어링 발생원인은 바닥부에서 마찰과 형상비에 의해 발생하는 불균일 금속 유동 때문이며, 이를 저감하기 위한 방안으로 금속 유동이 많이 몰리는 부위에 마찰력을 많이 부가할 수 있는 가변랜드 금형을 사용하였다. 또한 Dog-bone 형상의 슬러그를 사용하여 이어링을 저감시키는 효과를 확인하였다. 본 연구 내용은 결함없는 배터리 케이스 제조를 위한 충격압출 공정 설계 시 유용한 설계 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 예상한다.

Recently, the severity of global warming by emissions has been increased and development for environmentally friendly vehicles to reduce the emissions in the automotive industry has been made continuously. Especially, electric vehicle has been received attention because of some advantages like fuel-efficient and no pollution. So far, commercial electric vehicle mileage is far shorter than the existing cars due to low battery capacity compared to the weight. In the expanded EV market, there are many research on the development of EV for lightweight and high capacity electric battery to solve the problem. Therefore, the development of medium- and large- size battery is key factor and the battery case for EV need to be produced in inexpensive cost on process.
Typically, there are deep drawing and impact extrusion process to produce the rectangular battery case typically. Deep drawing is sheet metal forming process in which a sheet metal blank is drawn into a forming die by punch. When the rectangular battery case are produced with high aspect ratio and height by deep drawing process, the multi-stage are needed to prevent tearing in blanks. And each stage should be sensitively affected by parameters to determinate formability. Once the multi-stage is used, therefore, manufacturing costs are increased since a number of press and die set are required. On the other hand, impact extrusion is one of the extrusion process that the slug above die bottom is pressed by punch and then metal flows along the clearance between the punch and die. It requires only 1~2 process to produce the rectangular case, which can reduce manufacturing costs and improve the productivity. When manufacturing the rectangular battery case, however, ununiform metal flow between the short and long section can result in the earring defects which induce the height difference of product. For the severe earring, secondary defects such as tearing can occur so that
In this paper, when manufacturing the aluminium rectangular battery case using impact extrusion process, the study on process parameter to prevent defects is conducted using analysis and experiments.
Firstly, in order to analyze the complex metal flow, impact extrusion process was simplified by upsetting mode at bottom section and extrusion mode at land section. And then the reason for unevenness of metal flow was identified in each mode the analysis.
Secondly, the assessment of process parameter was carried out during the impact extrusion process analysis. At this chapter, it was confirmed that friction can largely effect on the shape of product through upsetting analysis results. Also, the effects of die and slug shape on the earring was confirmed.
Finally, the impact extrusion experiment was conducted to verify the results of analysis, where the analysis for elastic deformation of die and stress analysis was performed to safely manufacture the die. The experiment was performed on the die and slug design and during experiments, test for the coating was performed additionally due to problems such as tearing of the lubrication.
In this study, during impact extrusion process for manufacturing the rectangular battery case, analysis and experiment was conducted to reduce the earring resulted in the unevenness of metal flow. Since the earring is caused by the non-uniform metal flow caused by the friction and aspect ratio in the bottom section, as a way to reduce the earring, variable land die was used to apply a lot of friction in areas driven much metal flow. In addition, it was confirmed for the effect that slug shape like dog-bone can reduce the earring. This study is expected to be able to present the useful design guidelines for manufacturing the battery case.