[논문]자동차 도장 건조 공정의 건조 성능 향상을 위한 수치해석 연구

최종락; 허남건; 김동철; 김희수

doi:10.6110/kjacr.2012.24.12.867

문제 정의

본 연구에서는 차량 도장 건조 공정 내 유동 및 열전달 특징을 분석하고 공정속도를 최적화하기 위한 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 Lee et al.
본 연구에서는 공정상에서 건조에 영향을 주는 열에너지를 근간으로 각 부분에 흡수된 열에너지의 합을 정량적인 건조 지표로 정의하였다. 실제 산업 현장에서는 차체에 가해지는 열에너지를 정량적으로 측정하기 어렵고, 열에너지를 기준으로 한 건조 만족 판단조건이 없기 때문에 본 연구에서는 현 공정에 대한 수치해석을 선행하였다. 현 공정에서의 차량의 각 부분의 열에너지를 구함으로써, 건조 만족 기준을 설정하였다.
⁽¹¹⁾은 도장 건조 시스템에 대한 연구를 진행하여 차량이 도장 건조 시스템을 통과할 때 시간에 따른 차량 주변의 유동 및 차량 표면의 온도 분포에 따른 연구를 진행하였다. 이 연구에서는 실제 차량의 건조 특성을 고려하기 위해 복잡한 차량의 3차원 형상을 실제와 같이 모델링하였으며, 차량의 전도 및 대류 열전달을 고려하기 위해 고체-유체 복합 열전달을 해석하였다. 또한 차량의 움직임을 모사하기 위한 방법론들을 제시하였으며, 수치해석 결과와 실험과 비교해 정성적, 정량적으로 타당한 결과를 도출해 냈다.
이러한 건조로 내부의 유동 및 열전달의 수치해석 결과를 정합성을 확보하기 위해 본 연구에서는 실제 공정에서의 실험 데이터와 수치해석 결과를 비교하였다. Fig.
⁽¹¹⁾이 도입한 수치해석 방법론들을 기반으로 건조로 내부에 대해 수치해석을 진행하였다. 이러한 수치해석 방법을 기반으로 건조 성능을 평가하기 위해, 추가적으로 정량적으로 건조 성능을 비교하기 위한 방법론을 제시하였다. 또한 특정 작동 조건에서 생산 속도를 증가시킴으로 공정 속도에 대한 분석을 실시하여, 도장 건조의 공정 속도를 최적화 하였다.
또한 Avci and Can⁽⁹⁾은 열풍건조 방식에 대해 수치해석적으로 연구를 수행하여 고속 제트 방식 노즐을 사용 시 도료에 건조 특성을 연구하였다. 이를 바탕으로 건조 공정에 대한 설계 인자들을 제안하였다.
자동차 건조 공정의 생산성 향상을 높이기 위해서는 본 연구에서는 공정 속도에 따른 건조 성능을 비교하였다. 이를 위해 현 공정보다 노즐에 의해 급·배기되는 풍량을 10% 향상시켰으며 노즐의 유입 온도는 10℃ 상승시킨 작동조건을 사용하였다.
또한 차량의 움직임을 모사하기 위한 방법론들을 제시하였으며, 수치해석 결과와 실험과 비교해 정성적, 정량적으로 타당한 결과를 도출해 냈다. 정립된 수치해석 기법들을 기반으로 건조 취약부에 대한 분석을 수행하여 차량 건조 공정 시 취약부에 대한 개선점에 대해 언급하고 있다.

가설 설정

하지만 수치해석상에서는 차체의 도료의 두께가 수십 마이크로에 지나지 않아 실제 열 전달에 도료의 영향이 무시할 만큼 작다고 가정하여 도료를 무시하였기 때문에 실험상의 지표로는 정량적으로 건조 성능을 예측하기 힘들다. 도료의 건조는 차체에 전달되는 열에너지에 의해 지배적으로 발생한다는 가정 하에 본 연구에서는 열에너지를 이용한 건조 성능 지표를 정의하였다. Fig.

제안 방법

이를 위해 Lee et al.⁽¹¹⁾의 선행 연구로부터 축적된 수치해석 기법을 바탕으로, 건조로 내부의 차량의 이동 모사 및 유체-고체 복합열전달 특성을 분석하였다. 정량적으로 건조 성능을 평가하기 위해 열풍에 의해 차량의 각 부분에 흡수된 열에너지를 기준을 설정하였다.
Shin et al.⁽⁷⁾은 가호사 건조 공정의 건조 시스템의 건조 특성을 파악하기 위해 적절한 건조 모델링을 제시하였으며, 수치해석 연구를 기반으로 다양한 설계 조건에 따라 공정의 건조 성능을 분석하였다. Chun et al.
Chun et al.⁽⁸⁾은 열풍 건조기의 운전 조건에 따른 변화에 따른 건조 특성에 대해 실험적인 연구를 진행하였으며 운전조건에 따른 열효율변화를 분석하였다. 또한 Avci and Can⁽⁹⁾은 열풍건조 방식에 대해 수치해석적으로 연구를 수행하여 고속 제트 방식 노즐을 사용 시 도료에 건조 특성을 연구하였다.
건조 공정 시 차량의 건조 성능을 정량적 판단하기 위해, 차량의 각 부분에 받는 열에너지를 비교하였다. 실제 공정에서는 도장 건조 후 도료의 광택정도, 도료의 점성 등을 이용해 도장 공정의 건조 만족도를 평가한다.
건조 성능을 향상시키기 위해 건조로 내부에 향상된 작동 조건을 적용시켜 해석을 수행하였다. 향상된 작동 조건은 기존 공정의 전체 급기 및 배기되는 노즐 풍량을 10% 증가시켰으며 주입되는 열풍의 온도도 10℃ 증가시켰다.
또한 건조로 내부 유체의 관성에 의한 효과를 고려하기 위해 건조로 내부에 MRF(multiple reference frames) 기법을 사용하였다. 건조로 내 노즐 배치는 천장과 옆면에서부터 급기가 되고, 하단과 상단으로 배기가 되는 방식을 적용하였다. 노즐로 급기되는 유량과 배기구로 배기되는 유량이 서로 동일하게 설정되어 건조로 앞·뒤로 빠져나가는 공기의 양을 최소화 하였다.
도장건조는 열풍구간에서 차체가 열을 전달 받을 때 진행되게 된다. 따라서 차량이 가열되는 t₁, t₂까지의 시간의 열유속을 미소 면적과 시간에 따라 적분함으로써 차량 표면에서 건조로로 부터 흡수되는 열에너지를 다음과 같이 계산하였다.
이러한 수치해석 방법을 기반으로 건조 성능을 평가하기 위해, 추가적으로 정량적으로 건조 성능을 비교하기 위한 방법론을 제시하였다. 또한 특정 작동 조건에서 생산 속도를 증가시킴으로 공정 속도에 대한 분석을 실시하여, 도장 건조의 공정 속도를 최적화 하였다.
건조 공정 시 차량의 건조 성능을 정량적 판단하기 위해, 차량의 각 부분에 받는 열에너지를 비교하였다. 실제 공정에서는 도장 건조 후 도료의 광택정도, 도료의 점성 등을 이용해 도장 공정의 건조 만족도를 평가한다. 하지만 수치해석상에서는 차체의 도료의 두께가 수십 마이크로에 지나지 않아 실제 열 전달에 도료의 영향이 무시할 만큼 작다고 가정하여 도료를 무시하였기 때문에 실험상의 지표로는 정량적으로 건조 성능을 예측하기 힘들다.
현 공정에서의 차량의 각 부분의 열에너지를 구함으로써, 건조 만족 기준을 설정하였다. 이러한 건조 만족 기준을 기반으로 생산성 향상을 위해 향상된 작동조건에서 생산속도를 증가시켰을 때 건조 정도를 흡수된 열에너지를 기준으로 비교하였다.
향상된 작동 조건은 기존 공정의 전체 급기 및 배기되는 노즐 풍량을 10% 증가시켰으며 주입되는 열풍의 온도도 10℃ 증가시켰다. 이러한 특정 작동 조건을 바탕으로 차량의 공정 속도를 증가시켰을 때, 차량에 공정 속도가 미치는 건조 특성에 대해 분석하였다.
각 그래프의 가장 좌측 열에너지는 현 공정에서의 결과를 나타낸 것이다. 이를 기준으로 공정 속도가 동일할 때부터 4%씩 증가시키면서 차량에 전달되는 열에너지를 비교하였다. 결과로, 현 공정과 동일한 정도의 열에너지를 받는 경우, 후드부는 공정 속도가 120% 미만인 경우, 앞문의 경우에는 116% 미만, 뒷문에 경우에는 120% 미만 향상시켰을 경우로 나타났다.
이를 위해 현 공정보다 노즐에 의해 급·배기되는 풍량을 10% 향상시켰으며 노즐의 유입 온도는 10℃ 상승시킨 작동조건을 사용하였다.
⁽¹¹⁾의 선행 연구로부터 축적된 수치해석 기법을 바탕으로, 건조로 내부의 차량의 이동 모사 및 유체-고체 복합열전달 특성을 분석하였다. 정량적으로 건조 성능을 평가하기 위해 열풍에 의해 차량의 각 부분에 흡수된 열에너지를 기준을 설정하였다. 이와 같은 수치해석 결과의 정합성을 검증하기 위해 공정 시간에 따른 온도를 실험 데이터와 비교해 타당한 결과를 입증하였다.
12를 사용하여 해석을 수행하였다. 차량의 복잡한 형상을 고려하기 위해 다면체격자(polyhedral gird)를 사용하여 약 6백만 개의 격자를 구성하였다. 전체 공정을 모두 모사하기 위해, Xeon 2.
차량은 일반적인 경차의 모양을 설정하였으며, 건조로 중앙에 위치시켰다. 차량의 움직임을 모사하기 위해, 건조로 옆면에 3 L 길이에 걸쳐 움직이는 입구 경계조건을 적용하여 노즐의 상대 움직임을 모사하였다.
이와 같은 조건은 현재 건조로에서 작동 할 수 있는 최대의 조건을 가정한 수치이다. 향상된 작동 조건을 적용한 경우 생산 속도를 4%씩 증가시켜 흡수되는 열에너지량을 비교하였다. Fig.
실제 산업 현장에서는 차체에 가해지는 열에너지를 정량적으로 측정하기 어렵고, 열에너지를 기준으로 한 건조 만족 판단조건이 없기 때문에 본 연구에서는 현 공정에 대한 수치해석을 선행하였다. 현 공정에서의 차량의 각 부분의 열에너지를 구함으로써, 건조 만족 기준을 설정하였다. 이러한 건조 만족 기준을 기반으로 생산성 향상을 위해 향상된 작동조건에서 생산속도를 증가시켰을 때 건조 정도를 흡수된 열에너지를 기준으로 비교하였다.

데이터처리

건조로 내부에 복잡한 유동에 의한 난류 효과를 적용하기 위해, Standard k-ε 난류 모델이 사용되었다. 위의 보존방정식과 난류 모델을 풀기 위해 상용 CFD 프로그램인 STAR-CD V4.12를 사용하여 해석을 수행하였다. 차량의 복잡한 형상을 고려하기 위해 다면체격자(polyhedral gird)를 사용하여 약 6백만 개의 격자를 구성하였다.
정량적으로 건조 성능을 평가하기 위해 열풍에 의해 차량의 각 부분에 흡수된 열에너지를 기준을 설정하였다. 이와 같은 수치해석 결과의 정합성을 검증하기 위해 공정 시간에 따른 온도를 실험 데이터와 비교해 타당한 결과를 입증하였다. 건조 공정 향상을 위해, 현 건조 시설의 최대 작동 조건(풍량：10% 향상, 온도：10℃ 향상)시 공정 속도에 따른 열에너지 변화에 대한 수치해석을 수행하여 약 116%의 최대 공정 속도를 제시하였다.

이론/모형

(11)이 도입한 수치해석 방법론들을 기반으로 건조로 내부에 대해 수치해석을 진행하였다. 이러한 수치해석 방법을 기반으로 건조 성능을 평가하기 위해, 추가적으로 정량적으로 건조 성능을 비교하기 위한 방법론을 제시하였다.
건조 설비 내부의, 유동 및 열전달 특성을 고려하기 위해 비압축성을 가정한 연속방정식, 운동량보존방정식, 에너지 보존방정식이 사용되었다. 연속방정식, 운동량 보존방정식 그리고 에너지 보존방정식은 다음과 같이 표현된다.
건조로 내부에 복잡한 유동에 의한 난류 효과를 적용하기 위해, Standard k-ε 난류 모델이 사용되었다.
건조로 앞에서 나타난 노즐은 시간이 지남에 따라 차량이 있는 방향인 뒤쪽으로 이동하게 되면서 차량의 움직임을 모사하였다. 또한 건조로 내부 유체의 관성에 의한 효과를 고려하기 위해 건조로 내부에 MRF(multiple reference frames) 기법을 사용하였다. 건조로 내 노즐 배치는 천장과 옆면에서부터 급기가 되고, 하단과 상단으로 배기가 되는 방식을 적용하였다.

성능/효과

이와 같은 수치해석 결과의 정합성을 검증하기 위해 공정 시간에 따른 온도를 실험 데이터와 비교해 타당한 결과를 입증하였다. 건조 공정 향상을 위해, 현 건조 시설의 최대 작동 조건(풍량：10% 향상, 온도：10℃ 향상)시 공정 속도에 따른 열에너지 변화에 대한 수치해석을 수행하여 약 116%의 최대 공정 속도를 제시하였다. 이와 같은 수치해석 기법을 근간으로 자동차 도장 건조 공정에서 다양한 작동 조건에 따른 건조 성능 비교를 통해, 에너지 비용과 생산 속도를 최적화 하는 연구에 기반 연구로 본 연구가 활용 될 것으로 사료된다.
이를 기준으로 공정 속도가 동일할 때부터 4%씩 증가시키면서 차량에 전달되는 열에너지를 비교하였다. 결과로, 현 공정과 동일한 정도의 열에너지를 받는 경우, 후드부는 공정 속도가 120% 미만인 경우, 앞문의 경우에는 116% 미만, 뒷문에 경우에는 120% 미만 향상시켰을 경우로 나타났다. 세 부분 모두 풍량이나 온도 조건이 상승하여 열에너지를 많이 받게 되지만 공정 속도가 증가함에 따라 열풍 건조로에서 건조되는 시간이 짧아지기 때문에 열에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
이 연구에서는 실제 차량의 건조 특성을 고려하기 위해 복잡한 차량의 3차원 형상을 실제와 같이 모델링하였으며, 차량의 전도 및 대류 열전달을 고려하기 위해 고체-유체 복합 열전달을 해석하였다. 또한 차량의 움직임을 모사하기 위한 방법론들을 제시하였으며, 수치해석 결과와 실험과 비교해 정성적, 정량적으로 타당한 결과를 도출해 냈다. 정립된 수치해석 기법들을 기반으로 건조 취약부에 대한 분석을 수행하여 차량 건조 공정 시 취약부에 대한 개선점에 대해 언급하고 있다.
결과로, 현 공정과 동일한 정도의 열에너지를 받는 경우, 후드부는 공정 속도가 120% 미만인 경우, 앞문의 경우에는 116% 미만, 뒷문에 경우에는 120% 미만 향상시켰을 경우로 나타났다. 세 부분 모두 풍량이나 온도 조건이 상승하여 열에너지를 많이 받게 되지만 공정 속도가 증가함에 따라 열풍 건조로에서 건조되는 시간이 짧아지기 때문에 열에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 현 건조로에서의 최대 건조 작동조건을 사용한다면, 약 116% 미만의 공정 속도 향상 시에도 현 공정과 동일 이상의 건조 성능을 예상할 수 있다.
는 기준 온도이다. 수치해석의 경우 초기 온도를 약간 높게 설정하였으나, 실험결과와 비교하여서 큰 차이가 없이 같은 경향으로 온도 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 공정무차원시간 0.
현 건조로에서의 최대 건조 작동조건을 사용한다면, 약 116% 미만의 공정 속도 향상 시에도 현 공정과 동일 이상의 건조 성능을 예상할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 최적화된 공정 속도는 현 공정의 116% 정도로 나타났다.
건조 성능을 향상시키기 위해 건조로 내부에 향상된 작동 조건을 적용시켜 해석을 수행하였다. 향상된 작동 조건은 기존 공정의 전체 급기 및 배기되는 노즐 풍량을 10% 증가시켰으며 주입되는 열풍의 온도도 10℃ 증가시켰다. 이러한 특정 작동 조건을 바탕으로 차량의 공정 속도를 증가시켰을 때, 차량에 공정 속도가 미치는 건조 특성에 대해 분석하였다.

후속연구

건조 공정 향상을 위해, 현 건조 시설의 최대 작동 조건(풍량：10% 향상, 온도：10℃ 향상)시 공정 속도에 따른 열에너지 변화에 대한 수치해석을 수행하여 약 116%의 최대 공정 속도를 제시하였다. 이와 같은 수치해석 기법을 근간으로 자동차 도장 건조 공정에서 다양한 작동 조건에 따른 건조 성능 비교를 통해, 에너지 비용과 생산 속도를 최적화 하는 연구에 기반 연구로 본 연구가 활용 될 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 차량 도장 공정은 어떠한 순으로 이루어지는가?	이러한 생산 공정 중 차량 도장 공정은 제품의 미관을 높이고 기계적·화학적 성질을 개선시키는 매우 중요한 공정이다. 일반적으로 차량 도장 공정은 주로 전착 도장 공정(electro deposition process)과 스프레이 도장 공정(spray painting process), 도장 건조 공정(paint drying process) 순으로 이루어진다. 이중 도장 건조 공정은 전착 도장 공정 및 스프레이 도장 공정에서 입혀진 도료를 차량 표면에 정착시키기 위한 공정으로, 건조가 제대로 되지 않는 경우 전체 공정의 불량을 초래 할 수 있다.
	도장 건조 공정은 어떠한 공정인가?	일반적으로 차량 도장 공정은 주로 전착 도장 공정(electro deposition process)과 스프레이 도장 공정(spray painting process), 도장 건조 공정(paint drying process) 순으로 이루어진다. 이중 도장 건조 공정은 전착 도장 공정 및 스프레이 도장 공정에서 입혀진 도료를 차량 표면에 정착시키기 위한 공정으로, 건조가 제대로 되지 않는 경우 전체 공정의 불량을 초래 할 수 있다. 또한 건조 공정의 불량은 후속 공정에 문제를 야기하거나, 외관 및 차량의 내구성 저하로 연결되기 때문에 생산성 및 생산 비용은 물론 생산 품질에 직접적인 영향을 끼치게 된다.
	생산성 향상 및 공정 개선을 위해 건조 공정에 대한 분석이 필요한 배경은 무엇인가?	일반적으로 차량 도장 공정은 주로 전착 도장 공정(electro deposition process)과 스프레이 도장 공정(spray painting process), 도장 건조 공정(paint drying process) 순으로 이루어진다. 이중 도장 건조 공정은 전착 도장 공정 및 스프레이 도장 공정에서 입혀진 도료를 차량 표면에 정착시키기 위한 공정으로, 건조가 제대로 되지 않는 경우 전체 공정의 불량을 초래 할 수 있다. 또한 건조 공정의 불량은 후속 공정에 문제를 야기하거나, 외관 및 차량의 내구성 저하로 연결되기 때문에 생산성 및 생산 비용은 물론 생산 품질에 직접적인 영향을 끼치게 된다. 이러한 이유로 생산성 향상 및 공정 개선을 위해 건조 공정에 대한 분석이 반드시 필요하다.

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