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문제 정의
- 본 연구에서는 가변성형기술을 이용한 안장 형태의 2차 곡면성형에 관한 연구를 수행하였다. 박판성형의 경우 탄성회복이 크게 일어나기 때문에 가변성형기술에 스트레치 성형 기술을 접목시킨 가변 스트레치 성형 공정을 이용하였다.
가설 설정
- 해석에 사용한 가변성형장치는 20mm의 펀치 곡률 반경(r)을 가지는 펀치를 19×19의 배열로 배치하였으며, 총 722개의 펀치가 존재한다. 또한, 판재면의 성형성을 위하여 탄성패드를 펀치와 판재 사이에 넣어주었으며, 탄성패드의 두께는 20mm로 가정하였다. 탄성패드는 Shore A90의 경도를 가지며, 1.
- 3에 도시하였다. 소재의 물성치는 Table 1에 정리하였으며, 마찰계수(Friction Coefficient)는 0.1로 가정하였다. 효율적인 해석수행을 위하여 1/4 모델링을 사용하였다.
- 초기 판재는 700mm×1400mm의 크기로 모델링 하였으며, 양 끝단의 지그에 해당하는 영역의 면적은 700mm×100mm으로 가정하였다.
제안 방법
- Fig. 9 에 나타낸 가변스트레치 성형장치를 이용하여 앞에서 수행한 해석과 동일한 형상인 안장 형태의 2차 곡면 성형 실험을 수행하였다. 실험조건은 해석을 토대로 적용하였으며, 해석과 마찬가지로 20mm의 곡률반경을 가지는 펀치를 사용하였고, 판재와 펀치 사이에는 해석에 사용한 것과 동일한 두께의 우레탄패드를 삽입하여 판재면의 성형성을 확보하였다.
- 실험조건은 해석을 토대로 적용하였으며, 해석과 마찬가지로 20mm의 곡률반경을 가지는 펀치를 사용하였고, 판재와 펀치 사이에는 해석에 사용한 것과 동일한 두께의 우레탄패드를 삽입하여 판재면의 성형성을 확보하였다. 가변성형기술에서 가장 중요한 요소인 펀치 높이는 곡률, 판재두께, 탄성패드의 두께를 모두 고려하여 산출하였다. 또한, 스트레치 공정을 수행하기 위해서는 성형영역보다 넓은 초기 판재가 필요하기 때문에 가변성형 후 목적곡면만을 따로 잘라내 주어야 한다.
- 스트레치 공정의 효과를 알아보기 위해 스트레치 유무에 따른 탄성회복 정도를 비교하였으며, 하나의 곡면에 2 개의 곡률을 가지는 2 차곡면판 성형공정을 수행하고, 실제 가변성형장치를 이용하여 동일한 곡률을 가지는 곡면의 실험을 수행하여 비교하였다. 또한, 보다 정확한 연구를 위하여 곡면의 중심점을 기준으로 하여 길이방향과 두께 방향의 곡률좌표를 추출하여 정확한 곡률형상을 비교 및 확인하였다.
- 연구에 사용한 재료는 4mm의 두께를 가지는 Al3003-H14알루미늄 합금 재질이며, 해석적 연구를 위한 물성치를 단축인장시험을 통하여 획득하였다. 먼저 스트레치 공정의 유무에 따른 탄성회복 공정결과를 비교하여 스트레치 공정의 탄성복원량 감소 효과를 확인하였다. 유한요소해석 결과, 모든 성형영역에서 항복강도 이상의 응력이 발생함을 확인하였고, 이는 스트레치 공정에 의한 Pre-tension 의 효과라 예상할 수 있다.
- 본 연구에서는 가변 성형 공정에 스트레치 성형 공정을 접목시킨 가변 스트레치 성형 공정을 적용하였다. 이는 성형 후의 발생하는 탄성회복(Elastic Recovery) 효과를 최소화 시키기 위함이다.
- 본 연구에서는 기존의 박판 성형시 탄성회복을 최소화하기 위한 스트레치 성형공정과 하나의 금형으로 다양한 형상의 곡면을 성형할 수 있는 가변성형 공정을 복합적으로 활용한 가변스트레치 성형 공정을 이용하였다. 스트레치 공정의 효과를 알아보기 위해 스트레치 유무에 따른 탄성회복 정도를 비교하였으며, 하나의 곡면에 2 개의 곡률을 가지는 2 차곡면판 성형공정을 수행하고, 실제 가변성형장치를 이용하여 동일한 곡률을 가지는 곡면의 실험을 수행하여 비교하였다.
- 효율적인 해석수행을 위하여 1/4 모델링을 사용하였다. 본 연구의 가변 스트레치 성형에 관한 시뮬레이션을 위해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS의 Dynamic Explicit FEM을 사용하였으며, 해석조건은 지그(Jig)부분에서 항복이 일어나는 변형량 이상의인장이 가해지도록 하여 스트레치(Stretch)를 주었으며, 펀치이동량은 상하부 금형의 최대길이에서 초기판재의 두께와 우레탄 패드의 두께만큼을 빼준 거리를 계산하여 설정하였다.
- 탄성회복 후 판재의 성형 영역의 최대변형량은 각 모서리 부분에서 약 2mm 정도로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 성형 후의 곡률을 비교하기 위해 판재의 중심점을 기준으로 x축 방향과 y축 방향의 단면좌표를 측정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 기존의 박판 성형시 탄성회복을 최소화하기 위한 스트레치 성형공정과 하나의 금형으로 다양한 형상의 곡면을 성형할 수 있는 가변성형 공정을 복합적으로 활용한 가변스트레치 성형 공정을 이용하였다. 스트레치 공정의 효과를 알아보기 위해 스트레치 유무에 따른 탄성회복 정도를 비교하였으며, 하나의 곡면에 2 개의 곡률을 가지는 2 차곡면판 성형공정을 수행하고, 실제 가변성형장치를 이용하여 동일한 곡률을 가지는 곡면의 실험을 수행하여 비교하였다. 또한, 보다 정확한 연구를 위하여 곡면의 중심점을 기준으로 하여 길이방향과 두께 방향의 곡률좌표를 추출하여 정확한 곡률형상을 비교 및 확인하였다.
- 이는 성형 후의 발생하는 탄성회복(Elastic Recovery) 효과를 최소화 시키기 위함이다. 스트레치의 유무에 따라 성형품의 탄성복원량을 해석적 기법을 통해서 확인하여 비교하였다. Fig.
- 해석 결과를 토대로 추출한 O-A, O-B 단면의 좌표와의 비교를 위하여 실험 결과를 3D scanner로 측정하여 동일한 위치에 있는 좌표를 추출하였다. 실제 실험의 경우 필히 탄성회복이 발생하므로 탄성회복 전의 해석데이터와의 비교는 무의미하다고 판단하고 탄성회복 후의 해석데이터만을 비교하였다. Fig.
- 9 에 나타낸 가변스트레치 성형장치를 이용하여 앞에서 수행한 해석과 동일한 형상인 안장 형태의 2차 곡면 성형 실험을 수행하였다. 실험조건은 해석을 토대로 적용하였으며, 해석과 마찬가지로 20mm의 곡률반경을 가지는 펀치를 사용하였고, 판재와 펀치 사이에는 해석에 사용한 것과 동일한 두께의 우레탄패드를 삽입하여 판재면의 성형성을 확보하였다. 가변성형기술에서 가장 중요한 요소인 펀치 높이는 곡률, 판재두께, 탄성패드의 두께를 모두 고려하여 산출하였다.
- 유한요소 해석을 위해 해석공정에 이용되는 재료의 물리적 특성을 구하기 위한 단축인장시험을 수행하였다. 사용한 소재는 4mm의 초기 두께를 가지는 알루미늄 합금 소재 Al 3003-H14이며, 이 소재는 탄성계수 68.
- 또한, 스트레치 공정을 수행하기 위해서는 성형영역보다 넓은 초기 판재가 필요하기 때문에 가변성형 후 목적곡면만을 따로 잘라내 주어야 한다. 이러한 목적곡면을 자르기 위해서 Fig. 10 과 같이 레이져 절단기(Laser Cutter)를 사용하여 목적곡면의 형상을 추적하여 절단하였다. 절단까지 완료한 가변스트레치 성형 실험의 결과를 Fig.
- 반면 (b) 의 경우 전체적으로 높은 변형량을 보이며, 가장자리 부분에서 최대 변형량을 나타낸다. 정확한 비교를 위해 곡면의 중심을 기준으로 하여 y 축과 x 축 방향의 단면을 O-A 와 O-B 로 설정하여 좌표를 측정하였다. Fig.
- 해석을 통해서 얻은 결과 형상과 실험결과 형상 모두 안장형태의 2차곡면으로 성형됨을 확인할 수 있다. 해석 결과를 토대로 추출한 O-A, O-B 단면의 좌표와의 비교를 위하여 실험 결과를 3D scanner로 측정하여 동일한 위치에 있는 좌표를 추출하였다. 실제 실험의 경우 필히 탄성회복이 발생하므로 탄성회복 전의 해석데이터와의 비교는 무의미하다고 판단하고 탄성회복 후의 해석데이터만을 비교하였다.
- 판재의 중심점을 기준으로 각 축방향 단면의 프로파일 좌표를 추출하여 목적곡면과비교하였으며, 탄성회복을 고려하여 목적곡면과약 1mm 정도의 오차가 나타남을 확인하였다. 해석적 연구 후 이를 토대로 한 가변스트레치 성형 실험을 수행하였으며, 성형결과물을 3D scanner를 이용하여 형상을 측정하였다. 해석적 연구에서 얻은 프로파일과의 비교를 위하여 동일한 위치에서의 단면을 측정하여 목적곡면과 비교하였다.
- 해석적 연구 후 이를 토대로 한 가변스트레치 성형 실험을 수행하였으며, 성형결과물을 3D scanner를 이용하여 형상을 측정하였다. 해석적 연구에서 얻은 프로파일과의 비교를 위하여 동일한 위치에서의 단면을 측정하여 목적곡면과 비교하였다. 이과정에서 x방향과 y방향의 프로파일 거동의 차이를 확인하였고, 이는 스트레치 방향에 의한 결과라고 예상하였으며, 추후에 이에 관련된 후속적 연구가 필요할 것으로 사료된다.
대상 데이터
- 유한요소 해석을 위해 해석공정에 이용되는 재료의 물리적 특성을 구하기 위한 단축인장시험을 수행하였다. 사용한 소재는 4mm의 초기 두께를 가지는 알루미늄 합금 소재 Al 3003-H14이며, 이 소재는 탄성계수 68.9GPa, 포아송비 0.33, 밀도 2.73g/cc의 물성치(Material Property)를 가진다. 또한, 소재의 변형 거동은 인장 시험에서 획득한 데이터로부터#와 같은 n승 가공 경화 모델을 사용하였다.
- 사용한 판재가 4mm의 두께를 가지기 때문에 탄성회복 효과를 최소화 하기 위하여 앞서 설명한 대로 스트레치 성형(Stretch Forming) 공정을 사용하였다. 스트레치 성형 공정은 양쪽에서 지그(Jig)가 잡아당긴 상태에서 하부금형(Lower Die) 없이 상부 펀치(Upper Punch)만 이용하여 성형을 하는 것이 일반적이다.
- 성형영역은 700mm×700mm이며, 탄성패드는 성형영역을 모두 포함하는 700mm ㅍ750mm로 모델링 하였다.
- 박판성형의 경우 탄성회복이 크게 일어나기 때문에 가변성형기술에 스트레치 성형 기술을 접목시킨 가변 스트레치 성형 공정을 이용하였다. 연구에 사용한 재료는 4mm의 두께를 가지는 Al3003-H14알루미늄 합금 재질이며, 해석적 연구를 위한 물성치를 단축인장시험을 통하여 획득하였다. 먼저 스트레치 공정의 유무에 따른 탄성회복 공정결과를 비교하여 스트레치 공정의 탄성복원량 감소 효과를 확인하였다.
- 판재와 탄성패드는 각각 4mm, 20mm 의 두께를 가지는 8 절점 육면체 요소(Solid Element)로, 상하부 금형은 강체요소(Rigid Body)로 정의하였으며, 완성된 모델의 형상은 Fig. 4 에 나타내었다.
- 해석에 사용한 가변성형장치는 20mm의 펀치 곡률 반경(r)을 가지는 펀치를 19×19의 배열로 배치하였으며, 총 722개의 펀치가 존재한다.
데이터처리
- 우레탄 패드를 사용하였기 때문에 판재면에서 압흔(Dimple) 및 주름(Wrinkling)이 전혀 생기지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 해석 결과와의 비교를 위하여 실험 결과는 3D scanner를 활용하여 형상을 측정하였다. 해석을 통해서 얻은 결과 형상과 실험결과 형상 모두 안장형태의 2차곡면으로 성형됨을 확인할 수 있다.
이론/모형
- 30g/cc의 밀도를 가진다. 패드를 해석에 적용하기 위해 식 (3)의 Mooney-Rivlin 초탄성체(Hyperelastic Model) 모델을 사용하여 물성데이터를 고려하였다[5,10]. 목적곡면은 가로 세로 길이가 약 700mm 이며, 곡률반경이 각각 길이 방향으로 2000mm, 폭방향으로 2500mm 인 2차 곡면으로, 가장 다양하게 사용되는 안장(Saddle) 형태의 곡면이다.
성능/효과
- 스트레치 공정의 유무에 따른 탄성회복량의 비교를 통해 스트레치 공정이 탄성복원감소에 효과적임을 확인하였다. 이를 가변성형공정에 적용한 해석을 수행하여 그 결과를 Fig.
- 유한요소해석 결과, 모든 성형영역에서 항복강도 이상의 응력이 발생함을 확인하였고, 이는 스트레치 공정에 의한 Pre-tension 의 효과라 예상할 수 있다. 실제공정의 탄성회복 효과를 고려해서 탄성회복공정도 수행하였으며, 최대 탄성복원량은 각 모서리 부분에서 약 2mm로 나타났다. 판재의 중심점을 기준으로 각 축방향 단면의 프로파일 좌표를 추출하여 목적곡면과비교하였으며, 탄성회복을 고려하여 목적곡면과약 1mm 정도의 오차가 나타남을 확인하였다.
- 먼저 스트레치 공정의 유무에 따른 탄성회복 공정결과를 비교하여 스트레치 공정의 탄성복원량 감소 효과를 확인하였다. 유한요소해석 결과, 모든 성형영역에서 항복강도 이상의 응력이 발생함을 확인하였고, 이는 스트레치 공정에 의한 Pre-tension 의 효과라 예상할 수 있다. 실제공정의 탄성회복 효과를 고려해서 탄성회복공정도 수행하였으며, 최대 탄성복원량은 각 모서리 부분에서 약 2mm로 나타났다.
- 7 (a), (b)에는 각각 응력 분포와 변형률분포를 나타내었다. 응력분포의 경우 판재의 거의 모든 영역에서 항복강도(Yield Strength)를 넘어서는 응력을 가지는 것을 확인하였다. 이는 Pre-tension을 주어 탄성회복을 적게 일으키는 스트레치 성형공정의 효과라 예상할 수 있다.
- 이는 Pre-tension을 주어 탄성회복을 적게 일으키는 스트레치 성형공정의 효과라 예상할 수 있다. 최대 응력은 약 137MPa로 극한강도(Ultimate Strength)에 못 미치는 결과값으로 파단이 일어나지 않음을 예측할 수 있다. 변형률 분포는 x축 가장자리 부분에서 최대 약 0.
- 7 (c)에 도시하였다. 탄성회복 후 판재의 성형 영역의 최대변형량은 각 모서리 부분에서 약 2mm 정도로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 성형 후의 곡률을 비교하기 위해 판재의 중심점을 기준으로 x축 방향과 y축 방향의 단면좌표를 측정하였다.
- 실제공정의 탄성회복 효과를 고려해서 탄성회복공정도 수행하였으며, 최대 탄성복원량은 각 모서리 부분에서 약 2mm로 나타났다. 판재의 중심점을 기준으로 각 축방향 단면의 프로파일 좌표를 추출하여 목적곡면과비교하였으며, 탄성회복을 고려하여 목적곡면과약 1mm 정도의 오차가 나타남을 확인하였다. 해석적 연구 후 이를 토대로 한 가변스트레치 성형 실험을 수행하였으며, 성형결과물을 3D scanner를 이용하여 형상을 측정하였다.
- 해석 및 실험 결과 모두 탄성회복을 고려하였기 때문에 목적곡면과 비교해서 차이를 확인할 수 있다. 해석결과의 경우 100mm 지점에서부터 탄성복원이 일어나는 반면, 실험결과는 250mm 지점까지는 목적곡면과 거의 동일한 분포를 보이다 탄성복원이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 가장 큰 끝부분에서 해석과 실험 결과 모두 약 1.
- 또한, 해석 결과와의 비교를 위하여 실험 결과는 3D scanner를 활용하여 형상을 측정하였다. 해석을 통해서 얻은 결과 형상과 실험결과 형상 모두 안장형태의 2차곡면으로 성형됨을 확인할 수 있다. 해석 결과를 토대로 추출한 O-A, O-B 단면의 좌표와의 비교를 위하여 실험 결과를 3D scanner로 측정하여 동일한 위치에 있는 좌표를 추출하였다.
후속연구
- 이러한 O-A구간과 O-B구간의 거동차이는 스트레치를 주는 방향에 의한 차이라 예측된다. 따라서 추후에 스트레치의 방향이 판재 성형성에 미치는 영향에 관한 후속연구가 필요할 것으로 예상된다.
- 이과정에서 x방향과 y방향의 프로파일 거동의 차이를 확인하였고, 이는 스트레치 방향에 의한 결과라고 예상하였으며, 추후에 이에 관련된 후속적 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구의 결과를 통해 2차곡면의 성형이 가변 스트레치 공정을 활용하여 가능할 것으로 예상되며, Fig 13에 나타낸 동대문 디자인 플라자와 같이 최근 각광받고 있는 비정형건축물의 외피 구조물 성형에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 해석적 연구에서 얻은 프로파일과의 비교를 위하여 동일한 위치에서의 단면을 측정하여 목적곡면과 비교하였다. 이과정에서 x방향과 y방향의 프로파일 거동의 차이를 확인하였고, 이는 스트레치 방향에 의한 결과라고 예상하였으며, 추후에 이에 관련된 후속적 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구의 결과를 통해 2차곡면의 성형이 가변 스트레치 공정을 활용하여 가능할 것으로 예상되며, Fig 13에 나타낸 동대문 디자인 플라자와 같이 최근 각광받고 있는 비정형건축물의 외피 구조물 성형에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
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