[논문]CATIA CAD 시스템 기반 핫폼금형의 냉각수로 설계 자동화에 관한 연구

김강연; 박시환; 김상권; 박두섭

doi:10.5762/kais.2018.19.3.147

CATIA CAD 시스템 기반 핫폼금형의 냉각수로 설계 자동화에 관한 연구
A Study on Design Automation of Cooling Channels in Hot Form Press Die Based on CATIA CAD System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.3, 2018년, pp.147 - 154

김강연 (울산과학대학교 기계공학부) , 박시환 (울산과학대학교 기계공학부) , 김상권 (기혼엔지니어링(주)) , 박두섭 (PDS솔루션(주))

초록
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본 논문은 흔히 핫스탬핑 공법으로 알려진 냉각수로가 있는 핫폼 금형의 설계 데이터를 신속히 생성하는 지원 시스템 개발에 초점을 둔다. 현장에서의 핫폼 금형의 설계조건과 설계 프로세스 분석을 통해 설계지원 시스템의 핵심기능들을 도출하고, 이를 기반한 새로운 핫폼 금형의 설계 프로세스를 제안 한다. 개발한 설계 지원 시스템은 핫폼 금형의 3차원 형상 모델과 2차원 도면을 생성하는 두 개의 모듈로 구성된다. 핫폼 금형의 3D 모델링 자동화 모듈은 CATAI V5 Knowledgeware를 기반한 CATAI 템플릿 모델 형태로 구현하였다. 이 모듈은 성형 곡면형상, STEEL(금형 Product를 구성하는 파트) 개수와 냉각수로의 개수에 대응하여 냉각수로를 포함한 핫폼금형의 3D 모델을 자동으로 생성한다. 또한 냉각수로의 위치와 자세를 편집하는 기능과 성형곡면과 냉각수로 사이의 거리에 대한 구속조건 만족여부를 판별하는 기능을 제공한다. 두 번째 모듈인 2D 가공도면을 자동 생성하는 모듈은 CAA(CATIA SDK)와 Visual C++를 활용하여 CATIA CAD시스템에 이식 가능한 플러그인 형태로 개발 하였다. 제안하는 방법의 성능을 평가하기 위해 사용자 정의 시나리오 기반 소프트웨어 테스트를 수행하였다. 실험결과 제안하는 방법은 수작업 기반의 전통적인 방법에 비해 설계 오류 없이 약 29배 빠르게 핫폼 금형 3D모델과 홀테이블을 포함하는 가공도면을 생성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper focuses on the development of a support system that can rapidly generate the design data of a hot-form die with cooling channels, commonly known as hot stamping technology. We propose a new process for designing hot-form dies based on our (automated) system, whose main features are derived from the analysis of the design requirements and design process in the current industry. Our design support system consists of two modules, which allow for the generation of a 3D geometry model and its 2D drawings. The module for 3D modeling automation is implemented as a type of CATIA template model based on CATIA V5 Knowledgeware. This module automatically creates a 3D model of a hot-form die, including the cooling channels, that depends on the shape of the forming surface and the number of STEELs (subsets of die product) and cooling channels. It also allows for both the editing of the positions and orientations of the cooling channels and testing for the purpose of satisfying the constraints on the distance between the forming surface and cooling channels. Another module for the auto-generation of the 2D drawings is being developed as a plug-in using CAA (CATIA SDK) and Visual C++. Our system was evaluated using the S/W test based on a user defined scenario. As a result, it was shown that it can generate a 3D model of a hot form die and its 2D drawings with hole tables about 29 times faster than the conventional manual method without any design errors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 핫폼금형의 설계조건과 현장의 설계 프로세스를 분석하여 요구 기능들을 도출하고 그룹화하여 자동화를 기반한 일반화된 방법론을 제시하고자 한다. 또한, 구현에 있어서 산업현장에서 실질적으로 활용가능하도록 자동차 제조사의 대표적 CAD시스템 플랫폼인 CATIA V5기반으로 핫폼 금형의 냉각수로 설계 지원 SW툴을 개발한다.
자유곡면인 성형면의 특성에 의해 직관적인 설계가 어렵다. 본 연구에서는 높이 h에 대한 구속조건을 만족여부를 검사하는 기능을 개발하였다.
본 연구에서는 핫폼금형 냉각수로 설계 자동화에 초점을 맞추어 국내 자동차 산업 현장의 설계 프로세스 및요구사항을 분석하여 핫폼금형 설계 지원 시스템을 개발 하였다. 또한, 개발한 S/W 모듈의 성능평가를 위해 한국정보통신기술협회의 V&V 테스트를 수행하였다.

가설 설정

1) 제품 형상에 대응하는 성형 곡면(forming surface), 냉각수로 개수, 금형 Product를 구성하는 STEEL (금형 Product part로 현장용어인 STEEL로 통칭함)의 개수, 냉각수로 직경에 대한 정보입력시 금형 Product 형상 및 냉각수로 자동 생성 가능해야 한다.
2) 금형 Product를 구성하는 STEEL의 개수 및 크기, STEEL내의 냉각수로 개수 및 직경에 대해 설계변 경시 자동수정 가능해야 된다.
이 세 가지 유형에서 수평방향의 냉각수로는 동일한 설계규칙 및 유사한 구조를 가지는 반면 수직방향 냉각수로의 설계는 상황에 따른 설계자의 직관성에 의존적일 뿐만 아니라 설계변경 빈도가 높다. 본 연구에서는 수평방향 냉각수로 모델링을 자동화하고 수직방향 냉각수로는 수작업기반의 후처리 작업을 가정한다.

제안 방법

1) 냉각수로를 포함하는 핫폼금형 Product를 자동 생성 가능한 CATIA 템플릿 모델을 개발하였다.
3) 냉각수로 가공을 위해 요구되는 2D 가공도면 자동 생성 모듈을 CATIA CAD시스템의 메뉴형태로 개발하였다.
본 연구에서는 칼라코드(color code) 접근법을 사용 하였다. CATIA CAD시스템의 고유기능인 3D 모델의 색상부여 기능을 활용하여 템플릿 모델의 냉각수로 생성 단계에서부터 미리 정의한 칼라코드를 부여하고 냉각수로 가공도면 생성시 핫폼금형 모델 트리상에서 해당 칼라코드를 검색하여 냉각수로 객체를 리스트업(list-up)한다.
S/W V&V 절차에 따라 핫폼 금형 Product 기본 모델 생성(basic die product generation)과 스틸 개수 변경, 냉각수로 개수변경, 스틸 크기변경, 냉각수로 위치 조정을 포함하는 설계수정(design editing), 2D 가공도면 생성(Hole table 2D draw generation)의 테스트 시나리오를 설정하였다.
구현은 CATIA CAD시스템 고유 기능인 옵셋 곡면 (off-set surface) 기능을 활용하여 최대 높이와 최소높이에 해당하는 위치에 성형면에 대응하는 옵셋곡면을 생성한 후 냉각수로들과 교차(intersection) 검사를 수행하는 방법으로 구현하였다[11].
국내 자동차 프레스금형 설계 전문 산업체의 핫폼 금형 냉각수로 설계 프로세스 및 설계 요구조건에 대한 분석을 통하여 자동화 대상 범위 및 핵심기능을 다음과 같이 설정하였다.
이러한 특성으로 본 연구에서는 냉각수로를 포함하는 핫폼 금형의 3D 모델 생성모듈은 설계자의 기능 변경 및 버전관리가 용이한 CATIA Knowledgeware기반의 템플릿 모델(template model) 형태로 개발하였다[10]. 냉각수로 2D 가공도면 자동 산출 모듈은 CATIA SDK(software development kit)와 Visual C++를 활용하여 CATIA CAD시스템에 메뉴형태로 개발하였다[9].
이에 높이 h의 최대값과 최소값을 제어하는 주요 설계 파라미터인 STEEL 개수, STEEL 크기, 냉각수로 위치 및 자세이다. 냉각수로 모델링 과정에서 이들 파라미터에 대한 설계수정이 빈번하므로 냉각수로 개수 수정, STEEL 크기 조정, 주변 냉각수로까지 영향을 주는 냉각수로 위치 및 자세의 글로벌 제어에 관한 기능을 구현하였다. 특정 냉각수로 하나만 수정하는 로컬제어의 경우 CATIA고유의 기능을 활용한다.
인접 STEEL사이에 만나는 지점의 냉각수로는 동일한 좌표값을 가져야 하므로 핫폼 금형 Product의 전체 STEEL을 한 번에 생성시키는 접근법으로 구현하였다. 또한 STEEL의 개수는 성형곡면의 형상, 금형 크기 등에 따라 설계자 판단에 의해 선정되므로 대표적으로 많이 사용되는 3개, 4개, 5개의 STEEL 구성된 3종의 템플릿을 개발하여 사용자가 STEEL 개수를 입력하면 SW상에서 내부적으로 해당 템플릿이 선택되는 방법으로 구현하였다.
또한, 개발한 S/W 모듈의 성능평가를 위해 한국정보통신기술협회의 V&V 테스트를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 핫폼금형의 설계조건과 현장의 설계 프로세스를 분석하여 요구 기능들을 도출하고 그룹화하여 자동화를 기반한 일반화된 방법론을 제시하고자 한다. 또한, 구현에 있어서 산업현장에서 실질적으로 활용가능하도록 자동차 제조사의 대표적 CAD시스템 플랫폼인 CATIA V5기반으로 핫폼 금형의 냉각수로 설계 지원 SW툴을 개발한다.
이와 달리 STEEL 별로 제작하는 냉각수로 2D 가공도면의 경우 핫폼 금형 구조의 특성과 관계없이 동일한 방법론이 적용가능하다. 이러한 특성으로 본 연구에서는 냉각수로를 포함하는 핫폼 금형의 3D 모델 생성모듈은 설계자의 기능 변경 및 버전관리가 용이한 CATIA Knowledgeware기반의 템플릿 모델(template model) 형태로 개발하였다[10]. 냉각수로 2D 가공도면 자동 산출 모듈은 CATIA SDK(software development kit)와 Visual C++를 활용하여 CATIA CAD시스템에 메뉴형태로 개발하였다[9].
인접 STEEL사이에 만나는 지점의 냉각수로는 동일한 좌표값을 가져야 하므로 핫폼 금형 Product의 전체 STEEL을 한 번에 생성시키는 접근법으로 구현하였다. 또한 STEEL의 개수는 성형곡면의 형상, 금형 크기 등에 따라 설계자 판단에 의해 선정되므로 대표적으로 많이 사용되는 3개, 4개, 5개의 STEEL 구성된 3종의 템플릿을 개발하여 사용자가 STEEL 개수를 입력하면 SW상에서 내부적으로 해당 템플릿이 선택되는 방법으로 구현하였다.
제안하는 설계지원 시스템을 기반한 냉각수로 설계의 전체 프로세스는 Fig. 5와 같이 냉각수로를 포함하는 금형 Product의 3D 모델 생성 단계와 금형 3D 모델로부터 냉각수로를 가공하기 위해 요구되는 홀테이블을 포함하는 2D 가공도면 자동산출 단계로 구성된다. 3D 형상모델 생성 단계에서는 냉각수로를 포함하는 금형 Product 기본형상 자동생성 단계, 사용자 입력기반으로 반자동화된 설계수정 단계, 수작업 기반 후처리의 단계를 거쳐 최종 핫폼 금형 모델을 생성한다.

대상 데이터

하지만, 전체 핫폼금형 설계는 본 연구에서 다루지 않았던 Base plate, Gauge, Lifter air blow, Manifold, B/H 등의 부품 설계를 포함한다. 또한, 개발한 설계지원 시스템에서 성형곡면과 냉각수로 높이 h에 관한 구속조건을 만족시키는 작업이 추가적으로 요구된다.

데이터처리

개발한 핫폼금형 설계지원 S/W모듈의 공인성능평가를 위해 한국정보통신기술협회 산하 소프트웨어 평가센 터의 V&V 테스트(verification & validation test)를 수행하였다.

이론/모형

냉각수로의 2D 가공도면을 자동으로 생성하기 위해 서는 핫폼금형의 3D 모델에서 냉각수로를 인식해야 한다. 본 연구에서는 칼라코드(color code) 접근법을 사용 하였다. CATIA CAD시스템의 고유기능인 3D 모델의 색상부여 기능을 활용하여 템플릿 모델의 냉각수로 생성 단계에서부터 미리 정의한 칼라코드를 부여하고 냉각수로 가공도면 생성시 핫폼금형 모델 트리상에서 해당 칼라코드를 검색하여 냉각수로 객체를 리스트업(list-up)한다.

성능/효과

2) 개발된 템플릿 모델은 STEEL의 개수와 크기, 냉각수로 개수와 형상이 수정설계 기능과 성형곡면과 냉각수로 사이의 거리 h에 관한 구속조건 만족 여부를 판별하는 기능을 지원한다.
2.2절의 핵심 요구기능 4)에서 언급한 바와 같이 핫폼 금형의 냉각성능은 냉각수로 개수와 더불어 성형곡면과 냉각수로 사이의 높이 h에 큰 영향을 받는다. 이에 높이 h의 최대값과 최소값을 제어하는 주요 설계 파라미터인 STEEL 개수, STEEL 크기, 냉각수로 위치 및 자세이다.
3) 특정 냉각수로 위치 설계변경시 특정 냉각수로만 변경하는 로컬 제어(local control)과 다른 냉각수로의 위치까지 같이 변경되는 글로벌 제어(global control)가 설계자의 선택에 따라 자동 반영 가능해야 된다.
4) STEEL의 양쪽 면에서 건드릴 가공으로 생산하는 냉각수로의 위치가 성형 곡면에 너무 가까우면 금형 파손(터짐)의 문제가 발생하고 너무 멀면 냉각 효율이 떨어져 제품의 강도품질이 나빠지므로 성형곡면 모든 구간에서 냉각수로 높이(h)에 대한 범위(예. 10mm ≦ h ≦ 15mm)를 만족시켜야 한다. 높이 범위에 대한 구속조건이 미만족 시 설계자에게 알려 주는 기능이 요구된다 (Fig.
4) 실험결과로써, 제안하는 시스템은 전통적인 수작업기반 방법에 대비 공인평가 테스트 시나리오의 결과물을 약 29배 빠르게 결과물을 생성 가능하다고 추정되었고 전체 핫폼금형설계 과정에 대해 20% 수준의 설계공수 절감 효과가 있는 것으로 판단된다.
Table 2의 traditional method는 개발한 설계지원 S/W를 활용하지 않고 테스트 시나리오를 수행하는 경우에 대한 method 2를 테스트하였던 자동차금형 설계전문가 3인의 설문 응답 결과 평균이다. 제안하는 방법(method #2)은 자동화의 특성으로 홀테이블 오류가 발생하지 않았고 설계자 동화 모듈을 사용하지 않고 100% 수작업 설계로 진행하는 전통적인 방법(traditional method)에 비해 약 29배 빠르게 테스트 시나라오의 결과물을 생성하는 것으로 추정되었다.

후속연구

하지만, 전체 핫폼금형 설계는 본 연구에서 다루지 않았던 Base plate, Gauge, Lifter air blow, Manifold, B/H 등의 부품 설계를 포함한다. 또한, 개발한 설계지원 시스템에서 성형곡면과 냉각수로 높이 h에 관한 구속조건을 만족시키는 작업이 추가적으로 요구된다. 이들을 고려하였을 때, 핫폼금형 설계 전체과정에 대한 개발한 설계지원 시스템의 공수절감효과는 약 20%로 예측된다.
향후 연구로 열간성형의 품질에 직접적인 영향을 주는 성형곡면과 냉각수로 사이의 거리 h에 관한 구속조건을 자동으로 만족시키는 냉각수로 최적배치 모듈을 개발할 예정이다. 국내 뿌리산업의 경쟁력 제고를 위해 핫폼 금형 및 핫스탬핑 공법과 같은 고부가가치 아이템의 기술개발 활성화가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫스탬핑(hot stamping) 공법은 무엇인가?	연비효율 향상을 통한 탄소배출 저감 뿐만 아니라 사고시 강도부족으로 발생하는 인명 피해를 줄일 수 있는 차체의 고강도·경량화는 자동차 산업에서 관심도가 매우 높은 기술 분야이다. 차체의 고강도·경량화의 대표 적인 기술인 핫스탬핑(hot stamping) 공법은 1984년 SAAB사의 보강재 부품개발에 처음 적용되어 1990년대 독일을 중심으로 유럽에서 활발히 연구되었다. 2000년대에 전세계적으로 급속히 확산되어 2013년에 핫스템핑 공법 기반으로 생산된 자동차 부품수는 약 4억 5천만개로 추산된다[1].
	일반적인 핫스탬핑공법으로 어떤 제품을 생산하는가?	일반적인 핫스탬핑공법은 보론(boron, B)을 첨가한 540MPa급 고강도 소재를 950°C이상으로 가열 후 내부에 냉각수로가 가공된 프레스금형으로 성형 및 급냉의 공정을 통해 1500MPa 이상의 초고강도 제품을 생산한다 (Fig. 1 참조) [2].
	본 연구에서 개발한 핫폼금형 설계 지원 시스템의 실험결과 기존방법 대비 어떤 이점이 있는가?	4) 실험결과로써, 제안하는 시스템은 전통적인 수작업기반 방법에 대비 공인평가 테스트 시나리오의 결과물을 약 29배 빠르게 결과물을 생성 가능하다고 추정되었고 전체 핫폼금형설계 과정에 대해 20% 수준의 설계공수 절감 효과가 있는 것으로 판단된다.

참고문헌 (11)

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상세보기
Finite Element simulation of Hot Stamping of Tubular Beam and Its Application to Die Channel Design", Mater. Trans. vol. 53, no. 5, pp. 836-846, 2012.
R. Kolleck, R. Veit, M. Merklein, J. Lechler, M. Geiger, "Investigation on Induction Heating for Hot Stamping of Boron Alloyed STEELs", CIRP Ann, vol. 58, no. 1, pp. 275-278, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2009.03.090

상세보기
Liu H. S, Xing Z. W, Bao J, "Investigation of the Hot-stamping process for Advanced High-Strength STEEL sheet by Numerical Simulation", J. Mater. Engr. and Perfom., vol. 9, no. 3, pp. 325-334, 2010. DOI: https://doi.org/10.1007/s11665-009-9510-y
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Gang-Yeon Kim, "Development of A Software Tool for Automatic Trim Steel Design of Press Die Using CATIA API," J. of the KAIS, vol. 18, no. 3, pp. 72-77, 2017. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.3.72
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Dassault systems CATIA V5R20 Online Documents, Dassault Systems, 2009, Available From: http://catiadoc.free.fr/online/CATIA_P3_default.htm

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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