[논문]에어백 인플레이터 캡 성형 공정 개발 및 검증

이득규; 이민수; 박지우; 강범수

doi:10.5228/kstp.2018.27.4.201

문제 정의

에어백 인플레이터 캡은 에어백을 구성하는 여러 가지부품 중 분사제 분출을 개시하는 부품으로서, 결함발생 시 가장 먼저 에어백 시스템의 손상을 초래하여 탑승자 부상 및 사망으로 이어질 수 있는 심각한 문제를 야기할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 에어백 인플레이터 캡을 에어백 시스템을 구성하는 핵심 부품으로 파악하여 이에 대한 개발과 제조 방법에 대한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 에어백 인플레이터 캡 (Airbag Inflator Cap)의 제작에 대한 연구를 실시하였다. 에어백 인플레이터 캡은 에어백을 구성하는 여러 가지부품 중 분사제 분출을 개시하는 부품으로서, 결함발생 시 가장 먼저 에어백 시스템의 손상을 초래하여 탑승자 부상 및 사망으로 이어질 수 있는 심각한 문제를 야기할 수 있다.
또한 파열 시간은 시제품과 기존 제품에 있어서 시제품이 미세하게 짧은 시간에 파열함을 확인하였고, LSL 시제품 그룹에서 높은 파열 시간 표준편차를 보였다. 본 논문에서는 이러한 현상을 두께 가공이 균일하게 이루어지지 못함에 따른 것이라 예상하고, 추후이를 반영하여 양산 장비 설계 및 제작을 실시하여 높은 치수 균일성을 갖는 제품을 제작하여야 한다고 판단하였다.
본 논문에서는 해외 소수 기업의 독점이 진행되어 있는 에어백 부품의 관련 시장 진출 및 기업 수출 확대의 일환으로 기존 제품을 대체하기 위해 에어백 인플레이터 캡 제작용 금형 설계와 해석, 시제품 제작 및 가압 파열 시험을 통한 제품 검증을 실시하였다. 본 연구를 통해 수행된 과정과 도출된 결과를 아래와 같이 정리하였다.
또한 Table 2의 LSL 시제품의 표준편차가 1666 psi로서 타 경우에 비해 매우 높음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 LSL 그룹의 높은 표준편차를 두께 가공이 균일하게 이루어지지 않아 발생한 것으로 예상하였다. 그러나 시제품의 평균 파열 압력의 수준은 기 존 제 품과 유사하며, USL 그룹의 경 우,시제품과 기존 제품이 유사한 파열 압력을 가지며, 표준 편차 역시 낮아 양호하게 제작되었다고 볼 수있다.
본 연구에서는 설계 치수와 해석 결과가 다르게 나타난 핵심 원인을 펀치 형상에 의한 것이라 판단하였다. 펀치의 형상이 Fig.

제안 방법

1) 다단 원통 형태의 인플레이터 캡 제작을 위해 각 단경을 순차적으로 프레스 하여야 하므로 이동식 금형으로 설계하였고, 이를 바탕으로 1차 금형설계를 진행하여 해석을 실시하였다. 1차 과정에서 발견된 치수 결함을 파악하여 펀치 형상을 변경하고 금형을 추가하는 등 성형 공정을 수정하여 2차공정 해석을 실시하였으며, 2차 해석 결과에서 나타난 치수 정밀도가 오차 범위 내로, 충분히 정밀한 치수를 가진다고 판단하여 이를 토대로 시제품을 제작하였다.
진행하여 해석을 실시하였다. 1차 과정에서 발견된 치수 결함을 파악하여 펀치 형상을 변경하고 금형을 추가하는 등 성형 공정을 수정하여 2차공정 해석을 실시하였으며, 2차 해석 결과에서 나타난 치수 정밀도가 오차 범위 내로, 충분히 정밀한 치수를 가진다고 판단하여 이를 토대로 시제품을 제작하였다.
먼저, 2장에서 에어백의 기본적 동작 원리와 에어백 인플레이터 캡의 설계 요구 조건을 나타내고, 본 논문에서 사용된 인플레이터 캡의 재료 및 설계 치수를 제시하며, 3장에서 에어백 인플레이터 캡 금형 설계 및 해석을 실시한다. 1차 설계의 경우 이동식 금형(Transfer Mold)으로 설계한 후 공정 해석을 실시하였으며, 1차 해석 결과를 분석하여 발생한 문제점을 개선하고 2차 해석을 재차 실시하였다. 이를 바탕으로 시제품을 제작하였으며 4장에서 기존 제품과 제작된 시제품에 대하여가압 파열 시험(Pressurizing Burst Test)을 수행하여 각제품의 파열 압력을 측정하고 비교하였다.
1차 해석에서 나타난 문제점을 보완하여 Fig. 9와같이 1차 해석에 펀치 형상 변경 및 추가 다이 설치를 반영하여 Fig. 7에서 해석한 공정에 대해 재차해석을 실시하였다.
2) 앞서 설계된 공정을 바탕으로 시제품을 제작, 두께의 치수를 기준으로 LSL 그룹, USL 그룹으로 샘플을 나누어 시제품 샘플과 기존 제품 샘플에 대해 가압 파열 시험을 진행하였다. LSL 그룹의 경우 USL 그룹에 비해 파열 압력이 낮았고, 두께 및 파열 압력에 있어서 높은 표준편차를 보였다.
설계하였다. 그리고 본 설계를 기반으로 시제품을 제작하고 검증하였다. 먼저, 2장에서 에어백의 기본적 동작 원리와 에어백 인플레이터 캡의 설계 요구 조건을 나타내고, 본 논문에서 사용된 인플레이터 캡의 재료 및 설계 치수를 제시하며, 3장에서 에어백 인플레이터 캡 금형 설계 및 해석을 실시한다.
45mm로 설계하였다. 그리고 십자 홈 부의 경우, 홈 길이 3.48mm, Fig. 5에서 십자 홈부의 깊이 0.63mm, 홈 각도 93° 로 십자 홈 부 가공을 설계하였다. 설계 치수에 부합하는 인플레이터 캡을 제작하기 위해 총 18단계로 딥 드로잉, 프레스, 홈 부 가공, 홈 부 치수 검사를 포함하는 공정도를 작성하였으며, Fig.
6에 해당 도면을 나타내었다. 그리고 해당 도면을 활용하여 드로잉, 프레스 공정에 한해서 해석을 실시하였다.
본 논문에서는 인플레이터 캡 제작용 금형의 1차 설계 및 해석을 통해 문제점을 파악하고 이를 반영 및 수정하여 2차 해석을 수행함으로써 적합한 금형을 설계하였다. 그리고 본 설계를 기반으로 시제품을 제작하고 검증하였다.
63mm, 홈 각도 93° 로 십자 홈 부 가공을 설계하였다. 설계 치수에 부합하는 인플레이터 캡을 제작하기 위해 총 18단계로 딥 드로잉, 프레스, 홈 부 가공, 홈 부 치수 검사를 포함하는 공정도를 작성하였으며, Fig. 6에 해당 도면을 나타내었다. 그리고 해당 도면을 활용하여 드로잉, 프레스 공정에 한해서 해석을 실시하였다.
7 #4에서 추후 대단경 가장자리 소재를 절단 및 제거(Edge Trimming)하기 위해 대단경 가장자리에 20° 굽힘 성형을 실시한다. 이 과정에서 대단경 가장자리 두께를 줄이기 위해 2단경으로 구성된 펀치를 사용하는데, 여기서 대단경 두께를 구성하는 부피가 가장자리 쪽으로 빨려 들어가 대단경의 두께가 최소2.495mm까지 축소되는 현상을 확인하였다(Fig. 7, #4- 1의 표시된 부분). Fig.
13mm 내에서 성형되어 1차 해석에 비해 높은 치수 정밀도를 가짐을 확인하였다. 이를 바탕으로 시제품을 제작하였으며 4장에서 가압 파열 시험 (Pressurizing Burst Test) 을 실시하였다.
1차 설계의 경우 이동식 금형(Transfer Mold)으로 설계한 후 공정 해석을 실시하였으며, 1차 해석 결과를 분석하여 발생한 문제점을 개선하고 2차 해석을 재차 실시하였다. 이를 바탕으로 시제품을 제작하였으며 4장에서 기존 제품과 제작된 시제품에 대하여가압 파열 시험(Pressurizing Burst Test)을 수행하여 각제품의 파열 압력을 측정하고 비교하였다. 이러한 분석을 통해 본 논문에서 제시된 에어백 인플레이터 캡의 기존 제품 대체 가능성을 확인하였다.
시험을 진행하였다. 이를 시행하기에 앞서 무작위로 22개의 샘플을 기존 제품 및 제작된 시제품에서 각각 추출하여 십자 홈 부의 두께를 측정하고, 각각의 경우에 두께 치수의 분포에 따라 얇은 두께그룹(Lower Sample Limit, LSL)과 두꺼운 두께 그룹 (Upper Sample Limit, USL)으로 분류하였다. 이와 같이 실험 대상을 분류한 것은 사실상 같은 공정으로 성형품을 제작하더라도 제작된 성형품 간 약 0.
7에서 표시된 부분과 같이 상대적으로 급한 곡률을 가질 경우, 소재의 국소부분을 압축하면서 소재 이방성이 심하게 나타나 상부와 하부 방향으로 소재 부피가 급격히 인입되어 비록 설계 치수에 맞는 다이를 사용하여도 설계와 상이하게 나타나는 것이라 사료되었다. 이에 따라 더 완만한 곡률을 갖는 펀치로 공정을 수정하고, 소재가 성형됨에 따라 소재 부피가 상부 및 하부로 빠져나는 것을 방지하기 위해 펀치를 다단경으로 구성하며, 다이를 상부에도 추가적으로 배치하여 소재가 금형과 펀치 내에서 성형되도록 하였다(Fig. 7#9와 Fig. 9 #5’ 참조).
제작된 시제품(Prototype)을 바탕으로 대단경 측 입구와 가압파이프를 연결시킨 뒤 공기압을 급속으로 가하여 인플레이터 캡의 십자 홈 부가 어떤 압력 및 시간에서 파열되는지 확인하기 위해 가압 파열 시험을 진행하였다. 이를 시행하기에 앞서 무작위로 22개의 샘플을 기존 제품 및 제작된 시제품에서 각각 추출하여 십자 홈 부의 두께를 측정하고, 각각의 경우에 두께 치수의 분포에 따라 얇은 두께그룹(Lower Sample Limit, LSL)과 두꺼운 두께 그룹 (Upper Sample Limit, USL)으로 분류하였다.
정리하였다. 파열에 이르기까지 걸린 시간은 압력 이 캡에 가해지기 시작하여 2000 psi 이상이 되는 시점에서 최대 압력 수준에 도달한 후 점차 캡에 가해지는 압력이 감소하여 14000 psi 수준에 최초로 도달하는 시점까지의 시간 간격을 파열에 걸린 시간으로 파악하여 측정하였다. 먼저 Table 3에서 USL 그룹의 파열시간이 LSL 그룹의 파열시간에 비허해Prototype의 경우 43.
1mm 가량의 오차가 항상 발생하는 점을 고려하여 실험 측정값(압력)의 통계적 신뢰성을 높이기 위함이다. 한 편, 두께의 측정은 Fig. 11과 같이 십자 홈 부를 기준으로 홈 부 좌측, 중앙, 우측에 각각 포인터를 두고 현미경으로 길이를 측정하였으며, 두께는 이 길이의 평균값으로 판단하였다. 이에 따라 제작된 시제품의 경우 최소 0.
해석은 LS-Dyna 상용 해석 프로그램을 사용하여 수행되었으며, 홈 부 가공, 홈 부 두께 측정 등의 대단경, 소단경, 끝 단 두께 치수 형성과 관련이 없는 부분에 대해서는 실시하지 않았다.

대상 데이터

2와 같이 직경이 다른 두 원통이 연결된 형상을 가지는데, 이러한 형태의 가공품을 제작하기 위해서는 프레스 및 딥 드로잉 공정을 거쳐야 하기 때문에 일반적으로 드로잉용 합금강을 재료로 사용한다[8, 9]. 따라서 본 논문에서는 기존의 에어백 인플레이터 캡에서 사용된미국 시험 재료 규격 드로잉용 합금강 ASTM A1008 DS Type 와 유사한 물성을 가지며, 미국 차량용 인플레이터 제작 요구조건 USCAR24 Inflator Technical Requirements and Validation에 부합하도록 Table 1 과같이 JIS G 3141 SPCC-S로 인플레이터 캡을 구성하는 재료를 선정하였다[10].
11과 같이 십자 홈 부를 기준으로 홈 부 좌측, 중앙, 우측에 각각 포인터를 두고 현미경으로 길이를 측정하였으며, 두께는 이 길이의 평균값으로 판단하였다. 이에 따라 제작된 시제품의 경우 최소 0.40mm에서 최대 0.51mm, 기존제품의 경우 최소 0.38mm에서 최대 0.46mm의 두께 치수를 확인하였으며, 이 두 그룹을 대상으로 실험을 수행하였다.

성능/효과

가압 파열 시험을 진행하였다. LSL 그룹의 경우 USL 그룹에 비해 파열 압력이 낮았고, 두께 및 파열 압력에 있어서 높은 표준편차를 보였다. 또한 파열 시간은 시제품과 기존 제품에 있어서 시제품이 미세하게 짧은 시간에 파열함을 확인하였고, LSL 시제품 그룹에서 높은 파열 시간 표준편차를 보였다.
가압 파열 시험을 통해 전반적으로 시제품과 기존 제품이 파열 압력과 파열 시간의 측면에서 유사한 경향성을 띠는 것을 확인할 수 있었으며, LSL 시제품 그룹의 경우 두 측면에서 표준 편차가 기존제품 그룹에 비해 높게 나타나지만 시제품 샘플이 양산용 장비가 아닌 시장비로 제작되었음을 감안하면, 더 균일한 치수 정밀도를 갖도록 수정된 양산전용 장비로 제작될 경우 충분히 기존 제품을 대체할 수 있을 것이라 판단하였다.
14 USL 그룹의 경우,기존 제품과 시제품의 파열 선도가 매우 유사한 경향을 띠어 기존의 제품을 충분히 대체할 수 있을것으로 판단하였다. 그러나 Fig. 13 LSL 그룹의 경우,각 경우 압력 선도의 일치율이 상대적으로 매우 낮았으며, 시 제 품과 기 존제 품의 파열 압력 이 각각22128 psi, 21724 psi로 약 404 psi 차이를 가져 USL 그룹의 경우 각각 25224 psi, 25096 psi로 차이가 약 128 psi인 것과 비교할 때 약 3배 이상의 차이를 보였다. 또한 Table 2의 LSL 시제품의 표준편차가 1666 psi로서 타 경우에 비해 매우 높음을 확인할 수 있었다.
64msec 길게 나타나 십자 홈 부의 두께가 직접적으로 파열에 걸리는 시간에 영향을 미침을 확인할 수 있다. 그리고 기존 제품과 시제품의 평균 파열 시간을 비교했을 때, 기존 제품이 LSL 그룹의 경우 4.37 msec, USL 그룹의 경우 9.20 msec 가량 시제품에 비해 미세하게 긴 시간 동안, 가해지는 압력 하에서 파열없이 견딜 수 있는 것으로 파악되었다. 그리고 시제품이 기존 제품에 비해 높은 표준 편차가 나타남을 확인할 수 있었다.
20 msec 가량 시제품에 비해 미세하게 긴 시간 동안, 가해지는 압력 하에서 파열없이 견딜 수 있는 것으로 파악되었다. 그리고 시제품이 기존 제품에 비해 높은 표준 편차가 나타남을 확인할 수 있었다. 특히 기존 제품 LSL 그룹의 경우, 9.
LSL 그룹의 경우 USL 그룹에 비해 파열 압력이 낮았고, 두께 및 파열 압력에 있어서 높은 표준편차를 보였다. 또한 파열 시간은 시제품과 기존 제품에 있어서 시제품이 미세하게 짧은 시간에 파열함을 확인하였고, LSL 시제품 그룹에서 높은 파열 시간 표준편차를 보였다. 본 논문에서는 이러한 현상을 두께 가공이 균일하게 이루어지지 못함에 따른 것이라 예상하고, 추후이를 반영하여 양산 장비 설계 및 제작을 실시하여 높은 치수 균일성을 갖는 제품을 제작하여야 한다고 판단하였다.
이를 바탕으로 시제품을 제작하였으며 4장에서 기존 제품과 제작된 시제품에 대하여가압 파열 시험(Pressurizing Burst Test)을 수행하여 각제품의 파열 압력을 측정하고 비교하였다. 이러한 분석을 통해 본 논문에서 제시된 에어백 인플레이터 캡의 기존 제품 대체 가능성을 확인하였다.
9 #5-1’과 같이 펀치의 형상을 더 완만하게 변경하여 성형이 더 많은 공정으로, 서서히 이루어 질 수 있도록 하였다. 이를 통해 Fig. 10 2차 성형 해석 결과를 얻을 수 있었으며, 대단경두께의 경우 설계오차 0.06mm, 소단경 두께의 경우 설계오차 0.13mm 내에서 성형되어 1차 해석에 비해 높은 치수 정밀도를 가짐을 확인하였다. 이를 바탕으로 시제품을 제작하였으며 4장에서 가압 파열 시험 (Pressurizing Burst Test) 을 실시하였다.
이러한 현상 역시 앞선 LSL 그룹 파열 압력 표준편차에 대한 해석과 같이 LSL 그룹의 시제품 제작 시 십자 홈 부 두께 성형이 균일하게 이루어지지 않은 것에 의한 것으로 예상하였다. 특징적으로 USL 그룹에서는 시제품과 기존제품간 파열시간의 표준편차가 약 90% 일치하여 앞서 동일 경우의 파열 압력 표준 편차의 측면에서보다 두 그룹 간의 더 높은 유사성을 확인할 수 있었다.

후속연구

3) 본 논문에서 이루어진 연구는 에어백 인플레이터 캡의 국산화를 위한 성형 기술 개발로서, 균일한규격의 제품 양산까지 아직 이루어지지 않았지만, 성형 기술의 국산화의 측면에서 유의미한 연구라고 판단되며, 추후 이를 구체화하여 양산용 전용 장비제작을 진행할 계획이다.

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