보고서 정보
주관연구기관 |
한국생산기술연구원 Korea Institute of Industrial Technology |
연구책임자 |
이근안
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-10 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201800039500 |
과제고유번호 |
1415141404 |
사업명 |
제조기반산업핵심기술개발 |
DB 구축일자 |
2018-11-03
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키워드 |
이형단면 차체용 부재.가변 롤 성형.전자기 성형.레이저 성형.융합점진성형공정.
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초록
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최종목표
1GPa급 이형단면 일체화 차체부품 융합점진성형 실용화 원천기술개발
o 1GPa 급 이형단면 연속제조를 위한 가변 롤 성형 (Flexible Roll Forming) 공정기술 개발
- 단면 형상 변화비(H=b/a) : 1.5 이상
* a,b : 성형 부품 내 단면변화 전·후 폭, 깊이, 곡률반경 등 특성길이 (Characteristic Length)
- 기존제품 성형대비 경량화 : 10% 이상
- 부품 수 감소율 (부품 감소 수 / 일체화 후 부품 수) : 100% 이상
o 이형단면 차
최종목표
1GPa급 이형단면 일체화 차체부품 융합점진성형 실용화 원천기술개발
o 1GPa 급 이형단면 연속제조를 위한 가변 롤 성형 (Flexible Roll Forming) 공정기술 개발
- 단면 형상 변화비(H=b/a) : 1.5 이상
* a,b : 성형 부품 내 단면변화 전·후 폭, 깊이, 곡률반경 등 특성길이 (Characteristic Length)
- 기존제품 성형대비 경량화 : 10% 이상
- 부품 수 감소율 (부품 감소 수 / 일체화 후 부품 수) : 100% 이상
o 이형단면 차체부품 정밀도 향상을 위한 무금형성형(전자기 성형․ 레이저 성형) 공정 및 응용기술 개발
- 설계치 대비 치수정밀도 : 0.5mm 이하
o 이형단면 일체화 차체부품 실용화를 위한 융합점진성형(FRF + 무금형성형) 제조공정개발
개발내용 및 결과
1. 가변곡률 점진성형기술 적용 1GPa급 이형단면 일체화 차체 범버빔 개발
(1) 이형단면 일체화 가변곡률 범버빔 형상 설계
□ 가변곡률 범퍼 빔 설계
- 범퍼빔 끝단부 가변 곡률 성형을 통하여 브라켓 삭제를 통하여 공정수 감소를 할수 있고 경량화의 효과를 얻을 수 있도록 설계함.
- 범퍼빔 일체화를 위하여 브라켓 삭제를 하였지만 충돌성능은 기존 범퍼빔과 대비하여 동등수준 이상이 될수 있도록 설계.
- 정면충돌 및 코너부 충돌 성능 향상을 위한 범퍼빔 단면형상 변경
□ 기존 범퍼 빔 대비 단면 강성을 키우기 위한 주요 설계 변수를 설정하여 최적의 단면 형상을 결정
<단면 최적화 결과>
※ 기존 사양 대비 약 10% 강성 증대 예상됨.
(2) 가변 곡률 범퍼빔 강성 및 충돌 특성 해석
□ 기존 부품 대비 이형 단면 부품에 대한 정하중 해석
- 정하중 성능시험에 대한 해석 수행 후 F-D Curve 비교를 통해 기존대비 가변곡률 범퍼 빔의 강성 비교 분석
- 가변 곡률 범퍼 빔(FCF) 시제품에서 주된 성능 요건 인자로 코너부 충돌 강성을 증대하기 위하여 IIHS 20% Offset 상품성 평가 법규 항목에 대하여 충돌성능과 중량절감을 목적으로 해석안을 도출하여 코너부 충돌 성능을 비교하였다.
4) 가변 곡률 성형장치 설계 및 제작
□ 가변 곡률 범퍼 빔 가변 롤 성형 장치 설계
- 해석을 통한 제품 성형시 필요한 하중 예측하여 모터 용량 및 제어 방식 결정
- 기존 양산라인에서 사용되고 있는 곡률 장치를 기준으로하여 양산라인에 실제 적용이 가능하게 설계 반영
- 양산라인에 적용이 가능토록 전기 및 제어부분 인터페이스 구축
□ 가변 곡률 부재 롤 점진 성형 공정 롤 금형 제어모듈 설계 및 제작
- 가변 곡률 범퍼빔 성형용 FCF(Flexible Curvature Forming)장치 제작 완료
- 기존 커브롤의 단점을 보완하여 초고강도강에 따른 커브롤 축경 증가 및 내구성 향상을 위한 설계를 하여 시제품 제작
- 가변 곡률 범퍼 정밀 제어를 위한 컨트롤러 제작
□ 가변곡률 범퍼빔 시제품 제작
o 형상정밀도 및 신뢰성 평가
- 가변 부 단면변화 : 2 이상
- 기존제품 대비 동등이상 충돌특성
2. 가변단면 융합 점진성형을 위한 가변 롤, 전자기 및 레이저 성형 기반기술 개발
1) 가변단면 융합 점진성형을 위한 가변 롤 성형 기반 기술 개발
(1) 이형단면 가변 롤 성형 공정기술 개발
□ 가변 롤 성형을 위한 초고강도 적용에 따른 특성분석
- 길이 방향 변형율만 검토한 결과 최대 0.06%정도의 준안정상태로 예상
- 좌우 방향에 대한 변형율 검토시 매우 불안정한 것으로 예상
- 좌우 비대칭형상 성형시 발생되는 편차 하중에 의해 비틀림 현상 발생
- 길이 방향 변형율 0.06%로 Over Bending 공정 추가시 길이 방향 변형율 약 0.08%까지 상승, wave등의 결함발생이 예상되어 금형 개선이 필요
- 길이방향 변형율이 상승되는 경향으로 실제 공정에서는 끝단 플랜지부에 wave 현상 가능
□ 가변 롤 점진 성형 공정의 영향도 분석 및 특성 평가
o 수식모델을제안 및 이를 이용한 특성 분석
- 제안한 수식모델을 활용하여 일반 롤성형 공정시 강종, 패스수, 다운힐양, 플랜지폭 등의 변수에 따른 롤포밍 특성을 분석하였으며 길이방향 변형율은 소재의 강도의 증가, 롤패스수의 감소, 다운힐양의 감소, 플랜지폭의 증가에 따라 증가 하는 것으로 나타남
- 제안한 수식 모델은 롤포밍 공정 특성을 잘 반영하는 것으로 판단됨
- 제안한 수식모델을 활용하여 가변 롤성형 공정시 형상에 따른 특성, 즉 단면부 폭, 측벽부 높이, 플랜지 길이에 따른 특성을 분석함
- 가변 롤 성형 공정시에는 단면부의 폭이 감소하는 형상이 길이방향 변형율 측면에서 유리하며 측벽부 높이 및 플랜지부 폭이 감소하는 형태일 경우 성형시 초기 성형 각도를 줄여 초반부 롤의 개수를 늘려야 하며 반대의 경우 성형 후반부 성형 각도를 줄여 롤의 개수를 늘려야함.
o 가변 롤 점진 성형 해석 기술 개발
- 성형 각도가 증가함에 따라 등가응력, 등가변형율, 파단지수가 증가하였으며 플랜지부 끝단에 변형이 집중되어 성형 각도가 클 때 주름이 예상되며 특히 직선부가 가변부로 변화하는 지점의 결함 발생 확률이 높음
- 주름에 의한 결함은 롤갭을 증가 시킴으로서 감소 시킬수 있으며 실공정과 동일한 연속적인 성형 해석 결과 안정적인 성형이 가능할 것으로 판단됨
o Lab-scale 가변 롤 점진성형 시험 장치를 이용한 특성 분석
- 해석 결과를 기반으로 한 공정 조건 설정 결과 블랭크 형상에 따른 성형각도 차이는 경향이 없었으며 취입부의 각도는 각 43.3˚, 58.3˚, 73.1˚, 후단부의 각도는 각 45.3˚, 60.8˚, 75.2˚로 나타나 취입부의 오차가 후단부의 오차보다 크게 나타났음. 취입부 및 후단부 각도 편차는 각각 2.0˚, 2.5˚, 2.1˚ 로 나타나 해석 결과 대비 86% 이상의 정확도를 나타내는 것으로 판단됨
(2) 이형단면 차체 부품 성형을 위한 주요 공정변수 설계 및 최적화
□ 가변 롤 성형을 위한 롤 경로 설계
o 블랭크 상의 성형라인 및 장치의 기구학적 구조를 고려한 롤 경로 설계
- 가변 롤 성형시 성형라인 및 장치의 기구학적 구조에 의해 발생하는 접점 변화를 고려, 롤 경로를 설정
□ 제품 형상에 따른 성형 특성 분석 실험 및 공정 설계
- 실 성형 대상 차체 부품 소재의 가변 롤 성형 특성을 비교, 분석함
- 목표 형상: 15mm의 측벽부 높이를 갖는 U-형 채널
- 각 단의 성형량 : 15˚
- 대상 소재: 440급 1.2t, 590급 1.2t, 1180급 1.2t
- 블랭크 형상
<좌-우 대칭 형상>
: 직선 형상 - 일정한 각도로 폭이 증가 또는 감소함 (5˚)
: 곡선 형상 - 일정한 곡률을 가지는 볼록 또는 오목형상(R3000)
- 직선 형상 성형시 모든 강종에서 외관상 특이 사항 없이 안정적인 성형이 이루어짐
- 후단부 성형 각도(목표 성형각도: 45˚)
: 440급 - 42.0˚, 590급 – 42.5˚, 1180급 - 39.0˚
- 볼록 형상 성형시 블랭크의 양 끝단부에 비하여 중심부가 볼록하게 튀어나옴
- 높이편차
: 440급 - 5mm
: 590급 - 1mm
: 1180급 - 11mm
- 후단부 성형 각도(목표 성형각도: 45˚)
: 440급 - 41.5˚
: 590급 - 42.0˚
: 1180급 - 37.0˚
- 오목 형상 성형시 블랭크의 양 끝단부가 비하여 중심부가 튀어나옴. 즉 블랭크는 전체적으로 오목한 형상을 나타냄
- 높이편차
: 440급 - 5mm
: 590급 - 8mm
: 1180급 - 10mm
- 후단부 성형 각도(목표 성형각도: 45˚)
: 440급 - 41.5˚
: 590급 - 41.5˚
: 1180급 - 36.5˚
(3) 가변 롤 성형 기술 안정화를 위한 실험기반 D/B 구축 및 안정화안 도출
□ 치수 결함 개선을 위한 성형 각도 설정
- 강종에 따른 특성을 살펴보면 동일한 성형량 변화시 SPFC590의 높이편차 변동폭이 SPFC1180의 변동폭보다 크게 나타남. 이는 각단의 성형량 변화에 대해 SPFC590이 SPFC1180보다 민감함을 의미하며 두 강종에 수치상으로 동일한 결함 발생시 SPFC590의 성형각도 변경폭이 SPFC1180의 변경폭보다 작아야 함을 뜻함
□ 휨 결함 억제 방안 연구
o 스탠드간 성형각 배분을 조절을 통한 형상별 길이방향 휨 억제 방안 제시
: 3단 스탠드를 이용하여 각 단의 성형각 배분을 조절 하여 블랭크 형상에 따른 길이방향 휨을 분석
: 스탠드 성형각이 길이방향 휨에 미치는 영향을 분석하기 위해 서로 다른 부하 배분 조건에서 실험을 진행함
: 첫 번째 스탠드와 마지막 스탠드의 롤 성형각도 고정
: 두 번째 스탠드의 롤 성형각도를 변경하여 성형각 조정
: 균등 성형 조건, 전반부 성형 집중, 후반부 성형집중의 세 가지 case를 이용함
- 각 조건 별 가변롤성형 실험
: 길이 방향 휨의 정도를 파악하기 위해 각 조건별로 가변롤성형 실험을 진행함
: 성형각 조정 패턴에 따라 길이 방향 휨에 미치는 영향이 달라짐
: Strain gauge 로는 모든 지점의 길이방향 변형률을 파악하기 어려우므로, FEM 해석을 통해 각 형상 별 최대 길이방향 변형률을 구하고 분석함
o 각 성형각 조건에 따른 블랭크 형상별 길이방향 변형률 분석
- 직선 형상
: 균등 성형 조건에서 최대 길이방향 변형률 값이 가장 낮으며, 후반부 성형 집중 조건에서 최대 길이방향 변형률 값이 가장 높음
: 성형각이 커지는 스탠드에서 최대 길이방향 변형률이 증가
: 직선 형상의 경우 플랜지부와 웹 부의 길이방향 변형률 분포 차이를 낮춰야 하므로, 균등 성형조건을 통해 길이방향 변형률을 낮춰주는 것이
필요함
- 볼록 형상
: 균등 성형 조건에서 최대 길이방향 변형률 값이 가장 낮으며, 후반부 성형 집중 조건에서 최대 길이방향 변형률 값이 가장 높음
: 볼록형상의 경우 플랜지 끝단부에서 압축변형이 발생하므로, 균등 성형각을 통해 인장변형이 발생하는 플랜지부에서의 길이방향 변형률을 낮춰주는 것이 필요함
- 오목형상
: 균등 성형 조건에서 최대 길이방향 변형률 값이 가장 낮으며, 후반부 성형 집중 조건에서 최대 길이방향 변형률 값이 가장 높음
: 오목형상의 경우 플랜지 끝단부에서 인장변형이 발생하므로, 길이방향 변형률이 가장 높게 나타나는 후반부 성형 집중을 통하여 길이방향 변형률을 높여 주는 것이 필요함
2) 가변단면 융합 점진성형을 위한 전자기 성형 기반 기술 개발
(1) 전자기 성형 공정 설계 및 해석 기반기술 개발
□ 1GPa급 DP강 소재의 속도 별 고속 변형 거동 및 성형성 평가
o 고강도 철강 소재의 고속인장 실험 및 고속 물성 모델 평가
□ 전자기장 분포 해석 기반 로렌츠힘-판재 성형 연계 해석 기술 개발
- 전자기장-변형 연계 해석을 통해서 비드 성형 문제를 해석하였음. 회로 모델을 이용하여 전류파형을 계산하고 이를 이용하여 전자기 해석을 수행하여 판재에 작용하는 자기압력 이력를 계산함. 이를 이용하여 비드 성형해석을 수행하였음.
- 전압 8kV 인 경우 실험으로 측정한 단면과 해석으로 예측한 단면을 비교할 때 가장 높은 곳의 높이를 기준으로 측정값은 6.9mm, 예측값은 8.1mm 이며, 해석 오차는 17%, 해석정밀도는 83% 임.
□ 전자기 성형공정을 위한 Capacity, 유도 코일 등 핵심모듈 설계
- 도면 대로 전기부 외관 형상과 주요 전기 회로를 설계 후 제작하였음.
(2) 전자기 성형공정의 차체부품 적용 요소기술 개발
□ 비드 성형 공정에서의 성형 품질 평가
[초고강도강] 2차년도 제작한 원형 spiral 코일을 이용하여 초고강도강 DP780 및 DP980 강판의 전자기 성형 실험을 수행하였음. 초고강도강의 성형을 위해서는 매우 높은 에너지가 필요며 이를 위하여 매우 높은 코일 금형의 강도가 필요함. 2차년도 제작한 원형 spiral 코일의 경우 코일금형 강도가 높지 않아 인가 충전 전압 5kV 이상의 성형이 불가능하였음. 5kV 이하에서 인가 충전 전압으로 초고강도강 성형을 위하여 배면판을 적용하여 성형 하였으며 이를 통하여 장비의 작동성을 평가하였음.
- DP780 강판을 이용하여 인가 충전 전압 2kV, 3kV, 4kV, 5kV에서 배면판 적용 영향을 살펴보았음. 배면판을 미적용 하였을 경우 2kV에서 성형 높이는 0.71mm으로 성형의 양이 매우 작았으며, 5kV에서는 성형 높이 3.21mm 성형이 이루어 졌음. 배면판을 적용하였을 경우 인가 충전 전압 2kV에서 성형 높이 3.85mm, 4kV에서 7.32mm 성형이 이루어 졌으며, 5kV에서는 완전 파단이 일어났음.
- DP980 강판의 경우 배면판을 적용하여 인가 충전 전압 2kV, 3kV, 4kV, 5kV에서 비드 성형을 수행하였음. 인가충전 전압이 높아질수록 성형 높이가 높아졌으며 인가충전 전압 2kV~4kV에서는 파단 없이 성형이 되었으나, 5kV에서는 다이 코너부에서 크랙이 발생하였음. 5kV에서 배면판 적용 성형시 성형 높이는 7.16mm였으며, 배면판 미적용 시 성형 높이는 2.18mm 이었음. 참고로 알루미늄 AA5J32의 경우 인가 충전 전압 2kV에서 성형 높이 8.51mm이었음.
□ 전자기 성형을 통한 비드 성형의 실험 및 해석기반 주요 공정변수 분석
o 해석기반 실 부품 적용 시 성형 가능성 분석
- Spiral 형 코일에 MBR CTR FLR SIDE의 하부(B) 면비드를 성형한다고 가정하고 금형을 설계하고 FEM 해석 모델을 제작함. 상부 금형은 닫힌 금형(close die)으로 설계하였음.
- 성형 해석 결과 변위형상과 두께분포를 얻을 수 있었으며, 두께변형율 30% 파단 기준을 적용하였을 경우 파단없이 목표 높이 성형 가능한 조건은 15mm x 7.5mm x 100mm에 대해서 5kV 조건임. 다른 조건의 경우 목표성형 높이로 성형이 불가능하거나, 성형후 파단이 일어
남을 확인하였음.
o 해석기반 실 부품 비드 설계안 제시
- 실부품 Member Center Floor Side의 설계를 위해 여러가지 경우의 비드에 대한 해석을 수행하여 그결과를 성우하이텍에 피드백 하였음. 강판소재는 상자성으로 가정하였음. 성우하이텍으로부터 4가지 초기 설계안을 받았으며 각 비드의 크기는 다음과 같음.
(3) 차체부품 연속 점진성형을 위한 전자기 성형 공정의 융합화 기반기술 개발
□ 이형단면 차체 부품 적용을 위한 전자기 성형기술 정형화
o 고강도강판의 전자기 성형 모드 구현 모의 성형 실험
- 고강도강 3종에 대해 파단 시까지 강성비드 성형을 유도하여 파단 거동을 평가 하여 정리하였음. 고강도강피가공재와 알루미늄 배면판의 성형 한계 물성의 차이에도 불구하고 동일 인가 전압에서 파단이 동시에 일어남을 확인할 수 있었음. 인가전압에 따라 전자기 에너지 증가로 인하여 성형 높이가 점차 증가하였으며 인가전압에 따른 성형 높이는 선형적으로 증가하였음.
□ 이형단면 일체화 차체부품 전자기 성형 적용 및 평가 (Batch Type)
o 사이드 실 부품 강성 비드 성형
- 초기에 사이드 실 부품에 비드 성형을 하기 위한 금형형상을 직육면체로 설계하였음. 최적의 성형높이를 정하기 위하여 일단 개형(open cavity) 형식의 금형으로 설계하였고, 설계 후 상용 해석 프로그램인 LS-DYNA를 통해 전자기 성형해석을 하여 사이드 실 부품에 강성 비드성형이 원활히 이루어지는지 분석함.
- SPFC1180 (CP1180) 사이드 실의 경우 AA1050 배면판을 적용하여 인가 충전 전압 4.7kV, 6.4kV, 8.2kV, 9.6kV에서 비드 성형을 수행하였음. 인가 충전 전압이 높아질수록 성형 높이가 높아졌음.
3) 가변단면 융합 점진성형을 위한 레이저 성형 기반 기술 개발
(1) 레이저 성형 공정 설계 및 해석 기반기술 개발
□ 레이저 성형 모사를 위한 유한요소 해석 기법 정립
- 열전달 및 변형해석을 연계하기 위한 유한요소 모델링 조건으로 일반적으로 열전달-구조해석에 사용되는 솔리드 요소와 판재 성형해석에 많이 사용되는 쉘요소에 대하여 laser forming 굽힘변형 해석을 수행하고 요소에 따른 해석시간, 온도 및 변형결과를 비교 1kW의 출력과 2.0m/min의 이송속도로 레이저가 조사되는 조건으로 해석을 수행한 결과, 온도 분포 및 굽힘각에서는 솔리드 요소(최고온도: 1213℃, 굽힘변형각: 1.38˚)와 쉘요소(최고온도: 1197℃, 굽힘변형각: 1.32˚)의 차이가 거의 없으나 해석시간은 Intel Core2 Quad CPU를 기준으로
약 26hr와 1.3hr로 쉘요소가 해석의 효율적 측면에서 나은 것으로 판단됨
□ Strip 형상 모델에 대한 주요 공정변수 별 영향인자 분석을 위한 모델해석
⦁ (성형조건) 빔 조사출력 : 500W, 이송속도: 2m/min
⦁ (온도분포 결과) DP980시편에 대하여 시편 중앙에서의 시간에 따른 온도변화를 조사한 결과, 빔 직경이 감소(5.2mm→3.0mm→2.0mm)함에 따라 동일한 에너지가 좁은 영역에 집중되어 최대온도(약 500°C→900°C→1000°C) 및 온도에 따른 두께방향 온도구배 (약 200°C→600°C→700°C)가 증가함을 확인
⦁ (굽힘변형 결과) 빔직경의 변화에 따른 굽힘변형을 조사한 결과, 빔 직경이 감소(5.2mm→3.0mm→2.0mm)할수록 높은 온도구배에 따라 굽힘각이 증가 (0.15°→0.28°→0.69°)하는 경향을 보임. 이는 레이저 출력이 작거나, 이송속도가 높을 경우에 빔 조사반경의 변화를 통해 시편의 변형을 유발할 수 있음을 의미한다.
□ Channel 형상 모델에 대한 주요 공정변수 별 영향인자 분석을 위한 모델해석
⦁ (변형형상) 다양한 에너지 조건에서 유한요소 해석을 통해 형상보정 정도를 평가한 결과, 1회 조사 시 굽힘변형에 의해 약 1˚ 정도의 형상보정이 이루어지며, 동일 빔 반경을 기준으로 에너지가 높아지면 형상보정량이 증가. 그리고 1.0kW 동일 출력에서 빔반경을 감소(5.0mm→3.0mm)시킬 경우에 빠른 이송속도(2m/min→5m/min)에서도 시편에 부가되는 line energy는 작지만 유사한 형상보정이 가능할 것으로 예측됨
- 두께 1.4t DP980 소재 U-shape 시편
(75mmX25mmX120mm)에 대하여 조사출력, 이송속도, 빔 직경을 아래와 같이 변화하여 플랜지 부의 굽힘변형에 따른 형상보정 특성을 분석
(2) 레이저 성형공정의 차체부품 적용 요소기술 개발
□ 레이저 점진성형 장치 제작 및 정밀도 향상을 위한 제어모듈 개선
․ Laser source: IPG사 1kW급 Fiber Laser (YLS-1000) 장착
․ 변형량 측정: 레이저 성형 후 성형각도를 측정할 수 있도록 2차원 레이저 변위 센서를 장착. 고속(3.8ms)의 샘플링 속도와, 다양한 형상의 제품에 대응하기 위하여 측정 범위 영역이 200±48mm 인 센서를 장착함
□ Lab-scale 레이저 성형을 통한 실험기반 주요 공정변수 분석
o SPFC1180 Strip 시편의 주요 에너지 변수 별 레이저 성형 시험
- 본 과제에서 레이저 성형을 적용하고자 하는 멤버류의 적용 소재인 SPFC 1180 에 대하여 Lab scale 성형장치를 이용하여 주요 에너지 변수를 달리하여 실험을 수행
․ (공정조건) 빔 직경, 레이저 출력, 이송속도를 각각 3가지 씩 달리하여 총 27가지 경우에 대하여 5회 반복실험 후 각 조건에 따른 시편의 굽힘각 측정
빔 직경: 3mm, 5mm, 8mm
레이저 출력: 500W, 750W, 1000W
레이저 이송속도: 2.0 m/min, 5.0 m/min, 10.0 m/min
․ (실험결과) 동일한 빔직경에서는 출력이 높고, 이송속도가 낮을수록 시편에 부가되는 에너지량이 높이서 변형량이 증가. 동일한 출력에서는 빔직경이 작고, 이송속도가 낮을수록 변형량이 증가하는 경향을 보임. 즉 시편의 변형량은 출력에 비례하고 이송속도 및 빔직경에 반비례하는 경향을 보이고 있음
․ 반응표면법을 이용한 굽힘각 예측 및 목표치에 대한 공정조건 도출
․ 반응표면법 해석을 수행하여 본 과제에서 수행한 실험결과 이외의 공정조건에서 발생되는 굽힘각을 예측 가능
․ 또한 임의의 굽힘각 목표치를 선정하면 그 따른 최적의 공정조건 도출 가능
□ 모델 시제품 대응 SPFC1180 V자형 Bending 시편의 레이저 형상보정 시험
- 롤 포밍 된 이형단면 차체부품의 형상보정에 레이저 성형공정을 적용하기 위한 기초연구로 롤 포밍에서의 메커니즘 (굽힘 변형)을 바탕으로 V형 시편에 대하여 레이저 조사에 따른 특성 평가
- 롤 포밍 차체 부재의 경우, 성형과정에서의 pre-strain에 의하여 hardening이 이미 되어 있기 때문에 이러한 hardening 특성이 레이저 성형에 미치는 영향을 분석하기 위해 2가지 (95˚, 135˚) 변형각을 설정
⦁ 시편 : SPFC1180Y 1.2t (Bending 가공 95˚, 135˚)
⦁ 실험 조건 : V Bending 시편(95˚, 135˚) 형상 조건별 각각 5회 반복 실험
o 모델 시제품 대응 SPFC1180 Channel형 시편의 레
이저 형상보정 시험
- 롤 포밍 된 이형단면 차체부품의 형상보정에 레이저 성형공정을 적용하기 위한 기초연구로 실제 롤 포밍 된 Side Sill 부재에 대하여 레이저 형상보정 시험 수행
- SPFC1180Y Side Sill 부재를 아래와 같이 길이 200mm로 wire cutting 하여 시편을 제작한 후 Lab-scale 레이저 성형장치를 이용 곡률 부에 레이저를 조사, 변형각을 측정
- 시편 : SPFC1180Y 1.2t (모자형 channel 시편)
- 실험 조건 : 각각 조건별 3회 반복 실험
․ 앞선 시험들과 마찬가지로 선 에너지가 클수록, 동일한 선 에너지에서는 고속, 고출력일수록 굽힘각이 크게 나타남
․ Bending가공 각도가 클수록 성형성은 감소하였으며 초기 변형률에 따라 시편의 굽힘각이 감소하는 경향을 보임
(3) 이형단면 차체 부품 적용을 위한 레이저 성형기술 정형화
□ Lab-scale 레이저 성형시험 결과 분석 및 최적화 기법을 이용한 레이저 성형변수에 따른 특성 예측
- (공정변수 및 실험조건) 레이저를 이용한 판재 성형에서는 레이저 출력, 이송 속도, 빔 직경, 조사위치, 조사횟수, 시편의 크기 및 기타 환경적인 변수 등 다양한 공정변수들이 존재한다. 이러한 공정변수들이 복합적인 상호작용을 통해 레이저 성형 각도의 영향을 미치기 때문에 원하는 성형각도를 얻기 어려운 점이 많이 발생하게 된다. 본 실험에서는 레이저 성형공정에서 성형 에너지와 관련된 가장 중요한 변수인 레이저 출력 (laser power), 이송속도(scan speed), 빔 직경 (beam size)을 실험인자로 선정하고 각 인자 별 3수준으로 레이저 굽힘 성형 실험을 수행하였으며 각각의 실험조건별로 5회 반복 실험을 수행하여 총 135회의 실험을 수행 하였다.
⦁ 위의 그래프는 선 에너지 및 에너지 밀도 개념으로 레이저 출력 500W 조건의 실험결과를 나타낸 그래프이다. 도시한 바와 같이 이송속도가 같은 조건일 경우 선 에너지가 같아지기 때문에 이송속도와 빔 직경이 작아 질수록 굽힘각의 성형특성이 좋아 지는 특성은 볼 수 있지만, 이를 통해 굽힘각 성형특성을 판단하여 필요한 레이저 성형 조건을 얻기에는 어려운 점이 있다.
- (최적 공정변수 결정을 위한 반응표면 구성) 본 연구에서는 목표 굽힘각에 대한 최적의 실험 인자를 찾기 위하여 반응표면분석을 수행하여 다음과 같이 굽힘각에 대한 회귀식을 도출 하였다 이는 코드화 되지 않은 식이며, 여기서 X는 레이저 출력 (Laser power), Y는 이송속도(Scan speed) 그리고 Z는 빔직경(Beam size)을 나타낸다.
- (재연실험을 통한 검증) 앞서 반응표면법을 이용하여 도출한 목표치의 실험조건을 검증하기 위해 재현시험을 수행하였다. 실험조건은 레이저출력 1000W, 이송속도 4.2m/min, 빔 직경 4.5mm이며 5회 반복실험을 수행하여 반응표면법 결과인 1.4703˚와 비교하였다. 아래는 은 재현실험 결과와 실험한 시편 사진이다. 실험 결과 5회 반복실험의 평균 굽힘각은 1.566˚로써 반응표면법 목표치인 1.4703˚와 비교하여 0.0957˚로 약 0.1˚의 오차를 보이며 목표치에 대하여 비교적 정확한 재현실험 결과를 얻을 수 있었다.
3. 가변단면 융합 점진성형 적용 1GPa급 이형단면 일체화 차체 멤버류 개발
1) 이형단면 일체화 가변단면 멤버 센터 플로어 사이드 설계 및 해석
(1) 점진성형 공정 적용 일체화 차체 부품 모듈기반 부품 설계 최적화
□ 가변단면 부품 선정 및 설계 (Member Center Floor Side)
- Member Center Floor Side의 소재를 고강도강을 적용하여 기존 소재에 필요한 Reinforcement의 삭제하여 경량화의 효과를 얻을수 있도록 설계를 진행함.
- 소재 강성 증가에 따른 Reinforcement 불필요 및 아이템의 두께 감소 효과 발생
- 두께 및 Reinforcement 삭제에 따른 경량화 효과 발생
□ 연계 해석을 통한 일체화 차체 모듈기반 강성·구조 강성 특성 평가
- 가변 단면 멤버 OEM 스펙 처짐 강성 해석 평가
- 차량의 Underbody 해석 모델 구성 및 해석 조건은 아래와 같이 구성하였다.
- 처짐 강성 평가 결과, 기존 사양 및 무금형(EMF) 공법 적용 가변 단면 사양(FRF) 모두 OEM 스펙(변위 2mm이내)을 만족하였으며 동등 수준의 처짐 강성을 나타냄.
- 기존 멤버 사양 및 무금형(EMF) 공법 적용 가변 단면 멤버 사양별 동강성 해석을 수행한 결과, 기존 사양 모델에서 회전(Torsion Mode) 강성이 우수한 것으로 나타남
- 기존 사양 및 가변 단면 멤버 동강성 고유 모드 종합 결과표는 아래와 같다.
(2) 일체화 가변 단면 멤버 센터 플로어 사이드 점진 성형 해석
□ 가변 롤 융합 공정 기반 확보
o 이형단면 일체화 차체부품 제품 설계를 위한 점진 성형 해석(구동/성형해석)
- 차체 부품 가변 롤 장치 개선을 위한 구동 해석 (1~10단)
□ 차체 부품 제품 설계를 위한 점진 성형 해석(1~10단)
o 이형 단면 차체 부품에 대한 초기 블랭크 형상 예측 및 설계 피드백
- One-step 해석(Reverse Folding/Un-folding) 적용 초기 블랭크 사이즈 예측
- 점진 성형 해석을 통한 제품 초기설계안(Base)에 대한 성형성 평가
□ 차체 부품 제품 설계를 위한 점진 성형 해석(1~15단)
- 점전 성형 해석을 통한 제품 개선안(Prototype)에 대한 성형성 평가(1~15단)
2) 일체화 가변단면 멤버 센터 플로어 사이드 성형을 위한 가변 롤 성형장치 설계 및 제작
- 1차 FRF장치 설계 도면을 바탕으로 정교한 곡선 성형실현을 위하여 곡선부 프로파일 회전 성형과 동시에 연속 성형이 가능하도록 구동부 및 회전 성형부에 서보모터 및 서보 드라이브를 적용하여 정교한 성형을 할 수 있도록 각 성형단 상/하 및 피더부, 곡선 성형부인 턴테이블부에 서보 모터로 미세한 성형 및 연속 성형이 가능하도록 2차 설계를 진행함.
- 2차 장치 설계 도면 (최종)
1) 메인 베이스 : 가변 단면 롤포밍 모듈 안착부
2) 가변 단면 롤포밍 모듈 : 가변 구간 형상 제어 (X,Y, 회전축 제어)
- 좌/우 슬라이딩 이동(유량 제어 서보 밸브)
- 직선 구동부(서보 모터 타입)
- 회전 성형부 서보 모터 타입
3) 롤 성형 구동부 : 단면 형상 및 단계별 성형
- FRF장치 성형부로서 두 개의 롤러를 이용하여 시제품의 형상에 따라 롤러의 궤적을 가변적으로 움직이며 성형 속도에 따라 성형부의 궤적이 연동되도록 설계함.
- 성형부 롤러는 성형 속도에 따라서 독립적으로 구동을 할 수 있게 되어 있고, 구동 롤러부는 전/후 이동을 하고 좌/우로 회전을 할 수 있어 다양한 단면의 아이템을 제작할 수 있도록 설계됨.
- 제품이 성형되면서 유동을 억제하기위한 피더 장치를 제작하고 롤과 롤 사이의 간격을 최소화 할수 있게 설계함.
- FRF장치의 성형부는 롤러를 구동하는 서보모터와 성형부를 전/후진 하는 유압모터로 구성되어 있고 성형유닛의 회전을 담당하는 서보모터가 아래쪽에 장착되어 3가지 모터가 성형 속도에 따라서 연동적으로 구동하도록 설계 됨.
- 위 그림과 같이 FRF장치 설계시 플랜지 성형단중 5단 롤러부는 다른 성형단과 다르게 끝단부 오버벤딩 및 회전시 금형 간섭을 회피하는 기능을 탑재하여 설계를 진행함. 상단부 금형에 서보모터 적용 대신 금형 각도를 조절하여 벤딩량 및 구동/성형 최적화 설계를 적용함.
- FRF장치중 플랜지 성형 최종단인 5단은 성형 형상 최적화 및 연속 성형시 금형 간섭을 회피하기 위해서 금형 형상 및 장치 구성을 상단 서보 모터 대신 금형 각도를 조절할 수 있도록 아래의 그림과 같이 설계를 진행함.
- FRF장치 성형부 구성은 아래의 그림과 같다.
1) 롤 금형 : 상/하단 인서트 타입
2) 각도센서 : 최대/최소각 구동 진행 역방향 ±45˚
3) 서보모터 : 최대 각속도 1.6rad/sec
- 1kw 2000rpm 직선 방향 성형 및 구동
- 5kw 2000rpm 회진 방향 성형 및 구동
4) 서보모터 제어 감속기
- 성형 롤러부 감속비 1:25, 정격 토크 320kg*m 회전 턴테이블부 감속비 1:129, 정격 토크 18.36kg*m
5) 유압 실린더 및 포지션 센서 : 내경Φ70, Stroke 160mm
6) 유량 제어 서보 밸브 : 유량 3 l/min~63 l/min, 14bar ~ 315bar
- 위의 그림은 직선 성형부 구성도 이다.
1) 상부 위치 조절 : 위치 조절 나사와 인디케이터 탑재
2) 하부 취치 조절 : 위치 조절 나사와 고정 너트 타입
3) 상/하부 롤 장차 샤프트 : 중실봉 타입 Φ70
4) 측정자 : 롤 금형 상/하 위치 표시
5) 서보 모터 및 감속기 : 롤 금형 회전 구동 및 속도 조절
- 다음은 FRF장치 소재 피더부 구성은 아래의 그림과 같이 구성 되어있다.
1) 서보모터 : 최대 각속도 1.6rad/sec
- 1kw 2000rpm 직선 방향 성형 및 구동
2) 서보모터 제어 감속기
- 성형 롤러부 감속비 1:60, 정격 토크 320kg*m
3) 가압 실린더 : 성형시 공압으로 상부피더 이동 및 가압
4) 엔코더 : 롤러를 이용한 구름 이동량 측정
5) 가이드 : 소재 센터부 위빙 방지
- 위의 그림은 직선 피더부 구성도 이다.
1) 피더롤 : 우레탄 소재 적용 내부 가이드 원활한 진입 역할
2) 판재 감시 센서 : 판재 성형 방향 및 유입 여부 판단 및 제어
3) 내부가이드 : 설계시 그라파이트 소재 적용하여 소재의 원활한 진입 유도
4) 실린더 복귀 센서 : 실린더의 작동 범위 설정 및 구동 신호 제어로 구성
- 다음은 FRF장치 BLANK 소재 초입 피딩부 구성은 아래의 그림과 같이 구성 되어있다.
1) 컨베이어 롤러 : FRF장치 1단 피딩 장치 진입 로드 (롤러 컨베이어 타입)
2) 리니어 모션 가이드 : BLANK 고정후 소재 자동 진입 구동 방식 위와 같이 본 과제 FRF장치는 성형부, 피딩부, 구동부, 소재 진입 컨베이어, 플레임부로 컨셉 확정되었고, 각 장치를 ASSEMBLY하여 장치 상세 설계를 완료하였다.
(3) 가변 롤 성형 장치 및 롤 금형 제작
□ 가변 단면 차체용 부품 롤 점진 성형 장치 제작
- 위의 1, 2차에 걸친 기구 설계 상세 구성도를 바탕으로 성형부 및 피딩부를 조합하는 가변 단면 성형 장치(FRF) 장치 제작
· 위의 그림은 FRF장치 구성품중 바닥면 및 각 장치 고정 및 위치 선정 역할을 하는 프레임부 제작 과정이다. 각 프레임부 성형부 및 피더부 그리고 전체 장치 바닥 고정부로 구성되어져 있다.
· 다음 아래의 그림은 FRF장치 구성품중 각 장치 조립전 플레이트 기구부 구성품 제작 현황으로 플레이트부는 성형부, 피더부로 크게 구성되어져 있고 롤러 구동부 및 가이드부로 나누어 제작
□ FRF 롤 금형 설계 최적화 및 제작
- 아래의 그림은 FRF장치 프로세스중 성형부 핵심 기술인 금형 성형 형상 프로파일다.롤 금형이 순차적으로 곡선 및 슬라이딩을 통해서 최종 형상을 점진 연속 성형을 할 수 있도록 설계 및 제작 수행.
- 롤 금형을 이용하여 점진 연속성형을 할 수 있도록 고안이 되었고, 단면의 형상을 변화시킬수 있도록 롤 금형을 좌/우 파팅하여 독립적으로 구동 및 성형을 할 수 있도록 제작하였다. 상/하 롤 금형을 장치에 조립 및 장착을 하면 플라워 형상의 엣지부를 성형할 수 있는 특징을 가지고 있다.
- 위의 그림은 실제 FRF장치에 제작되어진 롤 금형을 탑재시킨 사진이다. 좌우 구동단의 롤러가 분리형으로 되어 있고 상사 롤러가 엣지부분을 잡고 기존의 면성형을 대체하여 엣지성형을 할 수 있도록 금형을 제작하였다.
(4) 가변단면 차제부품 1차 시제품 제작 및 개선사항 도출
- 위의 그림은 가변 단면 성형 장치(FRF)를 이용하여 제작한 시제품 형상이다. 초기 레이저 컷팅을 통한 블랭크 형상 소재를 투입하여 1차 플랜지 성형 후 2차 딥드로잉 성형을 통해서 최종 Member Center Floor Side 차체 부품을 제작하였다.
- 현재 개발되어진 가변 롤포밍 장치는 총 10STEP으로 구성이 되어져 있다. 일반적인 롤포밍의 경우 초고장력강(1180Mpa급 이상)의 경우 30단~35단을 기본으로 하여 연속적으로 롤성형을 하고 있다. 현재 성형성을 확보하였으나, 현재 10단으로 성형후 제품에 대한 품질 확보에 한계가 있다
(5) 가변단면 차제부품 성형품질 향상을 위한 가변 롤 성형장치 개선
- 기존의 10STEP으로 시제품 성형시 단별 성형 각도가 가혹하여 벤딩시 응력 집중으로 인한 금형 손상 및 성형시 버클링, 트위스트등으로 인하여 제품의 품질을 저하시키는 결정적인 원인으로 분석되었다. 그래서 제품을 안정적인 성형 각도를 선정하여 총 15단으로 구성되었고, 장치
는 성형장치와 피더 장치로 구성이 되어있다. 블랭크 소재를 투입하여 연속 점진 롤성형을 통하여 제품을 만들어서 배출하는 구조로 되어있다.
· 구동방식 : 성형부/제어모터 통합관리
· 제어방향 : Y/Z/회전축, 틸팅
· 투입부 : 판재 자동 투입(센터정렬, 폭제어), 2장 로딩 감지(로드셀), 적재대 자동 피딩
· 성형부 : 기존단 최대 성형 폭 변경(320mm→600mm), 증단부 Z축 및 틸팅 적용, 피더부 최적화
- 추가 5단에 대한 롤금형 설계 및 제작
- 최종완성된 라인은 아래 그림과 같음
3) 일체화 가변단면 멤버 센터 플로어 사이드 성형을 위한 전자기 성형 기술 개발
□ 실부품 대응 전자기 성형 시스템 설계 제작
o 파일롯 규모의 전자기 성형 장비 설계 제작
- 1단계(1~3차년도) 수행한 연구로 확보한 전자기 성형장비 개발 노하우를 바탕으로 파일롯 규모의 전자기 성형 장비를 설계하고 제작 중임. 가변롤 포밍과 연계하여 연속 성형구현을 위한 전자기 성형 장비 제작하고 이를 참여기업 성우하이텍에 설치할 예정임. 따라서 참여기업 성우하이텍에서 제시한 레이아웃과 전자기 성형 장비의 활용성에 대한 의견 수렴을 통하여 사양 결정.
- 전자기 성형 장비는 크게 4개 부분으로 구성되어 있으며 이는 전원 펄스 파워 부, 에너지 캐패시터 뱅크 부, 리모트 컨트롤러 부, 코일 액츄에이터 프레스 부로 구성됨. 각 부분별로 성우하이텍과 협의를 통하여 개선되어야 할 사항으로 다음과 같이 정리하여 설계를 추진함.
□ 강성 비드 성형을 위한 코일 액츄에이터 설계 제작
- 앞서 비드 성형 높이를 증가시키기 위해선 넓은 알루미늄 배면판을 사용해야 한다는 것을 알았음. 그러나 넓은 알루미늄 배면판을 완벽한 구속 없이 사용 할 경우, 배면판의 비 구속된 영역의 고속 변형으로 인해 부품에 손상이 가고 사용자 안전을 위협할 가능성이 있기 때문에 완벽하게 구속시켜줄 금형이 필요하다는 것을 알게 되었고, 변형 억제용 금형을 설계하였음.
- 사이드 실 억제용 금형을 제작하여 비드 성형용 금형과 사이드 실을 함께 조립 한 후 코일 엑츄에이터에 장착하여 전자기 비드 성형 실험을 수행하였음. 인가전압을 4.73kV에서 8.22kV까지 증가 시켜 실험을 진행하였고, 앞서 수행한 전자기 해석 결과와 마찬가지로 사이드 실하단 부 곡면 부분은 변형 억제용 금형이 완벽하게 잡아주지 못하기 때문에 배면판의 변형이 다소 일어난 것을 확인 할 수 있음. 또한 인가전압 8.22kV에서 배면판 파단이 일어나 차후 더 고전압에서 전자기 성형을 하려면 사이드 실 곡면부의 변형까지 모두 억제 할 수 있는 금형을 제작해야 될 것으로 사료됨.
(2) 융합점진성형공정 적용 이형단면 일체화 차체부품 실용화 기술 개발
□ 공정 통합을 위한 전자기 성형 장치 완성 후 가변롤 성형 장치와 연계 배치하여 시제품 제작
o 가변롤 성형 장치와 연계할 전자기 성형 장치 완성
- 효율적인 장비 사용을 위한 캐패시터 스위칭(206㎌/412㎌/618㎌/824㎌) 및 입/출 전압 데이터 연계 시스템 설계 및 제작하여 전원 장치 부 완성.
- 레이져 성형 장치에서 취출된 시제품이 전자기 성형 장비로 자동으로 장입 가능하도록 자동식 시제품 장입 용피더를 제작.
- 기존 1~3차 년도에 사용하던 랩 스케일 용 전자기 성형 프레스의 경우 홀더의 형태가 수동식 기계 프레스였기 때문에 자동화가 불가능한 형태임.
- 따라서, 4~5차 년도에 새로 제작한 전자기 성형 프레스의 경우 인라인 자동화를 고려하여 자동식 기계 프레스 형태로 설계/제작 함.
- 장비 구동자의 안전을 위해 프레스 성형 외곽부에 방호벽을 설치 완료함.
- 인라인 자동화를 위해 MBR CTR FLR 실 부품 비드성형 용 금형 설계 시 배면판 자동 투입이 고려되었음. 즉, 최하부 배면판 홀더와 하부 다이 사이에 배면판이 자동 유입되고 실부품 장착 시 상부에서 비드 성형 용상부 다이가 가압할 때 하부다이와 배면판을 동시에 가압하도록 설계/제작 되었고, 설계된 금형 외형은 다음과 같음.
- 리모트 컨트롤러에 실시간 전류/전압 파형을 측정할 수 있는 기능을 추가하였고, 인라인 구동을 위한 I/O제어보드가 내재되어 있어 이후의 연속 성형 공정을 수행 시시제품 장입 상태와 현 장비 상태 등의 정보를 교환 할 수 있음.
- 또한, 전원부와 캐패시터 뱅크 그리고 프레스 부 사이의 고압 배선을 플렉서블 케이블로 구성하여 인라인 장비 배치 시 레이아웃의 유연성을 확보함.
- 가변롤 성형 장치 및 레이져 성형 장치와 인라인 연계된 전자기 성형장치 부는 자동식 시제품 장입 용 피더, 인라인용 자동식 기계 프레스를 포함한 전자기 성형 장비, 배면판 자동 유입을 고려한 실부품 비드 성형용 금형으로 이루어져 있고, 그 배치 형태는 다음과 같음.
- 인라인 자동화를 위해 성우하이텍 R&D연구소에 다음과 같이 가변 롤 성형 장치-레이저 성형 장치-전자기 성형 장치를 연속 배치 후, 각 장비 사이에 로봇을 배치하여 공정 연계를 시켰고, 그 외형은 다음과 같음.
o 인라인용 전자기 성형 장비 성능 평가
- 기존의 랩스케일 용 전자기 성형 장비의 경우 장비 판넬에서 입력된 전압과 멀티미터와 고압프로브로 측정된 전압 값이 상이한 문제점이 있었음. 인라인용 전자기 성형 장비의 경우 프로브용 배선을 출력 판넬에 직접 연결하여 그 문제점을 해결하였음. 그 결과를 확인하기 위해 초기 설정전압/멀티미터/출력판넬 의 전압 값들을 비교해 보았고, 각각에 대해 오차율 1%미만으로 차이가 미미한 것을 확인함.
4) 일체화 가변단면 멤버 센터 플로어 사이드 성형을 위한 레이저 성형 기술 개발
(1) 차체부품 융합점진성형을 위한 레이저 성형 장치 개발
□ 기구 설계 및 제작
o 설계요구사항
- FRF를 거쳐 생산된 제품의 크기에 따라 작업 영역을 정의하고, 성형을 하기 위한 각도를 유지할 수 있도록 회전축을 고려하였다. 아래는 주요 설계 요구 사항 항목이다.
o Servo Motor의 선정 및 Ball Screw 수명 예측
- 제품의 중량은 고하중이 아니나, 각 축의 연동이 이루어지는 부분을 고려하여 부하를 계산한 다음, 이에 적합한 서보모터 및 볼스크류를 선정하였다.
o 3D 설계
- 모터, 감속기등의 주요 부품이 선정된 후, 작업 영역을 고려한 전체적인 시스템 설계를 3D CAD를 이용하여 수행하였다. 동작부의 설계는 CAD에서 지원하는 동작 시뮬레이션을 통하여, 예상되는 작업에 대한 동작에 적절함을 확인하였다.
o 2D 도면 작업
o 조립
□ 제어기 설계 및 제작
o 가변 성형각을 성형하기 위한 실시간 Feedback 제어 시스템을 구현
- 상용 로봇이나 제어기를 사용해서 제어 시스템을 구성하면 아래와 같이 굽힘각이 상수가 아니라 경로에 따라 변하게 되어 적용이 어렵게 된다. 3차년도에선, 로봇의 경로프로그램을 다단계로 나누어 각 단계 마다 레이저파워, 동작 속도 등을 정의하도록 하였으나, 다양하게 발생하는
굽힘각의 변형에 대해서 대응하기 어려운 단점이 있었다. 따라서, 본 연구에선 EtherCAT 기반으로 모션 제어를 위치제어 단계에서 제어할 수 있도록 Feedback 제어 시스템을 개발 하였다.
- 위치 제어 단계에서 측정된 굽힘각에 따라, 레이저 파라미터를 변경하고, 이를 위치 제어 루프에서 모션을 변경할 수 있도록 하였다. 또한 굽힘각 뿐 아니라, 굽힘 라인을 계산하여 제품 셋팅의 오차를 자동으로 보정할 수 있게 하였다.
o 모션 제어기 주요기능 개발
- 모션 제어기는 TP와 EtherCAT master가 통합된 H/W상에서 개발되었으며, Realtime Linux의 RT Thread를 이용하여 위치 제어의 실시간성을 확보하였다.
□ 스캔 데이터 처리 소프트웨어 개선
- 스캔데이터 처리의 성능을 개선하기 위해 스캔 데이터 처리 소프트웨어 프로그램을 업데이트 하였다. 지난 개발 프로그램에서 3D 렌더링 품질이 향상되었고, Scan data에서 Section 커브를 계산해 내어 Section별로 데이터를 분석할 수 있는 기능도 추가하였다. 그 외, 정합을 계산
하는 알고리즘이 개선되어, 정합의 초기 조건의 민감도를 완화시켰다.
- 3D 스캐너역시 기존의 적색광을 사용하는 센서에서 파장의 길이가 짧은 블루레이저를 사용하였기 때문에, 3D 스캐너의 인터페이스도 이를 반영할 수 있도록 변경하였다.
- CAD와의 비교를 위해 STL 폴리곤 데이터만 입력 받을수 있었으나, IGES와 같은 Tesselated되기 전 Nurbs 데이터를 입력 받아, 내부적으로 Tessellation을 수행하도록 하였다.
□ 기구 제어 통합 시험
- 제작된 기구부와 제어기를 통합하여 시험을 진행하였다.
현재까지 진행된 시험은 각 모션의 단위 이동 테스트, 원점찾기 기능 테스트, 레이저 성형 장치 테스트, 단위 공정 제어기와 모션제어기와의 통신 테스트를 완료하였다.
(2) 차체부품 융합점진성형을 위한 레이저 성형 장치 개선
□ 시스템 개선
o 시스템 구성
- 총 8개의 축과 4개의 스캐너, 1개의 레이저로 구성
- 로봇제어기에 Server를 구성, LAN을 통해 TCP/IP통신으로 Client인 LJCon 프로그램과 통신
- Laser 제어기와 로봇제어기는 IO를 통해 remote 제어 수행
- 로봇제어기와 main 로봇은 EtherCAT을 통해 통신
- Linux/QT based S/W
o 기구부 개선
- LF System의 가공 휴지 시간을 줄이기 위한 Dual Stage 적용
- Pre-Scan / Post-Scan 장치를 분리, LASER Path 설정과 LASER 가공을 분리
- LF System의 scan data 비교기능 속도 향상 및 최적화
o 제어부 개선
- 자동화용 테스트 SW 개발: 제어용 모델 설계를 위한 데이터 확보 용이
- 스캐너 및 결과 그래프, 모니터링 UI를 통해 실시간 데이터 확인 가능
□ 레이져 포밍 시스템 개선
o 티칭 포인트 자동수정
- Teachingpoint와 실제 측정 point 값의 차이를 계산
- Laser Parameter Prediction Model 단순화 : 최고 스피드 조건 채용
> 실험결과 식으로 부터 Speed = 3(m/min), BeamSize = (5mm)
> Laser power변화에 따른 변위 : 0 ~ 2Deg분
- 단변 각도의 변화가 균일하지 않음 à 작업 중 Laser Power 실시간 변경
> Laser Power는 보정정 오차각에 따라 계산되어 짐
- Laser power 조정으로 단변 각도 변화의 차이를 줄일 수 있었음
- 실험 시편은 외부 검증 기관 검증으로 측정 장비와의 정확성 검증
5) 이형단면 인라인 융합 성형기술 개발
□ 이형단면 인라인 융합 성형 시스템 개발
o 융합라인 설계
o 이송모듈 및 통합제어 설계
o 가변 롤 성형 장치 설계 및 제작
- 장치 피딩과 전체적인 가변 단면 제품의 형상을 성형
o 레이저 성형 장치 설계 및 제작
- 가변 롤 성형품 형상을 스캔하고 도면과 비교하여 레
이저 출력을 제어 형상정밀도 보정 성형
o 전자기 성형 장치 설계 및 제작
- 최종적으로 제품의 비드 등 형상을 성형
o 최종 융합라인 구성
□ 가변단면 멤버 시제품 제작 및 평가
- (강도 평가) 본 과제의 목표는 1.0GPa급 이상이며, 실제 제품의 경우 SPFC1180소재를 사용하였음. 인장시험 결과 소재강도는 1.2GPa이상이며 시험성적서 첨부하였음
- (무게 평가) 기존제품 대비 경량화율 10%이며, 기존 양산품의 경우 1,220g 이나 본 과제에서는 1.2GPa 강판을 적용 1piece 제품으로 성형하였으며, 무게는 980g으로 기존대비 19.6% 경량화 하였음. 무게측정은 울산테크노파크에서 진행하였음
□ 형상정밀도 평가
- (단면형상변화비) 울산테크노파크에서 CMM을 사용하여 측정한 결과 높이기준 1.90, 폭기준 1.51로 목표치인 1.5를 만족함
- (형상정밀도) 총 15포인트에 대하여 형상을 측정하여 도면과 비교한 결과 촨성차 업체의 양산적용 기준인 0.5mm 이내로 형상정밀도를 만족함
□ 제품 신뢰성 평가
- 양산품과 개발품에 대하여 한국건설생활환경시험연구원에서 굽힘시험을 통해 강성평가를 수행한 결과 최대 휨하중이 양산품은 8,567N, 개발품은 10,063N으로 무게는 19% 줄인 반면 강성은 17.46% 개선되는 결과를 얻음
기술개발 배경
□ 연비향상을 위한 차체 경량화와 충돌 안전성 향상이라는 자동차 산업의 메가트랜드에 대응하기 위해 고장력강판을 적용한 일체화 차체부품 제조를 위한 새로운 생산공정 기반기술 개발이 요구됨
o 자동차 산업은 연비 향상을 위한 경량화, 안전성 향상과 미래형 자동차를 위한 고안전 경량 차체(BIW, Body In White)을 개발을 위해 차체의 고강도화를 목적으로 고장력강의 사용비율을 지속적으로 증가시킴과 동시에 일체화성형을 통해 후공정 제거 등 생산성 향상과 부품 수 저감 등의 경량화를 위해 노력
- 차량 1대당 평균 고강도 강판 적용량 변화: 40kg('05) → 70Kg('09) → 210Kg('20)
- 일정수준의 강도와 가공성이 요구되는 구조부재의 경우 최근 DP, FB강으로 전환되고 있고, sill side등에 780급 DP강이 채용되고 있으나, 향후 1GPa급 CP, DP등이 사용될 것으로 전망
- B-pillar등을 포함한 pillar 부품 역시 기존의 HSS에서 내 충돌특성이 우수한 HPF 또는 1GPa급 TWIP 또는 TRIP강이 사용될 것이며, 충격에너지 흡수가 필요한 frame member는 HSS 및 일부 TRIP강이 사용되고 있으나, 향후 1GPa급의 고장력강판이 채용될 가능성이 높을 것으로 예상
- 고강도 강판의 적용과 함께 부품 수 및 후공정 감소를 통한 자동차의 경량화, 가격 경쟁력 향상을 위해 복잡한 형상이나 다수의 부품으로 구성된 제품을 1회 또는 극소수의 가공에 의해 최종형상으로 생산하는 부품 일체화 성형에 대한 요구가 높아지고 있음
o 1GPa급 고장력강판 적용 확대에 따른 차체용 부품제조를 위해 기존 프레스 성형공정과 함께 핫프레스성형, 롤성형 등의 공정이 응용되고 있으나, 차체용 이형단면 부재의 일체화 성형을 위해 기존 성형공정(프레스성형, 핫프레스성형, 롤성형)의 단점을 극복하는 새로운 생산공정 기반기술 확보 필요
- 고장력강의 경우 기존 프레스성형(스탬핑, Stamping)으로는 탄성 회복량이 과다 발생하여 형상 제어가 난해할 뿐만 아니라, 단면변화비가 높은 이형단면 부품 제조에 있어서 탄성회복량 과다, 치수공차 만족 불가, 부품 수 증대 등의 문제점을 지님.
- 핫프레스성형(Hot Press Forming)은 강판을 900℃이상의 고온으로 가열 한 후 상온의 금형으로 성형함과 동시에 급냉하여 강도를 증가시켜 초고강도 부품을 제조하는 성형 방법으로, 성형성이 우수한 고온의 상태에서 성형이 이루어져 복잡한 형상의 부품을 성형할 수 있으나, 고가의 생산 장비 투자, 형상별 금형제작과 함께 열간에서의 금형 수명저하, 일체화를 위한 후 공정 및 부품수 증대 등의 제약이 있음
- 롤 성형(Roll Forming)은 연속적인 굽힘가공을 이용하여 부품을 성형하는 방법으로 소재를 연속적인 Roll을 지나면서 원하는 단면형상을 가지는 부품을 성형하는 공정으로 프레스 가공에 비해 투자비가 작고, Roll의 형상 설계를 통해 복잡한 폐단면을 갖는 형상의 부품 성형이 가능함. 특히 성형성이 매우 낮은 고강도강의 성형에 유리하여 Bumper rail과 같이 일정한 단면을 가지는 부품에 주로 적용
- 롤 성형(Roll Forming)은 일정한 단면을 가지면서 길이가 긴 부품을 대량생산하는데 적합하나, 길이 방향으로 단면 형상이 다른 부품을 일체화하여 생산하는데 제약이 있기 때문에 아래아 같이 대분분 이형단면으로 이루어진 차체용 부재의 생산에 적용하기에는 한계
□ 본 과제에서 개발한 “이형단면 자동차 차체부품 일체화 점진성형기술”은 단면이 일정한 부품만 성형이 가능한 기존 점진성형기술을 개선하여 폭/길이 방향으로 단면 변화가 가능한 일체화 이형단면 부품을 제조할 수 있는 실 형상(Net Shape) 성형기술임
핵심개발 기술의 의의
□ 세계 최고수준인 1.2GPa급 초고강도강의 이형단면 일체화 점진성형 기술개발을 수행하여 융합점진성형 공정기술과 장치를 독자적으로 개발하였으며, 이를 토대로 폭/길이 방향으로 단면변화가 가능한 일체화 차체부품을 제작, 기존대비 10% 이상의 경량화가 가능함을 보임
□ 기존의 다부품을 일체화 점진성형기술로 대체함으로써 원가절감 및 생산성 향상을 확보활 수 있는 최초의 개발제품임
□ 관련 제품시장은 원천기술과 생산 능력을 가진 기술 선진국의 주요 업체들은 시장을 독점하여 가격 군을 높게 형성하고 있는 상황이며 본 기술개발을 통하여 제품의 품질향상과 가격경쟁력 확보가 가능하여 향후 시장확대에 기여할 수 있다는 점에서 기술개발 의의가 큼
적용 분야
□ 폭/길이방향으로 단면 프로파일의 변화를 갖는 멤버(Side, Cross, Roof, Body-cross)류, 프레임(Window, Interior, Structures)류, 범퍼빔(Bumper Beam), 임팩트 케리어(Impact Carrier) 등 차체 구조 부재
□ 기타 향후 적용 분야
- 기가급 고강도 강판 적용확대: 자동차 BIW, 건축용 자재, 배관 플랜트 등
- 난성형 신소재 정형 제조 활용
- 국부성형 및 표면개질에 의한 친환경적 제조공정 개발 응용
- 고부가 다품종 소량생산을 요하는 의료, 항공우주, 국방산업의 유연적 생산기술로 활용
(출처 : 개발결과 요약 7P)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 104
- 구체적인 연구 성과 ... 106
- 목차 ... 125
- 제 1 장 서론 ... 127
- 제 1 절 과제의 개요 ... 127
- 1. 개발 대상 기술·제품의 개요 ... 127
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 134
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 134
- 1. 최종 목표 ... 134
- 2. 개발기술의 평가 방법 및 평가 항목 ... 135
- 3. 정량적 목표 항목의 평가방법 및 평가환경 ... 136
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 140
- 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 169
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 170
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 172
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 172
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 172
- 2. 연구개발 추진 결과 ... 177
- 3. 지식재산권 및 논문 성과 ... 573
- 4. 최종 시제품 ... 589
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 599
- 1. 기술개발 추진 방법 ... 599
- 2. 기술개발 추진 체계 ... 602
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 608
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 609
- 제 4 장 사업화 계획 ... 616
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 616
- 제 2 절 사업화 계획 ... 620
- 끝페이지 ... 623
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