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Daimler의 AutoForm 활용 사례 – 국부연화(Tailored Tempering) 기술을 선도

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자동차 산업에서 차체 경량화는 특히 연료 소비량과 CO2배출량 감소에 있어 중요한 테마가 되고 있습니다. 그러므로 body in white에서 상당히 많은 기여가 이루어져야 합니다. 이러한 과제는 적절한 소재를 영리한 공정으로 제조함으로써 달성할 수 있습니다. 그 실현을 위한 핵심은 고장력 강판(HSS)과 초고장력 강판(UHSS) 소재의 국부연화(Tailored Tempering) 여부에 있습니다. 다임러(Daimler AG)社는 AutoForm Engineering의 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 공정에서 수많은 복잡한 문제를 해결했습니다.

금형의 형상을 검토하고, 국부연화(Tailored Tempering) 공정 계획의 세부 사항을 결정하는 일은 주의력이 요구되는 어려운 작업입니다. 소재거동(material behavior), 열 흐름, 상변태 역학에 대한 종합적인 지식이 필요합니다. 또한 국부연화(Tailored Tempering)의 공정을 분석 · 제어하려면 재료의 구조 변화를 깊이 이해하여야합니다. 공정계획이 복잡하고 난해하기 때문에 더욱더 컴퓨터에 의한 시뮬레이션의 도움을 크게 받을 수 있습니다. 반면 시뮬레이션 소프트웨어는 반드시 핫포밍과 퀜칭 공정을 현실적으로 나타내어주고, 또한 최종 부품 특성을 신뢰성 있게 예측하여 이 특수한 열간 프레스에 맞는 금형 제작 노하우를 제공할 수 있어야 합니다. AutoForm은 이러한 곤란한 과제 해결을 목표로 삼고 thermo-mechanical 모델을 포함하는 소프트웨어, AutoForm-ThermoSolver 개발에 성공했습니다.

이 소프트웨어로 박판의 모든 소재 포인트(material point)의 온도 이력을 효과적으로 확인할 수 있습니다. 그 결과, 핫포밍(특히, 퀜칭) 공정 중의 소재변형을 상세하게 볼 수 있습니다. 충분한 수준의 예측 정확도를 얻기 위해서는 관련된 모든 현상과 그 상호 작용이 모델링되어야합니다. 열 측면에서는 소재, 금형, 그리고 주위 환경 사이의 열 흐름이 관계되어 복사 뿐만아니라 대류에 의한 열흐름을 고려해야합니다. 기계학적인 관점에서의 프레스 성형에 의한 소성 변형은 물론, 금속학(metallurgical)의 관점에서 냉각에 의한 상변태도 고려해야합니다.

실험과 검증의 결과, AutoForm은 thermo-mechanical-metallurgic 모델을 검증하고 다른 결정적인 매개 변수도 확인했습니다. 다임러(Daimler AG)의 협력으로 시험 금형을 만들고 에어 랑엔 - 뉘른베르크 대학(University of Erlangen-Nürnberg) 생산 기술 연구소(Institute for Manufacturing Technology)에서 분석 시험을 실시하였습니다. AutoForm은 AutoForm-ThermoSolver의 파일럿 버전을 제공했습니다. 이 공동 연구 속에서 공정을 결정하는 매개 변수와 최종 재료 특성 종속성 등 기초적인 전문 지식의 개발이 진행되었습니다.

다임러는이 실험 결과를 최신 실제 부품 생산에 적용하여 시뮬레이션의 품질을 확인하기 위해 B 필러의 금형을 만들었습니다. 그리고 소량의 B 필러를 Sindelfingen 공장에서 생산하고 기계적 성질을 정밀하고 광범위하게 검증했습니다. 부품의 다양한 부분에서 샘플을 채취하여 인장 시험을 실시하여 그 결과에 대해 양사의 전문가가 철저하게 논의를 거듭했습니다. 결과의 정확성을 결정 짓는 물리적 요인은 모든 시뮬레이션 모델에 포함되었습니다. 또한 이차적인 요인을 제외함으로써 계산 속도면에서 좋은 결과를 얻을 수 있었습니다. 양사는 시험 기간 동안 냉각 공정 중 잠열(latent heat)을 고려해야한다는 결론에 도달했습니다. 이를 통해 매우 높은 정확도로 최종 부품 특성을 계산할 수 있게 되었습니다. AutoForm-ThermoSolver에서는 인장 강도(tensile strength), 인장 연신(tensile stretch), 판 두께(thickness), 응력 분포(stress distribution) 뿐만이 아니라 경도 및 마르텐 사이트 함량 등의 결과가 그래픽으로 표시됩니다. 국부연화(Tailored Tempering) 공정의 계산 시간은 기존의 성형에 비해 평균 5 % 정도 증가합니다. 이 비교적 가벼운 부담은 공정을 더 깊이 이해할 수 있다는 장점에 의해 납득하실 것입니다.

다임러와 AutoForm은 당초 설정한 공동 연구의 목표를 달성했습니다. 1년간의 시험 기간을 거쳐 다임러는 2012 년부터 AutoForm-ThermoSolver을 효과적으로 이용하고 있습니다. 회사는 시뮬레이션의 품질 확보에 주력하고 있습니다. 복잡한 공정 전략에 대해서도 AutoForm-ThermoSolver 에 의해 계산이 가능하며, 부품 생산 중의 thermo-mechanic 영향에 의한 소재 변형(material behavior)을 더 잘 검토 할 수 있게 되었습니다. 또한 metallurgical 계산 모델에 대한 추가적인 정보에 의해 시뮬레이션의 타당성과 정보량이 증가하고 있습니다.

마지막으로 또 다른 중요한 성과가 있습니다. 국부연화(Tailored Tempering) 공정에 대한 철저한 연구를 통해, 일반적인 가공 경화(press hardening)에 대해서도 잘 이해할 수 있었습니다. 열 변형(thermal distortion) 계산에 관한 추가 개발이 필요하다는 것이 발견되었고, 지난 몇 달 동안 집중적으로 연구를 실시했습니다. 이 공동 연구의 다음 단계는 최신 개발 결과의 실용성을 검증하는 것, 그리고 미래 AutoForm-ThermoSolver의 새로운 버전으로 출시하는 것입니다.

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