그림 4.16의 하이브리드 카울 크로스멤버의 진동해석 모델과 그림 4.17과 같이 자 동차 차체를 포함하는 진동해석 모델을 비교하며 그림4.16의 경우 엘리먼트수는
47,456개로 해석시간 약 33초이고 그림 4.17의 경우 757,198개로 해석시간 약 21분
28초로 본 연구에 사용된 컴퓨터 사양이 2.6 GHz, 4 CPU로 해석 시간이 약 39배의 시간차가 났다. 따라서 모델의 엘리먼트 수는 약 16배로 해석 엔지니어의 모델링 시간을 고려하면 해석 시간차이는 해석시간 대비 더클 것으로 판단된다.
1 차 모드
2 차 모드
그림 4.17 자동차 차체 추가 하이브리드 카울 크로스멤버의 진동해석 결과
4.7 결과
본 연구에서는 위상최적화 기법을 활용한 제품 경량화 설계를 하고자 연구를 수 행하였다. 자동차의 설계를 진동관점에서 설계하기 때문에 개발품은 자동차의 일부 부품이라도 개발품과 관계된 부품들을 조립한 상태에서 진동특성을 검토하여야 한 다. 이 때문에 많은 시간과 비용이 소요되고 자동차 부품의 경우 부품별 개발기업 이 다르기 때문에 기업간 설계 보완 등의 문제로 자동차 차체 즉, 전체 모델을 유 지하면서 최적설계를 진행하기는 쉽지 않다.
본 연구에서는 이러한 부품사와 완성차 부품간의 설계데이터 공유 등의 문제와 최적설계에 따른 시간과 비용을 줄이기 위해 CBN(Craig Bampton Nodal Method) 학 습법에 기인한 서버모델(Sub Model)만으로 전체모델의 경계조건을 표현할 수 있는 해석방법을 수행하였다. 따라서 본 연구에서는 하이브리드 카울 크로스멤버 설계는 유한요소해석을 통해 개발품을 최적화하고 이는 CBN 해석방법을 도입하여 실시하 고자 하였다. 유한요소해석 결과를 통해 제품 설계를 완성하고 이를 성형성 및 조 립성이 검토된 제품 설계를 완성하고자 하였다.
1. 위상최적화 모델은 경량화를 고려하여 알루미늄바에 사이드 마운팅 브라켓, 스티 어링 마운팅 브라켓, 칵핏모듈 서포트 브라켓을 중심으로 하였다. 이는 최초 완성 차체 기준에 개발품을 장착한 상태에서 진동해석을 하고 이 결과를 개발품의 단 품에 완성 차체와 접합 되는 곳에 슈퍼요소(Super Element)를 적용하여 완성 차체 가 있는 것과 같은 효과를 낼 수 있게 모델링하였다. 이를 이용하여 진동해석을 통한 개발품 최적 설계도를 도출하였다.
2. 위상최적화 모델을 통해 도출된 설계도 중 마그네슘 소재를 이용한 다이케스팅 브라켓의 경우 마운팅 조건에 따른 제품 설계 변경을 반영하고 조립 유닛에 대한 검토를 추가하여 설계 반영하였다. 플라스틱 소재를 이용한 브라켓의 경우 마운팅 조건에 따른 구조 검토를 하였으며, 제품 양산시 발생할 수 있는 사출성형에서의 금형 구조 문제를 검토하여 설계 반영하였다. 또한 조립성을 검토하여 하드웨어 즉, 볼트와 같은 추가 부품도 검토한 설계도를 제시하였다.
3. 위상최적화 모델을 통해 도출 제시된 개발품의 단품과 개발품이 자동차 차체에 적용된 모듈품과 진동해석을 통해 결과를 검증하였다. 개발품의 단품으로 진동해 석한 결과 1차 모드 38.37 Hz, 2차 모드 39.58 Hz으로 나타났으며 개발품이 포함 된 차체모듈품의 경우 진동해석 결과 1차모드 38.33 Hz, 2차모드 39.52 Hz으로 나 타났다. 이와 같이 위상최적화 모델을 통한 단품과 단품이 포함된 모듈품의 진동 해석 결과가 비슷하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
제5장 하이브리드 카울 크로스멤버
금형설계 및 적용 연구
5.1 서론
기존의 카울 크로스멤버는 전체 스틸로 조립되어 있는 형태이다. 최근 자동차의 경량 실현을 위해 일부 선진국에서는 알루미늄 또는 마그네슘으로 제작하는 경우도 있다. 카울 크로스멤버는 크래쉬패드를 지지하고 이를 자동차 차체에 고정하는 역 할을 한다. 이때 크래쉬패드를 지지하는 주 구조물과 이를 차체에 고정하기 위한 부 구조물로 조합되어 있다. 본 연구에서는 주 구조물은 알루미늄으로 사용하고 부 구조물을 플라스틱 복합소재를 이용한 사출품을 이용하여 자동차 경량화를 실현하 고자 하였다. 주 구조물의 경우 일정부분 강성을 유지하여야 하기 때문에 알루미늄 압출재를 검토하였고 이 알루미늄 압출재에 플라스틱 복합소재를 이용한 사출을 하 여 제품을 완성하는 방법이다.
사출성형은 생산비용의 절감, 제품 디자인의 제약성 극복과 대량생산 측면에서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 플라스틱 복합소재를 이용한 사출성형에 대한 응용기술이 전기, 전자산업과 자동차산업에 널리 보급되면서 그 중요성은 매우 강 조되고 있다. 특히 자동차의 연료효율 향상 및 기타 원가절감 등의 목적으로 비금 속 재료 가운데 플라스틱이 차지하는 비율은 고무 성분을 포함하면 약 15%에 육박 하고 있으며 앞으로 꾸준히 증가세를 지속할 것으로 예상되고 있다. 또한 국내 금 형업체는 비효율적인 금형설계에 의하여 금형의 수정에 많은 시간과 비용을 소모하 고 있다. 더욱이 소비자의 기호가 다양화 되어 점점 복잡한 기능을 요구하므로 금 형의 구조 및 부품수가 크게 증가하고 있는 실정이다. 설상가상으로 제품의 정밀도 를 유지해야 함에도 불구하고 성형 수축량이 큰 플라스틱 재료를 사용하는 경우가 생긴다. 이때 여러 차례 금형 수정이 이루어지므로 컴퓨터를 이용한 사출성형해석 이 필요하게 된다[64]. 최근에는 복합소재를 많이 사용함에 따라 금형의 수명을 예 측하여야 하며 이는 금형을 사용해 보기 전까지는 확인 할 방법이 없다. 이를 예측 하기 위해서 금형 수명 해석을 통해 금형의 구조 강성을 확보할 필요가 있다.
알루미늄재의 경우 구조적 강성을 요구하는 구조물이다. 이로 인해 알루미늄 제 조방법을 압출성형 공법을 적용하였으며 이는 단면 형상 자유도를 얻기 위해 적용 되었다. 알루미늄 압출성형 제품의 단면은 크래쉬패드를 지지하는 것과 자동차 차 체에 부착되는 것에 대한 강성 확보와 알루미늄 압출 제품을 인서트 사출시 플라스 틱 사출물과 알루미늄과의 밀착성을 고려하였다.
본 연구는 사출성형 공정 및 압출 공정을 상용유한요소해석 프로그램을 이용하여 성형성을 확보하고자 하였다. 해석을 통한 결과를 금형설계에 반영하고 사출성형 금형의 경우 수명해석을 통해 금형의 내구 신뢰성을 검증하고자 하였다. 본 연구를 통해 알루미늄 압출 공법에 의해 시제품 제작시 발생할 수 있는 문제점을 검토하고 개선하고자 하였으며 알루미늄 압출 제품을 사출성형시 인서트하여 카울 크로스멤 버를 완성하는 공정으로 시제품 제작을 하였으며 이때 발생하는 문제점을 검토하고 제품의 품질 평가를 하고자 하였다.
5.2 대상 제품 검토
대상 제품은 자동차 부품의 카울 크로스멤버는 차량의 실내 크래쉬패드 안쪽에 설치되어 있으며 이는 크래쉬패드를 지지하는 역할을 하는 동시에 자동차 차체와 연결되는 구조이다. 또한 스티어링 시스템을 지지하는 역할도 하며 자동차 좌우 방 향의 휘어짐이나 뒤틀림 방지의 역할도 있다. 그림 5.1에서 카울 크로스멤버 내 ➀ 은 충돌 흡수하는 브라켓으로 운전석 밀림량, 무릎 하중 최소화하는 기능이며 ➁는 조타강성을 위한 브라켓으로 핸들 동작 시 즉각 반응이 필요한 부분이다. ➂은 진 동 강성을 보완하는 브라켓으로 핸들과 공진회피 및 강건설계가 필요한 부분이며
➃는 자동차 차체에 마운팅 강성을 요하는 부분으로 마운팅을 위한 구조적 지지가 필요한 부분이다.
그림 5.1 대상 연구 제품
연구 대상 제품의 특성은 기존의 철강소재로 생산되어 단품으로 8~10 kg 무게로 고중량이며 그림 5.2의 개발품 경우, 하이브리드 카울 크로스멤버로 기존 대비 약
45%까지 경량화를 추구할 수 있다. 이는 자동차 차체와 연결되는 부분은 알루미늄
압출재로 사용될 예정이며 크래쉬패드와 연결되는 부분은 플라스틱 소재를 적용한 구조물이며 충돌과 같은 강성을 요하는 부분은 마그네슘으로 제작하였다. 먼저 알 루미늄과 복합소재 적용 사출품은 인서트 사출공법을 이용해 접합 되었으며 알루미 늄과 마그네슘은 조립을 통해 접합되는 공법이다. 여기서 플라스틱 소재는 PA인 나 이론 플라스틱 소재에 장 유리섬유를 포함한 복합소재를 말하며 이는 본 논문 3장 에서 상세히 논한바 있다.
그림 5.2 기존 대비 개발품 비교
5.3 압출성형 및 금형 설계 검토
5.3.1 이중관 압입시험 및 압출성형 해석
(1) 이중관 압출성형 제품의 압입 시험
이중관 압입 사전 시험은 카울 크로스멤버의 알루미늄 구조는 3차원으로 복잡한 구조로 카울 크로스멤버는 1피스(Piece)로 압출성형 제작이 어려운 현실로 2피스로 압출성형 후 제품을 열간 압입공정을 통해 접합하기 위함이다.
압출금형 설계를 위해 이중관 압입 사전평가를 실시하였다. 적용소재는 알루미늄
A6063계열로 빌렛은 Hydro사의 소재를 사용하였고 외측관은 직경42×47 mm, 내측
관 직경 47×53 mm로 하였으며 이때 외측관에 내측관을 압입하는 시험이기 때문에 내경의 변화가 중요하고 내측관의 경우 외경의 변화가 중요하다. 압입조건은 온도 와 시간에 영향을 받으며 알루미늄의 압입시험의 경우 온도와 시간에 따라 팽창률 의 차이가 발생하기 때문이다. 압입시험은 3회의 시험을 통해 실시하였으며 1회 시 험에서 압출치수는 내측관 외경이 47.34~47.38 mm이고 외측관 내경은 46.34~46.42
mm로 압출하였다. 압입조건은 250℃에서 30분 예열한 후 압입하였으며 알루미늄의
경우 외측관 내경이 내측관 외경보다 작아도 압입조건의 영향으로 압입후 용접이나 다른 접합공정 없이 고정하는 열간 조립공정이다. 이와 같은 방법의 1회시험에서는 두 이중관의 압입접합이 실패하였으며 이는 압입되는 치수의 차가 너무 크게 발생 한 것으로 판단되었다. 2회시험은 내측관 외경이 47.04~47.08 mm이고 외측관 내경
은 46.94~46.97 mm로 압출하였다. 1회 때의 시험 실패를 줄이기 위해 내경은 1회
때 보다 크게 하고 외경은 작게 압출하여 압입하였으며 압입조건은 350℃로 30분 예열 하여 압입시험 한 결과 1회 때와 같이 압입은 되지 않았으며 이는 1회 때의 실패와 다른 압입온도가 너무 낮아 알루미늄의 열팽창이 낮아 실패한 것으로 판단 하였다. 3회 시험은 2회 압출 치수를 근거로 내측관 외경이 47.03~47.07 mm이고 외 측관 내경은 46.95~46.98 mm로 압출하였다. 내측관과 외측관의 치수 격차(Gap)은 1 회 0.92~1.04 mm, 2회 0.06~0.14 mm, 3회 0.05~0.12 mm로 압출하였고 3회의 압입 조건은 450℃로 40분 예열하여 압입한 결과 고정 되었다.
(2) 압출 성형 해석 결과 및 분석
압출해석은 알루미늄 A6063계열로 고온 압출시험을 통해 온도에 따른 유효응력- 변형률 선도를 도출하였으며 이를 이용하여 그림 5.3의 해석조건에 반영하였다[73].
압출성형해석 모델은 포트 홀(Port Hole) 금형의 1/10 축대칭 모델로 구현하였으며 공정조건은 초기 빌렛 온도 450℃, 컨테이너내부온도 480℃, 빌렛 지름 7인치(Inch), 마찰계수 0.7, 램스피드 5 mm/s, 열전달계수 11 N/s·mm·℃ 조건으로 해석하였다.