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

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.