KEA 한국전자정보통신산업진흥회

[내용]
이 연구는 자동차 경량화와 고강도 강판 적용 확대에 따라 성형 결함 발생 가능성이 높은 크로스멤버를 대상으로, 드로잉 공정에서 이단 분할(two-stage split) 공정을 적용했을 때 성형 거동에 미치는 영향을 규명한 것이다. 연구팀은 인장강도 500 MPa급 고강도 열연 강판을 대상으로 유한요소해석(AutoForm R11)을 수행하여, 분할 위치에 따라 발생하는 주름, 파단, 스프링백과 같은 품질 결함뿐만 아니라 펀치 하중과 타발 에너지와 같은 공정 효율을 함께 평가하였다. 해석 결과, 분할 위치가 성형 안정성에 큰 영향을 미치며, 특히 OP20(2차 드로잉) 성형 깊이가 OP10(1차 드로잉)보다 클 경우 성형 품질이 개선되는 것으로 확인되었다. 그중 73 mm 분할 위치에서는 주름, 파단, 스프링백이 가장 효과적으로 억제되고, 펀치 하중도 분산되어 안정적 성형이 가능하다는 장점이 나타났다. 반면 20 mm와 40 mm 분할 위치에서는 과도한 주름과 접힘 현상으로 인해 오히려 무분할 공정보다 결함이 심화되고 펀치 하중도 증가하는 문제가 확인되었다. 또한 73 mm 위치에서 펀치 하중은 가장 낮았지만, 누적 타발 에너지는 가장 커지는 특성을 보였다. 본 연구는 크로스멤버와 같이 너비 대비 높이가 큰 부품의 성형에서는 적절한 공정 분할 위치 선정이 품질과 공정 안정성을 좌우하는 핵심 요인임을 제시하며, 이단 분할 공정이 자동차 부품 성형 최적화에 유효한 방안임을 입증하였다.

ㅇ 이단 분할 공정을 적용한 성형 품질 및 결함 제어 연구
- 고강도 강판 적용 시 발생하는 주름, 파단, 스프링백을 줄이기 위해 드로잉 공정에서 OP10-OP20 이단 분할을 적용하고 분할 위치별 성형 거동 해석
ㅇ 크로스멤버 이단 분할 공정 적용 시 판재 성형 거동에 미치는 영향 분석
- 73 mm 분할 위치에서 주름, 파단, 스프링백이 가장 효과적으로 억제되었으며, 펀치 하중도 분산되어 안정적인 성형 가능성 확인
- 이단 분할 공정의 분할 위치에 따른 다이의 타발 변위에 따른 펀치 하중 및 에너지 비교

ㅇ 알루미늄 도어 인너 생상성 향상을 위한 멀티코어 적용 스마트 프레스 공정 설계
- 대면적 드로잉 부품 성형 시 발생하는 성형결함을 줄이기 위해 펀치 금형을 분할하고 금형의 순차적 모션을 제어하여 국부 변형을 분산
- 성형 해석 기반으로 공정 조건을 최적화 하여 안정적인 성형 품질 확보 및 알루미늄 판재 적용 확대 지원
ㅇ 재료 유입의 제어를 위한 멀티코어 금형 구조 최적화 및 안정적인 멀티코어 구동을 위한 하중 패턴 최적화
- 멀티코어 금형 구조를 최적화하여 재료 유입 균일성 확보 및 금형 수명 연장
- 하중 패턴을 설계하여 멀티코어 구동 시 발생하는 불균일 하중을 최소화하고 성형 안정성 향상

저는 구조설계 및 생산 공정 최적화 연구를 수행해온 손준혁입니다. 연구의 핵심은 유한요소해석(FEA)을 기반으로 한 판재 성형성 평가 및 공정 개선에 있으며, 하나의 자동차 부품을 완성하기 위해 필요한 설계·재료·성형성 조건을 통합적으로 고려해왔습니다. 이를 위해 인장시험과 DIC 기반 변형 측정을 통해 확보한 데이터를 바탕으로 재료 모델링을 진행하고, 경화 모델과 항복 함수, 성형 한계 선도를 구축하여 고강도 강판 및 알루미늄 판재의 성형 거동을 정밀하게 예측하였습니다. 또한 이러한 재료 모델을 기반으로 상용 유한요소해석 프로그램인 AutoForm을 활용하여 성형 해석을 수행하며, 실제 산업 현장에서 문제되는 주름·파단·스프링백과 같은 결함 저감 방안을 탐구했습니다.

대표적으로, 이단 분할 공정이 자동차용 크로스멤버 성형 거동에 미치는 영향 연구에서는 공정 분할 위치에 따른 성형 품질과 공정 효율을 분석하여 최적 분할 조건을 제시하였고, KSAE 학술대회 발표에서는 금형 분할 및 모션 제어를 통해 국부 변형을 분산하는 방안을 검토하였습니다. 이러한 연구를 통해 성형 품질 확보와 공정 안정성 향상이라는 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있는 기술적 근거를 제시하였으며, 이를 기반으로 2024년 춘·추계 자동차공학회와 2025년 추계 소성·가공학회에서 연구 결과를 발표하는 성과를 거두었습니다.

이와 같은 경험은 저로 하여금 구조설계 및 공정 최적화 분야에 대한 전문성을 쌓게 했으며, 앞으로는 소재 특성과 성형 조건을 함께 고려한 차체·샤시 부품의 경량화 설계와 생산 기술 고도화에 기여하고자 합니다.

[주요논문 연구분야]
저의 주요 연구 분야는 유한요소해석(FEA) 기반 판재 성형성 평가 및 공정 최적화입니다. 자동차 경량화를 위한 고강도 강판 및 알루미늄 판재 적용이 확대되면서 성형 결함(주름, 파단, 스프링백 등)을 최소화하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. 이를 해결하기 위해 저는 다양한 금형 설계 및 공정 분할 기법을 연구해왔습니다.

대표적으로, “이단 분할 공정이 자동차용 크로스멤버의 판재 성형 거동에 미치는 영향” 논문에서는 크로스멤버와 같이 단면 높이가 큰 부품의 드로잉 성형 시 분할 위치에 따른 성형 거동을 상용 유한요소해석 프로그램인 (AutoForm)으로 체계적으로 분석하였습니다. 그 결과, 최적 분할 위치에서는 주름, 파단, 스프링백이 효과적으로 억제되고 성형 안정성이 확보됨을 확인하였으며, 동시에 펀치 하중 및 타발 에너지 등 공정 효율 지표와의 상관성을 규명하였습니다.

또한 KSAE 학술대회에서는 *“금형 분할 적용을 통한 판재 성형 안정성 향상 연구”*를 발표하여, 금형 분할 및 모션 제어를 통해 성형 중 집중되는 국부 변형을 분산시키는 방안을 제안하였습니다. 이를 통해 공정 조건(블랭크 홀더압, 마찰, 쿠션력 등)이 결함 발생에 미치는 영향을 실험적·해석적으로 분석하였고, 실제 산업 현장에서 활용 가능한 분할 설계 방향을 제시하였습니다.

이러한 일련의 연구 경험을 통해 저는 실제 성형 공정에서 발생하는 문제를 수치해석 기반으로 정량화·예측하고, 이를 바탕으로 공정 개선안을 제안할 수 있는 역량을 쌓을 수 있었습니다. 앞으로도 소재 특성과 성형 조건을 동시에 고려한 최적 설계 연구를 통해, 자동차 부품의 품질 향상과 생산성 증대에 기여하고자 합니다.




[프로젝트 수행경험]
저는 자동차 차체 및 샤시 부품의 성형 품질 향상과 공정 안정성 확보를 목표로 다양한 프로젝트를 수행하였습니다.

첫 번째로, 초고강도강 적용 상용트럭 샤시 크로스멤버 ASS’Y 기술 개발 프로젝트에서는 고강도 강판 적용 시 발생하는 주름, 파단, 스프링백과 같은 결함을 최소화하기 위해 드로잉 공정에 **이단 분할 공정(OP10–OP20)**을 적용하였습니다. 유한요소해석(AutoForm)을 활용하여 분할 위치에 따른 성형 거동을 분석하였고, 그 결과 73 mm 분할 위치에서 주름과 파단이 가장 효과적으로 억제되고 펀치 하중도 분산되는 조건을 확인하였습니다. 이를 통해 고강도강 부품의 성형 안정성을 확보하고, 생산 공정의 효율을 높이는 성과를 얻었습니다.

두 번째로, 알루미늄 도어 인너 생산성 향상을 위한 멀티코어 적용 스마트 프레스 성형 기술 개발 프로젝트에서는 알루미늄 판재의 낮은 성형성으로 인한 결함 문제를 해결하고자 멀티코어 금형을 적용하였습니다. 금형 분할과 순차적 모션 제어를 통해 성형 중 국부 변형을 분산하였고, 공정 해석을 기반으로 블랭크 홀더압, 마찰 조건, 하중 패턴을 최적화하여 재료 유입 균일성과 금형 구동 안정성을 확보하였습니다. 이를 통해 알루미늄 대면적 드로잉 부품에서 발생하는 주름과 불균일 하중을 줄이고, 성형 품질과 금형 수명을 동시에 향상시킬 수 있었습니다.

또한, 이러한 프로젝트 경험은 제 연구 성과인 “이단 분할 공정이 자동차용 크로스멤버의 판재 성형 거동에 미치는 영향” 논문으로도 이어졌습니다. 해당 연구에서는 공정 분할 위치에 따른 성형 결함 및 공정 효율 지표를 체계적으로 분석하여, 실제 산업 현장에서 적용 가능한 공정 방향을 제시하였습니다.

이와 같은 프로젝트 및 연구 경험을 통해 저는 실제 성형 공정에서 발생하는 문제를 수치해석 기반으로 예측하고, 이를 해결하기 위한 최적 설계와 공정 개선안을 도출할 수 있는 역량을 키웠습니다. 앞으로도 이러한 경험을 기반으로 구조설계와 생산 기술 최적화 분야에 기여하고자 합니다.