KR101484400B1 - 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법 - Google Patents

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조철환
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김영진
박기동
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주식회사 동희산업
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Abstract

본 발명의 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법은 고강도 강판으로 제조되는 성형 제품이 점진적으로 형상 성형되는 성형해석을 수행하고, 성형 해석 결과가 접촉력(CONTACT FORCE)으로 산출되어 접촉력(CONTACT FORCE) - 거리(Distance)의 관계 선도로 변환되어 FORMAT 데이터로 전환되며, 상기 FORMAT 데이터가 다수의 변환단계를 거쳐 구조해석용 격자구조형상(MESH) 금형 표면에 매핑(Mapping) 후 진행된 구조해석의 결과를 통해 금형 모델링의 초기 설계 조건이 고강도 강판 성형 시 요구되는 구조 강건성과 내구성확보를 위한 최적 설계 조건으로 전환될 수 있고, 특히 금형 설계 최적화 과정이 프로그래밍을 통해 수행됨으로써 설계 효율성이 크게 항상 되는 특징을 갖는다.

Description

데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법{Data Mapping Aided Press Mold Design optimized Method}
본 발명은 금형 최적화 설계 방법에 관한 것으로, 특히 성형해석 결과로부터 얻은 접촉력(Contact Force)데이터를 금형 표면에 매핑(Mapping)시켜 구조해석이 수행됨으로써 초기 금형설계 시 최적화된 구조 강건성과 내구성을 확보하고 절감된 중량을 갖는 최적 금형 구조가 확보될 수 있는 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금형은 제품 형상에 일치하는 캐비티(Cavity)를 이용함으로써 동일한 형상의 제품을 다량 제조할 수 있다.
그러므로, 금형은 성형되는 제품의 특성에 맞춰 구조 강건성과 내구성을 갖도록 설계 및 제조되어야 하고, 특히 구조 강건성과 내구성을 가지면서도 금형 중량에 의한 비효율이 방지될 수 있도록 가능한 무게를 가볍게 하는 설계 방안이 요구된다.
국내특허공개 10-2007-0096753(2007년10월02일)
하지만, 구조 강건성과 내구성을 가지면서도 상대적으로 가벼운 무게를 갖는 금형 설계 기술은 매우 어려울 수밖에 없다.
특히, 강판은 소재 기술의 발달로 매우 강한 소재 강도를 갖는 고강도 강판으로 개발되고, 이러한 고강도 강판을 이용한 자동차 부품이 요구됨으로써 이를 위한 금형이 요구될 수밖에 없다.
일례로, 고강도 강판을 이용한 자동차 부품으로 크로스멤버(Cross Member)가 있다. 크로스멤버는 서스펜션(suspension)의 하중이 집중되는 부분에 설치됨으로써 서스펜션의 많은 부품지지 작용과 함께 차체로 전달되는 횡 방향 하중을 감당하는 부품이다. 최근 구조 안정성 향상 및 차량 중량 감소를 위해 크로스멤버에 고강도 강판 적용이 점차 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 고강도 강판을 이용한 금형의 제품 성형은 금형의 금형변형(휨, 비틀림, 주저앉음)을 심화시킬 수 있고, 특히 금형 수명 감소의 큰 원인이 되는 금형 내구성 취약을 더욱 심화시킬 수 있다.
특히, 생산현장에서 금형변형(휨, 비틀림, 주저앉음)이 발생하게 되면, 이의 해결을 위해 금형의 인위적인 변경 및 개선이 생산현장에서 이루어짐으로써 업무효율 저하와 생산성 저하를 가져오고, 이러한 생산현장의 일시적인 대처로 인해 금형을 다시 제작하여야 하는 상황에 처함으로써 금전적 손실과 시간적 손실도 발생하게 된다.
그러므로, 고강도 강판 성형에 적합한 구조 강건성과 내구성이 있고 금형 중량도 가벼운 금형에 대한 설계 기술이 요구될 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 3D제품의 성형해석결과로부터 접촉력(CONTACT FORCE)데이터가 추출되고, 접촉력(CONTACT FORCE)데이터를 이용한 다단계의 포맷(FORMAT)변환을 거친 후 구조해석용 격자구조형상(MESH) 금형 모델링 표면에 접촉력을 매핑(Mapping)하여 금형구조해석이 수행되며, 금형구조해석으로부터 금형 구조상 취약부위에 대해 최적화된 금형 모델링 설계 데이터가 획득됨으로써 기존 금형구조뿐만 아니라, 고강도 강판 성형에 최적화된 구조 강건성과 내구성 확보와 함께 금형 중량 절감도 가능한 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법은 성형 제품이 3D 제품 모델링되고, 금형이 3D 금형 모델링되는 모델링 초기 조건 적용 단계;
상기 제품 모델링을 성형 해석하고, 성형 해석 결과가 접촉력(CONTACT FORCE)으로 산출되어 접촉력(CONTACT FORCE) - 거리(Distance)의 관계 선도로 변환되는 해석 데이터 추출 단계;
상기 접촉력(CONTACT FORCE)이 접촉력(CONTACT FORCE) - 거리(Distance)의 관계 선도를 이용해 계산된 데이터가 FORMAT 데이터로 전환되고, 상기 FORMAT 데이터가 상기 금형 모델링에 매핑(Mapping)되는 포맷 컨버팅 단계;
상기 매핑(Mapping)된 금형 모델링을 제품 성형해석 결과를 기반으로 구조 해석하고, 구조 해석 결과로부터 상기 금형 모델링의 설계 구조에 대한 금형 모델링 해석 데이터를 획득하는 모델링 설계 초기 조건 분석 단계;
상기 금형 모델링 해석 데이터로부터 금형 모델링 변형량 데이터와 금형 모델링 응력집중 데이터를 구분하고, 상기 금형 모델링 변형량 데이터와 상기 금형 모델링 응력집중 데이터로부터 상기 모델링 금형의 구조강건성과 내구성이 분석되는 모델링 설계 초기 조건 보강 단계;
상기 금형 모델링 변형와 상기 금형 모델링 응력집중이 발생된 부위가 상기 모델링 금형의 취약부로 판단되고, 상기 취약부의 초기 설계 조건을 변경해 구조강건성과 내구성을 강화하는 모델링 설계 최적화 단계;가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 금형 모델링은 상기 성형 제품 형상의 캐비티(Cavity)를 형성한 모델링 상형과 모델링 하형으로 구분된다.
상기 FORMAT 데이터는 하중과 노드 넘버 및 좌표성분을 갖는 기본 FORMAT 데이터가 1차 FORMAT데이터로 전환되는 1단계와, 1차 FORMAT 데이터가 2차 FORMAT데이터로 전환되는 2단계와, 2차 FORMAT 데이터가 최종 FORMAT데이터로 전환되는 3단계로 구분되고; 상기 FORMAT 데이터 변환 단계는 상기 하중(A)과 상기 노드 넘버(B) 및 상기 좌표(C)의 변환으로 수행된다.
상기 최종 FORMAT데이터는 상기 금형 모델링의 3D 금형 면에 매핑(Mapping)된다.
상기 금형 모델링의 변형에는 금형 모델링 구조의 휨, 비틀림, 주저앉음이 포함된다.
이러한 본 발명은 3D 제품 모델링을 성형 해석해 획득된 접촉력(CONTACT FORCE)데이터가 3D 금형 모델링에 매핑(Mapping)됨으로써 초기 설계된 금형 모델링이 최적화된 구조 강건성과 내구성이 확보될 수 있는 최적 금형 모델링으로 설계되고, 특히 최적 금형 모델링을 통해 초기 설계시 갖던 금형 중량도 최적화됨으로써 보다 가벼워진 금형이 설계되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 초기 설계된 3D 금형 모델링의 최적화가 프로그래밍을 통해 수행됨으로써 최적화된 금형 설계에 하드웨어(hardware)적인 도구가 요구되지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금형 시제품이 제조되기 전 프로그래밍을 통한 최적화 과정이 먼저 수행됨으로써 금형 개발 기간이 크게 단축되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 성형 해석해 획득된 접촉력(CONTACT FORCE)를 이용한 구조해석용 격자구조형상(MESH) 금형 모델링의 매핑(Mapping)으로부터 금형구조해석이 수행됨으로써 소재 기술의 발달로 매우 강한 소재 강도를 갖는 고강도 강판에 최적화된 금형이 설계되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고강도 강판 성형에 최적화된 금형이 생산현장에 공급됨으로써 생산 현장의 업무효율 저하와 생산성 저하를 가져오는 금형변형(휨, 비틀림, 주저앉음)의 발생을 없애고, 특히 금전적 손실과 시간적 손실을 발생시키는 금형의 재제작 상황도 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고강도 강판 성형에 최적화된 금형 개발 기간이 크게 단축됨으로써 고강도 강판을 이용한 다양한 제품을 필요로 하는 산업계 요구에 신속하게 대처할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법의 동작 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제품형상 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 성형해석 수행용 금형 툴 및 블랭크 형상의 예이며, 도 4는 본 발명에 따른 상형금형과 하형금형이 CAD로 3D 금형 구조의 모델링된 예이고, 도 5는 성형 해석 중 변형 단계별로 발생되는 접촉력(CONTACT FORCE)을 하중-변위 선도로 도시한 예이며, 도 6은 도 5의 접촉력 중 최종 성형시점에서 발생되는 접촉력을 확인한 예이다. 추가적으로 도 6에서 도출된 데이터를 통해 하중과 좌표 및 노드 넘버로 변환된 접촉력 데이터에 대한 기본 포맷(FORMAT)이 획득되는 예이며, 도 7은 도 6의 기본 포맷(FORMAT)으로부터 1차 포맷(FORMAT)이 획득되는 예이며, 도 8은 도 7의 1차 포맷(FORMAT)으로부터 2차 포맷(FORMAT)이 획득되는 예이고, 도 9는 도 8의 2차 포맷(FORMAT)으로부터 최종 포맷(FORMAT)이 획득되는 예이며, 도 10은 도 9의 최종 포맷(FORMAT)이 3D 금형 모델링에 매핑(MAPPING)된 예이고, 도 11은 성형 단계별 금형의 변형발생 거동을 나타내는 구조해석 결과이며, 도 12는 도 11의 구조해석 결과로부터 금형의 구조 취약부 분석결과이고, 도 13은 도 12의 구조 취약부 분석결과를 이용해 구조 보강 및 최적화 실시한 예이며, 도 14는 도 13의 구조 보강을 이용해 최적화된 3D 금형 모델링의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법의 동작 흐름을 나타낸다.
S10과 같이 제품 및 그에 따른 형상등이 결정되면, 결정된 제품에 대한 모델링 절차가 수행된다. 이러한 모델링 절차는 S20의 CAE 모델링과 S30의 금형 모델링으로 구분된다.
S20의 CAE 모델링은 성형해석을 위한 금형 툴 및 블랭크 모델링이며, S30의 금형 모델링은 구조해석을 위한 상형 모델링과 하형 모델링으로 구분된 3D 모델링이다. 통상, 금형 모델링은 구조해석용 격자구조형상(MESH)로 이루어진다.
한편, 도 2는 성형제조품에 대한 제품모델링(1)의 예로서, 차량에 적용되는 크로스멤버(Cross Member)를 나타낸다. 통상, 크로스멤버는 서스펜션(suspension)의 하중이 집중되는 부분에 설치됨으로써 서스펜션의 많은 부품 지지 작용과 함께 차체로 전달되는 횡 방향 하중을 감당하는 부품이다. 그러므로, 최근 크로스멤버의 소재로 고강도강판 적용이 증가하고 있는 추세이다.
도 3은 성형제조품의 성형해석 공정을 진행하기 위한 블랭크(BLANK) 및 금형 툴(TOOL)(10)의 형상을 나타낸다. 통상, 프레스 성형을 통한 제품생산 과정을 해석 상 구현하기 위해 실제 금형구조와 동일한 다수 금형들이 필요하다. 다만, 해석적으로 원리구현을 통한 결과도출을 위해 실제구조를 간소화 시킨 금형구조를 갖는다.
일례로, 성형해석 시 필요한 금형 및 블랭크의 종류로서, 금형종류의 예는 펀치(20,PUNCH), 패드(40,PAD), 다이(50,DIE) 및 게이지(GUAUGE)등이 있으며, 블랭크(30,BLANK)는 제조품을 형성한다. 하지만, 크로스멤버가 아닌 경우 또는 크로스멤버 구조 및 형상에 따라 제품모델링(10)은 그 구성요소를 달리한다.
도 4는 3D 금형 모델링(100)과, 금형 모델링(100)을 구성하는 상형 모델링(200)과 하형 모델링(300)의 예를 나타낸다.
일례로, 상형 모델링(200)에는 제품이 성형되는 캐비티(Cavity)가 형성된 캐비티형성부(210)와, 금형의 구조 변형(휨, 비틀림, 주저앉음)방지를 위한 구조 강건성과 내구성이 갖추어진 강성형성부(220)가 구비된다.
하형 모델링(300)에는 제품이 성형되는 캐비티(Cavity)가 형성된 캐비티형성부(310)와, 금형의 구조변형(휨, 비틀림, 주저앉음)방지를 위한 구조 강건성과 내구성이 갖추어진 강성형성부(320)가 구비된다.
하지만, 상기 캐비티형성부(210,310)와 상기 강성형성부(220,320)는 한 예로서, 상기 상형 모델링(200)과 상기 하형 모델링(300)에는 필요에 따라 다양한 구조가 더 적용될 수 있다.
한편, S40은 성형 해석 단계로서, 이러한 해석은 3D 제품모델링이 해석 툴로 해석됨으로써, S41과 같이 해석결과에 따른 접촉력(CONTACT FORCE)데이터가 획득된다.
도 5는 제품모델링(1)에 대한 접촉력(CONTACT FORCE)데이터를 이용한 해석 선도로서, 이러한 선도로부터 제품모델링(1)의 성형시 제품모델링(1)이 받는 접촉력(CONTACT FORCE)의 크기가 제품모델링(1)의 형상에 따른 위치별로 측정됨을 나타낸다. 이로 부터 제품모델링(1)을 성형하는 금형 모델링(100)의 상형 모델링(200)과 하형 모델링(300)에 실제적으로 가해질 수 있는 하중 정도를 예측하거나 분석할 수 있는 기초 정보가 획득될 수 있다.
한편, S100내지 S130은 프로그램 컨버팅 절차(Program Converting Procedure)로서, 이를 통해 이전 단계에서 얻은 접촉력(CONTACT FORCE)데이터가 포맷(FORMAT)데이터로 변환되고, 포맷(FORMAT)데이터가 모델링 금형에 매핑(Mapping)됨으로써 제품모델링을 성형하는 금형 모델링의 초기 설계 구조에 대한 성능 해석이 준비될 수 있다.
S100은 기본 FORMAT 데이터가 작성되는 단계로서, 기본 FORMAT 데이터에는 접촉력(CONTACT FORCE)데이터로부터 추출한 하중과 좌표 및 노드 넘버가 포함된다.
도 6에는 접촉력(CONTACT FORCE)- 거리(Distance) 관계선도가 도시되고, 도 7에는 접촉력(CONTACT FORCE)이 하중(A)과 노드 넘버(B) 및 좌표(C)로 구분되어 표현된 기본 FORMAT 데이터의 예를 나타낸다. 이로부터, 접촉력(CONTACT FORCE)- 거리(Distance) 관계선도로부터 하중(A)이 선정되면, 하중(A)이 작용한 노드 넘버(B)와 이의 좌표(C)가 산출됨으로써 기본 FORMAT 데이터가 생성될 수 있다.
여기서, 상기 노드 넘버(B)는 성형해석시 소재가 금형과 접촉하여 변형되는 구간의 접촉력 성분을 나타낸다. 상기 좌표(C)는 x,y,z 좌표계의 x,y,z 성분이고, 이를 통해 해당 성분들이 3차원으로 표현될 수 있다.
S110과 S120은 기본 FORMAT데이터가 변환되는 단계로서, S110에서는 기본 FORMAT데이터가 1차 FORMAT데이터로 변환되고, S120에서는 1차 FORMAT데이터가 2차 FORMAT데이터로 변환된다.
도 7은 1차 FORMAT데이터의 예로서, 1차 FORMAT데이터에서는 접촉력(CONTACT FORCE)이 정렬 노드 넘버(B-1)와 x-y-z좌표하중(E)으로 표현된다. 이를 위해, 기본 FORMAT데이터의 각 성분인 하중(A)과 노드 넘버(B) 및 좌표(C)를 변환함으로써 노드 넘버(B)가 순차 정렬된 정렬 노드 넘버(B-1)로 전환되고, 하중(A)을 좌표(C)의 x,y,z 성분과 매칭해 x-y-z좌표변환하중(E)으로 전환된다.
도 8은 2차 FORMAT데이터의 예로서, 2차 FORMAT데이터에서는 접촉력(CONTACT FORCE)이 정렬 노드 넘버(B-1)와 x-y-z좌표(C-1) 및 x-y-z좌표매칭하중(E-1)으로 표현된다. 이를 위해, 1차 FORMAT데이터의 성분인 x-y-z좌표변환하중(E)은 x-y-z좌표(C-1)와 x-y-z좌표매칭하중(E-1)으로 전환된다.
도 9는 최종 FORMAT데이터의 예로서, 최종 FORMAT데이터에서는 접촉력(CONTACT FORCE)이 매핑 노드 넘버(B-2)와 x-y-z좌표매핑하중(E-2)으로 표현된다. 이를 위해, 2차 FORMAT데이터의 성분인 정렬 노드 넘버(B-1)는 매핑 노드 넘버(B-2)로 전환되고, x-y-z좌표매칭하중(E-1)은 x-y-z좌표매핑하중(E-2)으로 전환된다.
한편, S130은 2차 데이터 매핑(Mapping)과정으로서, 이를 위해 구조해석용 격자 구조형상(MESH) 금형 모델링 면에 최종 FORMAT데이터가 매핑(Mapping)된다.
도 10(가)에서는 최종 FORMAT데이터와 모델링 상형(200)의 결합을 통한 매핑(Mapping)결과가 매핑라인(210-A)으로 표현된 상태를 나타낸다. 이와 같이 격자 구조형상(MESH) 금형 모델링 면(210-1)에는 매핑라인(210-A)이 형성된다.
도 10(나)에서는 최종 FORMAT데이터와 모델링 하형(300)의 결합을 통한 매핑(Mapping)결과가 매핑라인(310-A)으로 표현된 상태를 나타낸다. 이와 같이 격자 구조형상(MESH) 금형 모델링 면(310-1)에는 매핑라인(310-A)이 형성된다.
하지만, 상기 격자 구조형상(MESH) 금형 모델링 면(210-1,310-1)은 성형되는 제품모델링(1)의 구조 및 형상에 따라 형성되므로, 본 실시예의 예로 한정되지 않는다.
한편, S200은 금형 구조 해석이 이루어지는 단계로서, 이러한 해석은 해석 툴을 적용하여 수행된다.
도 11은 금형 모델링의 구조 해석의 예로서, 이를 위해 초기 설계된 금형 모델링(100)의 상형 모델링(200)과 하형 모델링(300)의 캐비티형성부(210,310)를 구조해석용 격자구조형상으로 재 모델링 한 후 접촉면에 가해지는 성형해석 접촉력의 맵핑(Mapping)을 통해 금형 구조해석 시뮬레이션(Simulation)을 진행한다.
본 실시예에서, 금형 구조 해석은 제품 성형시 이루어지는 금형의 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용함으로써, 상형 모델링(200)과 하형 모델링(300)에서는 스트로크 변화(Stroke Movement)에 따라 받는 스트레스(Stress)가 분석된다.
도 11의 (가)는 금형 모델링(100)의 캐비티 공간 주변이 받는 스트레스 변화가 제1상태(Ka)로 해석되는 예로서, 상기 제1상태(Ka)는 제품 성형을 진행하는 과정에서 스트로크 이동(Stroke Movement)이 2mm 인 조건이다. 그러므로, 본 실시예에서 이루어지는 금형 구조 해석 과정은 도 11(가)로부터 (나)내지 (사)로 연속되는 순차적인 진행 단계를 통해 설명될 수 있다.
(나)는 상기 제1상태(Ka)가 제2상태(Ka-1,Kb)로 전환되는 1mm 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용한 결과이고, (다)는 상기 제2상태(Ka-1,Kb)가 제3상태(Ka-2,Kb-1,Kc)로 전환되는 0.8mm 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용한 결과이며, (라)는 상기 제3상태(Ka-2,Kb-1,Kc)가 제4상태(Ka-3,Kb-2,Kc-1)로 전환되는 0.6mm 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용한 결과이고, (마)는 상기 제4상태(Ka-3,Kb-2,Kc-1)가 제5상태(Ka-4,Kb-3,Kc-2,Kd)로 전환되는 0.4mm 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용한 결과이며, (바)는 상기 제5상태(Ka-4,Kb-3,Kc-2,Kd)가 제6상태(Ka-5,Kb-4,Kc-3,Kd-1,Ke)로 전환되는 0.2mm 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용한 결과이고, (사)는 상기 제6상태(Ka-5,Kb-4,Kc-3,Kd-1,Ke)가 제7상태(Ka-6,Kb-5,Kc-4,Kd-3,Ke-1,Kf)로 전환되는 0.04mm 스트로크 이동(Stroke Movement)을 적용한 결과이다.
여기서, Ka, Ka-1, Ka-2, Ka-3, Ka-4, Ka-5, Ka-6은 Ka를 기준으로 할 때 Ka의 변화 상태를 의미하고, Kb, Kb-1, Kb-2, Kb-3, Kb-4, Kb-5는 Kb를 기준으로 할 때 Kb의 변화 상태를 의미하며, Kc, Kc-1, Kc-2, Kc-3, Kc-4는 Kc를 기준으로 할 때 Kc의 변화 상태를 의미하고, Kd, Kd-1, Kd-2는 Kd를 기준으로 할 때 Kd의 변화 상태를 의미하며, Ke-1은 Ke를 기준으로 할 때 Ke의 변화 상태를 의미한다.
그러므로, S200의 금형 구조 해석이 완료되고 나면, 제1상태(Ka)와 제2상태(Ka-1,Kb), 제3상태(Ka-2,Kb-1,Kc), 제4상태(Ka-3,Kb-2,Kc-1), 제5상태(Ka-4,Kb-3,Kc-2,Kd), 제6상태(Ka-5,Kb-4,Kc-3,Kd-1,Ke) 및 제7상태(Ka-6,Kb-5,Kc-4,Kd-3,Ke-1,Kf)로부터 추출되며, 이로부터 상형 모델링(200)과 하형 모델링(300)의 초기 설계 조건이나 설계 값에 대한 신뢰도가 데이터로 획득될 수 있다. 통상, 이를 위해 전용 분석 툴(Tool)이 사용된다.
이하, 상기 제1상태(Ka)내지 제7상태(Ka-6,Kb-5,Kc-4,Kd-3,Ke-1,Kf)로부터 획득된 데이터는 금형 해석 데이터로 정의한다.
한편, S300은 금형 해석 데이터 분석 단계로서, 이러한 금형 해석 데이터는 S310의 금형의 구조 변형량 분석과 S320의 금형의 구조에 대한 응력집중 분석에 적용된다. 하지만, 금형 해석 데이터는 필요 시 금형 변형량과 응력집중 이외의 분석에 적용될 수 있다.
S310의 금형 변형량 분석에서는 휨 현상, 비틀림 현상, 주저앉음 현상과 같은 금형변형상태가 파악되고, S320의 응력집중 분석에서는 금형 수명 감소 원인인 금형 내구성상태가 파악된다.
도 12는 금형 변형량 분석과 응력집중 분석이 이루어진 구조해석 결과로서, 하형 모델링(300)이 예시되었으나 상형 모델링(200)도 하형 모델링(300)과 동일한 절차를 거쳐 동일한 결과로 제공된다.
도 12(가)에서는 하형 모델링(300)에 대한 금형의 구조 변형량 분석 결과를 나타내며, 금형의 구조 변형량 분석을 위해 하형 모델링(300)의 강성형성부(320)를 제1보강측벽(320-1)과 제2보강측벽(320-2)으로 구분하고, 제1보강측벽(320-1)에는 다수의 제1ㅇ2ㅇ3ㅇ4 설계 홀(341,342,343,344)이 형성되며, 제2보강측벽(320-2)에는 다수의 제5ㅇ6ㅇ7ㅇ8 설계 홀(351,352,353,354)이 형성된다.
그러므로, 금형의 구조 변형량이 분석되면, 제1,2,3,4 설계 홀(341,342,343,344)을 중심으로 각각 차이를 보이는 하중 크기로부터 제1보강측벽(320-1)이 받는 하중 정도를 알 수 있고, 제5,6,7,8 설계 홀(351,352,353,354)을 중심으로 각각 차이를 보이는 하중 크기로부터 제2보강측벽(320-2)이 받는 하중 정도를 알 수 있다.
이로부터, 제1보강측벽(320-1)의 변형에 취약한 제1ㅇ2ㅇ3ㅇ4 설계 홀(341,342,343,344)의 크기와 형상등이 파악되고, 제2보강측벽(320-2)의 변형에 취약한 제5ㅇ6ㅇ7ㅇ8 설계 홀(351,352,353,354)의 크기와 형상등이 파악된다.
본 실시예에서, 상기 제1ㅇ2ㅇ3ㅇ4 설계 홀(341,342,343,344)과 상기 제5ㅇ6ㅇ7ㅇ8 설계 홀(351,352,353,354)은 금형 설계시 주어진 초기 조건에 의해 형성되므로, 각각의 형상과 크기등은 설계시 주어진 초기 조건에 따라 각각 달라질 수 있다.
도 12(나)에서는 하형 모델링(300)에 대한 금형 구조의 응력집중 분석 결과를 나타내며, 응력집중 분석을 위해 하형 모델링(300)의 강성형성부(320)를 보강 인서트(330-1)로 구분하고, 보강 인서트(330-1)는 1개의 설계 가로 인서트(360)를 다수의 제1,2,3 설계 세로 인서트(371,372,373)가 간격을 두고 직교하는 구조로 이루어진다.
그러므로, 응력집중이 분석되면, 설계 가로 인서트(360)와 제1,2,3 설계 세로 인서트(371,372,373)의 교차지점을 중심으로 각각 차이를 보이는 응력 집중 정도로부터 보강 인서트(330-1)가 받는 응력 집중 정도를 알 수 있다.
이로부터, 보강 인서트(330-1)에서 응력집중에 취약한 설계 가로 인서트(360)와 제1,2,3 설계 세로 인서트(371,372,373)의 결합구조가 판단된다.
본 실시예에서, 상기 설계 가로 인서트(360)와 상기 제1,2,3 설계 세로 인서트(371,372,373)는 금형 설계시 주어진 초기 조건에 의해 형성되므로, 각각의 형상과 크기등은 설계시 주어진 초기 조건에 따라 각각 달라질 수 있다.
이하, 상기 금형 변형량 분석 결과와 상기 응력집중 분석 결과로부터 획득된 데이터는 금형 최적 설계 데이터로 정의한다.
한편, S400은 금형 최적 설계 데이터가 적용되어 금형 구조 취약부를 보강하는 단계로서, 이러한 금형 구조 취약부의 보강은 S410의 금형 구조 강건 요소와 S420의 금형 중량 절감 요소로 구분된다.
S410의 금형 구조 강건 요소에서는 휨 현상, 비틀림 현상, 주저앉음 현상과 같은 금형의 구조 변형에 강하면서도 균일한 응력 분산이 이루어질 수 있는 금형 구조가 파악되고, S420의 금형 중량 절감 요소에서는 최적화된 구조 강건성과 내구성이 확보된 상태에서 금형 중량도 절감되는 금형 구조가 파악된다.
한편, S500은 금형 최적 구조 설계 단계로서, 이를 통해 금형 설계의 초기 조건이 최적 조건으로 변경된다. 통상, 설계 조건의 최적화 산출은 이를 위한 설계 툴(Tool)로 수행한다.
도 13은 제1보강측벽(320-1)과 제2보강측벽(320-2) 및 보강 인서트(330-1)에 대한 금형 구조 취약부의 보강이 이루어짐으로써 최적화된 결과를 나타낸다.
도 13(가)에서는 제1,2,3,4 설계 홀(341,342,343,344)의 초기 설계 형상 및 크기가 제1,2,3,4 최적 홀(341A,342A,343A,344A)과 같은 형상 및 크기로 변경되고, 제5,6,7,8 설계 홀(351,352,353,354)의 초기 설계 형상 및 크기가 제5,6,7,8 최적 홀(351A,352A,353A,354A)과 같은 최적 형상 및 크기로 변경됨을 예시한다.
그러므로, 제1보강측벽(320-1)과 제2보강측벽(320-2)가 최적화된 구조 강건성과 내구성을 확보한 최적 설계 조건으로 설계 변경됨으로써 초기 설계 조건에서 가졌던 구조 강건성과 내구성 취약이 해소될 수 있다.
도 13(나)에서는 설계 가로 인서트(360)와 제1,2,3 설계 세로 인서트(371,372,373)의 초기 설계 결합 구조가 최적 가로 인서트(360A)와 제1,2,3 최적 세로 인서트(371A,372A,372B,373A)와 같은 최적 결합 구조로 변경되고, 특히 1개의 제2 설계 세로 인서트(372)가 2개의 제2 최적 세로 인서트(372A,372B)로 증가도리 수 있음을 예시한다.
그러므로, 보강 인서트(330-1)가 최적화된 구조 강건성과 내구성을 확보한 최적 설계 조건으로 설계 변경됨으로써 초기 설계 조건에서 가졌던 구조 강건성과 내구성 취약이 해소될 수 있다.
한편, S600은 최적화된 금형 모델링 및 제작 단계로서, 이를 통해 최적화된 설계 조건으로 금형이 모델링 되고, 최적화 된 금형 모델링으로부터 구조 안정성 및 절감된 중량을 갖는 최적화된 금형이 제작된다.
도 14는 최적화된 설계 조건으로 설계 및 모델링된 최적화 금형 모델링(100A)의 예로서, 최적화 금형 모델링(100A)에는 형상 및 크기가 최적화 된 제1,2,3,4 최적 홀(341A,342A,343A,344A)을 갖춘 제1보강측벽(320-1)과, 형상 및 크기가 최적화 된 제5,6,7,8 최적 홀(351A,352A,353A,354A)을 갖는 제2보강측벽(320-2)과, 결합 구조가 최적화된 최적 가로 인서트(360A)와 제1,2,3 최적 세로 인서트(371A,372A,372B,373A)를 갖는 보강 인서트(330-1)가 포함된다.
이를 통해 설계된 최적화 금형 모델링(100A)은 최적화 상형 모델링(200A)과 최적화 하형 모델링(300A)으로 구성되고, 최적화 상형 모델링(200A)과 최적화 하형 모델링(300A)의 결합 및 분리를 위한 가이더 핀(400A)이 함께 설계될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예 따른 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법에서는 제조되는 제품이 점진적으로 형상 성형되는 성형해석을 수행하고, 성형 해석 결과가 접촉력(CONTACT FORCE)으로 산출되어 접촉력(CONTACT FORCE) - 거리(Distance)의 관계 선도로 변환되어 FORMAT 데이터로 전환되며, 상기 FORMAT 데이터가 다수의 변환단계를 거쳐 구조해석용 격자구조형상(MESH) 금형 표면에 매핑(Mapping) 후 진행된 구조해석의 결과를 통해 금형 모델링의 초기 설계 조건이 고강도 강판 성형 시 요구되는 구조 강건성과 내구성확보를 위한 최적 설계 조건으로 전환될 수 있고, 특히 금형 설계 최적화 과정이 프로그래밍을 통해 수행됨으로써 설계 효율성이 크게 항상 된다.
1 : 제품모델링 10 : 금형 툴(Tool)
20 : 펀치(PUNCH) 30 : 블랭크(BLANK)
40 : 패드(PAD) 50 : 다이(DIE)
100 : 금형 모델링 200 : 상형 모델링
210,310 : 캐비티형성부 220,320 : 강성형성부
210-1,310-1 : 격자 구조형상(MESH) 금형 모델링 면
210-A,310-A : 매핑라인
300 : 하형 모델링 320-1 : 제1보강측벽
320-2 : 제2보강측벽 330-1 : 보강 인서트
341,342,343,344 : 제1,2,3,4 설계 홀
341A,342A,343A,344A : 제1,2,3,4 최적 홀
351,352,353,354 : 제5,6,7,8 설계 홀
351A,352A,353A,354A : 제5,6,7,8 최적 홀
360 : 설계 가로 인서트 360A : 최적 가로 인서트
371,372,373 : 제1,2,3 설계 세로 인서트
371A,372A,372B,373A : 제1,2,3,4 최적 세로 인서트
100A : 최적화 금형 모델링 200A : 최적화 상형 모델링
300A : 최적화 하형 모델링 400A : 가이더 핀

Claims (4)

  1. 성형 제품의 3D 제품 모델링을 성형 해석하고, 성형 해석 결과가 접촉력(CONTACT FORCE)으로 산출되어 접촉력(CONTACT FORCE) - 거리(Distance)의 관계 선도로 변환되는 해석 데이터 추출 단계;
    상기 접촉력(CONTACT FORCE)이 접촉력(CONTACT FORCE) - 거리(Distance)의 관계 선도를 이용해 데이터로 추출된 후 FORMAT 데이터로 전환되고, 상기 FORMAT 데이터가 구조해석용 격자구조형상(MESH) 금형 모델링 표면에 매핑(Mapping)을 수행 하기 적합한 데이터로 FORMAT 컨버팅 단계;
    상기 데이터 컨버팅을 거친 후 구조해석용 금형 모델링 면에 접촉력을 매핑하여 금형 구조해석이 진행되고, 구조 해석 결과로부터 3D 금형 모델링의 구조 취약부가 분석되고, 구조 취약부에 대한 초기 모델링 설계 조건이 구조강건성과 내구성 및 저 중량으로 최적화되는 최적 설계 조건이 획득되는 모델링 설계 최적화 단계;가 포함되고,
    상기 모델링 설계 최적화 단계의 구조 취약부는, 구조 해석 결과에 의해 상기 금형 모델링의 초기 모델링 설계 조건에 대한 해석 데이터가 획득되는 과정과; 상기 해석 데이터를 상기 금형 모델링의 변형구조와 응력집중구조로 구분하고, 상기 금형 모델링의 변형구조 데이터와 상기 금형 모델링의 응력집중구조 데이터로부터 초기 설계 조건이 분석되는 과정과; 초기 설계 조건의 분석 결과로 상기 금형 모델링의 구조 취약부를 판단하는 과정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 포맷 컨버팅 단계에서, 상기 FORMAT 데이터에는 하중과 노드 넘버 및 좌표성분이 포함된 것을 특징으로 하는 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 금형 모델링의 변형구조에는 금형 모델링 구조의 휨, 비틀림, 주저앉음이 포함된 것을 특징으로 하는 데이터 매핑을 이용한 프레스 금형 최적 설계 방법.
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