KR20170135220A - 이종소재접합 gusset 및 레일루프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CFRP 및 기가급 고성형성 강재를 적용한 경량 사이드 루프 모듈에 관한 것이며, 구체적으로 사이드 루프 모듈의 고성형성 고강도 소재인 TRIP(TRansformation Induced Plasticity, 변태유기소성)강 또는 TWIP(TWinning Induced Plasticity, 쌍정유기소성)강을 적용하여 경량화 및 강성향상을 시킨 것이다.
이를 위하여, 15% 이상 경량화 및 기존대비 동등이상 강성의 사이드 루프 모듈 개발한다.

Description

이종소재접합 GUSSET 및 레일루프{Gusset and rail roof joining different materials}

본 발명은 CFRP 및 기가급 고성형성 강재를 적용한 경량 사이드 루프 모듈에 관한 것이며, 구체적으로 사이드 루프 모듈의 고성형성 고강도 소재인 TRIP(TRansformation Induced Plasticity, 변태유기소성)강 또는 TWIP(TWinning Induced Plasticity, 쌍정유기소성)강을 적용하여 경량화 및 강성향상을 시킨 것이다.

1. 차체는 300개 내외의 구성 판재들의 결합으로 제작되는 자동차의 골격으로 샤시 및 의장 부품과 조립되어 사람 및 부품/화물들을 수용하는 역할을 하며 자동차 중량의 30% 내외를 차지하는 고 중량 부품일 뿐만 아니라 강성, 충돌 및 주행 안전성 등 자동차 성능에 결정적인 영향을 미침

2. 본 과제에서 개발하고자 하는 제품은 PS EV(쏘울 전기차)의 차체 상부 모듈인 어퍼바디부의 사이드 루프 모듈로써 해당 모듈은 루프레일(Roof Rail), A필러(A-Pillar), B필러(B-pillar) 부품으로 구성되어 있음

가. 루프레일(Roof Rail)은 루프바우(Roof Bow)라고도 칭하며 전복 및 충돌사고 발생 시 차량 천장부 루프패널부의 강성 보강재로 사용되는 부재임

나. A필러(A-pillar) 차량의 프론트 윈도우와 사이드 윈도우 중간에 있는 부재로 차량의 루프의 앞쪽을 지지함과 동시에 충돌 시 차체 강도 및 강성 보강용 부재임

다. B필러(B-pillar) 센터필러라고도 칭하며 차량 앞뒤 도어의 중간에 있는 부재로 특히 탑승자의 안전성 향상을 위한 강도 및 강성 보강용 부재임

1. 국내의 경량화 및 안전도에 대한 관심은 90년대에 들어서서 생긴 것이기 때문에 그 기술의 폭이나 깊이가 한정되어 있어 유럽과 일본 대비 기술력이 저하되어 있는 실정임

2. 현재 국내 자동차업체에서는 차체부품 제조 시 안전법규를 지키기 위한 수단으로 고강도 강판을 적용 및 보강재 추가의 제조방식을 사용하고 있으나, 이에 따른 중량 증가로 인해 강화되고 있는 연비 및 환경규제를 만족시키지 못하고 있는 상황임

3. 최근 국내에서는 차체부품의 고강도화를 통해 차량 충돌성능 및 경량화 효과를 개선하고자 고강도 경량 차체부품 기술개발이 진행되고 있으며, 그에 대한 방안으로 핫스탬핑 공법, TWB, 패치워크 기술 등의 적용이 널리 사용되고 있음

가. 국내에서는 차체부품을 제조하는데 있어서 고강도 강판을 적용하고, 보강재를 추가하는 방식으로 하고 있는데 이에 따른 중량의 증가는 지속적으로 강화되고 있는 환경 및 연비 규제 대응 부품 경량화 시장 니즈를 충족시키기 어려운 실정임

나. 특히 국내의 경우, 일반 Steel재 강판의 고강도화를 통해 경량화를 위한 적용이 많이 이루어지고 있음

4. 차체부품의 고강도화 및 경량화 성능 극대화를 위해 복합소재의 적용을 위한 연구가 점차 증가하고 있음

가. LFT(Long Glass fiber reinforcement Thermoplastics, 장섬유강화열가소성플라스틱), GMT(Glass fiber Mat Reinforcement, 유리섬유 강화 열가소성 플라스틱) 등의 복합소재의 경우, 기존 Steel 소재의 대체를 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며 차체의 적용사례도 종종 찾아볼 수 있음

본 과제에서는 CFRP 및 기가급 고성형성 강재를 적용한 경량 사이드 루프 모듈 개발을 목표로 하고 있음

- 사이드 루프 모듈의 고성형성 고강도 소재인 TRIP(TRansformation Induced Plasticity, 변태유기소성)강 또는 TWIP(TWinning Induced Plasticity, 쌍정유기소성)강을 적용하여 경량화 및 강성향상을 목표로 함

- 또한 기존의 인장강도 980MPa급 고강도강 소재의 루프레일을 CFRP소재를 적용함으로써 경량화 극대화 및 설계 최적화를 통한 기존대비 동등이상의 강성을 확보하고자 함

가. CFRP를 적용한 초경량 Roof Rail 개발

나. 기가급 (GPA급) 고성형성 강재 적용 Side Otr (A-Pillar/B-Pillar) 개발

다. 강재 + CFRP 간 이종 접합기술 개발

라. 기가급 고성형성 강재간 용접 접합기술 개발

1. 15% 이상 경량화 및 기존대비 동등이상 강성의 사이드 루프 모듈 개발

가. CFRP를 적용한 초경량 Roof Rail 개발

나. 기가급 (GPA급) 고성형성 강재 적용 Side Otr (A-Pillar/B-Pillar) 개발

다. 강재 + CFRP 간 이종 접합기술 개발

라. 기가급 고성형성 강재간 용접 접합기술 개발

기술개발 시 예상되는 기술적 및 경제적 파급 효과

1. 기술적 측면

가. 본 CFRP 및 기가급 고성형성 강재를 적용한 경량 사이드 루프 모듈 기술은 친환경 고효율 감성 부품시장 환경에 부합되는 핵심 기술로써 국내 부품기술을 단기간에 선진국 수준으로 혁신시킬 수 있음

나. 이종소재 혼용 기술과 고강도강의 고성형성 및 연신율 확보 기술은 다양한 자동차 부품들에 널리 활용 가능하여 국내 자동차 부품산업의 기술력을 동반 상승시킬 것으로 기대 됨

다. 타 산업에의 적극 활용을 통한 국내 산업 전반의 기술 경쟁력을 제고시킬 수 있음

2. 경제적 측면

가. 자동차 산업은 4천여개 부품업체의 2만여개 부품으로 생산되는 전후방 연관효과가 가장 큰 산업이며 고용 창출효과가 매우 큰 산업으로써 국내 경제의 고도성장에 이바지하여 온 국가 전략 산업임

나. 본 기술은 미래 부품기술로 주목받고 있는 이종소재 혼용 경량부품 기술과 고성형성 확보 기술로써 국내 자동차 산업이 본 기술개발로 세계 일류수준의 자동차 부품기술을 확보함으로써 향후 자동차 부품기술 선도국으로 도약함과 더불어 관련 산업의 지속성장을 구현하는 데 이바지 할 것으로 예상됨

다. 글로벌 아웃소싱으로 인하여 국내 자동차 부품업체들의 독자적인 기술력 확보를 통한 세계 시장 개척이 절실히 요구되고 있는 환경에서 본 기술은 부품업체들이 경량화 기술을 주도하는 계기를 마련할 수 있을 것으로 예상되며, 이로부터 국내 중소기업들의 수출 증대 및 글로벌 강소기업으로의 성장을 이룰 것으로 기대됨

라. 본 기술의 개발을 통한 국내 자동차 부품산업의 기술 고도화는 향후 국내 자동차 산업의 지속 성장을 견인할 것으로 기대되며, 이로부터 전후방 산업의 발전을 통한 국내 산업 및 경제의 활성화에 기여할 것으로 여겨짐

도 1 : 기술개발대상제품

2) CFRP 복합재 적용 구조 검토를 통한 컨셉 설계

가) CFRP 복합재 적용 루프 레일 개발은 천정 강도 시험 및 측면 충돌 시험의 정량적 목표를 달성하고, 이종 재질 접합부의 부식, 내식성, 열가소성 CFRP의 도장 통과시 내열성 확보를 통해 열변형량을 최소화 시킬수 있어야한다.

나) 이러한 요소들을 만족할 때 차체 무게 중심의 하향 조정으로 주생 성능을 개선 할수 있다.

다) 그리고, Steel + CFRP 적용 루프 레일 설계시 무게 하중에 의한 응력 분포를 성형해석을 통해 검토하여 ± ‘L’ 向 단면 생성하였다.

3) CFRP 성형 공법 문헌 및 자료 조사

가) 성형 공법

① CFRP 복합재의 성형을 위해서는 섬유 체적율이 물성에 큰 영향을 준다는 것을 이해해야 한다. 섬유 체적 함유율은 성형시 압력과 수지 함침에도 영향을 준다. 섬유 체적율을 높이기 위해 압밀 과정을 수행한다. 섬유 굵기가 작은 원소재는 압력을 받을수록 내부의 간극을 채워들어가 섬유 체적율을 높이고 이는 제품의 강성을 좋게 하는 역할을 한다.

② CFRP 소재를 사용하여 성형을 할 경우 수지의 종류에 따라 열경화성 수지와 열가소성 수지로 나누어 구분할 수 있다.

③ 복합재료의 공법은 크게 아래와 같이 RTM, 오토클레이브, 자동적층공법, 필라멘트 와인딩등이 있다.

4) Roof Rail 요구성능 고려 CFRP 적층 설계

가) 자동차 루프레일의 역할은 전복 및 충돌사고 시 차량 천장부를 보강하여 운전자의 머리 손상을 막기 위해 보강이 되는 부품으로 현재 사용 중인 루프레일은 980MPa급의 steel이 사용되고 있다.

나) 경량화를 위하여 steel 소재 대신 CFRP 소재로 적용하기 위해서는 steel 소재 수준의 강도나 탄성률을 갖는 CFRP 소재를 사용해야한다. 이를 위해 CFRP 소재의 적층에 따른 물성 데이터가 필요하므로 아래와 같은 조건으로 CFRP 적층 소재를 선정하였다.

5) CFRP 시편용 금형 제작 및 시편 성형

가) CFRP 시편 제작 금형

① 소재 경화 사이클에 의해 소재는 175도의 온도와 5MPa의 압력을 받아야 성형이 진행이 된다. 소재의 온도를 올리기 위해 금형에 온도 조절을 위한 히팅 라인과 냉각 라인을 설치 하였다. 금형 형상은 시편이 평판형태 이기 때문에 오픈된 평판 몰드로 제작하였다.

② 1kg의 소재를 25도에서 175도까지 승온하는데 20분정도의 시간이 소요된다. 일반적으로 열가소성 수지를 사용한 소재의 경우 적외선히터를 사용하기도 한다. 시편 제작을 위한 금형 사진은 아래와 같다.

나) 시편 제작

① 루프레일 설계를 위한 물성 시험을 수행하기 위한 CFRP 시편 제작을 진행하였다.

② 사용 원소재는 S사의 열가소성 카본 프리프레그를 사용하였다. 시편 제작에서 가장 먼저 고려해야 하는 두께를 맞추기 위하여 소재의 적층수를 결정하였다. S사의 소재는 1ply당 두께가 0.4t 이다. 물론 프레스 압력과 적층 수에 따라 압력이 달라질 수 있다.

6) CFRP 시편 특성평가를 통한 설계 Layout 도출

가) CFRP 소재의 경우 사용되는 적층 소재의 종류와 적층 방향에 따라 물성치가 차이가 나기 때문에 하중이 인가되는 방향 등을 고려하여 루프레일의 설계를 진행하여야 한다.

나) 특히 CFRP 소재의 경우, 기존 steel 과 동일하게 경량화 홀 작업을 하게 되면 작업의 응력 집중과 CFRP 소재 박리 등의 현상이 일어나기 쉬우므로, 경량화 홀을 제거하는 방향으로 루프레일 설계를 진행하였다.

7) 고성형성 강재(980MPa급 이상) 적용 B-Pillar 설계

가) 590Mpa급 AM TWB 1.6T/2.0T와 1,500Mpa급 PS 핫스템핑 1.2T를 비교 타겟으로 하여 PS 1,180Mpa급 TRIP 강 1.4T B-Pillar 데이터 설계 및 금형 개발 진행하였다.

나) 또한, PS 1,500Mpa급 1.2T는 개발 타겟인 1,180Mpa급 TRIP강에 비해 강도가 높고, 경량화되어 있는 부분은 사실이나, 가격적인 측면에서 COST DOWN을 통한 기가급 고성형성 강재 적용이 가능하여 PS 1,180급 TRIP 1.4T로 개발 진행하였다.

나) 경량화는 AM TWB강 대비 26.2% 수준으로 달성 하였으나, PS 핫스템핑강 대비 11.4 %가 더 무거웠다. 그러나, COST DOWN 비율이 PS 핫스템핑 대비 30.5%, AM TWB 대비 4.9% COST DOWN이 되어, 개발 타켓을 AM TWB로 선택하였다.

8) 구조 및 충돌해석 결과를 반영한 설계 개선안 도출

가) 성형 해석을 통해 크랙 발생 예상부 곡률을 증가시키고, 제품면 내부의 주름 감소를 위하여 비드형상 깊이 증대하였다.

나) 추가적으로, BL’K 라인 변경 및 드로우 비드 수정 동시 진행하였다.

9) 성형해석 결과 반영 B-pillar 공정 및 금형설계

가) PS TRIP강 1.4T 소재 물성 적용한 성형해석을 바탕으로 OP10 DRAW 프로파일 라인 변경 및 블랭크 형상 수정, 실사이드 매칭 하단부 ‘R’ 값 확대등 개선안을 적용하여 OP10/20 DRAW 공정 금형 설계 실시하였다.

10) B-pillar 금형 제작 및 시제품 Try-out

가) 최적화 설계 모델 반영한 OP10/20 DRAW, 2ND DRAW Free Test 금형 제작 하였다.

나) 기존 590Mpa급 1.4T 소재로 사전 Try-Out 실시하여, 형합 및 클라이언스 확인하였다.

다) 또한,T/O결과 크랙 및 살겹침, 주름 발생 문제점 확인하였다.

라) BL’K 라인 지속적으로 변경하여 크랙 발생 최소화 작업 실시하였고, 상,하형 금형 ‘R’ 구간 및 주름 발생부 4개소 고운 사상으로 형합 확인하였다.

마) 소재 변형 방지 위한 프로파일 비드 일부 구간 제거 및 외각 트림 구간 살 사전 제거로 금형 수정하였고, 비드 일부 구간 사포 및 고무 패드 적용 문제점 개선 T/O 진행하였다.

11) 시제품 결함 분석 및 개선안 도출

가) 성형 해석을 통해 문제점 유형 파악하고 금형 설계에 개선안 반영하여 금형제작 하였으나, 동일 문제점 지속 발생하였다. 문제점 및 개선 대책으로는 아래와 같다.

① 실사이드 매칭부 크랙 발생

㉮ BL’K 라인 확대에 따른 프로파일 라인 드로우비드력 상승으로 소재 유입 미흡에 따른 크랙 발생하였다.

② BL’K 라인 축소에 따른 하단부 살겹침 (주름) 발생

㉮ 크랙 개선을 위해 BL’K 라인 축소 진행, BL’K 라인이 축소 됨에 따라 드로우 비드력 감소로 인한 소재 유입량 과다로 살겹침 발생하여, 2차 성형해석을 통한 BL’K 라인 및 프로파일 라인 변경 금형 수정 실시하였다.

㉯ 또한, 2차 현장 Try-Out시 추가 현장 맞춤으로 크랙 문제점 개선하였다

③ 살겹침 (주름) 및 트위스트 발생

㉮ 살겹침 개선 위한 하단부 ‘R’ 10~15 확대 및 여육 추가, 형상 비드 2개소 구간 -/L向 3.0mm 추가 금형 가공 실시하였고, OP 10/20 전체적 형합 점검 및 미흡부 가공 육성 실시하였다.

1) CFRP 인장/압축/굴곡강도 평가용 지그 제작

가) 루프레일은 루프바우라고도 불리며 전복 및 충돌사고 발생 시 차량 천장부 루프패널부의 강성 보강재로 사용이 되는 부재로 현재 steel 소재를 사용하여 제조가 되고 있다. 이를 대체할 CFRP 소재를 선정하기 위해 CFRP 물성평가를 아래와 같은 규격을 이용하였으며, 각 규격에 맞는 시험용 지그를 사용하였다. ASTM 규격을 참고하여 CFRP 인장시험 시편과 압축시험 시편 등을 제조하여 물성평가를 수행하였다.

2) CFRP 소재 적층변화 물성 평가

가) UD 0°CFRP 소재 물성 평가

① UD 0°CFRP 소재의 경우, 재료연구소를 통하여 인장시험을 진행하였고, 그 결과를 정리하였다. CFRP 소재의 경우, 연신율을 측정하기 위하여 strain gage를 시편의 중앙부에 부착을 하여 인장시험을 진행한다. 탄성계수, 인장강도 등의 물성은 인장시험기로 측정이 되는 응력과 strain gage로 측정이 되는 변형률 선도를 이용하여 계산할 수 있으며, 5회 인장시험을 진행한 결과 평균 1931MPa의 인장강도가 측정이 되었다.

나) 12k 능직 CFRP 소재 물성 평가

① 12k 능직 CFRP 소재의 물성시험은 인장시험, 압축시험, 45°전단인장시험으로 진행하였다. 물성시험에 사용한 시험기는 10ton 용량의 만능재료시험기로 각 시험별로 규격에 맞는 시편 지그를 사용하여 진행하였다. 응력-변형률 선도 도출을 위하여 CFRP 시편 중앙에 strain gage를 부착하여 변형률을 측정하였고, 하중은 만능재료시험기에서 측정된 값을 사용하여 데이터를 확보하였다.

② 12k 능직 CFRP 소재 인장 시험의 시험 결과에서 확인할 수 있듯이 시편에 따라 변형률의 차이를 보였으며 인장 강도는 700~800MPa 정도로 측정이 되었다.

③ 12k 능직 CFRP 소재 압축 시험 시 변형률을 측정하기 위한 strain gage가 부착이 된 외부 층에서 내부 층으로 들어가면서 시편의 균열이 시작되는 것을 확인하였으며, 각 시편에 대한 시험 결과는 아래의 그림과 표로 정리하였다.

④ 12k 능직 45° 전단인장 시험 시편의 경우에는 신장에 의하여 시편 중앙부에 연신이 집중이 되어 시편이 늘어났으며, 0°인장 시편과 달리 섬유 배향각도의 차이에 의하여 전단 강도가 100MPa 정도로 측정이 되었고, 시험 결과는 아래와 같았다.

다) 12k 평직 CFRP 소재 물성 평가

① 12k 평직 CFRP 소재의 물성시험 역시 10ton 용량의 만능재료시험기로 인장시험, 압축시험, 45°전단인장시험으로 진행하였으며, CFRP 시편 중앙에 strain gage를 부착하여 변형률을 측정하였다. 12k 평직 CFRP 소재 인장 시험 결과는 아래와 같았으며, 파단이 일어난 곳이 상하 그립부에서 가까운 곳에 일어났다.

② 12k 능직 CFRP 소재 압축 시험 시 변형률을 측정하기 위한 strain gage가 부착이 된 외부 층에서 내부 층으로 들어가면서 시편의 균열이 시작되는 것을 확인하였으며, 각 시편에 대한 시험 결과는 아래의 그림과 표로 정리하였다.

③ 12k 평직 45° 전단인장 시험 시편의 경우에는 시험을 진행하는 동안 시편의 패턴을 따라 연신이 되면서 인장강도가 측정이 되었으며, 인장강도 102MPa 부근에서 시편의 길이가 변하여도 하중의 변화가 크게 나타나지 않았으며, 이 때 측정된 하중 값으로 최대인장강도와 변형률을 아래와 같이 정리하였다.

3) CFRP 해석 및 물성시험 비교 분석을 통한 구조해석 정밀도 개선

가) 금속이나 비금속은 가공 방향에 따라 물성의 차이가 있지만 해석프로그램을 이용하여 해석을 진행할 경우에는 등방성 재질로 고려하여 Young's Modulus, Poisson's ratio, Density와 같은 기본적인 기계적 물성을 동일하게 놓고 사용하게 된다. 하지만 섬유강화복합체의 경우에는 섬유의 배향방향과 적층 조건 등에 따라 물성의 차이가 있기 때문에 각 방향을 고려하여 해석에 사용하여야 한다. 본 과제에서는 비선형 유한요소프로그램인 Ls-dyna를 사용한 CFRP 소재 인장 시험 해석을 수행하였으며 인장 시험 해석에 필요한 데이터는 아래와 같다.

나) CFRP 인장 시험 해석을 위하여 인장 시편과 동일한 크기로 시편 모델을을 하였고, 인장 시험 모사를 위하여 시편의 오른쪽은 X 변위로만 자유도를 부여하여 구속하고, 시편의 왼쪽은 전방향 변위 구속을 하였으며 인장 속도를 5mm/s 로 하여 해석을 수행하였다.

다) CFRP 인장 시험 해석과 시험을 비교하기 위하여 해석에 필요한 물성데이터는 12k 평직/능직 CFRP 소재 물성시험 결과로 사용하였다. 시험과 해석간의 형상 및 최대 하중을 비교한 결과, 파단 형성과 하중이 비슷한 것을 확인할 수 있었다.

4) CFRP 적층 조건에 따른 강도 및 파단 특성 분석을 통한 적층설계 지원

가) CAE를 바탕으로 CFRP 적층 조건에 따른 강도 및 파단 특성을 확인하기 위해 12k 평직과 12k 능직 CFRP 소재의 인장 시험 결과를 이용하여 아래 표와 같은 적층 패턴으로 CFRP 인장 시험 해석을 진행하였다.

나) 적층 CFRP 소재 단일 층의 두께를 0.4mm로 계산하고, 최종 소재의 두께가 2.4mm로 하여 모델링하였으며, 적층 조건에 따른 결과 같은 아래와 같이 나타났다. 해석 프로그램 상으로는 인장강도에 영향을 미치는 요인은 적층 패턴의 순서보다는 적층되는 소재 단일 층의 수였다. 또한, 높은 인장강도를 위해서는 12k 능직 소재 보다는 12k 평직 소재를 사용하는 것이 바람직할 것으로 예상된다.

5) CFRP Roof Rail 및 기가급 강재 B-pillar 구조해석 및 충돌해석

가) Steel / CFRP 소재를 적용한 Roof Rail 구조해석

① 루프레일에 기존 steel 소재를 대체하여 CFRP 소재를 적용하기 위하여 적합한 소제 선정을 위하여 IIHS의 루프 충돌 시험 조건을 응용하였다. 아래와 같이 사이드 모듈과 루프레일의 구속하고, 지그가 충돌하는 지점에 완성차의 무게의 1.5배인 19110N의 힘을 주어 변형된 루프레일의 길이를 비교하여 CFRP 소재와 두께를 선정하였다.

② 구조 해석 조건에서 하중 작용 시 하중지점인 A-pillar와 Roof rail no.1, Roof rail no.2 의 변형이 일어났으며, 최대 변형량은 Roof rail no.1에서 나타났다. 기존 steel 소재의 루프레일의 변형량은 15.36mm이였고, CFRP 소재에 따른 변형량은 두께 및 소재별로 아래와 같았다. 12k UD 소재는 3mm 이상의 두께를 적용하여야 steel 소재 수준의 변형량을 보이며, 12k 평직 소재는 steel 보다 낮은 변형률을 가질 것으로 해석되었다. 또한 12k 능직 소재는 2~3mm 의 두께를 가져야 steel을 대체할 수 있는 것으로 나타났다.

나) 기가급 강재 적용을 위한 B-pillar 구조 해석

① SPFC590DP 소재를 사용한 기존 B-pillar와 핫스탬핑 소재인 SABC1470을 적용한 B-pillar, 기가급 강재인 1180TRIP 소재를 적용한 B-pillar의 동적 강성 해석을 통하여 소재의 고유 진동수를 해석하고, 각 소재별로 실제품을 이용하여 그 결과를 비교하였다.

② B-pillar 의 동강성 측정 시험과 결과를 비교 하였을 때, 고유진동수가 유사하게 나타났고, 소재의 두께가 두꺼운 AM-SPFC의 고유진동수가 가장 높게 나타났다. 기가급 강재를 적용한 PS-TRIP는 PS-SABC 보다 고유진동수가 높게 나타났는데 고유 진동수는 소재 두께에 비례하는 경향을 보였다.

나) 기존 steel 소재와 기가급 강재를 적용한 B-Pillar 충돌해석

① 미국고속도로안전보험협회(Insurance Institute for Highway Safety,IIHS)에서는 완성차 형태로 측면 충돌 성능을 평가하는 항목으로 50km/h 속도의 MDB(Moving Deformable Barrier) 측면 충돌 시험을 적용하는데 시험 조건은 아래의 그림과 같이 무게 1500kg, 지상에서 높이 379mm의 MDB대차를 차량의 프론트 액슬(Front Axle)에서부터 일정거리(IRD, Impact Reference Distance)에서 차량과 90도 방향으로 50km/h 속도로 대차를 충돌시켜 차량 및 탑승자의 상해 정도를 판단하는 시험방법이다.

② 아래 그림에서 확인할 수 있듯이 대차 충돌을 할 때 충돌 위치는 사이드 모듈의 하부와 B-pillar가 동시에 충돌하는 위치이기 때문에 B-pillar 의 변형을 정확하게 측정하지 못하는 경향이 발생할 수 있기 때문에 정확한 B-pillar 변형량을 측정하기 위하여 IIHS 규격의 충돌 높이 379mm를 400mm로 수정하여 해석을 진행하였다.

③ B-pillar 기존제품과 개발품의 충돌 성능을 비교하기 위해 Shell element size를 10으로 하여 모델링하였고, 각 모델에 대한 Node 및 Element 와 해석에 적용한 소재 물성 정보는 아래와 같다.

④ B-pillar에 적용되는 강재와 두께에 대한 해석결과에서 확인할 수 있듯이 SPFC590DP 소재를 사용한 B-pillar의 경우에는 낙하높이 0.75m에서 127.3mm의 침투량을 보였으며, 기가급 강재인 1180TRIP 소재는 모든 두께에서 SPFC590DP 소재보다 침투량이 낮게 나왔다. 또한, 핫스탬핑 소재인 SABC1470을 사용한 B-pillar를 이용한 해석 결과는 1180TRIP 소재 두께 1.2~1.4t 수준의 침투량을 보이는 것으로 해석되었다.

가) 사이드 모듈 정동강성 해석

① 사이드 모듈의 정적 굽힘 강성과 동적 굽힘 강성을 측정을 위하여 아래와 같이 steel 루프레일과 CFRP 루프레일을 각각 모델링 하여 해석을 진행하였다. 정적 굽힘 강성 해석을 위해 IIHS의 루프 충돌 시험 조건을 응용하여 지그가 충돌하는 지점에 완성차의 무게의 1.5배인 19110N의 힘을 주었으며, 충돌 지점의 변위가 1mm일 때, 측정된 구속 부위의 총 인가 하중으로 나누어 N/mm 단위로 변형에 대하여 가해진 힘을 구하였다. 동적 굽힘 강성 해석은 구속 조건 하에서 진동해석을 하여 나타난 굽힘 모드의 고유진동수로 결과를 확인하였다.

② 사이드 모듈의 굽힘 정강성 해석조건에서 변위에 따른 인가하중값을 확인한 결과, 루프레일의 소재를 12k UD로 할 경우에는 3mm 이상, 12k 능직은 2mm 이상으로 하여야 기존 steel 소재의 성능이 나올 것으로 예상되며, 12k 평직으로는 모듈 굽힘 정강성이 가장 높게 나왔다.

③ 사이드 모듈의 굽힘 동강성 해석조건에서는 나타난 CFRP 루프레일 고유진동수는 CFRP 소재의 종류와 두께에 관계없이 steel 루프레일보다 높게 나타났으며, 이는 엔진 가진 주파수인 20 ~ 30 Hz 보다 높아 강성 목표치를 충족할 것으로 예상이 된다.

6) 해석 결과 활용 Roof Rail 및 B-pillar 설계 지원

가) 해석 데이터를 바탕으로 Roof rail과 B-pillar에 적용 가능한 CFRP 소재와 기가급 강재의 두께는 아래 정리한 것과 같다. 추가적으로 Roof rail 해석에 사용한 모델 파일의 경우, 기존 steel 과 동일하게 경량화 홀 작업이 되어 있으므로, CFRP 소재 적용을 위해 경량화 홀 대신 리브 등을 추가하는 방법에 대한 추가 연구할 계획이다.

7) B-pillar 단품 충격시험용 지그 설계 및 제작

가) 사이드 모듈 중 B-pillar의 중심부가 함몰되면서 생기는 침투량 측정하기 위해 완성차업체에서 측면 충돌 시험 모사하기 위한 지그 설계 방법으로 사용하는 낙하 충돌 시험을 통하여 시험을 진행하므로 B-pillar의 상부와 하부를 충돌 시험기에 고정하기 위한 지그 설계 및 제작하였다.

8) B-pillar 단품 충격시험 평가를 통한 침투 변형량/ 피크하중 등 분석

가) 기존 제품 및 개발 제품 B-Pillar 충돌시험

① 기가급 강재 B-Pillar 충돌시험은 낙하 충돌 해석을 바탕으로 수행하였으며, 낙하 지그의 무게 400kg, 낙하 높이 0.75m의 조건과 낙하 충돌 위치를 B-pillar 하부에서 400mm 떨어진 곳으로 하여 시험을 진행하였다.

② 충돌시험에 사용한 B-pillar는 총 3가지 종류로 SPFC590DP 소재를 사용한 AM용 / 핫스탬핑 소재인 SABC1470 소재를 사용한 PS용 / 기가급 강재인 1180TRIP강 소재를 사용한 PS용 B-pillar를 사용하였다. 시험결과는 아래 그림과 같으며 기존 소재인 AM 제품의 지그 침투거리와 PS 제품의 지그 침투거리가 큰 차이가 없었으며, 본 과제의 개발품인 1180TRIP강 B-pillar의 지그 침투 거리는 73.1mm로 가장 낮은 지그 침투량을 보였다.

나) B-Pillar 충돌시험과 충돌해석 비교 분석

① 기존 제품과 개발품 B-Pillar 낙하충돌 시험 후 사진 비교 및 해석 프로그램에서 얻은 하중-지그 침투량 선도와 시험 시 측정된 하중-지그 침투량 선도를 비교한 결과는 아래와 같다. 고연신율 물성을 이용한 충돌 시험의 결과에 비해 시험의 지그 침투량이 적게 나타났으며, 해석과 동일하게 TRIP강 소재의 침투량이 SPFC 소재에 비해 34.8%의 침투량 감소를 보였다. 반면, 핫스탬핑 소재의 경우에는 해석에 비해 침투량이 더 높게 나타났는데 이는 고온에서 처리하고, 성형이 쉬운 소재이지만 냉각속도를 조절이 어렵고 제품의 강성 구현이 어려워서 일어난 현상으로 예측된다.

1) 성형/충돌해석/피로 물성평가용 시편 제작

가) 성형/충돌해석/피로 물성평가용 시편을 TRIP강 1.4T와 비교분석을 위한 590Mpa급 1.4T 두가지로 시편을 제작하였다.

2) Giga급 고성형강재의 성형물성 평가

가) 본 연구에서는 B-Pillar에 적용하기 위한 Giga급 강재로서 1180TRIP강을 선정하였다. TRIP강은 인장강도에 비하여 연신율이 높은 고성형성 소재로서 B-Pillar, roof rail 등의 고강도, 고성형성이 요구하는 구조부재에 많이 사용된다.

나) 본 연구에 사용된 1180TRIP강의 인장물성은 아래 표와 같고, 성형물성은 아래 그림과 같다. 항복강도는 1078MPa, 인장강도는 1237MPa, 연신율은 13%이다. r값은 0.86으로서 드로잉 성형보다 스트레칭 성형에 더 적합하며, 성형공법도 이에 맞게 설계할 필요가 있다. Giga급 강재는 FLD 시험에서 시편 중앙이 아니라 bead부에서 파괴가 많이 발생하기 때문에 ISO의 dog bone 시편을 사용하였다. FLD의 점은 근사선의 점 데이터들이며, FLD0값은 0.164이다.

3) Giga급 고성형강재의 충돌해석용 물성 평가

가) B-Pillar의 충돌해석을 위하여 1180TRIP강의 고속인장물성이 필요하다. 본 연구에서는 Instron 고속인장시험기를 이용하여 충돌해석용 고속인장물성을 구하였다. 고속인장 시 하중떨림현상을 회피하기 위하여 스트레인게이지와 로드셀을 병행하여 하중데이터를 구하였으며, 연신율을 고속카메라를 이용한 DIC(Digital Image Corelation)으로 측정하였다.

나) 시험 strain rate은 0.001, 0.1, 1, 3, 10, 30, 100, 200, 500/sec이며, 1000/sec은 외삽하였다. 각 조건 별로 최소 3회 반복하여 시험하였고, 물리현상의 한계에 따른 오차, 시험오차 등을 보정하기 위하여 자체 데이터처리기법을 충돌해석용 인장선도를 도출하였다. 아래 그림은 1180TRIP강과 이전 모델에 적용된 590DP강의 고속인장물성을 표시한 그래프이다.

4) Giga급 고성형강재의 피로물성 평가

가) 1180TRIP강의 피로물성은 4점 굽힘시험을 사용하여 구하였다. 아래 그림에 굽힘 피로시편의 도면과 피로시험기 및 4점 굽힘시험 지그의 사진이다. 표점구간 폭은 40mm, 표점거리는 17.085mm이며, 끝단의 구멍을 볼트로 조여서 지그에 체결한다. 응력비 -1에 대하여 15Hz로 고주기 굽힘 피로시험을 수행하였다. 이를 피로수명 곡선으로 그리면 피로한도가 590.7 MPa임을 얻을 수 있다. 이에 따른 피로수명 곡선의 근사식은 식(1)과 같다.

Fitting line : σ_a = 2773.4(N_f)^-0.10 (1)

5) 사이드 루프 모듈 B필러부품의 성형공법 설계

가) 본 과제에서는 590급 B-pillar 부품을 1180급으로 상향하여 제작하는 것을 목표로 한다. 우선 기존 금형설계안의 성형성을 분석하기 위하여 590급 B-pillar의 금형에 1180TR을 적용하여 판재성형 전용 해석프로그램인 Autoform R5.2를 사용하여 성형해석을 수행하였다. 수행된 성형해석 결과를 제시하였다. 성형해석 결과, 제품면의 상하단부에서 주름(보라색)이 발생하고 있으며, 곡률부 끝단에서 파단(빨간색)이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 FLD를 통해서도 쉽게 확인할 수 있다.

나) 성형품의 품질을 고려하여 공정변수에 해당하는 판재가압력, 마찰조건을 변화시켜 보았지만 성형성의 큰 개선효과는 얻지 못하였다. 따라서 성형품의 품질을 개선하기 위하여 공정변수 이외에 금형형상이나 초기 블랭크형상 등을 수정하여 설계를 개선할 필요가 있다.

6) 설계인자 변경에 따른 B필러 부품의 성형해석

가) 성형성 개선을 위해서는 제품면 내에서 발생하는 주름과 파단을 적절히 제거하여야 한다. 일반적으로 주름과 파단이 미소하게 발생하면 금형면의 형상변경 없이 다른 공정조건 (드로비드, 마찰, 판재가압력, 블랭크형상)을 조정하여 해결할 수 있다. 하지만 본 경우와 같이 단순히 공정조건의 변경에 의하여 양호한 성형품을 확보할 수 없는 경우에는 금형면의 형상변경이 필수적이다.

나) 대상부품의 주요 품질문제는 제품의 하단부에서 발생한다. 제품의 하단부에서는 주름이 심각하게 발생하고 있으며, 곡률부에서는 파단이 발생하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 제품변경부(파단색)와 모델변경부(빨간색)를 지정하고 형상변경을 수행하였다. 우선 제품면 내부에서의 주름을 저감하기 위해서는 소재의 살몰림을 완화하기 위하여 추가적인 형상을 부가하거나 기존의 형상을 확대하는 방법이 효과적이다. 곡률부에서의 파단은 곡률반경을 증가시키는 방법으로 형상을 완화함하는 방법이 주로 사용된다.

다) 첫 번째로 제품면 하단부의 주름발생 저감을 위하여 형상변경을 수행하였다. 기존 대비 크기를 확대하고 깊이도 5 mm 증가시켰다. 이를 통하여 제품 하단부에서의 살몰림을 해소하였고, 이때 형상을 과도하게 수정하면 파단 발생의 가능성이 있으므로 성형성 관찰을 통하여 형상을 적절히 수정할 필요가 있다. 추후에는 형상의 변경에 따라 성능적인 측면에서 영향이 있는지의 여부 또한 검토해볼 필요가 있다.

라) 두 번째로 곡률부 파단 방지를 위하여 빨간색 영역의 금형면 형상변경을 수행하였다. 기존 금형면은 B영역의 곡률부에서 파단이 발생하였다. 곡률부 파단을 제거하기 위하여 곡률반경을 12 mm에서 22 mm로 확대하고 이로 인하여 B영역 하단에서 발생할 수 있는 주름을 억제하기 위하여 A영역의 곡률반경은 25 mm에서 12.5 mm로 축소하였다. 제품면 내부의 주름을 추가적으로 개선하기 위하여 제품변경부 하단에 여육을 신설하였다. 곡률반경 수정 및 여육은 제품 하단부의 성형성에 복합적으로 기여하므로 여러 차례의 성형성 분석을 통하여 최종 금형면 설계를 결정하였다. 금형면 설계변경을 통하여 주요 제품불량을 해결하였으며, 제품면 내부의 미소한 주름 및 파단 제어를 위하여 드로비드와 블랭크 형상 수정을 수행하였다.

마) 기존 금형설계에서 드로비드는 부품 상하단부의 개단면 영역 이외에 모두 적용되어 있었다. 이때 부품 상하단부와 좌우측부에 각각 동일한 드로비드력이 부가되어 있었으나, 수정된 블랭크에 맞춰서 같이 전체적으로 드로비드력을 완화하였다. 이와 동시에 부품 하단부 주변의 드로비드 영역을 수정하는 작업을 진행하였다. 또한 부품 상단부 넥 주변에서 발생하는 주름을 개선하기 위하여 곡률부 주변의 드로비드를 분할하고 상대적으로 높은 드로비드력을 부가하였다. 부품 좌우측부에서 소재의 유입이 부족하게 되면 부품 중앙부에서 파단이 발생할 가능성이 있으므로 상대적으로 낮은 드로비드력을 부가하였다. 이와 같이 드로비드형 영역 수정, 영역분할 및 드로비드력 완화/수정을 통하여 변경된 금형면 설계 및 블랭크 형상에 적합한 인장력을 부가할 수 있도록 조정하였다.

바) 초기 블랭크의 형상 또한 성형성에 민감하게 영향을 주는데 이전에 수행한 금형면 및 드로비드 수정과 병행하여 초기 블랭크의 형상변경을 수행하였다. 제품 상당부에서의 주름을 개선하기 위하여 기존 대비 초기 블랭크 사이즈를 증가시켰다. 제품 중앙부는 기존과 유사하게 사이즈를 유지하였으며, 부품 하단부에서는 파단과 주름을 동시에 고려하여 초기 블랭크 형상을 확대하였다. 여러 차례의 블랭크 형상변경을 진행하여 최적의 블랭크 형상을 도출하였으며, 기존 블랭크 형상과 수정 블랭크 형상을 도시하였다. 기존과 대비하여 제품면 내부에서의 성형성이 개선된 결과를 동시에 확인할 수 있다. 이와 같이 금형면, 드로비드, 블랭크 형상의 수정을 통하여 제품면 내부에서 발생하는 주름과 파단의 성형성 문제를 해결할 수 있도록 수정 설계안을 제시하였다.

사) 아래 그림은 수정된 설계안에 대한 성형해석 결과를 보여준다. 해석결과를 살펴보면, 기존에 부품의 상하단부에서 발생하던 주름이 많이 개선된 것을 확인할 수 있으며, 하단 곡률부에서 발생하던 파단도 제거되었음을 확인할 수 있다. 하지만 전체적으로 주름과 파단의 위험성은 존재하고 있으므로 세부적인 부분은 T/O 공정을 수행하면서 조정할 필요가 있을 것으로 판단된다. 현재 부품 하단부의 플랜지에서 소재가 유입되면서 파단의 경향이 관찰되지만 실제 공정에서는 발생하지 않은 것으로 예상되며, 일부 발생하더라도 후공정에서 트리밍되어 제품면에 속하지 않기 ?문에 최종 제품의 성형성에는 영향이 없을 것으로 판단된다. 이와 같이 수립된 수정 설계안을 이용하여 실부품의 성형공정에 적용한다면 설계에 소요되는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

1) 이종소재 접합 문헌 및 특허 조사

가) 복합 재료, 소재 경량화, 성형 기술 세미나 및 학술 대회 참관을 통한 경량화 신기술 동향 및 이종 접합 기술 정보 파악하였다.

나) BIW (Body In White)에 다양한 이종 소재가 접목됨에 따라 기존 차체 용접 방식이던 SPOT 용접은 줄어들고 STR, FR, BR등의 Rivet 방식이나 FDS, SW, SN등 스크류, 스터드 방식의 이종 접합 기술들이 적용 되고 있다.

2) CFRP + 스틸 적용 이종접합 기술 선정

가) 현재 자동차선진 업체에서 사용중인 STR, FR, BR, SPR, HSR등 5가지 리벳 접합 기술중 2가지 방식을 선택하여 비교 시험 진행하였고, 그중에 HSR(High Strength Rivet), BR(Blind Rivet) 2가지 방식의 접합 방법을 선정하였다

① SPR(Self Piercing Rivet) 방식도 사전 검토하여 진행중이였으나, H/KMC 남양연구소 자문 결과 현재 당사에서 개발중인 고강도 스틸 980Mpa + CFRP는 접합 불가하다는 정보를 접수하여 기술 선정에서 제외하였다.

나) 또한, 상온에서 경화가 가능하고, 80℃에서 경화시켜 강도를 확보할수 있는 이형 접착제 2종을 선택하여 접착제만을 사용한 접합과 리벳만을 이용한 접합, 접착제와 리벳을 적용한 하이브리드 접합 방식으로 총 8 종류의 이종 접합 시험 실시하였다.

① 리벳 종류별 특징

㉮ HSR(High Stength Rivet)은 접합가능한 두께 범위가 매우 넓고 고강도로서 내진동이 요구되는 부위에 적합하다.

㉯ BL(Blind Rivet)은 접합 범위가 크고 홀채움성이 좋아 가공홀 사이즈에도 덜 민감하며 맨드릴 보유력이 크다.

① 접착제 종류별 특징

㉮ Araldite 2014-1은 Metal과 패널 접찹에 사용되는 2액형 구조형 접착제로, 고온에서 내약품성을 지니고, 낮은 저수축 요변성(Thixotropic) 페이트스이다. 여러 종류의 화확 물질 및 방수 성능이 우수하고, 최대 140℃에서의 고온에서 작업이 가능한 특징을 갖고 있다.

㉯ Pliogrip 5760B 또한 Metal과 패널 접찹에 사용되는 2액형 구조형 접착제로, 고온에서 안정성을 가지고 있는 제품이며 흐르지 않는 Paste 타입이다.

㉰ Open time : 90Min, Work time : 120Min, Clamp time : 4hours Sand time : 8hours 이다.

3) 선정 접합기술의 주요 성능인자 선정

가) CFRP 와 스틸 소재의 이종접합을 사용할 접착제를 이용한 접합과 블라인드 리벳과 고강도 리벳을 이용한 기계적 접합, 이 둘을 함께 사용하는 하이브리드 접합에 따라 다양한 접합 강도 물성이 나타난다. 특히 접착제를 사용한 접착제의 경우에는 접착제 수지의 종류와 경화 조건 등에 따라 그 물성이 다양하게 나타날 수 있다. 리벳을 이용한 기계적 접합의 경우, 리벳의 직경과 사용되는 리벳의 소재 등에 따라 물성의 차이가 난다.

나) 본 과제에서는 2핵형 접착제인 Huntsman사 Araldite 2014와 ASHLAND사 PLIOGRIP 5760B을 사용하여 접합을 하였고, 경화 조건으로 접착제 접합 후 80℃에서 30분 동안 경화시켰다. 리벳을 이용한 기계적 접합을 위해 일반 리벳인 BHMDAP과 고강도 리벳인 HSECCZ을 사용하였으며, 리벳의 헤드지름이 4.8mm인 것을 사용하였다. 또한, 접합을 위해 드릴을 사용하여 접합시편에 홀가공하여 기계적 접합을 하였다.

4) 접합 특성 평가용 인장/전단시험 지그 설계 및 제작

가) CFRP와 Steel 간의 접합강도를 측정하기 위하여 ASTM D 5868를 이용하였으며, 접합강도 측정은 10ton 만능재료시험기를 이용하였다.

나) 동일한 시험 조건을 구현하기 위해 만능재료 시험기의 상부 그립에 CFRP 소재를 결속하고 하부 그립에 steel 소재를 결속하여 접합강도 시험을 진행하였다.

5) 접합 조건 변화 이종소재 접합 시편의 인장/전단 파단특성 평가

가) 이종소재 접합강도 측정을 위하여 CFRP 소재는 12k 능직 직물을 적층한 시편을 사용하였으며, steel 소재는 기존 루프레일 소재인 SPFC980Y을 사용하였다. 전단 접합 강도 측정은 ASTM D5868 규격에 의거하여 strain rate을 0.5(13 mm/min)로 실시하였다. 접합 조건은 접착제를 이용한 접합인 Bond A(Araldite 2014-1), B (PLIOGRIP 5760B)의 경우, 기계적 접합인 Rivet(고강도 리벳, HSECCZ)과 Blind Rivet (BHMDAP)의 경우, Bond + Rivet인 하이브리드 접합을 포함하여 총 8 가지의 접합조건으로 실험을 진행하였다.

나) 시험 결과는 아래와 같으며 접합강도가 높게 나타난 접합 조건은 Bond A이였고, 이때의 강도는 7851.409 N으로 측정되었다. 또한 접합강도가 가장 낮은 조건은 Blind Rivet을 사용하였을 때였으며, 강도는 2104.109 N로 측정되었다. 기계적 접합 시편의 경우에는 모재에서의 파단보다 Rivet 부분의 파단이 발생하였으며, 접착제를 사용한 경우에는 CFRP 소재의 접착제 처리 부분의 박리 현상이 발견되었다.

다) 접착제와 기계적 접합을 혼용한 하이브리드 접합의 경우에는 초기 접착제에 의한 접합 강도가 측정이 되었으며, 연신이 추가적으로 진행이 되다가 Rivet의 파단 강도 부에서 2차 접합강도가 측정이 된 후에 시편이 떨어지는 현상이 발견이 되었다.

100 : 루프레일

Claims (1)

1. CFRP 복합재 적용 루프 레일.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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