KR20190079876A - 드로우 공법을 적용한 패치워크 금형 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차체 부품 중 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능이 중요한 카울 및 백 모듈에 대하여 TRB공법 및 실러 패치워크 기술을 적용하여 부품의 두께를 적절히 변화시키는 방식으로 NVH 성능을 향상시키고 공정을 합리화하여 성능향상에 따른 비용증가를 최소화한 드로우 공법을 적용한 실러패치워크 성형방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 패치워크와 TRB 모두 소재단계에서 가변 두께를 적용하고 이후 성형하는 부품성형방법을 적용한다.
따라서, 상호 상충되는 성능인 경량성과 NVH성능을 동시에 충족시키기 위한 방안으로 실러 패치워크 기술과 TRB기술을 적용하여 제진성능 강화와 경량화를 동시에 만족시킬 수가 있다.

Description

드로우 공법을 적용한 패치워크 금형 구조{Patchwork mold structure using draw manufacturing}

본 발명은 드로우 공법을 적용한 패치워크 금형 구조에 관한 것이며, 구체적으로 두 모재의 크기가 다른 소재를 패치워크하여 드로우 공법으로 성형할 때 그에 따른 금형구조에 관한 것이다.

‘NVH향상 및 저코스트화 일체형 카울/백 모듈 개발’을 통하여 차체 부품 중 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능이 중요한 카울 및 백 모듈에 대하여 TRB (Tailor Rolled Blanks) 공법 및 실러 패치워크 기술을 적용하여 부품의 두께를 적절히 변화시키는 방식으로 NVH 성능을 향상 시키고 공정을 합리화 하여 성능 향상에 따른 비용 증가를 최소화하고자 함

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, 진동 및 주행 안전성 등 자동차 성능에 결정적인 영향을 미침.

차체는 주요 골격인 BIW (Body In White)와 도아, 후드, 트렁크 등의 Moving Parts로 이루어지며, BIW는 프런트/센터/리어/대시/백 패널 등이 결합되어 차체 하부를 구성하는 언더바디 (Underbody)와 카울/루프/피트레이/사이드가 결합되는 차체 상부 모듈인 어퍼바디 (UpperBody)로 분류 됨.

카울 모듈은 차체 상부 모듈인 어퍼바디에 위치하며 엔진룸과 실내를 구분해 주는 대시패널 상부에 위치하여 대시패널과 더불어 차량 외부로부터 실내로 열, 소음, 진동 등을 차단하며, 충돌로 발생하는 외력으로부터 탑승자를 보호하는 역할을 하는 차체 부품임

- 카울 모듈은 크케 카울탑 패널(Cowl Top Panel)과 카울 로워 패널(Cowl Lower Panel)로 구성되며, 카울탑 패널은 전면부 유리(Wind shield glass)와 부착되고 카울 로워 패널은 대쉬패널과 용접을 통해 연결되는 구조를 가짐

- 디젤차종의 경우, 엔진 및 노면으로부터 실내로 유입되는 소음, 진동영향을 많이 받으므로 카울 모듈의 소음, 진동 성능향상을 위한 구조적인 개선이 필요함

- 또한 카울 모듈은 차량 충돌 시 차량 전면부에 강성을 부여함으로써 충격 흡수를 통해 탑승객을 보호하는 역할을 함

백 모듈은 차체 하부 모듈인 언더바디에 위치하며 차량 외부과 트렁크를 포함한 실내를 구분하는 부품으로 카울과 마찬가지로 차량 외부로부터 실내로 열, 소음, 진동 등을 차단하며, 충돌로 발생하는 외력으로부터 탑승자를 보호하는 역할을 하는 차체 부품임

- 백 모듈은 크케 백 멤버 리어 트랜스버스(Back Member Rear Transverse 혹은 Back Member RR T.VERSE)와 백 패널(Bach Panel)로 구성되며, 카울탑 패널은 범퍼와 결합되는 구조를 가짐

- 백 모듈은 특히 노면으로부터 실내로 유입되는 소음. 진동의 영향을 크게 받으므로 카울 모듈과 같이 소음, 진동 성능향상을 위한 구조적인 개선이 필요하며 차량의 후방 충돌 시 차량 후면부에 강성을 부함으로써 충격 흡수를 통해 탑승객을 보호하는 역할을 함

국내의 안전도 및 경량화에 대한 관심은 90년대에 들어서서 생긴 것이기 때문에 그 기술의 폭이나 깊이가 한정되어 있음.

- 현재 국내 자동차 업체에서는 차체부품 제조시 안전법규를 지키기 위한 수단으로 고강도 강판을 적용 및 보강재 추가의 제조방식을 사용하고 있으나, 이에 따른 중량증가로 인해 강화되고 있는 환경법규를 만족시키지 못하고 있는 실정임.

최근 국내에서는 차체부품의 고강도화를 통해 차량 충돌성능 및 경량화 효과를 개선하고자 고강도 경량 차체부품 기술개발이 진행되고 있으며, 그에 대한 방안으로 열처리, 고강도강, TWB, 패치워크 기술 등이 검토가 활발히 진행되고 있음.

- 패치워크 기술의 경우 국내 업체에서 패치워크를 적용한 케일게이트를 개발한 바 있으며 주관 기관인 현대하이텍에서 제진강판을 적용한 대쉬 패널을 개발중이나 강판은 구조용 접착제인 실러를 이용하여 패치워크를 적용 제진성과 강성을 동시에 확보하고자 하는 연구는 아직 국내 및 국외에서 수행된 바 없음.

TRB기술의 경우 TWB가 상용 개발되어 국내 차종에 적용 중임에 반해 국내 일부 업체 등에서 개발한 사례는 있으나 아직 상용화 된 바는 없음.

① 고강도강

- 국내에서는 고강도강을 이용한 경량화 연구는 시제품 개발로 관심이 집중되어 왔으며, 현재 980급 고강도강은 도어 임팩트 빔에 양산적용되고 있지만, 아직까지 낮은 성형성과 스프링백 해결을 위하여 연구 중에 있음.

- 최근 국내 철강업체인 P사는 고유기술로 초고강도강 TWIP(TWinning Induced Plasticity)을 개발하였음. TWIP강은 기존 초강도강 대비 연성이 높아 가공이 쉽고, 복잡한 형태의 부품 성형이 가능하며, 충돌안정성이 우수하다는 장점을 갖고 있으나, 아직 양산 품질 보증능력이 미흡함.

② TWB (Tailored Welding Blank) 공법

- 현재 국내에서는 충돌성능과 경량화를 동시에 만족하기 위해 국부적인 두께 증가방법인 TWB 공법을 차체부품에 적용중임

- TWB공법은 두께가 다른 철판을 사용하여 이종 두께 및 다른 재질을 레이저로 용접하는 기술로써 도어 인너 패널, 사이드 빔 등에 양산적용 중임

③ TRB (Tailored Rolled Blank) 공법

- 국부적으로 다른 두께를 갖는 소재를 Stamping하는 Tailored Blank의 일종으로 압연 시 롤러의 유간격에 변화를 주어 두께가 다른 소재를 생산하는 기술임

TWB에 비하여 추가적인 용접이 필요 없고 연속 압연을 통하여 이음매가 부드럽게 연결되어 물성과 형상의 변화가 크지 않아 품질이 안정적이며 성형이 TWB 대비 용이한 장점이 있음

- 국내 일부 업체들에서 개발 및 적용 검토 중이며 양산 적용 사례는 없음

④ 패치워크(Patch Work)기술

- 패치워크 기술은 제품의 고강성화, 생산성, 경량화 증대에 있어 효율적인 기술로 자동차 차체 부품사에서 이를 적용한 국내동향이 있음

- 그 대표적인 예로 국내 업체에서 패치워크를 적용한 테일게이트(Tail Gate)를 개발 하였고, 패치워크 공법에 대한 선행검증을 통해 기존대비 동등 수준의 강도와 원가절감 10%, 경량화 8%가 입증됨

- 또한 동일업체에서는 이 기술에 대한 응용으로 시트 크로스 멤버 (Seat Cross Member)에 패치워크를 적용하였고, 측면 충돌시 발생되는 에너지의 침입량 감소, 원가절감 12%, 경량화 7%는 물론 OEM사에 이를 제안하여 제품 양산화에 성공하였음

세계적인 자동차용 부품기술의 추세는 경량화, 모듈화, 전자화라는 세가지 목표를 향하여 질주하고 있으며 이 경쟁에서 낙오하지 않기 위해서는 획기적인 생산방식의 개발이 반드시 필요 함

기존 카울 및 백 모듈 제작 기술은 각각의 보강재와 메인판재의 프레스성형을 수행하고 스폿 용접이나 접착을 한 후 제품을 제작하는 공법으로써, 부품수, 공정수 및 용접부 증가로 인한 비용 상승의 문제점이 발생되고 있음

본 과제에서는 상호 상충되는 성능인 경량성과 NVH성능을 동시에 충족시키기 위한 방안으로 실러 패치워크 기술과 TRB기술을 적용하여 제진성능 강화와 경량화를 동시에 만족하는 혁신적인 기술을 적용하고자 함

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 패치워크와 TRB 모두 소재단계에서 가변 두께를 적용하고 이후 성형하는 부품성형방법을 적용함.

상호 상충되는 성능인 경량성과 NVH성능을 동시에 충족시키기 위한 방안으로 실러 패치워크 기술과 TRB기술을 적용하여 제진성능 강화와 경량화를 동시에 만족시킬 수가 있다.

도 1은 자동차 부품별 중량분포;
도 2는 자동차 차체구성과 카울 및 백 모듈의 위치
도 3은 카울모듈 구성
도 4는 백모듈 구성
도 5는 일체형 카울모듈 성형기술
도 6은 일체형 백모듈 성형기술
도 7은 NVH향상 및 저코스트화 일체형 카울/백모듈 개발
도 8은 일반적인 패치워크와 실러 패치워크의 차이
도 9는 TRB기술 및 TRB 적용 차체부품
도 10은 본 발명의 기술개발 개요
도 11은 NVH향상 및 저코스트화 일체형 성형기술
도 12는 부품수 축소를 통한 카울모듈 경량화
도 13은 공정감소를 통한 카울모듈 원가절감
도 14는 부품수 축솔르 통한 백모듈 경량화
도 15는 공정감소를 통한 백모듈 원가절감

NVH 향상 및 저코스트화 일체형 카울 모듈 기술은 TRB 기술을 적용한 카울 탑 패널과 실러 패치워크기술을 적용한 로워 패널이 결합된 카울 모듈을 개발하는 기술임

- 카울 탑 패널은 인장강도 590 MPa급 고장력강을 적용하여 강도 향상을 꾀하며 TRB(Tailor Rolled Blanks) 기술을 적용하여 판재 두께를 다변함으로써 카울 탑 패널의 성능(보행자 충돌 보호, NVH)을 향상 시킴

- 카울 로워 패널은 스틸(모재 590MPa급 고강도강) + 구조용 접착제 + 스틸(패치 780MPa급 고강도 강)로 샌드위치 구조의 실러 패치워크를 일체형으로 제작 및 성형하여 공정 감소 및 NVH 성능 향상을 동시에 이룰 수 있음

실러 패치워크기술이란 일반 패치워크기술이 모재에 패치를 접합함에 있어 전기저항 점용접이나 레이저 용접에 기반 하여 구조 보강을 꾀함에 비해 구조용 접착제를 이용하여 패치 접합은 물론 고강도 강판 사이 수지 접착제가 진동에너지를 열 에너지로 발산하는 제진강판의 원리를 적용 하여 고강도 패치에 의한 구조 보강 및 접착 수지에 의한 진동 저감을 동시에 충족하는 기술임

NVH 향상 및 저코스트화 일체형 백 모듈 기술은 TRB 기술을 적용하여 가변 두께를 갖는 일체형 멤버 리어 트랜스버스와 일반 패치워크 기술을 적용한 Stamping으로 제작된 백 패널이 결합된 백 모듈을 개발하는 기술임

- 백 멤버 리어 트랜스버스 패널은 인장강도 500 MPa급 고장력강을 적용하여 강도 향상을 꾀하며 TRB(Tailor Rolled Blanks) 기술을 적용하여 판재 두께를 다변함으로써 백 멤버 리어 트랜스버스 패널의 성능(보행자 충돌 보호, NVH)을 향상시킴

- 백 패널은 Stamping을 적용하여 제작 하되 일반 용접형 패치워크 기술을 적용하여 브라켓 등 추가 부품 삭제를 통하여 공정 수를 감소시키고 성능향상에 의한 비용 상승을 최소화 함

본 과제를 통하여 일체형 카울/백 모듈 개발을 통하여 NVH향상 및 저코스트화를 이루고자 함

- 패치워크, TRB를 통한 국부 가변 두께 적용으로 추가 부품의 적용 없이 NVH 성능을을 향상하고 비용상승을 최소화하고자 함

- 기존 대비 동등 이상 정/동강성 구현

- 고장도강 적용 일체형 부품성형기술 개발 :

패치워크와 TRB 모두 소재단계에서 가변 두께를 적용하고 이후 성형하는 기법으로 추가 부품의 용접 및 접착 등 후 공정이 삭제되어 일체형 부품 성형이 가능함

- 고효율 저코스트형 제조공정 프로세스 도출

경량화 10% 이상 달성

본 NVH향상 및 저코스트화 일체형 카울/백 모듈 개발 대상 부품은 다음과 같음

- 카울 모듈

· 실러 패치워크 적용 카울 로워

· TRB 적용 카울 탑

- 백 모듈

· TRB 적용 백 멤버 리어 트랜스버스

· 용접 기반 Patchwork 적용 백 패널

일체형 카울/백 모듈 성형을 위한 핵심 생산기술은 3가지로 구성 됨

- 실러 패치워크 기술

- 고강도강 TRB 성형 기술

- 가변두께 성형을 위한 금형 설계 기술

실러 패치워크 기술이란 금속 패치를 모재에 결합함에 있어 일반적으로 사용되는 레이져나 점 용접이 아닌 구조용 접착제를 이용하여 제진성과 국부 보강을 동시에 확보하는 기술임

- 일반 패치워크 기술은 서로다른 재질의 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단 후 레이저 용접 혹은 점 용접을 통해 Blank를 제작함에 비해 실러 패치워크 기술은 구조용 접착제를 이용하여 구조 보강과 제진성을 동시에 확보하는 기술임

- 구조용 접착제는 진동 에너지를 열에너지로 전환하여 발산함으로써 제진 작용을 하며 필요에 따라 용접을 추가하여 구조 강도를 보강할 수 있음

- 패치워크는 개발 모듈 중 특히 제진성 향상이 필요한 카울 로워 패널에 적용되며 패치워크 적용을 통하여 추가적인 부품의 후조립을 삭제하여 생산 비용을 저감함으로써 NVH 성능이 향상된 저코스트화 카울 로워 패널을 개발하고자 함

TRB (Tailored Rolled Blank) 기술이란 국부적으로 다른 두께를 갖는 소재를 Stamping하는 Tailored Blank의 일종으로 압연 시 롤러의 유간격에 변화를 주어 두께가 다른 소재를 생산하는 기술임

- 용접을 통하여 국부적으로 다른 두께를 구현하는 TWB의 발전된 형태로 독일부품업체 무베아(Mubea)와 이탈리아 설비업체 다니엘 리가 기술을 개발하여 2017년까지 특허를 독점하고 있음

- 본 과제에서는 TRB를 카울 탑 패널과 백 멤버 리어 트랜스버스에 적용하여 국부적으로 두께를 보강하여 동강성 증가와 경량화를 이루고 추가적인 부품 조립을 삭제하여 공정 합리화를 통해 성능 증가로 인한 가격 상승 요인을 최소화 하고자 함

- TRB는 카울 탑 패널과 백 멤버 리어 트랜스버스 패널에 적용되어 적용 제품에 대한 NVH 향상 및 저코스트화를 달성하고자 함

본 과제에서 패치워크와 TRB는 성형 전 소재 상태에서 국부적인 두께를 보강하고 Stamping을 통하여 부품을 성형하는 공정으로 일정한 두께의 소재 성형에 비해 고난이도의 금형 설계 기술이 필요함

- 해석을 통하여 다른 두께가 만나는 이음부의 성형성에 대한 평가가 고려되어야 함

- 일정 두께 소재에 비하여 금형 접촉면의 높이가 다양 하므로 소재 두께에 따른 금형의 공차와 단차를 고려한 설계기술이 필요함

본 NVH향상 및 저코스트화 일체형 카울/백 모듈 개발은 친환경 고안전 고품질 부품시장에 부합되는 핵심 기술로써 국내 차체 부품기술을 단기간에 선진국 수준으로 혁신시킬 수 있음

- 실러 패치워크, TRB 복합 부품기술은 국내외 관련 기술 적용사례가 없거나 시작되고 있는 단계로서 본 기술 개발을 통하여 국내외 시장 선도가 가능함.

- 특히 고품질 저코스트형 생산기술로써 부품사들의 시장경쟁력을 제고시키는 계기가 될 것임

실러 패치워크, TRB 복합 부품기술은 다양한 자동차 부품들에 널리 활용 가능하여 국내 자동차 부품산업의 기술력을 동반 상승시킬 것으로 기대 됨

- 자동차 경량화가 시장 메가트렌드로 주지되고 있는 상황에서 일체형 국부 두께 증가 기술은 경량화가 필수적인 각종 차체바디 및 차체 외판재 등에 광범위하게 기술적용이 확대될 것으로 기대됨

- 본 기술을 타 자동차 부품들에 응용함으로써 자동차 부품 전반의 기술 혁신 및 완성차의 품질 혁신에 이바지 할 것으로 기대됨

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

- 본 연구를 통한 국부 두께 증가 구조의 경량 고안전 차체부품개발 기술은 새로운 개념의 제품 생산 기술로서 자동차 차체 부품 생산은 물론, 고강성화가필요한 선박 및 항공용 부품 등 타 산업에서 폭 넓게 적용되리라 예상됨

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

- 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

- 본 기술은 일체성형 기술과 충돌안전성 향상 가능 부품 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

실러 패치워크 및 TRB 적용 기술은 NVH 성능 강화를 통한 안정규제 강화 및 소비자 감성 품질 강화에 선제적으로 대응 가능하여 국내 및 지역 자동차 부품사들이 향후 시장을 선도할 수 잇는 핵심 기술로 작용할 것으로 기대됨

환경 및 연비관련 규제 강화와 FTA 확대에 따른 시장경쟁이 치열화되고 있는 자동차 산업에서 본 기술은 국내 부품사들이 향후 지속성장을 구현할 수 있는 핵심 기술로 작용할 것으로 기대됨

- 연비 효율향상 및 CO2 배출 저감이 자동차 시장경쟁력을 결정짓는 주요 요소로 부각되면서 자동차 경량화가 필수불가결한 상황임

- 또한 글로벌 아웃소싱으로 인하여 국내 자동차 부품업체들의 독자적인 기술력 확보를 통한 세계 시장 개척이 절실히 요구되고 있는 환경임

- 본 기술로 추가적인 부품 및 조립공정 삭제를 통해 부품업체들이 경량화 기술을 주도하는 계기를 마련할 수 있을 것으로 예상되며, 이로부터 국내 중소기업들의 수출 증대 및 글로벌 강소기업으로의 성장을 이룰 것으로 기대 됨

광주지역 자동차 부품산업 중 차체샤시 부품산업의 비중이 큰 현실에서 본 기술개발을 통한 지역 차체샤시 부품산업의 기술력 제고 및 지속성장 촉진을 구현하고 이로부터 지역 내 자동차 산업 발전에 기여할 것으로 여겨짐

세계적인 자동차용 부품기술의 추세는 경량화, 모듈화, 전자화라는 세가지 목표를 향하여 질주하고 있으며 이 경쟁에서 낙오하지 않기 위해서는 획기적인 생산방식의 개발이 반드시 필요 함

기존 카울 및 백 모듈 제작 기술은 각각의 보강재와 메인판재의 프레스성형을 수행하고 스폿 용접이나 접착을 한 후 제품을 제작하는 공법으로써, 부품수, 공정수 및 용접부 증가로 인한 비용 상승의 문제점이 발생되고 있음

본 과제에서는 상호 상충되는 성능인 경량성과 NVH성능을 동시에 충족시키기 위한 방안으로 실러 패치워크 기술과 TRB기술을 적용하여 제진성능 강화와 경량화를 동시에 만족하는 혁신적인 기술을 적용하고자 함

- 실러 패치워크 일체성형기술은 기존 레이저 용접에서 벗어나 접착재를 활용 제진성 증가와 공정 합리화가 가능하며 국내/외 최초로 적용하는 혁신적인 기술임

- 또한 경량화와 더불어 강성 저하를 방지할 수 있으며, 비용상승을 최대한 억제 가능하며 TRB의 경우 해외에서 차체에 적극 적용이 시도되고 있으며 국내 개발 사례는 존재 하나 상용화 적용은 최초임

본 NVH향상 및 저코스트화 일체형 카울/백 모듈 개발 기술은 일체성형공법과 실러 페치워크 기술을 융합하여 일체형 경량 차체부품을 제작할 수 있어 충돌안정성 증대 효과 및 여러 종류의 보강재 부품수를 획기적으로 감소시킬 수 있음. 또한 용접라인 감소를 통하여 부식측면에서도 탁월한 성능을 발휘함

- Cowl 모듈의 경우 부품 수 및 공정 수 축소를 통하여 원가 절감이 가능함

- Back 모듈 역시 부품 수 및 공정 수 축소를 통하여 원가 절감이 가능함

본 기술은 국내최초로 실러 패치워크, TRB 기술을 카울 및 백 모듈에 적용하고자 하기 때문에 기술개발과정에서 다소의 시행착오가 발생될 가능성이 큼

이를 극복하기 위해 해석적 접근법을 활용하여 다양한 최적 TRB 및 패치워크 구간을 선정하고 충돌성능을 향상시킬 수 있는 최적구조에 관한 검증 및 데이터를 축적함과 더불어 성형해석을 통해 금형 설계시 발생하는 시행 착오를 줄이고자 함

100 : 카울

Claims (1)

1. 패치워크와 TRB 모두 소재단계에서 가변 두께를 적용하고 이후 성형하는 부품성형방법.

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