Deformation Characteristics of an Automotive Outer Door Panel by Vacuum-assisted Incremental Sheet Forming using Multi-tool paths

진공점진성형에서 복합공구경로가 차량용 외판부 도어패널의 변형특성에 미치는 영향 분석

Abstract

This paper discusses the deformation characteristics of a scaled-down automotive outer door panel with vacuum-assisted incremental sheet forming. The vacuum condition between the die and Al6052-H32 sheet with a thickness of 1.0 mm is reviewed with the goal of improving the geometrical accuracy of the target product. The material flow according to the forming tool path, including the multi-tool path and conventional contour tool path, is investigated considering the degradation of the pillow effect. To reduce friction between the tool and the sheet during incremental forming, automotive engine oil (5W-30) is used as a lubricant, and the strain field on the surface of the formed product is analyzed using ARGUS. By comparing the geometry and material flow characteristics of products under different test conditions, it is confirmed that the product surface quality can be significantly improved when the vacuum condition is employed in conjunction with a multi-tool path strategy.

1. 서론

현대 사회에서 개인의 개성은 소비하는 제품의 선택에 있어서 무엇보다 주요한 부분으로 작용한다. 종래의 프레스 및 금형 기반 소품종 대량 생산 방식은 제품 형상에 따라 다이와 펀치 등의 제작이 필수불가결하므로 개인 맞춤형 선택과 다품종 소량 제품화 대응에 경제성의 한계가 존재한다. 따라서, 개인의 니즈 및 제품 다양화 이슈에 즉각적으로 대응할 수 있는 유연생산공법 및 공정기술에 관한 연구의 중요성이 급격히 증대되고 있으며, 최근에는 의료, 항공, 원자력, 국방 등의 소품종 고부가가치 제조산업분야에서 기존 방식으로 제조가 불가능한 위상최적화 기반 경량부품, 고자유도 복잡형상 및 단종된 부품 등을 생산하기 위해 3D 프린팅 제조방식[1-5]의 산업적용 활용도를 높이고 있다. 이와 더불어, 개인 맞춤형 생산을 위한 탈(脫)금형화 성형 공법개발 및 일부 금형의 유기적 연계를 통한 공정 설계[6-9]를 기반으로 다품종 유연생산 기술의 확보 및 신(新)제조공법의 전방산업 연계를 지속적으로 모색 중이다.

본 연구는 다품종 유연생산 방법 중 하부 다이를 활용한 두점 판재 점진성형(Two-point incremental forming, TPIF)의 공정개발을 다루며, 점진성형품 형상의 정밀도 및 표면품질 확보를 위한 진공 및 복합성형경로 적용의 유효성을 분석한다. 특히, 점진 성형 시 성형툴에 의한 국부변형으로 야기되는 성형품 표면의 압흔(surface marking), 최종 성형품 형상 및 성형툴 경로에 따른 특정 방향으로의 소재 변형 누적으로 야기되는 베개 효과(pillow effect)[10, 11]를 검토하고 위 결함의 저감을 위한 주요 공정조건을 다룬다. 점진성형공정의 산업적용성 확보를 위해 차체 외판부 도어 축소품 형상의 점진성형을 수행하고 복합공구경로 및 진공조건 부여 유무에 따른 최종 점진성형품의 곡면부 형상 정밀도 및 표면 품질 개선을 검증한다.

2. 실험 구성

2.1 실험 준비

본 연구에서는 두께 1 mm의 Al5052-H32 판재를 활용하여 차량용 외판부 도어 축소품의 점진성형을 위한 3차원 형상의 음각성형 기반 두점 판재 점진 성형에 대한 공정조건을 비교하였다. 점진성형 중 상부 성형툴의 이동에 따른 성형력 지지를 위하여 Fig. 1과 같이 목표형상으로 하부 다이를 가공하였으며, 진공 조건 적용을 위해 공기 배출 채널을 추가적으로 형성하였다. 점진성형용 판재는 다이와 볼트 체결을 통해 밀폐력을 부여하였고 일반 상업용 진공 펌프를 사용하여 소재와 다이 사이의 진공도를 0.5 torr로 유지하여, 성형 중 소재와 다이 사이 공간의 음압 형성으로 점진성형 시 소재 유동을 다이 방향으로 유도되도록 공정조건을 설계하였다.

Fig. 1 Schematic of a vacuum die with air channels

본 연구에서는 자체개발한 점진성형장비를 활용하여 실험을 수행하였고, 진공 기반 점진성형을 위한 실험 구성은 Fig. 2에 제시하였다. 개발 장비의 최대 성형영역은 500 mm × 500 mm × 150 mm이고, 최대 성형속도는 1200 mm/min이다. 점진성형을 위한 판재 크기는 400 mm × 300 mm 로 설정하였고, 소재와 공구 사이의 마찰 저감을 위해 자동차용 엔진오일(5W-30 규격)을 도포하였다. 점진성형에 사용한 공구는 10 mm (Ø10), 20 mm (Ø20) 두가지 직경의 공구를 사용하였으며, Fig. 3을 통해 실험에 활용한 진공 다이 및 성형 공구 형상을 확인할 수 있다.

Fig. 2 Configuration of the testing machine

Fig. 3 (a) Vacuum die; (b) Forming tool

2.2 목표형상 및 실험조건

두점 점진성형을 통한 부품 성형 시, 산업적 적용 유효성을 검토하기 위하여 다양한 곡률부가 포함된 차량용 외판부 도어 형상의 점진성형을 수행하였다. 전체 성형영역은 장비의 운용조건을 고려하여 400 mm × 300 mm × 35 mm로 설정하였고, 실제 크기 약 1/5배의 축소품 성형을 진행하였다. 자동차 외판부 도어 축소품 세부 형상은 Fig. 4에 제시하였다.

Fig. 4 Schematic of a scaled automotive door panel

본 연구에서는 점진성형에서 가장 보편적으로 적용되고 있는 등고선 형태의 성형경로(Contour tool path)와 일반향으로 최종 3차원 형상의 깊이성형을 진행하는 방식인 평행 성형경로 (Parallel tool path) 두가지 공구경로를 고려하였다. 등고선 성형경로는 일정한 성형 깊이를 가지고 3차면 두께 방향으로 각 단면의 성형이 점진적으로 진행된다. 형상의 벽면 각도가 일정할 때에는 공구경로의 성형 깊이가 고정된 경우, 한번에 성형되는 공구경로 사이 간격(d₁)이 일정하나, Fig. 5(a)에 제시한 바와 같이 단면 형상의 벽면 각도가 변화하면 점진성형 깊이가 일정하더라도 공구경로 사이의 간격이 변화하며 표면 압흔을 유발하는 주요 원인이 된다. Fig. 5(b)와 같은 평행 성형경로의 경우, 벽면 각도에 관계없이 공구 경로 사이의 간격이 일정한 특징이 있으며 등고선 성형경로와 비교하여 변화하는 곡면형상과 복잡한 형상을 가진 실제품에 적용하는데 있어 표면 압흔을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 그러나 기존 두점 점진성형에 적용 시, 한번에 최종형상까지 국부성형을 진행하므로 성형하중이 크게 증가하게 되고, 공구 진행 방향으로 소재 변형이 유도되는 살몰림 현상의 과다 발생으로 산업적 활용에 한계가 있다.

Fig. 5 Tool paths for incremental sheet forming: (a) Contour tool path; (b) Parallel tool path

일 예로 Fig. 6은 진공 조건 없이 평행 공구경로를 적용한 경우의 성형 결과로, 최종 형상의 깊이 방향으로 형성되는 각 윤곽면의 누적 방향으로 소재가 점차적으로 몰리게 되어 성형 끝단에 이르렀을 때 성형부 벽각도가 직각에 가깝게 형성되는 현상을 확인할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 평행 성형 경로의 소재 일방향 축적을 해소하기 위한 진공 기반의 두점 점진성형 공정을 제안하고자 하며, 진공 여부에 따른 소재의 유동 특성 및 제안 공정의 유효성을 검증하고자 한다. 실험은 성형 툴 크기와 공구경로(등고선 경로만 적용, 등고선/평행 공경로구 적용)를 복합적으로 고려하여 각 공정조건이 점진성 형품의 변형특성 및 표면품질에 미치는 영향을 분석하였다. Case 1과 Case 2에서는 등고선 공구경로 적용 시, 공구 직경에 따른 표면 품질 변화 관찰을 목표로 하였고, Case 3과 Case 4에서는 등고선 및 평행 공구경로를 복합적으로 적용한 경우로, Ø20의 성형툴을 이용하여 1단계는 등고선 공구경로, 2단계는 평행 공구경로를 설정하였다. Case 3은 1단계 등고선 성형에서 0 ~ 25 mm 깊이 영역(전체 깊이 35 mm 대비 약 70%)에 대해 성형한 후, 평행 공구경로로 전체 깊이를 성형하였다. Case 4는 1단계에서 전체 깊이에 대해 등고선 성형을 진행한 후, 평행 공구경로로 점진성형을 수행하여 표면 압흔 발생 정도를 분석하였다. 전체 실험 계획은 Table 1에 제시하였으며, 진공 조건은 모든 실험 경우에 대해 적용하였다. 성형속도는 1200 mm/min, 등고선 및 평행선 공구경로 사이의 거리는 1 mm로 설정하였다.

Fig. 6 Deformation accumulation in the parallel forming without vacuum condition

Table 1 Experimental conditions for each test case

3. 점진성형 실험결과

3.1 공구 직경에 따른 도어패널 성형

Case 1과 Case 2는 진공 기반의 점진성형에서 등곡선 공구경로를 적용한 경우로 공구 직경에 따른 표면 압흔 및 곡면부의 형상 정밀도 비교를 위해 수행되었다. Fig. 7과 Fig. 8에 제시한 시성형품 표면 무늬에서 관찰할 수 있듯이 등고선 경로를 적용하였을 때 두 경우 모두 공구경로로 인한 표면 압흔 자국이 발생하였으며, 공구의 직경이 줄어들수록 상대적으로 날카롭고 보다 선명한 압흔이 형성됨을 확인할 수 있다. 등고선 공구경로 적용 시, 일반적으로 각 점진성형 깊이(step-down size)는 고정되어 있기 때문에 완만한 경사로 이루어진 형상이나 곡면부에서는 성형 공구에 의한 압흔 사이의 간격이 증가하고 제품 표면에 선명한 압흔 자국을 유도하게 된다. 따라서, 이를 줄이기 위해서는 각 등고선 간점진성형 깊이를 작게 하여 성형을 진행하여야 하나 상대적으로 공구 이동 경로가 증가하여 성형 시간이 급격하게 늘어나게 되며, 표면 압흔 현상을 완벽하게 제거할 수 없다. 따라서, 일정 깊이의 윤곽선을 따라 3차원 형상을 성형하는 등고선 공구경로만을 적용한 경우, 실제 제품과 같이 다양하고 복잡한 경사각을 갖는 형상의 성형 및 표면 품질 확보에 유효하지 않음을 확인할 수 있으며 이를 해소하기 위한 대안이 필요하다.

Fig. 7 Experiment result of the Case 1 with Ø10 tool

Fig. 8 Experiment result of the Case 2 with Ø20 tool

성형 툴 크기에 따라 소재 변형 특성을 분석하기 위해 시편 표면의 변형률(In-plane strain components)을 평가하여 아래의 수식을 바탕으로 von Mises 등 가변형률 분포를 확인하였다.

\(\begin{aligned}\bar{\varepsilon}=\sqrt{\frac{2}{3} \varepsilon_{i j} \varepsilon_{j i}}\end{aligned}\)       (1)

표면 변형률 측정은 GOM 社의 ARGUS 비접촉 변형률 계측 시스템을 활용하였고, 성형 후 표면 변형률 분석을 위해 시험 전 소재 표면에 Ø2 점을 2 mm 간격(Point distance)으로 에칭(Etching)하여 그리드(Grid)를 생성하였다. 해당 분석도구의 변형률 측정 정밀도는 0.01% 이내이나 본 측정에서는 적용 계측 구간 2 mm 내에 발생하는 국부 변형 분석에는 한계가 있다. Fig. 9와 Fig. 10은 각 실험 조건에 따른 von Mises 등가 변형률 분포이며, Ø10 성형공구를 적용한 Case 1의 경우, 등고선 경로의 성형 초입에 해당하는 A와 B 영역에서 변형률 집중이 확인되었고, 각 영역에서 최대 110%, 172%의 등가 변형률이 평가되었다. 이와 마찬가지로 Ø20 성형공구를 적용한 경우에도 동일 영역에서 변형 집중 현상이 관찰되었으며, 변형 집중 영역인 A’과 B’에서 각각 최대 65%, 61%의 등가 변형률이 평가되었다. 동일한 등고선 방식의 성형경로를 적용하였으나 공구 직경에 따라 초기 국부 변형 집중부의 변형이 2배 이상으로 확인되었고, 이는 도어패널 외곽 모서리부 형상 대비 큰 치수의 성형 공구를 적용하였을 때 목표 변형이 유도되지 않아 차이가 발생한 것으로 분석된다. 이후 변형에서는 시험에 적용한 두 성형공구 크기로 전반적인 곡면 형상 성형이 가능하여 유사한 크기의 변형 분포가 발생함을 확인하였다.

Fig. 9 von Mises equivalent strain distribution of the Case 1 with Ø10 tool

Fig. 10 von Mises equivalent strain distribution of the Case 2 with Ø20 tool

3.2 공구 경로에 따른 도어패널 성형

점진성형의 산업적 확대 적용을 위해서는 제조산업(자동차, 항공, 가전 등)에서 요구되는 복잡한 부품 형상의 정밀성형 가능여부와 더불어 제품 표면의 품질 확보가 중요하다. 그러나 일반적인 등고선 방식의 공구경로로 점진성형을 진행하면 형상화한 제품 표면에 성형공구로 인한 압흔이 필연적으로 발생하여 표면품질이 주요한 부품에는 적용이 불가능하며, 이를 극복하기 위한 새로운 점진성형 공정 설계가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 표면 품질 확보를 목표로 등고선 및 평행 공구경로를 사용한 복합공구경로를 제안하였고, 시성형을 통해 유효성을 검증하였다.

복합공구경로는 총 2단계로 구성되며 1단계에서는 등고선 공구경로를 적용하여 점진성형을 진행하고, 2단계에서 평행 공구경로를 통해 최종 목표 형상으로 성형을 진행한다. 본 연구에서는 1단계 등고선 점진성형 깊이를 변인으로 총 2개의 복합공구경로 조건을 검토하였고, Fig. 11은 1단계 등고선 점진 성형을 0 ~ 25 mm 깊이 영역에 대해서만 성형을 한 경우(Case 3)이고, Fig. 12는 1단계에서 0 ~ 35 mm 전체 깊이 영역에 대해서 성형을 한 경우(Case 4)이다. 두 경우 모두 1단계 등고선 공구경로 성형 후, 평행 공구경로를 하였고 확보한 성형품의 표면품질 및 변형특성을 분석하였다. 각 실험 조건에 따른 최종 점진성형품의 표면 품질을 비교해보면 등고선 공구 경로만 적용한 Case 1과 Case 2와는 달리 Fig. 11과 Fig. 12의 복합공구경로를 적용한 경우, 점진 성형품 표면의 압흔이 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 1단계 등고선 공구경로에서 발생한 압흔이 2단계 평행 공구경로 성형을 통해 최종 형상으로의 변형을 통해 제거된 것으로 분석된다. 다만, 1단계에서 전체 영역에 대해 등고선 공구경로로 성형을 수행한 Case 3의 경우, 2단계 평행 공구경로 성형을 진행했음에도 표면에 약간의 압흔이 남은 것을 확인할 수 있으며, 이는 하부 다이에 의해 압흔이 압착된 상태로 최종 형상으로 변형되어 일부 흔적이 남겨진 것으로 판단된다. 반면, 1단계에서 일부 영역(0 ~ 25 mm)에 대해서만 등고선 공구경로로 성형을 수행한 경우에는 2단계 평행 공구경로 성형 이후 1단계에서 발생한 표면 압흔이 효과적으로 제거됨을 관찰하였다. 점진성형은 공구경로에 따라 국부적으로 변형이 진행되기 때문에 전체적인 변형특성 역시 적용한 공구경로에 의존적이다. 따라서, 앞선 공구직경에 대해 변형특성을 분석한 것과 동일한 방법으로 Case 3과 Case 4에 대한 점진성형품 표면 변형률 평가를 추가적으로 수행하였다. Fig. 13은 Case 3에 대한 von Mises 등가 변형률 분포이며, Fig. 14는 Case 4에 대한 결과이다. Fig. 13은 1단계 등고선 경로로 최종 깊이까지 성형한 후 평행 공구경로를 적용한 결과를 나타내며, 표면 압흔에 의한 등고선 윤곽을 관찰할 수 있다. 이와 반면에, 전체 성형 깊이의 일부를 등고선 공구경로로 성형하고 이후 평행 공구경로로 전체 깊이까지 형상화를 진행한 경우 압흔에 의한 등고선 변형 현상이 크게 완화된 것을 확인할 수 있다. Case 4의 경우, 평행 공구경로의 특징으로 인해 깊이 방향으로 변형이 Case 3 조건 대비 크게 발현된 것을 관찰하였고, 일정 깊이에 따라 공구경로를 생성하는 등고선 공구경로와 달리 일정한 성형폭을 가지고 평행하게 최종 깊이까지 성형이 진행되므로 본 연구에서 목표로 한 도어패널의 형상의 경우, 외곽부 경사가 급격한 영역에서 상대적으로 국부 변형이 크게 집중됨을 확인하였다. 평행 공구경로로 성형이 시작되는 영역 D와 D’에서의 von Mises 등가 병형률은 각각 최대 106%와 130%로 평가되었으며, 평행 공구경로로 인한 성형이 종료되는 지점인 C와 C’에서는 각각 최대 95%와 87%의 국부 변형 정도를 확인하였다.

Fig. 11 Experiment result of the Case 3

Fig. 12 Experiment result of the Case 4

Fig. 13 von Mises equivalent strain distribution of the Case 3

Fig. 14 von Mises equivalent strain distribution of the Case 4

평행 공구경로는 성형 특성 상 성형 방향에 따른 변형 누적 혹은 소재의 몰림이 유도된다. 1단계에서 전체 영역에 대해 초도 성형이 이루어진 Case 3에서는 2단계 평행 공구경로 적용 시, 소재와 공구 사이의 저항이 감소해 우측에서 좌측으로 소재 유동이 상대적으로 적게 발생한 반면, Case 4의 경우, 1단계 등고선 공구경로로 이후, 성형이 이루어지지 않은 25 mm ~ 35 mm 깊이 형상에 대해 평행 공구경로를 적용한 성형이 수행되기 때문에 소재와 공구 사이의 저항이 Case 3 대비 크게 작용하며, 이로 인해 상대적으로 많은 소재 몰림이 유발된다. 따라서, Case 4의 경우, 2단계 성형 방향에 따라 소재가 전체적으로 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하며 결과적으로 C’영역에서 소재 몰림으로 인한 변형 여유로 Case 3의 C영역에 비해 상대적으로 낮은 변형이 형성되었다고 볼 수 있다.

4. 결론

본 연구에서는 기존 두점 점진성형공정을 통한 3차원 부품형상 성형 시 발생하는 형상 치수 오차를 개선하고 및 표면 압흔을 저감하기 위한 진공 및 복합공구경로를 적용한 새로운 공정을 제안하였다. 제안 방법론의 유효성 확보를 위해 다양한 곡면부를 포함하고 있는 실제 자동차용 외판부 도어 형상의 축소 성형을 진행하였고, 성형공구의 크기, 등고선 및 복합공구경로의 적용에 따른 시성형품의 표면 품질 및 변형률을 평가하여 아래의 결론을 도출하였다.

(1) 등고선 공구경로를 통해 성형을 진행한 경우, 작은 성형공구 활용 시 표면 압흔을 감소시키는데 유리하나 완벽히 제거할 수 없으며 이에 따른 표면 형상 및 품질의 저하가 발생한다.

(2) 등고선 공구경로는 제품 형상의 경사면 각도에 따라 공구경로 사이의 간격이 유동적으로 변화하여 형상 정밀도를 확보하는데 한계가 있다.

(3) 등고선 및 평행 공구경로를 적용한 복합공구 경로는 기본적인 등고선 공구경로만을 적용한 결과 대비 복잡한 곡면 성형 및 표면 품질 확보에 유리하다.

(4) 진공 조건 없이 평행 공구경로를 적용한 경우, 평행 성형경로의 전체 형상 누적 방향으로 소재가 점차적으로 몰리게 되어 성형하중 증대 및 소재 살 몰림으로 인한 접힘 등의 성형불량이 발생할 가능성이 증대하므로 평행 공구경로가 적용된 복합공구 경로 시 진공 조건을 필수적으로 고려하여야 한다.

(5) 복합공구경로의 적용에 있어 1단계 및 2단계 성형비율에 따라 최종 성형품 표면에 압흔이 발생할 수 있으며 각 단계의 적절한 성형 비율 조절이 필요하다.

본 연구를 통해 개발된 진공 기반의 복합공구경로를 활용한 점진성형공정은 종래 두점 점진성형에서 야기되는 형상 정밀도 및 표면 품질 문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 판단되며, 제안한 방법의 기존 제조 현장 확대 도입에 있어 점진성형 적용에 대한 산업적 진입장벽을 한단계 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 복합공구경로를 적용한 점진성형 변수선정에 있어 다양한 제품 형상을 고려한 기본적인 기준 정립과 성형품의 트리밍 이후 야기될 수 있는 스프링백 등의 해결을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후기

본 연구는 한국생산기술연구원 기관주요사업 "제품생산 유연성 확보를 위한 뿌리공정기술 개발(KITECH EO-23-0008)"의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.