자동차 제조에서 바디 인 화이트(Body-in-White, BIW)는 도장 및 후속 생산 공정에서 중요한 역할을 합니다. 특히자동차 도장 오븐 베이킹 과정 열적 변형 예측에서의 열적 처리 과정에서 BIW 패널의 변형을 예측하는 것은 매우 중요한 기술적 도전 과제입니다. 이번 글에서는 자동차 바디 패널의 도장 오븐 베이킹 과정 중 발생하는 열적 변형을 예측하기 위한 새로운 컴퓨터 지원 공학(CAE) 방법에 대해 다뤄보겠습니다.
열적 변형과 비틀림 예측
열에 의한 변형을 예측하는 것은 특히 얇은 쉘 구조물에서는 어려운 작업입니다. 얇은 판 구조는 비선형적인 굽힘 동작을 보이는데, 이때 비틀림의 임계 온도와 후속 변형은 구조의 강성, 경계 조건, 그리고 미세한 기하학적 불완전성(‘표면 품질’)에 매우 민감합니다. 이번 연구에서는 자동차 BIW 패널의 도장 오븐 베이킹 과정에서 발생할 수 있는 열적 변형을 예측하기 위한 CAE 방법론을 개발했습니다. 이 방법론은 세 가지 유한 요소 해석(FEA) 절차로 구성됩니다: 열-비틀림 모드 분석, 열-구조 분석, 그리고 불완전성 분석입니다.
CAE 방법론의 세 가지 절차
첫 번째 절차는 열적 비틀림 모드 분석으로, 구조의 비틀림 성향을 위치와 형태로 예측합니다. 두 번째 절차인 열-구조 분석은 실제 비틀림 위치와 크기를 예측하는 것으로, 이는 모델의 기하학적 형태나 잔여 응력 상태에 따른 입력값을 기반으로 합니다. 세 번째 절차인 불완전성 분석은 표면에 미세한 불완전성이 있을 경우 최악의 변형을 예측하는 방법입니다. 이 세 가지 절차는 열적 비틀림 변형을 예측하기 위한 가장 완전하고 포괄적인 방법으로, 기존의 문헌에서 찾아볼 수 있는 가장 진보된 방법론이라 할 수 있습니다.
연구 결과와 사례 연구
이 연구에서는 두 가지 차량을 대상으로 시뮬레이션을 수행하여, 실제 프로토타입 빌드와 비교한 결과 뛰어난 예측 정확도를 보여주었습니다. 주요 부품인 Body Side Outer (BSO) 헤더 패널을 대상으로 진행된 시뮬레이션 결과, 변형은 도장 오븐 베이킹 과정 중 BSO와 나머지 BIW의 온도 차이에 주로 의존하는 것으로 나타났습니다. 즉, 단순한 온도 자체보다는 BSO와 나머지 부품 간의 온도 차이가 변형에 중요한 영향을 미친다는 결론이 도출되었습니다. 또한, 판금 성형 품질(예: 잔여 응력 및 두께 감소)과 조립 차원 품질 역시 열적 비틀림에 의미 있는 영향을 미친다는 것을 확인했습니다.
자동차 도장 오븐 베이킹 과정 열적 변형 예측
비틀림은 구조물이 압축 축 방향 하중(P) 또는 압축 응력(σ) 때문에 안정성을 상실할 때 발생합니다. 임계 압축 하중(Pcr)이나 임계 압축 응력(σcr)을 초과하면 구조는 불안정해지고 큰 측면 변형을 보이게 됩니다. 이 과정에서 구조는 파손 없이 대형 변형을 겪게 되며, 이는 구조물의 형상과 경계 조건, 재료 특성에 따라 달라집니다. 비틀림 이론에서 이러한 구조적 불안정은 **이분법적 비틀림(bifurcation buckling)**이라고 불리며, 이는 원래의 안정적인 평형 상태에서 작은 비틀림 상태로의 이동을 의미합니다. 얇은 판이나 세로 막대와 같은 구조물은 이와 같은 비틀림 현상을 겪기 쉬운 특성을 지닙니다.
GM R&D의 연구와 실제 적용
이 연구는 또한 GM R&D 내부 보고서를 통해 10개 차량 프로그램에 대해 열적 비틀림 변형의 개발, 시뮬레이션, 검증을 문서화했습니다. 이 연구에서 사용된 시뮬레이션 절차는 모든 차량에서 성공적으로 검증되었으며, 현재 GM에서는 이 절차를 가상 평가의 표준 작업으로 채택하고 있습니다. 다만, 일부 세부적인 프로세스나 측정 데이터는 지적 재산권 보호를 이유로 공개할 수 없습니다. 좀 더 상세하게 궁금하신 분은 제 글을 참고해보시면 더 자세한 내용을 알 수 있습니다.
결론
이번 연구는 자동차 바디 인 화이트(BIW)의 도장 오븐 베이킹 과정에서 발생하는 열적 변형을 예측하기 위한 혁신적인 CAE 방법론을 제시합니다. 시뮬레이션 결과, 온도 차이가 BIW 패널 변형에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인했으며, 이는 자동차 제조 공정에서 변형을 최소화하는 중요한 참고 자료가 될 것입니다. 이 연구에서 개발된 시뮬레이션 절차는 향후 자동차 제조 산업에서 품질 개선과 효율성 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.
지금까지 자동차 제조공정 중 발생하는 오븐 베이킹 공정에서의 차체 BIW 뒤틀림 현상 예측 방안에 대해 알아보았습니다. 오븐 베이킹 공정이 더 궁금하신 분은 아래 글을 참고해보세요.
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