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[오토저널] 차량 생산 과정에의 CFD 기술 적용

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-10-13 21:03:06

본문

최근의 컴퓨팅 파워 향상과 훌륭한 CFD 모델들이 적용되면서 가상 제작 기법(Virtual Manufacturing Methods)을 통한 초기 생산 비용 저감이 주목 받고 있다. 전통적으로 지난번에 소개한 것과 같이 개발 단계에서의 차량 성능 해석에 CFD가 요긴하게 사용되고 있는 것도 사실이지만, 최근에는 제작 공정에 CFD 기법을 적용하여 생산 단가를 줄이면서도 고품질의 제품을 생산하는데 도움을 얻고 있다. <그림 1>은 차량 개발에 적용되는 다양한 기술들의 예이다.


차량 도료에 적용되는 e-coating 분야가 한가지 예가 될 수 있다. 도색 과정을 해석하기 위해서는 차량이 도료로 디핑(Dipping)될 때 각 부분들의 부력과 압력 차이에 대한 정밀한 분석이 필요하기 때문이다. 이러한 가상 제작 기법을 적용하는 경우 차량 디자인 변경에 따른 다양한 제작 시나리오들이 적용 가능하다. 첫번째 비싼 테스트 차체가 제작되기 전에 e-coating을 통해 부식 방지가 제대로 되는지, 혹은 거품이나 페인트 과다 적용에 따른 부식 위험이 따르는지에 대한 평가가 선행된다면 개발중에 소모되는 막대한 시간과 비용을 절약할 수 있다.

 

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e-coating 과정의 설명
e-coating은 자동차 및 다른 산업분야에 아주 오랜 기간동안 사용되어 왔다. 몇 번의 전처리 과정을 거친 후에, 차량 부분들은 가진된 페인트에 들어가서 e-coat 탱크 시스템에 Cathod로 작용되고 Anode 쪽에서 강한 전압이 적용된다. 이러한 전기화학 과정 중에 탱크의 페인트 폴리머들은 부속품에 달라붙게 된다. 우선 외부 패널부터 페인팅이 되며 내부와 숨겨진 부분을 도색하기 위해 침전 과정이 적용된다. 이러한 침전과정 중에 두껍게 도색하기 위해서는 생산 과정에 상대적으로 긴 시간이 필요하게 된다. 이러한 과정이 끝난후 부품은 Oven Curing 과정을 통해 최종적인 부식 방지 처리가 적용된다. <그림 2>는 e-coating 과정을 설명한 계략도이다.

 

차량 제작 과정에서 가장 중요한 일은 페인트 Cavity안에 형성되는 부식방지막의 형성이다. 이러한 막은 불과 8~12μm 두께로 형성된다. 또한 e-coating은 oven curing 의 Melting 과정후에 차량 표면을 부드럽게 하는 첫번째 막이기도 하다.

 

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e-coating 과정의 CFD Calibration
e-coating 과정은 브랜드 별로 조금씩 다르다. 일반적으로 e-coating에 필요한 재료들은 고체 페인트, Solvent, Co-solvent 등이며 이들은 Pigment, Resin, Binder, 물, Glycol Ether 등의 혼합물이다. 더군다나 새로운 재료들과 재적용되는 재료들의 성분비도 약간은 다르기 때문에 이러한 재료들의 물성치를 결정하기 위한 Calibration 과정이 필요하다. CFD 기술은 이러한 Calibration 과정이 용이하도록 도와준다. <그림 3>은 실험실 test 결과와 CFD 해석 결과를 비교함으로써 해석이 실제 e-coating 과정을 모사하는데 충분하다는 것을 보여주고 있다.

 

 

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실제 e-coating 과정의 CFD 기술 적용
이러한 시뮬레이션 변수들이 Calibrate 된 이후에는 e-coating 과정 후의 도료의 두께를 해석할 수 있다. <그림 4>는 Dipping 과정 후에 차량 부속의 각 부분에 형성된 도료의 두께를 과도 해석한 결과이다. Beam 중앙부분, 앞부분 및 후드 부분에 따라 코팅의 두께가 다른 것을 알 수 있으며 이러한 결과를 통해 양질의 제품을 제작하는데 필요로 하는 e-coating 시간을 예측할 수 있다.


이러한 Dipping 과정을 몇번 반복하는 동안, 공기 거품은 아주 중요한 변수로 작용하게 된다. 거품속에 들어가 있는 전처리 약품들은 가전되지 않으므로 e-coating 과정을 방해하기 때문이다. 이를 해석하기 위해 CFD 기법의 VOF 이상 해석 기법을 이용한 부력 해석이 매우 중요하다. 한편, 차량 부속은 이러한 과정을 통해서 점점 무거워지고 사용된 페인트들의 오염이 지속되기 때문에 너무 오랜 기간 e-coating 과정을 지속하는 것은 바람직하지 않다. CFD 해석을 통해 원하는 두께의 e-coating 결과를 얻기 위해 얼마나 오랜 시간이 필요한지 계산할 수 있으며, 이는 생산 공정을 결정하는데 도움이 된다.


이러한 결과는 디자인 변경과 페인트 성분 변화에 역시 민감하게 반응한다. 시뮬레이션 해석을 통해 부품에 구멍이 추가된다는지 혹은 결함되는 부품간의 간극이 변경된다는 등의 변경에 대한 결과의 차이를 알 수 있다. <그림 5>는 부품의 구멍 크기의 변경에 의해 e-coating의 두께가 변하는 사례를 보여 주고 있다.

 

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제작 과정의 해석은 디자인과 생산 과정에서 생기는 여러가지 요소를 조합하는데 도움을 준다. 다년간의 경험을 통해 이러한 제작 과정의 해석을 이용해 개발 비용을 크게 절감할 수 있다.


또한 이러한 e-coating 해석 기법은 설계자들에게 생산공정에 대해 이해하는 데 도움이 된다. <그림 6>은 CFD 기법이 CAD 도면으로부터 결과물을 어떻게 도출하는지보여주고 있다.

 

글 / 임재만 (씨디어댑코)
출처 / 오토저널 15년 5월호 (
http://www.ksae.org)

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