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전자기 성형과 수치 해석 기술

   전자기 성형 기술(electromagnetic forming)은 충격 성형(impulse forming) 또는 고속 성형(high speed forming) 기술의 하나로 강한 전이 자기장을 가공하려는 금속에 직접 작용시켜 변형시키는 가공 기술의 하나이다.
  전자기 성형 기술은 러시아에서 원천기술이 개발되고 1958년 미국 특허에 기술된 이래 미국, 유럽을 중심으로 꾸준히 연구되어 왔다. 2000년대 이후로 자동차 경량화를 위해 사용되는 고강도 또는 경량 소재의 낮은 성형성과 높은 탄성복원 양에 대한 문제 해결의 방편 중 하나로 전자기 성형 기술이 제시되면서 전자기 성형 기술이 재조명 되고 있으며 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어 기존의 스템핑 공정이나 하이드로포밍 공정에서 발생하는 코너 미 성형 부위를 전자기 성형을 이용해 국부적으로 성형하여 보완하는 하이브리드 개념의 성형 기술에 대한 연구가 그것이다.
  전자기 성형 수치 해석은 기계, 전자기, 열을 포함하는 다양한 물리현상을 동시에 풀어야 하는 다중물리(multi physics)문제이다. 전자기 성형 공정의 물리 현상을 전주기적으로 연계하여 풀어내는 것은 계산 비용이 많이 들고, 각 물리 현상을 연계할 때 발생하는 오차로 인해 정확도를 높이는 것이 어렵다. 이에 많은 연구자들은 전자기 성형 공정의 수치해석 기술에 대하여 비교적 적은 비용으로 정확도를 높이기 위한 방법 등을 찾기 위해 노력을 기울이고 있으며 성과를 보이고 있다.

전자기 성형 공정 기술
  △ 충격 성형 기술
  충격 성형 또는 고속 성형은 저장된 에너지를 변환하여 매우 짧은 시간에 소재를 성형하는 공정을 통칭한다.
  충격 성형 기술은 에너지원에 따라 화학적, 전기적, 기계적 에너지를 조합하여 사용될 수 있다. 이중 방전성형(electro hydraulic forming)성형, 폭발성형(explosive forming), 전자기 성형이 대표적이다.
  충격 성형 기술은 전통적인 성형 기술에 비해 성형시 변형률 속도로 인해 성형성(formability)이 증가하고, 탄성복원(springback)과 주름(wrinkle)이 줄어드는 장점이 있지만 성형 중 소음이 심하고 성형 측정이 난해한 단점이 있다.

  △ 전자기 성형의 원리
  전자기 성형에서 성형 원리는 다음과 같다. 임의의 폐회로에서 자속이 시간에 따라 변하게 되면 자속의 시간변화율과 같고 방향은 반대인 유도기전력이 유도된다. 이를 패러데이 법칙(Faraday’s law)이라고 한다. 커패시터를 통해 코일에 순간적으로 수백 마이크로초(μs)의 짧은 시간 이내에 감쇠하는 전류를 방전하게 되면 자속의 변화로 인해 주위의 가공물(workpiece)에 유도기전력이 발생하게 되는데, 이 유도 기전력에 의해 도체인 가공물에 유도전류(induced current)가 흐르게 된다. 자기장 내에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘을 로렌쯔의 힘(Lorentz’s force)라고 하는데, 이 힘이 전자기 성형에서 성형력이 된다.
  전자기 성형 대부분이 전기 펄스가 끝난 후 일어난다. 즉 압력 펄스 중 소재는 급속히 가속되어 펄스 동안 짧은 거리를 움직여 큰 운동에너지를 갖게 되고, 차후에는 이 운동에너지로서 가공물이 성형된다.
  전자기 성형 장비는 고용량의 커패시터와 성형 코일, 커패시터를 충전하기 위한 제어 회로 및 전력공급장치, 충전 및 방전 스위치와 자기장의 모양을 제어하는 자속집중기(field shaper)로 구성되며, 기본적인 회로 구성도는 다음과 같다.

   전자기 성형은 코일의 형상에 따라 달라지는데, 전자기 성형에서 사용되는 코일의 형상은 팽창 코일, 압축 코일, 평판 코일이 대표적이다.
  팽창코일은 가공물의 내측에 삽입되어 반경 외측 방향으로 가공물을 팽창시키는 데 사용된다. 헬리컬이나 웨이퍼 형태로 제작되는데 관 부품들을 확관하거나 플랜징하는데 사용된다.
  압축 코일은 가공물의 외측에서 반경 내측 방향으로 가공물을 변형시키는데 사용된다. 팽창코일 처럼 한번 또는 여러 번 감긴 헬리컬 형태의 코일로 제작되는 데 주로 원관 형태의 가공물을 대상으로 하여, 구조물의 결합, 밀봉과 결합, 스웨이징, 관 형상 단면의 감소 등에 사용된다.
  평판 코일은 가공물의 아래나 위에 위치하여 스파이럴 형태로 감겨 있다. 때로는 보다 강력한 성형력을 내도록 이중 스파이럴로 감긴 코일을 사용하기도 한다. 평판형 코일에서는 그 중심부에 자기장이 작용하지 않는 영역(dead zone)이 생기는데 그 영역의 크기는 그 설계조건에 따라 다르다. 평판코일은 다이와 함께 상용하여 평판의 가공물을 성형하는데 이용하거나, 아주 큰 대면적 부품에서 바람직하지 하지 않은 국부 변형을 교정하는데 이용된다.

△ 전자기 성형의 응용
전자기 성형은 성형코일의 형태 및 코일과 가공물과의 위치관계에 따라 축관성형, 확관성형, 평판성형 등 세 가지 형태로 나누어진다. 전가기 성형의 응용은 이러한 성형 형태에 따라 분류된다. 주로 금속 관재와 판재의 접합, 성형, 절단 등의 작업에 이용되며 자동차 산업, 항공 산업, 전기 산업과 군수 산업 등에 적용하기 위한 노력이 진행 중이다.

[ 전자기 성형 형태별 응용 사례 ]

코일 형태	성형 형태	응용 예
팽창	확관 성형, 구멍 절단	샤시 부품의 프로파일 성형, 확관품 관벽의 구멍 뚫기, 항공기의 덕트 성형, 범퍼빔과 스테이의 조립
압축	축관 접합	알루미늄 차체 구조물 조립, 유니버설 조인트의 요크 접합, 모터 회전자의 조립, 치차와 축의 접합, 핵 연료 폐기통의 밀봉, 미사일 부품과 포탄의 조립, 압력 및 진공 조인트 접합
평판	신장 성형, 구멍 절단	연료전지분리판 성형, 3C 부품 케이스 성형 자동차 부품의 비드 및 홀 성형, 라이트 리플렉터 성형

전자기 성형 해석 기술
   △전자기장 연계 해석 기술
  전자기 성형 공정을 해석하기 위해서는 전기-자기-열-변형간의 상호작용을 고려한 다중물리 문제를 풀어야 한다.
  전자기해석의 결과로 얻어지는 자기압력은 구조해석에 소재의 변형을 일으킨다. 소재의 변형은 자기장이 전파되는 공간을 변화시킨다. 저항과 변형에 의한 발열은 소재의 온도를 변화시키고 이는 저항, 유동응력 등의 물성을 변화시킨다.

전자기해석의 경우 자체개발한 코드를 사용한 경우가 가장 많으며 그다음으로 ANSYS가 많이 사용되었다. 구조해석의 경우에도 자체 코드가 LS-DYNA와 함께 많이 사용되었는데, 코드를 자체개발하는 경우 인터페이스 구현이 쉽거나 필요없기 때문에 선호되는 것으로 분석된다. LS-DYNA의 경우 사용자서브루틴을 통한 다른 해석프로그램과의 연계가 장점으로 작용하여 많이 사용되는 것으로 생각된다. 그리고 프로그램을 자체개발하는 경우 완전 연성기법이 많이 사용되며, 서로 다른 두개의 프로그램을 이용하는 경우 순차적 연성기법이 선호된다. 해석의 차원에 대해서는 컴퓨터 성능의 향상에 따라 최근에는 삼차원 해석결과가 많이 발표되고 있다.

[ 전자기 해석 현황 ]

전자기	구조	열전달	연성기법	차원	참고문헌
CALE	CALE	-	완전	2D	Fenton and Daehn
자체	자체	-	완전	3D	Schinnerl등
ANSYS	LS-DYNA	-	순차	3D	Oliveira 등
자체	자체	자체	완전	2D	Bessonov and Golovashchenko
ANSYS	ANSYS	ANSYS	완전	2D	Karch and Roll
자체	MSC.Marc	-	순차	2D	Kleiner and Brosius
SYSMAGNA	PAM-STAMP	-	순차	3D	Conraux 등
자체	자체	-	완전	3D	Stiemer등
LS-DYNA	LS-DYNA	-	순차	3D	L’Eplattenier등
ANSYS	LS-DYNA	-	순차	3D	Demir 등

△ 고속 변형 구성방정식
전자기 성형 때 소재는 고속으로 변형하며 온도가 올라가게 된다. 그러므로 소재의 물성은 변형뿐만 아니라 변형속도와 온도의 영향을 고려하여 측정해 한다. 일반적으로 변형속도가 커지면 자료의 강도도 커진다고 알려져 있다. 이를 표현하기 위해서 지수형태의 함수가 도입되었다. 변형속도뿐만 아니라, 온도도 물성에 큰 영향을 미친다. 전자기성형과 같은 고속성형공정의 경우 변형에 의한 열이 미처 빠져나가지 못하는 단열가열에 가까운 현상이 나타난다. 이에 따른 연화를 고려하기 위해서 Johnson-Cook (J-C) 과 같은 식이 개발되었다. J-C식은 특정 구간에서만 잘 맞는 단점이 있는데 이를 개선하기 위해 El-Magd와 Abouridouane는 고속변형에 적합한 구성방정식을 제안하였다. 또한 미세구조의 영향을 고려할 수 있는 Zerilli 와 Armstrong의 식 등도 있다.

출처 : 김대용, 김지훈 ‘전자기 성형과 수치 해석 기술’ [기계와재료] 제23권3호