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20세기 들어 최고조에 달해 정밀성형(Near New Shaping)기술을 통해 전 제조공정(Total Manufacturing Process)의 최적화를 실현함으로써 생산성 향상을 통한 원가절감을 달성하고 경쟁력을 확보함으로써 시장을 지배하고자 했다. 즉 제조기술의 고도화가 최대 목표였다. 이후 생산과 소비의 과속현상은 지구환경 오염을 초래하여 1997년 교토의정서가 채택되고 2008년부터 2012년까지 선진국 전체의 온실가스 배출량을 1990년 수준보다 적어도 5.2% 이하로 감축할 것을 약속했다. 고도성장에서 효율적인 생산 및 소비시대로 전환하려는 의식전환이 이뤄진 것이다.
이를 성형기술에 국한하면 보다 적은 에너지 소비와 재료 이용률 향상이 핵심으로 성형 후 절삭가공량을 최소화하여 불량률을 최소화하는 것이 최고의 기술이라 할 수 있다. 이러한 고효율 제조기술 개발은 20세기에 그 개발과 응용이 최고조에 달했던 수치해석(Numerical Analysis)기술의 발달과 함께 진행됐다. 이론적 배경에만 머물러 있던 수치해석기법은 컴퓨터 성능향상과 함께 제조기술의 개발과 활용에 현실적 이용이 가능해지면서 제조공정 최적화에 큰 부분을 담당하게 되었다.
 고체산화물 연료전지 개요 및 작동 원리
고체산화물 연료전지의 단위셀은 일반적으로 그림 1과 같이 중앙에 전해질(electrolyte)이 있고 양쪽에 연료극(anode)과공기극(cathode)이 있으며 그 바깥쪽에 연결재(interconnect)가 있다. 셀의 성능 향상을 위해 이중의 전극구조를 사용하거나 전극과 전해질 사이에 기능층을 사용하기도 한다. 전해질을 사이에 두고 양전극에 산소와 수소를 공급해 주면 공기극과 연료극 측간에 산소 분압 차이가 형성되어 전해질을 통해 산소가 이동하려는 구동력이 생기게 된다. 공기극에서는 산소가 전자를 받아 산소 이온으로 되어 전해질 막을 통과하여 연료극으로 이동하고, 연료극에서는 산소 이온이 전자를 방출하고 수소가스와 반응하여 수증기로 된다. 이렇게 방출된 전자를 통해 전기에너지가 발생하게 되며 이 전기에너지를 인출하여 전력을 생산하게 된다. 독일 율리히연구소에서 개발한 전형적인 단위 셀 전극 및 전해질 미세구조를 그림 2와 같다. 그림에서 보듯이 전해질은 가스를 직접 투과시키지 않기 위해 치밀한 구조를 가져야 하며 산소 이온 전도성은 높을수록 좋지만 전자전도성은 매우 낮아야 한다.
연료극과 공기극은 각각 연료가스와 산소가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공질이어야 하며 높은 전자전도성을 지녀야 한다.
점진성형공정
점진성형공정에서 소성변형영역은 탄성체 구간들내에 하나로 존재한다. 실제적인 소성변형영역은 전 영역에 비해 상대적으로 미소하다. 게다가 소재와 공구가 실제 접촉하는 구간 또한 소재크기에 비해 매우 작다. 또한 여러번의 반복작업이 가해지게 된다. 모델링 관점에서 이들 특징들은 다음과 같은 결과를 초래한다.
- 접촉영역은 전체 소재 치수에 비해 미소하다. 일반적인 성형공정과는 달리 상대적 접촉영역이 약 2차수 정도 적다.
- 접촉영역은 소재를 따라 연속적으로 이동한다. 따라서 미소 요소이산화가 소재전체에 걸쳐 요구된다.
- 전체 소성영역이 작은 증분(step)에서 얻어지기 때문에 많은 변형 증분들이 필요하다.
이러한 특징들 때문에 유한요소해석을 위한 모델은 매우 많은 요소와 시간 증분들을 필요로 하게 된다. 또 이웃하는 탄성구간은 탄소성재료 거동으로 해석해야 한다.
추가적인 특징은 변형이 주로 정적상태가 아니라는 것이다. 따라서 평면압연과 같은 정적상태로의 가정 또한 적용하기 곤란하다. 더욱이 이차원으로의 단순화가 일반적으로 불가능하며 대칭면 또한 존재하지 않는 경우가 대부분이다.
소재와 함께 공구 또한 그 움직임이 복잡하며 소재와의 접촉이 순간순간 이탈될 수 있다. 결국, 점진성형공정들은 하나 이상의 하중-제하가 주기적으로 나타나며 결국 변형률 경로가 변화하는 영역이 발생되어 단순한 구성방정식을 이용하기 어렵게 된다.
이러한 이유들로 인해 계산시간은 빠른 컴퓨터를 이용해도 수개월이 소요되며 데이터도 수백 GB(Giga Bytes)가 필요하게 되기 때문에 효율적인 계산을 위해 특별한 모델링 기법들이 개발되었다.
△ 일반모델
1. 동적외연적방법(Dynamic Explicit Method)
계산시간이 매우 빠르기 때문에 링 롤링, 필거링(Pilgering)공정에 널리 이용되고 있다. 중량비조절(Mass Scaling)이 필요하기 때문에 잔류응력을 정확히 예측할 수 없는 단점이 있고 실제 25%까지 하중예측에 차이가 발생됨을 확인한 바 있다.
2. ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)법
변형영역이 전체 소재치수에 비해 작을 때 증분공정을 다루기 적절한 방법으로 재료와 계산영역을 분리할 수 있도록 함으로써 변형영역에서는 미세한 요소(fine mesh)가 다른 곳은 큰 요소(coarse mesh)가 사용될 수 있도록 해주며, 링 롤링 공정에 적합한 방법이다.
3. 하이브리드 요소(Hybrid Mesh)법
이 방법은 재료용과 계산용으로 구성된다.
AMS(Actually Rotating Mesh System)와 SMS(Spatially Fixed Mesh System)는 아래 그림과 같은 모양을 하고 있는데, AMS는 속도, 유효변형율 등 공정데이터를 모두 갖고 있는 미세한 요소망을 나타내며, 반면에 SMS는 속도장을 계산하기 위해 사용되는 큰 요소망을 나타낸다.
4. 멀티그리드(Multi-grid)법
반복해석기법으로 효과적인 에러 감소를 위해 일련의 계통적 그리드에 대해 시스템 방정식을 푸는 것이 기본 원리이다.
△ 특수모델
첫 번째는 평면 링 롤링에 적용된 준평면변형율 모델이다. 핵심 아이디어는 원주방향 변형율 속도들이 반복적으로 결정되는 2차원적 유한요소모델을 갖는 링의 반경방향 단면의 모델링이다.
또 링 롤링시 성형영역 부근 소재 일부분이 부분적으로 정적 상태에 있다는 모델을 이용할 수 있다. 평면변형률 조각 모델에서 3차원 부분이 축대칭 모델로 이용되게 된다.
점진성형공정과 수치해석
△ 형상 링 압연(Profile Ring Rolling)
링 제품은 귀금속류에서부터 구조부품에 이르기까지 매우 다양하며, 소재 또한 철계 합금은 물론 Al, Cu와 난성형재인 Ti 및 Ni합금계까지 매우 다양하다.
구조용 부품들 가운데 대표적인 제품들 가운데는 풍력발전용 Flange(bottom, middle, top)류, 터빈발전용 Diaphragm(Inner web, Outer ring), Gear Rim류와 Lock Plate등이 있으며 화학플랜트용 Pressure Vessel, 원자력 발전 반응기용 압력용기 등과 같이 초대형 링들이 있다.
구조용 부품으로 이용되는 대형 링은 사용 환경에서의 신뢰성 유지를 위해 용접 링은 사용을 하지 않는 것이 일반적이며 대부분 무용접(Seamless) 링(Ring)을 사용한다. 무용접 링은 제조비용이 용접 링에 비해 상대적으로 높다하더라도 높은 신뢰성이 필요한 구조용 부품에 널리 이용되고 있으며, 대부분 소성가공 공정을 이용해 제조된다. 링을 제조하는 방법으로는 여러 가지 소성가공 기술(압출, 분말야금, 단조)이 이용될 수 있으나, 지름이 2,000 mm를 상회하는 대형 링의 경우는 링 롤링(Ring Rolling)이나 링 단조(Ring Forging)가 적합한 공정 중 하나이다.
링 롤링 공정은 이음매 없는 링 모양의 제품을 만드는 공정으로, 링 롤링공정에 대한 개념도는 아래 그림과 같으며 소재는 이축압축응력상태에서 연속적인 변형이 일어난다. 링 롤링 장비는 구동롤(Main roll), 압력롤(Mandrel, Idler Roll), 축롤(Rounding, Roll, Axial Roll)로 구성되어 있다.
최종 단면 형상으로 제조할 수 있는 형상 링 롤링(Profile ring rolling) 공정 개발은 재료 이용율을 10% 이상 향상시킬 수 있는 장점으로 제조원가를 감소시키고 그 만큼의 환경오염 방지 효과를 얻을 수 있다. 형상 링 롤링공정은 기술적 난이도 매우 높기 때문에 소재의 최적 블랭크 크기와 금형-Mandrel, 메인 롤(Main Roll) 등- 설계에 대한 CAD/CAM 기술이 필요하다.
또 형상 링 압연 공정을 수행할 경우 간단한 링 형상을 구현할 경우에 비해 표면결함 및 불균일 변형 등의 각종 성형결함을 초래할 가능성이 높기 때문에 성형결함을 사전에 예측할 수 있는 기술이 요구되며 형상 링 롤링공정의 핵심 기술 분야인 초기 빌렛(Billet), 블랭크(Blank), 링 압연품의 형상설계와 함께 FEM해석을 통한 최적 금형 및 공정설계기술을 축적함으로써 세계적인 경쟁력을 갖추는 것 또한 절실히 요구되고 있다.
링 롤링 성형공정에 대한 수치해석은 내연적방법(Implicit Method)을 이용하며 ALE(Arbitary Lagrangian Eulerian) 방법을 이용하여 해석하는 것이 일반적이다. 회전체에 대한 변형해석은 많은 시간이 소요되는 만큼 계산시간 단축을 위한 수치적 방법에 대해서는 여전히 미진한 상태이다. 그러나, 접촉처리 문제를 효율적으로 다루는 것이 현재까지는 최선의 방법이다.
△ 레디알 포징(Radial Forging)
레디알 포징은 일반단조시 사용되는 가압장치인 상하운동의 프레스(Press)와는 달리 소재를 반경방향으로 4방향에서 가압을 하는 원리를 이용한 가압장치를 이용하는 것이 특징으로서 그 가압원리로는 로타리 스웨이징(Rotary Swaging)과 유사한 공정이다. 그림 20은 레디알 포징의 개념도를 나타내는 그림으로서 소재의 회전과 펀치의 가압이 거의 동시에 연속적으로 이루어지는 만큼 소재의 변형율속도의 제어와 온도제어에 유리한 장점을 갖고 있다. 따라서, 온도와 변형율 속도에 의존적인 소재의 소성변형에 적합한 공정으로써 국내에는 아직 기반이 부족한 상태라 할 수 있다.
△ 로터리 스웨이징(Rotary Swaging)
로타리 스웨이징은 봉재나 튜브재의 단면을 변화시키는 공정으로 2축 유효응력 상태에 의해 특징지워진다. 적용 대상품의 대부분은 지름을 축소시키는 것과 경사면을 형성하는 것으로 구분된다.
△ 스피닝(Spinning)
스피닝 공정은 디스크나 튜브와 같이 축대칭 형상의 판재를 고속으로 회전시키면서 공구를 이용해 점진적으로 성형하는 기술이다.
우리나라에서도 놋그릇, 징 등이 스피닝 공정에 의해 제조되었다. 현대에도 공예가들이 금속공예품, 건축장식재 등을 만드는데 활용되고 있으며 공업적으로는 로켓 노즈 콘(rocket nose cone)으로부터 주방용기, 고압가스통 등의 고정밀도 축대칭 부품을 제조하는데 적용되고 있다.
△ 롤다이 성형(Roll Die Forming)
금형내에 운동하는 롤을 삽입하여 치차를 형성하는 기술로 판재 치형류 부품의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술로 독일 Beier에 의해 개발된 공정이다. 기존 판재 성형 프레스 성형과 동일한 설비를 이용할 수 있는 장점이 있으나 금형의 설계 및 제작이 매우 어려운 공정기술이다.
△ 플로우 포밍(Flow Forming)
플로우 포밍은 생산되는 제품의 외형상으로 스피닝과 유사한 공정이다. 하지만, 플로우 포밍은 성형시 한 개 이상의 롤러에 높은 성형하중을 가하여 보다 적극적으로 소성가공을 유도한다는 측면에서 스피닝과 차이가 있다. 회전하는 성형 롤러의 운동 제어를 이용하여 판재소재를 점진적으로 성형하는 기술이다. 플로우 포밍은 복잡한 형상을 완제품 치수에 최대한 가깝게 구현할 수 있으며 그 과정에 형성된 소재결 제어 및 가공 경화를 이용하여 기계적 특성(정적강도, 피로강도, 표면경화) 향상을 달성할 수 있는 장점을 가진다.
△ 롤 포밍(Roll Forming)
나란히 연속된 몇 SET의 성형 ROLLER에 연속적으로 금속띠판(Coil)을 통과시켜 순차적으로 성형 가공하여 평판에서 목적의 단면 형상으로 접어 나가는 소성 가공법이며, 순차적으로 행하기 때문에 제품의 외관 및 정도가 좋으며 대량 생산이 가능하므로 경제성이 뛰어난 가공방법이다. 냉간 롤 포밍 제품은 건축, 자동차, 조선, 전자, 기계 등의 광범위한 산업분야에서 중요하게 사용되는 품목이다.
△ 다이리스 포밍(Dieless Forming)
다이리스 포밍은 상하부 한 쌍의 금형을 사용하는 일반적인 판재 성형 방법과는 달리 금형을 이용하지 않고, 끝이 둥근 원기둥, 혹은 볼을 삽입한 형태의 공구를 이용하여, 3차원 등고선 궤적을 따라 이동함으로써 점진적으로 판재의 형상을 부여하는 성형 기술이다. 종래의 판재성형기술과는 달리 금형을 필요로 하지 않기 때문에 개발 초기 단계의 금형제작 및 시행착오에 의한 수정이 용이하여 다양한 설계변경요구를 수용할 수 있는 장점이 있어 신제품 개발시간 및 비용을 획기적으로 단축시킬 수 있다.
점진성형기술은 균일한 품질의 제품을 대량으로 생산하기 위해 고속생산이 필요하게 되면서부터 고효율 성형기술이 개발ㆍ활용되고 있으며 소재와 장비 등 기반기술과 에너지ㆍ환경 보호를 위한 제조공정의 최적화를 위해 더욱 더 발전하고 있다. 그러나, 현재 개발의 중심에 있는 고효율 점진성형기술 대부분은 소재를 회전시킴과 동시에 영구변형을 유도하기 때문에 다른 성형기술에 비해 공정변수가 많으며 그 영향이 매우 크다. 따라서, 경험적 지식(노하우)에만 의존하는 것은 신소재ㆍ신공정 개발에 어려움이 많으므로 이론적 해석기술의 필요성은 더욱 높다. |
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출처 : 이영선, 권용남, 김상우, 천세환 ‘고효율 점진성형기술과 수치해석’
[기계와재료] 23권 제3호 |
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