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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.5 pp.45-52
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.05.045

Node Part Development of Vehicle Body with Space Frame Using Design Technology for Additive Manufacturing

Min-Seok Yang*, Jin-Seok Jang*, Da-Hye Kim*, Ji-Hyun Sung*, Jeung-Tae Kim**, Yeong-Chul Cho***, Jae-Wook Lee*#
*Dae-gyeong Regional Division, Korea Institute of Industrial Technology
**AJin Industrial Co., Ltd
***Hyundai Motor Company
#Corresponding Author : jaewk@kitech.re.kr Tel: +82-53-580-0186, Fax: +82-53-580-0130
19/02/2020 19/03/2020 22/03/2020

Abstract


Recently, design for additive manufacturing (DfAM) technology has become a prominent design methodology for exploiting 3D printing, which leads the Fourth Industrial Revolution. When manufactured by the 3D printing method, it is possible to produce several shapes compared to the conventional casting or cutting process. DfAM—as a newly-proposed design methodology—can be used to specially design products with various shapes to apply functional requirements. Topology optimization verifies load paths to determine the draft design, and a shape-optimized design with objective functions for weight reduction enables efficient lightweight product design. In this study, by using these two DfAM technologies, a lightweight and optimal design is constructed for a node part of a vehicle body with a space frame designed for a lightweight vehicle. DfAM methodologies for concept design and detailed design, and the associated results, are presented. Finally, the product was additively manufactured, a fatigue performance test was performed, and the design reliability was verified.



적층가공 특화설계기법을 이용한 스페이스 프레임 차체 노드 부품 개발

양 민석*, 장 진석*, 김 다혜*, 성 지현*, 김 정태**, 조 영철***, 이 재욱*#
*한국생산기술연구원 대경지역본부
**아진산업(주)
***현대자동차(주)

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20004486

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    3D 프린팅 기술은 3차원의 물체를 기존의 제조 방식인 깎아 내거나 찍어내는 방식이 아닌 재료를 층층이 쌓아 나가는 방식으로 가공하는 제조 기술 중 하나이다. 쾌속조형(Rapid Prototyping), 적층가공 (Additive Manufacturing)으로 불리는 이 기술은 최근 3D 프린팅이라는 대중적인 명칭으로 알려지게 되 었으며, 많은 국가의 기업, 대학, 연구소 등에서 다 양한 공정과 장비를 앞 다투어 개발하고 있다[1].

    3D 프린팅의 장점은 소량생산에 특화되어 있으 며, 주조 및 절삭과는 달리 중공 및 복잡 형상의 제작을 가능하게 함에 따라 맞춤형 제작, 금형 없 는 제품 생산이 가능하다는 장점이 있다[2]. 또한 금 속 제품의 개발단계에 적층제조 기술의 적용은 특 히 고도로 맞춤화된 제품을 생산하는 능력이 생산 비용과 소재 낭비를 크게 줄이는 동시에 사용자 만 족도와 기업 이윤을 크게 향상시킬 수 있기 때문에 전략적으로나 재정적으로 큰 효과가 있다고 알려지 고 있다[3].

    3D 프린팅의 소재는 초기에 플라스틱 수지로 많 이 적용 되었으나 최근 금속분말에서 세라믹, 전도 성 소재, 및 바이오 소재 등 매우 다양하게 확산 적용되고 있으나 특히, 이들 소재 중에서 금속 소 재의 활용도가 매우 크게 증가하고 있다[4]. 이는 금 속 소재를 3D 프린팅에 활용할 경우 금속 소재가 가진 강성이나 내 충격성의 이점을 그대로 활용 가 능함은 물론 중공이나 메시(mesh) 형상을 적용할 경우, 부피분율(Volume fraction)을 작게 하여 경량 화 목표를 달성하는 등 높은 기능성을 부여 할 수 있기 때문이다.

    최근 차량의 개발 및 생산에 있어 3D 프린팅의 활용도 증대되고 있다. 특히 엄격해지는 연비향상 및 환경규제에 대한방책으로 차량의 경량화를 위해 3D 프린팅을 이용한 차체 경량 제품의 개발이 진 행되고 있다. 자동차 산업의 경우, 대표적인 소품종 대량생산 분야였으나 고성능, 개인맞춤형, 전기차 등과 같은 차량 생산의 트렌드 변화에 따라 점점 다품종 소량 생산으로 전환되고 있다[5]. 이러한 경 량화와 다품종 소량 생산 문제를 해결하기 위해 자 동차 산업에서는 3D 프린팅의 기술은 더욱 더 많 이 활용되고 도입할 것으로 전망된다.

    많은 연구자들은 차량 경량화를 위해 일반 강을 고강도 강으로 대체하여 강도를 유지하되 부피는 줄여 경량화를 이끌어 왔다. 더욱이 최근에는 탄소 또는 유리섬유 등 복합소재로 일부 부품을 대체함 으로써 비약적인 경량화를 도출하는 연구 및 제조 사례가 따르고 있다. 하지만 소재의 원가가 기존에 비해 매우 높다는 단점으로 양산을 위한 차량 부품 제조에 큰 어려움이 따른다. 이에 반해 3D 프린팅 의 경우, 차량 제조의 동일 소재를 사용할 수 있으 며, 수많은 부품을 일체화 할 수 있으며, 형상제약 도 따르지 않기 때문에 차량의 단품 제조를 위한 많은 시도가 최근 이루어지고 있다. 특히 적층제조 특화설계를 통해 설계된 최적 형상의 제품은 기존 의 방식으로 가공하기가 불가능하지만 무게-강성 면에서 최적의 형상을 보이는 경우가 많음에 따라 더욱이 활용 가치를 높이고 있다.

    본 연구에서는 차량의 경량화를 위해 고안된 스 페이스 프레임(Space frame)에 있어 Fig. 1[6]과 같이 프레임 간 연결을 위한 노드(Node) 부품을 대상으 로 최적의 형상과 경량화를 도출하고자 한다. 적층 제조특화설계를 수행하기 위해 위상최적화 기법을 적용하여 최적의 형상을 제안하고, 제안 형상을 바 탕으로 형상최적화를 통해 경량화를 극대화하고자 한다. 구조해석을 통한 강도와 피로한도에 대한 신 뢰성 확보까지의 제품 설계 전주기에 대한 내용을 다루고자 한다.

    2. 적층제조특화설계

    2.1 위상 최적화를 통한 초기 형상 설계

    위상 최적화 기법은 제약 조건에 따라 재료의 위 치 분포를 결정하는 최적화 방법 중 하나이다. 최 적화 과정은 주어진 설계영역을 요소로 이산화 하 여 각각 밀도 값으로 표현하고 목적함수와 제약 조 건에 따른 각 요소의 유무를 판단함으로써 최종적 인 설계위상을 도출 할 수 있다. 위상 최적화를 통 해 구조물이 가지는 특정 성능에 영향을 미치는 힘 전달경로(Load path)를 파악하고 구조 검증을 통해 최적화된 형상 결정이 가능하다[7].

    Fig. 1은 차량의 스페이스 프레임 구조를 단순화 된 구조로 나타내고 있으며 압출부와 노드 부품으 로 구분하고 있다. 본 과정에서는 쇽업쇼버 마운팅 (Shock absorber mounting)에 해당하는 노드 부품을 대상으로 위상최적화를 수행하고 힘 전달 경로를 획득하여 개념설계를 수행하였다. 위상최적화를 수 행하기 위한 해석 소프트웨어로 ANSYS의 Topology Optimization Tool을 활용하였다.

    기존의 차량은 일반적으로 모노코크(Monocoque) 구조인 판재로 설계되어있다. 위상최적화를 수행하 기 위해 설계 영역은 체적을 가지도록 설계하였으 며, 설계영역 자체의 크기에 따른 제약 조건을 완 화하고 최적화의 자유도를 높이기 위해 보다 큰 형 상으로 설계영역을 지정하였다. Fig. 2에 모노코크 차체 모델과 같이 설계 영역(Design space)을 나타 내었다. 차체 모델과 같이 표현된 설계 영역에서 기존 모노코크 프레임의 주요 부재와 체결되는 위 치를 경계조건으로 적용하였으며, 모노코크 프레임 의 쇽업쇼버로 부터 인가되는 힘을 측정하여 하중 조건으로 설정하였다. 하중의 크기는 Fig. 3에 나타 낸 하중이력 데이터 중 최댓값을 기준으로 설정하 였으며, 동일 시점의 직교좌표의 각 성분 값으로 방향을 결정하였다. 또한 쇽업쇼버의 체결위치를 설계 회피영역으로 지정하여 최종 위상최적화의 설 계 영역을 결정하였다.

    앞서 언급한 적층제조특화 설계를 기반으로 위상 최적화를 수행하기 위해 설계 문제에 대한 제약 조 건으로 적층각 구속조건(Overhang constraint)을 설정 하였다. 해당 부품은 알루미늄으로 적층될 예정이 며 해당 소재의 경우 서포터(Support) 없이 적층되 기 위해 가지는 최소한의 적층각도(Overhang angle) 가 45°인 조건으로 설정하였다. 개념설계를 수행하 기 위한 위상최적화 시 목적함수는 컴플라이언스 (Compliance) 최소화로 설정하였고, 제약조건으로 질량 분율(Mass fraction)을 0.15로 수행하였다.

    컴플라이언스 최소화는 최대 강성을 확보하겠다 는 의미이며, 질량 분율의 경우 힘 전달경로를 확 인하고 구조적 의미를 가지는 최소한의 형상을 확 인하기 위해 0.15로 설정하였다. 이는 상세 설계 단 계에서 보완하여 사용하기 때문에 비중 높게 다루 지 않았다. 위상최적화의 결과를 바탕으로 개념설 계를 Fig. 4에 나타내었다. 개념설계에서 노드 부품 을 상세히 구분하기 위해 부분 구조의 종횡비가 큰 부분을 압출부재(Extrusion member)로 구분하였고 쇽업쇼버와 체결 되는 부위를 노드 부품으로 선정 하였다.

    Fig. 5는 압출부재와 노드부품으로 구분된 영역을 상세 위상최적화하기 위해 재설계된 모델을 나타낸 다. 상세 위상최적화를 위해 모델은 압출부재와 연 결되는 위치를 경계조건으로 두었으며 하중의 경우 개념설계와 동일하게 쇽업쇼버로부터 인가되는 하중 방향으로 설정하였다.

    Fig. 6는 상세 위상최적화를 수행하기 위한 하중 조건 분류를 나타낸다. Fig. 6(a)는 압출부제와 체결 되어 경계조건으로 설정되는 각 영역을 A, B, C, D 로 구분하여 단순히 나타내도록 하였다. Fig. 6(b)는 하중인가 영역, 방향 그리고 하중 형태에 따라 분 류하였으며 이는 차체 부품이 받는 비틀림과 굽힘 에 대한 다양한 경계조건에 대한 강성 확보를 고려 하기 위해 설정되었으며 총 12개의 하중조건으로 구분하여 상세 위상최적화가 수행되었다.

    상세 위상최적화를 진행하기 위해 목적함수 및 구속 조건을 다음 Table 1과 같이 정식화 하였다. 12개의 하중 케이스에 대한 상세 위상최적화의 결 과는 Fig. 7(a)와 같으며 위상최적화의 결과를 포함 하는 정형화 모델을 Fig. 7(b)와 같이 설계하였다. Fig. 7(c)는 위상최적화의 결과와 정형화 모델의 비 교로 해석 결과를 충분히 포함하는 재설계가 이루 어짐을 확인 할 수 있다.

    2.2 형상 최적화를 통한 제품의 경량화

    Fig. 6(b)는 위상 최적화 결과를 정형화하여 재설계한 모델로 상세최적화하기 위해 설계되었다. 일반적인 위상 최적화 결과 모델은 유기적인 형상 을 띄고 있어 형상을 최적화할 형상 변수를 선정하 기 어렵다. 따라서 Fig. 8과 같이 형상 변수를 선정 하기 위해 단순한 기하형상으로 정형화 하며 위상 최적화의 결과에 따라 힘 전달경로를 포함하도록 설계 되었다. 형상 최적화를 수행하기 위해 Altair Hyperworks의 Optistruct tool을 활용하였다.

    형상 최적화 이전에 구조안전성을 사전에 검증하 고 소재가 가지는 기계적 특성의 한계 내에서 최대 한 경량화하기 위하여 정형화 모델의 강도 해석을 수행하였다. 적층 방향에 따라 평가된 기계적 물성 데이터를 활용하였으며, 보수 설계를 위해 최솟값 을 기준으로 하였다.

    적층할 소재는 알루미늄으로 EOS 社의 ALSi10Mg 를 사용하였으며 기계적 물성은 Table 2에 나타내 었다. 강도 해석의 결과, 등가응력(von_Mises Stress) 기준 72.5 MPa로 항복강도(Yield strength)의 32%에 달하는 수준이나 소재는 피로강도(Fatigue strength) 가 90 MPa로 근접함을 보였다. 따라서 피로강도를 기준으로 형상최적화의 제약조건을 작성하였다.

    형상 변수는 정형화 모델의 경우 쉘(Shell) 모델 링을 통해 두께를 변수로 선택 가능하다. 이때 대 상의 하단 부 체결 위치를 안쪽으로 변경하여 크기 를 더 줄일 수 있도록 하였다. 두께를 최적화하기 위해 쉘 모델을 기존 두께 영역별로 구분하여 형상 변수를 최적화 변수로 두었다. 피로강도 90 MPa이 하로 하는 제약조건과 전체 질량 최소화를 목적함 수로 수행하여 Fig. 8과 같이 두께 최적화 결과를 도출 하였다. 기존 정형화 모델의 경우 3D CAD에 서 확인한 결과 7.497 kg이였으며 형상최적화를 통 해 2.371 kg으로 68.3% 경량화 됨을 확인하였다.

    2.3 구조해석을 통한 신뢰성 확보

    위상 최적화 및 형상 최적화를 통해 설계된 경량화 노드 부품의 모델을 정적 구조해석을 통해 강도 신 뢰성을 검증해 보았다. 2차원 쉘 모델의 경우 피로 강도의 제약조건으로 최대 90 MPa의 응력이 확인 되었으며, 모서리 및 하중 적용 위치에서 다소 높 게 나타남을 확인 하였다. 구조해석의 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 응력의 분포는 위상최적화의 결과 로 힘 전달경로에 따라 고르게 분포함을 확인할 수 있다. 실제 모델에서의 검증에 앞서 모서리에서 응 력집중을 피하기 위해 라운딩(Rounding) 설 계를 추 가하고 하중 적용 부위의 두께를 추가하여 재설계 하였다. 이때 응력이 나타나지 않는 비하중 영역의 경우 제거를 통해 추가 경량화를 달성하고자 하였 다. 따라서 최종적으로 제품 생산을 위한 모델은 Fig. 10과 같으며 강도의 신뢰성 검증을 위해 수행 한 구조해석의 경우 Fig. 11에 나타내었다.

    Fig. 11에 나타난 최종 제품의 강도해석 검증을 통해 등가응력의 경우 최대 78.5 MPa이 나타남을 확인 하였으며, 최대 주축방향 응력(Maximum principal stress)의 경우 89 MPa로 확인되었다. 종합 적으로 피로강도에 미치지 않는 응력결과로 피로수 명의 경우 무한 수명으로 예측되며, 강도 또한 기 능적 요구사항에 맞도록 설계됨을 확인하였다.

    3. 적용결과 및 고찰

    3.1 노드 부품의 경량화

    위상 최적화와 형상 최적화를 통해 스페이스 프레임의 노드 부품으로 활용될 제품을 설계하였 다. 설계 대상으로 이루어진 자체 프레임은 쇽업 쇼버 마운팅을 대상으로 하고 있으며 기능적으로 동일한 역할을 수행하는 영역의 프레임과 비교한 내용을 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12(a)는 설계대상 으로 지정한 쇽업소버 마운팅의 프레임의 중량으로 CAD에서 측정한 결과 3,145g으로 확인 되었다. Fig. 12(b)는 개발된 설계 제품을 나타내며 중량은 2,874g으로 대상제품 대비 10.3% 경량화 됨을 확인 하였다.

    3.2 피로 수명 신뢰성 검증

    성능 시험 전 설계된 제품의 피로 수명을 확인하 기 위해 구조해석의 결과를 바탕으로 피로해석을 수행하였으며 해석 조건은 Table 3에 나타내었다. 응력-수명 선도의 경우 동일 소재로 제조된 시험편 의 실험 결과인 Fig. 14[8]의 결과를 적용하였다. 피 로수명 예측을 위해 Abaqus의 Fe-safe 해석 소프트 웨어를 사용하였다.

    피로 해석에 적용된 하중의 경우 실차 주행 시험 의 결과로 획득한 벨지안 하중이력 데이터를 이용 하여 정의되었다. 적층 제조를 통해 획득한 제품의 경우 표면조도가 좋지 않음에 따라 보수적으로 확 인하기 위해 표면조도 Ra > 75 μm로 적용하였다. 실제 적층된 제품의 경우 평균 10 μm 정도로 수명 은 해석 보다 길게 확인될 수 있다. 알고리즘은 Goodman의 평균응력 수정법으로 수명을 예측하였 으며 해석결과 106 Cycle 이상인 무한수명으로 확 인되었다.

    피로수명의 내용을 검증하기 위해 설계된 제품을 실제 제작하였으며 피로시험을 수행하였다. Fig. 13 에 실제품의 모습과 시험과정을 확인 할 수 있다. 시험의 결과 Table 3과 동일 조건에서 수행되었으 며 실험 횟수 제약으로 1 × 106 Cycle까지 확인하였 으나 파손되지 않음을 확인하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 차량 경량화를 위해 제안된 스페 이스 프레임의 노드부품을 최적화 설계하였다. 위 상 최적화와 형상최적화 방법을 순차적으로 적용하 여 노드부품의 최적설계안을 도출하였다. 신뢰성 검증을 위한 강도해석을 수행하였고 실제 제품을 제작한 후 피로시험을 통해 신뢰성을 검증하였다. 각 과정에 대한 결론은 다음과 같다.

    1. 위상 최적화 해석 결과를 토대로 힘 전달경로에 대한 개념설계안을 도출 가능하며 하중조건과 상세 위상최적화를 통해 강성확보 및 경량화 도 출 가능한 설계안을 얻을 수 있었다. 경계조건에 따라 다양한 형상으로 도출되는 모델을 통합하 여 최적의 설계안을 제안하였다.

    2. 위상 최적화를 통해 얻은 모델을 포함하도록 모 델을 정형화하여 재설계함에 따라 형상 변수를 단순화 할 수 있다. 여기서 단순화 된 형상 변수 를 두께로 두고 구조의 강도를 제약조건으로 형 상 최적설계를 수행가능하다. 따라서 경량화를 목적으로 하는 최적설계를 통해 실제 제품보다 가벼운 노드 부품을 설계하였다.

    3. 강도해석의 검증을 통해 모서리 부위와 응력이 크게 발생하는 부위를 사전에 보강 할 수 있으 며, 응력이 발생하지 않는 비하중 영역의 경우 제거를 통해 추가 경량화를 달성 할 수 있다.

    4. 3의 응력 해석 결과를 바탕으로 피로해석 수행 가능하다. 하지만 강도를 제약조건으로 함에 따 라 그 결과는 무한수명으로 도출 할 수 있다. 이 는 실험과 비교를 통해 확인되었다.

    5. 최종적으로 제작한 노드부품의 경우 실제 대상 으로 하는 차체 프레임 대비 10.3%의 경량화를 달성하였고 기능적으로 동일한 역할 수행이 가 능하다.

    6. 본 연구를 통해 위상 최적화와 형상 최적화를 순차적으로 적용함에 따라 더욱 향상된 성능의 차체 부품 설계가 가능하며 그 설계 과정을 제 안하였다. 이를 토대로 다양한 영역의 차체 부품 에 최적화를 진행하여 성능이 향상된 차체 설계 안을 추가 제시 할 수 있을 것으로 사료된다.

    후 기

    “본 연구는 산업통상자원부 글로벌전문기술개발사 업 ‘3D 프린팅 전용 AL 소재 국산화 및 15% 경량 프런트 차체모듈 개발(과제번호 : 20004486)’ 과제의 지원으로 수행되었습니다.”

    Figure

    KSMPE-19-5-45_F1.gif
    Space frame and node parts of the vehicle[6]
    KSMPE-19-5-45_F2.gif
    Design space for topology optimization
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    load history
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    Topology optimization results and classification of node and member parts
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    Concept design of the node area based on the results of topology optimization
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    Boundary condition case of detailed topology optimization model
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    Comparison of optimization result and designed model
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    Formal modeling and shape optimization results
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    Stress validation result of shell model
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    Shape of final product
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    Stress validation result of final model
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    Weight comparison between products
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    Fatigue Test and Performance Verification
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    S–N curves of AlSi10Mg specimen[8]

    Table

    Optimal design formulation
    Material properties for analysis
    Fatigue analysis conditions

    Reference

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