자동차 필러 프레스 성형: 고급 기술 및 엔지니어링 솔루션

TL;DR

자동차 필러 스탬핑 차량의 안전성과 구조적 완전성을 위해 중요한 고정밀 제조 공정입니다. 초고강도강(UHSS) 및 첨단 알루미늄 합금을 A, B, C필러로 성형하는 것으로, 핫 스탬핑 및 프로그레시브 다이 성형 기술을 사용합니다. 제조업체들은 전복 및 측면 충돌 시 충돌 보호를 극대화해야 하는 동시에 연비 향상과 전기차 주행거리를 위해 무게를 최소화해야 하는 상충되는 목표를 조율해야 합니다. 현재에는 스프링백 및 가공 경화 문제를 해결하기 위해 서보 프레스 기술 및 특수 공구를 포함한 첨단 솔루션이 적용되고 있습니다.

자동차 필러의 구성: A, B, C

승용차의 구조적 백본은 앞에서부터 알파벳 순서로 표기되는 필러라 불리는 일련의 수직 지지대에 의존한다. 이들은 지붕을 지지하고 충돌 에너지를 관리하는 공동의 기능을 수행하지만, 각 필러는 고유의 기하학적 형상과 안전 기능으로 인해 프레스 성형 시 독특한 과제를 동반한다.

그 A필러 윈드실드를 감싸고 앞문 힌지를 고정한다. Group TTM 에 따르면, A필러는 전방 시계성을 최적화하면서도 전복 사고 시 강한 보호 성능을 제공할 수 있도록 정교한 3D 곡선과 다양한 벽 두께를 설계하여 제작된다. 기하학적 복잡성으로 인해, 필러의 구조적 강성을 해치지 않도록 윈드실드 장착용 플랜지를 형성하기 위해 종종 여러 번의 성형 공정이 요구된다.

그 B필러 측면 충돌 시 승객의 안전을 위해 가장 중요한 구성 요소일 수 있습니다. 전문과 후문 사이에 위치하며 차량의 바닥에서 지붕까지 연결되어 충돌 시 주요 하중 경로 역할을 합니다. 승객 실내로의 침입을 방지하기 위해 B필러는 매우 높은 항복 강도를 가져야 합니다. 제조사들은 종종 에너지 흡수를 극대화하기 위해 필러 어셈블리 내부에 고강도 강철로 만든 보강 튜브나 패치워크를 사용합니다.

C 및 D필러 차실 후면과 뒷유리를 지탱합니다. B필러보다 직접적인 충격 하중은 적게 받지만, 비틀림 강성과 후면 충돌 안전성을 확보하는 데 필수적입니다. 현대 자동차 제조 공정에서는 조립 공정을 줄이고 차량 외관을 개선하기 위해 이러한 부품들이 점점 더 큰 사이드 아웃사이드 패널에 통합되고 있습니다.

소재 과학: UHSS 및 AHSS로의 전환

자동차 스탬핑 산업은 엄격한 충돌 규제를 충족하기 위해 저탄소강에서 초고강도강(UHSS) 및 첨단 고강도강(AHSS)으로 대부분 전환해 왔습니다. 이 전환은 강도 대 중량 비율을 높여야 한다는 요구에서 비롯된 것이며, 특히 배터리 중량을 보다 가벼운 바디 인 화이트(body-in-white)로 상쇄해야 하는 전기차(EV)에 있어 매우 중요합니다.

붕소강(Boron steel)과 같은 소재 등급은 이제 안전 핵심 부위에 표준적으로 사용되고 있습니다. 이러한 소재는 열처리 후 인장강도가 1,500MPa를 초과할 수 있습니다. 그러나 이러한 경화 소재를 다루는 것은 상당한 공학적 난관을 동반합니다. 소재 성형을 위해 더 높은 톤수의 프레스가 필요하며, 연성 합금에 비해 드로잉 공정 중 균열이나 파열 위험이 증가합니다.

이러한 소재의 발전은 금형 설계에도 영향을 미친다. 초고장력강(UHSS)의 마모성 특성을 견디기 위해 프레스 성형 다이는 고품질 공구강 세그먼트를 장착해야 하며, 종종 특수 표면 코팅이 요구된다. 제조업체들은 성형 후 금속이 원래 형태로 되돌아가려는 '스프링백(springback)' 현상도 고려해야 하며, 이를 보완하기 위해 다이 표면에 과도 굽힘 보정 구조를 직접 설계에 반영해야 한다.

주요 프레스 성형 기술: 핫 포밍과 콜드 포밍

자동차 필러 생산을 정의하는 두 가지 주요 방식은 핫 스탬핑(프레스 경화)과 콜드 포밍(보통 연속 금형 사용)이다. 이 둘 중 어떤 방식을 선택할지는 부품의 복잡성과 요구되는 강도 특성에 크게 좌우된다.

열 스탬핑 b필러와 같이 초고강도가 요구되는 부품에 있어 선호되는 방법입니다. 이 공정에서 스틸 블랭크는 약 900°C까지 가열되어 가공이 가능한 상태(오스테나이트화)가 된 후, 신속하게 냉각 다이로 이동되어 성형과 퀜칭이 동시에 이루어집니다. 마그나 이 기술은 냉간 성형 시 균열이 발생할 수 있는 초고강도 특성의 복잡한 형상을 제작할 수 있음을 강조합니다. 그 결과 스프링백이 최소화된 치수적으로 안정적인 부품을 얻을 수 있습니다.

냉간 성형 및 프로그레시브 다이 a필러와 같이 정교한 형상을 가진 부품의 표준으로 남아 있습니다. 프로그레시브 다이는 코일이 프레스를 통해 연속적으로 공급되는 동안 천공, 노칭, 굴곡, 트리밍과 같은 일련의 작업을 단일 공정에서 수행합니다. 이 방법은 대량 생산에 매우 효율적입니다. 빠른 프로토타이핑과 대량 생산 사이의 갭을 메우려는 제조업체의 경우 소이 메탈 테크놀로지 iATF 16949 인증 정밀도로 복잡한 자동차 부품을 처리할 수 있도록 최대 600톤의 프레스 성능을 활용하여 확장 가능한 솔루션을 제공합니다.

다음과 같은 혁신 기술인 GEDIA 에서 설명한 "TemperBox" 기술은 열간 성형 공정 내에서 맞춤형 담금질이 가능하게 해 줍니다. 이를 통해 엔지니어는 경화된 B필러 내부에 에너지를 흡수하기 위해 변형될 수 있는 영역인 "연성 구역"을 만들 수 있으며, 나머지 부분은 승객 보호를 위해 강성을 유지합니다.

프레스 성형 방식 비교

필러 생산의 기술적 과제 및 해결 방안

자동차 필러 제조는 물리적 한계와의 끊임없는 싸움이다. 탄성 복귀 uHSS 냉간 스탬핑에서 가장 흔히 발생하는 문제는 스프링백이다. 소재가 상당한 탄성 기억을 유지하기 때문에 프레스가 열린 후 약간 되돌아가는 경향이 있다. 현재 고급 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이러한 변형을 예측하고, 도구 제작자는 다이 표면을 '보정된' 형태로 가공하여 최종적으로 정확한 형상을 얻을 수 있다.

윤활 및 표면 품질 마찬가지로 중요한 것은 높은 접촉 압력입니다. 높은 접촉 압력은 갈링(재료 전이) 및 과도한 공구 마모를 유발할 수 있습니다. 또한 잔류 윤활유는 후속 용접 공정을 방해할 수 있습니다. 사례 연구에서는 IRMCO 아연도금 강판 필러용 오일 프리 완전 합성 스탬핑 유체로 전환함으로써 유체 소비량을 17% 줄이고 용접 결함을 일으키던 흰색 부식 문제를 완전히 제거할 수 있었습니다.

치수 정밀도 정밀도는 절대적으로 필수적입니다. 필러는 도어, 창문 및 지붕 패널과 정확하게 맞물려야 하며, 1mm 이하의 미세한 치수 변동이라도 바람 소음, 물 누출 또는 문 닫힘 불량을 초래할 수 있습니다. 정확성을 보장하기 위해 많은 제조업체에서는 스탬핑 직후 각각의 장착 구멍과 플랜지 위치를 확인하는 레이저 측정 시스템이나 검사용 고정장치를 도입하고 있습니다.

향후 동향: 경량화 및 전기차(EV) 통합

전기차의 부상은 필러 설계를 재정의하고 있습니다. 전기차에 탑재된 무거운 배터리 팩은 차체의 다른 부분에서 적극적인 경량화를 필요로 하게 됩니다. 이는 테일러 용접 블랭크(TWB) 의 채택을 가속화시키고 있으며, 이 기술은 서로 다른 두께나 등급의 시트를 레이저 용접으로 결합하는 방식입니다 이전 프레스 성형 공정에서 두꺼운 강판은 상부 B필러와 같이 필요한 위치에만 사용되고, 그 외 부분에는 얇은 금속을 사용함으로써 중량을 절감할 수 있습니다.

근본적인 설계 변경도 다가오고 있습니다. B필러가 없는 도어 시스템과 같은 일부 컨셉트는 접근성을 향상시키기 위해 차체 구조를 완전히 재설계합니다. 이러한 설계는 기존에 B필러가 담당하던 구조적 하중을 보강된 도어와 록커 패널로 분산시키며, 측면 충돌 안전 기준을 유지하기 위해 더욱 정밀한 프레스 성형 및 도어 래치 메커니즘이 요구됩니다.

안전의 핵심, 정밀함

자동차 필러 제조는 첨단 야금 기술과 정밀 공학이 융합된 분야입니다. 안전 기준이 변화하고 차량 구조가 전동화를 향해 진화함에 따라 스탬핑 산업은 더 스마트한 다이, 더 강력한 소재, 더 효율적인 공정을 통해 지속적으로 혁신하고 있습니다. 프레스 경화의 열처리 방식이든 연속 다이의 고속 가공 방식이든 목표는 동일합니다. 즉, 탑승자를 절대적으로 보호하면서도 경량화된 강성의 안전 셀을 생산하는 것입니다.

자주 묻는 질문

1. 필러 제작 시 핫 스탬핑과 콜드 스탬핑의 차이는 무엇인가요?

핫 스탬핑(프레스 경화)은 강판 블랭크를 성형 전에 약 900°C까지 가열한 후 다이에서 급냉하는 공정을 포함합니다. 이 공정은 B필러와 같이 침입을 방지하는 초고강도 부품 제작에 사용됩니다. 콜드 스탬핑은 상온에서 금속을 성형하는 방식으로, 더 빠르고 에너지 효율이 높지만 고강도 소재의 스프링백 현상을 다루는 것이 더 까다롭습니다. 일반적으로 A필러 및 기타 구조 부품에 사용됩니다.

2. 왜 B필러는 초고강도강(UHSS)으로 만들까요?

B필러는 측면 충돌 시 주요 보호 장치 역할을 합니다. UHSS를 사용하면 필러가 막대한 힘을 견뎌내고 차량 실내가 내부로 붕괴되는 것을 방지하여 탑승자를 보호할 수 있습니다. UHSS의 높은 강도 대비 무게 비율 덕분에 온유강의 두꺼운 판재를 사용하는 것보다 전체 차량 중량을 줄이는 데도 기여합니다.

3. 제조업체는 스탬핑된 필러의 스프링백을 어떻게 처리하나요?

스프링백은 성형된 금속이 원래의 형태로 돌아가려는 현상을 말한다. 제조 업체들은 이러한 현상을 예측하기 위해 고급 시뮬레이션 소프트웨어(AutoForm, Dynaform)를 사용하며, 부품이 스프링백 후에도 정확한 최종 치수를 유지할 수 있도록 '과도 굽힘(over-bend)' 또는 보정된 표면을 설계하여 프레스 다이를 제작한다.