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복합소재 파티션 판넬 부품 개발을 위한 HyperForm 활용

(주)신영 안민수 선임연구원

msahn@shym.co.kr

Utilizing HyperForm to develop composite partition panel parts

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1. 회사 소개

2. 개발 부품

3. 개발 내용

목차

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1973 신아금속 공업사 설립

1974 현대자동차 1차 협력업체 선정

1996 금형1공장 설립

2000 ㈜신원 설립

2002 ㈜신호 인수

2003 울산공장, 금형2공장, 미국현지법인 SMART 설립 ISO/TS16949 인증 획득

2006 COSMA 전략적 제휴 / ISO14001 인증 획득

2008 러시아 현지법인 PETERFORM 설립

2009 상호변경 : 주식회사 신영

2010 아산2공장 설립 대구고용노동청 주관 노사문화 우수기업 선정

2011 ㈜신정 인수 / 무역협회 주관 ‘1억불 수출탑’ 수상

2012 무역협회 주관 ‘ 2억불 수출탑’ 수상 러시아 자동차 포럼 선정 ‘신규진입상’ 수상

2013

㈜신영 품질5스타, 기술5스타 인증 획득 ㈜신영 품질부문 올해의 협력사상 수상 ㈜신영 월드클래스 300 프로젝트 대상기업 선정 강호갑 대표이사 중견기업연합회 회장 취임 OHSAS 18001 안전보건경영시스템 인증 획득

2014

㈜신영 FTA활용 동반성장 우수업체 국무총리 표창 ㈜신원 노사문화 대상 대통령상 수상 ㈜신영 기술부문 올해의 협력사상 수상 ㈜신영 품질5스타 플러스 인증 획득 SMART 품질5스타 플러스 인증 획득

2015 ㈜신원 일家양득 고용노동부장관 감사패 수상 PETERFORM 품질5스타 인증 획득

2016 ㈜신영 무역협회 주관 ‘3억불 수출탑’수상

■ Company history ■ General status

SHIN YOUNG

St. Petersburg, Russia

Alabama, USA

[국내 – 4개 법인 / 7개 사업장] 신영 본사(영천) 신영 금형 1,2공장 (영천) 신영 울산 공장 신영 아산 2공장 신원(아산) 신호(경산) [해외법인 – 2개 법인 / 3개 사업장] SMART (Alabama, USA) PETERFORM_Kamenka PETERFORM_Shushary(St.Petersburg, RUSSIA)

[임,직원 – 총원 3,400명] 국내 – 1,370명 해외 – 2,030명

[매출액] 9,977억원

1. 회사 소개

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RR FLR COMPL

CTR FLR COMPL

SIDE OTR REINF COMPL, L/RH

FRONT INR, L/RH

CTR PLR INR, L/RH

FENDER APRON & MBR COMPL, L/RH

CARRIER ASSY FEM

BUMPER BEAM

QTR INR COMPL, L/RH

BACK COMPL

RR C/LAMP ASSY, L/RH

PACKAGE TRAY COMPL RAIL ROOF FR ASSY

DASH COMPL

COWL COMPL

■ Production item

1. 회사 소개

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■ Technology status

핫 스탬핑 프레스 [Hot stamping Press] 롤포밍 프레스 [Roll Forming Press] 탭핑 플레이트 프레스 [Tapping Plate Press]

▣ 적용기술 : Hot Stamping

▣ 설치 위치 : 신영

▣ 설비특징

초고강도 소재의 냉간 성형성을 극복

고온(900℃)에서 프레스 가공 후 상온까지 급속 냉각하는 성형 기술

▣ 적용기술 : Roll Forming

▣ 설치 위치 : 신영

▣ 설비특징

Roll 장비와 Press 간 소재 취출 , 투입을 연속 가공하는 Auto-line 으로 구성

차종 교체 시 과거의 복잡하고 어려운 방식에서 Cassette type roll을 적용

▣ 적용기술 : Tapping Plate

▣ 설치 위치 : 신호

▣ 설비특징

기존 BRKT-NUT용접 공급제품에 비해 체결력이 향상 --> NUT 누락의 불량 요소 해소

신기술공법을 신영 독자적인 기술로 개발[국내 특허 보유]

Hot Forming Heating Trimming Assembly Blanking Forming Cleaning Cutting Rolling Forging Forming Banding Notch Tapping

1. 회사 소개

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■ Technology status

패치 워크 [PATCH WORK] 인 다이 넛 웰딩 [IN DIE NUT Welding]

▣ 적용 기술 : 패치워크

▣ 설치 위치 : 신영

▣ 설비특징

블랭크 소재 간의 스팟 용접으로 결합 한 후, 핫스탬핑 공정을 통하여 부품 강성 확보.

공정/부품/금형 제작 수량 감소를 통한 생산 비용 저감.

▣ 적용 기술 : In die Nut Welding

▣ 설비 특징

별도의 너트, 용접 라인 없이 금형 내에서 부품 성형과 동시에 너트 용접을 수행하는 기술.

생산성 및 작업의 효율성을 향상

Heating Blanking Hot Forming

Patch Welding

Laser Trimming Loading Insert Nut Welding

1. 회사 소개

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Reinforcement

Partition panel

Part name Partition panel Reinforcement

Material Aluminum

Part name Developed partition panel

Material Composite (Carbon fiber + Resin)

Developed partition panel (without reinforcement)

■ Parts introduction – Conventional vs New

2. 개발 부품

Part name : Partition panel

Confidential Confidential

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■ Analysis process schematic diagram

Structural(Composite)

Optimization

Structural &

Forming

Final part data

Tailored thickness

Re-design

Original data

1st thickness 도출

Structural(Al)

1st modify data

Re-design (Estimated Thickness > Shape R)

Equivalent stiffness values

Equal thickness

Structural

Final part data

Forming

2nd thickness 도출

Re-design

Forming

Add embossing

2nd modify data

3. 개발 내용

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■ Constraint condition

3. 개발 내용

Fixed(x,y,z)

Fixed(x,y,z)

Forced displacement (4mm)

Structural adhesive : 면 접촉 구속

Clinching : RBE2로 작업 진행

FIX 변위구속 (123 자유도 구속)

강제 변위 4mm

Confidential

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■ Mesh

3. 개발 내용

① Original data - Al ② 1st Modify data - Composite

Nodes : 222,640개

Elements : 76,080개

Average mesh size : 3.0mm

Nodes : 115,409개

Elements : 116,312개

Average mesh size : 2.0mm

■ Material property

T300 grade 3K, Plain

Parameter Symbol Value

Modulus of elasticity (0˚) E1 57.1 GPa

Modulus of elasticity (90˚) E2 57.1 GPa

In-plane shear modulus G12 4.5 GPa

Transverse shear modulus (1-Z plane) G13 4 GPa

Transverse shear modulus (2-Z plane G23 4 GPa

Poisson's ratio Nu_12 0.05

Parameter Symbol Value

Allowable tensile stresses (0˚) X_t 744 MPa

Allowable tensile stresses (90˚) Y_t 744 MPa

Allowable Compression stresses (0˚) X_c 889 MPa

Allowable tensile stresses or (90˚) Y_c 889 MPa

In-plane shear stresses S 120 MPa

Confidential Confidential

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■ 1st structural analysis result - Stiffness

S𝑡𝑖𝑓𝑓𝑛𝑒𝑠𝑠(𝑁/𝑚𝑚) = 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒(𝑁)

𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑑 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑙𝑎𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡(𝑚𝑚)

Al

1.4+1.0 1.5 2 2.5 3 3.5

4 4 4 4 4 4

22.193 3.806 7.122 11.748 17.825 25.465

5.5 1.0 1.8 2.9 4.5 6.4Stiffness (N/mm)

Composite (1st data)Material

Thickness

Forced displacement (mm)

Reaction force (N)

y = 3.82x - 7.0037

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Stiff

ness

(N

/mm

)

Thickness(mm)

파티션 판넬 적용 소재 변경(Al --> Composite 두께는 3.2~3.3mm 필요

3. 개발 내용

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■ 2nd modify data

A

B

1st data 2nd data

C

D

a a‘ a a‘

a a‘

1st data

2nd data

형상 추가 : 비틀림 강성 확보을 통한 두께 조절

형상 측벽 기울기 변경 --> 성형성 확보

3. 개발 내용

Confidential Confidential

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■ 2nd structural analysis result - Stiffness

Al

1.4+1.0 2.0 2.5 3.0 3.5

4 4 4 4 4

22.193 11.189 17.986 26.668 37.374

5.5 2.8 4.5 6.7 9.3

Composite (2nd data)

Stiffness (N/mm)

Material

Thickness

Forced displacement (mm)

Reaction force (N)

y = 4.4x - 6.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1

Stiff

ness

(N

/mm

)

Thickness(mm)

Composite 부품 두께는 2.7mm 선정

S𝑡𝑖𝑓𝑓𝑛𝑒𝑠𝑠(𝑁/𝑚𝑚) = 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒(𝑁)

𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑑 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑙𝑎𝑐𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡(𝑚𝑚)

3. 개발 내용

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3. 개발 내용

Max Failure index : 0.011 Min Strength ratio : 16.07

1. Failure index 2. Strength ratio

■ Composite failure

Confidential Confidential

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3. 개발 내용

■ Forming analysis

1. Tool design & Blank

Tool type : Crash form

Blank size : 1,100mm x 500mm

Blank thickness : 2.7mm

Ply quantity : 9ply

Upper die

Lower die Blank

Confidential

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3. 개발 내용

■ Forming analysis

Rho 2.5e-09 tonne/mm3

E1 40000MPa

E2 40000MPa

Flex 0.01

G_0 20MPa

G_T 500MPa

Alpha_T 40°

Woven Fabric

Rho 1.5e-09 tonne/mm3

E 400MPa

G 400MPa

Y_fct_IDN 0.01MPa

Y_fct_IDT 0.01MPa

Resin

복합재 성형해석을 위해 입력한 물성

(임의의 물성으로 해석 진행)

좌우 대칭 조건으로 해석 진행

프리프레그 두께 : 2.7T

[조건에서 성형 결함이 발생하는지 확인]

금형 – 소재간 마찰계수 : 0.25

소재 – 소재간 마찰계수 : 0.3

Mesh Size : 2mm

[ HyperForm – 물성 TEST ]

2. Material property 3. Boundary condition

Confidential

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3. 개발 내용

■ Forming result – Fiber rotation & Shear angel

1. Fiber rotation 2. Shear angle

Fiber의 최대 패턴 변형이 약 8.65° 해석상 최대 변형된 전단 각도 : 26.7°

소재의 최대 전단 각도 : 40°

Confidential Confidential

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