자동차용 알루미늄 성형 공정: 핫 스탬핑, 하이드로메카니컬 딥 드로잉, 기가캐스팅

알루미늄 합금의 핫 스탬핑

에너지 부족과 환경 악화는 자동차 산업에 큰 변화를 가져오고 있다. 연구 결과에 따르면, 차량 총 중량을 10% 줄이면 연비를 6%에서 8%까지 향상시키고 배기가스를 4% 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 차량 경량화는 미국, 독일, 일본 등 자동차 제조국에서 주요 연구 주제로 부상했다. 주요 접근 방식으로는 경량 고강도 소재, 구조 최적화, 첨단 성형 공정의 세 가지가 있다.

알루미늄 합금은 항공우주 분야에서 널리 사용되는 경량 소재입니다. 소재 비용이 하락함에 따라, 경량화 이점을 바탕으로 중·고급 내연기관 차량과 신에너지 전기차 분야에서 가장 빠르게 성장하는 경량 소재 중 하나로 자리매김했습니다. 알루미늄은 냉간 성형 또는 열간 성형이 가능합니다. 실온에서는 연성과 성형성이 낮고, 스프링백을 제어하기 어려우며, 치수 정밀도가 불확실합니다. 일반적으로 200~450°C의 고온에서는 온도가 높아질수록 시트의 성형성이 향상되어 자동차 차체 패널 생산에 유리합니다. 따라서 복잡하고 고강도이며 고정밀도가 요구되는 패널에는 종종 열간 성형 공법이 사용됩니다.

핫 스탬핑은 학계와 산업계에서 주요 연구 분야로 자리 잡았습니다. 핫 스탬핑 공법으로 제작된 알루미늄 부품들은 A필러, B필러, 후드 및 기타 차체의 핵심 부위에서 기존의 강철 부품 일부를 대체하고 있습니다. 오스트리아 메탈 AG(Austria Metall AG)는 AA7075 알루미늄을 핫 스탬핑 공법으로 가공하여 BMW i8의 크래시 빔을 생산했다. 랜드로버 L405는 6xxx 계열 알루미늄과 핫 스탬핑 공법을 활용하여 2015년 당시 최대 규모의 일체형 차체 측면 패널을 제작했다. 애스턴 마틴은 DB11의 복잡한 A-필러 보강재를 제조하기 위해 열처리, 성형, 냉간 다이 담금질 공정(HFQ)을 통합한 솔루션을 적용했다. 모건은 자사의 Aero 8에 이 공법으로 성형된 최초의 후드를 제작하는 데 HFQ를 적용했다. 우한공과대학교 연구진은 마찰 교반 용접(FSW) 처리된 맞춤형 용접 블랭크를 핫 스탬핑하여, 높은 치수 정밀도와 우수한 기계적 특성을 갖춘 자동차 B-필러를 제작했다.

하이드로메카니컬 딥 드로잉

수압 심압 성형은 고압 액체가 강성 금형을 대체하는, 최근 개발된 판재 성형 공정입니다. 액체의 압력이 판재를 펀치에 밀착시켜 부품을 성형합니다. 이 공정은 알루미늄 합금과 같은 연성이 낮은 소재 및 복잡한 형상의 부품에 적합하며, 높은 성형 한계, 우수한 표면 품질, 높은 치수 정밀도를 제공합니다.

일반적인 시스템은 펀치, 다이, 블랭크 홀더, 유압 챔버 및 유압 릴리프 밸브로 구성됩니다. 챔버에 유체를 채우고, 판재를 제 위치에 놓은 다음, 블랭크 홀더가 판재를 다이에 밀착시킵니다. 펀치가 판재를 챔버 안으로 밀어 넣으면, 릴리프 밸브에 의해 조절된 압력이 판재를 펀치에 단단히 밀착시킵니다. 시트와 펀치 사이에는 유익한 마찰 고정력이 발생하며, 시트와 다이 사이의 유체 윤활은 마찰을 줄이고 표면 품질과 성형 한계를 향상시킵니다.

다음 그림은 기존 방식의 심압 성형과 유압 기계식 심압 성형을 비교한 것입니다.

[이미지 자리 표시자: 기존 방식과 유압식 심압 성형의 비교]

1. 금형 비용을 절감하고 생산 주기를 단축합니다. 고압 액체가 펀치나 다이 중 하나를 대체하므로, 단 하나의 강성 공구만 필요합니다.
2. 높은 치수 정밀도와 우수한 표면 품질. 플랜지와 다이 사이의 유체 윤활은 성형 과정에서 발생하는 긁힘을 상당히 줄여줍니다.
3. 더 높은 성형 한계. 마찰 유지, 오버플로 윤활 및 초기 역팽창을 통해 펀치 반경 부위의 균열과 지지되지 않은 부위의 주름 현상을 줄일 수 있습니다. 이에 따라 인발 비율이 증가하고, 성형 단계가 줄어들며, 비용이 절감됩니다.
4. 복잡한 부품에 적합합니다. 구조적 또는 기하학적으로 복잡한 부품을 한 번의 작업으로 도면화할 수 있어 시간을 절약하고 재료 활용도를 높일 수 있습니다.
5. 두께가 더 균일합니다. 유익한 마찰 유지 효과는 반경 방향 인장 응력을 감소시키고, 균일한 시트 흐름을 촉진하며, 두께 감소와 응력 집중을 줄여주고, 벽 두께 균일성을 향상시킵니다.
6. 자재 및 가공 비용 절감. 이 공정은 자재 소비량과 가공 비용을 줄여줍니다.

일체형 다이캐스팅

2020년부터 테슬라는 일체형 다이캐스팅 공법을 통해 70개 이상의 후면 차체 부품을 단일 주조품으로 통합함으로써, 기존의 프레스 성형 및 용접 공정에 도전장을 내밀고 차체 제조 방식을 혁신해 왔습니다. 다이캐스팅은 대량 생산 시 높은 생산성, 치수 정밀도, 기계적 성능, 재료 활용도 및 우수한 경제성을 제공합니다. 일체형 주조품은 복잡한 프레스 및 용접 공정을 없애고, 금형 요구 사항과 부품별 공정 검사를 줄이며, 조립 과정에서 누적되는 오류를 방지합니다. 또한 단일 소재로 제작되므로, 불량품은 재용해하여 다른 제품에 바로 재활용할 수 있습니다.

모델 Y는 이 공정을 적용한 테슬라의 첫 번째 차량으로, 후면 하부 차체가 일체형 주조 방식으로 제작되었습니다. 모델 3와 비교했을 때, 모델 Y는 부품 수를 79개 줄였고, 용접 지점을 700~800곳에서 50곳으로 줄였으며, 제조 시간을 1~2시간에서 3~5분으로 단축했습니다.