제조공법

제조공법(製造工法)은 공사 및 가공하는 방법을 말한다.

자동차 차체 경량화에 사용되는 공법

최근 자동차 산업의 최대 화두 중 하나는 보다 높은 연비를 위해 무게는 가볍게 하면서 주행 안정성을 위한 강성은 이전보다 더 높이고 여기에 상품성을 더 높이기 위해 실내 공간과 차체 크기는 조금씩 키우는 것이다. 이는 어찌 보면 굉장히 모순된 이야기로 무게가 가벼우면 가벼울수록 차체가 가지는 강도는 낮아진다는 것이 상식이기 때문이다.

핫 스템핑

말 그대로 뜨거운 열을 가해 찍어내는 방식이다. 이 방식을 고안하게 된 이유는 다음과 같다. 소재와도 밀접한 관련이 있는데 특히 많이 쓰이는 초고장력 강판이라 불리는 높은 인장 강도를 지닌 철의 경우 프레스 방식으로 찍어낼 때에도 많은 부담을 안게 되는 것이 사실이다. 금속 자체가 단단하고 복원력도 높아서 이를 원하는 형태로 찍어내기 위해서는 더 많은 힘이 필요하다. 이를 성형성이 좋지 않다고 표현하는데 한마디로 원하는 형태를 만들기 쉽지 않다. 물론 같은 무게의 다른 강철보다 차체의 강성과 안전성을 높일 수 있기 때문에 유리한 점도 있지만 생산성은 아무래도 떨어질 수밖에 없다. 특히 제작에 아주 많은 비용이 들어가는 금형의 마모를 앞당긴다는 문제도 안고 있다. 이러한 단점을 보완하고 소재가 가진 장점을 극대화하기 위하 고안된 것이 핫 스템핑 기법이다. 열을 가해 찍어내는 핫 스템핑 방식은 우선 금속 강판에 열을 가하는 것부터 시작된다. 약 900~950도가량의 열을 가하게 되면 금속이 적당히 무른 상태가 되는데 대장간에서 대장장이들이 농기구나 칼을 만드는 과정을 생각하면 된다. 열을 가해 적당히 무르게 하여 금속의 성형성을 높이는 셈이다. 이렇게 열을 가한 성형성을 높인 후 지정된 금형에 강판을 올려놓고 프레스로 힘껏 눌러 원하는 형태와 두께를 만든다. 이 과정에서 불필요한 부위는 잘려나가고 원하는 형태에 근접한 형태로 만들어진다. 그런 다음 금형 내에서 원하는 온도로 급속 냉각하는 과정을 거치게 된다.

• 핫 스템핑 공법의 이점

핫 스템핑 공법의 가장 큰 이점은 바로 1/2 혹은 소재에 따라서 1/3 정도의 무게 만으로도 동일한 강도를 만들어 낼 수 있다는 점이다. 이는 바로 핫 스템핑 방식 자체가 가지는 특성에 의한 것이다. 특히 위에서 설명한 것처럼 이 방식은 대장간에서 농기구나 칼을 만들 때 열을 가하는 이유와 동일한 이유이다. 금속에 열을 가하는 것은 단순히 성형성을 높이는 것에 국한하지 않고 금속 자체의 조직 구조를 바꾸는 것에도 목적이 있다. 열을 가함으로써 금속 내부의 구조는 더욱 단단해지며 조밀해지는데 이 과정을 통해 절반 정도의 질량만으로도 충분한 강도를 얻게 된다. 서로 다른 강도와 탄성을 지니기 때문에 특정 부위에 별도로 보강재를 넣지 않아도 된다는 장점도 존재한다. 이렇게 함으로써 얻을 수 있는 추가적인 이점은 바로 부품 수의 감소와 더불어 생산 속도가 증가한다는 점이다. 원래 대로였다면 필요한 강도와 탄성에 맞게 몇 개의 부품으로 나누어 생산하고 또 나누어 생산한 것을 하나로 용접하는데 많은 시간을 들여야 했다면 핫 스템핑 공법은 하나의 부품에서 각 부위별로 필요한 강도와 탄성을 구분할 수 있기 때문에 부품을 용접, 조립하는 절차가 줄어드는 것은 물론이고 금형의 개수도 줄일 수 있어서 생산 효율성을 높일 수 있다는 이점도 존재한다.

• 핫 스템핑 공법이 주로 적용되는 부위

차체는 부위에 따라서 필요한 강도나 탄성이 다 다르다. 예를 들어 범퍼 안쪽부터 엔진이 걸쳐지는 앞쪽까지 그리고 트렁크에서 뒷 바퀴 바로 직전까지는 되도록 많이 찌그러지는 편이 더 좋다. 충돌 시 발생하는 에너지를 구조가 일그러지면서 구조가 꺾이는 방향으로 조금씩 분산 흡수하기 때문이다. 그래서 각 부위별로 서로 다른 강도를 지녀야 하며 따라서 핫 스템핑 공법의 경우는 운전자와 승객을 보호해야만 하는 부위에 부분적으로 사용된다. 예를 들면 앞 유리창 좌우 지지대 (A필러)부터 천장을 지나 뒷 유리창 좌우측 지지대 (C필러)까지가 여기에 해당된다. 또한 유리창 아래쪽의 경우는 측면 충돌 시 직접적으로 충격을 받는 부분이기 때문에 이 부위 역시 아주 단단하게 보호가 되어야 하므로 여기에도 이러한 공법을 적용한 부품이 사용된다.

TWB 공법

TWB 공법은 Tailor Welded Blank의 약자이다. 테일러는 보통 재단사 혹은 재봉사를 뜻하는 말이다. 그렇다면 이 방법은 무언가를 재단하고 재봉한다는 뜻을 담고 있는 것으로 다른 두께를 지니고 있는 강판을 각각 목적에 맞게 배치한 후 용접을 통해 하나의 부품으로 만드는 방법이다. 각 부위에 맞게 필요한 강도와 두께의 철판을 고르게 배치하여 무게는 줄이고 필요한 부위에 강도는 높이는 방식이라 보시면 이해가 빠를 것 같다. 보다 정확히 이야기하자면 굳이 높은 강도를 요구하지 않기 때문에 두꺼운 강판을 넣지 않아도 되는 곳에 불필요하게 두껍고 무거운 강판을 넣지 않는 방법이다. 예전에는 충분한 강도를 확보하기 위해서 하나의 부품에 들어가는 강판의 강도나 두께가 모두 일정해야 했다. 그래서 충분한 강도가 필요치 않은 부분에도 무겁고 값비싼 소재가 쓰일 수밖에 없었다. 이미 만들어진 부품에 또 한 번의 용접 과정을 거쳐야 하기 때문에 용접 부위의 변형도 발생할 뿐만 아니라 그만큼의 비용 추가도 발생했다. 그러나 이 방식의 경우는 원하는 위치에 정확히 필요한 강도의 강판을 쓸 수 있다는 점에서 최근에 다양한 차종들에 적용되고 있다. 전통적인 방식이라면 문 전체를 강하고 두꺼운 강판으로 만들어야 했겠지만 TWB 방식이 도입된 후에는 원하는 부위에만 두껍고 강한 강판을 넣고 나머지 부분은 무게를 줄임으로써 차량 전체의 무게 절감까지 할 수 있다. 제작 과정을 보면 우선 프레스 성형을 하기 전 필요한 부위에 원하는 두께와 재질의 서로 다른 강판을 재단해 배치한다. 그리고 이것을 레이저로 선형 용접하여 결합하는데 이 과정은 흡사 양복을 만들 때 가봉하는 과정과 유사하다 할 수 있다. 레이저 용접을 통해 가봉을 마친 후에 이를 금형에 넣고 프레스 가공하여 원하는 형태의 부품을 만들어 내는 것이 TWB 공법의 적용 방법이다.

참고자료

• 〈공법〉, 《위키백과》
• 한국교통안전공단, 〈가벼우면서도 더 강하게! 차체 성형 공법 1. 핫스템핑① / 모터스포츠 칼럼니스트 박종제(전문가콘텐츠)〉, 《네이버 블로그》, 2016-01-04
• 한국교통안전공단, 〈가벼우면서도 더 강하게! 차체 성형 공법 1. 핫스템핑③ / 모터스포츠 칼럼니스트 박종제(전문가콘텐츠)〉, 《네이버 블로그》, 2016-01-12

같이 보기

• 공사
• 가공
• 자동차
• 차체

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