[QForm으로 읽는 소성가공 #5] 해석에서는 괜찮았는데 실제 단조에서 미충전이 발생하는 이유
[QForm으로 읽는 소성가공 #5] 해석에서는 괜찮았는데 실제 단조에서 미충전이 발생하는 이유
QForm UK의 Air Entrapment 해석과 센서 데이터를 활용한 열간단조 미충전 예측
논문 정보
논문명: Hybrid Numerical and Data-Driven Modelling for Defect Prediction in Screw Press Hot Bulk Forging of the EN AW-6060 Part
저자: Artem Alimov, Yuyao Jiang, Markus Gardill, Sebastian Härtel
저널: Key Engineering Materials, Vol. 1049, 2026, pp. 75–87
주제: QForm UK FEM 해석과 실제 프레스 센서 데이터를 결합한 열간단조 미충전 결함 예측
한 줄 요약
실제 단조에서는 소재와 금형만이 아니라 금형 내부의 공기, 프레스 변형, 소재 위치 편차까지 고려해야 미충전 결함을 정확하게 예측할 수 있습니다.
이런 경험 없으셨나요?
해석에서는 완전 충전인데 실제 제품은 미충전
일반적인 해석에서는 금형이 충분히 충전되는 것으로 나타났지만 실제 시험에서는 일부 깊은 캐비티가 채워지지 않는 경우가 있습니다.소재와 공정 조건이 같은데 결과가 달라진다
빌렛 온도와 성형 조건을 동일하게 관리해도 소재 위치 편차, 장비 거동 등의 영향으로 단조 결과가 달라질 수 있습니다.금형 수정만 반복하게 된다
결함 원인을 정확히 파악하지 못하면 캐비티 형상, 소재량, 성형 에너지를 반복적으로 수정하게 됩니다.왜 해석과 실제가 달라질까?
일반적인 FEM 해석에서는 소재 물성, 마찰, 온도, 금형 형상 등을 고려하지만 실제 생산 설비에서 발생하는 모든 현상을 포함하기는 어렵습니다.
이 연구에서는 금형 캐비티 내부의 포획 공기, 프레스 프레임 변형, 램 기울어짐과 같은 실제 공정 현상을 FEM 모델에 추가하여 해석과 실제 시험 사이의 차이를 줄였습니다.
핵심 아이디어
연구에서는 QForm UK의 FEM 해석과 실제 단조 프레스에서 측정한 센서 데이터를 각각 분석한 뒤, 두 결과를 함께 활용하는 Hybrid Numerical–Data-Driven Modelling 방법을 적용했습니다.
FEM 기반 예측
QForm UK 자동 해석을 통해 여러 공정조건의 결과를 생성하고 Random Forest와 SHAP 분석으로 미충전에 영향을 주는 변수를 평가합니다.센서 기반 검출
프레스의 위치, 하중, 가속도, 프레임 변형 및 Radar 센서 데이터를 분석하여 정상 제품과 미충전 제품을 구분합니다.Hybrid 접근
해석은 결함이 발생하는 원인을 분석하고, 센서 데이터는 실제 공정에서 결함 상태를 감지하는 역할을 수행합니다.QForm 해석에서는 무엇을 고려했을까?
1. 소재 및 공정 편차소재 온도, 직경, 길이와 함께 금형 내 소재 위치 편차를 해석 변수로 적용했습니다. |
2. Press Frame Deflection하부 금형에 스프링 강성을 적용하여 실제 프레스 프레임의 탄성 변형을 모델링했습니다. |
3. Press Ram Tilt상부 금형을 일정 각도로 회전시켜 실제 램 기울어짐이 성형에 미치는 영향을 평가했습니다. |
4. Trapped Air금속 유동에 의해 밀폐되는 캐비티의 공기를 자동으로 검출하고 압력 증가를 계산했습니다. |
가장 중요한 결과: 금형 내부의 공기
기준 공정조건으로 실제 단조 시험을 수행했을 때 미충전이 발생했지만, 초기 FEM 해석에서는 정상적으로 완전 충전되는 것으로 예측되었습니다.
Air Entrapment 미고려
금속만 고려한 기존 FEM 해석에서는 캐비티가 정상적으로 충전되는 것으로 예측되었습니다.Air Entrapment 고려
QForm UK에서 캐비티 내부의 포획 공기를 고려하자 실제 시험과 유사한 위치에서 최대 약 0.54 mm의 미충전이 예측되었습니다.포획 공기 압력
해석에서 캐비티 내부의 공기 압력은 최대 약 202 MPa까지 증가했습니다.QForm은 포획 공기를 어떻게 계산할까?
QForm UK에서는 성형 중 금속의 Flow Front를 추적하여 금속으로 완전히 둘러싸인 영역을 자동으로 탐색합니다.
1. 금속 유동 추적
성형이 진행되면서 금속이 금형 캐비티 내부로 유입되는 과정을 FEM으로 계산합니다.2. 밀폐된 공기 영역 탐색
금속에 의해 외부와 연결이 끊긴 캐비티를 포획 공기 영역으로 판단합니다.3. 공기 압력 계산
캐비티 체적이 감소하면 단열 압축 관계에 따라 공기 압력이 증가하고, 이 압력이 소재 유동을 방해하도록 계산합니다.해결 방법은 Air Vent
연구진은 미충전이 발생한 깊은 캐비티에 직경 0.5 mm의 Air Vent Hole을 방전가공으로 추가했습니다.
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Without Vent  Vent 적용 전깊은 캐비티 내부의 공기가 빠져나가지 못하면서 실제 단조품에 미충전이 발생했습니다. |
With Vent  Vent 적용 후캐비티의 공기가 외부로 배출되면서 실제 단조 시험과 QForm 해석 모두에서 미충전이 제거되었습니다. |
어떤 공정 변수가 미충전에 영향을 줄까?
연구에서는 6개의 변수를 이용해 120개의 QForm 해석을 자동으로 수행하고 Random Forest와 SHAP 분석으로 미충전에 대한 영향을 평가했습니다.
| 영향 변수 | 연구 결과 |
|---|---|
| 소재 직경 | 가장 큰 영향을 나타냈으며, 직경이 부족하면 소재량 부족으로 미충전 가능성이 증가했습니다. |
| 소재 위치 | 약 ±5 mm 범위에서는 비교적 안정적이었지만 더 큰 위치 편차에서는 미충전 발생 가능성이 증가했습니다. |
| 초기 소재 온도 | 연구 범위에서는 460°C까지 감소해도 미충전 발생에 큰 영향을 주지 않았습니다. |
| 소재 길이 | 70 mm 수준까지 감소해도 미충전 발생에는 큰 영향을 주지 않았습니다. |
| 프레스 강성 | 약 6 MN/mm 이하에서 결함 확률이 일부 증가했지만 전체적인 영향도는 상대적으로 작았습니다. |
| 램 기울어짐 | 실제 측정된 램 기울어짐 수준에서는 미충전에 미치는 영향이 거의 없었습니다. |
실제 프레스 데이터를 함께 보면?
연구에서는 프레스에 위치, 하중, 가속도, 프레임 변형 및 Radar 센서를 설치하고 정상 제품과 소재 위치를 ±10 mm 이동시켜 발생시킨 불량 제품의 데이터를 비교했습니다.
센서 데이터에도 결함 정보가 존재
Ram Position, Piezo Force, Frame Position, Acceleration 및 Radar 신호에서 정상 상태와 불량 상태의 분포 차이가 확인되었습니다.특히 Radar Sensor
단일 Radar Sensor에서 추출한 데이터만으로도 정상 상태와 소재 위치 편차 상태가 비교적 명확하게 분리되었습니다.실무에서는 어떻게 활용할 수 있을까?
금형 설계깊고 막힌 캐비티의 Air Entrapment 위치를 해석하고 필요하면 Air Vent 위치와 필요성을 검토할 수 있습니다. |
공정 설계소재 치수와 위치 공차를 포함해 실제 생산 편차를 해석 변수로 적용하여 공정 안정성을 평가할 수 있습니다. |
생산 기술프레스 강성과 램 기울어짐 등 실제 설비 특성이 성형 품질에 미치는 영향을 정량적으로 확인할 수 있습니다. |
품질 관리해석 결과와 설비 센서 데이터를 함께 활용하면 미충전 발생 원인 분석과 공정 이상 감지에 활용할 수 있습니다. |
QForm UK에서 주목할 기능
이번 연구에서 QForm UK는 단순한 소재 유동 해석뿐 아니라 실제 단조 공정에서 발생하는 비이상적인 현상을 FEM 모델에 포함하는 데 사용되었습니다.
Trapped Air Simulation
금속 유동 과정에서 발생하는 밀폐 공기 영역을 자동으로 탐색하고 캐비티 내부 압력을 계산하여 공기에 의한 미충전을 예측할 수 있습니다.Press Stiffness Modelling
Spring-loaded Die 조건을 이용하면 프레스 프레임 탄성 변형으로 손실되는 에너지를 해석 모델에 반영할 수 있습니다.API 기반 자동 해석
다수의 공정변수 조합을 자동으로 계산하여 DOE, Machine Learning 및 Robust Process Design을 위한 데이터셋을 구축할 수 있습니다.왜 이 논문이 중요한가?
핵심 결론 1
일반적인 FEM 모델만으로는 실제 생산에서 발생하는 모든 미충전 현상을 설명하기 어려울 수 있습니다.핵심 결론 2
깊은 금형 캐비티에 포획된 공기는 높은 압력을 형성하여 소재 유동을 방해하고 미충전을 발생시킬 수 있습니다.핵심 결론 3
QForm UK에서 Air Entrapment를 고려한 결과 실제 제품에서 발생한 미충전 위치와 크기를 보다 현실적으로 예측할 수 있었습니다.실무 메시지
해석 결과와 실제 제품이 다르다면 소재나 마찰조건만 수정하기 전에 Air Entrapment, 소재 위치 편차, 프레스 거동과 같은 실제 공정조건을 함께 검토할 필요가 있습니다.문의 및 상담
(주)CAE테크놀러지
전화: 02-2658-5695
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