CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol.15, No.2(2016), pp.78~83 pissn: 1598-6462 / eissn: 2288-6524 DOI: http://dx.doi.org/10.14773/cst.2016.15.2.78 BIW 전착도장에서의컴퓨터시뮬레이션적용사례 손대홍 1, 정희진 1 안승호 2 김병수 2 김정연 2 최병삼 2 1 ( 주 ) 카이웨어, 경기도성남시분당구판교로 319 번길 13, 530 호 2 현대자동차 ( 주 ) 남양연구소, 경기도화성시남양읍현대연구소로 150 (2015 년 11 월 6 일접수, 2016 년 4 월 11 일수정, 2016 년 4 월 11 일채택 ) Introduction of Computer Simulation for BIW Electrocoating Process DaeHong Sohn 1,, HiZean Jung 1, SeungHo Ahn 2, ByungSu Kim 2, JungYeon Kim 2, and ByungSam Choi 2 1 Caiware co., ltd, Rm. 530, 13, Pangyo-ro 319beon-gil, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do, Korea 2 Hyundai Motor Company Co., Ltd, Namyang R&D center, 150, Hyundaiyeonguso-ro, Namyang-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi-do, Korea (Received November 06, 2015; Revised April 11, 2016; Accepted April 11, 2016) The e-coating to inhibit induced corrosion can deposit a coating not only on the exterior surface but also on the inside of whole metallic components of body-in-white (BIW). But it is difficult to deposit paint films on the inside area because metallic components are multi layered. It may cause shortness of e-coating thickness. The only way to properly verify e-coating thickness is by performing the use of tear-down prototypes. When paint films thickness is inadequate, a structural modification on each metallic component is needed. Verification of the thickness improvement for a structural modification requires much manual effort and leads to increasing development time. Recently, the simulation technology has been developed to predict the e-coating thickness in e-coating field. By applying the simulation to BIW, improvement in paint thickness quality and shortening of development period are expected. The paper explains a validated solution that allows simulating the effect of design changes to the e-coating thickness and current density, thereby delivering results within a time frame of a few days. Keywords : e-coating, electrochemical process, e-coating simulation, tear-down prototypes, paint bath characterization 1. 연구목적전착도장이란자동차차체 (body-in-white, BIW) 를전착도료에담가차체의외판은물론내부까지균일하게도장하는공정을말하며, 전기영동도장 (electrophoresis coating) 이라고도한다. 장점으로는방청성이뛰어나고, 도착효율성이좋아비용이적게들고, 평활성이뛰어나자동차업체에서는방청용도료공정으로널리활용되고있다. 가장일반적인전착도장의라인공정을 Fig. 1에나타내었다. 전착분야에서는고려해야할중요한 2가지사항이있다. 첫번째는전착시간이다. 전착시간은제품의생산성과 BIW 표면에부착되는도료전착두께와의관계를조정할수있는 중요한요소이다. 일반적으로전착도장에소요되는시간은수분정도이다. 또다른한가지는차제표면에서의전류밀도분포이다. 차체표면에서전류밀도가낮으면도장두께부족분이발생될수도있기때문이다. 일반적으로 BIW를이루고있는금속패널의외부에비해내부는구조보강재등으로인하여금속패널들이서로촘촘하게겹쳐있어서도료전착이쉽지않다. 즉전류가쉽게흐르지못하여전류밀도가낮게되고이로인하여일부패널내부에서도장두께부족분이발생된다. Corresponding author: willysohn@caiware.com Fig. 1. Overview of typical e-coating process (image: durr-paint).
INTRODUCTION OF COMPUTER SIMULATION FOR BIW ELECTROCOATING PROCESS 전착도장분야는전착진행과정에대해컴퓨터시뮬레이션기법이표준화되어있지도, 시뮬레이션이널리활용되고있지도않은몇남지않은엔지니어분야중에하나이다. 전착도장분야의엔지니어들은신제품의첫번째시제품이제작되기전에전착관련된업무를완성해야한다. 현재까지는경험에의존하여지금까지진행되어왔다. 차체의도장두께부족한위치를찾아내고설계변경을통하여개선효과를검증해야할뿐만아니라충돌분야, 진동소음분야, 내구분야등의동료부서와설계협업을통하여신제품개발기간을줄일수있는컴퓨터시뮬레이션제품을대부분의자동차업체에서는찾고있다. 따라서전착도장분야에사용될컴퓨터시뮬레이션소프트웨어는다음 2가지조건을만족하여야한다. 시뮬레이션결과에대한정확도이다. 도장두께부족분여부에대한판정은생산라인과직접연계되어있기때문이다. 또한일정기간내에시뮬레이션결과검토가가능해야한다. 시제품이제작되기전에업무가완료되어야할뿐만아니라동료부서와의설계협업때문에더욱그러하다. 금번해석수행에사용한컴퓨터시뮬레이션소프트웨어는 Elsyca 회사의 Ecoatmaster 제품이다. 적용된전착라인은현대자동차의전착라인 2 군데로서서로다른전착방식으로서로다른전착도료를사용하고있으며, 동일한차체로적용하였다. 이논문은전착진행과정이어떻게전기화학관점으로설명될수있는지또한전기화학관점의진행내용을어떻게시뮬레이션에서구현해낼수있는지에대해설명하였다. 또한실제전착라인의시뮬레이션적용을통하여일정기간내결과검토가가능한지실측결과와비교하여얼마나정확한지, 나아가설계변경을통하여얼마나효율적으로재결과검토를할수있는지에대해서설명하였다. 2. 전착도장시뮬레이션방법일반적으로전착진행과정을구분하여정리하면다음과같다. 전착도료 : 전착특성 전착라인 : 전착탱크, 전극등과전압특성, 전착라인속도 BIW 모델 : BIW의 CAD 데이터컴퓨터시뮬레이션에서전착과정을정확하게구현하기위해서는도료의전착특성을분석하는작업이필수적이라할수있다. 크게 2가지요인으로요약할수있다. BIW의금속패널들은전처리과정으로인산염피막처리를하게되는데이인산염피막처리는금속패널의종류에따라피막액의조성이나피막의두께가서로다르게적용된다. 이로인해금속패널의종류마다표면저항값이서로다르게되어 (a) Camel-Back Type (b) Ro-Dip Type Fig. 2. Typical E-coating process. 초기전착과정에영향을미치게한다. 따라서 BIW 를구성 하고있는금속패널을종류별로구분하여, 전착도료특성을 분석하는것이필요하다. 또다른고려사항으로도료의유 속에따른특성분석이필요하다. 도료전착이진행될때금 속표면에서의수산화이온분포는도료의전착속도를결정 하는중요한요인이된다. 따라서도료의유속에따라전착 속도가어떻게변화되는지분석하는것이필요하다. 상기 두가지이유로인하여전착도료의전기화학적인특성을 분석하는것은필요하다. 전착도장라인의상세정보를정리하여전착시뮬레이션 의조건으로입력하는과정이다. 필요한상세정보는아래와 같다. 전착탱크의치수 도료의수위 전극의위치, 모양, 치수 전착라인의속도 BIW 궤적및회전정도, 시간에따른전압특성 전착탱크내도료의수위를입력하는이유는 BIW 의입조 및출조시수위에따라전착가능부위를구분하기위해서이 다. 널리활용되고있는전착방식으로크게 2 가지로구분되 는데 Camel-Back, Ro-Dip 방식으로나누어지며이를 Fig. 2 에나타내었다. 각각의방식에따라 BIW 궤적, 회전 정도등이달라지기때문에이에대한상세정보입력이필수 적이다. BIW 차체설계에따라전착결과에미치는영향은상당히 크다. 신규차량개발에투입된각각의부서는차체설계를서 로다른관점에서바라다보고있다. 예를들면충돌부서에 서는설계강도취약부위에보강재를추가하려고노력한다. 소음진동부서에서는소음경로에해당하는패널구멍들을 막으려고노력한다. 부식내구부서에서는패널에구멍을뚫 어서추가하려고한다. 패널에구멍을추가하려는노력은 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.2, 2016
DAEHONG SOHN, HIZEAN JUNG, SEUNGHO AHN, BYUNGSU KIM, JUNGYEON KIM, AND BYUNGSAM CHOI 전착과정에서발생될수있는공기기포를제거하고패널내부구조물에서의도장두께부족분이발생되는것을방지하기위한공간확보차원이다. 반대로새로운보강재의추가는보강재주변까지전착두께에악영향을미칠수있다. 일반적으로 BIW CAD 모델은 500 여개의크고작은파트로구성되어있을뿐만아니라얇은금속패널이겹겹이겹쳐있으며다양한크기의파트및내부홀에대해서도정확하게표현해야하기때문에매우복잡하여컴퓨터에서다루기가쉽지않다. 예를들면금속패널에서의전류밀도에의해도료전착이진행되기때문에때로는작은파트로인하여전류의진행방향이바뀔수있어 BIW내의모든형상을있는그대로표현하는것이필수적이라할수있다. 컴퓨터에서이와같이매우복잡한형상을처리하는것은아주현명한방법을사용하지않는한매우느린작업일수밖에없다. 따라서전착시뮬레이션작업에서빠른컴퓨터응답속도는성공적인시뮬레이션작업수행을위해필수적인요소라할수있다. 일반적으로 BIW CAD 모델은표준 CAD 소프트웨어인 CATIA 로작업된다. 특정분야예를들면충돌해석과같은경우에는해당해석수행을위해서필요한기술들이 CAD상에서최적화되어있다. 그러나전착시뮬레이션소프트웨어의경우아래와같은추가적인내용이필요하다. Fig. 3. Overview of experimental setup. CAD 가장자리 (edge) 간에는서로연결되어있어야한다. CAD 모델링은 3차원형상으로준비되어야한다. 사소한부위는제거되어야한다. 메시요소를급격하게증가시킨다. 상기내용을때로는자동화하려고해도궁극적으로더많은수작업이필요할수도있다. 따라서이와같은내용은시뮬레이션입력을위한초기작업에서관리되어야한다. 메시작업과같은시뮬레이션작업이추가로진행되면컴퓨터응답속도는더욱느려지게된다. 3. 전착도료실험및시뮬레이션결과도료의전착특성을분석하기위해전착도료샘플및금속패널샘플을이용하여아래 Fig. 3과같이실험실에서실험을진행하였다. 도료공급업체는기본적인도료원료에첨가제의조성비를달리하여서로다른전착도료를제공하고있다. 따라서도료공급업체는공급된도료의품질보증을위해생산과정을계속관찰하게된다. 따라서실험실에사용될도료샘플은도료공급업체로부터공급받는것이아니라전착라인에서사용하고있는도료이어야하며, 금속패널샘플은실제 Fig. 4. Effect of potential on layer thickness. 생산에적용되고있는강판으로전처리과정으로는린스, 수세, 인산염피막처리가되어야하며, 후처리로는오븐에서가열처리된다. 서로다른금속패널에서의도료전착특성파악은일정한실험계획법에따라적용되어야한다. 도료온도, 교반등도실제운영조건과유사하게적용하였다. Fig. 4는금속패널의종류별, 도료유속에따라전착두께의영향정도를나타낸그래프이다. 강판의종류와는무관하게정지상태보다는유속 1200 rpm에서전착두께가증가되는경향을얻을수있었다. 냉연강판의경우최대 25 % 두께증가를나타내었으며, 도금강판의경우소폭증가에그쳤다. 전착두께의차이는있지만가해진전압에따라비례하는정도는유사한경향을나타내었다. 이그래프를통하여금속패널의종류별, 유속별전착두께를정량적으로파악할수있었다. 실험에서얻은데이터는시뮬레이션의입력값으로제공된다. 금번실험에서얻은값은향후동일생산라인에서동 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.2, 2016
INTRODUCTION OF COMPUTER SIMULATION FOR BIW ELECTROCOATING PROCESS Fig. 5. Procedure of E-coating simulation. (a)current density (b) Paint thickness Fig. 6. Current density (a) and coating thickness (b) distribution from e-coating simulation at the initial stage. 일금속패널로구성된모든 BIW에적용될수있다. 따라서한번파악된도료의전착특성은동일생산라인에서다시파악할필요가없기때문에소프트웨어내데이터베이스화하여저장한다. Fig. 5는전착시뮬레이션수행절차에대해서나타내었다. 전착도장시뮬레이션의전착도료특성분석, 전착라인의상세정보입력, BIW CAD 입력이서로함께연계반영되어야정확한결과값을도출할수있다. 전착시뮬레이션은전류밀도분포를우선계산수행하고, 설명된입력값들을고려하여 BIW의각금속패널에서의전착두께를계산하여나타내준다. 시뮬레이션결과분석후전착두께가규격에미달인경우에는설계변경 ( 전착홀의크기, 위치, 전착홀추가, 패널의형상변경 ) 혹은재질변경 ( 강판의종류나도료변경 ) 혹은전착라인변경 ( 전착조의형상크기, 전극위치, 도료의유속, 도료온도 ) 혹은라인변수변경 (BIW의입, 출수각, 무빙파트열림각도, 이동속도및위치 ) 을통하여전착두께를최적화할수있다. 전착시뮬레이션은시간에따라전착과정에서발생되는서로다른전기화학조건을반영할수있어야한다. 전체해석수행은여러개의시간단계 (time step) 로나누어지며대개백여개로각각의시간단계에서정확한전류밀도및두께결과가계산되어야한다. 이의미는 n번째시간단계에서의결과값은 n-1번째시간단계에서의결과값으로부터계산된다. 따라서각해당시간단계에서 BIW 및전착라인의정확한전착상태를반영해야한다. 예를들면전착탱크내 BIW 가어떤위치에어떤각도로있는가? 몇번째전극이동작중인가? 인가된전압값은얼마인가? BIW와전극과의거리는얼마인가? BIW와전착도료수면까지의거리는얼마인가? 등이다. (a)current density (b) Paint thickness Fig. 7. Current density (a) and coating thickness (b) distribution from e-coating simulation at the intermediate stage. 컴퓨터시뮬레이션을수행하게되면각시간단계별로전 류밀도및전착두께를 BIW 표면에서확인할수있다. 전착 라인의전류는전류의고유특성상최단경로를구성하여흐 른다. 즉전극에서가장가까운위치에있는 BIW 금속패널 의표면으로전류가흐르게된다. 이전류에의해도료전착 이진행되며전착두께가두꺼워짐에따라금속표면에저항 성분이증가하게되고전류는다시저항성분이적은다른 최단경로를찾아흐르게된다. 이를 Fig. 6 에나타내었다. 전착초기진행과정중하나로서 Fig. 6. (a) 는전류밀도 분포를 Fig. 6. (b) 는전착두께를나타내었다. Fig. 6. (b) 에 서밝은파란색의도어나엔진후드는다른위치의짙은파란 색에비해상대적으로전착이잘진행되었음을나타낸다. 반면 Fig. 6. (a) 에서붉은색의엔진후드와루프는탱크전 극에서해당엔진후드및루프로전류경로가구성된것을 나타낸다. 전착두께관점에서보면 Fig. 6. (b) 는현재의 전착두께분포를 Fig. 6. (a) 는향후전착두께진행위치를 나타낸다. 전착초기진행과정에서는차체외부에서만높은 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.2, 2016
DAEHONG SOHN, HIZEAN JUNG, SEUNGHO AHN, BYUNGSU KIM, JUNGYEON KIM, AND BYUNGSAM CHOI (a)current density (b) Paint thickness Fig. 8. Current density (a) and coating thickness (b) distribution from e-coating simulation at the end stage. Fig. 9. Layer thickness of internal structures (B-Pillar). 전류밀도를나타낸다. 이것은차체내부로의전착은진행되 지않는것을의미한다. 전착중간진행과정을 Fig. 7 에나타 내었다. 차체외부에서의전착이어느정도진행되고나면차체외 부에서표면저항이증가하게되어전류는차체외부에서차 체내부로경로를재구성하게된다. Fig. 7. (b) 의외부에서 초록색은전착이어느정도진행된것을내부의짙은파란색 은전착이진행되지않은것을나타낸다. 반면 Fig. 7. (a) 는 차체내부에서연두색의높은전류밀도를나타내어향후차 체내부로전착이빠르게진행될것임을나타낸다. 한편차 체외부에서의전류밀도가내부보다는약하게형성되어있 는것은차체외부에서충분한전착이이루어지지않아향후 차체외부에서꾸준히전착이진행됨을의미한다. 전착후기 진행과정을 Fig. 8 에나타내었다. 차체외부뿐만아니라내부까지전착이잘진행되고있음 을나타낸다. 전착이차체외부및내부로충분히진행되고 나면표면저항이높게되어, 전류는금속패널의내부공간으 로경로를재구성하게된다. 이경우는전착진행과정의거의마지막단계로서차체외부및내부의표면저항이클경우 Rocker panel, B-pillar 와같은내부공간으로전착이진행하게된다. B-pillar 와같은내부공간에서의해석결과를 Fig. 9에나타내었다. Fig. 9에서와같이 B-Pillar 는여러개의금속패널들이서로겹쳐있을뿐만아니라보강재가포함되어있기때문에전류경로가구성될충분한공간이확보되어있지않다. 이와같은구조물형상의경우최소한의전착두께형성을위해전착홀의위치및크기를고려하는것이필요하다. B-Pillar 와같은내부구조물들은전착과정에서집중관심부위이다. 시뮬레이션의도움없이이와같은내부구조물에서의전착두께미달을개선하거나설계개선에따른효과검증은매우어려운작업이다. 현재까지도장두께를검증하는유일한방법은 BIW 시제품을조각조각절단분해하여실제두께측정을통하여검증해왔다. 이작업은많은시간이소요되는작업이며, 추가로설계변경에따른개선검증작업은주어진개발기간이외추가기간이요구되어왔다. 전착두께및개선효과를전착시뮬레이션으로가능하다고해서실제차량검증을완벽하게대체하지는못한다. 하지만실제차량의검증횟수를많이줄일수있다. 이와같이시뮬레이션을이용한전착검증작업은설계자나엔지니어에게 BIW 설계및개선작업, 개선에따른검증작업을수행함에시간적여유가주어진다는것을의미한다. 일부시뮬레이션소프트웨어는시뮬레이션수행시간을줄이고, 컴퓨터응답속도를빠르게하기위해전체 BIW에대해해석수행하지않고 B-Pillar 만을수행하는경우가있다. B-Pillar 만을해석수행하면원하는목적은달성할수있지만, 그결과값은실제값과동떨어질수밖에없다. 반드시 B-Pillar 와같은내부구조물에대한설계검증은내부구조물뿐만아니라그외 BIW 구조물도함께고려되어야한다. 검토된 Elsyca Ecoatmaster 는해석이두단계로나누어진행된다. 따라서두번째해석수행은첫번째해석결과값이경계조건으로제공되는해석기법이다. BIW 내부구조물의경우별도로여러구간으로나누어해석이가능하며 B-pillar 만해석수행하더라도나머지 BIW를고려하면서 2일이내에결과검토가가능하다. 금번전착시뮬레이션을위해사용한컴퓨터사양은 Intel Xeon 3.3Ghz, 메인메모리 32Gbyte, 64bit Window 7 OS에서수행하였다. 2개의전착라인으로부터 BIW 내부및외부금속패널에서의전착두께를실제차량평가결과와시뮬레이션결과를비교하여 Fig. 10에나타내었다. 비교부위는차체외부는제외시켰으며, 차체내부공간중 Rocker Panel 외 3 곳을선정하여비교하였다. 2곳의생산라인으로부터서로다른전착방식 (Camel- Back, Ro-Dip), 서로다른전착도료와동일한 BIW에대 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.2, 2016
INTRODUCTION OF COMPUTER SIMULATION FOR BIW ELECTROCOATING PROCESS E-coating line 1 도료의전착특성실험을통하여전착도료의유속및금속패널의종류에따라전착두께에미치는영향을수치화하여전착두께결과값의정확성에기여하였다. 전착분야의특성상 BIW CAD데이터의복잡성으로인하여작업수행시에컴퓨터응답속도가현저하게느려진다. CAD 데이터를 stl 파일포맷으로변환하고이를바탕으로기술개발되어, stl데이터와요소분할정보그리고해석결과데이터를모두합쳐서원래 BIW CAD 데이터용량의 30 % 수준으로빠른컴퓨터응답속도를유지할수있도록하였다. Rocker panel, B-pillar 와같이해당내부구조물의설계변경에따른개선안을 2일안에개선안을검토할수가있다. 금번수행프로그램은 PC환경에서개발된소프트웨어로해석컴퓨터대수를증가시키면시뮬레이션수행기간을보다더단축이가능하다. E-coating line 2 Fig. 10. Results on simulated paint thickness and measured paint thickness with the line. 해실제차량평가와시뮬레이션결과를비교분석한결과 평균 2 μm이내의오차를확인하였으며, 1 개 BIW 에대해 3 주내에결과분석이가능하다는것을확인하였다. 일부부 위는실제금속패널형상과해석 CAD 형상이서로상이하여 결과분석에서제외시켰다. 4. 결론 지금까지전착분야에서전착라인의진행과정이전기화 학분야로어떻게나타낼수있고, 어떻게시뮬레이션에서 구현되는지에대해서설명하였다. 금번시뮬레이션결과에서얻은수치는전착분야에서규 격미달에대한전착평가에있어결과의정확성과신제품 개발일정을고려할때대단히만족할만한결과로평가된다. 따라서검토된 Elsyca Ecoatmaster 는아래와같은장점이 있다. 일반적으로시뮬레이션작업은자동차업체에서신규차 량의개발기간을단축하는데일조해왔다. 이와같은시뮬레 이션소프트웨어의장점에대해서는의심할바가없다. 또한 신규차량개발에참여하는서로다른부서와의상호협업할 수있도록해준다. 이제더이상전착분야에서기존경험에의해제한적인 작업만하지않아도된다. 또한정해진개발기간내시뮬레 이션결과를도출하지못하거나정확한결과값을내지못하 는보조프로그램을사용하지않아도된다. 전착분야에서전 기화학적특성을고려한전착시뮬레이션은해당분야를구 현하여시뮬레이션할수있는수준에도달하였으며, 신규 차량개발에있어필수적인요인으로자리매김될것으로 확신한다. References 1. Cindy Oravitz, Electrocoating, p. 31, Electrocoat Association, Cincinnati, OH, USA (2002). 2. K. Ellwood, J. Tardiff, L. Gray, P. Gaffney, J. Braslaw, K. Moldekleiv, A. Halvorsen, SAE Int., J. Mater. Manuf., 2, 234 (2009). 3. T. Kashiyama, SAE Int. Technical Paper, Paper # 2011-32-0639 (2011). CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15, No.2, 2016