재료硏, 복잡한 금속 성형의 변형 특성 예측하는 모델 개발

- AI만큼 빠르고 정확하게 미세조직 정보 기반 가공 특성 예측

- 자동차·배터리용 공정 설계 효율 향상 기대

연구팀 사진. (왼쪽부터) 민경문 선임연구원, 최성환 박사후연구원. (자료제공: KIMS)

금속 소재의 결정 방위 분석 결과. (자료제공: KIMS)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 재료공정연구본부 민경문, 최성환 박사 연구팀이 금속 소재의 미세조직 정보만으로 금속 판재의 소성 가공 특성을 수 초 이내에 예측할 수 있는 새로운 해석 모델을 개발했다고 5월 28일 밝혔다. 

이번 기술은 복잡한 반복 실험 없이도 금속 판재가 어떻게 늘어나고 변형되는지를 빠르고 정확하게 예측할 수 있어, 자동차·배터리용 금속 소재의 성형 공정 설계 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

금속 판재는 자동차 차체, 배터리 케이스, 전자부품 등에 널리 사용되며, 실제 성형 과정에서는 찢어짐이나 주름, 국부적인 두께 감소 등의 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 소재가 방향에 따라 어떻게 변형되는지 예측하는 과정이 필수적이다. 하지만 기존에는 다양한 방향에서 반복적인 물성시험을 수행하거나, 계산량이 많은 고정밀 해석 모델을 사용해야 해 시간과 비용 부담이 컸다.

연구팀은 금속 소재의 미세조직 정보 가운데, 금속 내부를 이루는 작은 결정 단위인 ‘결정립’의 배열 방향을 나타내는 ‘결정 방위’ 정보에 주목했다. 금속 판재는 수많은 작은 결정립으로 이루어져 있으며, 제조 공정을 거치면서 내부의 결정립이 특정한 방향성을 갖게 된다. 이 때문에 같은 금속이라도 힘을 가하는 방향에 따라 늘어나거나 변형되는 정도가 달라질 수 있다. 

기존 해석 모델들은 금속 내부의 모든 결정립이 같은 정도로 변형되거나, 모두 같은 힘을 받는다고 가정해 금속의 변형 특성을 설명해 왔다. 그러나 실제 금속은 어느 한쪽의 조건만으로 설명되기 어렵고, 두 가지 조건 사이의 중간적인 변형 특성을 보인다. 

연구팀은 이러한 실제 금속의 특성을 수치화해 하나의 중간 변수로 표현하는 새로운 해석 방법을 제안했다. 이를 통해 각 결정립의 결정 방위 정보를 기반해 미세한 변형 특성을 종합적으로 계산하고, 전체 금속 판재가 방향에 따라 어떻게 변형되는지를 보다 빠르고 정확하게 예측할 수 있게끔 했다.

개발된 모델은 스테인리스강, 산업용 알루미늄 합금, 고순도 구리인 무산소동(OFHC Copper) 등 다양한 금속 소재에 적용돼 금속이 방향에 따라 얼마나 잘 늘어나고 변형되는지를 높은 정확도로 예측하는 데 성공했다. 

특히 기존의 고정밀 해석 수준의 예측 성능을 유지하면서도 계산 시간을 수 시간에서 수 초 단위로 크게 줄여, 반복적인 방향별 물성 시험 없이도 결정 방위 정보만으로 금속 판재의 변형 특성을 빠르게 예측할 수 있도록 했다. 이에 따라 금속 소재의 성형 특성 평가 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 전망된다.

이번 기술은 자동차용 강판, 알루미늄 판재, 구리 박판 등 다양한 금속 판재 성형 공정에 활용될 수 있다. 특히 신소재 개발 초기 단계의 성형성 평가와 실제 생산 공정의 금형 설계 및 공정 최적화에 유용하게 적용될 전망이다. 또한 성형 과정에서 발생할 수 있는 찢어짐이나 주름 등의 문제를 사전에 예측해 시행착오를 줄이고, 공정 설계 효율 향상과 비용 절감에도 기여할 것으로 기대된다.

연구책임자인 KIMS 민경문 선임연구원은 “이번 연구는 금속 소재의 미세조직 정보만으로 성형 특성을 신속하게 예측할 수 있는 효율적인 해석 방법을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 자동차·배터리·전자부품용 금속 판재의 공정 설계 시간과 비용을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 JCR 기준 역학 및 기계공학 분야 최상위권 국제 학술지인 ‘인터내셔널 저널 오브 플라스티시티(International Journal of Plasticity)’에 2026년 2월 5일 온라인 게재됐다.

연구팀은 다양한 금속소재 성형해석에 적용 범위를 확대하고, 변형 과정에서의 물성 변화 예측 및 산업 현장에서 활용 가능한 유한요소해석 모델 구축 기술로 발전시켜 나갈 계획이다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]