▲ KIMS에서 개발한 금속 판재 소성 가공 특성 예측 모델의 개념도

자동차·배터리 등 제조업 분야에서 금속 소재 성형 공정의 고효율화 수요가 커지는 가운데, 국내 연구진이 반복 물성시험 부담을 줄일 수 있는 금속 판재 변형 특성 예측 기술을 개발했다. 공정 설계 시간 단축과 생산 비용 절감에 기여할 전망이다.

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

금속 판재는 자동차 차체, 배터리 케이스, 전자부품 등에 폭넓게 활용되며 성형 과정에서 찢어짐, 주름, 국부적인 두께 감소 등의 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 소재가 방향에 따라 어떻게 변형되는지를 예측하는 과정이 필수적이다. 하지만 기존에는 다양한 방향에서 반복 물성시험을 수행하거나 계산량이 많은 고정밀 해석 모델을 사용해야 해 시간과 비용 부담이 컸다.

연구팀은 금속 내부를 이루는 작은 결정 단위인 ‘결정립’의 배열 방향을 의미하는 ‘결정 방위’ 정보에 주목했다. 금속 판재는 제조 공정을 거치면서 내부 결정립이 특정 방향성을 갖게 되며, 이에 따라 같은 금속이라도 힘을 가하는 방향에 따라 변형 정도가 달라질 수 있다.

기존 해석 모델은 금속 내부 결정립이 동일하게 변형되거나 같은 힘을 받는다고 가정해 실제 변형 특성을 설명하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 실제 금속의 중간적 변형 특성을 수치화해 하나의 변수로 표현하는 새로운 해석 방법을 제안했다. 이를 통해 각 결정립의 결정 방위 정보를 기반으로 미세 변형 특성을 종합 계산하고, 금속 판재 전체의 방향별 변형 특성을 보다 빠르고 정확하게 예측할 수 있도록 했다.

개발된 모델은 스테인리스강, 산업용 알루미늄 합금, 무산소동(OFHC Copper) 등 다양한 금속 소재에 적용돼 금속이 방향에 따라 얼마나 잘 늘어나고 변형되는지를 높은 정확도의 예측 성능을 확인했다. 특히 기존 고정밀 해석 수준의 정확도를 유지하면서도 계산 시간을 수 시간에서 수 초 수준으로 크게 단축했다.

연구팀은 반복적인 방향별 물성시험 없이도 금속 판재의 성형 특성을 빠르게 예측할 수 있어 소재 개발과 공정 설계 효율을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 기술은 자동차용 강판, 알루미늄 판재, 구리 박판 등 다양한 금속 판재 성형 공정에 활용 가능하다. 또한 신소재 개발 초기 단계의 성형성 평가와 금형 설계, 공정 최적화 등에 적용돼 제조업 생산성 향상과 산업 경쟁력 강화에도 기여할 전망이다.

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

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 전했다.

한편, 이번 연구 성과는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 JCR 기준 역학 및 기계공학 분야 최상위권 국제 학술지인 인터내셔널 저널 오브 플라스티시티(International Journal of Plasticity, JCR 상위 1.4%)에 2026년 2월 5일 온라인 게재됐다.