| 2차년도 |
- 주관연구기관 ((주)카템):○ 제동디스크 조립체 3d Modeling 최적설계 (Optimizing Design)○ 디스크용 국내 원 소재(MOQ 60톤) 잉곳 및 1차 시제용 디스크/허브 단조소재 확보○ Near-net shape 공법적용 냉각효율 향상형 허브용 단조금형 개발○ 제동디스크 조립/도장 및 언밸런스 테스트 등 성능고도화 1차 시제 10sets 제작- 공동연구기관 ((주)에스앤위즈):○ 디스크(Disc) 해석을 통한 구조(강도)적 / 열적 건전성 검증- 공동연구기관 ((주)펠릭스테크):○ 1차 시제 제작을 통한 단조(링 압연)공정 Set-up 및 최적 단조 공정기술 확보○ 1차 시제 제작을 통한 제동디스크 물성적 요구조건 만족을 위한 열처리(Q/T)공법 안정화
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- 주관연구기관 ((주)카템):ⓐ 제동디스크 조립체 3d Modeling 최적설계 (Optimizing Design)○ 3D 모델(3차원 디지털 Mock-up 모델)의 구성은 디스크, 허브, 패드 및 볼트로 되어있다.하지만 패드 부품모델은 캘리퍼 모듈을 배제하였기 때문에 단순 구성으로만 모델링하였다. 3차원 디지털 Mock-up 모델을 기반으로 CATIA 상에서 2차원 도면을 작성한 것으로,최종 도면 출도를 위한 사전 작업이며, 향후 더욱 정확한 측적을 통하여 확실한 치수 정보를 수집, 검토하여 수정 작성이 필요하다. 아래 그림42 는 3차원 디지털 Mock-up 모델을 보여주고 있다.ⓑ 디스크용 국내 원소재(MOQ 60톤) 잉곳 및 1차 시제용 디스크/허브 단조소재 확보○ 제동디스용 소재는 앞서 설명한 바와 같이 국내소재로 수입의 화학성분 분석결과 가장 조성이 일치하는 소재를 선정하였으나 Non-standard 소재로 세아창원특수강(주) 최소 제강단위(MOQ)가 60톤으로 확인되었으며 따라서 MOQ단위로 확보할 수밖에 없는 현실이다.ⓒ Near-net shape 공법적용 냉각효율 향상 형 허브용 단조금형 개발○ Near-net shape 공법의 개념· 원통 형상의 허브 제작공법으로 통상 자유단조(open die forging) 공법을 적용하는 것이 일반적이나 이로 인한 다량의 소재손실(material loss) 및 가공시간(machining time) 낭비가발생하게 되는데 이러한 손실을 절감 즉, 비용(cost)을 줄이기 위하여 친환경공법이라 할 수있는 정밀정형 즉 Near net shape 공법을 적용함으로써 차별화하고자한다.· 저비용 고 회수 생산 공정인 Near net shape 공법을 적용함으로써 기존 공법대비 약 20% 이상의 소재손실과 약 30% 이상의 가공비용을 절약하고자한다.○ 형단조 금형 개발- 허브 형단조 금형 기초도면 및 공정설계안 제시- 기본 단조형상 설계안을 기초로 FE해석을 통한 preform 등의 중간 단조형상 최적설계 (단조결함 및 하중 최소화 형상 설계 수행)○ 단조소재 확보, 시제제작- 시작금형에 의한 허브 단조소재 확보ⓓ 제동디스크 조립/도장 및 언밸런스 테스트 등 성능고도화 1차 시제 10sets 제작○ 허브와 디스크를 조립하는 체결용 볼트는 24개가 소요되며 허브와 볼트는 억지끼움으로 조립되며디스크는 헐거움으로 조립 된다. 이유는 볼트가 어느 한 쪽에 강제압입으로 조립되지 않을 경우토크 등 반복되는 외력에 의하여 너트와의 풀림형상이 발생할 가능성이 높기 때문이다. 따라서 허브와 볼트의 조립 시에는 유압을 사용하여 강제 압입으로 조립되어야 하고 볼트 압입을 위해서는제품의 형상이 복잡하므로 특별한 치구가 소요된다.- 공동연구기관 ((주)에스앤위즈):○ 디스크(Disc) 구조 강성/강도 해석→ 유한요소 모델링→ 접촉압력/제동력에 대한 구조강도 해석→ 정규 모드 해석○ 디스크(Disc) 열특성 해석→ 유한요소 모델링→ 마찰열 발생기구 분석 및 열전도 해석→ 열적/기계적 특성에 따른 열응력 해석○ 디스크(Disc)의 Parametric Study→ 디스크(Disc)의 재료적/가공 특성에 따른 구조 강성/강도 및 열해석 평가→ 인자별 특성 분석 및 최적 사양 도출- 공동연구기관 ((주)펠릭스테크):○ 1차 시제 제작을 통한 단조(링 압연)공정 Set-up 및 최적 단조 공정기술 확보■ 소재 열간 단조 제어기술 확보- 소재의 단조 성형 특성 조사 분석- 열간 단조 성형성 및 열처리 조건 설정을 위한 기초 시험 실시- 열간 단조 성형성 파악을 위한 온도별 테스트 진행- 소재에 대한 예비 단조 시험■ 제동 디스크(Brake Disk) 제조공정 적정 주요변수 도출- 소재에 대한 절단 가공 성능에 대한 평가- 소재의 절단 방법 및 효용성 검토- 해머/프레스 예비 성형 실시 및 문제점 파악■ 제동 디스크(Brake Disk) 1차 시제품 제작- 제동디스크 비파괴 검사 방법 기본연구- 제동디스크 인장강도, 항복강도, 연신율, 고온인장, 경도, 화학성분 등의 기계적·물리적 시험○ 1차 시제 제작을 통한 제동디스크 물성적 요구조건 만족을 위한 열처리(Q/T)공법 안정화■ 2차 단조공정을 거쳐 제작한 소재는 단조공정시 내부에 형성된 열응력을 제거하고 , 조직의안정화를 위하여 노말라이징 처리를 실시하고 퀜칭 & 테퍼링 열처리 작업으로 소재특성을 향상 시킬 수 있는 조건을 갖춘 다음 단조/열처리 시 표면에 열화 된 표피 부분을 황삭으로 제거하고 소재 내부 품질 상태를 보증하기 비파괴검사의 일종인 초음파 탐상검사를 실시한다.○ 열처리 공정은 한국기계재료 연구소와의 선행연구 과정에서 최적의 조건을 찾기 위해 실험실에서 선정한 최적조건을 실제 열처리공정에서 실현하기 위해 전문업체에서 3번의 열처리 공정을 진행 하여 3번의 시편을 테스트한 결과를 통하여 최적의 조건을 선정한다.
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
○ 기술적 측면- 국산화 제동디스크는 디스크(Disc) 표면균열 방지 및 허브(Hub) 냉각효율 향상 제조기술이적용되는 등 수입품과는 기술적으로 차별화된 제품이다.- 또한 적용된 국내소재의 열처리과정에서 수입소재 보다 강도 및 내마모성이 우수할 수 있는열처리조건 선정 등 국내고유의 기술들이 접목되어 있다.- 이러한 기술적 우수성이 제동성능시험을 통해서 완벽하게 수요기업(코레일)의 요구조건(KRCSB 349)를 만족하는 결과를 얻어 그 성능이 입증되었다.- 따라서 이러한 우수한 기술의 제품이 사업화에 성공하여 국내실적을 확보한다면 국내 고속철도 부품산업에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 경제적ㆍ산업적 측면- 아직도 고속철도 부품들 중 많은 부품은 수입에 의존하고 있어 고가의 도입가로 많은 유지.보수비용이 발생하고 있는 것은 주지의 사실이다.- 특히 본 지원사업의 대상품인 고속철도(KTX)용 제동디스크는 운행 초기인 2004년부터 전량수입적용하고 있으며 국내 연구가 없는 상황에서 향후 20년간 더 수입 적용해야 될 상황이므로 국산화개발의 필요성이 있다 하겠다.- 국산화개발 품은 수급이 용이한 국내소재를 적용하여 수입품 대비 약 30% 이상의 가격경쟁력이 있는 것으로 분석되기 때문에 운용사의 유지. 보수비용 절감에 도움이 될 것으로 예상된다.○ 사회적 측면- 앞서 언급한 바와 같이 본 사업의 사업화 대상품인 고속철도(KTX)용 제동디스크와 같은 핵심부품들은 아직도 수입에 의존하고 있는 것이 사실이다.- 이러한 핵심부품들이 국산화되고 또 실제적으로 적용된다면 구내 고속철도 부품산업의 기술발전에 도 도움이 될 뿐만 아니라 운영사의 유지, 보수비용을 줄일 수 있어 사회적비용 절감효과가 있으리라 믿어 의심치 않는다.
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| 활용방안 |
○ 활용계획- 1단계 : 현재 국내 운용중인 KTX 46편성 총 3,128개 대상 유지. 보수품 시장 진입- 2단계 : 현재 국내 운용중인 KTX-산천 유지, 보수품(주강) 단강으로 확대적용 성공- 3단계 : 현재 특허 출원 중인 중국, EU연합 등 기존 해외시장 및 북중미 신규시장 진출- 4단계 : 운용 착수한 수서선, 원강선 등 신규노선 향후 유지, 보수품 지속적용 추진○ 기대효과- 국내 매출은 사업종료 1년 후 2022년부터 20.0억을 시작으로 4년 후인 2025년 50억 예상- 수입대체 효과는 2021년 10.0억 을 시작으로 증가하여 2025년 약 50억 으로 예상됨- 해외시장 진출로 사업종료 4년 후인 2025년 세계시장 점유율 20.0%, 200Mill.$, 2,400억 목표- 2022년까지 15명을 시작으로 2025년 까지 약 50명의 신규 일자리창출 예상됨
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