Baowu 그룹이 ElectroPuls™로 가변 주파수 피로 시험을 해결한 방법
신에너지차의 부상으로 새로운 시험 요구가 대두되면서, Baowu 그룹 중앙연구원은 기존 서보유압 및 전자기 공진 장비로는 수행할 수 없는 가변 진폭·주파수·온도 조건의 피로 시험을 위한 솔루션이 필요했습니다. Instron ElectroPuls E10000은 고주파 성능과 프로그래밍 가능한 가변 진폭 시험을 컴팩트하고 유지보수가 적은 시스템에 통합하여, 강재부터 경량 플라스틱까지 다양한 소재에 대응할 수 있는 다목적 도구를 Baowu 팀에 제공했습니다.
소개
중국 철강 산업의 선도 기업인 바오스틸(Baosteel)과 WISCO는 2016년 9월 합병하여 Baowu Iron & Steel Group을 출범시켰으며, 현재 중국 최대 철강 그룹입니다. Baowu는 철강에서 소재로, 제조에서 서비스로, 중국의 선도 기업에서 세계 철강 산업의 선도 기업으로의 전환이라는 세 가지 변혁 전략을 추진하고 있습니다.
위치
중국
웹사이트
세 가지 변혁 전략에 부합하기 위해 Baowu 중앙연구원(기술센터) 역학 실험실은 산업 소재, 특히 신에너지 소재 분야에서 원강 소재의 기계적 특성 평가와 시험 방법 개발을 통해 상당한 노력을 기울여 왔습니다.
소재 및 적용 분야의 연구개발은 실제 수요와 보조를 맞춰야 합니다. 차량이 가속할 때를 생각해 보십시오. 구동 메커니즘은 속도가 증가하고 안정적인 운전 속도에 도달한 뒤 제동하며 감속합니다. 이러한 주기적 거동은 소재를 고주파에서 저주파로, 그리고 일정 주파수로 변화하는 하중 주파수에 노출시킵니다. 대표적인 적용 사례로는 신에너지차의 전기 구동 장치에 사용되는 강재가 있습니다. 일정 진폭과 일정 주파수를 사용하는 기존 피로 시험만으로는 이러한 신소재가 제기하는 기술적 과제를 더 이상 해결할 수 없습니다. 환경, 속도, 진폭, 주파수의 변화가 신에너지 자동차 소재 연구의 핵심 주제가 되었습니다.
Fang 박사는 “가변 주파수 및 진폭 조건에서 소재의 장기 기계적 성능을 연구하는 것이 향후 추세가 될 것입니다”라고 말했습니다. “하지만 중국에서는 여전히 GB/T 15248-2008 ‘축방향 일정 진폭 조건의 금속 재료 저주기 피로 시험’ 표준을 따르고 있으며, 이는 이러한 신소재의 시험 요구를 분명히 충족하지 못합니다. 이와 같은 소재를 시험하기 위한 국제 표준인 ISO 12110-1:2013 ‘금속 재료 — 피로 시험 — 가변 진폭 피로 시험 — 제1부: 일반 원칙, 시험 방법 및 보고 요구사항’은 이미 존재하지만, 이에 대응하는 중국 표준은 아직 발표되지 않았습니다.”
신에너지차의 부상과 중국 정부의 지원으로 Tesla, Volkswagen, General Motors를 포함한 많은 유명 완성차 업체들이 이미 자체 소재 피로 시험 표준을 수립했습니다. 가변 진폭, 가변 주파수, 가변 온도 시험과 같은 새로운 개념은 전 세계 소재 공급업체에 새로운 요구를 제시합니다. Baowu Steel을 포함한 소재 공급업체에게는 적절한 시험 솔루션을 신속히 찾는 일이 시급한 새로운 과제가 되었습니다.
“가변 주파수 및 진폭 조건에서 소재의 장기 기계적 특성은 앞으로의 추세가 될 것입니다. 기존 서보유압 장비는 주파수 범위가 너무 좁고 유지보수 비용이 높으며 시험 중 소음도 큽니다. 초박판 강재의 피로를 시험하려면 기존 전자기 공진 고주파 피로 시험기는 제어가 어렵습니다. 이러한 두 가지 과제가 모두 새로운 솔루션을 찾도록 우리를 재촉했습니다.”
Jian Fang 박사
Baowu 그룹 중앙연구원 기계 시험 수석 엔지니어
새로운 시험 솔루션 찾기
이는 새롭게 부상한 과제이므로, 기존 시험 방법의 한계를 넘어 효율적인 솔루션을 찾는 것이 중요합니다. 수석 기술자로서 Fang 박사는 금속 소재 시험에 대한 폭넓은 경험을 보유하고 있으며, 그의 견해로는 피로 시험을 수행하는 방법은 많지만 가변 진폭·주파수·온도 조건을 동시에 정확하게 측정할 수 있는 장비는 많지 않습니다.
전기유압 서보 피로 시험기는 가변 진폭·주파수·온도 조건의 소재 피로 시험에 일반적으로 사용되지만, 주파수 성능은 수십 Hz 수준으로 제한되어 고주파 시험 요구를 충족하기에 부족하고 효율도 떨어집니다. 전자기 공진 고주파 피로 시험기는 고주파 시험을 수행할 수 있지만, 가변 주파수 및 가변 진폭 조건에서 시험할 수 있는 기능이 부족하며, 이는 경량 소재를 시험할 때 특히 큰 과제입니다.
Fang 박사는 “한편으로 기존 전기유압 서보 피로 시험기는 유압 펌프 스테이션의 유지보수 비용이 높고 소음이 커서 비효율적입니다”라고 설명했습니다. “다른 한편으로 기존 전자기 공진 고주파 피로 시험기는 일부 초박판 소비재용 강재의 피로 시험을 수행할 때 제어가 어렵습니다. 이러한 과제가 우리로 하여금 피로 시험을 위한 새로운 솔루션을 찾게 했습니다.”
동적·정적 전자식 피로 시험기는 유지보수 비용이 적고 가변 진폭 및 주파수 조건에서 시험할 수 있으며, 전자기 공진 장비의 고주파 성능과 저주기 피로 시험기의 프로그래밍 가능한 가변 진폭·주파수 기능을 결합합니다. 따라서 초박판 및 경량 소재의 기계 시험에 매우 적합합니다. 또한 설치 면적이 작고 유지보수가 쉬우며 냉각수나 유압유가 필요 없고, 단상 전원으로 저전력 소비로 구동됩니다. Fang 박사는 업계 전시회에서 Instron의 설계가 뛰어나고 다목적으로 활용 가능한 동적·정적 전자식 시험기에 즉시 관심을 갖게 되었습니다.
알려진 것만이 아니라 다음을 위한 시험
Fang 박사는 “기존 피로 시험에서는 짧은 기간에 피로 한계에 도달하기를 기대하며 가능한 한 높은 주파수를 선택하곤 했습니다”라고 말했습니다. “하지만 신소재의 피로 시험은 달라졌습니다. 이제 우리는 가변 진폭 또는 가변 주파수 조건에서 강재의 피로 특성이 어떻게 변하는지에 관심을 갖고 있습니다.”
Fang 박사는 “이 모든 시험은 Instron E10000으로 수행할 수 있으며, 결과는 고객들로부터 좋은 평가를 받았습니다”라고 말했습니다. “금속 재료뿐 아니라, E10000을 사용해 식품 등급 경량 소재와 플라스틱도 시험하고 있습니다. 요약하면 저속 정적 시험부터 고주파 폐루프 동적 시험까지, ElectroPuls 정적·동적 시험기는 우리의 모든 시험 요구를 충족할 수 있습니다.”
Fang 박사는 또한 Instron과 협업할 때의 중요한 장점으로 액세서리를 제품 라인 전반에서 공유할 수 있다는 점을 강조했습니다. 로드셀, 치구, 신율계(extensometer)를 동일 시리즈 장비 전반에 구성할 수 있어 고객의 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. Fang 박사는 “예를 들어 Instron AVE 신율계는 1톤 정적 장비부터 25톤 동적 장비까지 우리 실험실 전반에서 사용할 수 있습니다”라고 말했습니다.
작성 시점 기준으로 Instron E10000은 설치되어 사용된 지 1년이 채 되지 않았지만, Baowu의 기술진은 이미 해당 시스템을 활용한 가변 진폭·주파수 피로 시험에서 상당한 경험을 축적했습니다. 신에너지 산업이 계속 성장함에 따라 Instron의 ElectroPuls 정적·동적 시험기는 더욱 폭넓은 적용 분야를 확보할 것으로 기대됩니다.
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ElectroPuls E10000이 귀사의 가변 주파수 또는 피로 시험 요구에 적합한지 확신이 서지 않으십니까? 적용 분야를 알려주시면 적합한 솔루션을 찾을 수 있도록 도와드리겠습니다.
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