46파이 원통형 셀은 지름 46mm가 고정값이고 높이만 4680·4695·46100·46120으로 가변되는 멀티 폼팩터 제품군이다. LG에너지솔루션은 오창 공장에서 4695(46mm×95mm) 양산을 시작했고, 삼성SDI도 천안 공장에서 4종을 공개하고 4695를 먼저 양산해 미국 고객사에 초도 공급했다.
문제정의
한 라인에서 여러 높이의 셀을 생산하려는 결정이 기구적 모순을 만든다. 크림핑 헤드와 권취 맨드릴은 캔 개구부 기준 Z축 위치를 기준면으로 잡는다. 지름은 공통이지만 높이가 80~120mm로 벌어지면 크림핑 하강 스트로크, 가스켓 압착 위치, 용접 헤드 진입 깊이가 전부 달라진다. 지그 세트를 통째로 교체할 것인가, 공통 베이스에 높이조절 슬리브만 바꿀 것인가.
기구학적 분석
캔 조립의 하중 전달 경로는 크림핑 롤러→캔 상단 그루빙부→가스켓 압착면 순이다. 기준점(datum)이 캔 바닥이 아닌 개구부 상단이라, 높이가 다른 제품을 같은 하부 지그에 물리면 압착 깊이가 어긋난다. 완전 개별 지그는 기준면 오차를 차단하지만 셋업 시간이 늘고, 공통 베이스+슬리브는 셋업이 짧은 대신 슬리브 공차가 누적 오차로 남는다.
계산·수식 검증
크림핑부 압착력을 먼저 구한다. 목표 면압을 $p$, 접촉폭을 $w$, 캔 원주 길이를 $L$이라 하면 필요 압착력 $F$는 다음과 같다.
$$F = p \times w \times L,\quad L = \pi \times D$$
지름 $D=46$mm, 접촉폭 $w=1.2$mm, 목표 면압 $p=15$MPa(가스켓 압축률 기준 추정치, 현장 계측 후 재확인 요망)를 대입하면 $L=144.5$mm, $F \approx 2{,}601\text{N} = 2.6\text{kN}$이다. 지름이 공통이므로 이 값은 폼팩터와 무관하게 유지된다.
안전율은 이중으로 검증한다. 1차는 크림핑 롤러 축의 허용하중이다. 축 직경 $d=12$mm, SCM440 항복강도 $\sigma_y=590$MPa(재질 인증서 미확인, 현장 성적서 재확인 요망), 단면적 $A=113\text{mm}^2$, $SF=2$ 적용 시 허용하중은 다음과 같다.
$$F_{allow} = \frac{\sigma_y \times A}{SF} = \frac{590 \times 113}{2} \approx 33{,}335\text{N}$$
필요 압착력 2.6kN 대비 여유율이 12.8배로 과설계 구간이다. 2차 검증은 캔 몸통 좌굴이다. 캔 두께 $t=0.3$mm(추정), 반경 $r=23$mm인 얇은 원통은 크림핑 반력을 받을 때 국부 좌굴 여유가 실제 병목이 된다. 축 허용하중만 보고 안전율을 확정하면 캔 좌굴 한계를 놓칠 수 있으므로, 두 안전율 중 더 낮은 쪽이 설계 기준이다.
실무적용(Shop-notes)
공통 베이스+높이조절 슬리브 방식을 1안으로 채택한다. 압착력이 폼팩터와 무관하게 일정하므로 크림핑 헤드는 공용화하고 슬리브만 제품별로 준비한다. 대안인 완전 개별 지그 세트는 오차는 줄지만 교체마다 라인 정지 시간이 늘어 미채택했다. 가공성 주석: 슬리브 체결부는 억지끼움이 아닌 키(key) 방식으로 설계한다. 원추형 억지끼움은 정밀도 요구가 높아 범용 CNC 선반에서 공차 재현이 어렵다.
설계 반영 체크리스트: 슬리브 위치결정 키 공차 h7 확보, 캔 재질 항복강도 현장 성적서 재확인, 크림핑 압착력 실측치와 계산값(2.6kN) 대조, 캔 좌굴 안전율이 축 허용하중 안전율보다 낮은지 재검토.
한줄요약: 46파이 멀티 폼팩터는 지름이 고정이라 크림핑 압착력은 공용화되지만, 높이 기준면 차이는 슬리브 교체형 지그로 흡수해야 좌굴 안전율을 지킬 수 있다.