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신소재/부품 차세대 자동차 개발에서 경량화가 갖는 의의

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-03-26 11:46:00
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자동차를 얼마나 경량화하는가는 CO2 감소 및 항속거리 향상에 큰 영향을 미치는 주제이다. 특히 하이브리드 자동차(HV, PHV)나 전기자동차(EV) 등 배터리로 구동하는 자동차는 배터리 자체가 무겁기 때문에, 경량화가 성능과 직결된다.

 

이러한 상황 속에서, 일반 자동차의 클로저 패널에 CFRP(탄소섬유 강화플라스틱)를 채용함으로써 차량을 더욱 경량화하는 데 성공한 회사가 바로 도요타 자동차이다. CFPR을 사용한 클로저 패널은 2016~2017년에 판매되기 시작한 ‘PRIUS PHV(‘PRIUS PREMIUM)’와 ‘LEXUS LC’에 채용되었다. 이러한 시도는 Altair 엔지니어링이 개최한 제5회 ‘Altair Enlighten Award’에서 높은 평가를 받아, 일본 기업 최초로 모듈 부문상을 수상하였다.

 

또한 2019년 9월 10~11일에 열린 알테어 엔지니어링의 사용자 이벤트 ‘Altair 테크놀로지 컨퍼런스’의 기조연설에서는 CFRP를 채용하게 된 경위 및 목적, 노력 등을 설명하였다. 연설을 한 설계 담당자 아다치 요시유키(Mid-size Vehicle Company BR 콤팩트 SUV 제품화실 주임)와 생산기술 담당자 이와노 요시히로(첨단기술 개발 컴퍼니 개발지원부 설비ㆍ시설 기획실 그룹장)와 인터뷰를 진행하였다.

 

더욱 가볍게 만들기 위해 백도어에서 CFRP를 채용

 

--CFRP를 채용하게 된 경위를 말씀해 주세요.

 

아다치 : PRIUS PHV(PHV)의 개발 콘셉트는 ‘선진성’이다. 급속 충전 시스템이나 커넥티드, 솔라 패널 루프, CFRP 백도어 등 다양한 첨단기술이 사용되고 있다. 한편, LEXUS LC(LC)의 개발 콘셉트는 럭셔리이다. 도전적인 디자인과 최고 수준의 안전성능, 경량화ㆍ저중심화로 인한 운동성능 향상에 주력하였다.

 

PHV를 개발할 때 우리 설계팀이 해야 하는 일은 백도어를 알루미늄보다 가볍게, 비용은 동일하게, 성능은 금속 백도어와 비슷한 수준으로 만드는 것이다. 또한 LC에서는 운동성능을 향상시키기 위해 가능한 한 4륜을 네 귀퉁이에 배치하거나, 차량의 존마다 경량화 목표를 설정하고 부품별로 목표 질량을 설정하였다. 또한 의장(디자인)을 차별화하기 위한 성형성도 고려하였다. 그래서 CFRP를 채용하였다.

 

<그림> PRIUS PHV 백도어의 목표

 

 

--지금까지 CFRP는 어떤 차종에 채용되어 왔나요?

 

아다치 : LEXUS의 슈퍼 스포츠카(LFA)나 소량 생산되는 특별옵션 자동차(GS F, RS F)에서 채용되었다. 그 기술을 계승하면서 대량 생산하는 일반 자동차에도 적용하게 되었다. CFRP에는 프리프레그, RTM(수지 주입), TSF(열가소 시트프레스), C-SMC(프레스) 등의 재료ㆍ공법이 있다.

 

이번에는 비용, 강도ㆍ강성, 성형 사이클, 외견을 고려하여 토털 밸런스가 좋고 성형 사이클이 빠른 C-SMC를 채용하였다. 부재가 받는 힘에 따라 적절한 재료를 선정해야 한다. 차체 역시 철, 알루미늄, CFRP를 적재적소에 채용하고 있다.

 

--구체적으로 어디에 사용되고 있나요?

 

아다치 : PHV에서는, 후드는 알루미늄이고 사이드도어는 철이다. CFRP에서는 강성 강도가 복합적인 백도어에 사용되고 있다. 백도어에서는 CFRP 외에 디자인성이 요구되는 부분에서 TSOP라는 우리 회사의 폴리프로필렌(PP) 계열의 재료를 사용하고 있다.

 

구조적으로는, 구조용 접착제에 의한 연결 접합을 실시함으로써 CFRP만으로 강성ㆍ강도를 확보하고 있다. 강도ㆍ강성을 필요로 하는 부분은 고강성 접착제, 표면 품위를 요하는 의장(意匠) 부분은 창문용 우레탄 등 용도에 따라 두 종류의 접착제를 사용하였다. 또한 보강 리브를 배치하여 협소한 부분의 강성을 확보한다.

 

이로 인해 알루미늄 백도어에 비해 40%의 무게를 줄일 수 있다. 한편, LC에서는, CFRP는 루프, 사이드도어, 러기지 도어에 사용되고 있다. 예를 들어, 도어 이너를 CFRP로 하고, 아우터를 알루미늄으로 함으로써 경량화하고 있다. 철로 된 러기지에 비해 4.2kg을 가볍게 하고 있다.

 

--가장 고생한 점은 무엇인가요?

 

아다치 : CFRP가 딱딱하다는 점이었다. 첫 부품이기 때문에 내구성을 시험하기 위해 ‘부서뜨리는’ 작업을 하게 되는데, 부수려 해도 부술 수가 없다. 또한 열에 의해 사이즈가 변하지도 않는다. 선팽창계수는 철이 1인 데 비해 CFRP는 0.1이며, 아우터 패널의 PP는 7이다. CFRP와 PP를 접착한 것을 애리조나 등의 더운 지역에 가져가면, PP는 팽창하지만 CFRP는 변화가 없어 변형하게 되어 패널 전체가 부풀어 오른다.

 

--어떻게 대처했나요?

 

아다치 : 접착제를 넣는 방식을 고려했다. 시뮬레이션하여 응력이 집중되는 곳에 접착제를 넣지 않도록 하기도 하고, 접착제의 경로를 재검토하고 두께를 늘려 ‘우회하도록’ 하였다. 어쩔 수 없는 부분은 접착제를 사용하지 않고 다른 시트재로 대치하였다. 발매하기 1년쯤 전에 공장에서 실험을 해보는데, 그때 이 문제가 발각되었다. 그래서 많이 고생했다.

 

이와노 : 생산기술에서도 똑같은 어려움을 겪었다. 건조로를 나올 때 어떻게 변형되는지를 카메라로 촬영하여 확인하였다. 어떤 의미에서는 선팽창과의 싸움이기도 하기 때문에, 개인적으로는 CFRP를 개발하고 있는 건지, 접착제를 개발하고 있는 건지 헷갈릴 때가 있다.

 

카본에 대한 ‘기대’는 어떠한가

 

--생산기술의 관점에서는 어떤 어려움이 있나요?

 

이와노 : LC는 도요타에서 처음 만드는 멀티 머티리얼 보디이다. 그러므로 먼저 철이나 알루미늄과 같은 이종 금속 재료를 어떻게 접합할지가 어려운 문제였다. 생산거점인 모토마치 공장에서는 초기 PRIUS나 LEXUS LFA, FCV MIRAI 등 선진적인 자동차를 생산하는 데 도전해온 역사가 있다. LC도 차세대 LEXUS의 상징으로서 설계, 생산기술, 제조를 한꺼번에 실시하였다. 독자적으로 개발한 구조용 접착제와 셀프 피어스 리벳을 사용하여 철과 알루미늄의 멀티 머티리얼 보디를 효율적으로 생산하고 있다.

 

--CFRP에 대해서는 어떤가요?

 

이와노 : 어떻게 성형할지가 과제이다. CFRP에 대해서는, 프리프레그, RTM, TSF, SMC 중에서 생산량에 맞는 공법을 채용해 왔다. LC의 루프는 RTM, PHV의 백도어 이너 및 LC의 사이드 도어 이너, 러기지 아우터는 SMC이다. 이번에 모토마치 공장에서는 하나의 라인에서 고속 RTM, SMC, TSF의 3가지 공법으로 7가지 부품을 생산할 수 있게 되었다. 특히 C-SMC에 대해서는, 특수 머티리얼 핸들링으로 5가지 부품을 동시에 성형하는 데 재료를 자동으로 투입할 수 있다. 또한 접착제 도포에서부터 접합ㆍ가열 경화까지 모두 자동으로 부품을 조립할 수 있다.

 

--가장 고생한 것은 무엇인가요?

 

이와노 : CFRP를 성형할 때에는 카본 섬유가 강도를 유지하기 때문에 그 섬유의 흐름을 어떻게 컨트롤할지가 중요하다. 강도를 안정시켜야 하며, 부품의 정밀도를 안정시켜야 한다. 철은 설령 정밀도가 어긋나도 같은 방향으로 프레스해도 같은 경향을 가진다. ‘기대’라고 하지만, 여러 번 만들어도 계속 같은 경향을 보인다면, 올바른 곳으로 흘려보내기 위해 컨트롤하고 있다. 하지만 카본의 경우, 프레스했을 때 균일하게 흘러가는 일이 거의 없다. 섬유의 방향이 안정되지 않아 강도, 정밀도도 어긋난다. 생산기술 멤버가 마지막까지 고생한 것이 바로 그 점이다.

 

경량화부터 연비 향상까지, 새로운 가치를 제공해 나간다

 

--경량화한 CFRP는 앞으로 어떤 차종에서 사용될 예정인가요?

 

아다치 : PP 계열의 수지제 백도어에 있어서는, COROLLA SPORTS나 LEXUS UX에 기술을 전개하고 있다. CFRP는 GR-Sports를 중심으로 다양한 종류의 자동차에서 검토하고 있다. 또한 앞으로는 EV를 경량화해야 한다. 전기화 및 경량화 기술로 인해 EV의 연비가 크게 향상하면, 주행 시 CO2 배출량을 절감할 수 있다.

 

--미래의 자동차 개발에 있어서 경량화가 매우 큰 의미를 갖는군요.

 

이와노 : 한 대당 200kg의 무게를 줄이면, 2050년쯤에는 전 세계적으로 연간 약 300만 톤의 CO2 배출량 감소를 이루어낼 수 있다. 산업계ㆍ사회에 공헌할 수 있다는 점에서도, 경량화는 중요한 테마이다. 현재 CFRP 등 탄소섬유를 제조할 때의 CO2 배출량은 다른 재료에 비해 많다. 리사이클재를 활용하는 등 제조 시 CO2 배출량을 절감하기 위해서도 노력 중이다.

 

--장기적인 비전을 말씀해주세요.

 

이와노 : 일단 EV를 위하여 배터리의 배치를 통한 자동차의 레이아웃 변화가 주요 과제가 된다. 장기적으로는 MaaS라는 콘셉트로 제공할 예정인 자율주행이 큰 주제이다. 자동차에 대해 요구되는 기능은 점점 변화하고 있다. 우리 역시 자동차 회사에서 모빌리티를 제공하는 회사로 변모하여, 새로운 가치를 제공할 예정이다.

 

출처 : https://news.mynavi.jp/kikaku/20190930-899630/

 

 

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