산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2017. 4. 특집2 요약 (p65~73)

경량화 설계 기술 10선
실용화 단계의 최전선

경량화 기술이 지금껏 전례가 없는 스피드로 진화하고 있다. 3D프린팅 및 이종재료 접합, 신재료의 개발이 이와 같은 급속한 진화를 선도하고 있다. 그러나, 그 이상으로 흥미로운 것은 비용과 경량화를 비교했을 때, 경량화를 더 중시한다는 목소리가 크다는 점이다. 즉, 다소의 비용 상승이라도 감수하겠다는 사고방식이 경량화 기술을 촉진시키고 있기 때문이다.

그런 기술개발을 견인하는 것은 엄격한 환경 규제에 대한 대응과 저(低)연비 경쟁을 계속하는 자동차 부분이지만, 다른 분야에서도 경량화의 붐은 확대되고 있다. 경량화 설계의 아이디어를 찾고 있는 설계자에게 (1)수지화 (2)CFRP(탄소섬유강화 수지)화 (3)가공/열처리 (4)이종재료 접합의 단면에서 분류되고 있으며, 실용화 단계에 있는 10개의 경량화 기술을 해설한다.

■ 수지화
1. 50% 가벼운 리어범퍼 빔
경량화에 뛰어난 리어범퍼 빔을 개발한 것이 혼다(HONDA)이다. 유리 섬유와 열 가소성 수지의 복합재료를 사용해 성형함으로써, 질량을 3.5kg로 줄였다. 강철제품이던 기존 제품에 비해 약 50%의 경량화를 실현하고 있다. 알루미늄(Al)합금으로 만든 경우와 비교해도 약 20% 가볍게 만들 수 있다. 연료 배터리 차(FCV)「CLARITY FUEL CELL」로 실용화 되고 있다.

새로운 리어범퍼 빔은 3종류의 복합재료를 사용한다. (1)유리의 연속섬유에 열 가소성 수지인 폴리아미드(PA)6을 함침시킨 복합재료(이하, 연속성 유리섬유강화PA6) (2)길이 50mm의 유리길이 섬유에 PA6를 함침시킨 복합재료(이하, 유리장섬유강화 PA6) (3)R길이 0.1mm의 유리단섬유로 강화한 PA6(이하, 유리단섬유강화 PA6)이다.

2. 30% 경량화 한 클러치 페달
토요보(TOYOBO)가 자동차 부품 업체와 공동으로 개발한 것이 경량 클러치 페달이다. CAE를 사용하여 수지화에 더해 클러치 페달의 형태를 최적화 시킴으로써 30% 경량화를 실현했다. 기존은 단면이「H」형의 스테인리스 강철제품이었다.

경량 클러치 페달의 개발공정은 다음과 같다. 먼저, 클러치 페달의 3D의 솔리드 모델을 제작. 이것에 깊게 파고드는 하중을 가해 어떤 부분이 어떻게 응력이 가해지는 지를 CAE로 조사한다. 계속해서 그 응력해석의 결과를 기초로 토폴로지(Topology) 해석을 진행한다. 이것은 필요한 강도를 유지한 상태에서 응력이 작은 부분만을 도려내어, 강도 면에서나 질량 면에서 불필요한 부분을 없애는 형태로 만들어 가는 작업이다.

3. 60% 가벼운 선외기의 커버
토요보는 선외기 커버의 일부인 Bottom cowl top cover도 수지화에 의해 가볍게 만들었다. 스테인리스 철강 재질이었던 기존의 커버를 유리섬유강화PA6을 사용해 사출 성형하는 기술을 확립. 이에 의해 질량을 4.8kg로, 기존의 12.3kg에서 약 60% 경량화가 가능해졌다. 야마하 발전기가 선외기를 실용화하고 있다.

4. 접동성으로 PEEK를 뛰어넘는 수지
JX 에너지(본사 도쿄)는 자동차 변속기의 기어 및 보올 베어링, 슬라이딩 축 베어링용으로 접동성(摺動性)에 뛰어난 수지를 개발했다. 강철제로부터 새로운 수지로 변환시킴으로써 질량을 9분의 1 이하로 가볍게 만들었다.  

■ CFRP화
5. 30% 가벼운 EV용 2단 변속기 커버
자동차 분야 등의 개발지원 사업에 손대고 있는 아크(Arrk, 본사 오사카)는 소형전기자동차(EV)용 2단변속기의 커버를 경량화 시켰다. Al합금을 탄소섬유강화 열가소성수지(CFRTP)로 변환시킴으로써, 질량을 1.4kg으로 줄였다. 따라서 기존에 비해 약 30% 가벼워졌다.

6. 80% 이상 경량화한 공구 부품
CFRP의 사출성형을 주특기로 하는 수지제품 업체인 코다카(小高)정밀(본사 나고야)은 공구의 부품인 래칫 기구를 겸비한 스페너의 회전체를 CFRTP화 했다. 강철의 소결품(燒結品)이었던 기존의 회전체에 대해 질량을 5분의 1에서 6분의 1로 줄일 수 있었다.

■ 가공/ 열처리
7. 부분적으로 다른 경도를 가진 동판
자동차 및 건설기계 부품의 열처리 사업을 하고 있는 네츠렌(NETUREN)은 부분적으로 경도가 다른 강철판을 만들 수 있는 열처리 기술「DH Partial Hot Press」를 개발했다. 1장부터 만들어지는 철강판으로 이루어진 부품에 대해 부분적으로 다른 경도를 실현할 수 있다. 즉 필요한 곳에 필요한 경도를 설치할 수 있는 것이다.

8. Mg합금으로 만들어진 카테터의 스텐트
후지라이트매탈(FUJI LIGHT METAL, 본사 쿠마모토)이 의료기기 업체와 개발중인 것이 경(輕)합금인 마그네슘(Mg) 합금으로 만들어진 풍선도관(Balloon catheters)의 스텐트이다. 그물상태로 되어 있으며, 풍선이 팽창하여 혈관을 확장시킴으로써 동맥경화 및 혈전 제거 등의 의료처치가 가능해 진다.

9. CFRP제 부품을 30~40% 가볍게 하는 심재(芯材)
Daicel Evonik(본사 도쿄)는 폴리메타크릴아미드(PMI)제 발포체의 심재「Rohacell」을 높은 생산성으로 성형하는 기술「사모 쉐이핑」을 개발했다. 상하를 2장의 CFRP의 표피재(表皮材)로 끼워 넣은 경량화 부품의 심재(코어)를 만들기 위해 사용한다. CFRP부품의 내부를 PMI발포체의 심재로 바꿈으로써 100% CFRP의 제품에 비해 30~40% 가벼워졌다.

■ 이종재료 접합
10. 40% 가벼운 브레이크 드럼
소형 EV용으로 경량화한 브레이크 드럼을 개발한 곳이 TPR이다. 전체를 주철로 만들었던 기존의 브레이크 드럼의 일부를 Al합금화함으로써, 3.85kg이어던 질량을 2.38kg으로 약 40% 경량화에 성공했다. EV개발 사업을 하는 FOMM(본사 카와사키)의 소형 EV에 채택되기로 결정됐다. 그 외에도 국내외의 여러 업체가 흥미를 보이고 있으며, 그 중에는 승용차용으로의 평가를 시행하고 있는 업체도 있다고 한다.

브레이크 슈가 닿는 접동면을 갖춘 박육중공(薄肉中空) 원통형(박육의 파이프형) 부품인 인서트를 주철로 형성. 이것을 Al합금제 브레이크드럼 본체의 안쪽 바퀴 측에 집어넣는 구조이다. 강도가 특히 필요한 부분(인서트)만을 무거운 주철로 남기고, 강도가 그다지 필요하지 않는 외측(본체)을 가벼운 Al합금으로 변환시키는, 말하자면「한계의 설계」로 탄생한 제품이다. 그러나 Al합금인 만큼,「비용은 다소 높아진다」(TRP).

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