Nikkei Automotive_2018.10. 특집 요약 (p68-73)

수지화 기술의 최전선
부품의 30~60% 경량화

차체를 1g이라도 가볍게 하고 싶다. 많은 나라∙지역에서 연비 규제 강화가 추진되는 가운데 자동차의 경량화는 자동차업계에 있어서 가장 중요한 과제 중 하나가 되었다. 경량화 재료 중 가장 활발한 개발을 보이는 것이 수지다. 비중이 작은데다 성형성(Formability)이 뛰어나고 큰 경량화 효과는 물론 비용도 줄일 수 있다. 20% 이상의 경량화 효과를 초래하는 수지화 최신기술을 소개한다.

강철제 루프는 60%, 알루미늄 합금제 루프는 30%의 경량화를 실현하였다. 미쓰비시케미컬홀딩스는 독일 아우디가 스포츠카 ‘RS5 쿠페’의 루프에 ‘PCM(Prepreg Compression Molding)법’을 적용하여 큰 효과를 올렸다는 것을 밝혔다.

-- 60% 가벼운 루프 --
PCM법은 탄소섬유강화수지(CFRP)를 사용하여 대형 부품을 성형하는 기술이다. 탄소섬유에 열경화성 에폭시 수지를 함침시킨 시트 상태의 재료(프리프레그)를 준비. 그것을 예비 성형하여 프리폼(예비 성형품)을 얻은 후에 금형을 사용하여 가열하면서 고압으로 프레스하여 CFRP제 부품을 성형한다.

미쓰비시케미컬홀딩스는 재료 조성이나 첨가제 연구를 통해 경화가 빠르고 흡수성을 억제한 에폭시 수지를 개발하였다. 이것으로 3~5분의 단시간에 프리폼을 성형할 수 있어 가공시간을 단축하였다. 흡수성을 억제함으로써 프레스 성형 중에 표면에 요철이 잘 생기지 않아 외관 품질의 향상에 기여한다.

새로운 루프는 두께 0,2mm의 프리프레그를 6~8장 겹친 다층 프리프레그를 재료로 사용하였다. 강도를 높이기 위해 탄소섬유의 방향을 맞춘 일방향성 프리프레그를 6~7장 사용, 균등한 강도가 되도록 각도를 바꾸면서 쌓았다. 그리고 최상층에는 탄소섬유를 넣어 만든 크로스 프리프레그를 사용한 이유는 탄소섬유의 주름을 노출시키는 외관 디자인을 실현하기 위해서다.

PCM법에 의한 가공공정은 프리포밍(예비 성형) 공정과 고압프레스 성형 공정의 크게 2개로 나눌 수 있다. 프리포밍 공정에서는 다층 프리프레그를 가열하여 부드럽게 한 후에 부형(賦形, 모양을 잡는 것)용 간이형을 사용하여 프레스 성형한다. 이를 통해 최종 모양에 가까운 모양의 프리폼을 얻는다.

이어지는 고압프레스 성형 공정에서는 우선 프리폼을 금형에 투입. 금형을 가열하여 온도를 130~150도까지 높인 후에 3M~10MPa의 고압으로 프레스 성형한다. 프레스 시간은 3분 정도로 한다. 그리고 금형을 열어 꺼내면 새로운 루프가 완성되는 구조다.

성형 사이클 시간은 프리포밍 공정도 고압프레스 성형 공정도 각각 5~10분. 전체 성형 사이클 시간은 10~20분이다. 시작(試作) 부품의 성형에 적용할 경우는 다층 프리프레그 성형에 금형이 아니라 수지형을 사용하여 설비 투자를 줄일 수 있다.

-- 최대 50% 가벼운 시트백 --
시트백(시트 뒷면의 부품)을 강철제 기존 부품에 대해 30~50% 경량화할 수 있다. 이 새로운 가공기술 ‘하이브리드 사출성형 기술’을 개발한 업체는 도레이다. 높은 강도를 필요로 하는 부분에 열가소성 UD테이프를 사용하여 금형에 넣어 사출성형(인서트성형)한다. 도레이는 이 기술을 사용하여 시트백의 샘플을 제작하였다.

새로운 열가소성 UD테이프는 한 방향으로 묶은 탄소섬유에 열가소성 수지인 폴리아미드(PA)6을 함침시킨 것이다. CFRP의 테이프 상태의 중간 기재다. 탄소섬유가 연속섬유로 되어 있기 때문에 특히 강도에 뛰어나다. PA6의 비율은 40질량%, 탄소섬유의 비율은 60질량%다. 테이프의 폭은 30mm다.

새로운 가공기술에 의한 시트백의 샘플 제조법은 이렇다. 우선, 필요한 금형은 사출성형용 금형 1개면 된다. 이 금형 속에 필요한 길이로 자른 새로운 열가소성 UD테이프를 투입한다. 투입 위치는 앞에서 말한 대로 시트백 중에 강도를 필요로 하는 부분이다. 금형을 닫고 용융한 유리섬유강화 PA6를 금형에 사출한다. 그러면 열가소성 UD테이프에 모양을 주면서 유리섬유강화 PA6와 용착시키면서 시트백 전체를 성형할 수 있다. 즉, 열가소성 UD테이프의 인서트 성형으로 인해, 심플한 공정으로 시트백의 일체 성형품을 얻을 수 있는 구조다.

기존의 가공기술 공정은 열가소성 UD테이프를 필요한 길이로 잘라 오븐에 넣어 가열(예비 가열)한다. 충분히 가열하여 부드러워지면 열가소성 UD테이프를 꺼내 부형용 금형에 투입한다. 이를 프레스 성형하면 3차원 모양의 열가소성 UD테이프를 얻을 수 있다.

다음으로 이렇게 모양을 만든 열가소성 UD테이프를 사출성형용 금형에 삽입. 금형을 닫고 용융한 유리섬유강화 PA6를 사출한다. 용융 수지가 식어서 굳으면 드디어 시트백이 완성되는 구조였다.

즉, 새로운 가공기술은 사출성형 시의 용융 수지의 열로 열가소성 UD테이프를 예비 가열하여 조임(Clamping)과 사출압력에 따라 열가소성 UD테이프를 부형한다. 이를 통해 기존의 가공기술에 필요했던 예비 가열공정과 부형공정의 2개를 생략하였고 비용을 30% 삭감할 수 있다고 한다.

-- 40% 가벼운 Rear Garnish --
미쓰비시 엔지니어링 플라스틱은 자동차의 외장부품 성형에 사용할 수 있는 수지를 개발하였다. 예를 들면, Rear Garnish에 이 수지를 적용하면 강철제와 비교하여 40%의 경량화가 가능하다. 그 밖에 펜더나 필러, 스포일러 등의 외장부품의 수지화를 상정한다.

새로운 수지는 폴리카보네이트(PC)와 폴리에스테르의 폴리머 알로이(PC/폴리에스테르 알로이)다. PC의 내충격성과 폴리에스테르의 내약품성을 모두 갖춘 재료다. 강성의 지표인 굴곡탄성률(Flexural Modulus)과 외관 품질을 높이기 위한 필러를 15질량% 함유하고 있으며 굴곡탄성률은 4.3G~4.5GPa로 높다.

성형성을 높이기 위해 재료설계를 통해 유동성도 개량하였다. 열가소성 수지의 용융 시의 유동성을 나타내는 Melt Mass Flow Rate(MFR)는 17~37g/10분으로, 기존의 7g/10분에서 2배 이상 상승하였다.

선팽창계수도 3.8~4.8ⅹ10^-5/도까지 작게 억제하였다. 기존에는 6.0ⅹ10^-5/도로 컸다. 강철의 선팽창계수인 1.2ⅹ10^-5/도와는 아직 차이가 있지만 차이를 좁혔다. 이 때문에 새로운 수지로 성형한 부품을 강철제 바디 부품과 합하였을 때 온도변화에 의한 강철과의 팽창이나 신축의 차이를 보다 완화할 수 있다.

단순한 모양의 부품을 수지화한 것 만으로는 비용은 높아진다. 따라서 강판의 프레스성형에서는 어려운 복잡한 모양의 부품 성형에 사용하거나 여러 부품을 함께 일체 성형하여 전체 비용을 낮추는 방법이 적합하다. 현재 여러 1차부품업체(티어1)가 실용화를 목표로 평가 중이라고 한다.

-- 최대 40% 가벼운 Turbo Duct --
수지화로 경량화를 실현한 벨로즈(Bellows)가 달린 터보덕트를 개발한 곳은 미국 DuPont이다. 벨로즈가 있기 때문에 설치 자유도가 높아졌다. 2개의 굽은 강철관 사이를 고무로 만든 벨로즈로 연결한 기존의 터보덕트를, 벨로즈를 포함하여 수지를 사용하여 일체 성형하였다. 강철과 고무보다 비중이 작은 수지로 변경함으로써 20~40%의 경량화를 실현한다.

일체 성형으로 부품 수를 줄임으로써 비용도 20% 정도 낮아진다. 이미 독일의 자동차기업에서는 사용 실적이 있다. 일본의 자동차기업에서도 2019년에 실용화할 계획이 있다고 한다.

새로운 터보덕트에 사용하는 재료는 열가소성 Polyether Ester Elastomer ‘하이트렐(Hytrel)’이다. 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)와 폴리에테르의 중합체다. 고무와 같은 탄성을 갖고 있고 엔지니어링 플라스틱의 특징인 높은 내열성과 뛰어난 성형성을 갖추고 있다.

3차원적으로 구부러진 복잡한 모양으로, 균일하게 두텁게 완성하기 위해 가공에는 ‘3D Suction Blow 성형’을 사용한다. 이 성형은 이름대로 블로우 성형과 흡인을 조합한 것이다. 3차원적으로 구부러진 모양을 새겨서 만든 금형 캐비티(비어있는 부분)에, 위에서 패리슨(Parison, 밑부분이 막힌 풍선 모양의 용융 수지)을 주입하면서 아래에서는 흡인 펌프로 부압을 만들어 패리슨을 빨아들인다. 이를 통해 복잡하고 긴 캐비티 경로를 패리슨이 통과할 수 있도록 한다.

이 캐비티 경로 일부에, 벨로즈 모양을 전사(轉寫)한 금형 블록(금형 부품)을 삽입해 둔다. 그리고 패리슨이 밑부분까지 오면 금형 윗부분에 있는 셔터를 닫음으로써 패리슨의 상단도 닫는다. 이렇게 비어 있는 부분을 내포한 채 위아래 양쪽이 닫힌 패리슨에, 위에서 튜브 상태의 핀을 꽂아 핀을 매개로 공기를 불어 넣는다. 그러면 패리슨이 팽창하면서 금형 모양이 전사된다. 그리고 금형을 열면 벨로즈가 달린 일체 성형 덕트가 완성되는 구조다.

-- 약 30% 가벼운 도어모듈 기재(Substrate) --
큰 내장 부품이나 외장 부품을 경량화하고 싶다. 도시바기계는 그러한 요구에 적합한 사출발포성형 기술을 개발하였다. 폴리프로필렌(PP)에 강화재로서 탤크(마그네슘실리케이트)를 섞은 것을 재료로 사용, 물리적으로 발포시켜 부품을 성형한다. 발포화를 통해 재료의 밀도가 작아져 가벼워진다. 도어모듈 기재나 인스트루먼트 패널, 콘솔 박스, 사이드씰의 몰 등에의 적용을 상정한다.

도시바기계는 새로운 성형 기술을 사용하여 도어모듈 기재를 시작(試作)하였다. 질량은 533g으로, 발포시키지 않은 솔리드 상태의 도어모듈 기재가 730g인데 대해 27%의 경량화를 실현하고 있다.

조임력(Clamping force)이 약 6.4MN인 사출성형기를 사용한다. PP에 섞는 탤크는 강화재지만 발포셀을 만드는 기핵제(Nucleating Agent)로서도 기능한다. 이 재료를 용융하여 6MPa의 압력으로 질소가스를 불어 넣은 후에 플런저로 눌러 금형 안으로 사출한다. 그 다음 재료가 굳기 전에 코어를 당긴다(Core Back한다). 코어백 전의 두께는 1.9mm인데 대해 코어백을 통해 두께를 2.85mm까지 크게 한다. 즉, 발포 배율은 1.5배다. 이렇게 발포시킨 재료가 굳은 후에 금형을 열어 꺼내면 도어모듈 기재가 완성된다.

도어모듈 기재의 단면을 보면 상하 2장의 스킨 층으로 발포 층을 샌드위치한 구조로 되어 있다. 스킨 층의 비율은 약 20%, 두께는 0.57mm다. 발포 층을 구성하는 발포 셀의 크기는 직경 20µ~60µm다.

비용 경쟁력을 높일 수 있는 것도 특징이다. 그를 위해 ‘온라인 블렌드 가소화장치(Barrel)’를 사출성형기에 탑재하였다. 이것은 재료를 용융하여 플런저 측에 공급하는 장치다. 온라인 블렌드라는 것은 유저가 공장의 가공현장에서 재료를 섞어 공급할 수 있는 것을 의미한다. 압출기를 사용한 믹싱공정을 생략할 수 있다. 또한 Virgin Material보다도 10~20% 정도 저가의 재생PP를 사용할 수 있기 때문에 재료비를 낮출 수 있다.

  -- 끝 --