산업기술/제조/경영

Nikkei Monotsukuri_2016. 09. 특집 (p34~60)

한계를 넘는경량화 기술

경량화 기술의 진보가 가속화 되고 있다. 엄격한 규제가 보다 강한 요구를 불러오고, 그것에 부응하여 실용 수준의 당장이라도 사용 가능한 기술이 계속 개발되고 있는 것이다. 특집으로 다루자고 하는 것은, 지금까지 「한계」라고 여겨져 온 경량화의 수준을 뛰어 넘는 것이 나왔다는 것. 지금까지의 연장선상에는 없던, 한층 더 높은 경량화를 실현시킬 기술이 다가온다.


Part 1. 변화하는 설계
실용 수준의 최신기술이 속속 등장 --- 구조와 자재의 변화가 효과를 낳다

차량무게를 130kg 가볍게 한 독일의 BMW와 300kg의 경량화를 실현한 Audi. 자동차의 차체 설계에 혁신이 일어나고 있다. 세계를 리드하고 있는 것은 독일 자동차 업체이다.

BMW와 Audi는 복수의 소재를 복합적으로 조합하여 차체를 만드는「Multimaterial」 설계를 실용화 했다. BMW는, 탄소섬유강화수지(CFRP)와 고 장력강판, 알루미늄합금과 같은 경량화 소재를 보통의 철강과 조합한 차체를 설계한다. 이로 인해, 대형 고급세단 「7시리즈」의 차량무게를 최대 130kg 감량에 성공 했다.

한편, Audi는 경량화 소재로 알루미늄합금을 대담하게 채용했다. 알루미늄합금과 고 장력강판 등의 Multimaterial화로 신형 차체를 설계하여, SUV모델 「Q7」의 차량무게를 300kg 감량 했다.

두 회사가 Multimaterial화에 적극적으로 임하는 이유는, 철강을 베이스로 한 기존의 차체 설계를 추진하는 한, 큰 폭의 경량화를 실현하기 어렵고, 「한계」가 있다고 생각하고 있기 때문이다. “자동차의 형태는 거의 완성되어 있다. 이 이상 경량화를 하기 위해서는, 경량화 소재를 적재적소에 사용하는 수 밖에 없다.” 라고 BMW는 말한다.

지금, 제품과 부품의 경량화를 낳는 기술의 개발에 뜨거운 관심이 모이고 있다. 그 중에서도, 경량화 기술의 개발을 이끌거나, 촉진시키고 있는 것이 자동차업계이다. 프리미엄 자동차만의 이야기가 아니다. “다양한 자동차 업체와 자동차 부품 업체가 혈안이 되어 경량화 기술을 개발하고 있다.”고 스미토모 화학은 이야기한다. 모두가 지금까지의 「한계」를 넘는 경량화를 목표로 하고 있다.

-- 연비규제의 시기가 다가오다 --
이것에는 두 가지 이유가 있다. 첫째로, 차량무게를 보다 가볍게 하여 고 연비차량을 만들어야만 팔리기 때문이다. 연비경쟁으로 경쟁회사에 앞서게 된다면, 소비자에게 주목 받게 된다.

그리고 둘째로, 엄격해지는 연비규제(CO₂배출량규제)에 지금까지 보다 더 경량화로 대응해야 하기 때문이다. 연비규제는 유럽을 중심으로 세계적으로 강화되고 있다. 이 연비규제를 지키지 않는다면, 자동차 업체는 벌금을 물리게 되는 것뿐만 아니라, 「환경보호에 등을 돌리는 기업」이라고 생각되어 기업 이미지를 훼손시킬 가능성이 있다.

-- 고객의 요구와 에너지절약, 비용절감 --
경량화 요구의 증가는, 본지가 실시한 설문조사에도 나와 있다. 응답자는 현장직이 대부분이기 때문에, 조사에는 제조현장의 생생한 목소리가 반영되었다. 설문의 “근무처가 경량화 기술을 개발하고 있는 이유”에서 “고객이 필요로 하고 있기 때문이다” 라는 응답이 4할(42.3%)를 넘었다. 고객의 요구이기에, 경량화는 필수적이라는 것이다.

흥미로운 것은, “자재 사용량을 줄이기 위해”(38.3%)와 “제품의 운송비를 줄이기 위해” (24.2%)라는, 비용절감에 기여하는 것을 보여주는 응답이 많은 점이다. 즉, 경량화 기술은 고 연비 및 에너지절약을 불러오는 것에 더해, 고객의 요구를 충족시키고, 거기에 비용절감까지 실현하는「일거 삼득」의 기술인 것이다.

-- 구조와 자재의 변경으로 경량화 --
지금까지 없던 요구의 증가에 응하는 듯이, 새로운 경량화 기술이 속속 등장하고, 기존의 한계를 넘은 경량화를 실현하고 있다. 그 중, 실용 수준에 있는 경량화 기술을 살펴보면, 실현을 위해 크게 2가지 방향성이 있는 것을 알 수 있다. [1] 구조 변경, [2] 자재 변경, 이다.

[1]의 구조 변경의 경량화 기술의 좋은 예가, Multimaterial화 이다. 제품 전체를 보고 가벼운 자재를 「적재적소」에 조합하면서, 총 무게를 줄이고, 필요한 곳에는 강도를 확보한다.

-- 자재의 변경으로 경량화 --
[2]의 자재 변경의 경량화 기술은, 기존의 자재보다도 가벼운 신소재로 교환, 또 신소재의 기능을 살리는 것으로 경량화를 실현하는 것이다.

Part 2-1. 사례
구조를 바꾸다.

BMW : 고장력강판을 CFRP골격으로 보강

-- 강판에 CFRP부품을 접착 --

Audi : 자재를 구분하여 사용해 300kg 감량

-- 골격부분에는 핫스탬프 사용 --
-- 경량화와 코스트의 밸런스를 추구 --

Daicel Evonik(도쿄) : 알루미늄 합금과 PA의 접착으로 나사의 수 절약

-- 금형에 금속을 넣어 수지 사출 --

Central Japan Railway(JR토카이) : 차세대 신칸센, 경량화로 세계 진출

-- SiC 소자와 주행 풍 냉각을 조합 --
-- 차량 표준화로 세계진출 가속화 --


Part 2-2. 사례
자재를 바꾸다

Nakashima Propeller : CFRP로 선박용 프로펠러의 질량 반감

-- CFRP로 프로펠러 대형화 --
-- VaRTM 공법으로 블레이드 개조 --

Sumitomo Bakelite : 실린더 부분을 알루미늄에서 수지로 변경

-- 소음감소와 단열성의 향상에도 공헌 --
-- 브레이크 시스템도 수지화 --

Sumitomo Chemical : 150도에 견디는 수지로 만들어진 엔진 부품

-- 「한계」를 넘은 고온 영역 --
-- 10% 넘는 코스트 절감 --

Toyota Boshoku : 고발포 배율에서도 견디는 도어트림

-- 세라믹구조 차체로 충격을 분산 --
-- 도어트림 이외에도 적용 --

Nippon Steel & Sumitomo Metal(신일철주금) : 진화하는 강철, 사용법도 제공

-- 고장력강판의 강도, 지속적으로 향상 --
-- 고장력강의 가공기술 연마 --


Part 3. 숫자로 보는 현장
경량화 기술의 현재와 미래 --- 응답자 95% “경량화 기술은 중요”

자동차부터 철도, 선박, 항공기, 드론, 웨어러블 기기. 다양한 제품에서 경량화 기술의 수요가 높아지고 있다. 이번 조사에서도 약 96%의 응답자가 경량화 기술의 중요성이 앞으로 “중요해진다”라고 보고 있는 것을 알게 되었다. 그 중에서도 관심을 모으고 있는 것은, 다른 소재와의 접착∙접합기술이다.

앞으로, 경량화의 중요해질 것 이라고 생각하는가?
→ “중요해진다”(85.2%)와 “차차 중요해진다”(10.3%)의 응답을 합치면, 95.5%가 경량화의 중요성이 커질 것이라고 답변했다. 한편, “그렇지 않다”라고 답변한 응답자는 없었다. 경량화가 얼마나 중요해지고 있는지를 알 수 있다.

경량화가 중요해질 것 이라고 보는 이유는 무엇인가?
→ “자재의 사용량을 줄이기 위해”라는 답변이 반을 넘어, 52.7%를 차지했다. 많은 업종에 있어서 비용절감과 자원절약이 중요시 되고 있기 때문이라고 생각한다. 이에 더해 “제품의 운송비를 줄이기 위해” (42.8%), “제품을 보다 빠르게 움직이기(고속화) 위해”(40.1%) 라는 답변이 이어진다.

경량화를 추진하는 데에 있어서 장벽이 되고 있는 것은 무엇인가?

→ “비용이 비싸다”(73.1%)라는 답변이 많았다. 이하, “강도∙강성을 유지할 수 없다”(42.6%), “부품의 성능과 영구성 등의 평가가 어렵다”(42.2%) 라는 답변이 이어진다. 경량화에 있어서, 제품의 품질과 성능 등을 유지하는 것의 어려움이 부각되고 있다.

앞으로 5년간 중요해질 경량화 기술은 무엇인가?
→ “다른 소재와 접착∙접합기술”(69.1%)와 “탄소섬유강화수지(CFRP)의 채용”(61.0%), “복수의 소재를 조합한 Multimaterial화”(57.0%)가 과반수의 답변을 모았다. 경량화 소재를 「적재적소」에 어떻게 이용하고, 다른 소재를 어떻게 접합하여 조합하는지가 앞으로의 포인트가 될 것이라고 보는 사람이 많다.

어떤 제품에 경량화가 필요하다고 생각하는가?
→ “자동차, 운송용의 제품”(82.1%) 라는 답변이 가장 많고, 다음으로 “항공 및 우주용의 제품”(60.1%)라는 답변이다. 경량화는, 고부가가치를 가진 제품에서 이용이 확대될 것이라고 보는 경향이 많다. “웨어러블용 제품”(50.2%)도 반을 넘었다.

         -- 끝 --