일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.5.24

사람과 자동차의 테크놀로지전(展) 2024 YOKOHAMA
기가캐스트보다 '뛰어난' 열간 프레스로 강철 보디를 일체 성형
일본제철

일본제철은 강판의 프레스 성형을 통해 부품 수를 줄인 자동차의 리어 언더보디를 개발해 자동차 기술 전시회 ‘사람과 자동차의 테크놀로지전 2024 YOKOHAMA’(2024년 5월 22~24일, 퍼시피코 요코하마)에서 선보였다. 복수의 강판을 핫스탬핑(열간 프레스)으로 일체 성형해 만든 것으로, 보디의 경량화와 저비용화에 대해 일본제철은 “기가캐스트(기가캐스팅)보다 우위에 있다”라고 한다.

기가캐스트는 대형 부품을 일체 성형하는 알루미늄 다이캐스팅이다. 전기자동차(EV)의 언더보디와 2차전지팩을 가공하는 기술로, 일본에서는 도요타자동차와 료비(RYOBI), 아이신(AISIN), 닛산자동차, 혼다 등이 실용화를 위한 개발을 추진하고 있다.

일본제철이 개발한 새로운 리어 언더보디는 보디 후방에 있는 사이드 멤버와 플로어 패널, 휠하우스를 일체화한 부품이다. 일본제철은 ‘리어 언더모듈’이라고 부른다. 어퍼와 로어를 각각 일체 성형한 후에 용접하여 리어 언더보디로 완성한다. 기존에는 19개의 부품을 개별적으로 프레스 성형한 후, 용접으로 리어 언더보디로 조립했다. 이 새로운 리어 언더보디의 부품 수는 기존의19개에서 2개로 줄었다.

이 기술의 열쇠는 테일러드 블랭크와 핫스탬핑의 조합이다. 우선, 강도와 두께가 다른 복수의 강판을 레이저 용접으로 연결하여 평판 형태의 테일러드 블랭크(프레스 성형에 사용되는 가공물)를 준비. 그 다음, 테일러드 블랭크를 가열해 프레스 성형을 하고 동시에 금형 내에서 냉각 처리로 담금질해 강도를 높이는 구조이다.

어퍼는 12개의 테일러드 블랭크를 준비한 후, 핫스탬핑으로 일체 성형을 한다. 로어도 7개의 강판으로 성형한다.

프레스 성형에서는 수직 방향의 가압과 함께 수평 방향으로도 가압할 수 있는 ‘2축 핫스탬핑’이라고 부르는 공법도 개발했다. 이로 인해 리어 언더보디에 대해 수직으로 서있는 휠하우스 부분도 일체 성형이 가능하다.

-- ‘적재적소’의 성형으로 경량화 --
새로운 리어 언더보디가 경량화에 우수한 이유는 우선, 적재적소에 적합한 강판을 사용한 점 때문이다. 강도를 확보하고 싶은 부위에는 당김 강도가 큰 강판 또는 두꺼운 강판을 사용하고, 이른바 크러셔블 존 등, 충격 흡수성을 가져야 할 부위에는 당김 강도가 작은 강판을 사용한다.

새로운 리어 언더보디에서 어퍼는 부위에 따라 당김 강도 2.0GPa×두께 1.4mm, 1.5GPa×1.0mm, 1.0GPa×1.0mm, 로어는 2.0GPa×1.4mm, 1.5GPa×2.0mm, 1.5GPa×1.0mm, 1.0GPa×1.0mm이다. 보디의 안전성을 확보해야 하는 부위에는 2.0GPa 강판을 사용. 충돌 시 충격을 흡수해야 하는 부위에는 1.0GPa 강판을 사용했다.

하지만, 이러한 강도 및 두께는 기존의 강판을 사용하여 시작(試作)한 것으로, 한 예에 불과하다. 검증을 더 진행해나간다면 두께가 0.8mm 등, 1mm 이하의 얇은 강판으로도 리어 언더보디에 필요한 강도를 충족할 수 있어 더욱 경량화가 가능하다고 일본제철은 말한다.

또한, 테일러드 블랭크를 사용했기 때문에 기존과는 달리 프레스 제품 간을 접합하기 위한 용접 비용이 불필요하다는 점도 전체의 경량화에 기여한다.

일본제철은 기가캐스트로는 경량화에 한계가 있다고 보고 있다. 박육(薄肉) 성형이 어렵기 때문이다. 대형 부품이기 때문에 금형의 캐비티 내에 알루미늄 합금의 용탕을 충전시키는 점에서 난이도가 높다. 캐비티의 좁은 부분(얇은 성형 부분)은 온도가 쉽게 떨어져 용탕의 유동성을 확보하기 어렵기 때문이다. 이 때문에 기가캐스트로 성형된 EV의 리어 언더보디 중에는 두께가 4mm 정도의 부위를 가진 것도 있다고 한다.

즉, 기가캐스트는 경량화를 위한 재료인 알루미늄 합금을 채택하지만, 성형 측면에서는 두께가 두꺼워지기 때문에 무게 경감에는 한계가 있다는 것이 일본제철의 평가이다.

-- 금형을 줄여 낮은 코스트로 --
한편, 코스트 절감이 가능한 이유는 재료에 알루미늄 합금보다 저렴한 강판을 사용할 수 있다는 것은 물론, 일체 성형을 통해 금형 수를 줄일 수 있기 때문이다. 일체 성형의 도입으로 프레스 성형 제품 간을 접합하는 용접 라인을 짧게 할 수 있다는 점도 코스트 절감에 기여한다.

또한 초기 투자액도 줄일 수 있다. 기존의 프레스 기기를 사용할 수 있는 가능성이 높아지기 때문이다. 가공물(테일러드 블랭크)을 가열해 부드럽게 만든 뒤 프레스 성형을 하기 때문에 가압력을 비교적 작게 할 수 있다. 리어 언더보디의 어퍼 및 로어를 가압력이 2,000tf(19.6MN) 정도의 프레스 기기로 성형할 수 있다고 한다.

이에 비해 기가캐스트는 가압력이 6,000tf(약 58.8MN) 이상의 대형 다이캐스트 머신을 사용. 여기에 주변기기까지 갖추려면 수 십억 엔이 넘는 초기 투자가 필요하다.

또한, 재사용성에 대해서도 새로운 리어 언더보디가 우수하다. 자동차에 사용된 강판을 회수해 강판 원재료로 재사용하는 것이 가능하다. 이에 비해 기가캐스트로 성형된 폐부품들은 알루미늄 합금의 특성 가운데 '늘어남'이 부족하다. “알루미늄 합금은 산화되기 쉽고, 내부에 포함된 불순물을 추출해내기 어렵다”(일본 제철). 따라서 적어도 신차로의 재사용은 어렵다고 한다.

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