Nikkei Automotive_2021.1 특집 (p62-66)

닛산, 적극적인 CFRP 양산화
‘양산차에는 철 사용’ 방침을 전환

닛산자동차는 탄소섬유강화수지(CFRP)제 부품의 양산 기술을 개발했다. 닛산은 이미 CFRP제 루프나 프런트 후드 등을 고급 스포츠카 등 일부 차종에 채용하고 있다. 양산 기술의 개발로 인해 CFRP제 부품의 비용이 낮아지면서 양산차에 대한 적용의 길이 열렸다. 닛산이 개발한 양산 기술의 상세 내용과 향후 양산차에 대한 적용 계획 등을 알아본다.

엄격해지는 세계의 연비 규제에 대응하기 위해 자동차업체는 차량의 전동화를 가속시키고 있다. 닛산도 전기자동차(EV)나 시리즈 하이브리드 기구 ‘e-POWER’ 탑재 차량의 판매를 늘리는 등의 방법으로 신차에서 나오는 이산화탄소(CO₂) 배출량을 22년까지 00년 대비 40% 삭감, 50년까지 90% 삭감하는 목표를 제시한다.

그러나 자동차의 전동화를 추진하면 차량은 무거워진다. 예를 들면 EV의 경우 항속거리를 늘리기 위해서는 크고 무거운 리튬이온 배터리 팩을 탑재해야 한다.

전고체 배터리처럼 소형에 대용량화가 가능한 신형 배터리 개발은 전세계에서 추진되고 있다. 그러나 신형 배터리가 실용화되더라도 자동차가 무거워지는 경향에는 변함이 없다. 자동 브레이크 등의 선진운전지원시스템(ADAS)의 탑재도 자동차를 무겁게 한다.

e-POWER를 탑재한 차량의 경우는 연비 성능을 높이기 위해 엔진의 열효율 개선이나 하이브리드 기구의 개량(감속 에너지의 회생 효율 향상 등)을 추진하고 있다. 그러나 엔진의 열효율이나 감속 에너지의 회생 효율 등에는 한계치가 있다.

또한 EV와 마찬가지로 ADAS 등의 탑재로 인해 차량은 무거워지고 있다. 전동 파워트레인의 개량만으로는 세계의 연비 규제에 대응하는 것이 어려워졌다.

-- 경량화의 중요성을 재검토할 시기가 왔다 --
‘바디 경량화의 중요성을 재검토할 시기가 왔다”. 닛산자동차의 사카모토(坂本) 부사장은 20년 9월에 열린 CFRP제 부품의 양산기술에 관한 설명회에서 이렇게 강조했다. 세계의 연비 규제에 대응하기 위해 양산차의 바디에 CFRP제 부품을 적용한다고 밝혔다.

CFRP에는 매트릭스(모재) 수지에 에폭시 수지 등을 사용하는 열경화성 CFRP와 모재 수지에 폴리아미드(PA) 수지 등을 사용하는 열가소성 CFRP(CFRTP)가 있다. 바디 채용에는 열경화성 CFRP가 앞서고 있다. 닛산은 지금과 마찬가지로 이번에도 열경화성 CFRP를 사용한다.

닛산은 지금까지 ‘GT-R NISMO’ 등 일부 고급차 바디에 열경화성 CFRP제 부품을 채용해 왔다. 지금까지는 ‘양산차에는 철을 사용한다’가 기본 방침이었지만 앞으로는 열경화성 CFRP제 부품을 채용하는 차종을 양산차로 확대한다.

CFRP제 부품은 철제 부품과 비교해 약 50%의 경량화가 가능하다. 특히 대형차는 중소형차보다 차량 자체가 무겁기 때문에 CFRP제 부품 사용으로 인한 경량 효과는 크다.

“24~25년에 발매하는 대형 SUV 등의 전동 차량에 적용하는 것을 계획하고 있다”(사카모토 부사장). 센터필러나 프런트필러, 센터터널 등 복잡한 모양의 대형 부품에 열경화성 CFRP를 사용하고, 고장력 강판이나 알루미늄(Al) 합금 등과 조합한 이종 재료 구성(Multi Material) 바디로 할 계획이다.

-- 비싼 부품 비용과 양산 품질이 과제 --
그러나 고장력 강판제 부품들을 열경화성 CFRP로 대체하기 위해서는 몇 개의 과제가 있다. 사카모토 부사장은 (1) 철의 10배라는 비싼 부품 비용, (2) 복잡한 모양의 대형 부품을 고품질로 안정적으로 제조하는 생산 면의 문제 등을 든다.

이 중에 부품 비용의 경우는, “비용 전체 중에 성형 비용의 비율은 재료 비용보다 높다. 성형 비용을 얼마나 내리는가가 과제다”(사카모토 부사장). 생산 면에서는 고품질 부품을 얼마나 단시간에 성형하는가가 중요해진다. 성형 시간의 단축은 부품 비용의 저감으로도 이어진다.

-- 2분에 성형할 수 있는 고압 RTM에 주목 --
닛산은 과제 해결을 위해 ‘C-RTM(Compression Resin Transfer Molding)’이라는 성형 방법에 주목했다. 열경화성 CFRP의 성형 방법에는 ’SMC(Sheet Molding Compound) 공법’ 등 여러 방법이 있다. C-RTM은 복잡한 모양의 대형 부품을 약 2분에 성형할 수 있는 특징이 있다. 자동차용 열경화성 CFRP 부품을 개발하는 독일 Henkel 등이 채용하는 ‘고압 RTM’과 같은 구조의 성형 방법이다. 다른 방법은 성형에 5~10분이 걸리는 경우가 많다.

C-RTM에서는 우선, 적층한 탄소섬유(CF) 직물을 예비 성형해 ‘프리폼(Preform)’(프레스 성형용 소재)을 만들어 금형 안에 세트한다. 그 다음에 금형 안에서 공기를 빼고, 압력을 가하면서 액체 상태의 에폭시 수지를 넣는다. 프리폼에 에폭시 수지가 쉽게 함침되도록 하기 위해 수지를 넣을 때는 금형을 완전히 닫지 않고 금형 안에 틈을 만든다. 그 후에 금형을 완전히 닫고 가열해 에폭시 수지를 경화시키면서 프레스 성형한다.

프레스 성형 후에 금형에서 꺼내 제품으로 만든다. 금형에 수지를 주입하고 나서 꺼낼 때까지의 시간(이형(離型)시간)은 2분 정도다. 이에 대해 통상의 ‘RTM’은 에폭시 수지를 금형 안에 넣을 때 압력을 가하지 않고, 금형 안에 틈을 만들지 않는다. 이형시간은 약 10분이다. C-RTM의 이형시간은 RTM의 1/5정도로 짧다.

-- 월산 1만대의 양산차에 대한 적용을 시야 --
통상 자동차의 생산라인에서 월간 약 2만대의 차량을 만들기 위해서는 약 1분의 택타임이 요구된다고 한다. 월간 생산 대수가 약 1만대라면 택타임은 약 2분이 된다. 이러한 양산라인에서 생산하는 차량용 부품도 같은 정도의 성형 시간(제조 택타임)으로 만들 필요가 있다.

닛산의 차량 조립 공장에는 택타임이 1분인 양산라인과, 2분인 양산라인이 있다.  “택타임이 2분인 양산라인에서 만드는 차량이라면 C-RTM으로 성형한 열경화성 CFRP제 부품을 적용할 수 있다”(닛산의 히라타(平田) 운영책임자).

또한 이 성형 방법으로 시작(試作)한 센터필러는 측면 충돌의 안전 기준에 대응할 수 있다는 것을 확인했다고 한다. 열경화성 CFRP제 부품의 비용은 고장력 강판제보다 비싸진다. 그러나 양산차에 적용할 때는 다른 부분의 비용을 줄이는 방법으로 차량 전체의 비용 증가를 가능한 억제할 방침이다.

-- 금형 내 수지 흐름을 가시화 --
앞에서 말한 것처럼 C-RTM에서는 금형 내에서 모재 수지를 프리폼에 균일하게 함침시켜야 한다. 수지가 함침하지 않은 부분(미함침 부분)이 있으면, 그 부분의 강도가 떨어지는 등 품질 저하의 원인이 된다.

닛산은 고품질의 열경화성 CFRP제 부품을 안정적으로 만들기 위해 금형 내의 수지 흐름을 가시화할 수 있는 시뮬레이션 기술을 개발했다. 기존 방법에서는 실제 함침 결과와 시뮬레이션 결과가 일치하지 않아 미함침 부분을 예측하기 어려웠다.

새로 개발한 방법에서는 함침 중에 프리폼의 표면을 흐르는 모재 수지의 마찰 저항치를 계측했다. 또한 금형 내에 복수의 온도 센서를 장착해 금형 안을 흐르는 모재 수지의 온도 변화도 측정했다. 또한 프리폼의 두께 방향으로 함침하는 모재 수지의 흐름을 수치화했다.

이들 데이터를 바탕으로 시뮬레이션용 새로운 계산 로직을 개발했다. 이 로직을 이용함으로써 금형 안의 모재 수재의 흐름을 가시화하고, 보다 정확하게 시뮬레이션을 할 수 있게 되었다고 한다.

시뮬레이션 결과에 근거해 최적 모양의 비드(Bead, 모재 수지가 흐르도록 만든 홈)를 금형 내의 최적 위치에 배치했다. 게이트(모재 수지 주입구)의 모양도 개량했다. 이를 통해 모재 수지를 효율적이면서 균일하게 프리폼에 함침시킬 수 있게 되면서 고품질의 열경화성 CFRP제 부품의 성형이 가능해졌다.

또한 기존의 개발 방법에서는 실제로 성형품을 시작하고, 그 품질을 확인하면서 여러 번 금형을 수정해야 했었다. 새로운 시뮬레이션 기술을 이용함으로써 금형을 수정하는 횟수가 줄었다. “부품 개발 기간을 기존 대비 약 50% 단축할 수 있게 되었다”(닛산자동차 생산기술연구개발센터의 미즈타니(水谷) 씨).

 -- 끝 --

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