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Nikkei Automotive_2017.1 특집 Cover Story (p36-49)

가벼워지지 않는 차량에 도전한다
안전기준 강화와 첨단기능 추가에 따른 딜레마의 극복

2020년대를 향해 속속 강화되는 연비∙이산화탄소(CO₂) 배출 규제. 그에 대응하기 위해서도 차량을 가볍게 하고 싶다. 하지만, 차체를 가볍게 하더라도, 충돌안전기준∙평가의 강화와 다양한 첨단 기능의 추가로 차량은 쉽사리 가벼워지지 않는다. 2020년대의 차체에 주어진 한 가지 과제는, 그러한 딜레마의 극복이다.

Part 1. 악순환으로부터의 탈피
가상 차체로 구조재를 줄인다

2020년대의 자동차의 차체는 어떻게 진화할 것 인가. 그것에 대한 열쇠를 쥐고 있는 것이, 쉽사리 가벼워지지 않는 차량에 도전하는 것이다. 그리고, 그것을 위한 노력으로서 자동차 업체가 힘을 쏟고 있는 것이,「가상 차체」「알루미늄(AI) 합금의 채용 확대」「탄소섬유강화수지(CFRP)의 활용 방법」의 세 가지 분야이다.

“기존의 연장선이 아닌 혁신이 요구되고 있다.” 이렇게 말하는 것은 자동차 업체의 한 기술자이다. 그 배경에 있는 것은, 연비∙이산화탄소(CO₂) 배출 규제의 강화이다. 유럽에서는, 2021년에 CO₂ 배출량의 기준치를 현재의 130g/km에서 95g/km으로 낮추고, 2025년에는 68~68g/km으로 낮추는 것을 검토 중이다. 미국에서는, 기업 평균 연비(CAFÉ)를 2017년의 41.4mpg(132g/km)에서 2025년의 61.5mpg(89g/km)으로 연율 5%로 끌어올릴 계획이다.

이러한 배경으로, 대다수의 자동차 업체가 내놓고 있는 것이 전동차량 비율의 향상이다. 다만, 이것만으로 늘어가는 엄격한 규제에 대응 할 수 있다는 보증은 없다. 전동차량을 선택할지 여부는, 소비자의 판단에 맡기고 있기 때문이다.

그래서 중요성이 높아지고 있는 것이, 파워트레인의 효율화와 차량의 경량화이다. 아서 D 리틀의 보고서「차체경량화에 관련된 구조 기술, 구조재료에 관한 과제와 개발 지침의 검토」에 따르면, 가솔린 차의 주행 시의 에너지는, 파워트레인에서 75%, 주행 저항으로 25% 소비된다. 주행 저항은 공기 저항, 가속 저항, 구름 저항, 단 저항의 총계로, 공기 저항 이외에는 차량질량에 비례한다.

실제로, 자동차 업체들은, 차체를 가볍게 하는 노력을 계속해왔다. 다만, 현실은 엄격하다. 앞서 말한 기술자에 따르면, 최근의 자동차는 대체적으로 차량으로서는 가벼워져 있지 않다. 차체를 경량화하여도, 강화된 충돌안전성기준∙평가에 대한 대응과 선진 기능(전동화와 고도운전기술시스템, 차량정보기기 등)의 추가로, 그 만큼 무거워진다고 하는 악순환이 있기 때문이다.

-- 가상 차체로 경량화의 한계를 돌파 --
그래서 주목한 것이, 독일 다임러의「가상 자체」라고 하는 컨셉이다. 이 회사의 기술자가 2016년 9월에 독일에서 개최된 자동차 차체 관련 학회인 「Aachen Body Engineering Days 2016(ABED2016)」에서 발표했다. 이 컨셉은, 물리적인 차체보다도 큰 가상의 차체를 전기적 충격 흡수 존으로 설정하고, 가상의 차체에의 충격을 감지했을 때에 충돌의 피해를 경감하는 움직임을 취한다 라고 하는 것이다. 앞서 말한 악순환으로부터 탈피하는 한 가지의 원동력이 될 것이다.

-- CAFE 규제가 AI 합금의 적용을 견인 --
단, 가상 차체의 개념을 담은 차체 구조는, 안전기준과 설계의 근본적인 재검토가 필요해지므로 실현에는 아직 시간이 필요하다, 이 때문에, 대부분의 자동차 업체는, 기존 강판의 고장력화에 더해, AI 합금과 CFRP의 활용을 시야에 넣으면서, 보다 나아간 경량화를 목표로 하고 있다.

특히, AI 합금의 활용이 크게 확산될 것 같은 것이 기업 평균 연비(CAFÉ) 규제가 점점 엄격해지고 있는 미국이다. “4~5년 전에는 연간 10만톤에도 미치지 못했던 자동차용 AI합금판의 미국수요는, 2020년에는(15배가 넘는) 연간 150만톤으로 확대될 가능성이 있다.” 라고 UACJ 영업본부 자동차 재료 부장은 밝힌다.

-- 리사이클로 低비용화의 가능성 --
미국 용의 픽업 트럭과 SUV가, 차체의 AI합금의 적용할 곳으로 유망한 이유는 한 가지 있다. 이익률이 높고, 잘 팔리는 상품의 양산상품이기 때문이다. 미환경보호국(EPA)가 공표한 수치에서는, 모델이어(MY) 2015의 미국에 있어서 LDVs(승용차와 경트럭)의 생산대수 중, 픽업차량과 SUV가 차지하는 비율은 GM사가 68.8%, FCA사가 63.6%, Ford사가 60.5% 토요타가 45.9%이다. 미국에서 픽업 트럭과 SUV가 얼마나 잘 팔리는지를 알 수 있다. 실제로, Ford사의 F-150은 인기 차종으로, 이 회사를 2015년 통기(1~12월)의 증수(增收)증익(增益)(전년도 대비 3.8% 증수, 전년 대비 20%의 증익)으로 크게 공헌했다고 보여진다.

-- 재료와 제작법의 다양화가 적용을 후원 --
하나 더 있는 흐름이, CFRP의 적용의 확산이다. “2020년 무렵부터 차체에 CFRP의 사용이 증가하고, 2025년에는 그 5배 정도로 확대된다. 2020년에 연간 2만톤, 2025년에 연간 10만톤의 탄소섬유(CF)의 수요를 기대할 수 있다.” 이렇게 말하는 것이, 미쯔비시 레이온(Mitsubishi Rayon)에서 콘텐츠제품사업부의 나카고시 부장이다. 부장은, 그 근거로서 “미국, 유럽, 미국의 자동차 업체에서도, CFRP의 적용을 검토하고 있을 때에는 적어도 10개 사는 있다. 2017년에는 유럽의 2개 사가 있는 차종에서 루프에 CFRP를 적용한다. 2016년 9월에 발매되는 유럽 업체의 한 차종에서도 테일게이트에 CFRP를 사용하고 있다.” 라고 밝힌다.

●3D프린터로 오리지널 차체
2020년대에 위한 차체의 진화에 관해서도 한 가지 놓쳐서는 안 되는 움직임이, 3D 프린터의 활용이다. 3D 프린터를 사용하는 이점은, 특정의 유저에게 한정한 희소성이 높은 차체를 만들 수 있게 되는 것과, 차체를 단기간에 만들 수 있게 되는 것이다.

그것의 좋은 사례가, 혼다와 카부쿠(Kabuku)가 공동으로 개발한 소형 전기자동차(EV)이다.「하토 사브레(Hato Sabure)」로 유명한 도시마야(豊島屋)의 배달 차량용으로 개발한 것이다. 혼다의 소형 EV「MC-ß」를 바탕으로, 사이드 도어 등을 제외한 외장부품 20여개를 3D 프린터로 직접 조형했다. MC-ß에서는 파이프의 프레임 만으로 초소형 이동수단에 요구되는 충돌안전성을 확보하고 있고, 외장부품의 설계자유도는 높다.

한편으로, 자율 주행 셔틀 버스「Olli」의 차체를 3D 프린터로 제작한 것이 미국 Local Motors사 이다. 특징적인 것은, 3D 프린터로 부품을 직접 조형하는 것 만이 아닌, 3D 프린터로 간이형을 만들고 부품을 진공 성형하고 있는 점이다. 미래에는, 이 간이형을 사용하여, CFRP제의 부재를 만드는 생각도 있다고 한다.

이와 같이, 고속으로 주행하지 않는 새로운 장르의 이동수단에서는, 3D 프린터로 제작한 차체는 이미 현실의 물건이 되어 있다. 통상의 자동차에서도, 부딪치지 않는 자동차가 실현된다면, 3D 프린터의 활약의 장은 더욱 확산될 가능성이 높다.

Part 2. NSX, 프리우스 PHV로 배우다
알루미늄과 CFRP로 구조를 단순화

차량이 가벼워지지 않는다 라고 하는 악순환에서 탈피하는 한 가지 방법이, 차체의 경량화를 보다 더 추진하는 것이다. 그래서 열쇠를 쥐는 것이, 알루미늄(AI) 합금과 탄소섬유강화수지(CFRP)라고 하는 경량 재료와 선진적인 강판의, 재료∙제조법의 장점을 살려 활용하는 것이다. 혼다「NSX」, 토요타자동차「프리우스 PHV」에 있어서 경량재료의 활용술과 향후 등장할 새로운 제조법을 탐색한다.

“무엇이 최적인지, 제로부터(검토를) 시작했다.” 혼다의 신형 슈퍼카「NSX」(2세대)의 차체 설계에 관계된 혼다기술연구소의 마츠우라 연구원의 말이다.

이 회사는 1990년, 초대 NSX를 개발했다. 전부 AI 합금화를 도모한 차체는 업계로부터 큰 주목을 모았다. 그로부터 나아가, 2세대 NSX에서는 AI 합금 주체의 멀티 머티리얼의 차체로 변경했다. 게다가 차체의 기본 구조도, 초대 NSX에서 채용하고 있던 판(板) 재료를 주체로 껍데기 상태의 구조체를 사용하는 모노코크 구조가 아닌, 기둥과 빔(Beam)의 역할을 하는 관(管) 재료로 골격을 구성하는 스페이스 프레임 구조로 변경했다.

2세대 NSX의 화이트 보디(BIW)의 질량은 216kg이다. 사실은, 초대보다도 16kg 무겁다. 단, 이것은 많은 경량화 노력의 산물이다. 초대와 비교해 차체 크기도 용적도, 차체로 받아내는 출력도 크게 되어 있기 때문이다. 차체 수치와 휠베이스는 초대가 전장 4430 x 전폭 1810 x 전고 1170, 2530mm 이며, 2세대가 전장 4490 x 전폭 1940 x 전고 1215mm, 2630mm 이다. 시스템 출력은 순서대로 206kW와 427kW라고 한다.

-- 압출재(押出材)와 주물(鑄物)의 이점에 착목 --
스페이스프레임 구조의 한 가지 이점은, 골격과 디자인을 명확하게 구분할 수 있는 것이다. 필요한 강성과 강도를 확보하기 위해 질량이 커지기 쉬운 골격의 부재를 차륜의 내측에 모으기 쉽다. 게다가, 골격의 긴 방향을 차체에 더해지는 하중의 방향과 일치시키는 것으로, 보다 작은 질량으로 보다 큰 강성을 가지게 한다. 높은 운동성능이 요구되고, 적절한 질량배분과 높은 강성, 가벼움이 중요한 슈퍼카에 있어서, 안성맞춤의 구조라고 할 수 있다.

-- 융제 주조(Ablation Casting)의 발전 활용 --
2세대 NSX에서는, 같은 주물이라도 융제 주조로 불리는 방법을 활용한 부위도 있다. 프런트의 서스펜션 부착부(상하 좌우로 4개소)와, 리어 서스펜션의 부착부(좌우로 2개소)이다.

사실은 2세대 NSX에서는, 요잉(Yawing)의 관성 모멘트(Momnet)를 저감하고 차량의 응답성을 높이기 위해, 프런트와 리어의 오버행을 짧게 설계하고 있다. 짧은 오버행이라도 전면 충돌의 에너지를 충분히 흡수할 수 있도록, 서스펜션 부착부의 주물을 에너지 흡수 부재로서도 활용했다.

-- 모노코크 구조에서도 골격에 AI 합금 --
2세대 NSX의 사례는, 생산대수가 적은 슈퍼카 이기 때문에 확실히 특수한지도 모른다. 다만, 거기에는 AI 합금의 장점을 얼마나 끌어내는가의 힌트가 숨겨져 있다. 예를 들어, 독일 Audi사의 신형 SUV「Q7」에서는, 모노코크 구조이면서도, 루프의 크로스 멤버(Cross member)에 AI 합금의 압출재를 사용한다. 그로 인해, 한 가지의 부재로 내판과 보강재를 겸하게 하고, 골격과 결합부를 보다 심플한 구조로 하는 것이 가능하게 되었다. 이 아이디어는, 2세대 NSX와 공통된다고 말해도 될 것이다.

-- 백 도어의 골격에 CFRP를 적용 --
AI 합금 정도는 아니지만 CFRP도 차체에 적용이 추진되어 오고 있다. 예를 들어, 토요타자동차에서는, 2017년 초에 시장 투입 예정인 차기 플러그 인 하이브리드 차(PHEV)「프리우스 PHV」의 백 도어의 골격에 CFRP를 채용했다. 이 회사의 기술자에 따르면, 만일 AI 합금을 채용한 경우와 비교해도 약 40% 경량화 가능했다고 하고 있다.

이 회사가 백 도어의 골격에 CFRP를 채용한 것은, 첫째로, 택트 타임(Tact time)이 짧아지고 양산차에 적용이 가능해졌기 때문이다. 둘째로, 백 도어의 골격이 CFRP의 강성과 강도를 살리기 쉬운 구조의 것이었기 때문이다. 앞선 기술자에 따르면, 채용한 것은 미쯔비시 레이온의 탄소섬유(CF)가 들어간 SMC(시트 몰딩 컴파운드)이다. 모재(母材)가 되는 열경화성의 비닐에스터에 20~30mm의 탄소섬유를 넣은 프레스 성형 가능한 시트로, 프레스 성형의 택트 타임은 3~5분간 이라고 한다. 월 생산 5000대는 할 수 있는 속도로 하고 있다.

-- 도어 빔 등에 인발(引拔)성형제품 --
한편, 1~2년 후의 실용화를 목표로, 탄소섬유(CF)와 유리섬유(GF)를 변용한 섬유강화수지(FRP)제의 도어 빔을 인발 성형으로 양산하는 기술을 확립한 것이 독일의 폭스바겐이다. ABED2016에서 발표했다.

    -- 끝 --