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신소재/부품 자동차의 경량화 - CFRP

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-03-26 11:59:00
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자동차의 경량화를 위한 플라스틱 재료의 개량

 

(1) 트랜스미션 부품 등에 사용되는 장기 내구성 나일론의 개발

 

내열재료인 폴리아미드 수지의 나일론을 개발하여 유명해진 미국의 DuPont는 그것을 지속적으로 개량하고 있다. 새로운 화학구조를 가진 고분자 골격, 새로운 개질 기술, 첨가제 처방 등으로 인해 기존의 나일론의 제품 설계 및 가공의 용이성을 유지하는 한편, 열과 화학약품에 뛰어난 장기 내구성을 갖추게 하고 있다.

그들은 용도에 대한 요구사항에 맞추어, 각각의 제품에 최적화하고 있다. 대상이 되는 자동차용 부품으로는 트랜스미션 부품 등이 있다.

 

(2) 자동차 전장 부품에서부터 피스톤에까지 사용되는 DuPont 베이스레진 복합

 

DuPont는 폴리프탈아미드(PPA) 수지를 개발하면서 베이스레진으로서 지방족아민과 다양한 특성을 갖는 방향족산으로 이루어진 두 종류의 베이스레진을 사용하여, 요구 특성에 대해 이 두 종류의 베이스레진을 기본 요소로 구성한다. 얻어진 내열기성 PPA는 180℃의 열기에 3천 시간 노출된 후에도 높은 강도를 유지하기 때문에, 호스나 CAC 엔드 탱크 부품 등에도 이용할 수 있다. (PPA 자이텔® HTN) 주요 용도는 다음과 같다.

 

비강화 : 자동차 전장 부품/와이어 하네스 커넥터 등

유리강화 : 변속기/냉각수 관련 부품, 엔진 회전 메커니즘 부품, 유압 피스톤, 실린더, 모터 엔드 캡

 

(3) 사출 성형 가공이 가능한 가교형 PEEK 개발

 

독일의 에보니크는 미국의 그린 트위드 앤 컴퍼니와 함께 변형온도를 170℃에서 300℃ 이상으로 높인 고가열성 가교형 PEEK ‘ARLON 3000XT’를 개발했다. PEEK 수지의 높은 접동 특성 및 훌륭한 내유성ㆍ내약품성에 더하여 가교 구조에 따라 고온에서도 변형하지 않고 높은 강도를 유지할 수 있기 때문에, 엔진이나 변속기 내부에 사용되는 접동 부품(오일 실 부품 등)으로서 3~5년 후의 시판 모델에 탑재할 것을 목표로 하고 있다. 이러한 가교형 PEEK는 사출 성형 가공이 가능하여 설계의 자유도가 높기 때문에, 금속에 비해 비용이 비싸긴 하지만, 전체 비용은 낮출 수 있으며, 철이나 열경화성 폴리이미드를 대체할 수 있다.

 

 

플라스틱 재료와 가공 기술 개발

 

고급 승용차의 내장에도 채용된 높은 질감의 TPS 개발

 

미츠비시 화학은 새로운 사출 성형 공법을 생각하여, 그 방법에 적합한 TPS ‘라바론 TM’을, 독자적인 폴리머 조성과 컴파운드 기술 및 화학 수식 개질 기술을 통해 개발하였다. 기존의 TPS 범용 그레이드는 내마모성, 내흠집성, 내유성이 각종 자동차용 내장 부품 규격에 부적합하며, 자동차 부재용으로는 컵홀더용 미끄럼방지, 각종 가동부분의 눈가리개 커버 및 안전확보용 커버, 충격 보호 커버로서 사용하는 데에 그쳤었다.

 

고급 승용차나 그와 비슷한 수준의 상위 그레이드에 속한 내장 패널 부재와 관련해서는, 고품질의 질감이 요구되는 케이스가 많으며, 설비의 도입, 부품 구성의 복잡화, 공정 수의 증가로 인해 부품 비용이 높아진다는 문제점이 있었다. 그래서 사출 발포 표피 2색 성형 공법과 같은 공법을 만들고, 그에 적합한 재료를 개발하였다.

 

그 결과 고도의 내마모성, 내흠집성, 좋은 감촉을 충족하였고, 도장이나 코팅과 같은 표면처리를 하지 않고도 각종 자동차 내장 부품, 예를 들어 그립류나 풋 브레이크 페달 패드 등 발 주변 부재 등에도 많이 채용되고 있다.

 

또한 그러한 특징을 높은 수준으로 유지하면서 내열성을 가진 고유동성 그레이드도 라인업하고 있다. 이 그레이드는 대형 부재의 사출 형성성, 표면의 전사성이 대폭 향상되어, 사출 박육 표피 성형 공법 및 사출 박육 표피 2색 성형 공법 등 무도장 사출 성형 표피재로서 적용할 수 있다.

 

 

CFRP 기술 개발의 최신 동향 ~ CFRP, CFRP의 개발 사례

 

자동차에 대한 CFRP의 적용은 연구 단계에 있다.

 

유리 섬유 강화 GRP는 열가소성 수지, 열경화성 수지 등 다양한 수지와 조합함으로써 자동차 업계에서도 널리 이용되어 왔지만, CFRP의 자동차에 대한 적용은 그 생산성을 포함하여 연구 단계에 있으며, 본격적으로 채용하기 위해 각개각층에서 검토가 이루어지고 있다.

 

CFRP란?

CFRP란 Carbon Fiber Reinforced Plastics의 줄임말로서, 탄소섬유 강화 플라스틱을 가리킨다. CFRP는 PAN계, 피치계의 탄소섬유와 에폭시 수지 등을 조합하여 만들어진다. CFRP는 무게가 가볍고 강도가 높다는 특징이 있어, 자동차의 프로펠러 샤프트 등에 사용된다.

섬유강화 플라스틱(FRP)에는 다양한 종류가 있다. 각각의 특징을 알고 싶다면 아래의 기사를 참고하기 바란다.

 

항공기 B787CFRP 사용중량비는 50%가 넘는다.

 

CFRP 기술은 항공기 업계에서 특히 개발되고 있으며, 보잉의 항공기 B787에서는 그 사용중량비가 이미 50%가 넘는다. 이러한 CFRP는 고강도, 고강성 등의 역학적 성능을 가장 중요시하며, 탄소섬유와 열경화성 수지를 오토 크레이브 중에 가열경화 형성한다. 하지만 비용이 매우 높아, 일반 비행기나 자동차에 모두 적용하기에는 생산성이 떨어지기 때문에, 양산은 시간이 좀 걸릴 것으로 판단된다.

 

CFRP에는 그밖에도 RTM, 프레스법, 사출 성형 등의 제작 방법이 있다.

 

CFRP를 만드는 방법으로는, 위의 오토 크레이브법 외에도 틀 안에 강화섬유를 넣고 그곳에 경화제가 포함된 모재 수지 재료를 주입하여 가능한 한 빨리 경화하도록 한 레진 트랜스퍼 몰드(RTM)법, 단섬유장의 탄소섬유와 열가소성 수지를 혼연하여 프레스하는 프레스 성형법, 그리고 짧은 탄소섬유와 혼연하여 사출 성형하는 방법 등이 있다. 제조비용과 그 역학적 안전성과는 역상관 관계에 있다.

 

자동차용으로는 역학특성과 성형성이 균형을 이루는 제조법, 재료의 개발이 요구되고 있어, 각개각층에서 연구하고 있다. 이제 최신 사례를 소개한다.

 

 

GFRP, CFRP의 개발 사례

 

중공체(中空体) GFRP 개발 (2018.01.12.)

 

쿠리모토 철공소는 마쓰다와 함께 자동차의 핸들 등을 지지하는 구조 부재의 크로스카 빔을 대상으로, 유리섬유 강화 수지의 중공체를 개발하였다. 기존의 철강제 크로스카 빔은 원통형이지만, 이번 GFRP제는 소재 특성을 살려 사각형으로 만들어진다. 중공체의 길이는 1,400mm이며, 통의 두께는 2.4mm이다. 연속 성형이 가능한 인발성형법을 채용함으로써 생산비용을 낮추고, 가벼우면서 강재와 동일한 강도를 확보하고 있다. 강재를 사용하는 기존 부품과 강도가 동일하며, 중량은 약 30%가 가볍고, 생산비용도 낮출 수 있다.

유리섬유를 사용한 인발성형법을 통해 비용을 낮추어, 자동차 구조체에 적용할 수 있게 되었다.

 

열가소성 CFRP(CFRTP) 개발(1) ~NEDO ISMAPJ (2017.10.16.)

 

NEDO와 신구조 재료 기술 연구조합(ISMA)의 조합원인 나고야 대학 내셔널 컴포지트 센터(NCC)는 성형성ㆍ융착성이 뛰어난 열가소성 수지와 탄소섬유를 혼연한 LFT-D(Long Fiber Thermoplastics–Direct) 공법과 열가소성 CFRP가 융착이 가능하다는 이점을 살린 초음파 융착법을 통해 섀시 부재를 접합함으로써 열가소성 CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱)로만 이루어진 자동차용 섀시 제작을 세계 최초로 성공시켰으며, 열가소성 수지와 탄소섬유의 공급에서부터 최종 제품에 이르기까지의 과정을 모두 자동 생산하는 시스템을 구축할 수 있게 하였다.

 

열가소성 CFRP(CFRTP) 개발(2) ~ 테이진 - GM 연합 (2018.03.10.)

 

테이진의 탄소섬유와 열가소성 수지를 사용한 복합 재료(CFRTP)가 미국 GM의 주력 빅업 트럭의 새로운 모델의 차체 구조재로 채용되었다. 테이진의 CFRTP는 폴리아미드 수지 등의 열가소성 수지를 사용한 복합재료로서, 박스ㆍ헤드라 불리는 짐받이의 안쪽을 구석하는 패널 부품으로서 사용될 예정이다. 화물을 싣고 내리는 작업을 버틸 수 있는 강도와 충격흡수성 말고도 지금까지의 강판 부품에 비해 25% 경량화할 수 있다는 점이 포인트이다. 이 CFRTP의 성형 시간은 1분 정도로서 대량생산이 가능하며, 제조비용에서도 우위성을 가지며, 양산 자동차의 구조재에 CFRTP가 사용되는 것은 이것이 세계 최초이다.

 

 

자동차 개발의 멀티 머티리얼화 대응 기술 최신 동향 ~ 2가지 사례

 

CFRP를 사용한 대형 일체부품 (2017.06.19.)

 

토호 테낙스는 대형 버스용 루프 커버를 제조할 때 기초 설계 단계에서부터 GH크래프트와 협력하여, 동사가 자랑하는 CFRP(열경화 탄소섬유 강화 플라스틱) 재료에 더하여, 알루미늄 및 경량 엔지니어링 플라스틱 등을 사용하는 멀티 머티리얼의 일체화 기술을 구축하였다. 이로 인해 고외관성, 복잡한 형상, 양산성을 만족하는 루프 커버라는 대형 일체 부품을 제조하고, 도요타의 연료전지 버스(FC버스)에 채용되고 있다. 버스는 그 구조상, 특히 차체 위쪽을 경량화할 필요가 있기 때문에, 이러한 각종 재료의 일체화 기술은 앞으로도 중요시될 것으로 보인다.

 

3D 프린트 자동차 (2018.03.26.)

 

인터내셔널 매뉴팩추어링 테크놀로지 쇼 2014(IMTS2014)의 회장에서 만들어진 세계 최초의 3D 프린트 자동차 ‘스트라티(Strati)’의 차체에는 탄소섬유로 강화된 ABS가 사용되었다. 그 차체의 중량은 불과 1,100파운드(약 500Kg)이다.

 

3D 프린트용 소재를 취급하는 중국 기업 Polymaker는 차체 등을 3D 프린터로 성형한 전기자동차 ‘LSEV’를 이탈리아의 EV 제조사, X Electrical Vehicle(XEV)과 함께 양산하겠다고 발표하였다.

 

 

정리

 

지금까지 경량화 기술의 최신 동향을 살펴보았는데, 재료 개발에 있어서는 수지의 복합화를 고려하여 경량화를 목표로 하는 부위에 필요한 특성을 실현해내기 위한 노력들이 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 또한 그렇게 얻어진 재료를 각 부품에 적용하기 위해, 가공성을 높이는 가공 기술에도 많은 노력이 기울여지고 있다. 휘발유 자동차는 3만 개 이상의 부품으로 이루어지며, 신소재의 적용은 언제나 그 밖의 부품들에 영향을 미친다. 자동차의 멀티 머티리얼화 시대, 이종재료간의 접착, 조립 가공의 공정 수 절감 등 재료성능의 확립과 함께 해결해야 할 과제는 많이 있으며, 연구 개발 역시 자동차 제조사를 중심으로 부품 제조사, 재료 제조사가 연계하는 일이 더욱 더 많아질 것으로 보인다

 

출처 : https://minsaku.com/category03/post234/

 

 

 

[자동차 경량화 글로벌 트렌드와 소재별 핵심기술 개발전략] 보고서 상세 보기

http://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=01000000&goods_idx=83608&goods_bu_id=

 

 

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