1) 계속되는 자동차 경량화에 대한 요구

 

자동차 업계에서는 연비 성능 향상에 의한 환경부하 저감이나 운동성능의 향상 등을 달성하기 위해 오랜 시간동안 차체의 경량화에 대응하고 있다. 최근 대기오염이 심각해짐에 따라 배기가스 규제가 단계적으로 강화되고 있어 경량화에 의한 연비 향상은 이전보다 중요시되고 있다.

 

또, 연비 향상을 위해 가솔린 엔진에서 하이브리드, EV로 동력이 바뀌고 있지만 배터리에 의해 중량이 증가되고 있어, 차체의 경량화는 변함없이 대응할 수밖에 없는 중요한 과제라고 할 수 있다.

 

차체의 경량화에 있어서는 차체 구조의 재검토와 구조재의 대체가 많이 실시되고 있다. 예전에 자동차의 차체는 대부분 무거운 철강재를 사용하여 만들어졌다. 이것을 대체하는 소재로 탄소와 니켈 등을 극소량 첨가하여 강도를 향상시킨 하이텐(고장력강)이 많이 이용되고 있다.

 

하이텐을 사용하여 구조재를 얇게 하는 것이 가능해져 차체가 경량화되는 것이다. 그러나 강성이 필요한 부분에서는 두께를 얇게 하는 것에 한계가 있어 다른 부분에서의 소재 변경에 따른 경량화가 필요하게 되었다.

 

다음으로 많이 사용된 것이 비중이 철보다 가벼운 알루미늄과 마그네슘, 티타늄 합금이다. 알루미늄 합금은 엔진과 후드 등 차체의 많은 부분에서 이미 사용되어 경량화에 크게 기여하고 있다. 그러나 이러한 합금은 강재에 비해 가격이 비싸고 용접이나 프레스가 어려운 등 가공성에 문제가 있어, 이용에 있어서는 많은 과제가 존재한다.

 

거기서 주목받고 있는 것이 수지 소재이다. 금속 재료로 만들어지던 것을, PA(폴리아미드), PC(폴리카보네이트) 등의 고기능 수지 소재(엔지니어링 플라스틱, 엔프라)나, CFRP(탄소섬유강화플라스틱)로 변경하는 다양한 대응이 이루어지고 있다.

 

대기오염에 노출된 도시, 출렁이듯 변동하는 휘발유 가격, 수력 파쇄나 해양 굴삭이 환경에 미치는 영향에 대한 우려 등, 승용차든 상용차든 연비를 향상시켜야 만하는 이유는 수없이 많다.

 

연비 향상을 위한 가장 바람직한 방법 중 하나로, 자동차의 경량화가 있다. 차체가 가벼워지면 가벼워질수록 소비 연료는 줄어들고, 연료가 줄어들면 줄어들수록 공기는 깨끗해지고 고갈이 예정되어 있는 화석연료에 대한 의존도 줄일 수 있다. 즉, 자동차 경량화는 현 상황에서 대처할 수 있는 가장 현명한 대응책이라고 할 수 있다.

 

미국 정부의 입장도 다르지 않다. 미국 교통부는 1975년부터 엄격하게 기업평균연비규제제도(CAFE: Corporate Average Fuel Economy) 기준을 완성차업체에 부과하고, 연료 소비량을 저감하지 못하는 완성차업체는 엄하게 처벌해 왔다.

 

연비 효율에 관한 기준 인상의 차기 회담이 곧 개최될 예정이며, 2025년까지 자동차와 경트럭의 평균 연비를 1갤런 당 54.5마일(약 23.1㎞/ℓ)로 하는 것이 요구될 것으로 전망된다.

 

이러한 기준의 근원이 되는 계산은 복잡하기 때문에 다소 해석에 차이가 있을 수 있지만, 완성차업체와 그 부품 공급 제조업체가 경량이면서 연비 효율이 뛰어난 자동차 부품을 설계ㆍ생산하는 어려운 싸움을 향후 수십년간 계속해야 한다는 것은 확실하다.

 

규제를 받아 시장이 주도하는 이러한 재설계 대처에 의해서, 자동차 부품 제조업체의 제품 개발 활동에 천재일우의 기회가 생기고 있다.

 

상업 부문에서도 설계의 간소화, 경량화, 재료수를 줄일 수 있는 기회는 산더미만큼 존재하고 있으며, 그것들은 모두 소비자에게나 지구에 있어서도 유익한 것이다.

 

제품ㆍ부품의 경량화 활동은 대개 시작품을 만드는 것에서부터 시작되며, 시작품에 있어서 가장 중요한 것은 ‘소재와 제법의 선택’에 있다. 자동차 경량화의 열쇠는 소재와 제법의 선택에 있다.

 

2) 소재의 선택

 

(1) 마그네슘으로의 시프트

 

경량화에 대한 대응에 착수함에 있어서 잊지 말아야 할 것 중의 하나는 작은 것에서부터 시작해야 한다는 것이다.

 

18륜 차량용 트랜스미션 하우징의 연비 효율을 높이기 위한 재설계가 아닌 이상, 부품의 무게를 50파운드까지 줄일 필요는 없다. 그렇지 않고 승용차 각각의 구성 부품에서 몇 온스(약 28.35g), 혹은 그 중 약간의 중량을 경감하는 것만으로도 기업평균연비규제제도(CAFE)에 적합하도록 명확한 길을 마련할 수 있다.

 

예전에는 못이 필요했던 만큼 무거웠던 승용차의 백미러를 예로 들면, 현재는 대부분 마그네슘제 프레임과 플라스틱제 셸에 의해 만들어지고 있으며, 게다가 기존의 중량 모델과 같은 강도와 기능을 유지하고 있다.

 

포인트는 대체재와 정묘한 설계에 의해 비용과 요구되는 요건을 충족시키면서도 경량화한 제품을 개발하는데 있다. 오늘날에는 수많은 시작용 소재나 고도의 제조기술을 사용할 수 있게 된 덕분에 예전에는 불가능했던 설계 테스트의 반복, 나아가서는 설계 테스트를 병행하여 실시할 수 있게 되었다.

 

예를 들면, 4도어 Studebaker Lark의 2019년 모델 체인지를 위해서 헤드라이트 베젤을 경량화시키려면, 소재 선정에 있어서는 마그네슘부터 검토하기 시작하는 것이 효율적일 것이다.

 

마그네슘은 모든 구조용 금속 중에서 가장 가볍고(밀도는 1세제곱피트(ft³)당 106파운드), 강도 무게비가 가장 높은 소재다. 자동차, 항공우주, 의료, 전자의 각 산업에서 확고한 실적을 가지고 있으며 연료탱크에서 변속장치까지의 모든 제품에 이용되고 있다.

 

또 마그네슘은 인체에 대량으로 포함되어 있는 무기물 중 하나이기 때문에 생체 적합성뿐만 아니라 생분해성도 있다. 따라서 생분해성 폴리머로부터 만들어지는 것 이상의 강도가 요구되는, 자기융해성의 나사, 핀 등의 임플란트 소재로서 마그네슘을 선택하는 것은 합리적이다.

 

마그네슘은 통상 다양한 시작품 부속품의 절삭가공으로 이용된다. 경량화시, 제2의 선택사항인 알루미늄과 비교하면 마그네슘은 1파운드당 가격은 비싸지만 33% 가볍고 고강도이기 때문에 비용 차이는 상쇄된다.

 

또, 마그네슘은 머시닝 가공이 용이하다는 장점도 있다. 단, 마그네슘은 산소가 많은 환경에서는 연소되기 쉽기 때문에 미세한 칩이나 금속입자 제어에 주의가 필요하다.

 

BMW는 2005년부터 N52형 6기통 엔진의 크랭크 케이스와 실린더 헤드 커버에 마그네슘을 채용하고 있다.

 

폭스바겐 비틀에는 수십 년 전부터 마그네슘합금이 엔진 블록에 탑재되어 왔다. 가열로 라이너의 경량화를 도모하는 것이 아닌 이상, 많은 각종 부품에 있어서 마그네슘은 최고의 선택사항이 된다.

 

완성차업체 BIG 3에서는 마그네슘의 활용에 있어서도 의욕적인 모습을 보이고 있다. 제너럴모터스는 Corvette Z06의 엔진 크래이들(Engine cradle)에 2006년부터 다이캐스트제 마그네슘을 사용하기 시작했고, 기존 설계와 비교해 12파운드의 경량화를 실현했다.

 

포드 모터는 2010년 링컨 MKT의 리프트 게이트, 나아가서는 2011년 포드 익스플로러의 뒷좌석에 마그네슘을 채용했다. 크라이슬러 그룹은 2011년, 지프 그랜드 체로키에 마그네슘제 대시보드를 도입하고 하이웨이 연비 1갤런 당 23마일을 달성했다.

 

즉, 국내외의 완성차업체는 강도 개선과 경량화를 도모하기 위해 하나같이 마그네슘으로 시프트하고 있는 것이다. 마그네슘은 바닷물에서 추출되기 때문에 공급에 부족함을 겪을 염려도 적다.

 

(2) 플라스틱 대체품

 

경량화 측면에서 마그네슘과 알루미늄은 스틸을 대신할 뛰어난 소재인 한편, 열가소성 수지와 열경화성 수지에도 확실한 가능성이 있다. 금속 부품을 대신해서 액상 실리콘 고무(LSR)나 유리ㆍ금속ㆍ세라믹 함유 폴리머를 폭넓게 채용함으로써, 제조비용과 중량을 경감하고 나아가 내구성을 향상시킬 수 있다.

 

폴리프로필렌은 연질이면서 내피로성을 갖고 있는 열가소성 수지로 인성과 경량이 요구되는 자동차의 내장이나 전장, 정체, 인공장구 등의 제품에 자주 이용되고 있다.

 

폴리프로필렌에는 호모폴리머, 임팩트 코플리머, 랜덤폴리머의 3종류가 있다. 후자 2가지는 저온에서 뛰어난 강도 무게비와 내충격성을 보이기 때문에 엔지니어링에 적합한 그레이드의 소재로 판단된다.

 

폴리프로필렌은 모두 내열성을 갖고 있으며 녹는점은 약 화씨 300℉(섭씨 149℃)이다. 또 전자레인지에서 사용 가능하며 성형품을 반투명하게 하거나 착색할 수도 있기 때문에 식품보관용 용기나 그 외의 다른 종류의 경량 포장에 자주 사용되고 있다.

 

폴리에틸렌에는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 있다. 고밀도 폴리에틸렌의 용도와 기계 특성은 폴리프로필렌과 비슷하지만 강성과 휨내성은 폴리프로필렌보다 뛰어나다. 저비용이면서 강도가 비교적 높기 때문에 지중관이나 수조, 약품 저장탱크에 널리 이용되고 있다.

 

또 다른 저밀도 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌에 비해 밀도가 낮고 연질인 소재로, 추출용기나 랩, 미끄럼틀 등에 이용되고 있다. 두 소재 모두 인성과 경량이 요구되는 용도에 적합하다.

 

ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)는 뛰어난 내충격성과 인성을 지닌 열가소성 수지이다. 대시보드 트림, 전자 인클로저, 휠캡 커버와 같은 자동차 용품에 금속 대신으로 사용되는 경량소재이다.

 

사출성형된 ABS는 난연성과 대전방지성 중 어떤 그레이드에서도 여러 가지 성격으로 이용 가능하며, 경량 소비재, 의료ㆍ전기제품 등의 다양한 용도에 채용할 수 있다.

 

대부분의 승용차에서는 경량화를 목적으로 크롬도금 가공된 ABS제의 휠캡이 사용되고 있다. ABS제 그릴과 펜더플레이어도 마찬가지로 사용되고 있다.

 

또 미국에서 최초로 3D프린터로 제작한 2인승 전기자동차 ‘스토라티(Strati)’의 차체에도 탄소섬유로 강화된 ABS가 이용되었다. 그 무게는 불과 1,100파운드에 지나지 않는다.

 

폴리카보네이트는 열성형성이 뛰어나며 시스루 건축용 패널, 안경렌즈, 산업용 컴퓨터 화면 등, 중량이나 파손의 우려로 인해 유리 사용이 부적합하다고 여겨지는 제품에 자주 사용되고 있다.

 

폴리카보네이트는 내충격성이 보통 유리의 250배나 되는데도 무게는 그 절반에 불과하다. 그 때문에, 방탄유리나 항공기 창문에 폴리카보네이트(또는 같은 부류의 연질성이 조금 높은 아크릴)가 자주 사용되고 있다.

 

나일론도 중량 강성 비율과 기계특성을 높일 목적으로 광물섬유나 유리섬유가 충전되는 경우가 많다. 이것에 의해서 나일론은 제조회사에서 이용할 수 있는 플라스틱 중 가장 강도가 높은 소재 중 하나가 된다.

 

나일론에는 자활성과 내열성이 있는 것 외에 내마모성에도 뛰어나기 때문에 스프로켓, 팬 블레이드, 기어, 래치, 마니홀드, 베어링면용 소재로서 유용하다. 나일론은 매우 경량인 소재로, 그 무게는 스틸의 15%, 알루미늄의 40% 밖에 되지 않는다.

 

아세탈은 통상, 머시닝 가공하는 시작품에 선호되는 소재이다. 유리섬유로 강화된 나일론소재를 필요로 하지 않으며, 뛰어난 강도와 경도를 가지고 있다. 단, 강성과 내클리프성을 높이기 위해 유리를 사용하는 경우가 있다.

 

아세탈은 보통 정밀한 금속 부품을 대신해서 여러 가지 공업용ㆍ가정용 제품, 예를 들면 전자ㆍ연료 장치용 부품, 동력 전달용 부품(기어, 부싱, 베어링, 그 외의 고성능 부품) 전용의 니즈가 있다.

 

액상실리콘고무(LSR)는 다수의 성형에 사용할 수 있는 소재이다. 2종류의 열경화성 소재를 저온에서 혼합해 뜨거운 금형으로 사출한다. 경화된 액상실리콘고무는 고강도임에도 불구하고 유연성도 있기 때문에 고도의 내열성ㆍ내약품성ㆍ전기 절연성이 요구되는 가스킷, 렌즈, 커넥터 등의 부품에 적합하다.

 

 

최근, 차량에서 액상실리콘고무가 이용되고 있는 부분에는 배선용 하네스, 패널 버튼, 스파크 플러그의 커버 등이 있으며, 합성수지는 폭넓은 용도로 사용되고 있다. 종류도 다양하며, 그 대부분은 스틸이나 알루미늄으로 만들어진 현행 제품을 경량화하는데 활용할 수 있다.

 

유망 신소재로서 Shore A 40(지우개 수준) ~ Shore D 80(볼링공 수준)의 경도로 성형 가능한 ‘CoolPoly’라는 특수한 폴리머를 들 수 있다. 히트 싱크, 조명 슈라우드 등 보통 알루미늄으로 만들어지는 열전도 부품의 대체품으로서 고안된 소재로, 부분 중량을 50%이상 경량화할 수 있다. CoolPoly는 경량화를 위한 큰 가능성을 내포하고 있으며, 전기자동차, 가전, 조명장치를 비롯해 그 용도는 셀 수 없이 많다.

 

3) 향후 검토 과제

 

(1) 자동차 경량화에서 3D프린터의 가능성

 

수지 소재에서 CFRP는 철강재 못지않은 강성을 지닐 수 있어 EV화를 통한 경량화가 요구되는 요즘 가장 주목받고 있는 소재라고 할 수 있다.

 

그러나, 매우 고가이며 가공에 시간이 소요되고 재활용이 어렵다는 등의 문제가 있어, 일부 고급차종이나 실험적인 차에 이용하는데 그치고 있다. 향후, 가공성 향상 등에 의한 이용의 확대가 기대되고 있다.

 

PA, PC 등의 고기능 수지 소재는 엔진 부품이나 내장, 연료 계통 등의 많은 부분에서 이용되고 있다. 다른 소재에 비해 가격도 저렴하고 금형을 사용한 양산도 가능하기 때문에 생산비도 낮출 수 있다.

 

또 이러한 수지는 3D프린터를 이용해 출력하는 것도 가능하다. 3D프린터를 사용하면 이러한 수지 소재를 사용한 차체 경량화를 위한 부품의 간이 시작품에서부터 고기능 시작품, 소형 로트의 최종 제품을 조형할 수 있다.

 

경량화와 고강성을 유지하기 위한 벌집 구조와 같은 복잡한 형상의 시작품에 있어서도 3D프린터에 따른 단기간, 저비용, 그리고 최종 부품과 똑같은 소재로 제작할 수 있다. 정밀도나 강성에 관해서도 목적에 맞는 조형 방식의 장치나 소재를 선택하여 고정밀도, 고강성의 부품을 조형할 수 있다.

 

또한 연마, 홀 가공, 도장 등의 후가공을 실시하는 것에 의해 보다 고품질의 최종 제품이나 장기간 사용 가능한 부품을 제작할 수 있다.

 

또 부품 자체를 조형할 뿐만 아니라 소형 로트 양산용 간단한 수지형, 형제작을 위한 마스터 모델도 3D프린터에 의해 제작할 수 있다.

 

자동차와 같이 개발 속도가 빠르고 고품질의 생산이 요구되는 현장은 3D프린터와의 친화성이 높아 적극적인 활용이 설계 개발의 속도나 깊이를 부가시켜 보다 고도의 정확도가 높은 제품을 생산하는데 열쇠가 된다.

 

자동차 업계뿐만 아니라 고객의 니즈나 시장의 변화가 빠른 현대사회에서는 변화에 대응하기 위해서 3D프린터 등의 새로운 기술을 적극적으로 활용하는 것이 바람직할 것이다.

 

(2) 경량화 검토 과제

 

스튜드베이커(Studebaker)의 재설계 프로젝트에서 사용하는 물 펌프를 통해 고찰해 볼 수 있다. 유리가 들어 있는 폴리카보네이트를 이용하면 임펠러를 경량하고 강인하게 만들 수 있으며, 놋쇠 배수전을 ABS나 폴리프로필렌 플라스틱으로 쉽게 교환할 수 있다.

 

백플레이트에 니켈 도금 가공하여 세라믹을 충전하는 NanoTool 소재를 사용할 수도 있다. 어떤 경우라도 형상ㆍ감합 테스트용으로 광조형법에 의해서 다양한 설계를 반복하여 3D프린트를 통해 기능 평가 테스트용으로 1개 안팎의 시제품을 머시닝 가공한다.

 

그 후, 수천 개의 부품을 사출성형으로 간단하게 제작할 수 있다. 물론, 주철제 펌프 하우징을 마그네슘제로 교체하는 것도 실시해야 한다.

 

경량화에 있어서 여러 가지 가능성을 모두 정리하는 것은 가장 어려운 과제 중 하나이다. 왜냐하면 자동차 업계에서 제품 설계의 개량이란 단지, 가장 가벼운 소재가 무엇인지를 파악하여 기존 스틸이나 이전부터 사용되고 있는 철을 그것들로 대체하면 되는 문제가 아니기 때문이다.

 

플라스틱 부품은 결국 사출성형으로 대량 생산하게 될 것으로 보이는데, 그러기 위해서는 정확한 구배와 굵기에서의 사전 설계가 필요하다. 압출 핀(Ejector pin), 언더컷의 영역, 좁은 내부 반경 등, 많은 디테일이 부품 경량화의 성패를 좌우할 가능성이 있으므로 이것들을 고려할 필요가 있다.

 

경량화 설계에 착수하기 전에 검토해야 할 기타 사항은 다음과 같다.

 

◼ 특히 사출성형하는 열가소성 수지 부품의 경우, 서포트 립이나 허니컴 구조 등에 의해서 구조적 완전성을 유지하면서 부품을 경량화한다.

 

◼ 마그네슘제 부품은 알루미늄보다 33%정도 가볍고 스틸과 비교하면 압도적(75%)으로 가볍다. 마그네슘의 사출성형은 대용량의 다이캐스트제 마그네슘 제품으로의 신속하고 용이한 발판이 된다.

 

◼ 부품 개수를 빠른 단계에서 철저하게 해석하는 것에 의해서 수량이 증가했을 경우의 재설계 비용을 경감할 수 있다.

 

◼ 스테인리스강이나 코발트 크롬, 인코넬은 알루미늄이나 마그네슘보다 무겁지만, DMLS 기술에 의해 그러한 중금속을 강고하고 중량 효율이 뛰어난 경량소재의 대체품으로 하는 것이 가능하다.

 

◼ 유리섬유가 들어간 플라스틱은 고가이지만 뛰어난 강도가 대폭적인 경량화로 이어질 수 있다.

 

경량화를 진행시켜야 하는 이유는 일일이 셀 수 없을 정도로 많다. 경량화에 의해 인성이 높고 비용 효율이 우수한 공산품 설계는 모든 사람에게 있어 유익하며, 그것을 제조하는 기업에게 경쟁상 우위성을 가져다준다.

 

자동차와 트럭의 연료 효율 향상을 위한 대응은 산업계에게 있어 화석연료의 한계ㆍ온실가스의 증가ㆍ정부규제의 확대라는 3가지 어려운 과제가 교차하며, 쉽게 도달할 수 없는 목표로 계속 남아있을 것이다.

 

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