3D 필라멘트 와인딩 기술로 차량 시트 혁신... 초경량 하이브리드 시트 프로토타입 7개월 만에 완성

지속가능성과 환경 책임이 자동차 산업 기술 트렌드의 핵심 동력이 되고 있습니다. 저에너지·저배출 차량이 국제 자동차 업계 최우선 과제이며, 전동화·도심 항공 모빌리티(UAM) 등 대체 운송 기술 트렌드가 가속화됩니다. OEM들은 신소재·신공정을 이러한 미래 이동 수단의 인에이블러로 모색하지만, 자동차 분야 변화는 더딥니다. 신소재·신공정이 완전히 채택되려면 검증뿐 아니라 비용 효율성과 대량 생산 가능성도 갖춰야 합니다.

초경량 시트. 울트라 레히트바우지츠(Ultra Leichtbausitz, ULBS) 시팅 컨셉은 다수 기업 협업과 기술 조합으로 개발되었습니다. 출처: csi 엔트비클룽스테크닉

최근 자동차 분야뿐 아니라 하이퍼카, 에어택시 등 신시장 잠재력을 가진 혁신 프로젝트가 시연되었습니다. 신소재·신공정·신기술과 기업 간 긴밀한 협업이 차세대 이동 수단을 어떻게 가능하게 하는지 보여줍니다. 목표는 최첨단 생성 기술을 사용해 자동차 시트를 완전히 재고안하고, 필요한 곳에 필요한 만큼만 적합한 소재를 사용해 빠르게 결과를 도출하는 것이었습니다. 그 결과 시뮬레이션 주도 설계, 애자일 프로젝트 관리, 기업 간 긴밀한 협업과 시스템 통합으로 설계부터 제조까지 단 7개월 만에 초경량 금속-복합소재 하이브리드 차량 시트 프로토타입이 탄생했습니다.

더 나은 시트 만들기

ULBS(울트라레히트바우지츠) 초경량 시트 타당성 연구는 다수 기업 협업과 기술 조합으로 개발되었습니다. 프로젝트 비전은 "시장에서 체중 최적화 측면에서 뛰어난 초경량 시팅 컨셉을 만드는 것"이었습니다. 착수 기업인 csi 엔트비클룽스테크닉(csi, 독일 네카르줄름), 알바 툴링 앤 엔지니어링(Alba Tooling & Engineering, 오스트리아 포르스타우), 오토모티브 매니지먼트 컨설팅(AMC, 독일 펜츠베르크)이 코베스트로(Covestro, 독일 레버쿠젠), LBK 페르티궁(LBK Fertigung, 독일 프리드베르크), 로베르트 호프만(Robert Hofmann, 독일 리히텐펠스), 3D|코어(3D|CORE, 독일 헤르포르트)와 협업해 프로토타입을 개발했습니다.

협업 결과 시트 프로토타입 무게는 쿠션, 구조 프레임, 기능성 인서트, 차량 장착용 시팅 콘솔 포함 10kg 초과 수준입니다. 시중 경량 시트보다 20% 가볍습니다. ULBS 프로젝트 리더이자 csi 경량 설계 책임자 슈테판 헤르만(Stefan Herrmann)에 따르면 현재 12kg 미만 경쟁 시트는 없습니다.

"하지만 직접 비교는 종종 사과-오렌지 비교입니다. 애프터마켓 시트는 시팅 콘솔을 무게에 포함하지 않는 경우가 많고, ULBS는 비슷한 무게 시트 대비 착좌감이 훨씬 우수합니다. 기존 시트는 버킷 시트처럼 더 가볍지만 불편하거나, 전통적 슈퍼스포츠 시트처럼 훨씬 무겁습니다."라고 헤르만은 설명합니다.

핵심 기술: xFK in 3D 필라멘트 와인딩

ULBS에는 여러 혁신 기술이 적용되었으나, 공정 기술 xFK in 3D 기반 섬유 로빙 스켈레톤 구조가 가장 핵심입니다. (xFK in 3D 및 기타 필라멘트 와인딩 기술은 '필라멘트 와인딩, 재발명' 참고.) 이 수상 기술의 근본적 의의는 설계 자유도, 시뮬레이션 주도·소재 최적화된 하중 방향 정확한 섬유 배치, 섬유 소재의 단순·비용 효율·폐기물 없는 적용에 있습니다. 하중 전달용 프레임워크 구조에는 3D 프린팅 부품을 적용했습니다. 최고 하중 영역인 등받이 피팅엔 고강도·고탄성 스테인리스강 3D 프린팅 구조를, 저하중 영역엔 알루미늄 3D 프린팅을 사용했습니다.

차체 백색(BIW) 구조, 자동차 내외장, CFRP 및 적층 제조 전문 엔지니어링사 csi가 AMC 발상 아이디어를 기반으로 프로젝트 총괄·조율했습니다. csi는 스타일링, 서페이싱, 컨셉, 시뮬레이션, 설계 엔지니어링, 프로젝트 관리를 담당했습니다.

헤르만은 "csi는 디지털 프로세스 체인 영역(스타일링, 설계 엔지니어링, 서페이싱 설계, CAE 시뮬레이션, 토폴로지 시뮬레이션, 검증 시뮬레이션, 가상 확인) 워크 패키지를 맡았습니다."라고 설명합니다.

혁신 소재·제조 공법 적용뿐 아니라, 복잡한 부품을 새로운 컴포넌트 설계로 단 7개월 만에 완성한 것은 파트너 간 긴밀한 협업 덕분임을 강조합니다.

필라멘트 와인딩 시트 프레임. ULBS 프로젝트 경량화의 상당 부분은 AMC의 xFK in 3D 섬유 와인딩 공정 기술에서 기인합니다. 출처: csi 엔트비클룽스테크닉

프레임 와인딩

ULBS 프로젝트 경량화의 핵심은 AMC의 xFK in 3D입니다. 고도로 유연하고 구성 가능하며 비용 효율적이고 지속가능한 섬유 복합소재 와인딩 기술로, 다양한 산업·시장 부문 제품에 이미 적용되었습니다. SGL 그룹(독일 비스바덴)은 JEC 월드 2018에서 이 기술로 제조한 자동차·자전거 부품 다수를 전시했습니다. 그중 AMC 개발 탄소섬유 자전거 체인링은 알루미늄 대비 최대 70% 경량화됩니다.

와인딩 부싱. 열경화성 수지 함침 섬유 로빙을 포지셔닝 고정구(와인딩 부싱)에 감아 각 부품의 하중과 원하는 기능에 맞춰 섬유를 배열합니다. 출처: csi 엔트비클룽스테크닉

xFK in 3D 공정은 열경화성 수지 함침 연속 섬유로 하중 지지 구조물을 폐기물 없이 와인딩합니다. 에폭시 수지로 포화된 섬유 로빙을 포지셔닝 고정구 또는 와인딩 부싱에 감아 각 부품의 하중과 기능에 맞춰 섬유를 3차원으로 배열·제조합니다.

"xFK in 3D의 주요 이점은 구조물 내 하중 전달 및 하중 도입부의 약점을 제거한다는 점입니다." 헤르만은 약점이 구조 연속부가 아니라 이웃 컴포넌트가 구조에 연결되는 하중 도입부에 주로 발생한다고 설명합니다. xFK in 3D는 연결부 간 하중 전달을 가능케 하고, 원하는 컴포넌트 기능과 하중 케이스에 맞춰 섬유를 정렬·제조합니다.

필라멘트 와인딩 공정은 추가 이점도 있습니다. 소재 낭비 최소화(섬유 로빙 폐기율 1% 미만).

csi는 xFK in 3D 강점을 인지하고, AMC 기술 책임자 클라우스 게오르크 바이로이터(Dr. Clause Georg Bayreuther) 자문 하에 ULBS 시트 프레임을 이 공정으로 제작하도록 설계했습니다.

"csi 엔지니어, AMC 컨설턴트, 알바 툴링 전문가가 협력해 xFK in 3D 공정으로 제조할 시트 프레임 컨셉과 구조를 개발했습니다."라고 xFK in 3D 기술 개시자이자 기술 컨설턴트 페터 파스벤더(Peter Fassbaender)는 말합니다.

알바는 CFRP 시트 프레임 툴링 제작과 엔지니어링 지원을 맡았습니다. 탄소섬유로 와인딩했으나 천연 섬유나 현무암 섬유도 좋은 후보입니다.

신기술 조합. ULBS 프로토타입은 등받이 패널 셸용 인트라라미나 강화 코어(IRC) 소재, 3D 프린팅 등받이 쿠션(TPU) 등 신기술 조합을 사용합니다. 출처: csi 엔트비클룽스테크닉

하이브리드 소재 구조

프레임 외에도 ULBS 프로토타입엔 여러 혁신이 포함됩니다. 툴링 공급사 알바는 시트 폼 바디 툴링·엔지니어링·제작과 시트 조립을 담당했습니다. 시트 CFRP 프레임을 섬유 플리스 매트로 덮고 그 위에 3D 프린팅 PUR 폼 커버를 씌웠습니다. 시트 쿠션부는 기존 폼을 사용했습니다.

등받이 패널 셸 구조에 3D|코어 인트라라미나 강화 코어(IRC) 소재를 적용해 추가 경량화를 이뤘습니다. 이 소재는 압출 폴리스티렌(XPS)과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 폼 코어 바디가 통합된 허니컴 패턴으로 구성된 구조 샌드위치 코어입니다. 복합소재 부품 생산 시 허니컴 구조에 레진이 충전돼 높은 인트라라미나 강도를 냅니다. 3D|코어를 유리섬유 두 층 사이에 조립해 프리폼을 만들고, 진공 보조 레진 전달 몰딩(VA-RTM)으로 열경화성 에폭시 수지를 주입합니다.

코베스트로는 디스퍼콜(Dispercoll) 접착제를 섬유 플리스 매트 바인더와 3D 프린팅 등받이 쿠션용으로 공급했습니다. 헤르만에 따르면 디스퍼콜의 기계적 특성이 우수한 내마모성을 제공해, 쿠션과 프레임 간 접촉으로 플리스가 시간이 지나며 마모되는 것을 방지합니다.

"단일 섬유 로빙을 텍스타일에 넣으면 단단한 CFRP 부품과 플리스 매트 사이 미세 움직임이 생깁니다. 시트 프레임 컴포넌트가 텍스타일에 마찰해 파괴할 수 있습니다."라고 헤르만은 설명합니다. 기존 시트는 쿠션 지지 면적이 커 이 문제가 없지만, xFK in 3D는 프레임 구조상 접촉 면적이 작습니다.

"xFK in 3D 구조가 플리스 원단을 밀 때 특정하고 내구성 있는 바인더가 필요한데, 디스퍼콜이 그 역할을 합니다."라고 헤르만은 덧붙입니다.

코베스트로는 세계 최초라는 3D 프린팅 쿠션도 공급했습니다. 기존 시트 등받이는 툴링 집약적 폼을 쓰지만, TPU(열가소성 폴리우레탄) 3D 프린팅 등받이 쿠션 적용으로 ULBS 시트의 심미성, 기능 통합 옵션, 편안함 측면 유연성과 적응성이 더 높아졌습니다.

미래를 위한 시트

ULBS 프로젝트는 여러 목표를 달성했습니다. 아직 양산 전이지만 하이퍼카, 에어택시, 초경량 차량, 마이크로모빌리티, 헬리콥터, 멀티콥터, 항공 등 다수 틈새 시장에 잠재력이 있습니다. 양산 시트보다 비싸지만, 폐기물 최소화 기술로 소재 비용을 낮춥니다. 다른 탄소섬유 기술 대비 xFK in 3D는 폐기물 발생이 극히 적습니다. 프로젝트 전체가 최소 자원, 최소 필요 소재만 사용하는 것을 지향합니다. 프레임 구조, 쿠션, 텍스타일에 천연 섬유 등 재생 가능·지속가능 자원 활용 가능성도 열려 있습니다.

더 중요하게, 기업들이 짧고 애자일한 조정 절차로 협업해 시장 출시 시간을 최소화하는 방법을 보여줍니다. 기능 요구사항에 집중하고 미래 응용과 지속가능성 목표를 내다보며 아이디어에서 하드웨어 프로토타입까지 디자인 씽킹으로 성공적으로 이끌어낸 좋은 사례입니다.