2019년형 쉐보레 실버라도: 경량 열가소성 범퍼 브래킷으로 성능 향상

GM의 2019년형 쉐보레 실버라도(Silverado) 픽업트럭에는 숨겨졌지만 매우 효과적인 위치인 강철 범퍼 뒤 좌우 전면에 복합소재의 새로운 구조적 적용 사례가 있다. 하이브리드 열가소성 복합소재/금속 브래킷은 질량 감소, 제한된 패키지 공간에서 모달, 응력, 피로, 충돌 테스트에서 동등하거나 더 나은 성능 달성, 부식 및 보증 위험 감소, 상당한 부품 통합을 가능하게 한다. All photo credit: General Motors Co.

풀사이즈 픽업 프로그램에서 일하는 OEM 설계 엔지니어는 쉽지 않다. 한편으로는 이 차량을 최대한 안전하고, 기능이 풍부하며, 연료 효율적으로 만들고 싶다. 다른 한편으로는 고객, 특히 건설 및 농업 업계 종사자들은 매일 차량을 혹사시키며, 무엇이 내구성 있는 소재인지에 대한 확고한 생각을 가지고 있다. 그들은 강철을 알고 신뢰한다. 복합소재? 글쎄, 별로.

크리스 허(Chris Heo), GM(미국 미시간주 디트로이트) 풀사이즈 픽업 리드 설계 릴리즈 엔지니어와 그의 팀이 최신 세대 쉐보레 실버라도 픽업트럭 작업을 시작했을 때, 차량 질량 감소를 위해 금속에서 복합소재로 전환할 수 있는 적용 분야를 논의했다.

2019년형 모델의 경우, 스타일링된 범퍼 임팩트 바(스타일링된 A-사이드 표면과 마감(크롬 도장 또는 바디 컬러 도장)이 있는 스탬핑 강철 범퍼)를 차량 전후면에 유지하기로 이미 결정된 상태였다. 스타일링 주도 형상과 강철 셸의 질량 때문에, 이러한 범퍼는 일반적으로 범퍼를 차량 프레임에 연결하고 GM의 범퍼 내구성, 차량 손상성, 충돌 성능, 패키징 요구사항을 충족하기 위해 하나 이상의 강철 보강 브래킷을 필요로 한다. 이 경우 브래킷 한 쌍이 범퍼의 좌우 코너를 감쌌다. 팀원들은 이 무겁고 복잡한 다중 부품 스탬핑을 성능이나 내구성 저하 없이 더 가벼운 것으로 전환할 수 있는지 의문을 가졌다.

"범퍼의 금속 스킨을 유지하면서 숨겨진 부품을 경량 소재로 전환하는 방법을 논의했습니다."라고 허는 회상한다. "범퍼 같은 무거운 부품을 지탱하려면 견고한 브래킷이 필요하고, 범퍼와 브래킷 모두 차량 수명 동안 성능을 발휘해야 하므로 이는 도전이었습니다. 또한 이 브래킷은 까다로운 오프셋 배리어 충돌 테스트 충족에 핵심적인데, 금속이라도 이 테스트를 통과하기는 어렵습니다."

 

최초 시도

도전에 굴하지 않고 GM 팀은 차량 지정 범퍼 공급업체인 플렉스-앤-게이트(Flex-N-Gate Corp., FNG, 미국 일리노이주 어배너)를 영입했다. 초기에는 차량 외부 스타일링이 아직 확정 중이어서, 합동 팀은 1년간 업계 옵션을 조사하고 작동할 수 있는 접근법을 논의하는 데 보냈다. "최종 스타일링에 따라 우리가 사용할 설계와 접근법이 바뀔 수 있어 적절한 타이밍을 기다렸습니다."라고 허는 설명한다.

"다른 회사가 자사 트럭 범퍼에서 구조적이지 않은 아주 작은 브래킷 하나를 복합소재로 전환한 사례가 있어 출발점이 되었습니다."라고 FNG 엔지니어링 그룹 매니저 R&D 플라스틱/금속 스티브 페루카(Steve Perucca)는 덧붙인다. FNG는 이미 승용차에서 구조적 금속 부품을 열가소성 복합소재로 전환한 경험이 풍부해 팀에 자신감을 주었다.

 

설계 고려사항

픽업트럭 외부 디자인이 확정되면서 합동 팀은 원하는 것과 필요한 것 리스트를 가지고 브래킷 설계 작업에 착수했다. 벤치마크 브래킷은 고강도/저합금(HSLA) 강철로 스탬핑되었는데, 탄소강 대비 더 높은 기계적 특성과 향상된 내식성 때문에 선택되었다. 브래킷 공칭 두께는 3mm, 개당 무게는 4.362kg이었다. 첫째, 복합소재 브래킷은 범퍼 뒤 제한된 공간에 대략 같은 패키지 공간에 맞아야 했다. 따라서 부품 두께가 크게 증가하지 않도록 충분한 강도의 소재가 필요했다.

둘째, 전면 범퍼는 일반적으로 디자인 스튜디오가 원하는 스타일링 큐를 위해 차량 전면 코너를 감싸게 된다. 그러나 딱딱한 강철 브래킷으로 프레임에 고정되어 있어 고속 충돌 시 범퍼가 안쪽으로 으스러져 휠로 들어가 휠 정렬에 악영향을 미치고 조향이 잠길 수 있다. 충돌 측 휠을 최대한 오래 보호하려면 충돌 시 범퍼 브래킷이 이탈하도록 설계하는 것이 바람직하다. 반면, 보증 문제를 피하려면 범퍼가 차량 수명 동안 정상 사용 시 붙어 있어야 한다. 따라서 팀은 이 상충되는 요구사항의 균형을 맞춰야 했다.

팀이 해결하고자 했던 또 다른 문제는 강철의 성형 한계 때문에 벤치마크 브래킷을 안개등을 고정하는 형상으로 만들 수 없어 별도의 무거운 금속 브래킷 쌍이 필요했다는 점이다. 가능하다면 팀은 안개등 지원을 복합소재 브래킷에 통합하고 싶었다.

또한 브래킷을 통과하는 와이어 하네스 끼임 지점을 피하여 와이어가 마모되어 단선되고 헤드라이트, 팬 같은 중요 기능이 단락되는 것을 방지하는 것이 중요했다. 금속 브래킷에 와이어 통과 구멍을 뚫으면 설계 자유도 제약으로 추가 펀칭 공정이 필요해 공구 비용이 증가했다. 따라서 이 문제도 복합소재 브래킷에서 해결하고자 했다. 물론 차량 조립 공정 변경을 피하는 것도 중요했다. 그리고 자동차 애플리케이션에서 흔히 그렇듯, 복합소재 브래킷이 이상적으로는 금속 벤치마크보다 가볍고 저렴해야 했다. 마지막으로 현재 CAE 모델이 불연속 섬유 강화 열가소성 수지의 고주기 피로/내구성을 정확히 예측할 수 있을지가 우려였다.

 

하이브리드 접근

위시 리스트를 가지고 팀은 바빠졌다. 초기 결정은 사용할 소재 선택, 즉 FNG가 이미 경험 있고 GM 승인을 받은 소재였다. 롯데케미칼(한국 서울) 수프란 PP1340 GMW15890P라는 검은색 40% 섬유 중량 분율(FWF) 장섬유 유리섬유 폴리프로필렌(LFT-PP)을 선택했다. 브래킷은 햇빛에 노출되지 않고 엔진 열에서 충분히 떨어져 있어 강한 올레핀 폴리머가 적절한 열 성능을 제공할 것이다. 고유동 사출 성형 등급으로 용융 흐름 지수(MFI) 40을 가져 복잡한 형상 충전에 유리하며, 추가 게이트 없이도 된다. 추가 게이트는 주변 소재보다 약한 너클라인을 생성하므로 충돌 테스트를 통과해야 하는 구조 부품에서는 피해야 한다.

장기 내구성과 높은 충돌 성능이라는 상충되는 요구사항의 균형을 위해 팀은 하이브리드 접근을 취해 브래킷을 분할했다. 범퍼를 프레임에 연결하는 부분은 HSLA 강철로 유지하되, 외부 부분은 복합소재로 전환했다. 이 접근으로 더 큰 설계 자유도를 얻어 부품 통합, 질량 감소, 안개등 통합이 가능해졌으며, 복합소재 부분은 고속 측면 충돌 시 이탈하도록 설계되어 휠 정렬이 가능한 한 종방향으로 유지되어 조향 능력을 유지하는 데 도움을 준다. GM의 모든 요구사항을 충족하기 위해 복합소재 측면에 금속 인서트와 조립 시 조정을 위한 3개 부싱을 추가했다. 설계자들은 소재가 브래킷 다리(CAE 설계에서 복합소재/갈색으로 표시된 곡선 끝 부분)를 연장하여 안개등을 포함할 수 있게 하여 별도 브래킷 필요성을 없앴음을 발견했다(Fig. 1).

프로젝트가 진행되고 실물 부품이 생산 및 테스트되면서 팀은 CAE 모델이 상당히 정확하다는 것을 알게 되어 기뻤다. "처음엔 고주기 피로(내구성 측면)와 고G 하중(충돌 모델링)을 예측하려는데 부품을 제대로 시뮬레이션할 수 있을지 의문이었습니다."라고 허는 말한다. "놀랍게도 셰이커 테스트에서 예측값과 실측값 간 상관관계가 근접했으며, 충돌 테스트에서도 마찬가지였습니다." 최종 브래킷 설계는 6개월 미만에 완료되었다. 크기는 약 41 x 46cm, 공칭 벽 두께 3mm, 더 높은 기계적 특성을 위한 리브 구조를 특징으로 한다.

금형은 인테그리티 툴 앤 몰드(Integrity Tool & Mold Inc., 캐나다 온타리오주 올드캐슬)가 제작했으며, 두 개의 캐비티/플레이트와 두 개의 다이렉트 드롭(콜드 러너)을 갖춘 잘 환기된 2+2 스택 금형에 순차 밸브 게이팅을 적용하여 실버라도 플랫폼의 높은 생산량에 맞춰 사이클당 4개 부품을 생산한다. FNG 벤트라 에바트(Ventra Evart) 사업부가 성형을 담당한다. 버튼-투-버튼 사이클 타임은 60초.

 

중요한 성과

GM의 구조적 범퍼 브래킷 하이브리드 접근이 최초 상용화에서 수많은 이점을 가져왔다(Fig. 2). 첫째, 모달, 응력, 피로, 충돌 테스트에서 동등하거나 우수한 성능 달성(아래 표 참조).

 설계 

 10 Gx

 20 Gx

1^차 모드 주파수 (Hz)

최대 변위 (mm)

최대 응력 (MPa)

최대 변위 (mm) 

최대 응력 (MPa) 

 하이브리드 강철/복합소재 브래킷

 2.00

213

3.97

381

31.7

벤치마크 전강철 브래킷

 2.36

259

4.45

480

30.1

하이브리드 복합소재 브래킷(금속 인서트 포함)은 질량을 감소시켰을 뿐만 아니라, 맞춤형 형상으로 응력과 모달 성능 모두를 개선했다.

둘째, 복합소재의 설계 자유도로 비교적 작은 패키지 공간에서 더 공격적인 스타일링이 가능해졌다. 셋째, 하이브리드 브래킷 한 쌍의 질량이 차량당 2.5kg 감소했다. 질량 디컴파운딩 효과 덕분에 더 가벼운 범퍼 코너로 범퍼 마운팅 브레이스와 다른 부품들도 게이지 감소가 가능해 전면 범퍼 시스템 총 질량이 이전 2016년 모델 대비 7.3kg 감소했다.

또한 복합소재 브래킷은 녹이 슬지 않아 부식 위험과 보증 비용이 감소했다. 질량 감소는 연비 향상이나 법적 도로 하중 한도 초과 없이 더 무거운 페이로드 적재로 소비자 혜택으로 돌아온다.

개당 가격 기준으로는 사출 금형 추가 비용으로 하이브리드 브래킷이 본전이었다. 하지만 시스템 비용 기준으로는 추가 부품 게이지 다운그레이드로 절감 효과가 있었으나 실제 절감액은 산출하기 어렵다. 이 브래킷은 3년 이상 문제없이 생산 중이다.

차세대 실버라도에서는 허 팀이 전면 범퍼에 하이브리드 브래킷을 계속 사용할 계획이지만, 이미 팀원들에게 후면 범퍼 브래킷에도 하이브리드 접근을 어떻게 적용할지 고민해보라고 주문했다. 후면 범퍼는 코너에 스텝 어시스트 기능이 있어 트럭 적재함 출입을 더 쉽고 안전하게 만들어주는 데다, 후방 경고 센서 등 더 많은 부품이 강철 스킨 뒤에 배치되어 패키지 공간이 줄어들어 복잡하다.

"우리는 문제가 어떻게 사용되는지, 기능적 요구사항이 무엇인지 파악하고 한계를 밀어붙이는 스마트한 엔지니어링 접근을 계속할 것입니다."라고 허는 결론짓는다.