리프트게이트 설계의 혁신: 변형 필라멘트 와인딩 기술의 시험

자동차 리프트게이트(후방 해치 도어)는 수십 년간 금속에서 복합재로 천천히 전환되어 왔다. 2013년에야 금속 지지 구조 없이 최초의 올-플라스틱/복합재 리프트게이트가 상용화되었지만, 오늘날 대부분의 리프트게이트는 여전히 외부 스킨과 내부 패널이 부착되는 이 지지 구성품을 특징으로 하며, 특히 더 크고 무거운 SUV와 CUV의 큰 후방 도어에서 그렇다.

그러나 복합재 리프트게이트의 다음 진화는 2019년 토요타 자동차(일본 토요타 시티)의 토요타 수프라(Supra) 스포츠카에서 데뷔했을 수 있다. 필라멘트 와인딩 복합재 프레임이 금속 프레임을 대체하여 기존 금속 구조보다 더 높은 강성과 강도를 더 낮은 무게로 제공하며, 특히 좁은 패키징 공간에서 더 큰 설계 유연성을 제공한다고 한다. 필라멘트 와인딩 공정이 크게 수정되어, 관심과 애플리케이션이 확산됨에 따라 더 높은 볼륨의 차량 생산 속도와 비용 목표를 충족할 수 있게 되었다. 이 설계와 기술이 어떻게 탄생했는지 살펴본다.

삼각 제조 협력

마그나 인터내셔널(Magna International Inc., 캐나다 온타리오주 오로라)은 북미에서 티어 1 통합업체지만, 유럽에서는 마그나 슈타이어(Magna Steyr AG & Co. KG, 오스트리아 그라츠) 자회사가 추가 제조 역량이 필요한 OEM을 위해 완전한 자동차를 설계하고 조립한다.

최근 마그나는 2013년부터 설계 및 제조 프로젝트에서 협력해 온 토요타와 BMW AG(독일 뮌헨)가 참여한 흥미로운 프로그램에 참여했다. 최신 노력에서 토요타는 수프라 명판 부활을 원했고, 자매차인 BMW의 2인승 Z4에 대한 설계, 튜닝, 차량을 제공하기 위해 BMW와 파트너십을 맺었다. 두 차량은 엔진, 서스펜션, 스티어링 시스템을 공유한다. 마그나 슈타이어는 그라츠에서 두 차종을 모두 조립하는 것 외에 수프라에 시트, 차체 패널, 도어 래치, 리프트게이트를 공급한다. 두 차 모두 혁신이 많지만, 수프라에 적용된 리프트게이트에서 복합재 설계 혁신이 가장 두드러진다.

보헤미아의 맨체스터

마그나가 2020년형 수프라에 관여하기 수년 전, 체코 리베레츠(Lberec) 공장은 여러 잠재적 애플리케이션을 위한 복합재 스페이스 프레임 기술을 탐구해 왔다. 운 좋게도 이 지역은 선도적인 섬유 중심지로서 풍부한 전통을 가지고 있으며 한때 "보헤미아의 맨체스터"로 알려졌다. 리베레츠 팀은 높은 하중 지지, 전체 질량 감소, 엄격한 치수 공차 유지, 유럽 완성차 업체의 성능 및 제조 요구 사항을 충족하기 위해 높은 반복도와 재현성(R&R)을 가진 공정으로 생산 가능한 기술을 아키텍처로 찾았다.

"우리는 높은 열적 및 치수 안정성을 가진 열경화성 제품이 필요하다는 결론을 내렸다"고 마그나 글로벌 제품 라인 디렉터 - 복합재 리프트게이트 리아드 차야(Riad Chaaya)는 회상한다. "또한 기계적 성능, 패키지 공간, 질량, 비용을 최적화하는 데 필요한 가변 형상과 두께의 단면 생산이 가능한 폐쇄 형상이 필요했고, 연간 15만 개 부품 생산이 가능한 공정이 필요했다. 블로우 몰딩, 브레이딩, 필라멘트 와인딩 등 많은 기술을 검토했지만 우리의 니즈를 완벽히 충족하는 것은 없었다. 수많은 시도 끝에 필라멘트 와인딩을 선택했는데, 필라멘트 방향과 개수 제어를 통해 최저 중량으로 최고 탄성률을 구현할 수 있었기 때문이다."

많은 이점에도 불구하고, 필라멘트 와인딩이 기존 자동차 생산에는 너무 느릴 수 있다는 우려가 있었다. 또한 팀은 폐쇄 형상 프레임을 만들기 위해 와인딩 공정을 시작하고 끝내는 방법이 필요했다. 다행히 팀은 필라멘트 와인딩 이력이 없었지만, 리베레츠의 섬유 제조 유산 덕분에 지역 사회에 로빙과 필라멘트 와인딩 전문가들이 가득했다.

"운 좋게도 이 전문가들은 전통적인 노하우를 부활시켜 대량 생산 자동차 니즈를 충족하는 새로운 방식으로 적용하는 데 열정을 가지고 있었다"고 마그나 익스테리어 체코 기술 리더 요세프 푸타(Dr.-Ing. Josef Půta) 박사는 덧붙인다.

"전통적인 필라멘트 와인딩이 우리 니즈에는 너무 느렸기 때문에, 우리와 파트너들은 그것을 더 빠르게 실행하는 많은 방법을 검토했다"며, 루카시 스트루할(Lukáš Strouhal) 마그나 리베레츠 산업화 책임자는 회상한다. "공정 각 단계를 가속화하는 방법뿐만 아니라 완전히 다르게 하는 것도 고려했다. 어떻게 했는지 자세히 말할 수는 없지만, 속도에서 엄청난 개선을 달성하여 우리 수정된 공정이 '자동차급'이 될 수 있었다."

마그나와 파트너들은 에폭시, 폴리우레탄(PUR), PUR/비닐 에스테르 블렌드 등 다양한 수지 시스템과 유리섬유부터 탄소섬유, 현무암 섬유까지 다양한 보강재를 탐구했다. 최종 시스템은 섬유 효율, 성능, 비용, 생산 속도의 최적 균형을 제공하는 PUR과 유리섬유를 특징으로 한다.

마그나의 제네릭 필라멘트 와인딩 스페이스 프레임은 속도를 위해 각 단계가 신중하게 최적화된 3단계로 생산된다. 첫째, 반응 사출 성형(RIM)으로 강성 셀룰러 PUR 코어를 생산하고, 둘째, 이 코어가 맨드럴 역할을 하여 유리섬유로 와인딩하고, 셋째, 와인딩된 구조를 고압 수지 전이 성형(HP-RTM) 공정으로 PUR 주입 및 콘솔리데이션한다. 주입/콘솔리데이션 중 코어가 붕괴되지 않도록 주의한다. 푸타는 로빙 유형, 사이징, 수지 지정(공급업체와의 긴밀한 소재 수정 협업 필요), 각 층의 와인딩 횟수와 필라멘트 방향 결정에 많은 작업이 들어갔다고 설명한다. 예상대로 회사는 설계와 코어 생산부터 필라멘트 와인딩 기계까지 모든 것에 대해 수많은 특허를 취득했으며, 추가 영업 비밀도 철저히 지키고 있다.

"우리는 각 공정 단계와 제품에서 다중 혁신을 이루었다"며, 스트루할은 설명한다. "우리 프레임 중 하나를 분해하여 사용된 형상과 기하학을 봐도, 왜 그리고 어떻게 그렇게 했는지 의아해할 것이다."

마그나 리베레츠 팀이 스페이스 프레임 기술을 특정 애플리케이션을 위해 개발하지는 않았지만, 곧 그것을 사용할 흥미로운 기회를 얻게 되었다.

도전적인 리프트게이트

마그나는 승용차 리프트게이트 생산에 오랜 역사를 가지고 있다. 회사는 2013년 BMW i3 전기 시티카용 북미와 유럽 최초의 올-올레핀 리프트게이트를 제작했다고 알려졌으며, FCA NA LLC(미국 미시간주 오번 힐스) 2019년형 지프 체로키(Cherokee) SUV용 차세대 올-올레핀 리프트게이트를 설계 및 제작했다. 리프트게이트 생산이 수프라 프로그램의 인도 품목이었기 때문에, 마그나는 리베레츠에서 수행된 작업뿐만 아니라 금속 리프트게이트 구조를 복합재와 플라스틱으로 전환한 오랜 역사도 활용했다.

"수프라 리프트게이트는 여러 즉각적인 도전 과제를 제시했다"고 차야는 회상한다. "첫째, 패키지 공간이 매우 제한되어 공차가 매우 엄격했고 선형 열팽창 계수를 신중하게 관리하여 리프트게이트가 자유롭게 개폐되도록 해야 했다. 둘째, 이 도어의 형상이 훨씬 더 도전적이었다. 토요타는 더 가벼운 리프트게이트를 원했을 뿐만 아니라, 차량 후면이 어떻게 드레이프되는지에 대한 매우 구체적인 스타일링 요구 사항이 있었다. 셋째, 차량의 예상 생산 볼륨으로 볼 때 그 형상을 금속으로 구현하는 툴링 비용이 매우 높을 것이었다. 사실 우리는 리프트게이트 프레임이 토요타의 설계 및 성능 요구 사항을 충족하면서 금속 단일 부품으로 제작될 수 없다고 결론지었다. 즉, 스페이스 프레임은 복합재로, 더 구체적으로 열경화성 복합재로 만들어야 했다."

외부 스킨은 공격적인 형상을 처리하기 위해 탈크 강화 TPO 사출 성형 패널로 도장되며, 내부 패널은 장섬유 폴리프로필렌(PP)으로, 둘 다 구조용 2K PUR 접착제로 프레임에 결합된다. 차야는 토션 하중 요구 사항을 충족하기 위해 스페이스 프레임과 완전한 리프트게이트를 최적화하는 데 많은 작업이 수행되었다고 덧붙인다. 초기 도전 과제는 정확한 소재 물성 시뮬레이션으로 예측 대 실측 결과 간의 정확한 상관관계를 달성하는 방법을 찾는 것이었다.

"각 와인딩 층을 시뮬레이션하고 형상, 반경, 와인딩 요구 사항 자체를 반영해야 했기 때문에 소재 모델로 좋은 상관관계를 얻기 위한 힘든 싸움이었다"고 그는 덧붙인다. "처음에는 20% 차이가 났지만, 많은 튜닝과 강성 개선 최적화 후 최종 예측치는 매우 가까워졌다. 이렇게 큰 프레임에서 치수 공차를 1밀리미터 이내로 유지하는 것도 달성했다."

다양한 이점

최종 도넛 모양 프레임은 전체적으로 가변 직경과 벽 두께를 가지지만 공칭 직경은 50-60밀리미터다. 모서리의 작은 브래킷, 래치와 힌지 같은 하드 어태치먼트, 내장 안테나 접지를 위한 포일을 제외하면, 104 x 111센티미터 크기의 프레임 전체가 복합재다. 심지어 내부 트림 패널을 리프트게이트 하반부에 연결하는 "이어(ear)" 브래킷도 복합재로 HP-RTM으로 제조된다. 복합재 프레임은 비교 가능한 금속 프레임보다 10% 가볍지만, 질량 디컴파운딩 효과로 완전한 리프트게이트는 금속 리프트게이트 대비 약 20-25% 더 가볍다. 더 가벼운 리프트게이트는 소비자가 여닫는 데 덜 힘을 들이고, 작업자가 차량 조립 중 설치하기 더 쉽고, 차량 사용 수명 동안 연료를 절약하며, 스트루할이 "닫힐 때 놀라운 단단한 소리"라고 표현하는 소리를 제공한다. 복합재 시스템은 금속 리프트게이트에 필요한 헤밍 에지와 용접 포인트/조인트 같은 공정도 제거했다.

차야는 자사에 또 다른 주요 필라멘트 와인딩 자동차 프로젝트가 진행 중임을 암시한다. 또한 마그나는 리프트게이트 외에도 이 기술의 다른 용도를 보고 있다. "도어, 데크리드, 후드, FEM(프론트 엔드 모듈), 심지어 자율주행차량 - 유리 래핑 프레임으로 구성된 버스 같은 - 도 이런 스페이스 프레임을 사용할 수 있다"고 그는 덧붙인다. "심지어 숨길 필요도 없다. 탄소섬유 직물을 사용하면 그 아름다운 표면을 노출시켜 프레임을 내부에 숨기지 않는 것이 프레스티지의 표시가 될 것이다."