혁신적인 복합재 브레이크 페달: 보게 러버 앤 플라스틱의 경량·고강도·비용 효율적 양산

티어 1 공급업체 보게 러버 앤 플라스틱 그룹(Boge Rubber & Plastics Group, 독일 담메)은 세계에서 가장 가볍고, 가장 저렴하며, 가장 강한 올-복합재 브레이크 페달을 양산 중이며, 상업 생산 중인 최초 사례라고 말한다. 1월 FOD( "열가소성 복합 구조체, 안전 중요 브레이크 페달에서 금속 대체" 참조)에 자세히 설명된 대로, 공급업체는 현재 독일 완성차 업체들의 4개 차량 플랫폼용으로 연간 25만 개의 브레이크 페달을 생산하며, 시스템은 연간 최대 100만 개까지 생산 가능하다. 이는 페달이 구조적이어서 기존 강철 및 알루미늄과 동일한 엄격한 성능 요구 사항을 충족해야 하며, 세 가지 다른 유형의 유리 강화 열가소성 복합재를 특징으로 하기 때문에 중요하다.

세 가지 소재로 섬유 효율성 증대

페달을 가볍고 얇고 비용 효율적으로 유지하면서 까다로운 OEM 사양을 충족하기 위해, 보게는 부품의 주요 하중(최대 3,000뉴턴)을 지지하는 쉘 구조로 연속 유리섬유 오르가노시트(organosheet)를 사용한다. 오르가노시트 블랭크는 공급업체 랑세스 도이칠란트 GmbH(란세스 Deutschland GmbH, 독일 쾰른)가 2-3개 레이어로 완전 콘솔리데이션하여 미리 크기에 맞게 절단하여 공급한다. 메인 하중 경로를 오르가노시트 블랭크에서 강화하기 위해, 보게는 유한 요소 시뮬레이션 결과에 기반한 방향과 레이업으로 단방향(UD) 유리섬유 테이프 스트립(셀라니즈 Corp. 공급, 미국 텍사스주 어빙)을 추가한다. 이를 위해 보게는 OEM 고객이 지정한 온도 및 습도 조건에서 측정된 각 소재의 응력/변형 곡선을 기반으로 공급업체들과 개발한 소재 카드와 수정한 소프트웨어를 사용한다. 기능적 형상 추가를 위해, 다중 공급업체의 다진 유리섬유 컴파운드로 오버몰딩하여 구조적 리브와 어태치먼트 피처를 제공한다.

모든 소재는 자동차 산업에서 널리 사용되는 강인한 폴리머인 사전 착색된 검은색 폴리아미드 6(PA6) 매트릭스를 특징으로 한다. OEM 사양이 요구하는 경우, 두 폴리머가 충분히 유사하여 서로 잘 결합되므로 오버몰딩 컴파운드에 더 높은 온도, 덜 흡습성인 PA6/6 매트릭스를 사용할 옵션도 있다. 유리 강화 복합재 세 가지 유형을 세 가지 다른 형태로 사용함으로써, 보게는 성능 요구 사항을 충족하기 위해 섬유를 정확히 필요한 곳에 배치하면서 과도한 엔지니어링을 피할 수 있다. 이 하이브리드 복합재 접근법의 파급 효과는 소재 사용량, 공칭 벽 두께, 사이클 타임, 전체 부품 비용을 줄인다.

공정 단계 및 장비 기준

자동화/조립 라인 개발사 M.A.i. GmbH & Co. KG(독일 크로나흐)와 협력하여, 보게는 빠르고 효율적이며 저렴한 비용으로 품질 검증된 부품을 생산하는 3단계 생산 공정을 개발했다. 공정 및 장비 설계 시 여러 요구 사항이 있었다. 첫째, 부품 비용을 낮게 유지하기 위해 총 유효 사이클 타임을 ~1분으로 유지해야 했다. 이를 달성하려면 자동화로 제조 셀을 통해 소재가 원활하게 이동하도록 해야 했다.

둘째, 오르가노시트 블랭크가 사전 적층, 완전 콘솔리데이션, 크기 절단(윤곽 절단)되어 공급되지만, 다양한 페달 설계 요구 사항으로 인해 팀은 메인 하중 경로를 강화하기 위해 다른 길이, 위치, 방향으로 UD 테이프 스트립을 절단, 방향 지정, 배치할 유연성이 필요했다. 다시 비용을 낮추기 위해, 높은 유연성과 제어, 속도를 제공하는 맞춤형 테이프 레이잉 공정이 설계되었다.

공정 시작 시 제조 셀은 카세트에 두 스택의 미리 절단된 오르가노시트 블랭크와 4개 크릴의 UD 테이프를 한 번에 보유한다. 첫째, 로봇이 윤곽 절단된 오르가노시트 블랭크를 집어 작업 표면으로 이동한다. 동시에 UD 테이프가 공급되어 필요 길이로 절단된다. 스트립들은 컨베이어가 전진함으로써 제자리에 고정되는 진공 벨트 위에 놓인다. 다음, 회전 픽앤플레이스 유닛(엔드 이펙터)을 가진 로봇이 진공 벨트에서 스트립을 하나씩 집어 카메라가 각 스트립의 품질, 치수, 위치를 검사한다. 네 조각이 모두 픽업되면 로봇이 작업 공간으로 이동하여 이미지 기반 위치 보정으로 결정된 위치와 방향에 오르가노시트 블랭크 위에 스트립을 하나씩 배치한다. 각 스트립이 위치하면 레이저로 생성된 다중 스팟 용접으로 이동이 방지된다. 한편 더 많은 테이프 스트립이 절단되어 진공 벨트에 놓이고 공정이 반복되어 주어진 브레이크 페달 설계에 필요한 모든 테이프가 오르가노시트 위에 올바른 위치에 적층되고 태킹될 때까지 계속된다.

이 맞춤형 파이버 블랭크를 생산하는 시스템은 100% 수치 제어되며, 작업의 모든 측면이 최대 유연성을 위해 완전히 프로그래밍 가능하다. 각 단계에서 카메라나 기타 센서가 온라인 품질 관리(QC) 시스템에 연결되어 테이프 스트립과 오르가노시트 쉘의 모든 에지와 위치를 감지하고, 이 소재들의 기하학적 데이터를 알려진 파라미터와 비교하여 각 소재가 있어야 할 곳에 위치하는지 확인한다.

생산 속도를 높이기 위해 맞춤형 파이버 블랭크는 다음으로 적외선 오븐으로 이동하여 드레이핑/프리포밍/콘솔리데이션 직전 두 소재를 가열한다. 테이프와 오르가노시트 수지 시스템의 특수 항산화 패키지가 열 손상을 방지한다. 다음, 뜨거운 블랭크가 드레이핑/프리포밍 캐비티로 빠르게 이동하여 고압으로 블랭크를 U-채널 형상으로 성형하면서 고품질 표면을 보장한다. QC 시스템이 다시 시간, 온도, 압력으로 콘솔리데이션과 프리포밍 품질을 모니터링한다.

마지막으로, 여전히 따뜻하고 드레이핑된 프리폼이 사출 금형으로 셔틀되어 다진 유리/PA 컴파운드로 오버몰딩되어 아래쪽의 복잡한 리브 구조 등 추가 형상이 생성된다. 디몰딩 후 빠른 자동 트리밍과 육안 검사가 수행된다. 도장이나 기타 표면 마감은 필요 없다. 최종 페달 크기는 약 350 x 90 x 60mm다. 제조 셀을 떠나기 전, 각 페달에 고유한 QR 코드가 부착되어 해당 페달의 제조 및 소재 데이터가 품질 시스템에서 연결된다. 조립 후, 브라켓 내 페달 기능 테스트와 최종 로봇 검사가 수행된다. 장치가 통과하면 완료된 브레이크 페달 어셈블리에 또 다른 QR 코드가 부착되어 출하 전 각 페달과 추가 구성품의 완전한 추적성을 제공한다.

브레이크 페달이 안전 중요 부품으로 까다로운 OEM 성능 및 품질 요구 사항을 충족해야 하기 때문에, 보게와 파트너들은 인더스트리 4.0 준수 QC 시스템에 다중 페일세이프 메커니즘을 구축하여 각 단계에서 사양 충족 여부를 신속하고 정확하게 검증한다. QC 데이터가 저장되고 각 페달은 QR 코드 형태의 고유 식별 번호를 받아 해당 부품 생산에 관여한 소재, 근무조, 공정 조건의 100% 추적성을 보장한다.

보게가 생산하는 올-복합재 브레이크 페달은 금속 페달 무게의 약 절반이다. 또한 소비자의 주행 햅틱을 개선하고, 수명 종료 시 100% 재활용 가능하며, 강철의 강도 요구 사항을 충족하거나 초과한다.