브레이크 페달의 혁신: 열가소성 복합재로 금속 대체, 안전성과 성능 동시 달성

자동차 산업은 1990년대에 액셀러레이터 페달을 금속에서 사출 성형 단섬유 열가소성 수지로 전환했다. 그러나 브레이크 페달은 안전 중요 구성품으로 강성, 강도, 비틀림 하중 요구 사항이 까다로워 전환에 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸다. 티어 1 자동차 공급업체 보게 러버 앤 플라스틱 그룹(Boge Rubber & Plastics Group, 독일 담메)은 브레이크 페달을 열가소성 복합재로 요구되는 OEM 성능 및 비용 목표를 충족한 최초 공급업체라고 말한다. 독특한 설계, 세 가지 다른 소재, 맞춤형 생산 공정으로 더 강하고, 더 단단하고, 더 가볍고, 더 저렴한 페달을 생산한다.

중요한 틈새 시장 발굴

보게는 진동 댐핑 및 파워트레인/섀시 마운팅 제품, 경량 플라스틱 모듈, 페달 박스(브레이크, 클러치, 액셀러레이터 페달 조합 포함) 개발 및 생산업체다. 2008년부터 연속 섬유 오르가노시트와 단섬유 오버몰딩 컴파운드로 자동차 부품을 생산해 왔다. 2018년에는 단방향(UD) 열가소성 테이프를 추가했다. 지속적인 공정 혁신으로 사이클 타임과 비용이 감소하고 비즈니스가 증가했다.

"2015년 내 상사가 내게 와서 '다니엘, 네가 만든 변화들은 좋은데, 정말 중요한 생산 볼륨이 있는 더 큰 시장을 찾으면 좋겠다'고 했다"고 보게 글로벌 이노베이션 센터 경량 팀 수석 매니저/책임자 다니엘 헤펠린(Dr.-Ing. Daniel Häffelin) 박사는 회상한다. 보게 엔지니어 팀이 도전을 받아들여 섬유 효율성을 높여 비용을 줄이고 더 많은 비즈니스를 얻는 방법을 브레인스토밍했다.

"오르가노시트는 훌륭한 제품이지만, 필요한 곳에서만 올바르게 사용해야 한다"며, 헤펠린은 설명한다. "이미 생산 공정을 매우 린하게 만들었기 때문에 사이클 타임을 더 낮추려 해도 큰 이득이 없을 것이다. 우리가 비용을 줄이는 최선의 방법은 무한 섬유 사용량을 그 섬유를 더 효율적으로 사용함으로써 줄이는 것이라고 추론했다."

단순히 페달을 더 작거나 얇게 만드는 것도 실용적 제약(브레이크 페달 크기와 형상, 안전 중요성으로 인한 까다로운 성능 사양) 때문에 작동하지 않는다. 가장 합리적인 것은 피크 하중이 가장 높은 부품 영역에서 로컬 특성을 최적화하기 위해 섬유 방향을 더 잘 제어하는 방법을 찾아, 덜 중요한 영역에서 벽 두께를 줄일 기회를 제공하는 것이었다.

"우리는 섬유를 국소적으로 '조향'하여 강성과 강도를 유지하기 위해 정확히 필요한 곳에 배치하는 방법을 모색했다"며, 보게 러버 앤 플라스틱 그룹 CEO 토르스텐 브레머(Dr. Torsten Bremer) 박사는 덧붙인다. "원칙적으로 이것이 가능하다는 것을 알고 있었는데, 스포츠 용품과 의료 분야에서 사용되는 픽앤플레이스 기계를 이미 고려했었기 때문이다. 하지만 그것들은 너무 비쌌다. 그때 우리가 새로운 공정이 필요하다고 결정했다."

"이미 독일 OEM과 협력하여 그들의 성능 및 비용 요구 사항을 충족하는 올-복합재 브레이크 페달을 만드는 방법을 찾고 있었다"며, 보게 플라스틱 앤 러버 그룹 EVP, 제품 라인 리더 - 플라스틱 부르크하르트 티만(Burkhard Tiemann)은 회상한다. "우리는 고객에게 'UD 테이프와 오르가노시트를 사용한 새로운 공정을 개발하겠다'고 말했다. 그들은 '질량과 비용을 더 줄일 수 있다면 하겠다'고 했다. 그것이 우리의 출발점이었다. 2015년 우리는 더 저렴하고, 더 가볍고, 대량 생산 가능한 올-복합재 브레이크 페달을 제공할 수 있다고 큰 약속을 했다. 세부 사항을 해결하고 첫 제품을 납품하는 데 3년이 걸렸다."

섬유 조향

복합재 브레이크 페달은 현존하는 강철이나 알루미늄 페달과 동일한 성능 사양을 충족해야 한다. 최대 3,000뉴턴 하중의 특수 파괴 모드 요구 사항과 최대 하중에서 강철 같은 변형이 포함된다. 이 요구 사항과 제한된 패키지 공간을 고려할 때, 최대 하중을 지지하는 페달의 주요 쉘 구조에는 연속 섬유 보강이 필요하다. 따라서 팀은 오르가노시트로 페달 백본을 형성하기로 결정했다. UD 테이프는 이후 프리포밍 중 U-채널로 구부러질 부품 영역의 내부 벽을 강화하고 피크 스트레스 시 국소적으로 강성/강도를 높이기 위해 사용된다. 리브 같은 기능적 형상이 필요한 영역에는 다진 유리 오버몰딩 컴파운드가 지정되었다. 팀은 이 하이브리드 접근법이 섬유 효율성을 높이고 소재 사용량, 평균 벽 두께, 사이클 타임을 줄일 것이라고 느꼈다.

팀은 생산 중 섬유 위치를 최적화하기 위해 집중적인 시뮬레이션 작업을 시작했다. 보게 작업의 기초는 2011-2014년 공개 자금 지원 독일 연구 프로그램인 소웨마(SoWeMa, 완전 자동화된 폐쇄형 경량 제조 체인을 위한 소프트웨어, 도구, 기계 개발)였다.

"소웨마 연구는 1년 후 우리 벤처에 물어볼 많은 질문을 다뤘다"며, 헤펠린은 설명한다. "설계가 보게의 핵심 노하우 일부이므로, 소웨마 프로그램 기초부터 시작하여 이방성 레이업 구조를 위한 자체 FE(유한 요소) 시뮬레이션 역량을 구축했다."

초점 영역 중 하나는 테이프 레이업과 리브 구조에 대한 결합 토폴로지 최적화였다. "테이프 배치 최적화와 리브 구조 적응을 위한 반복 사이클을 만들었는데, 둘 다 부품의 강성과 강도를 통해 연결되어 있기 때문"이라며, CRRC 이노베이션 센터 FEA 엔지니어 K. 지베(K. Siebe)는 계속한다. "UD 테이프, 오르가노시트, 단섬유 소재의 조합이 독특하고 그 적용이 특정 습도 및 온도 창에 묶여 있으므로, 물리적 테스트 중 이 소재들이 어떻게 거동할지 더 정확하게 특성화하기 위해 자체 소재 카드를 구축했다."

보게는 시뮬레이션 결과와 주어진 페달 설계를 기반으로 각 소재의 레이어 구조와 섬유 아키텍처를 지정했다. 랑세스 도이칠란트 GmbH(독일 쾰른)가 섬유 부피 분율(FVF) 45-50%로 오르가노시트를 공급한다. FVF 55-60%의 UD 열가소성 테이프는 셀라니즈 Corp.(미국 텍사스주 어빙)가 공급한다. 이 애플리케이션용 40-60% 섬유 중량 분율(FWF)의 단섬유 사출 컴파운드는 여러 소스에서 공급된다. 모든 소재는 검은색이며 폴리아미드 6 또는 6/6(PA6, PA6/6) 매트릭스를 특징으로 한다. 고객 사양 충족을 위해 PA6가 세 복합재 유형 모두의 기본 수지다. 그러나 제조 중 습도 및 온도 수준, 공간 제약, 페달 형상에 따라 오버몰딩 수지로 PA6/6도 사용할 수 있는데, 두 폴리머가 충분히 유사하여 잘 결합되기 때문이다.

3단계 생산

설계와 병행하여 팀은 3단계 생산 공정을 작업했다. 첫 단계에서는 미리 절단되고 미리 콘솔리데이션된 오르가노시트를 안정적인 베이스로 사용하여 부품의 쉘 구조를 강화하기 위해 하중 경로에 정렬된 UD 테이프 스트립을 전략적으로 태킹하여 맞춤형 파이버 블랭크를 생성한다. 두 번째 단계에서는 블랭크를 이동하고 순차적으로 가열, 콘솔리데이션, 성형/드레이핑한다. 세 번째 단계에서는 다진 유리 컴파운드로 오버몰딩하여 리브 구조를 생성한다.

빠른 사이클 타임 달성을 위해 로봇 핸들링이 이 시스템의 필수였다. 팀이 포함시키고자 했던 핵심 공정 특징은 UD 테이프를 오르가노시트 쉘 한 면에 어떤 길이, 어떤 방향, 어떤 위치에도 배치하고 레이저로 해당 테이프를 쉘에 태킹하여 후속 단계에서 이동하지 않게 하는 유연성이었다.

팀이 내린 또 다른 결정은 레이업 직후 맞춤형 블랭크를 미리 콘솔리데이션하지 않고, 드레이핑/프리포밍과 오버몰딩 직전에 하는 것이었다. 팀은 드레이핑/프리포밍 중 어차피 소재를 재가열해야 하고, 비용 효율성을 위해 총 사이클 타임을 1분에 가깝게 유지해야 한다고 추론했다. 따라서 보게는 드레이핑/프리포밍 직전 급속 온도 상승과 고압으로 블랭크를 가열 및 콘솔리데이션하여 테이프와 오르가노시트 간 강한 기계적 결합을 생성한다. 가열이 중단되고 부품 온도가 떨어지기 시작하면 여전히 뜨거운 콘솔리데이션된 블랭크가 드레이핑 캐비티로 이동한 후 다시 이동하여 두 번째 캐비티에서 리브와 기타 기능적 피처로 오버몰딩된다. 검증된 폴리머 체인 침투로 세 소재 모두 간 강한 기계적 결합이 달성된다. 포스트 몰드 마감 불필요.

이 안전 중요 부품의 품질 요구 사항을 충족하기 위해, 팀은 비전, 힘, 시간, 압력, 온도 센서를 사용하여 제조 공정 각 단계에서 소재를 검사하는 빠르고 정확하며 인더스트리 4.0 준수 시스템도 개발했다. 시스템은 해당 데이터를 저장하고 각 페달의 고유 식별 번호와 연결한다. 이는 관여한 모든 소재, 근무조, 공정 설정의 100% 추적성을 보장한다.

현재까지 성과

보게의 맞춤형, 완전 자동화, 품질 관리 공정은 2018년 프로토타입에서 대량 양산으로 전환되었다. 약 1분마다 새 페달을 생산하며, 현재 제조 셀은 연간 최대 100만 개 부품을 제조할 수 있다. 올-복합재 페달은 이전 설계 대비 33% 적은 오르가노시트를 사용하고 공칭 벽 두께가 3mm에서 2mm로 감소했다. 페달은 50-55% 더 가볍지만 강철 강도 요구 사항을 충족하거나 초과한다. 더 가벼운 페달은 소비자의 주행 햅틱을 개선하고 전체 시스템은 수명 종료 시 100% 재활용 가능하다. 현재 공정으로 복합재 페달은 알루미늄과 비용 패리티이며 강철보다 약간 더 높은 비용이다. 다른 자동차 및 스포츠 용품 애플리케이션도 개발 중이다.

자동차 제조사들이 플릿 전동화로 자원을 이동함에 따라 미래는 어떨까? "드라이브-바이-와이어[전기 기계 작동 시스템]와 파워트레인 전동화가 더 일반화되면 가스 페달은 사라질 수 있지만, 브레이크 페달은 남을 것"이라며, 헤펠린은 생각한다. "하지만 브레이크 페달에 센서 등 전자 장치 통합이 더 많아질 것이다. 그것은 부품 복잡성을 실질적으로 증가시켜 복합재를 금속보다 더 경쟁력 있게 만들 것이다."

소재 사용, 공정 단계, 장비 기준은 CW 2021년 1월 후속 기사 "맞춤형 공정으로 분당 복합재 브레이크 페달 생산"에서 더 자세히 설명된다.