2020 콜벳 C8: 복합재 엔지니어링의 걸작

올해 초, 제너럴 모터스(GM, 미국 미시간주 디트로이트)의 8세대 쉐보레 콜벳 스포츠카(C8) 첫 물량이 켄터키주 볼링 그린 조립 라인에서 출고되었다. "67년 역사상 가장 빠르고 강력한 엔트리 콜벳"으로 묘사되는 이 차는 역대 가장 복합재 집약적인 콜벳이자 미드십 엔진을 최초로 탑재한 모델이다. 2020년형 콜벳 스팅레이는 아름답고 빠를 뿐 아니라 다양한 럭셔리 기능으로 무장했다. 하지만 멋진 외관과 빠른 랩타임에 속지 말라: 이 차에는 복합재 혁신이 가득하다. CW의 이 차량 복합재 적용 2부작 기사는 2020년 7월호에 시작됐다. 이는 2부다.

차체 구조: 파트 B

새 콜벳은 합쳐서 12.6입방피트(0.36입방미터) 화물을 적재할 수 있는 두 개의 트렁크를 갖는다. 두 트렁크 모두 42중량% 다진 유리섬유/비닐 에스터-불포화 폴리에스터(VE-UP) 레진으로 제작되지만, 형상과 기계적 요구사항에 따라 다른 공정을 사용한다. 프론트 트렁크(프렁크(frunk))는 0.95 비중(SG) '플로트(float)' 시트 몰딩 컴파운드(SMC) 압축 성형, 리어 트렁크는 독자적인 PRiME(Prepositioned Reinforcement ensuring Manufacturing Excellence) 공정, 즉 액체 압축 몰딩(LCM) 변형으로 성형된다. 플로트 SMC와 PRiME 공정은 몰디드 파이버 글라스(MFG, 미국 오하이오주 아슈타불라)가 개발했다. MFG가 차량의 모든 구조용 SMC와 LCM 부품을 생산했다.

"두 공간 모두 얕은 드로우의 긴 벽이 특징이지만, 프렁크가 리어 트렁크보다 작아 압축 성형이 가능했습니다."라고 콜벳 차체 구조 수석 엔지니어 크리스 바셀라(Chris Basela)는 설명한다. "리어 트렁크는 더 높은 기계적 성능이 필요했고 SMC 차지로 채우기 힘든 형상이었습니다. PRiME 공정으로 섬유 길이를 변경할 수 있어 프리폼에 더 긴 프리포지션드 보강재를 사용할 수 있었습니다. 레진을 흐르게 하는 것[유리가 아닌]이 최선의 접근법임이 입증되었습니다."

영리한 엔지니어링과 신소재가 C8 엔진 냉각의 열쇠였다. 다중 1차 냉각 경로(각 도어 뒤 리어 흡입구, 프론트 휠하우스 벤트, 아웃보드 냉각 흡입구)가 고도로 복잡한 유도 덕트를 통해 공기를 차량 전체로 유도하고 엔진을 가로지른 후, 엔진을 보여주는 유리 파티션 양쪽의 알루미늄 메쉬 벤트와 SMC 애플리케로 배출한다. 애플리켄은 MFG의 플로트(0.95-SG) SMC(다진 유리/UP-VE 레진)로 제작된다. 낮은 휘발성 유기 화합물(VOC)로 배출가스를 줄이고 리어 유도 덕트의 레조네이터 필요성을 없애며, 대체 기술 대비 비용과 질량(2.4kg)을 절감한다.

거대하고 고객에게 보이는 리어 서라운드 프레임(64 x 69 x 24인치 / 163 x 175 x 61cm)은 승객실 후방 절반을 감싸며, 터프닝된 1.2-SG SMC로 압축 성형된다. 이 하이브리드 강화 소재는 탄소섬유 15% 섬유 체적 비율(FVF)과 유리섬유 30% FVF, 엔진룸 열을 견디도록 제조된 저VOC UP 레진을 특징으로 한다. 이 프레임은 모든 리어 외장 및 내장 패널의 치수적 기반을 형성하면서도 유연한 설계로 여러 모델 변형에 사용 가능하다. 상당한 부품 통합으로 2차 부착물이 제거되어 실내 공간 증가, 소음/진동/거칠기(NVH) 감소, 차체 구조 및 밀봉 성능 향상, 리어 해치 가시성 개선, 기존 프레임 대비 질량(15%)과 비용 절감을 달성했다. "이 부품 크기가 거의 6x6피트 높이에 2피트 깊이라, 소재가 금형 내에서 오르막으로 흐르도록 만들어야 해서 첫 샷 때 다들 좀 걱정했습니다."라고 바셀라는 회상한다.

마찬가지로 흥미로운 것은 벌크헤드(미드 윈도우 프레임)로, 이 부분은 V8 엔진 바로 위에 위치해 높은 열과 소음 문제를 해결하기 위해 MFG가 맞춤 제조했다. 베릴륨 그래파이트 필러를 저VOC VE-UP 레진에 결합한 유리섬유 보강재가 승객실로 전달되는 소음을 매우 효과적으로 차단해 2차 방음 대책이 필요 없게 했다. 이로 인해 비용 절감, 실내 공간 및 승객 편의성 증대, 차체 밀봉 및 NVH 개선 효과를 얻었다. "비중 2.2로, 질량을 빼는 게 아니라 더하라는 요청을 받은 첫 복합재 부품입니다."라고 바셀라는 웃는다.

클로저 및 트림

외장 바디 패널은 모두 본딩(이너/아우터)된 도장, 터프닝 1.2-SG SMC(컴포넌트에 따라 22~28% FVF 유리섬유/UP 레진)로 컨티넨탈 스트럭처럴 플라스틱스(CSP, 테진 그룹사, 미국 미시간주 오번힐스) 제품이다. 복합재 클로저를 볼트로 체결해 C8의 공격적인 스타일링, 공력, 기능적 냉각 통합을 달성하면서 공용 부품으로 여러 모델 변형에 비용 효율적 경량화를 실현했다. 모든 바디 패널은 볼링 그린의 혁신적인 로봇 습식 샌딩 공정으로 차량 위치에서 인라인으로 도장된다.

또 다른 혁신은 SMC 서비스 도어 뒷면에 단일 성분, 티크소트로픽 실리콘 엘라스토머 폼 가스켓을 적용한 것이다. 서비스 도어는 리어 트렁크에 위치(쿠페 1개, 컨버터블 2개)하며 에어 필터 시스템 고객 접근을 허용한다. 엔진룸 근접성으로 인해 연속 사용 온도 392°F/200°C까지 견디는 고성능 폼-인-플레이스(FIP) 엘라스토머(다우 Dow Inc. 실라스틱 3-8186, 미국 미시간주 미들랜드)가 지정되었으며, 반복된 개폐 사이클 후에도 우수한 압축 세트 저항으로 내구성 있는 밀봉을 제공한다. GM에 따르면 대부분의 다른 다이컷 폼과 가스켓은 그러한 지속적 고온 노출에서 녹거나 분해될 것이다. 디스펜싱 후 도포된 가스켓은 167°F/75°C에서 10분간 열처리해 폼을 팽창시켜 다이컷팅 비용과 폐기물을 제거한다. 도어 자체는 터프닝 SMC(VE-UP 매트릭스에 42% FVF 유리). 겐텍스(Gentex Corp., 미국 펜실베이니아주 카본데일)가 제작한 히트 실드는 듀폰(DuPont de Nemours, Inc., 미국 델라웨어주 윌밍턴) 케블라 아라미드 직물(내열·내마모성 알루미나이즈드)로 도어 내부에 추가 열 보호를 제공한다.

GM은 C8에 2세대 완전 자동 정밀 휠 밸런스 시스템도 적용했다. 3M(미국 미네소타주 세인트폴)과 ESYS 오토메이션(미국 미시간주 오번힐스)과 공동 개발한 고밀도(5.8-SG) 복합재 휠 웨이트는 맞춤형 자기적 특성을 가져 페인트 강철, 아연, 납 등 특정 질량을 가진 기존 스탬핑 금속 웨이트를 대체한다. 신규 시스템은 접착 백킹이 된 대형 압출 테이프 스풀을 사용하며, 부피 기준 67%의 포스트 인더스트리얼 내식성 완전 재활용 강철 합금이 플루오로폴리머 베이스에 함유되어 있다. 자동 시스템이 각 휠을 검사해 맞춤 중량 테이프 세그먼트를 더 작고 정밀한 단위로 절단·부착해 승차감 개선과 타이어 마모 감소를 달성한다. 조립 시간과 비용도 줄이고, 재고 관리를 단순화하며, 스크랩과 노동력을 없애고, 금속 웨이트보다 더 많은 색상 옵션을 제공한다.

쿠페 루프는 세 가지 트림 레벨로 제공된다: 도장된 저밀도 터프닝 SMC(CSP 공급), 투명 하드코트 폴리카보네이트(PC), 투명 코팅/노출 직조 탄소섬유 복합재(페인트 에지, 데보텍deBotech Inc., 미국 노스캐롤라이나주 무어스빌 공급). CSP는 컨버터블 모델 접이식 루프 시스템용 여러 클래스 A 터프닝 1.2-SG SMC 패널도 공급한다.

기타 외장 트림 패널로는 도장된 열가소성 폴리올레핀(TPO) 프론트 페시아 상단 및 하단(하단에는 Z51 패키지 전용 브레이크 덕트와 아웃보드 열교환기 통합), 도장된 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 아우터 그릴 및 브레이크 냉각 벤트. 상단 리어 페시아는 몰드-인-컬러(MIC) TPO지만, 하단 리어 페시아 어셈블리는 핫 배기 팁 근접성으로 인해 클래스 A 도장 1.2-SG SMC(유리/UP 레진)다. SMC의 우수한 기계적 성능으로 GM은 지지대 없는 짧은 리어 오버행을 설계하고 더 큰 부착 간격을 사용해도 새깅 없이 가능했다. SMC는 저속 후방 충돌 시 하중을 더 넓은 영역으로 효율적으로 분산시킨다. 브라켓과 리어 주차 보조 센서가 SMC에 본딩된다. 이는 고량산 차량에 SMC 범퍼 페시아가 사용된 첫 사례라고 한다.

리어 해치 애플리켄은 상단 패널용 도장 PC/ABS, 측면 벤트용 알루미늄 메쉬 SMC, 엔진 바로 위 열하중을 수용하기 위한 하단 애플리켄 SMC를 특징으로 한다. 이 SMC 패널들은 론델바셀(LyondellBasell)의 퀀텀 컴포지츠(Quantum Composites Inc., 미국 미시간주 베이시티)가 생산한다. 도어 핸들 릴리스 스위치는 PC/ABS, 리어 에어 흡입 벤트는 SMC. 기본 모델은 블로우 몰딩 도장 ABS 스포일러, 리어 에어 출구 그릴은 사출 성형 도장 ABS. A-필러와 헤더 애플리켄은 도장 ABS, 익스테리어 사이드 미러 캡과 라디에이터 흡입 그릴도 도장 ABS. 옵션 패키지에 따라 터프닝 SMC 프론트 언더윙과 블로우 몰딩 TPO 또는 탄소섬유 복합재 프론트 스플리터/디퓨저(투명 코팅/가시 직조 카본/에폭시, 데보텍이 솔베이 복합재 소재 프리프레그로 제작)가 추가 공력 안정성에 기여. 터프닝 SMC 리어 디퓨저가 MFG의 클래스 A 도장 SMC 하단 리어 페시아와 결합된다.

프리미엄 탄소섬유 트림 패키지는 안팎으로 다양한 투명 코팅/가시 직조 탄소섬유 액센트를 포함: 미러 캡, 프론트 그릴 인서트, 프론트 스플리터, 액세서리 윙, 엔진룸 커버, 인테리어 도어 스위치 플레이트, 로커 몰딩, 계기판 클러스터 베젤, 도어 핸들 커버, 쿼터 애플리켄, 라이드 컨트롤 플레이트. 이 부품들은 데보텍, SMI 컴포지츠(SMI Composites LLC, 미국 조지아주 코머), 플라산 카본 컴포지츠(Plasan Carbon Composites, 미국 미시간주 윅솜)가 생산한다.

기술 발전

2020 콜벳은 이미 2020 모터트렌드 올해의 차, 2020 오토모티브 뉴스 PACE(자동차 공급업체 우수 기여) 파트너십 어워드, 미국 플라스틱 엔지니어 협회(SPE) 다수 상(2019 차량 엔지니어링 팀 어워드 등)을 수상했다. "새 스팅레이의 미드십 아키텍처가 헤드라인을 장식했지만, 엔진이 운전자 앞이든 뒤이든 8세대 동안 콜벳은 항상 자동차 소재 기술의 최첨단을 발전시켜 왔습니다."라고 태지 주크터(Tadge Juechter) 글로벌 콜벳 수석 엔지니어는 덧붙인다. "기술 발전은 우리가 하는 일의 핵심입니다."