자동차 경량화 및 양산을 위한 고성능 탄소섬유/에폭시 복합소재

IACMI 프로젝트 3.2는 새로운 에폭시 기반 레진 시스템으로 인퓨즈된 탄소섬유 강화 복합소재를 평가해, 대량 생산 승용차의 1차 차체 구조물에서 고부하, 안전关键 적용 분야의 금속을 대체할 복잡한 형상의 구조용 복합소재 부품 개발을 진행했습니다. 첫 적용 사례로 테스트 차량의 B필러에 탄소섬유/에폭시 프리프레그 사용이 평가되었습니다. 고성능 프리프레그 소재는 직접적으로 단위당 3kg 질량을 줄였고, 주변 판금의 다운게이징을 가능케 해 더 저렴한 합금 지정으로 추가 중량 및 비용 절감을 가져왔습니다. 출처 | 포드 모터 컴퍼니

2025년 배출가스/연비 규제 대응을 위한 컨소시엄 협력

대부분의 지역 자동차 제조사들은 2025년 승용차 배출가스 저감 및/또는 연비 개선 의무화에 직면해 있습니다. 그러나 이러한 요건을 충족하기 위한 근본적으로 새로운 자동차 기술 개발은 비용이 많이 들기 때문에, 여러 국가에서 공급망 구성원들이 선경쟁 연구 비용을 분담할 수 있는 컨소시엄을 활용하고 있습니다.

미국에서는 IACMI(첨단 복합소재 제조 혁신 연구소-더 컴포지츠 인스티튜트, 녹스빌, 테네시, 미국)가 그런 조직 중 하나입니다. 이 기관의 이니셔티브 중 하나로, 산업계, 학계, 정부 관계자들이 통합 소재/공정 개발, 모델링/시뮬레이션, 다중 소재 접합, 재활용을 아우르는 다각적 프로젝트를 수행해 엔지니어링 문제 해결, 차량 경량화, 에너지 소비 및 배출 저감, 미국 내 신규 일자리 창출에 힘쓰고 있습니다.

프로젝트 3.2와 '불가능한' 레진 시스템

프로젝트 3.2는 2015년 6월 IACMI 출범 시 처음 착수한 프로젝트 중 하나였으나, 실제 기술 개발은 IACMI 창립 몇 년 전부터 포드 모터 컴퍼니(디어본, 미시간, 미국)와 당시 다우 오토모티브(현 다우 케미칼 컴퍼니, 미들랜드, 미시간, 미국) 간 협력으로 시작되었습니다. IACMI 출범과 프로젝트 3.2 시작 시점, 포드와 다우는 새로운 에폭시 레진 시스템에 대한 이전 작업을 프로그램에 통합했습니다. IACMI 합류 후 프로그램은 이 혁신적 레진의 새로운 용도를 나타내는 여러 단계로 확대되었습니다: 프리프레그 B필러, 올-시트 몰딩 컴파운드(SMC) 데크리드, SMC/알루미늄 리프트게이트.

포드용으로 다우가 개발한 보라퓨즈(VORAFUSE) 레진 제품군은 프리프레그와 SMC에 사용하도록 설계되었으며, 북미 자동차 산업에 널리 보급된 압축 성형 장비에서 가공 가능합니다. 포드 요구사항에 따라 레진의 유리전이 온도(Tg)는 150~160℃, 성형 온도는 145~155℃, 150℃에서 2분 미만 경화(1분 미만도 가능)로 연간 10만 대 이상 양산에 충분히 빠릅니다. 성형 후 경화율 95% 이상을 달성합니다. 이 시스템은 용제 및 휘발성 유기 화합물(VOC)이 없습니다.

"포드가 정의한 CTQ(중요 품질 요구사항)는 독특하며 단일 상용 제품에서 이전에 달성된 적이 없습니다."라고 다우 폴리우레탄 R&D 펠로우 데이브 뱅크(Dave Bank)는 설명합니다. "이 때문에 새로운 화학과 고도로 비전통적인 제품들이 이러한 까다로운 사양을 충족하기 위해 필요했습니다."

"레진/경화제 블렌드의 열역학적 선반 안정성과 중합 분리는 경화 진행 없이 탄소섬유에 인퓨전 가능한 건조 페이스트를 생성해 건조하고 비점착성인 몰딩 컴파운드를 만듭니다."라고 뱅크는 덧붙입니다. "그러나 성형 조건이 150℃에 도달하면 화학이 '활성화'되어 경화가 빠르게 진행됩니다." 다우는 이 기술로 21건의 특허를 출원했고 현재까지 4건이 승인되었습니다.

보라퓨즈 시스템의 추가 특징:

• 상온에서 50일 이상 선반 안정성을 가지나 150℃ 이상에서 스냅 경화(snap-cure) 발생. 보관 온도가 40℃를 넘지 않는 한 키트 커팅 및 성형 전 냉동 보관 불필요.
• 기존 프리프레그의 끈적임이 없어 자동화 취급에 이상적. 로봇 및 기타 자동화 장비에서의 빌드업 및 관련 문제 방지.
• 새로운 내부 몰드 이형제(IMR) 제제 함유로 외부 몰드 이형제 도포 전 1,000개 부품 성형 가능. 에폭시는 금속에 매우 효과적인 접착제라 일반적으로 IMR과 상극.
• 미경화 제품은 절단 후 몰딩 시스템에 불연속 섬유 강화 컴파운드로 재투입해 리브/보스 같은 복잡한 형상 성형에 이상적. 기존 에폭시 프리프레그와 SMC와 달리 모든 미경화 스크랩 재사용 가능해 소재 지속가능성 향상 및 부품 비용 증가 요인인 스크랩 손실 절감.

1단계: 프리프레그 B필러

보라퓨즈가 프로젝트 3.2에 통합된 후, IACMI는 전체 프로젝트의 1단계가 될 자동차 애플리케이션 작업에 착수했습니다. 팀원에는 포드, 다우, 다우악사 US LLC(다우악사 B.V.의 미국 애리조나 투손 소재 지사, 다우 케미칼과 악사 아크릴릭 킴야 사나이 A.Ş.의 50/50 합작사), 미시간 주립대(이스트 랜싱, 미시간, 미국), 퍼듀 대학(웨스트 라파예트, 인디애나, 미국), 테네시 대학 녹스빌(녹스빌, 테네시, 미국), 컨티넨탈 스트럭처럴 플라스틱(CSP, 오번 힐스, 미시간, 미국), 오크리지 국립연구소(오크리지, 테네시, 미국)가 포함되었습니다.

1단계에서 연구자들은 에폭시로 인퓨즈된 연속(브레이디드 및 논크림프 패브릭) 탄소섬유 강화 프리프레그를 개발했습니다. 보라퓨즈 P6300 레진은 다우악사 A42 D012 24K 표준 탄성률 탄소섬유와의 호환성을 위해 제조되었습니다. 팀 목표는 탄소섬유/에폭시 프리프레그를 사용해 대량 생산 차량의 1차 차체 구조물에서 고부하, 안전关键 적용 분야의 프레스 금속을 대체할 복잡한 형상의 구조용 복합소재 부품을 개발하는 것이었습니다.

기술 데모스트레이터로 포드 퓨전(Fusion) 테스트 차량의 한쪽 B필러를 사용했습니다. 시뮬레이션으로 타당성을 먼저 평가한 후 물리적 부품을 성형해 전면 충돌 테스트를 포함한 모든 필수 테스트를 수행했습니다. 부품은 모든 테스트를 통과했으며, 기존 금속 대비 측면당 3kg 질량 감소를 달성했습니다. 미경화 스크랩은 재활용돼 필러의 복잡한 리브 구조를 형성했습니다. 고성능 복합소재 덕분에 주변 판금을 다운게이징할 수 있었고, 더 저렴한 합금 지정으로 추가 중량 및 비용 절감을 실현했습니다.

포드의 모든 요구사항을 충족한 이 소재의 첫 상업적 용도는 탄소 복합소재 집약적인 포드 GT 슈퍼카의 프론트 루프 헤더와 프론트 플로어 클로즈아웃 패널이었습니다.

예상대로 탄소섬유/에폭시 프리프레그는 비용 프리미엄이 있으므로, 상당한 중량 감축 의무가 있고 상당한 경량화 기회에 프리미엄을 지불할 수 있는 차량에 가장 적합합니다.

최근 프로젝트 3.2는 새로운 에폭시로 탄소섬유 강화 SMC를 구조/내부 패널에 적용한 데크리드(왼쪽)와 리프트게이트(오른쪽)에 집중했습니다. 프로젝트는 종료 단계지만 상업화 준비된 흥미로운 기술과 추가 연구가 필요한 영역을 제시했습니다. 출처 | 포드 모터 컴퍼니

2단계/워크스트림 1: 올-SMC 데크리드

프리프레그 성공을 바탕으로 프로젝트 연구자들은 새로운 에폭시 레진으로 불연속 탄소섬유 강화 SMC를 안전关键 기능이 있는 복잡한 3D 구조에 적용하는 방안을 탐구했습니다. 한 데모스트레이터에서는 탄소섬유/에폭시 SMC를 본디드 데크리드(트렁크 리드)의 내부/구조 패널로, 다른 데모스트레이터에서는 훨씬 크고 복잡한 본디드 리프트게이트(후면 해치/도어, 윈도우 글라스, 와이퍼 모터, 라이트 등 포함)의 내부/구조 패널로 사용했습니다. 두 워크스트림 모두 원래 설계 제약, 하드웨어, 접합 기술, 구조용 접착제는 변경하지 않았습니다. 기존 주조 마그네슘 및 알루미늄과 비교되는 300MPa 이상의 인장 강도와 40GPa 이상의 인장 강성이라는 도전적인 기계적 목표가 설정되었습니다. SMC는 프리프레그보다 높은 흐름성이 필요해 약간 다른 등급인 보라퓨즈 M6400이 개발되었습니다.

데크리드 데모스트레이터는 기존 유리섬유/불포화 폴리에스터 SMC 기술 대비 점진적 발전을 나타내며, 링컨 MKS 프로토타입 차량의 데크리드 이너에 기존 구조용 유리섬유/폴리에스터 SMC를 탄소섬유/에폭시 SMC 이너 패널로 대체했습니다. 탄소섬유/에폭시 SMC 이너 패널은 저밀도(LD, 1.25 SG) 유리섬유/폴리에스터 SMC 아우터 패널과 본딩되었으며, 이는 표준 밀도(1.9 SG) 유리섬유/폴리에스터 SMC 현행품을 대체했습니다. 신구 아우터 패널 소재 모두 클래스 A 호환이었습니다. 기존 금형을 재사용해 탄소섬유/에폭시 SMC 이너와 유리섬유/폴리에스터 아우터 패널 모두를 성형했습니다. 수축은 두 레진 시스템 간에 약간 차이가 있었지만 피트 앤 피니시 문제를 일으킬 정도는 아니었습니다(유의미한 치수 변화 관찰되지 않음).

가상 프로토타이핑으로 본디드 어셈블리를 비틀림 강성, 프론트 코너 강성, 워터폴 처짐, 래치 하중 등 여러 도전적 하중 케이스에 적용했습니다. 수십 개의 이너 및 아우터 패널을 성형, 본딩, 테스트했으며 89km/h 후방 충돌 테스트도 포함되었습니다. 어셈블리는 가상 및 물리적 테스트 모두를 문제없이 통과했습니다.

데크리드 질량은 벤치마크 대비 30% 감소(10.5kg에서 7.33kg)했습니다. 다만 예산이 허용해 이너 패널을 재금형할 수 있었다면(더 높은 기계적 성능을 고려해 더 얇게 설계 가능), 연구자들은 최소 35% 질량 감소(2mm 벽두께), 1.5mm 벽두께로는 그 이상 감소가 가능하다고 계산했습니다.

탄소섬유/에폭시 SMC는 포드의 모든 요구사항을 통과해 상업 플랫폼에 적용 가능하지만, 기존 유리섬유/폴리에스터 SMC 대비 비용은 더 높습니다.

2단계/워크스트림 2: SMC/알루미늄 리프트게이트

마지막 프로젝트에서 연구자들은 진정한 도전 과제인 경량 금속을 탄소섬유/에폭시 SMC로 대체해, 포드 몬데오(Mondeo) 5도어/해치백 테스트 차량의 더 크고 복잡한 리프트게이트용 하이브리드(금속/복합소재) 본디드 어셈블리를 제작하는 데 도전했습니다. 차량 조립 공정 변경을 최소화하기 위해, 연구자들은 어셈블리를 차체 백색 상태(BIW)에 전기영동 방청 코팅(E-coat) 처리 및 관련 도장 베이킹 사이클 전에 추가되도록 설계했습니다.

탄소섬유/에폭시 SMC가 구조/내부 패널의 마그네슘을 대체해 현행 알루미늄 아우터 패널과 본딩되었습니다. 복합소재 패널 생산을 위해 새 금형이 필요했으므로 부품을 재설계했습니다. 패널 두께는 강성/강도 요구사항과 리브 추가에 따라 가변적으로 설계되었으며, 가스 스트럿, 래치, 힌지, 잠금장치 등 고부하 체결 부위에는 금속 보강재를 사용해 복합소재 패널이 다소 두꺼워졌으나 패키지 공간이 이를 허용했습니다.

포드 몬데오 5도어/해치백 버전용 SMC/알루미늄 리프트게이트(금속 하드웨어 포함) 분해도. 출처 | 포드 모터 컴퍼니

이 멀티머티리얼 어셈블리는 비틀림 및 굽힘 하중, 횡안정성, 내식성, 장기 내구성, 후방 충돌 테스트 등 까다로운 요구사항을 충족해야 했습니다. 마진 및 플러시니스 측면에서 엄격한 치수 안정성 요구사항도 만족해야 했습니다.

하이브리드 시스템은 대부분의 요구사항을 쉽게 통과했으나, 복합소재 이너 패널과 알루미늄 아우터 패널 간 선팽창 계수(CLTE) 불일치로 본디드 조인트에 잔류 응력 축적과 냉각 후 패널 변형이 발생해 피트 앤 피니시 문제가 발생했습니다. 후속 작업으로 퍼듀 대학 시뮬레이션 팀과 함께 E-coat 온도에서 생존 가능한 1K 에폭시 접착제(선택 이유)의 탄성률, 강도, 경화 동역학 예측 개선에 집중해 역설계로 더 나은 접착제를 개발하려 했습니다. 휨은 10분의 1로 줄었으나 목표에는 약간 미달했습니다. 여러 해결책이 가능합니다: 2K/상온 경화 또는 유도 경화 접착제 시도, 새로운 고온 접착제 개발. 장기적으로는 아우터 패널을 알루미늄에서 탄소섬유 복합소재로 대체하거나 리프트게이트를 오프라인에서 생산해 차량 조립 공정 후반에 추가하는 방법이 있으나 둘 다 비용이 추가됩니다.

프로젝트 3.2는 현재 마무리 단계지만 흥미로운 기술을 생산했습니다. 그중 B필러 프리프레그와 SMC 데크리드는 상업화 준비가 되었고, 일부는 추가 연구가 필요한 영역을 가리키고 있습니다.

"IACMI 및 산업계와 학계 파트너들과 협력해 첫 원리에서 기술에 더 깊이 파고들어 기초 과학을 개발하고, 혼자서는 불가능했던 훨씬 더 넓은 지식 기반을 활용할 수 있었습니다."라고 프로젝트 3.2 리더 패트릭 블랑샤드(Patrick Blanchard), 포드 연구 및 혁신 첨단 폴리머 시스템 기술 리더는 요약합니다. "IACMI 파트너들과 새로운 상업적 기회와 R&D 활동을 지속하길 기대합니다."