자동차 설계 혁신: 자동화된 하이브리드 금속-열가소성 복합소재 접합 기술

산업 규모 하이브리드 접합 구현
플렉스하이조인(FlexHyJoin)은 프로젝트 유스케이스인 피아트 판다(Panda) 시티카의 메탈 바디 인 화이트(BIW)에 조립되는 용접 금속 브래킷이 있는 열가소성 복합소재(TPC) 루프 스티프너를 양산하는 공정을 시연합니다. 출처 | IVW

하이브리드 금속-복합소재 구조는 자동차와 항공우주 애플리케이션에서 지속적으로 관심을 끌고 있습니다. "적절한 소재를 적절한 위치에" 배치해 경량화와 성능 향상을 제공하기 때문입니다. 열가소성 복합소재(TPC)는 용접과 열성형이 가능한 신속 가공 덕분에 이러한 멀티머티리얼 구조에 매력적입니다. 그러나 지금까지 복합소재-금속 접합은 주로 기계적 체결부에 의존해왔으며, 이는 하중 지지 섬유를 손상시키는 홀 드릴링이 필요합니다. 접착 본딩도 사용되었으나 여러 열가소성 수지는 이 방식으로 본딩하기 어렵고, 접착제는 소재와 중량을 추가합니다. 예를 들어 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 섀시와 플라스틱 바디 패널을 사용하는 BMW i3는 16kg의 접착제를 사용해 복합소재의 경량화 잠재력을 부분적으로 상쇄합니다.

플렉스하이조인은 유럽연합 호라이즌 2020 연구혁신 프로그램 지원을 받아 2015년 10월부터 2018년 12월까지 진행된 프로젝트로, TPC와 금속 부품 접합의 과제를 해결하고자 했습니다. 라인란트-팔츠 주와 카이저슬라우테른 공과대학의 비영리 연구기관인 복합소재 연구소(IVW)가 조정했으며, 유럽 전역 10개 파트너가 참여해 TPC 자동차 루프 구조를 메탈 BIW에 조립할 수 있는 자동화 공정을 개발했습니다. 전략은 레이저로 금속 브래킷을 사전 처리하고 유도 및 레이저 접합으로 루프 스티프너에 부착해 접착제나 패스너 없이 중량 중립적, 고강도 접합을 달성하는 것이었습니다. 이는 통합 공정 제어와 인라인 비파괴 검사(NDT)를 갖춘 단일 자동화 생산 셀에서 구현되었습니다.

140초 만에 완성되는 하이브리드 데모스트레이터

프로젝트 파트너 센트로 리체르케 피아트(Centro Ricerche Fiat, 폼플리아노 다르코/나폴리, 이탈리아)가 데모스트레이터 부품 사양을 제공했습니다. 현재 강철로 제작되는 피아트 판다 시티카용 루프 스티프너입니다. 플렉스하이조인에서는 이 부품을 구베슈 열성형(Gubesch Thermoforming, 빌헬름스도르프, 독일)이 열가소성 복합소재(Fig. 1)로 열성형했습니다. 본드-라미네이츠(Bond-Laminates, 브릴론, 독일) 공급 1.5mm 두께 텍펙스 다이나라이트 102(Tepex Dynalite 102) 직조 유리섬유/폴리아미드 6(PA6) 오르가노시트를 사용했습니다. 이 TPC 루프 스티프너를 판다의 강철 BIW에 접합하기 위해 양쪽 끝단에 0.7mm 두께 DC04 강철 사이드 브래킷(좌우)을 레이저 접합으로, 중앙 브래킷은 유도 접합으로 부착했습니다. 플렉스하이조인은 두 접합 방법 모두 산업용 하이브리드 구조 생산에 사용 가능함을 보였습니다.

Fig. 1 표면 구조화로 하이브리드 접합 구현
플렉스하이조인은 스탬핑된 GF/PA6 루프 스티프너(상단)에 강철 브래킷을 레이저 및 유도 접합합니다. 이 하이브리드 조인트는 금속 브래킷 표면을 처리해 언더컷을 만들고, 접합 공정 단계에서 녹은 플라스틱이 이를 채우게 합니다(하단). 출처 | IVW

단순히 PA6 매트릭스를 강철 브래킷에 녹여 접합하면 구조적 요건을 충족할 만큼 강한 조인트가 생성되지 않습니다. 따라서 접합 전 레이저 표면 처리가 필요했습니다. "브래킷 표면을 레이저로 구조화해 언더컷을 생성했습니다."라고 필 게젤샤프트(Fill Gesellschaft, 구르텐, 오스트리아) 프로젝트 매니저 요하네스 보이토퍼(Johannes Voithofer)는 설명합니다. 자동화 생산 셀 조립 및 통합을 맡았습니다. "처리된 브래킷을 복합소재 부품 위에 올리고 접합 중 열과 압력을 가하면 복합소재의 PA6 매트릭스가 레이저 유도 언더컷으로 흐릅니다[Fig. 1 참조]." 구조화 공정은 또 다른 파트너인 프라운호퍼 레이저 기술 연구소(ILT, 아헨, 독일)가 개발했으며, 소재 접착과 기계적 잠금을 결합한 금속-복합소재 조인트를 만듭니다.

접합된 부품은 NDT 스테이션으로 이송돼 열화상 기법으로 결함 검사를 받습니다. "할로겐 스팟라이트로 복합소재 표면을 변조 가열합니다."라고 IVW 연구원 비탈리 포포프(Vitalij Popow)는 설명합니다. 플렉스하이조인 NDT 및 공정 제어 개발 리드입니다. "이로 인해 복합소재 구조 내에 진동하는 온도장이 생성됩니다. 시간에 따른 표면 열 응답을 분석해 조인트 결함을 식별합니다." 완전 자동화된 테스트가 생산 셀 내에서 각 제조 부품별로 수행됩니다. 공정 검증은 약 400개 조인트에서 수행되었습니다.

현재 구성된 플렉스하이조인 자동화 생산 셀은 레이저 구조화, 접합, NDT를 병렬로 실행하며 사이클 타임은 각각 81초, 98~108초, 100초입니다(스테이션 간 로봇 이송 시간 제외). 보이토퍼는 완제품 하이브리드 부품당 사이클 타임이 약 140초라고 말합니다.

Fig. 2 산업 규모 하이브리드 접합 구현
플렉스하이조인 파일럿 생산 셀은 표면 구조화, 접합, NDT를 위한 3개 모듈러 스테이션을 갖춥니다. 셀의 단일 핸들링 로봇이 로딩 서랍에서 각 스테이션으로 부품을 이송하고 완제품을 인접 서랍에 배치합니다. 출처 | IVW 및 필

레이저 구조화

레이저 구조화 공정은 금속 브래킷 접합 면에 언더컷 형상의 선을 생성합니다. 플렉스하이조인에서 언더컷은 폭 75마이크로미터, 깊이 215마이크로미터였습니다. 이 치수뿐만 아니라 선의 개수와 전체 패턴도 모두 맞춤 가능하며, 이상적으로는 부품 및 사이클 타임 요구사항에 맞춰 조정됩니다.

"접합 면의 미세구조 위치와 개수는 부품의 하중에 맞춰 조정 가능합니다."라고 IVW 연구원 슈테판 바이트만(Stefan Weidmann)은 설명합니다. 플렉스하이조인 유도 접합 유닛 개발팀 리더입니다. "높은 하중을 받는 접합 면 영역에서는 미세구조 간 거리를 줄이고, 덜 받는 영역에서는 늘려 효율적인 미세구조화 공정을 가능하게 합니다."

구조화는 IPG 포토닉스(IPG Photonics, 부르바흐, 독일) 공급 고출력 단일모드 파이버 레이저로 금속 브래킷 표면을 절제해 달성합니다. 이 YLR-1000-WC 레이저는 1,070나노미터 방출 파장에서 최대 1,000와트 출력을 가집니다. "단일모드 파이버 레이저를 미세구조화 공정에 사용한 것은 약 40마이크로미터 스팟 크기를 유지하는 높은 포커싱 능력 때문입니다."라고 프라운호퍼 ILT 폴리머 가공 팀 리더 크리스토프 엥겔만(Christoph Engelmann)은 상세히 설명합니다.

레이저는 ABB 1200 로봇 팔에 장착된 광학 헤드 내에 탑재됩니다. "광학 헤드 내에 240mm×240mm 작업 영역에서 빔을 편향시키는 두 개의 갈바노미터 미러가 있습니다. 또한 z-하이트 추적용 가동 렌즈(z-시프터) 하나가 있습니다. 로봇은 스캔 헤드를 금속 부품 위에 위치시키는 데만 사용되고, 빔은 미러로 편향되며 각 미세구조 선의 z-위치는 z-시프터로 조정됩니다. 따라서 가공 중 헤드 이동이 없습니다. 이렇게 하면 각 이산 선에 대해 동일한 z-위치를 유지하면서 선 간 조정만으로 2.5D 부품 처리가 가능합니다."

"안전상 이유로 구조화 및 접합 유닛 모두 인클로저 내에 있습니다."라고 보이토퍼는 설명합니다. 파일럿 생산 셀의 검은 캐비닛을 가리킵니다. "자동화된 게이트/도어가 레이저 작업 중 닫혀 있다가 완제품 제거와 신규 투입 시 열립니다."

Fig. 3 유도 및 레이저 접합 셀
접합 셀에서 중앙 브래킷은 유도 접합으로, 양끝 사이드 브래킷은 레이저 접합으로 복합소재 루프 보우에 접합됩니다. 출처 | IVW 및 필

유도 및 레이저 접합

구조화 셀에 인접한 접합 셀은 중앙 브래킷 유도 접합과 좌우 사이드 브래킷 레이저 접합의 두 가지 개별 작업으로 구성됩니다. "중간 복잡도의 더 큰 부품인 중앙 브래킷에는 유도 접합이 더 적합합니다."라고 바이트만은 말합니다. "인덕터가 있는 세라믹 압착 툴이 접합 영역에 압력을 가하고 전자기장에 투과돼 금속 브래킷으로 효율적 에너지 입력을 유도합니다. 평평한 형상에 편리하지만 사이드 브래킷 같은 복잡한 형상에는 더 어렵습니다. 따라서 사이드 브래킷에는 레이저 접합이 더 효과적이었습니다." 바이트만은 "유도 접합은 대형 부품과 중간 복잡도에, 레이저 접합은 고복잡도 부품에 더 적합합니다."라고 덧붙입니다.

복합소재 루프 스티프너의 드릴 구멍이 지지 툴링 위에 정렬되도록 하며, 이는 열성형된 스티프너 곡률에 맞게 형상화됩니다. 중앙 브래킷의 레이저 컷 구멍이 루프 스티프너 위에 위치시키고, 사이드 브래킷은 루프 스티프너 끝단과 형상이 일치해 정렬됩니다.

"중앙 브래킷은 불연속 유도 접합으로 결합되었습니다. '이는 본질적으로 준정적 프레스 접합입니다.'라고 바이트만은 설명합니다. '단일 위치에서 면적 조인트를 달성하는 정적 공정이라는 의미지만, (유도) 접합 중 가해지는 압착 압력으로 복합소재 두께가 약간 변하기 때문에 z-방향 이동이 있습니다.'"

유도 접합 유닛에는 KGR(브란디초, 이탈리아) 고주파 발생기가 있어 유도 코일에 교류 전기장을 공급합니다. 헤드는 전기 모터와 스핀들(Fig. 3)로 이동해 세라믹 압착 툴이 금속 브래킷 위에 눌러집니다. 압착 툴 내 유도 코일이 금속을 가열해 복합소재 매트릭스를 녹여 조인트를 형성합니다. "가열 및 냉각 내내 압력이 가해집니다."라고 바이트만은 말합니다.

사이드 브래킷 레이저 접합은 유도 접합과 동시에 시작됩니다. 지지 툴링 양쪽에 위치한 두 클램핑 장치가 사이드 브래킷에 4,000뉴턴 클램핑 힘을 가할 수 있습니다. "클램핑은 복합소재와 금속 부품 간 간극을 최소화하기 위해 필요합니다."라고 보이토퍼는 설명합니다. "이것이 조인트 내 보이드 생성을 방지합니다." 클램핑 힘 가동 후 레이저 헤드가 위치합니다. 레이스터 테크놀로지스(Leister Technologies, 케기스빌, 스위스) 공급 라인빔(LineBeam) 다이오드 레이저를 장착했습니다. 레이스터의 요하네스 엑슈타트(Johannes Eckstaedt)는 이 레이저가 980나노미터 방출 파장에서 최대 600와트 출력을 가진다고 설명합니다. 빔은 광학 렌즈로 27mm×1mm 라인 형태로 형성돼 금속 브래킷에 초점됩니다. 레이저 헤드는 형상화된 브래킷 표면을 따라 이동할 수 있는 로봇 팔에 장착됩니다. "브래킷 각 영역별로 다른 속도를 설정해 균일한 접합 온도를 달성, 열응력을 줄여 최적의 접합 결과를 얻습니다."라고 엑슈타트는 말합니다.

일반적으로 레이저 접합은 투과 접합 또는 열전도 접합을 사용할 수 있습니다. 레이저 투과 접합의 경우 접합되는 복합소재가 선택된 레이저 파장에 투명해야 합니다. 레이저가 복합소재를 통과해 브래킷 금속 표면에 닿아 가열합니다. 그러나 이 방법은 플렉스하이조인 데모스트레이터에서 사용되지 않았습니다. 루프 스티프너의 오르가노시트 라미네이트가 레이저 투과성이 없었기 때문입니다. 대신 열전도 접합 대안이 사용되었습니다. 이는 레이저를 금속 표면에 직접 조사해 금속 베이스 소재를 통해 열을 전도시켜 복합소재에 전달, PA6 매트릭스를 220~300℃에서 녹여 조인트를 형성합니다. "강철 브래킷의 높은 열전도율로 레이저 열이 빠르게 확산돼 사이드 브래킷을 효율적으로 접합합니다."라고 보이토퍼는 말합니다.

Step 1. TPC 루프 보우와 금속 브래킷을 플렉스하이조인 셀 부품 서랍에 수동 적재. 서랍 닫고 생산 시작.

Step 2. 로봇이 금속 브래킷 세트를 픽업해 구조화 셀에 배치. 레이저 보호 도어 닫힘.

Step 3. 구조화 셀 내부에서 고출력 파이버 레이저가 복합소재 루프 스티프너에 접합될 브래킷 표면에 언더컷 생성.

Step 4. 브래킷이 레이저 처리되는 동안 로봇이 부품 서랍에서 TPC 루프 보우를 픽업해 구조화 셀 우측의 접합 셀에 배치.

Step 5. 로봇이 구조화 셀로 돌아가 처리된 브래킷을 픽업해 구조화 면이 아래로 향하게 TPC 루프 보우 위에 배치.

Step 6. 로봇이 세 브래킷에 클램핑 유닛 배치. 유도 접합 유닛이 중앙 브래킷 위로 하강. 유도 코일이 금속 브래킷을 가열해 하부 복합소재 PA6 매트릭스 용융.

Step 7. 유도 접합 완료되는 동안 레이저 접합 유닛이 하강해 좌측 puis 우측 사이드 브래킷 순차 접합. 레이저가 금속을 가열해 하부 PA6 매트릭스를 언더컷으로 녹여 고강도 조인트 형성.

Step 8. 완성된 하이브리드 구조물을 NDT 셀에 배치. 록인 열화상 기법으로 결함 검출. 할로겐 램프로 복합소재 표면 가열하고 IR 카메라로 시간 경과에 따른 응답 측정. 이 데이터 분석으로 시각적 품질 평가 제공.

접합 공정 제어

두 접합 공정 제어의 기본 방법은 테스트를 통해 정의된 최적화된 파라미터 세트 대비 온도와 시간을 측정하는 것입니다. "따라서 서로 다른 파라미터로 접합 테스트 샘플을 제작하고 특수 테스트 셋업으로 각 파라미터 세트에 대한 기계적 테스트를 수행했습니다. 사이드 브래킷에는 전단 테스트와 박리 테스트 조합을, 중앙 브래킷에는 랩 전단 테스트와 유사하지만 당기는 대신 밀어 전단 하중을 접합 영역에 가하는 압력 하중 테스트를 사용했습니다."라고 포포프는 말합니다. 이 특수 테스트 셋업은 EDAG 엔지니어링 GmbH(EDAG, 풀다, 독일)와 함께 설계되었으며, 테스트 결과 분석도 EDAG가 수행했습니다. 이 절차를 통해 접합 공정의 최적 파라미터 세트를 식별해 파일럿 생산 셀에 적용했습니다.

"유도 접합 공정은 사전에 캘리브레이션되었습니다."라고 바이트만은 말합니다. "약 30초 후 접합 온도 달성을 알지만 안전상 이유로 인시투 온도 측정으로 과열 방지합니다." 파이로미터로 유도 접합 영역의 알려진 핫스팟 복사 온도를 원격 측정합니다. "하지만 조사된 빛과 열이 많아 레이저 접합에는 정확한 인시투 측정이 불가능합니다."라고 설명합니다. 다만 접촉 센서를 레이저 접합 영역 복합소재 측에 사용할 수 있으나, 유도 접합 공정에는 일반적으로 금속으로 만들어져 유도로 가열돼 측정을 왜곡하므로 적용 불가합니다.

"모든 조인트의 가열 영역은 프레싱 툴과 클램핑 픽스처로도 덮여 있습니다."라고 바이트만은 지적합니다. "따라서 접합 전후 압력과 열로 인한 부품 두께 변화 검증을 품질 보증 방법으로 검증했습니다." 이 두께 변화는 루프 스티프너용 포지셔닝 툴에 통합된 거리 센서로 측정됩니다(Fig. 3에도 표시). "부품을 함께 누르면 거리 센서가 이동합니다. 열과 접합 압력을 가하면 녹은 매트릭스 폴리머가 레이저 구조화 캐비티로 흐르고 조인트 영역에서 약간 짜내졌다가 조인트가 식으면서 냉각됩니다. 이로 인한 두께 변화가 거리 센서에 기록됩니다." 바이트만과 IVW 팀은 이 거리를 부품 품질과 연관지었습니다. "0.1mm 이상의 두께 변화, 즉 압착이 발생하면 조인트 품질이 양호합니다."라고 바이트만은 말합니다.

인라인 NDT

IVW는 또 다른 품질 보증 방법으로 인라인 열화상 테스트를 개발했습니다. "품질 보증의 주목적은 조인트 영역의 특성을 보는 것이었습니다."라고 포포프는 설명합니다. "하지만 이것이 매우 어려워 부품 완성 후 조인트 복합소재 측에서 열화상을 수행했습니다."

IVW는 펄스 위상 열화상 등 다른 능동 방식보다 신호대잡음비가 우수하고 더 깊은 결함 검사도 가능한 능동 열화상 기법인 록인 열화상(Lock-In Thermography)을 선택했습니다. "기본 아이디어는 복합소재에 열을 넣어 조인트 영역으로 전도된 후 표면으로 다시 돌아오게 하는 것입니다."라고 포포프는 말합니다. "록인 열화상에서 부품은 여러 주기에 걸쳐 정의된 주파수로 여기됩니다. 이 응답을 시간 경과에 따라 분석합니다. 복합소재 표면과 조인트 영역 사이가 보이드나 결함으로 비균질하면 열 응답에 나타납니다."

열 응답은 이미지로 캡처됩니다. 이 이미지를 구성하는 점들은 픽셀(픽처 엘리먼트)입니다. 각 픽셀은 측정점이기도 합니다. 따라서 전체 검사 영역에 대한 각 픽셀의 온도 신호가 시간 경과에 따라 분석됩니다. "결과적으로 각 픽셀에 대한 진폭과 위상 정보를 얻고, 소프트웨어가 이를 다시 이미지로 재구성해 시각적 검사가 가능합니다."라고 덧붙입니다. 하지만 126개 테스트 부품에 대한 대규모 측정 세트도 제공했습니다. "이 NDT 결과를 EDAG가 수행한 기계적 테스트 결과와 연관지었습니다."라고 포포프는 말합니다. 팀은 브래킷 제거 후 조인트 영역도 테스트했습니다(파괴 테스트). "세 가지 테스트 결과 세트를 연관지었으므로 이제 열화상 결과 시각 분석으로 저강도 vs 고강도 본드 영역을 식별할 수 있습니다."

양산용 통합 셀

플렉스하이조인의 가장 위대한 성과 중 하나는 각기 다른 프로젝트 파트너가 개발한 모든 기술 유닛을 자동화된 최적화 생산 라인으로 통합한 것이라고 바이트만은 말합니다. 필에서 장비 통합을 담당한 보이토퍼는 "각 장비 세트가 다른 컨트롤러를 사용해 마스터 PLC를 고안해 모든 공정 유닛을 제어해야 했습니다."라고 설명합니다. 여기에는 필이 공급한 레이저 인클로저와 셀 핸들링 로봇도 포함됩니다. "이 모든 공정 단계가 서로 다른 시간이 걸려 함께 작동하게 만드는 것도 매우 어려웠습니다."라고 덧붙입니다.

보이토퍼는 각 공정 유닛과 로봇에 대한 아키텍처를 개발하며 최적 흐름을 위한 위치를 고려했습니다. "세 스테이션(구조화, 접합, NDT)을 세 개 별도 하우징으로 모듈러하게 유지하는 개념이었습니다."라고 말합니다. "이렇게 하면 단일 유닛을 추출해 전시회나 다른 데모 프로젝트에 사용하고 다시 반환할 수 있습니다. 작업 셀은 모듈러하면서도 통합되어 있습니다."

필의 시리얼 복합소재 생산을 위한 이런 시스템 통합 분야 수십 년 경험이 팝프가 보는 플렉스하이조인의 최대 업적인 랩스케일에서 산업 규모로의 전환을 달성하는 데 기여했습니다. "우리는 복합소재-금속 접합 공정을 양산에 적합하게 구현한 최초의 컨소시엄입니다."라고 그는 말합니다. "이 공정은 스태빌라이저 링크, 범퍼, 도어 등 많은 자동차 부품에 사용 가능합니다."라고 보이토퍼는 말합니다. "경량 BIW에는 복합소재 부품이 금속 부품과 연결되는 경우가 많습니다."

다중 산업 적용 위한 적응

그러나 셀이 양산에 투입되기 전 몇 가지 변경이 필요합니다. "레이저 구조화와 접합을 별도 인클로저에 두지 않고 하나로 합칠 것입니다."라고 보이토퍼는 말합니다. "이로써 두 공정 간 인클로저 도어 개폐가 불필요해져 사이클 타임이 단축됩니다." 또한 모든 스테이션을 컨베이어 벨트로 선형 연결할 것입니다. 라인은 부품이 각 스테이션에서 픽업돼 컨베이어에 다시 놓이고 셀을 빠져나가 BIW 조립 준비가 되도록 연속 가동됩니다. 이는 사이클 타임을 추가 단축합니다. 수백 개 부품을 공급할 수 있는 확장된 서랍으로 전체 교대 근무 동안 재보급 없이 라인 가동이 가능해집니다.

이 파일럿 생산 셀은 자동차 산업을 겨냥했지만, 포포프는 항공우주, 스포츠/소비재, 산업 애플리케이션에도 쉽게 적응 가능하다고 말합니다. "사실 이것이 주요 가이드라인 중 하나였습니다."라고 바이트만은 말합니다. "서로 다른 형상과 부품을 접합할 수 있어야 합니다. 변경되어야 할 것은 유도 접합 압착 툴, 레이저 접합용 클램핑 픽스처, 지지 툴링뿐입니다. 셀 주요 부분은 그대로 유지됩니다." IVW는 티타늄과 강철을 직조 탄소섬유/폴리페닐렌 설파이드(PPS) 오르가노시트 복합소재에 하이브리드 접합하는 것도 시연했으며 현재 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 데모 개발 중입니다. "단순히 더 높은 온도에 맞춰 접합 공정을 적응시키고 최적 공정 파라미터를 재정의하면 됩니다."라고 바이트만은 말합니다. "셀은 알루미늄과 구리 및 폴리프로필렌과 폴리에틸렌 같은 다른 열가소성 복합소재 매트릭스 시스템에도 개방되어 있습니다."

"프로젝트 파트너들이 잘 협력했고 추가 개발을 기대하고 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. "이런 유형의 생산이 매우 유망하다고 생각하며, 업계로부터 받은 반응도 다양한 기업들이 이 가능성을 보고 있음을 보여줍니다."