GM 카본프로(CarbonPro) 복합재 적재함, 현대 픽업트럭에 혁신 가져와

2019년 숏베드(크루캡) GMC (오프로드)와 하프톤 픽업에 처음 적용된 카본프로(CarbonPro) 탄소섬유강화 열가소성(CFRTP) 복합재 적재함의 가장 어려운 점이 무엇이었냐는 질문에, GM(제너럴 모터스, 미국 미시간주 디트로이트)의 첨단 구조 복합재 및 적재함 엔지니어링 그룹 매니저 마크 보스(Mark Voss)는 웃으며 답했다. "가장 어려운 부분이요? 프로젝트 모든 부분이 도전이었습니다. 새로운 설계 기준, 새로운 충격 및 후방 배리어 성능 사양, 새로운 소재와 공정까지. 설계 과정의 모든 단계가 어느 시점엔가 도전이었습니다. 하지만 결과가 스스로를 증명합니다. 카본프로 적재함은 판도를 바꾸는 실행입니다."

팀 어프로치

이전 콜벳(Corvette) 복합재 응용 프로젝트를 담당한 바 있는 보스는 혁신과 경영진 설득에 일가견이 있다. 2011년부터 테이진(Teijin Ltd., 일본 도쿄)과 초기 협상을 시작해, 테이진이 새로 개발한 세리보(Sereebo) CFRTP 시트 복합재의 자동차 응용 상용화를 위한 공동 개발 작업을 진행했다. 보스가 '학습 사이클(learning cycles)'이라 부르는 3년간의 시행착오(시험·평가, 문제 발견·해결, 재시험·재평가)를 거친 후 팀원들은 소재 거동과 적용처를 이해하게 됐다. 2015년까지 2019년형 적재함을 세리보의 자동차 업계 데뷔 플랫폼으로 확정했다.

여러 요인이 이 결정을 이끌었다. 첫째, 경트럭(픽업과 SUV)이 북미에서 가장 빠르게 성장하고 수익성이 높은 승용차 세그먼트라는 규모의 경제. 둘째, 트럭은 바디온프레임(body-on-frame) 방식을 쓰므로 적재함이 바디인화이트(body-in-white)의 일체형이 아니어서, 차량 조립 초기에 섀시 부품에 도포되는 전기영동 방식의 부식 방지 코팅인 E-코트(E-coat) 열성능을 견딜 필요가 없다. 셋째, 적재함이 승객실 밖에 있어 충격 시험과 하중 조건이 캡 구조물보다 덜 가혹해, 신소재·신공정 시도에 덜 위험한 위치다. 넷째, GMC 고객들이 일반적으로 하이테크와 럭셔리를 겸비한 기술을 환영하므로 팀이 기획한 독특한 기능들을 반길 것으로 예상됐다.

보스는 카본프로 실현을 위한 소재·공정 개발에 '진정한 팀 어프로치'가 있었다고 설명한다. 팀에는 GM, 테이진, 몰더인 컨티넨탈 스트럭처럴 플라스틱스(CSP, 미국 미시간주 오번힐스)가 포함됐다. CSP는 2015년 합류해 GM과 테이진이 공동 개발한 공정의 상용화와 카본프로 적재함 생산을 도왔다. 2017년 테이진에 인수된 CSP는 시트 몰딩 컴파운드(SMC) 복합재 적재함 생산 이력이 길다.

진화하는 기술

세리보는 25mm, 24K 토우의 불연속/쇱드 탄소섬유로 강화된 폴리아마이드 6(PA6) 매트릭스의 시트 형태 복합재다. 섬유 배치가 매우 균일해 성형 방식에 따라 등방적 특성을 나타낸다.

열가소성 매트릭스는 여러 이점을 제공한다. 첫째, 미리 중합된 상태로 공급되므로 열경화성 수지처럼 툴에서 중합·가교할 필요 없이 훨씬 빠르게 성형된다. 다만 미리 중합된 폴리머는 분자 사슬이 더 길고 딱딱하며 얽혀 있어 섬유 웨트아웃(wetout)이 어렵고, 섬유 체적률이 열경화성보다 낮아지는 경향이 있다. 둘째, 열가소성은 열경화성보다 밀도가 낮은 경향이 있어 경량화 기회가 된다. 가장 중요한 건 툴에서 나오는 표면 품질이 훨씬 좋아, 열경화성 복합재에서 종종 필요한 샌딩과 도장 같은 상당한 후가공이 필요 없다는 점이다. 또한 PA6 같은 '강인한(tough)' 폴리머는 열가소성 복합재에서 가장 흔한 매트릭스인 폴리프로필렌 대비 열성능과 손상 저항성을 높여준다. 또 열가소성 스크랩/오팔(offal)은 분쇄해 같은 수지 시스템의 다른 피드스트림에 투입하는 용융 재처리(melt reprocessing)로 쉽게 재활용 가능하나, 이는 강화 섬유를 짧게 만든다.

탄소섬유는 유리섬유보다 높은 강성과 강도를 더 낮은 중량과 얇은 벽 두께로 구현한다(충격 강도는 약간 희생되나 수지 선택으로 개선 가능). 무거운 토우는 미세한 항공우주 등급보다 저렴하고 자동차 업계에서 흔히 쓰이는데, 설계에서 극한 강도보다 탄성률이 제한 요인인 경우가 많기 때문이다. 불연속 섬유 강화를 쓰면 극한 강도는 줄지만 자동차 용도로는 여전히 충분하며, 더 두꺼운 단면이나 리브(ribbing) 같은 형상 추가로 개선 가능하다. 단일 등급의 세리보 두 가지 두께로 적재함 대부분 부품을 성형한다고 한다.

하이브리드 성형

세리보는 예열 후 툴에 넣으면 흐르지만, 천연 등방성을 유지하기 위해 기존 유리매트 열가소성(GMT), 직접장섬유 열가소성(D-LFT), SMC처럼 플로우 성형(flow-forming)하지 않는다. 대신 흥미로운 하이브리드 성형 공정을 쓴다. 로봇 장착 프리포밍 장치(RMPD)를 이용한 혁신적 프리포밍(preforming) 단계와 '통상적 압력'에서의 압축 성형을 결합한 방식이다. RMPD는 부품별로 고유한 복잡한 엔드오브암 툴링(end-of-arm tooling)이다. 부품을 필요보다 크게 성형한 후 트리밍해 최종 크기로 마무리한다.

"세리보의 등방적 특성은 그 무게만큼의 가치가 있어 우리는 그 소재 특성을 유지하는 공정을 만들었습니다"라고 보스는 말한다. "그럼에도 구조 소재로 사이드 패널에서 14~16인치(36~41cm) 깊이의 드로(depth of draw)를 달성하고 있습니다."

"세리보 소재는 GMT와 D-LFT처럼 성형됩니다"라고 CSP 프로그램·제품 개발 엔지니어링 디렉터 스티브 펠차스키(Steve Pelczarski)는 설명한다. "하지만 프리히팅 시 블랭크 온도를 제한해(수지와 UV 안정제 보호) 의도적으로 흐름을 낮추고, 프레싱 직전 시트를 프리포밍해 형상을 만듭니다. 프리포밍만 잘하면 세리보로 달성 가능한 드로 깊이와 형상은 무한합니다."

카본프로 최대 4개 부품(헤드보드, 좌우 사이드 패널, 플랫폼/플로어)은 CSP 인디애나주 헌팅턴 공장의 신형 3,600톤 디펜바허(Dieffenbacher) 프레스에서 5초 래피드(open/close) 사이클로 성형된다(참조: "카본프로 적재함: 새로운 성형 공정"). 이 공장은 GM 포트웨인 조립 공장(인디애나주 로아노크, 2019년형 과 GMC 시에라 생산)에서 30분 거리다. 몇 가지 소형 부품은 버진 세리보와 일부 재활용 LFT(분쇄 세리보 스크랩 + 버진 PA6로 흐름성 향상)로 인근 1,200톤 프레스에서 압축 성형된다. 세 번의 서브 본딩으로 크로스카 실(cross-car sill), 휠웰, 사이드 패널 모듈을 결합한 후 최종 메인 박스 본딩 단계에서 최종 조립이 이뤄진다. 전반에 2액형 우레탄 구조용 접착제(플라이오그립 8500, 애쉬랜드 LLC, 미국 오하이오주 콜럼버스)를 사용한다.

"재활용 세리보로 좌우 스테이크 포켓 제작 시 75% 물성 유지를 달성했습니다"라고 보스는 덧붙인다. "비즈니스 케이스에도 도움이 되고 공정 지속가능성도 높이는 큰 윈윈(win-win)입니다." 필드 테스트 결과에 따라 GM과 CSP는 세리보 스크랩 100%를 차량 다른 부품에 재활용할 계획이며, 이는 신공정을 제로 웨이스트(zero-waste)로 만들 것이다.

CSP는 유리섬유/PP D-LFT 압축 성형 엔드게이트 커버, 유리섬유/PA6 사출 성형 휠하우스 어셈블리와 프론트 필러 패널, 유리섬유강화 에폭시 풀트루전 미니실, 적재함 4개 크로스카 실 중 3개를 세리보로 생산한다.

고객 중심 기능

카본프로 적재함에는 차량과 화물 공간을 향상시키는 특별한 기능들도 있다(참조: "차별화 기능"). 첫째, 적재함이 믿을 수 없을 만큼 충격에 강해(아래 영상 참조), 베드라이너(bedliner)가 필요 없다. 녹슬거나 찌그러지지 않을 뿐 아니라, 몰드인컬러(MIC) 블랙 복합재는 스크래치와 풍화 방지를 위한 도장이나 코팅이 필요 없다.

둘째, 골판지 형태의 플로어 구조 설계에 많은 공을 들였다. 골짜기(trough)엔 가벼운 텍스처로 먼지가 쉽게 씻겨 나가게 하고, 마루(crest)엔 공격적인 '그리피(grippy)' 텍스처를 성형해 젖거나 먼지 많은 상황에서도 안정감을 준다. 헤드보드의 특수 모터사이클 포켓과 본딩된 타이다운(각 227kg 하중 지지)으로 좌우 양쪽에 흙받이 오토바이 2대나 중앙 전면에 할리데이비슨 '팻 보이(Fat Boy)' 모터사이클을 고정할 수 있다. 추가 타이다운이 전략적으로 배치돼 다양한 화물 고정을 돕는다. 통합 조명이 펜더 플레어와 테일게이트(표준 또는 6위치 멀티프로) 주변 적재함 내부를 밝힌다.

복합재 적재함은 의 혼합 소재 구조(알루미늄, 고장력강, 롤포밍 강, 복합재, 플라스틱 결합)에서 중요한 역할을 하며, 기존 모델 대비 163kg 감량에 기여한다.