스켈레톤 설계, 비용 효율적인 복합재 자동차 구조 구현

제조업체들이 복합재 부품 비용 절감을 모색함에 따라, 설계자들은 구성 소재를 최대한 효율적으로 사용하면서 자동화 생산과 다기능 통합을 가능하게 하려 노력합니다. 자동차 적용 분야에서는 1~2분이라는 짧은 사이클 타임 요구로 인해 이 과제가 더욱 심화됩니다.

오버몰딩과 스켈레톤 설계의 진화

연속 섬유 프리폼 위에 열가소성 복합재 특징을 사출 성형하는 오버몰딩은 수년간 해결책으로 추구되어 왔습니다. 예를 들어, CAMISMA 프로젝트는 2014년 오버몰딩 복합재 시트 백을 시연했습니다. "하지만 이 접근법이 이제는 열가소성 복합재 BIW(차체 백색) 구조의 완전 자동화 생산을 달성하는 차원으로 발전했습니다."라고 SGL 카본(독일 비스바덴)의 경량화 및 응용 센터(LAC, 독일 마이트겐) 책임자인 크리스토프 에벨 박사는 설명합니다.

이 발전은 수년간 개발되어 온 '스켈레톤' 설계 접근법 덕분입니다. 2015년 MAI 스켈레톤 프로젝트에서 처음 시연된 이 공정은 단방향(UD) 탄소섬유 열가소성 풀트루전 프로파일을 열성형하고 2단계 75초 공정으로 오버몰딩하여 이전 버전의 모든 요구사항을 초과하는 구조적 루프 부재를 생산합니다. 또한 부착용 클립을 통합하고 충돌 거동을 취성에서 연성 파괴 모드로 변경하여 BIW 잔존 강도를 높였습니다.

MAI 스켈레톤 시연기: 윈드실드 프레임

17개월간 진행된 MAI 스켈레톤 프로젝트는 독일 연방 교육연구부(BMBF)의 지원을 받아 MAI 카본(아우크스부르크 네트워크의 지역 부문)이 완료했습니다. BMW(독일 뮌헨)가 주도한 이 프로젝트의 초점은 특정 시연기인 윈드실드 프레임(두 A 필러 사이 유리 앞유리 위 가로 구조 부재) 구현이었습니다. 설계는 현재 BMW i3 구조를 기반으로 모든 기능적, 공간적 요구사항을 포함했습니다. 윈드실드 프레임은 지붕의 횡방향 구조 부재 역할뿐만 아니라 강성(NVH 감소), 강도(지붕 압착 테스트로 충돌 요건 충족), 내장 부품 고정(바이저, 내장 트림, 조명용 배선 하니스 등), 앞유리, 선루프, 외부 지붕 패널과의 연결 지지 등 다양한 기능을 수행합니다.

스켈레톤 설계 윈드실드 프레임은 부품 모서리의 네 개 UD 섬유 강화 풀트루전 바를 오버몰딩된 프레임에 캡슐화하여 비틀림 강성과 복잡한 형상의 기능적 부착부를 제공합니다. 풀트루전 프로파일은 모두 한 평면에 있지 않고 서로 다른 높이에 배치됩니다: 두 개는 60mm 높이 부품의 하단 근처에, 두 개는 상단 근처에 위치합니다.

풀트루전, 열가소성 툴박스의 핵심 요소

MAI 스켈레톤 윈드실드 프레임에는 10x10mm 정사각형 단면이 최종 결정되었습니다. 목표는 저렴한 헤비토우 탄소섬유를 사용하는 것이었으나, 선택된 50K 토우 섬유는 수많은 필라멘트가 빽빽하게 포장되어 수지 함침이 더 어렵습니다. "일반적으로 이 문제는 최적화된 섬유 가이드와 확산으로 최적 함침과 약 50%의 부피 섬유 함유율을 달성함으로써 극복할 수 있습니다."라고 SGL 열가소성 제품 매니저 베로니카 뷜러는 말합니다. SGL은 이 기술을 습득하여 이제 열가소성 툴박스의 일부로 풀트루전을 제공합니다. "우리는 열가소성 테이프 덕분에 반제품에 대한 광범위한 지식을 이미 가지고 있었고, 이를 빠르게 적용해 자체 프로파일을 만들 수 있었습니다." 공정에는 섬유 함량, 기공률, 치수 정확도에 대한 품질 테스트가 포함됩니다. "자동화와 로봇 핸들링 때문에 치수 정확도가 매우 중요합니다. 예를 들어 풀트루전 프로파일에 잔류 응력으로 인한 휨이 없어야 합니다."

풀트루전 보강재 외에도 MAI 스켈레톤에서 열가소성 수지도 조사되었습니다. 다양한 나일론 6(PA6) 유형을 테스트하여 풀트루전 품질과 속도에 최적화된 점도와 레올로지를 결정했습니다. SGL은 열가소성 툴박스를 통해 UD 테이프, 오르가노시트, 단섬유/장섬유 강화 컴파운드, 그리고 이제 UD 강화 풀트루전 등 다양한 소재를 제공했습니다. 모두 SIGRAFIL 50K 탄소섬유를 기반으로 폴리프로필렌(PP)과 폴리아마이드(PA6, 인시투 PA6 포함)에 적합한 사이징을 적용했습니다. "섬유, 사이징, 매트릭스를 조화시키는 것이 복합재 구조의 최적 성능을 달성하는 데 필수적입니다."라고 뷜러는 말합니다.

인시투 PA6에 대해 그녀는 "카프로락탐 단일체나 촉매와 활성화제가 포함된 단일 단량체가 반응하여 복합재 부품 성형 중에 중합[긴 폴리머 사슬 형성]하는 것"이라고 설명합니다. 즉, 카프로락탐이 인시투에서 폴리아마이드로 중합됩니다. 폴리아마이드 그룹에는 PA66, PA12, 특정 유형의 PPA도 추가 매트릭스 선택지로 포함됩니다.

열성형과 오버몰딩 공정

MAI 스켈레톤 윈드실드 프레임 생산은 탄소섬유/PA6 풀트루전 프로파일로 시작됩니다. 이들은 부품 형상과 다양한 지점의 하중 도입을 수용하도록 수정되어야 합니다. 탄소섬유의 높은 강도와 강성은 최대한 직선으로 유지해야만 실현될 수 있으므로 열성형이 선택되었습니다. 이는 풀트루전 바를 매트릭스 흐름 방향으로 늘린 후 양 끝을 평평하게 하고 구부림으로써 달성되었습니다(그림 1).

두 번째 단계는 열성형된 풀트루전 프로파일을 적외선 히터 아래에 두어 50초 미만으로 온도를 올린 뒤, 이를 위해 개발된 자동 핸들링 시스템으로 사출 금형에 이송하는 것입니다. 프로젝트 내 모든 부품은 기존 사출 성형기에서 생산되었습니다. 섬유 강화 컴파운드를 프로파일 위와 주변으로 오버몰딩합니다. 오버몰딩 동안 네 개의 열성형 풀트루전 바를 위치시키기 위해 금형과 공정 모두에서 정밀도가 요구되었습니다.

두 단계 공정(프리메이드 풀트루전의 열성형과 오버몰딩)의 총 사이클 타임은 약 75초였습니다. "열가소성 매트릭스가 오버몰딩 전에 재용융되기 때문에, 프리메이드 및 열성형된 바를 매우 짧은 사이클 타임으로 성형 및 접합하여 완제품에 통합할 수 있습니다."라고 에벨은 설명합니다. "일반적으로 열가소성의 용융성은 금속 부품과의 접합도 가능하게 합니다."라고 뷜러는 덧붙이며, 열가소성 열성형과 사출 성형 공정이 고량산 생산에 필수적인 우수한 재현성과 공정 제어를 제공한다고 언급했습니다.

연성 파괴 모드 달성

호환되는 유리섬유 및 탄소섬유를 사용한 PPA와 PA6 프로파일을 평가하여 부품의 더 연성 파괴 모드를 탐구했습니다. 더 연성 파괴 모드는 윈드실드 프레임이 전달할 수 있는 하중량은 감소시켰지만, BIW 전체의 구조적 무결성을 향상시켰습니다.

해석 방법에는 솔리드 모델링, 리바 모델링(풀트루전이 오버몰딩을 보강하는 리바 역할을 하는 기하 모델링), 쉘 요소 모델링 및 이들의 다양한 조합이 포함되었습니다. 소프트웨어로는 ABAQUS(Dassault Systèmes), Dakota 파라미터 솔버(Sandia 국립연구소), OptiStruct(Altair Engineering)가 사용되었습니다.

BMW가 최종 프로젝트 보고서에서 선호하는 소재 조합을 지정하지는 않았지만, 최종 시뮬레이션과 테스트 결과 스켈레톤 구성품이 현재 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품의 모든 요구사항을 초과했으며, 비틀림 강성만 제외되었는데 이는 윈드실드 프레임의 핵심 설계 동인이 아닌 것으로 판단되었습니다. 스켈레톤 설계는 충돌 하중 케이스에서 현재 CFRP 부품 대비 하중 레벨과 에너지 흡수 모두를 초과했습니다. 또한 더 연성 파괴 모드를 달성하여 복합재 구조 충돌 성능뿐만 아니라 그 성능이 BIW 구조 전체와 어떻게 연관되는지에 대한 이해도 발전시켰습니다.

미래 스켈레톤 설계 적용 분야

MAI 스켈레톤 최종 보고서에서 BMW는 스켈레톤 설계 접근법으로 제조, 소재, 금형 비용을 크게 절감할 수 있는 다른 6개 차량 부품을 확인했습니다. SGL 카본은 자동차 및 항공우주 시트 구조, 대시보드, 로봇 팔, X선 베드 등에 적용을 제안합니다.

그러나 스켈레톤 설계 접근법은 후속 프로젝트 MAI 멀티스켈레톤(2015년 9월~2017년 6월)에서 다축 응력을 받는 부품으로 더욱 발전했습니다. 베어링 구성품과 풀트루전 프로파일이 교차하는 영역, 특히 여러 주 하중 경로가 교차하는 대형 구조 부품의 고하중 도입 영역을 조사했습니다. 이전 스켈레톤 프로젝트와 마찬가지로 부품 설계와 비용 효율적인 양산 라인이 조사되었습니다.

기존 복합재 부품을 스켈레톤 설계로 더욱 최적화할 수 있는 예는 2017년 SGL과 자동차 기술 전문 베르트란트(독일 에닝엔)가 개발한 전기차용 카본 캐리어 프론트 인테리어(그림 2)입니다. 기존 계기판의 주요 기능 및 트림 구성품을 모두 통합한 카본 캐리어는 열성형된 오르가노시트를 하중 지지 '백본'으로 사용하여 강성을 더했습니다. "미래에는 이 부품을 오버몰딩된 열가소성 프로파일 설계로 대체할 수 있습니다."라고 에벨은 말합니다. "그러면 오르가노시트의 절단, 적층, 트리밍 작업이 생략됩니다. 또한 크로스 멤버가 불필요해지는데, 풀트루전 프로파일로 통합하고 오버몰딩하여 대시보드 설계를 달성할 수 있기 때문입니다. 이 오버몰딩 부품은 필요한 부착 요소뿐만 아니라 이들 요소를 부착하기 위한 나사와 클립, 케이블 등을 수용할 더 많은 공간과 유연성도 제공합니다."

에벨은 이것이 큰 설계 변경임을 인정하지만, "비용을 절감하고 전체 부품을 더 효율적으로 만듭니다."라고 지적합니다. 프로파일이 필요한 길이만큼 정확히 절단되고 열성형 전 오버몰딩 과정에서 탄소섬유 보강재가 손실되지 않으므로 거의 폐기물 없는 공정 설계가 가능하다고 덧붙입니다. 뷜러는 시트도 스켈레톤 설계의 주요 후보라고 말합니다. "복합재 시트는 일반적으로 패브릭이나 테이프로 만들어지며 여전히 시트형 구조입니다. 하지만 바닥면에 프로파일을 통합하고 강성을 높여 평면 영역의 두께를 줄일 수 있습니다." 그녀는 풀트루전 프로파일만이 효율적인 UD 제품은 아니라고 언급합니다. "테이프도 가능하며, 각 부품의 하중 경로에 쉽게 맞출 수 있습니다."

"우리는 경량화 및 응용 센터에서 많은 기업을 방문하고 있습니다."라고 에벨은 말합니다. "추가적인 혁신적 개념인 스켈레톤 설계는 많은 방문객에게 영감을 주었고 매우 유망한 것으로 평가받고 있습니다." 그는 센터가 설계 역량을 구축했으며 스켈레톤 개념 같은 혁신적 아이디어를 통합하여 미래 소재 효율적 부품을 위한 새로운 설계 공간을 열도록 도울 수 있다고 설명합니다.

"윈드실드 프레임과 유사한 설계를 사용할 수 있는 응용 분야가 많습니다."라고 뷜러는 말합니다. "업계가 준등방성 적층에서 벗어나야 합니다. 이는 탄소섬유의 강도와 강성을 많이 활용하지 못하는 방식입니다. 대신 각 소재를 필요한 곳에만 배치하는 더 효율적인 소재 형태를 활용해야 합니다. 이것이 미래를 위해 업계에 필요한 것입니다."