최초 열가소성 도어, 첨단 자동차 복합소재 길 열다: 클렘슨대·혼다·DOE 공동 프로젝트

자동차 경량화 위한 복합소재 도어 개발: 42.5% 중량 감축, $5/lb 비용 목표, 재활용성 확보

자동차 OEM과 1차 공급사들은 연비와 탄소 배출 목표 달성을 위해 차량 중량 감축에 고심 중입니다. 복합소재가 많은 분야에 크게 기여할 잠재력이 있지만, 비용, 설계 이슈, 낯선 공정, 타 소재와의 경쟁이 걸림돌입니다. 이를 극복하고자 복합소재를 다중 소재 자동차 구조에 통합해 최대 효과를 내는 프로젝트들이 진행 중입니다.

복합소재로 자동차 하중 지지 구조를 줄이는 프로젝트 중 하나가 클렘슨 대학교(Clemson University, 미국 사우스캐롤라이나 주 클렘슨) 복합소재 센터, 클렘슨 대학교 국제 자동차 연구 센터(CU-ICAR), 혼다 R&D 아메리카(Honda R&D Americas, 미국 오하이오 주 레이먼드)가 수행 중이며, 델라웨어 대학교 복합소재 센터(CCM, 미국 델라웨어 주 뉴어크)와 미국 에너지부(DOE, 워싱턴 DC) 지원을 받습니다.

프로젝트 초점은 수석연구원 스리칸트 필라(Srikanth Pilla, 클렘슨 자동차공학 젠킨스 석좌교수 겸 학장 펠로우) 말에 따르면, 복합소재가 파워트레인 기술 발전과 공기역학 개선과 병행해 초경량 클로저 시스템(도어, 후드, 트렁크 리드)을 가능하게 할 수 있는지 여부입니다: "경량화 기술 포트폴리오에서 '손쉬운 과실'은 이미 구현됐습니다. 예: 엔진 다운사이징. 우리는 하중 지지 구조 클로저 시스템 분야에서 합리적 가격으로 효율 향상 잠재력이 있다고 봅니다."

협업과 팀워크가 핵심

4년 프로젝트(2016년 시작)는 DOE 공모로, 오바마 행정부의 과학·공학 발전을 위한 그랜드 챌린지 시리즈 일환으로 자동차 배출 기준 달성 포함. RFP는 표준 OEM 도어 대비 42.5% 중량 감축하면서 유사 충돌 성능, 내구성, 사용/오용 성능, NVH(소음·진동·불쾌감) 성능 유지, 상용 소재 시스템 사용, 연 2만 대 이상 양산 스케일 가능 요구.

혼다는 "궁극적으로 배출 없는 사회 구현" 비전과 프로젝트 부합으로 OEM 자문사로 참여했다고 스카이 말콤(Skye Malcolm, 혼다 R&D 아메리카 선임 엔지니어, 선행 기획·검증 차량 개발 기초)은 말합니다. 혼다는 자체 제약도 추가: "팀이 개발할 도어 설계는 동일 실링 지오메트리 사용, 베이스라인 도어와 동일 기능 장비 갖춤, 베이스라인과 구별 안 되는 클래스 A 마감, 혼다 내구성·노화 요건 충족." 팀 추가 목표로 도어 100% 재활용성 설정. 가장 중요하게 DOE는 베이스라인 도어 대비 절감 중량 파운드당 최대 허용 비용 $5로 제한. 일반적인 아큐라 MDX 도어 31.8kg 기준 42.5% 감축 시 목표 중량 18.3kg, $5/lb 기준 복합소재 도어는 도어 비용에 단 $150만 추가 가능.

필라 지원진으로 여러 학부·대학원생, 이강 리(Gang Li, 클렘슨 공학역학 교수), 바즐 하크(Bazle Haque)와 슈리다르 야라가다(Shridhar Yarlagadda, 델라웨어 CCM) 박사 등 다중 소재 복합소재 전문가 참여. 야라가다는 공동 수석연구원으로 "혼다는 우리 노력에 필수적이며 HPC 컴퓨팅 지원과 전방위 혼다 엔지니어 접근 등 예외적 협업과 헌신 제공. 복합소재 부품 설계·제조·통합을 고객 주도 '소프트' 요건과 결합해 수용 가능한 시스템 설계 만들려면 혼다 지원 없인 불가능했다"고 강조. 다른 팀원들도 같은 생각 공유하며 필라 추가: "단순 소재 치환은 해법 아니었다. 시스템 접근 필요했고, 혼다가 도어 시스템 요소를 부품 레벨까지 이해하도록 도왔다. 그들의 파트너십과 관여는 비할 데 없다."

새 도어 설계

초기 분석으로 아우디 A8 알루미늄 도어 프레임, 포르쉐 파나메라 마그네슘 도어 프레임, BMW i8 탄소섬유 강화 열경화성 도어 프레임 등 한정 시장 모델 대상 타 OEM 경량 클로저 벤치마킹 포함. 하지만 이전 OEM 접근법 중 어느 것도 이 프로젝트 비용·중량 목표 충족 못 함. 필라: "미래에 혜택 주고 순환 경제 기여할 무언가 하고 싶었다. 열가소성 도어는 시도된 적 없었고, 재활용 가능." 타 후보 소재(열경화성 복합소재, 알루미늄, 강철)와 비교 시 열가소성은 재활용성뿐 아니라 양산 목표 맞출 고속 가공 속도(열경화성 대비) 제공.

기존 아큐라 MDX 도어 기준(그림 1) 소재 구성 분석: 62% 금속, 21% 경질 순수 폴리머, 13% 유리, 4% 엘라스토머. 최대 경량화 기회 60%는 금속 도어 프레임에서, 베이스라인 15.4kg에서 목표 6.2kg로 감축 의도. 도어 내부 부품·전자장치(라디오 스피커, 윈도 서보, 도어록 등) 중량 감축 여지 없었으나, 윈도 글라스 중량 20% 감축 가능(NVH·내구성 목표 훼손 없이 얇게), 도어 내측 트림 요소 중량 30% 감축 또는 제거 가능 판단.

프로젝트 주요 과제 첫 2년간 병행 진행. 일부 팀원은 소재 데이터 생성, 다른 팀원은 도어 설계 구체화. 소재 데이터 그룹은 다양한 열가소성(연속 테이프, 매트, 단섬유·장섬유 강화 폴리머 등) 소재 시험 데이터 생성해 이너 프레임과 아우터 패널 후보 소재 결정. 업계 공급 파트너들이 소재 제공. 데이터는 거미도 차트로 평가: 종합 강도, 전단 강도, 허용 비용, 허용 밀도, 강성, 인성이 축.

초기 데이터 평가 후 최상위 소재 옵션(연속 섬유 테이프, 장섬유 강화 열가소성 펠렛) 소재 모델링 진행. 필라 설명: "연속 섬유 테이프는 훅 법칙 기반 단순 직교 이방성 강성 매트릭스 구성 가능. 장섬유 강화 폴리머는 최종 부품 형상과 몰드 충진 공정으로 인한 이방성 때문에 사출 성형 도어 부품 강도·강성 예측 위해 2차 시뮬레이션 필요. 이들 장섬유 소재 모델링 어렵다. 시뮬레이션 연구가 많지 않아서." 필요 데이터 얻기 위해 제조 최적화 루프 개발. 다쏘시스템(Dassault Systèmes, 미국 매사추세츠 주 월섬) 솔리드웍스(SolidWorks) 3D 설계 SW로 도어 이너 프레임·아우터 패널 일반 형상 생성, 몰덱스3D(Moldex3D, 대만 주페이 시티)로 몰드 충진 시뮬레이션해 용융 흐름 벡터 결정, 디지맷(Digimat, 룩셈부르크 오트샤라주, 헥사곤 계열사)으로 용융 흐름 역학과 충돌 분석해 섬유 배향 결정, 매핑된 섬유 배향으로 알테어 엔지니어링(Altair Engineering Inc., 미국 미시간 주 트로이) 하이퍼웍스(HyperWorks) CAE 솔루션 소재 카드 이용해 유한요소해석(FEA) 도구로 강성 매트릭스 생성. 부품 형상 수정과 소재 시험 반복하며 최적화 루프 다수 반복.

동시에 다른 팀원들 실제 도어 컨셉 개발, 툴링·제조 시뮬레이션 진행. 러프 스케치와 고수준 소재 선택으로 시작해 다양한 설계안 생성. 러프 CAD 모델과 간단 정적 하중 케이스 초기 FEA 시뮬레이션. 2016년 가을 CU-ICAR에서 설계 워크숍 개최, 도어 컨셉 옵션 7개로 좁혀 추가 작업. "시작부터 설계 철학은 부품·소재 기능 통합 극대화, 부품 수 최소화, 최적화로 소재 활용 효과 극대화, 조립 단순화"라며 필라.

이후 상세 CAD 모델 생성, 각 컨셉 FEA 시뮬레이션으로 혼다 목표 준수 정적 성능 검증. 제조 용이성과 서브시스템 통합 고려 시 컨셉 7(스페이스 프레임 접근)이 컨셉 2(일체형 구조 프레임)로 수렴돼 팀은 컨셉 2 계속 진행하며 스페이스 프레임 교훈 반영. 이 컨셉은 4요소: 아우터 클래스 A 패널, 도어 내부품, 이너 프레임/패널, 인테리어 트림 요소.

다중 소재 이너 프레임, 클래스 A 아우터 패널

팀은 2018년 중반 최종 도어 설계 소재와 제조 공정 선정, 2019년 1월 15일 설계 동결, 툴링 제작과 프로토타이핑 시작. 그림 2는 1.2mm 두께 이너 프레임과 구성요소 상세(아우터 클래스 A 패널 미표시). "벨트라인"은 윈도 글라스 하단 가장자리로 형성된 스타일링 라인, 성형 복합소재 패널 지지용 스티프너 배치. 필라에 따르면 측면 충돌 시 승객 보호용 안티 인트루전 빔은 전체 도어 중량 낮추려 강철 유지, 동등 성능 복합소재 빔은 너무 무거움. 핵심 요소 중 하나 이너 프레임-아우터 패널 체결 시스템. 필라 설명: "아우터 클래스 A 패널은 조립 라인 마지막에 부착돼 어소시에이트가 도어 내부품 미리 쉽게 장착 가능, 조립 중 클래스 A 표면 손상 방지." 이너 프레임 성형 스냅핏 피처는 Y방향 제조 공차 수용 위해 조정 가능, 금속 패스너용 슬롯 홀은 X, Z방향 공차 보상.

중량 감축 위해 현재 도어 설계에 기존 인테리어 트림 패널 없음. 대신 몇 가지 기능 성형 부품 설계: 사출 성형 맵 포켓, 천연 목재를 ABS 플라스틱으로 백몰딩한 암레스트, 폼 라미네이트 가죽 패드 일부. 합계 1.33kg으로 베이스라인 인테리어 패널 3.49kg 대비. 필라 추가 최적화로 더 감축 기대.

현재 FEA 분석과 최적화 진행 중, 복합소재 도어가 견뎌야 할 정적 하중 케이스와 동적 충돌 하중 모델링. 정적 하중 케이스만도 벅참: 도어 새그, 벨트라인 강성, 미러 마운트 강성, 도어 핸들 풀 강성 등. 동적 하중 테스트는 현재 FMVSS 214 준정적 폴 테스트(차량 도어를 폴이 18인치 안쪽으로 압착, 루프와 차체 비껴가며 모든 최소 힘 요건 유지)로 필라: "이 케이스가 다른 두 충돌 테스트[75° FMVSS 5번째 백분위 여성(AF5) 폴 테스트, IIHS 측면 충돌 평가(IIHS SICE) 테스트] 대비 계산 집약도 가장 낮아 더 많은 설계 실험과 최적화 루프 가능."

강 리 추가: "복합소재 제조 공정과 구조 성능 시뮬레이션을 최적화 알고리즘과 통합하는 건 흥미롭고 도전적. 시스템 복잡성과 연산 규모가 도전이지만, 이런 통합이 구조·소재·제조 공정 설계 공간을 합쳐 경량화와 성능 향상 기회 더 제공." 폴 테스트 하중 케이스 충족이면 다른 두 폴·측면 충돌 테스트도 근접하다고 덧붙임.

"우리 테스트 보니 복합소재 도어가 연방 요건 쉽게 충족하지만, 베이스라인 아큐라 도어 종합 성능이 그 요건보다 훨씬 높다"며 필라. FEA 결과 현재 경량 복합소재 도어가 베이스라인 도어보다 더 많은 에너지 흡수(23.59kJ vs 15.34kJ) 보임, 필라는 복합소재 초기 항복점 후 추가 변형 에너지 흡수 능력 덕분으로 분석. 하지만 시뮬레이션상 아우터 벨트라인 스티프너와 이너 프레임 보강 아키텍처 개선 여지 있음.

초기 프로젝트 타임라인 1년 남은 시점, 그룹은 제조 시뮬레이션과 툴링 접근법 생성, 양산 스케일업 생산 계획과 생산라인 예상 비용 산출, 프로토타입 제작으로 충돌·기계 성능 테스트, 피트·피니시 테스트, 가속 노화 테스트 진행 예정.

필라: "복합소재 도어가 아직 목표 미달성, 패널 두께 때문이고 완전 최적화 안 됐음. 강철 베이스라인보다 훨씬 가볍지만 42.5% 중량 감축 목표 아직 미달, 달성 낙관." 피트·기능 테스트용 프로토타입 도어 곧 준비. 프로젝트 팀은 이 도어용 개발 소재와 기술이 다른 자동차 부품(볼트온, 바디인화이트 파트 등)에도 쉽게 확장 가능하고, 복합소재 공정의 상대적 낮은 인프라 비용으로 신규 OEM과 공급사도 기술 도입 가능해 자동차 복합소재에 윈윈이라고 믿음.