신규 압축 성형 공정, 연속 테이프와 D-LFT 결합해 경량 전기차 바디 구현

독일 연방교육연구부(BMBF)가 감독하는 다년간의 공공 지원 연구 프로그램 '전기이동성을 위한 시스템 통합 멀티머티리얼 경량 설계(SMiLE)'가 복합재와 비철금속을 결합하여 배터리 전기차(BEV)의 전체 차체 백색 차체(BIW) 구조의 질량과 비용을 절감했습니다. 후방 플로어 모듈은 두 종류의 열가소성 복합재와 금속 프로파일, 인서트로 설계되었습니다(자세한 내용은 CW 2018년 12월호 '포커스 온 디자인' 참조). 이 적재 플로어를 신속하고 비용 효율적으로 생산하기 위해 새로운 원스텝 압축 성형 서브공정과 열가소성 테이프를 신속하게 가열 및 통합하는 신기술이 개발되었습니다.

UD 테이프 + D-LFT

하이브리드 복합재 후방 적재 플로어는 단방향(UD) 열가소성 테이프와 직접 장섬유 열가소성(D-LFT) 복합재를 사용합니다. 열가소성 테이프는 얇고 가벼운 구조에서 높은 강성/강도를 제공하여 충돌 시 높은 좌굴 하중을 견딜 수 있으며, D-LFT는 복잡한 형상 성형, 기능 통합/부품 통합, 금속 부착 특징의 인서트 성형 능력을 제공합니다. BASF SE(독일 루트비히스하펜)의 울트라미드 B3K 폴리아미드 6(PA6) D-LFT(유리섬유 40wt% 보강)와 울트라테이프 B3WG12 PA6 8겹(유리섬유 60wt% 적층)이 사용되었습니다.

D-LFT는 사출 또는 압축 성형이 가능하고, 테이프 라미네이트는 사출 오버몰딩이 가능하지만, 두 소재 모두 일반적으로 압축 성형됩니다. 이는 SMiLE 프로그램의 일일 300대 생산 목표를 지원할 만큼 지역적, 글로벌하게 충분한 설비 용량을 갖춘 잘 알려진 자동차 공정입니다.

UD 테이프와 D-LFT는 주로 두 가지 방식으로 동일 부품에 결합됩니다. 첫째, 주로 D-LFT 구조에서 기계적 물성 향상이 필요한 하중 경로에 테이프를 선택적으로 추가하는 방식(테일러드 D-LFT)으로, 테이프 대신 또는 병행하여 연속 섬유 로빙을 사용할 수도 있습니다. 둘째, 테이프와 D-LFT를 부품의 양면에 배치하는 방식입니다. 첫 번째 기술에서는 흐름성이 좋은 D-LFT가 오버몰딩 중 얇은 테이프를 밀쳐낼 수 있어 툴 내 클립 등 하드웨어로 테이프 위치를 유지해야 합니다. 주로 D-LFT 구조에 테이프를 선택적으로 사용하는 것이 비용은 적게 들지만, 테이프 대 D-LFT 비율이 높은 부품만큼 강하거나 가볍지는 않습니다. 두 번째 기술인 양면 배치는 D-LFT 측에서 더 나은 기능 통합/부품 통합을, UD 테이프 측에서 더 높은 강성/강도를 달성하지만("하이브리드 열가소성 성형: 자동차 복합재 강인화" 참조), 결과 구조는 여전히 상대적으로 무겁고 최대 강성/강도를 내지는 못합니다.

차량 적재 플로어의 안전 중요성과 SMiLE 연구진의 바람(기존 전금속 또는 신형 하이브리드 복합재 적재 플로어의 축 방향에 장착된 금속 프로파일뿐만 아니라 열가소성 복합재 후방 적재 플로어 전체를 충돌 에너지 흡수에 활용)을 고려하여, 적재 플로어를 가능한 한 강하고 단단하게 만드는 것이 중요했습니다. 연구진은 무게와 비용을 줄여 프로젝트 목표를 달성하고, 충격 시 좌굴을 피하면서 적재 플로어를 얇게 유지하며, 주요 위치(예: 2열 시트벨트 부착 지점)에 기능을 추가하고자 했습니다. 이에 대부분이 열가소성 테이프(성형 전 라미네이트로 사전 통합)로 구성되고, 테이프 라미네이트만으로는 형성 불가능한 리브와 복잡한 형상이 필요한 곳에만 D-LFT를 선택적으로 적용하는 새로운 D-LFT/압축 성형 서브공정을 개발했습니다.

팀은 또한 1.3m x 1.3m 크기의 후방 적재 플로어를 압축 성형 프레스 내부에서 단일 단계로 생산하기로 결정했습니다. 이러한 모든 목표를 실현하기 위해 흥미롭고 혁신적인 툴링과 순차 성형 공정의 조합이 필요했습니다.

국부적 첨단 테일러드 LFT

후방 적재 플로어의 최종 설계는 UD 테이프를 라미네이트로 사전 통합하여 제작한 얇은 쉘, 니어넷셰이프 구조입니다. 부품 종방향을 따라 높은 강도와 낮은 질량 및 두께를 위한 큰 골판 형상(주름)이 포함되어 있습니다. 그러나 연구진은 이러한 골판 형상이 대형 라미네이트에서 성형하기 어렵다는 것을 알았습니다. 좋은 드레이핑을 보장하기 위해 시뮬레이션을 사용하여 골판 형상(높이 50mm, 폭 115mm)의 재현 가능한 성형과 주름 최소화를 검증하는 금형을 설계했습니다. 만약 골판 형상이 올바르게 성형되지 않으면 라미네이트가 주름지거나 평면 밖으로 이동하여 D-LFT와의 결합 강도가 약해질 수 있습니다. 가상 프로토타이핑 결과, 내부/중심에서 바깥쪽으로 향하는 순차 성형이 최적이라는 예측이 나왔으며, 이는 일반적인 핸드 레이업 방식과 유사합니다. 메인 프레스 외부에서 라미네이트를 사전 성형하지 않고 단일 성형 단계에서 순차 공정을 수행하는 유일한 방법은 툴링 작동(슬라이드)을 사용하는 것이었습니다.

슬라이드는 매우 복잡한 사출 성형 금형에서 흔히 사용됩니다. 압축 성형에서도 드물게 사용되지만, 사용 시 훨씬 덜 복잡한 경향이 있습니다. 연구진은 6개의 가변 캐비티(4개의 슬라이드 사용)를 갖춘 금형을 설계하여 골판 형상과 라미네이트의 다른 구조를 성형했으며, 이를 단순히 D-LFT로 오버몰딩하는 방식(질량과 두께를 크게 증가시킴) 대신 채택했습니다.

라미네이트/D-LFT 리브 접합부의 계면 강도에 대한 이전 연구에 따르면, 오버몰딩 전 라미네이트 온도를 PA6 융점(~230°C) 이하인 최소 130°C로 유지하고, D-LFT를 PA6 융점 이상인 280°C로 툴에 공급할 때 우수한 결합 강도를 얻을 수 있었습니다. D-LFT 차지(charge)가 배치되기 전에 라미네이트가 툴에 닿아 너무 빨리 식는 것을 방지하기 위해, 연구진은 캐비티 측 툴의 완전히 돌출된 이젝터 핀 위에 라미네이트를 놓았습니다. 두 개의 D-LFT 차지가 공급되면 이젝터 핀이 내려가고 금형이 닫히기 시작합니다. 이어서 4개의 슬라이드(3개는 머신의 유압 시스템으로, 1개는 스프링 작동으로)가 순차적으로 확장되어 깊은 골판 형상을 포함한 라미네이트를 성형합니다. 프레스가 완전히 닫히면 D-LFT 리브 구조(복잡한 X자 격자)가 형성됩니다. 연구진은 이 순차 성형 기술을 '국부적 첨단 테일러드 LFT'라고 명명했습니다.

기존 압축 금형 설계와의 또 다른 차이점은, D-LFT가 부품 가장자리로 흐르는 섹션에만 시어 에지(shear edge)를 두어 흐름성이 있는 D-LFT 차지를 흐르지 않는 테이프 라미네이트(구조의 대부분을 차지)에 대해 성형하도록 한 것입니다.

복사 유도 진공 통합 기술

최종 부품의 재현 가능한 성형 거동과 높은 기계적 성능을 보장하기 위한 중요한 공정 단계는 테이프 통합입니다. 성형 직전 열가소성 테이프 적층을 급속 가열하면 합판 내부와 사이의 보이드가 제거되고 우수한 통합/섬유 함침이 달성됩니다. 이 공정이 속도 제한 단계가 되지 않도록, 자동 열가소성 테이프 레이업 속도(디펜바허의 파이버포지 RELAY 테이프 레이업 머신 사용) 및 압축 프레스(디펜바허의 3,600톤 Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS 프레스 사용)의 성형 사이클에 맞춰 공정을 조정했습니다.

SMiLE 이전, 프라운호퍼 화학기술연구소(F-ICT, 독일 피프츠탈)는 SMiLE 프로그램의 전방 및 후방 적재 플로어 개발을 주도하고 다른 프로그램 파트너들과 함께 국부적 첨단 테일러드 LFT 순차 성형 공정 개발을 도왔으며, UD 테이프 적층을 라미네이트로 신속하게 통합하는 '복사 유도 진공 통합 기술'이라는 혁신적인 공정을 개발했습니다. 이 기술은 이후 후방 열가소성 적재 플로어 생산에 적용되었습니다. 디펜바허는 이후 '파이버콘(Fibercon)'이라는 머신으로 이 기술을 상용화했습니다. 이 공정은 테이프의 함침 결함을 치유하여 저렴한 테이프를 사용하면서 최종 부품의 보이드를 최소화할 수 있게 합니다. IR 투과 유리판 위에 놓인 적층의 상단과 하단 레이어에 대량의 적외선(IR) 열을 가하면서 전체 적층을 진공 상태로 유지하는 방식입니다. 이로 인해 공기가 제거되고 수지가 흐르며 테이프 사이와 내부의 간극이 채워집니다. 열은 짧은 시간만 가해져 적층이 제자리에서 벗어나지 않으면서 테이프끼리 결합하고 빠르게 고화됩니다. 또한 적층을 균질하게 라미네이트로 빠르게 통합하여 전체적으로 높고 일관된 물성을 갖게 함으로써 성형 거동을 재현 가능하고 시뮬레이션하기 쉽게 만들며 최종 부품의 높은 기계적 물성을 보장합니다. 또 다른 우려는 통합된 라미네이트가 프레스로 이동하는 동안 열을 유지하여 재가열 없이 좋은 성형 물성을 확보하면서 에너지를 낭비하지 않는 방법이었습니다. 통합 후 융합된 라미네이트는 프레스에서 성형하기 위해 머신에서 꺼내기 직전 다시 급속 가열된 후 빠르게 프레스로 이동됩니다.

최종 공정 순서

후방 적재 플로어의 최종 공정 순서는 4대의 장비에서 진행되며, 그중 3대가 작업 셀에서 동시에 작동합니다.

1. 시뮬레이션으로 결정된 방향으로 파이버포지 RELAY 테이프 레이업 시스템을 사용해 테이프를 자동 레이업합니다. 인덱싱 테이블 덕분에 각 레이어의 플라이 스택에 거의 모든 방향으로 테이프를 레이업할 수 있습니다. 각 레이어의 개별 테이프는 스팟 용접을 통해 아래 레이어에 가볍게 고정되며, 바닥 레이어는 레이업 중 진공으로 고정됩니다. 각 레이어의 각 조각마다 테이프가 개별적으로 절단되므로 폐기물이 최소화되고 성형 후 트리밍도 최소화됩니다. 이 시스템은 테이프 가장자리를 태킹 전에 트리밍하여 스택에 홀/윈도우를 형성할 수도 있어 성형 후 트리밍을 더욱 줄이고 스크랩과 비용을 절감합니다.
2. 플라이 스택을 파이버포지 RELAY 머신에서 파이버콘 머신으로 이동하여 해당 장치의 유리판 사이에 놓습니다. 장치가 닫히면 스택에 진공을 걸고 상단과 하단 플레이트를 통해 짧은 시간 동안 IR 열을 조사하여 PA6 매트릭스를 융점(~230°C) 이상으로 급속 가열하고 수지를 흐르게 하며 보이드를 제거합니다. 이후 라미네이트를 수지의 결정화 온도(~180°C) 이하로 냉각하여 개별 테이프를 단일 라미네이트로 통합합니다.
3. 이미 이전 부품을 이젝트한 상태로 열려 있는 압축 프레스에서, 이젝터 핀을 돌출시킨 채로 연구진이 다음 라운드의 소재가 도착하기를 기다리면서 상단/코어 측 툴에 알루미늄 프로파일 2개와 여러 금속 인서트를 수동으로 장착합니다.
4. 파이버콘 내의 여전히 뜨거운 라미네이트를 PA6 융점 이상으로 다시 가열하고, 장치를 연 후 라미네이트를 열린 압축 프레스로 이송합니다. 공기는 강철보다 열전도율이 낮기 때문에, 라미네이트를 캐비티 측 툴의 완전히 돌출된 이젝터 핀 위에 놓아 D-LFT 차지가 도착하기 전 라미네이트의 열을 유지하는 데 도움을 줍니다.

테이프가 레이업되고 통합되는 동안, 인근에서 D-LFT 소재가 두 개의 압출기(디펜바허의 인라인 컴파운더 시스템)를 사용해 컴파운딩됩니다. 첫 번째 압출기는 수지와 첨가제를 혼합하고, 두 번째 압출기는 섬유를 원하는 길이로 절단한 후 수지/첨가제와 결합하여 완전히 혼합된 예비 계량된 뜨거운 D-LFT 차지를 생산하고 이를 압축 프레스로 공급합니다. 적재 플로어의 경우, 이젝터 핀을 수축시켜 라미네이트를 툴로 내릴 때 두 개의 D-LFT 차지가 라미네이트 위에 배치됩니다.

더 뜨거운 D-LFT 차지가 더 차가운 라미네이트 위에 놓이면, 프레스가 닫히기 시작하면서 4개의 슬라이드가 순차적으로 전개되어 완전 금형 폐쇄 전 라미네이트를 예비 성형합니다. 슬라이드의 순차적 적용은 3D 형상(골판 형상 포함)이 형성될 때 라미네이트의 주름을 방지합니다. 상단 툴이 완전히 닫히면 테이프 라미네이트가 완전히 성형되고, 뜨거운 D-LFT 차지가 1,430 MT에서 리브 격자 구조로 성형됩니다. 완전 통합된 금속 인서트를 포함한 완제품은 프레스가 열리면 이젝트됩니다.

양산 환경에서는 니들 그리퍼를 장착한 갠트리 로봇으로 모든 소재 핸들링이 수행되지만, SMiLE 연구 프로그램에서는 수작업으로 진행되었습니다. 연구 프로그램의 총 성형 사이클은 240초였으며, 적재 플로어의 두꺼운 리브 성형으로 인해 느려졌습니다. 연구진은 양산 환경에서 추가 툴링 수정을 통해 사이클 타임을 100초 미만으로 단축할 수 있을 것으로 보며, 라미네이트를 프레스 배치 전 사전 성형한다면 더욱 낮출 수 있을 것으로 예상합니다.