하이브리드 열가소성 복합재, 자동차 적재 플로어 충격 저항성 향상

독일 '전기이동성을 위한 시스템 통합 멀티머티리얼 경량 설계(SMiLE)' 컨소시엄의 야심찬 다년 프로그램은 더 큰 하이브리드 차체 백색 차체(BIW) 구조의 일부인 데모용 자동차 적재 플로어 모듈을 개발했습니다. 이 배터리 전기차(BEV)의 후방 적재 플로어는 두 종류의 열가소성 복합재와 금속 프로파일, 인서트로 구성됩니다. 이는 트렁크 바닥이자 후석 승객실 바닥 역할을 하며, 전방 절반 차량의 바닥이자 배터리를 담고 있는 두 번째 하이브리드/열경화성 복합재 적재 플로어(탄소섬유 강화 에폭시로 RTM 성형, 금속 인서트 및 폴리우레탄 폼 코어 포함 국부 샌드위치 구조)와 접착 및 기계적으로 결합됩니다. 완전한 적재 플로어 모듈은 접착 및 나사로 알루미늄 로커/사이드 레일에 결합되며, 이들은 다시 차량의 알루미늄 모노코크 크로스빔에 볼트로 고정됩니다. 전체 적재 플로어 모듈 데모는 일일 300대 양산 차량의 질량 감소와 상당한 충돌 에너지 흡수를 위해 설계되었습니다.

설계 결정

후방 적재 플로어 작업에 참여한 컨소시엄 구성원에는 아우디 AG(독일 잉골슈타트, SMiLE 프로그램 전체 리더)와 아우디 모회사 폭스바겐 AG(독일 볼프스부르크), 카를스루에 공과대학 차량시스템기술연구소(KIT-FAST, 독일 카를스루에), 프라운호퍼 화학기술연구소(F-ICT, 독일 피프츠탈, 전후방 적재 플로어 프로젝트 리더), 프라운호퍼 재료역학연구소(F-IWM, 독일 프라이부르크), 열가소성 복합재 공급사 BASF SE(독일 루트비히스하펜), 기계 OEM 디펜바허 GmbH(독일 에핑겐), 툴메이커/몰더 프리모 그룹 GmbH(독일 로테)가 포함됩니다.

후방 적재 플로어를 금속 인서트가 있는 열가소성 복합재로 생산하기로 결정했습니다. 팀은 트렁크 기능과 2열 시트벨트 부착 구조를 추가하면서도 적재 플로어 자체로 상당한 충돌 에너지를 흡수하고자 했습니다. 일반적으로 완성차 업체는 승용차의 후방 충돌 에너지를 금속 적재 플로어 측면의 금속 프로파일에 주로 의존해 관리합니다. 그러나 열가소성 복합재의 충격 강도를 고려할 때, 복합재 적재 플로어의 전체 폭과 길이를 충돌 하중 관리에 활용할 수 있을지, 더 높은 충돌 에너지를 흡수할 수 있을지 의문이 제기되었습니다.

연구진은 일반적인 자동차용 열가소성 복합재를 검토했습니다. 폴리프로필렌(PP)과 폴리아미드 6(PA6) 매트릭스가 고려되었으나, 후방 적재 플로어가 BIW와 함께 고온 전기영동 코팅(E-coat) 녹 방지 공정을 거치기 때문에 PP는 온도 문제로 제외되었습니다. 최고 강성과 강도를 위해 연속 섬유 보강이 필요했으므로, 초기 시험 작업은 직물 강화 오르가노시트(유리매트 열가소성(GMT) 복합재의 한 형태)와 단방향(UD) 열가소성 프리프레그 테이프에 집중되었습니다. 여러 이유로 테이프가 추가 프로토타이핑에 선택되었습니다.

연구진은 후방 적재 플로어의 형상이 복잡할 것임을 알았습니다. 자동 테이프 레이업(ATL) 머신(UD 테이프를 모든 방향으로 배치하고 오르가노시트보다 적은 소재로 홀/윈도우 형성)을 사용하면 스크랩, 질량, 비용을 줄이고 섬유를 국부적 및 전체적으로 가장 효율적으로 사용할 수 있습니다. 또한 ATL로 배치된 섬유는 각 플라이 스택 레이어에서 평평하고 평행하게 놓여 직물처럼 직조되지 않으므로 굴곡으로 인한 강성/강도 손실이 없습니다.

UD 테이프에도 한계가 있습니다: 상대적으로 비싸고 드레이프성이 나쁘며 흐름이 거의 없어 복잡한 형상 충전이 어렵습니다. 이러한 문제는 불연속/절단 직접 장섬유 열가소성(D-LFT) 복합재를 선택적으로 사용해 극복했습니다. D-LFT는 흐름성이 있어 높은 수준의 기능 통합/부품 통합이 가능하고, 섬유 브리징 없이 복잡한 리브 형성이 훨씬 용이하면서도 상당한 충돌 에너지를 흡수할 수 있습니다. D-LFT를 사용하면 금속 인서트 삽입도 더 쉬운데, 특히 인서트를 미리 드릴링하여 홀이 복합재 흐름을 허용하고 금속 주변으로 흐르게 하면 기계적 인터로킹을 통한 강한 결합이 생성됩니다. 또한 D-LFT는 테이프나 오르가노시트보다 저렴하고 두꺼운 섹션 성형이 훨씬 쉽습니다. 프레스 옆에서 컴파운딩되므로 소재 재고 관리가 단순화되고, 부품 제작 및 평가 과정에서 소재 특성(섬유 길이 및 유형, 섬유 체적률, 매트릭스)을 신속하게 변경할 수 있어 개발 프로그램에 높은 유연성을 제공합니다. 양산 시에는 소재/공정 설정을 제어하여 높은 반복재현성(R&R)을 달성할 수 있어 자동차 산업에서 거의 20년간 중대량 생산 공정으로 사용되어 왔습니다.

연구진은 후방 적재 플로어를 얇고 가볍게 유지하면서 좌굴 저항성과 높은 충격 하중 흡수 능력을 갖추길 원했기 때문에, 시뮬레이션과 유리섬유/탄소섬유 강화 테이프 및 D-LFT를 다양한 섬유 중량 분율(FWF)로 사용한 소형 부품 테스트를 통해 기계적 성능과 충진 거동을 평가했습니다. 탄소 복합재가 유리섬유보다 더 얇고 가볍고 강한 구조를 만들지만, 비용도 고려해야 하고 전방 적재 플로어에 이미 탄소섬유 보강이 사용되었기 때문에, 후방 적재 플로어의 스케일업에는 유리를 보강재로 선택했습니다. BASF의 울트라미드 B3K PA6 D-LFT(유리섬유 40wt%)와 울트라테이프 B3WG12 PA6 8겹(유리섬유 60wt%)이 사용되었습니다.

많은 시뮬레이션 작업 끝에 1.3m x 1.3m 후방 적재 플로어의 최종 설계는 UD 테이프를 라미네이트로 사전 통합하여 제작한 얇은 쉘, 니어넷셰이프 구조와 더 두꺼운 D-LFT 크러시 존이 결합된 형태입니다(Fig. 2 참조). 부품 종방향을 따라 깊은 골(깊이 50mm, 폭 115mm)을 가진 큰 골판 형상이 UD 테이프로 성형되어 얇고 가벼운 설계에서 높은 강성을 제공하면서 충돌 시 좌굴을 방지합니다. 또한 테이프 레이업 단계에서 두 개의 윈도우를 형성하여 D-LFT가 필요한 위치로 라미네이트를 관통할 수 있도록 했습니다. 깊은 골판 형상은 대형 라미네이트에서 성형하기 어렵기 때문에, 좋은 부품을 생산하기 위해 성형 공정과 툴을 모두 수정해야 했습니다("자동차 플로어 모듈 연구가 새로운 D-LFT/압축 성형 서브공정 개발을 이끈 방법" 참조). 이러한 골판 형상과 복잡한 리브를 X자 격자 구조로 형성하는 두 개의 D-LFT 차지는 단면 2차 모멘트를 높여 얇고 가벼운 설계에서 부품 강성을 증가시키면서 충돌 시 좌굴을 방지합니다. 부품 후방의 D-LFT 격자는 후방 충돌 시 에너지를 흡수하는 크러시 존을 형성합니다. 알루미늄 프로파일은 적재 플로어 축 방향 양쪽에 인테그럴 몰딩되어 특수 표면 처리와 인터로킹을 제공하는 홀을 통해 D-LFT 및 라미네이트와 결합됩니다. 이 프로파일은 부품 강성을 더욱 높이고, 좋은 좌굴 거동을 제공하며, 충돌 시 힘을 D-LFT 크러시 존으로 전달하도록 세심하게 설계되었습니다. 또한 주변 금속 구조물에 후방 적재 플로어를 직접 장착하기 위한 부착 지점을 제공합니다. 추가 금속 인서트도 구조에 인테그럴 몰딩되어 시트벨트 잠금장치 직접 장착을 위한 마운트를 제공합니다.

성공적인 구현

시뮬레이션 작업과 소형/대형 부품 테스트를 통해 하이브리드 후방 적재 플로어 전체가 충돌 하중 관리에 사용될 수 있음이 검증되었습니다. 추가 평가 결과 이 기술이 기존 금속 구조만큼 안전해야 한다는 결론이 나왔습니다.

더 큰 프로젝트 목표 중 하나인 총 BIW 질량 200kg 달성은 시뮬레이션과 소형 부품 개발 단계에서 이론적으로 달성되었습니다. 그러나 프로젝트가 진행되면서 더 나은 충돌 성능이 요구되어 복합재 구조에 질량을 추가해야 했습니다. 또한 비용 고려로 후방 적재 플로어의 보강재를 탄소섬유에서 유리섬유로 변경했습니다. 인서트 포함 후방 적재 플로어 무게는 32.9kg, 전방 적재 플로어(인서트 포함, 배터리 제외)는 12.1kg입니다. 최종 테스트 부품의 경우, 더 높은 안전성과 낮은 비용을 달성하기 위해 질량 목표를 단 4.3% 초과했습니다. SMiLE BIW는 전방 적재 플로어에 탄소섬유 보강을 집중적으로 사용하기 때문에 기존 금속 시스템보다 더 비쌀 것입니다.

후방 적재 플로어 프로젝트는 F-ICT의 '국부적 첨단 테일러드 LFT'라는 D-LFT/압축 성형 서브공정 개발로 이어졌습니다. 이는 주로 UD 테이프 구조에 D-LFT 소재를 선택적으로 적용하여 테이프만으로는 만들 수 없는 국부적 복잡한 형상(리브 등)을 생산합니다. SMiLE 이전에 개발되었으나 프로젝트에 사용된 또 다른 F-ICT 기술은 '복사 유도 진공 통합'이라는 열가소성 테이프를 신속하게 가열하고 통합하는 방법으로, 현재 디펜바허의 '파이버콘' 머신에서 상용화되어 있습니다.

놀랍게도 프리모가 제작한 실험적 공정과 고도로 복잡한 툴은 처음부터 작동했으며, 후속 테스트와 데모를 위해 100개 이상의 데모 부품이 생산되었습니다. 팀은 성형 공정을 단일 단계로 설계했지만, F-ICT 열가소성 가공 팀 리더이자 후방 적재 플로어 프로젝트 리더인 세바스티안 바움가르트너 박사(Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner)는 양산 환경에서는 이 복잡한 부품을 두 단계로 성형하는 것이 더 효율적일 것이라고 봅니다. 라미네이트 사전 성형을 별도 툴에서 수행하는 방식입니다. "우리는 더 어려운 원스텝 공정을 먼저 시도했고 잘 작동했습니다." 바움가르트너는 설명합니다. "그러나 툴이 매우 복잡하고 공정 제어가 쉽지 않았습니다. 라미네이트가 국부적으로 너무 뜨거워지면 LFT 스트랜드와 매우 강한 상호작용을 일으켰습니다. 양산 시 좋은 반복재현성을 보장하려면 단순화하여 더 견고한 두 단계 공정을 선택하는 것이 낫습니다." 그럼에도 불구하고 이 대형 복합재 부품과 이를 성형하는 복잡한 공정을 고려할 때 팀은 최종 결과에 매우 만족했습니다. "우리는 상용 기술을 사용하여 무게와 성능이 최적화되고 높은 기능 통합을 특징으로 하는 혁신적이고 경제적인 부품을 생산할 수 있음을 입증했습니다."라고 그는 덧붙입니다.

완전한 적재 플로어는 2018년 중국 CCE-JEC 혁신상을 수상했으며, 독일 정부는 더 큰 SMiLE 프로그램을 라이트하우스 프로젝트로 인정했습니다. 이는 이 기술이 미래 모빌리티 설계에 중요함을 의미합니다. 팀은 다음 단계에 대해 논의 중입니다.