열가소성 복합재 가이드 레일로 선루프 설계 혁신

프랑스 레 샤텔리에-샤토뮈르의 웹아스토 SC(Webasto SC)가 이끄는 팀이 최초로 열가소성 복합재 가이드 레일을 사용하여 기존 알루미늄 레일을 대체한 새로운 고정 유리, 롤러 블라인드 선루프 모듈을 개발했습니다. 르노 그룹(불로뉴-비양쿠르)이 생산하는 여러 다목적 차량(MPV)에 처음 상용화되었으며, 이 변경으로 중량, 비용, 툴링을 절감하고, 하드웨어와 다중 공정 단계를 제거하며, 조립 라인 설치를 단순화하고, 작동 소음을 줄이며, 차량 탑승자와 선루프 유리 패널 사이에 13mm의 추가 헤드룸을 확보했습니다.

기존 선루프 조립

자동차 산업은 역사적으로 선루프의 롤러 블라인드 모듈을 차체 백색 차체(BIW) 지붕 구조에 연결하기 위해 알루미늄 레일을 사용해왔습니다. 특히 전체 너비와 길이를 거의 커버하는 대형 투명 고정 유리 선루프 시스템의 경우 더욱 그렇습니다. 지붕의 운전석과 조수석 측면을 따라 장착된 이 가이드 레일은 롤러 블라인드 선루프 시스템에서 이중 역할을 합니다. 모터화된 패브릭 롤러 블라인드가 그늘을 걷어 차량 내부로 더 많은 빛을 허용하거나, 빛을 줄이기 위해 전개될 때 이동하는 슬라이딩 표면을 형성하기 때문입니다. 북미에서 흔한 경질 선쉐이드와 달리, 롤러 블라인드 선쉐이드는 수납 시 헤드라이너 아래 작은 공간을 차지해 탑승자에게 보이지 않으면서도 경질 선쉐이드와 동일한 열 차단(태양)과 소음 차단(바람, 비) 기능을 제공합니다.

알루미늄 레일의 기존 제조 공정은 일정한 단면 알루미늄 프로파일로 시작하여 레일의 복잡한 형상을 달성하기 위해 노동 집약적인 다단계 밀링 및 마감 공정이 필요합니다:

• 길이 절단,
• 스탬핑 및 펀칭으로 작은 폴드 형성,
• 곡선 성형,
• 스탬핑 툴로 사전 성형할 수 없는 복잡한 형상 가공/밀링(각 단계마다 한 툴셋/작업 및 품질 관리 검사 필요),
• 블랙 또는 내추럴 컬러 아노다이징,
• 전기 케이블 클립, 나선 케이블 클립, 센터링/포지셔닝 핀, 너트 조립.

모든 승용차 제조사와 모델마다 약간 다른 형상과 길이의 레일을 사용하므로, 선루프 제조사는 주어진 선루프 모듈 생산 기간 동안 상당한 재고를 생산하고 비축해야 합니다. 새 모델이 추가되면 기존 모델 선루프 시스템과 공통 부품을 공유하지 않는 한 완전히 새로운 툴링이 필요합니다.

알루미늄 가이드 레일은 선루프 제조사에서 생산할 때뿐만 아니라 차량 조립 공장에서 설치할 때도 노동 집약적입니다. 관례적으로 레일은 나사로 BIW에 수동으로 고정됩니다. 그런 다음 선루프 모듈이 윈드실드 베이를 통해 통과하고 지붕 개구부에 하단 적재되어 작업자가 최근 설치된 레일에 고정합니다. 마지막으로 유리 지붕 자체가 구조용 접착제로 차체 상단에 본딩되어 선루프 모듈과 실내를 밀봉합니다.

알루미늄 레일은 알려진 확립된 기술이지만 단점이 있습니다. 첫째, 알루미늄은 고가 원자재이며 강철보다 복잡한 형상으로 굽히기 더 어렵습니다. 둘째, 환경 보호를 위해 부식 방지용 아노다이징 화학약품 폐기는 상당한 추가 비용입니다. 위에서 자세히 설명한 대로 제조 공정이 길고 복잡하며 툴링 비용이 높습니다. 또한 기능 증대를 위해 추가 하드웨어와 추가 조립 단계가 필요합니다.

새로운 레일 컨셉

훨씬 작은 포맷의 이동 유리 선루프 시스템에서 알루미늄에서 복합재로의 프레임 전환 성공 사례를 기반으로, 웹아스토 팀은 롤러 블라인드 선루프 시스템의 훨씬 더 큰 사이드 레일도 복합재로 전환할 수 있는지 연구하기로 했습니다. (전면 및 후면 크로스빔은 이미 이러한 시스템에서 복합재(일반적으로 유리섬유 강화 폴리프로필렌 GR-PP)로 전환되었습니다.) 목표는 기능을 추가하고, 제조 단계, 부품 수, 비용, 부품 중량을 줄이면서도 OEM 성능 요구사항을 충족하는 것이었습니다.

팀은 가이드 레일 기능과 작동 조건을 연구하여 레일의 가장 중요한 특징이 트랙 경로를 따라 전후좌우 동일한 힘으로 모터화된 선쉐이드의 원활한 이동을 촉진하는 능력임을 확인했습니다. 이를 위해 레일은 전체 길이에 걸쳐(1미터 이상일 수 있음) 정밀한 형상과 일정한 단면을 필요로 합니다. 또한 레일은 전후 선루프 크로스빔과 지붕 구조 자체, 모터 메커니즘, 지붕 유리, 헤드라이너를 포함한 다른 선루프/모듈 구성요소에 안전한 연결을 제공할 만큼 충분히 구조적이어야 합니다. OEM 요구사항을 충족하기 위해 모터화된 선쉐이드는 실내 NVH(소음/진동/거칠기)를 줄이기 위해 낮은 슬라이딩 소음 레벨로 작동해야 합니다.

일반적으로 사용되는 자동차 복합재 스캔 결과, 열경화성 매트릭스 소재는 빠르게 배제되고 열가소성이 선호되었습니다. 열가소성 복합재 대비 열경화성 수지로 젖은 복합재는 밀도가 더 높고, 성형 사이클이 더 느리며, 더 많은 후가공이 필요합니다. 또한 재용융 가능한 열가소성은 상하 레일 간 접착제 및 패스너 없는 조립 옵션을 제공하고 수명 종료 재활용을 엄청나게 단순화합니다. 게다가 열경화성은 차량 실내에서 엄격하게 규제되는 포깅 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출 우려를 야기합니다.

OEM의 극도로 엄격한 치수 제어 요구사항(특히 선쉐이드 원활한 작동을 방해할 워페이지 방지) 때문에 폴리아미드, 폴리프로필렌(PP), 열가소성 폴리에스터는 배제되었습니다. 알루미늄 레일은 선쉐이드 원활한 작동을 위해 그리스가 필요하고, 웹아스토 엔지니어들은 복합재 레일에도 윤활제가 필요할지 확신하지 못했기 때문에 화학적 내성이 나쁘고 응력 균열 경향이 있는 폴리카보네이트도 배제되었습니다. 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)은 선루프의 110°C 열 요구사항으로 인해 배제되었습니다.

웹아스토 팀은 이전에 이동 유리 선루프 프레임에 유리섬유 강화 스티렌 말레산 무수물/ABS(GR-SMA/ABS)를 사용했었기 때문에, 이 소재에 주목했습니다. 이 소재는 계기판 기판용으로 자동차 산업에서 수십 년간 사용되었습니다. GR-SMA/ABS는 저밀도, 높은 강성 및 강도, 넓은 온도 및 습도 범위에서 매우 낮은 워페이지와 낮은 변형을 가집니다. 비정질이라 후경화 결정화 및 수축 우려가 없습니다. 또한 재용융 가공 가능하고 용접이 잘 되며, 말레산 무수물 성분이 폴리우레탄 구조용 접착제(유리 지붕을 선루프 모듈에 결합하는 데 사용)를 포함한 다양한 기판에 높은 결합 강도를 보장합니다.

웹아스토는 GR-SMA/ABS 수지 공급사 폴리스코프 폴리머스 BV(네덜란드 헬렌)에 적합한 등급을 제안해달라고 요청했습니다. 폴리스코프는 15% 유리섬유 XIRAN SGH30EB와 30% 유리섬유 XIRAN SGH60EB 두 가지 가능성을 제공했으며, 이는 웹아스토에서 소규모 랩 테스트를 거쳤습니다. 30% 유리섬유 등급이 더 강성이 높았지만, 선스크린 원활한 작동을 보장하기 위해 더 높은 E 탄성률은 필요하지 않았습니다. 테스트 결과 15% 유리섬유 등급이 기계적 물성 목표를 충족할 것으로 나타나, 팀은 좌우 레일뿐만 아니라 전면 크로스빔에도 이 소재를 사용하기로 했습니다. 후면 크로스빔은 GR-PP로 유지되었습니다.

다음 결정은 레일 생산 공정이었습니다. 초기에는 프로파일 압출이 고려되었는데, 중공 및 솔리드 형상 모두 생산 가능하고 기능적으로 알루미늄 프로파일 생산 공정과 유사합니다. 연속 공정으로 생산 요구사항을 충족할 만큼 충분히 빠르며 툴링 비용도 상대적으로 낮습니다. 불행히도 연구진은 압출이 섬유 강화 수지에서 선쉐이드가 트랙을 따라 원활하고 조용하게 움직일 수 있을 만큼 충분히 매끄러운 내부 표면을 생산하지 못할 것을 우려했습니다. 또한 공정은 레일 길이를 따라 프로파일 형상을 변경하여 추가 하드웨어(추가 핀, 클립 등)를 후공정 단계 없이 더 많은 기능 통합을 하는 능력을 제한할 것입니다.

고려된 다른 공정은 사출 성형이었습니다. 매우 복잡한 3D 구조를 매끄러운 마감과 높은 심미성으로 신속, 정밀, 우수한 반복재현성(R&R)으로 생산할 수 있습니다. 또한 홀, 컷아웃, 스냅핏, 심지어 클립까지 성형 내장할 수 있어 2차 마감을 줄여줍니다.

목표 응용 분야의 단점은 사출 성형으로 단일 단계에서 중공 구조를 생산할 수 없다는 점(각 레일을 두 조각으로 성형 후 결합 필요)입니다. 또한 툴링 비용이 높을 수 있습니다.

팀은 툴링 비용 절감을 위해 여러 부품을 패밀리 툴에 통합하는 목표로 사출 성형을 선택했습니다.

컨셉 검증

기본 컨셉이 유망해 보이자 개발 팀은 OEM 르노 그룹과 몰더 ARRK-셰이퍼스(ARRK-Shapers, 프랑스 라 세귀니에르)를 포함하도록 확장되었습니다. 목표는 2016년형 르노 시닉(5인승)과 그랜드 시닉(7인승) 다목적 차량(MPV)의 고정 유리 롤러 블라인드 선루프 모듈용 복합재 레일 시스템을 설계하는 것이었습니다. 팀은 각 레일에 높은 수준의 기능 통합을 포함하고, 좌우 레일 간 미러 대칭을 가지며, 표준(세단/살룬/5인승)과 롱(왜건/에스테이트/7인승) 차종 모두를 수용하는 설계를 결정했습니다. 팀 설계의 여러 측면은 현재 3건의 특허로 보호됩니다.

툴링 비용을 관리하기 위해 팀은 금형 설계를 최적화하여 좌우 레일의 상하 부품, 전면 크로스빔, 후면 GR-PP 크로스빔에 연결되는 3개의 본딩 인터페이스 조각을 각 사이클마다 생산할 수 있게 했습니다. 또 다른 비용 절감 단계는 ARRK-셰이퍼스의 모듈러 블록 사용(긴 버전과 짧은 버전 레일 실행을 위해 삽입/제거)입니다. 비용이 많이 드는 툴링 슬라이드 대신 사용되었습니다. 대형 패밀리 툴에서 8개 GR-SMA/ABS 구성품을 모두 성형하기 위해 1,500kN 클램핑 포스의 사출 프레스가 필요했습니다. 초음파 용접으로 상하 레일을 결합했고, 특수 조립 지그를 설계 제작했습니다.

프로토타이핑 및 테스트 단계를 통해 팀은 레일 설계를 마무리하고, 생산 과제를 예측하며, 부품이 르노의 검증 테스트를 통과할 것임을 보증했습니다. 검증 테스트에는 다음이 포함되었습니다:

• 10,000 라이프사이클 내구성 테스트.
• 95% 상대 습도(RH)에서 -20°C~110°C 온도 범위의 3축 진동 테스트.
• 85°C~-20°C~50°C(95% RH)~110°C 온도 사이클링.
• 접착 본딩 후 박리 강도 및 전단 강도.
• NVH 르노 주행 소음 테스트.
• 롤오버 '코르크스크류' 테스트.
• 각 테스트 후 23°C에서 최소 75mm/sec 롤러 블라인드 작동 속도 달성.

"압출 알루미늄 가이드 레일을 선루프 롤러블라인드용 플라스틱 솔루션으로 전환하는 아이디어는 웹아스토의 아이디어이며 오래전부터 특허로 보호되어 왔습니다."라고 웹아스토 R&D, 설계-비용, 산업 전문가 자크 비비앙(Jacques Vivien)은 설명합니다. "그러나 최근까지 이 기능의 엄격한 요구사항을 충족하는 엔지니어링 플라스틱은 없었습니다." 그는 플라스틱 후보가 치수 정확도, 시간 경과에 따른 안정성, 온도 및 습도 변화 저항, 강성 및 슬라이딩 능력 유지, 우수한 본더빌리티를 충족해야 하며, 이 모든 것을 하면서 비용 경쟁력을 유지해야 함을 상기시킵니다. "폴리스코프의 XIRAN SGH30EB 선택으로 프로젝트가 모든 관련자에게 완전한 성공이 된 것을 매우 기쁘게 생각합니다."

기대 이상 성과

2년 이상의 제조와 판매로 복합재 가이드 레일은 예측대로 성능을 발휘하고 있으며 티어, OEM, 고객 수준에서 많은 이점이 확인되었습니다. 예를 들어, ARRK-셰이퍼스의 영리한 툴링으로 프로그램에서 상당한 비용을 절감했습니다. 웹아스토의 기존 알루미늄 조립 대비 기능 통합이 훨씬 높은 설계와 복잡한 구조를 원샷으로 만드는 사출 성형 선택으로 하드웨어와 후가공이 제거되어 비용도 절감되었습니다. 레일 생산만 7단계에서 2단계로 줄었습니다.

르노 조립 공장에서 롤러 블라인드를 포함한 새로운 선루프 시스템은 사전 테스트된 원피스 유닛으로 도착하여 로봇으로 지붕에 본딩되며, 2~3개 조립 단계가 제거되고 작업자 재배치가 가능해 비용과 시간을 추가로 절감합니다. 초기 시스템 비용 절감은 약 20%로 보고되었지만, 새 모듈의 부품 수가 적어 PPM 결함 감소와 르노에서 보이는 높은 품질로 장기적으로 보증 비용을 줄일 것으로 예상됩니다. 새로운 복합재 레일의 또 다른 이점은 Z축 요소 스택 감소가 13mm 이상 달성되었다는 점입니다. 전체 모듈이 기존 2~3단계 공정(레일을 나사로 BIW에 고정 후 모듈을 레일에 고정) 대신 BIW에 직접 접착 본딩되기 때문입니다. 이는 조립 라인 작업자 작업 공간을 늘려줄 뿐만 아니라 키 큰 탑승자에게 더 많은 헤드스페이스를 제공합니다. 또 다른 미묘한 개선은 거대한 데이라이트 오프닝을 양 차종에서 열거나 닫을 때 선쉐이드 작동 중 NVH가 감소했다는 점입니다. 알루미늄처럼 복합재 레일도 완전히 재활용 가능하지만, 초기 생산과 수명 종료 재활용에 더 적은 에너지가 필요해 환경적으로도 더 낫다고 주장할 수 있습니다. (흥미롭게도 팀은 복합재 레일에서 신뢰할 수 있는 선쉐이드 작동을 위해 윤활제가 필요하지 않음도 발견했습니다.)

"웹아스토 프랑스의 자크 비비앙이 선루프 롤러블라인드 모듈에서 알루미늄 가이드 레일을 SMA 복합재로 교체 고려 중이라고 처음 말했을 때, 약간 도전적일 수 있지만 시도해볼 만하다고 생각했습니다."라고 폴리스코프 영업 및 비즈니스 개발 매니저 앙리-폴 베니슈(Henri-Paul Benichou)는 말합니다. "이 혁신적인 응용은 공급업체, 르노, 르노 고객 모두에게 수많은 이점을 제공하는 기술적, 산업적 성공임이 입증되었습니다."