하이브리드 중공 프로파일(HPH) 기술: 복합재와 금속 결합으로 우수한 보강 실현

사출 오버몰딩이 최근 복합재 업계 뉴스에서 자주 다뤄지지만, 주로 하이브리드 복합재 제작 영역에서다. 성형된 연속 섬유 강화 프리프레그나 사전 경화 복합재 형상을 금형 캐비티 내 위치시키고 단섬유 강화 사출 성형 부품으로 캡슐화해 필요 부위만 보강함으로써 과설계 방지와 생산비 통제를 꾀한다. 이 홍수 속에서 거의 주목받지 못한 소식이 플라스틱/금속 하이브리드(PMH) 구조물, 즉 판금 서브구조를 열가소성 복합재로 사출 오버몰딩한 구조물 관련 뉴스다.

PMH 카테고리는 3월 유럽에서 처음 발표된 새로운 개발로 최근 확장됐다. '중공 프로파일 하이브리드(Hollow-Profile Hybrid, HPH)' 기술이라 불리는 이 개발은 압출 또는 용접 튜브형 금속 서브구조를 스탬핑 또는 스탬핑+용접 판금 대신 사용해 고하중을 받는 PMH 부품의 기계적 성능을 높이는 효율적 방법을 제시한다. HPH 기술은 4월 30일~5월 1일 미국 디트로이트 교외에서 열린 제13회 자동차 엔지니어링 플라스틱 컨퍼런스(AutoEPCON, 미국 플라스틱 엔지니어 협회(SPE, 코네티컷주 베델) 주관)에서 북미 데뷔했다.

'전통적' 플라스틱-금속 하이브리드 구조물

PMH 기술은 1995년경 바이엘 AG(독일 레버쿠젠)가 처음 개발. 복합재 팀과 PMH 기술은 2004년 바이엘 화학·폴리머 사업 부문 분사 시 랑세스(LANXESS Corp., 미국 펜실베이니아주 피츠버그)로 이관됐다.

PMH는 선택적 천공된 스탬핑 강철 또는 알루미늄 판금 서브구조를 사출 금형에 배치하고, 일반적으로 선택적 오버몰딩(금속 기판 완전 캡슐화 안 함)으로 유리섬유 강화 폴리아미드 6(GR-PA 6)으로 감싼다. 결과 하이브리드 구조물은 부품 설계자 선택에 따라 브라켓, 리브, 보스 등 기능 부품을 복합재로 외부 구현. 천공은 열가소성 복합재가 금속 서브구조 사이와 주변으로 흐르게 해 양 소재 간 강한 본딩 유도, 결과 구조물이 양쪽 장점 모두 제공. 즉, 얇은 벽 판금의 높은 강성과 강도 혜택 누리면서 복합재 리브가 금속 버클링 방지해 강성·안정화. 또한 복합재가 내식성, 양호한 표면 마감, 경량화, 부품 통합과 기능 통합을 단일 단계로 달성해 하드웨어, 브라켓, 2차 작업 제거. 매트릭스가 PA 6라 광범위한 내화학성과 우수한 인성(충격 강도)도 제공.

PMH 구조물은 동일 기능의 비교 가능한 판금 구조물보다 경량이고 부품 수 대폭 적음(생산 단계도 훨씬 적음), 그런데 불연속 섬유 강화 열가소성 복합재 단독보다 높은 기계적 물성. 공간 제한되고 두꺼운 벽 단면 바람직하지 않은 경우 특히 유용. 부품 수와 생산 단계 대폭 축소로 비용과 제조 풋프린트 감소뿐 아니라 재고와 워런티 비용도 절감. 열가소성 매트릭스라 차량 수명 종료 시 분리·재활용 가능.

재활용성과 성능 이점으로 PMH 기술은 수년간 프론트 엔드 모듈, 범퍼 빔 같은 대형 어셈블리부터 엔진룸 부품까지 다양한 자동차 부품 생산에 사용. 비자동차 응용(롤러블레이드, 스쿠터, 소형 오프로드 카)에도 활용.

튜브형 구조물

모든 기술과 마찬가지로 PMH에도 단점 존재. 첫째, 금속과 플라스틱 툴링 비용(둘 다 필요) 상각 위해 중대량 양산 차종 프로그램 적용 필요. 툴링 비용을 동일 플랫폼 유사 모델과 공유 못 하면 니치 생산엔 너무 비쌈. 둘째, 통상 적용 시 PMH 기술은 단순 2D 또는 2.5D 판금 서브구조(L, C형, 평평한 단면 등)에 최적. 하지만 그런 구조물은 특정 고성능 요구 충족할 충분한 비틀림 강도 부족한 경우가 많음. 또한 폐쇄형/튜브형 구조물(원형 단면, 사각 단면 등)은 사출 성형 고압에서 붕괴하므로 PMH로 제작 불가.

"중공 프로파일 하이브리드 구조 아이디어는 고하중 구조 자동차 응용 분야 목록에서 나왔습니다. 질량 감축과 기능 통합이 강력히 요구되지만 기존 PMH 기술론 성능 요구 충족 못 했습니다."라고 랑세스 구조 응용 개발 엔지니어 조셉 아이엘로(Joseph Aiello) 설명. 크로스 카 빔(cross-car beam)이 이론적으로 이상적 HPH 구성요소라 인용. 모든 승용차에 섀시 비틀림 강성 제공 위해 사용. 엔진룸에서 실내로 관통하는 부품(스티어링 휠 등) 그리고 방화벽 앞쪽 지점에서 승객실로 돌출하는 부품(계기판, 센터 콘솔 등) 부착점도 제공. 크로스 카 빔에 PMH 기술 적용 선행 작업은 빔용 튜브형(폐쇄형) 금속 서브구조를 두 개 오픈 L형 PMH 구조물 오버몰딩 후 용접해 만들려다 기계적 성능 부족으로 실패. "폐쇄형 구조가 오픈 구조보다 강하다는 건 공학적으로 잘 알려진 사실이니, 원형 또는 사각 단면 중공 빔이나 튜브에 기술 적용하는 방법을 찾는 게 플라스틱-금속 하이브리드 기계적 성능 높이는 논리적 출발점이었습니다."라고 아이엘로 추가.

과제는 언제나 금속 서브구조와 오버몰딩된 복합재 기능 부품 간 고강도 본딩 달성, 특히 크로스 카 빔 같은 구조 크리티컬 부품에 중요. 초기엔 특수 장비 없이 표준 튜브 오버몰딩 적합 기술 연구. 사출 성형기 내에서 튜브 선택적 변형(딤플이나 함몰 생성)해 금속 튜브와 매트릭스 간 좋은 인터록(interlock) 확보, 성형 사이클 중 통상적 고압에서 튜브 붕괴 없이 금속 서브구조와 오버몰딩 복합재 간 고강도 본딩 달성 방법이 문제. 오랜 연구 끝에 PMH 기술을 처음 개발한 같은 랑세스 팀이 HPH 공정도 개발.

기본적으로 HPH는 고유동, 고 유리섬유 강화 PA 6 '구조 엘리먼트(structural elements)' - 특별 설계된 리브/핀 돌출된 사출 성형 솔리드 튜브 - 를 강철 또는 알루미늄 튜브 중공 중심에 삽입, 이를 사출 성형기에 넣고 추가 GR-PA 6 복합재로 오버몰딩해 외부 브라켓 등 기능 부품 형성. 구조 엘리먼트(튜브 오버몰딩 전 튜브 내 삽입)는 성형 중 튜브 붕괴 방지하고 비딩(beading) 또는 딤플링(dimplling) 공정으로 튜브 변형/성형 돕고 금속과 복합재 소재 간 강한 본딩 보장. 이 내부 엘리먼트는 튜브 내 남아 구조 지지 역할.

랑세스는 내부 리브/핀 엘리먼트가 천공 강철 또는 알루미늄 튜브에도 사용 가능하다고 보고. 기존 PMH 기술의 천공과 유사 기능.

두 번째 금형 불필요하도록 툴 설계해 사이드 캐비티에 다음 샷용 튜브 구조 엘리먼트 성형 공간 포함하면서 주어진 튜브 오버몰딩 가능. 전체 공정 완전 자동화 가능.

기존 PMH 구조물(스탬핑 또는 스탬핑+용접 서브구조) 대비 HPH 구조물은 동등 단면, 질량, 두께에서 더 높은 비틀림 강성과 강도, 더 나은 치수 안정성 제공하면서 랑세스 원조 PMH 공정의 모든 고전적 혜택 유지.

향후 전망

타겟 HPH 응용: 크로스 카 빔뿐만 아니라 카시트 프레임, 프론트 엔드 모듈, 트럭 테일게이트, 미러 브래킷 등 고기계적 요구 하이브리드 복합재/금속 구조물. 자동차 외 가구, 사다리, 유모차 등도 가능. 상용화 응용 아직 없어 너무 신규이나, HPH는 현재 많은 개발 프로젝트 진행 중이며 랑세스는 기회 지속 평가 중, 올해 말 특허 출원 완료할 일부 기술 릴리스 작업 중.

HPH 다음 단계는? 랑세스는 이전 PA 6/6, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 매트릭스와 탄소섬유 강화로 PMH 연구 수행, 마그네슘 서브구조 평가도 했으나 대다수 상용 응용은 여전히 30~60% 유리섬유 로딩 GR-PA 6. 이론적으로 동일 소재 조합 HPH 적용 가능하나 팀 초점은 60% GR-PA 6 유지. 탄소섬유 강화 사용 시 갈바닉 부식 방지 위해 금속 서브구조 격리(코팅 등) 필요. 덜 구조적 응용엔 플라스틱 또는 복합재 압출/풀트루전 튜브 사용 가능.