BMW의 엔드투엔드 CFRP 생산: 토우에서 테이프, 최종 부품까지

탄소섬유 복합소재의 현재 자동차 애플리케이션 진입 초기에 BMW 그룹(독일 뮌헨)은 독보적인 행보를 보였다. M 스포츠 모델 루프의 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM) 가속화를 위한 초기 작업이 i3와 i8 차량의 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품 완전 공급망 구축으로 이어졌고, 이후 7 시리즈의 멀티 머티리얼 카본 코어 차체 골격(BIW)을 위한 완전히 새로운 제조 및 조립 워크셀로 발전했다.

BMW는 2009년 i3에 큰 기대를 걸고 투자를 결정했지만, 같은 해 아우디 AG(독일 잉골슈타트)는 섬유 강화 플라스틱 전담 기술 센터를 설립했다. 2011년 아우디는 포이트 컴포지트(독일 가르칭)와 협력해 대량 생산용 CFRP 부품 개발 및 생산을 발표했다. 이듬해 CFRP 강화 강철 B-필러( RTM 제조)와 소게피(프랑스 기앙쿠르)와의 복합소재 코일 서스펜션 스프링 상용화 파트너십을 공개했다. 2012년 아우디는 BMW, 포이트 컴포지트, SGL 그룹(독일 비스바덴) 등이 참여한 MAI 카본 선도 클러스터의 창립 파트너로 참여했다.

가장 주목할 점은 아우디의 CFRP 개발 서사가 2006년 출시된 1세대 R8 스포츠카에서 시작된다는 점이다. 컨버터블 탑 수납 커버와 사이드 블레이드가 RTM으로 제작됐다. 회사는 미적 외장과 소형 구조물에서 모듈러 스포츠카 시스템(MSS)으로 발전했으며, R8 e-tron에 적용됐다. 이 전기 슈퍼카의 주 구조는 압출 알루미늄 빔과 알루미늄 주물로 결합됐지만, 모든 패널과 인필은 CFRP였으며, 골판형 충돌 구조를 가진 트렁크 인서트로 금속 프레임보다 5배 더 많은 에너지를 흡수할 수 있었다.

MSS의 백본은 리어 월로, 2011년 초기 개념에서 현재 SGL 테크놀로지스(이전 BENTELER-SGL, 오스트리아 오르트 임 인크라이스)에서 비전기 R8용으로 생산되는 모듈로 진화했다( "플랜트 투어: BENTELER SGL" 참조). 하지만 아우디는 이미 다음 단계를 계획 중이었다: 더 높은 볼륨의 A8 럭셔리 세단용 리어 월로의 반복, 제조 파트너는 포이트 컴포지트.

포이트 컴포지트는 1867년 설립된 다국적 포이트 GmbH & Co. KGaA의 10년 된 자회사다. 모기업은 현재 19,000명 직원, 연매출 42억 유로(약 52억 달러), 4개 사업부(포이트 디지털 솔루션, 포이트 하이드로, 포이트 페이퍼, 포이트 터보)를 통해 제조 장비와 기술을 제공한다. 포이트 컴포지트는 제지용 CFRP 롤 생산에서 자동차 및 산업용 CFRP 드라이브샤프트/카단 샤프트와 평판 라미네이트 제조로 진화했다.

2011년 포이트 컴포지트는 A8 리어 월 생산을 목표로 고도로 자동화된 CFRP 공정 체인 개발에 착수했다. 그 핵심은 포이트 로빙 어플리케이터(VRA)로, 단일 라인에서 졸텍(미국 미주리주 세인트루이스)의 35K 탄소섬유 토우를 바인더 함유 단방향(UD) 테이프로 스프레드한 후 절단 및 적층해 맞춤형 블랭크를 형성한다. VRA는 2017년 JEC 혁신상을 수상했다. 이후 프리포밍과 몰딩 작업의 견고한 기반도 마련했다. 포이트 컴포지트와 아우디는 JEC 월드 2018에서 완성된 VRA 기반 디지털 4.0 생산 라인(아우디 A8 리어 월 모듈 제조용)으로 자동차 부문 최고 영예를 다시 차지했다. 수지 공급사 다우 오토모티브(미국 미시간주 오번힐스)와 졸텍과 협력해 고성능 CFRP 부품을 대량 생산하는 데 필요한 소재, 공정, 인라인 검사 시스템뿐만 아니라 향후 부품 개발에 이미 적용 중인 CAD/CAM 및 시뮬레이션 툴 풀세트도 구축했다.

효율성 주도 설계 진화

"아우디와 초기에 협업을 시작했습니다."라고 포이트 컴포지트 사업 개발 책임자 야로미르 우퍼(Dr. Jaromir Ufer) 박사는 말한다. 첫 번째 우선순위는 새로운 A8 리어 월 설계를 개발해 부품 제조 방식을 결정하는 것이었다.

"이 생산을 위한 엔지니어링을 시작했을 때 우리가 필요로 하는 모든 것을 갖춘 기성 소프트웨어 제품을 찾을 수 없었습니다."라고 우퍼는 설명한다. "ABAQUS 같은 설계 툴을 모았지만 자체 소재 카드를 만들고 시뮬레이션 방법을 자체 개발했습니다." 아우디는 이미 R8 리어 월 설계의 핵심 목표로 BIW 중량 감소와 비틀림 강성 증가를 설정했다("아우디 R8 시트 월: 생산의 전주곡" 참조). A8 모듈의 경우 통합 설계를 제안해 다중 구성품 MSS 조립을 소수의 본드 및 리벳 부착만 있는 단일 형상 CFRP 패널로 축소했다. 이 설계는 국부 하중 경로를 가진 고도로 이방성 라미네이트 개발을 주도했으며, 완성된 부품이 3~5개 용접 알루미늄 부품 조립 대비 50% 중량으로 드라이브 셀 비틀림 강성의 33%를 제공할 수 있게 했다.

"아우디 A8 리어 월 패널의 복합소재 프리폼은 기본 6플라이에서 국부 보강이 추가되는 부분(예: 컷아웃 또는 포인트 하중, 차일드 캐리어 구속 장착부 등)에서는 최대 19플라이까지 변합니다."라고 우퍼는 설명한다(그림 2).

포이트 로빙 어플리케이터(VRA)

우퍼는 이 설계와 VRA 개발이 병행됐다고 지적한다. "VRA가 제공하는 설계 자유도가 있어야만 새로운 A8 리어 월의 성능이 가능했습니다." 또한 파이버 공급사 졸텍이 프로그램에 7년간 가격 약속을 한 것도 중요했다.

VRA 공정은 졸텍의 PX 35 탄소섬유 크릴로 시작한다. 여러 50K 토우 보빈이 각 VRA 라인에 공급되어 50mm 폭 테이프로 스프레드된다. 이후 에폭시 기반 바인더가 도포되며, 이는 나중에 다우 보라포스(VORAFORCE) 스냅큐어 에폭시 매트릭스 수지와 반응해 복합소재 부품의 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM) 시 작동한다. 소량의 적외선(IR) 열을 가해 바인더를 부분적으로 녹여 이후 통합, 절단, 적층 단계를 거치는 동안 테이프가 유지되게 한다(1단계).

"완전 자동화된 연속 공정입니다."라고 우퍼는 말한다. "어떤 이유로 라인을 멈춰야 할 경우 장비가 자동으로 반응합니다. 예를 들어 IR 히터가 즉시 꺼지고 후퇴해 과열로 테이프가 손상되지 않게 합니다. 이런 디테일이 수백 가지 있으며 디지털 제어가 이 기술을 가능하게 합니다."

바인더 도포 후 테이프는 장력 하에서 여러 롤러를 통과하며 통합된다(2단계). 우퍼는 이것이 라인의 버퍼 역할도 한다고 설명한다. "연속적인 섬유 풀 흐름을 중단하는 유닛이 있어 테이프 절단-배치 메커니즘의 펄스 포맷으로 전환을 제공합니다." 이 갠트리 기반 메커니즘은 테이프를 맞춤 길이로 절단하고 0~360° 지정된 각도로 회전 테이블에 배치한다(3단계). 각 맞춤 적층은 6~19층 테이프로 구성되며 두께는 각각 1.5~3.7mm다.

포이트는 4개의 VRA 라인을 설치했으며(첫 사진 참조), 각 라인이 한 번에 최대 4개의 50mm 폭 테이프를 적용하지만, 우퍼는 "라인들의 모듈러 접근 방식으로 10개 이상의 테이프도 적용 가능합니다. 부품 크기와 생산 속도에 따라 달라집니다."라고 지적한다.

자동화에는 품질 검사도 포함된다. 테이프와 프리폼 스캔을 거부 알고리즘과 비교한다. "VRA의 테이프 100% 스캔으로 전체 생산 라인의 올바른 섬유 분포를 보장합니다."라고 우퍼는 설명한다. "지정 영역에서 프리폼을 열화상과 레이저 센서로도 검사합니다." VRA는 감지된 이슈에 반응할 수 있다. "한 테이프가 정확하지 않으면 VRA가 결함 길이를 잘라내고 대체품을 생산합니다." 완성된 프리폼에는 추적성을 위해 QR 코드가 부착된다(RFID 태그보다 수지 주입 공정을 더 잘 견딘다고 보고됨).

성형, 몰딩 및 조립

2D 적층은 VRA를 나와 생산 라인의 성형, 몰딩, 조립 섹션으로 셔틀된다. 첫 번째 프레스는 복합소재 자동화 전문 업체 필(FILL, 오스트리아 구르텐) 제품으로, 열과 압력을 사용해 2D 테이프 적층을 3D 프리폼으로 성형한다(4단계). 우퍼는 프리폼이 두께와 형상이 다양하므로 프레스가 성형 툴에 클램프된 프리폼의 개별 영역에 가해지는 압력을 스탬프 성형 시 적응시킬 수 있다고 설명한다. 알펙스 테크놀로지스(오스트리아 밀스 베이 할)가 포이트 컴포지츠 제공 설계를 기반으로 매치드 스틸 RTM 금형을 제작했다. "툴링과 프레스 공정을 가상으로 개발했습니다."라고 우퍼는 말한다. "실제 테스트 루프는 필요하지 않았지만, A8 리어 월 생산 툴 가공 전 다른 형상과 부품에서 시뮬레이션 모델을 검증하고 확인했습니다. 이 몰딩 공정 시뮬레이션이 실제 생산으로 바로 이어져 최적화 속도를 높였습니다."

프레스는 몇 초간 유지해 분말 바인더를 반응시켜 형상을 고정하며, 수지 주입 중 파이버 워시를 견딜 수 있는 안정적인 프리폼이 된다. "바인더 입자는 RTM 중 향상된 수지 흐름을 위해 섬유를 분리해 두는 역할도 합니다."라고 우퍼는 지적한다. "프리폼에 스티칭이 없어 수지 흐름을 돕지 못하므로 이 바인더 입자들이 마이크로 흐름 채널 역할을 합니다."

성형된 프리폼은 로봇으로 이이마 마쉬넨바우 GmbH(독일 프릭켄하우젠) CNC 셀로 이송돼 초음파 나이프로 외부 최종 윤곽을 트리밍한다. 이후 로봇으로 ENGEL(오스트리아 슈베르트베르크) 공급 RTM 프레스에 배치된다(5단계). 라인의 모든 로봇은 쿠카 로보틱스(독일 아우크스부르크) 제품이다.

A8 리어 월 몰딩에 사용된 RTM 공정은 이전 R8 리어 월을 위해 아우디 경량화 센터에서 개발된 것과 동일하며 울트라-RTM이라 불린다. 큰 부품을 빠른 주입이지만 저압으로 성형할 수 있다. 일반적인 HP-RTM의 140바 대비 아우디 A8 리어 월 울트라-RTM의 금형 내 수지 주입 압력은 15바 미만으로, R8보다도 낮다. 그 결과 2,500kN 프레스 힘 대신 350kN만 필요해 더 작고 저렴한 프레스로 고품질, 고섬유 부피율 부품을 생산할 수 있다.

보라포스 5300 에폭시 수지는 금형 이형제를 포함한 3성분 시스템으로, 120°C에서 90~120초 경화되며 가공 점도는 20cps다. A8 리어 월에는 1.3kg 수지 샷이 프리폼에 주입된 후 120초 경화된다.

경화된 부품은 로봇으로 디몰딩되어 밀폐된 CNC 밀링 셀로 이동해 컷아웃을 가공한다. 다음으로 밀링된 부품을 자동 세척기에 넣어 잔여 CFRP 분진을 제거한다.

세척된 리어 월은 두 대의 로봇이 장착된 조립 셀로 이송된다. 첫 번째 로봇이 성형 부품을 자동 리베팅 머신에 배치하며, 리벳 설치 시 가해진 힘을 문서화한다. 이는 전체 공정에 내장된 제조 인텔리전스의 일부로 각 부품의 디지털 가공 기록(디지털 스레드)에 추가된다. 부품은 본딩 영역으로 이동하고 두 번째 로봇이 자동 솔벤트 와이프로 본딩 영역을 준비한다. 같은 로봇이 속경화형 2성분 다우 베타포스 9050M 폴리우레탄 구조용 접착제(6단계)를 도포하며, 이는 3성분 에폭시와 호환된다. 부품은 짧은 접착제 경화 사이클을 위해 오븐에 들어간다.

이 생산 라인은 완성 부품 기준 5분 사이클 타임을 유지하며, 현재 부품 수요는 8시간 근무 1~2교대로 충족 가능하다. 3D 레이저 스캐닝 장치로 주기적으로 부품의 3D 형상과 치수를 검사한다. 완성된 부품은 도로로 약 3시간 거리에 있는 독일 네커잘름의 아우디 A8 최종 조립 라인으로 출하 준비된다(7단계).

직접 섬유 배치 = 미래의 유연성

이 모든 투자가 이뤄졌음에도 포이트 컴포지츠가 이 사업을 확정받은 것이 아니라 경쟁 입찰에 참여해 수주했다는 사실은 놀랍다. "아우디가 정의한 목표 부품 비용뿐만 아니라 품질과 부품 성능 요구사항을 충족할 수 있었습니다."라고 우퍼는 말한다. 꽤 많은 회사가 이 프로그램을 놓고 경쟁했음을 고려하면 결코 작은 성과가 아니다.

포이트 컴포지츠는 공정의 여러 부분을 특허 출원했다. "VRA는 테이프의 직접 섬유 배치(DFP)를 사용한 산업화를 입증했으며, 고도로 최적화된 적층으로 스크랩과 소재 사용량을 줄입니다."라고 우퍼는 말한다. 또한 가장 비용 효율적인 소재인 미처리 헤비 토우 파이버와 분말 바인더를 사용한다. 2세대 공정은 분말 바인더를 수지 직접 도포로 대체해 공정 단계를 더 줄인다. 그러나 회사는 포이트 롱파이버 프리포머와 포이트 프리프레그 와인딩 등 다른 DFP 공정도 개발했다.

"우리는 고량산 자동차 양산용 탄소섬유 부품의 새로운 표준을 세우고 있습니다."라고 포이트 컴포지츠 매니징 디렉터 라스 헤르벡(Dr. Lars Herbeck) 박사는 말한다. "우리가 구축한 스마트 팩토리는 CFRP 부품의 자동화 생산을 거의 모든 형상과 개별 로트 사이즈를 포함한 새로운 효율성과 유연성 수준으로 끌어올렸습니다. 이것이 바로 산업이 나아가는 방향입니다."