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유럽 선진 금형기술의 개발과 동향
 
강화 폴리우레탄 박판 재료의 자동차 부품
 
월간 기계기술기자 | 2003.09.01 | 2003년 9월호
 
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본 원고는 한국생산기술연구원 금형기술종합지원센터 김종덕 팀장이 독일에 있는 한국생산기술연구원 유럽사무소에 다년간 근무하면서 그 지역의 금형관련 신문과 잡지에서 소개된 자료들을 토대로 정리한 내용들이다.
  금형가공, 금형전시회, 쾌속성형, 판재성형, 플라스틱성형, 파인블랭킹 등의 기술 분야 자료로 유럽의 금형 및 자동차분야의 선진 기술동향의 소개와 이러한 기술들을 적용한 제품과 장비들에 대한 사례들을 요약해 각 주제별로 구성하였다. 본지 에서는 80여개로 요약된 기술자료를 9회에 걸쳐 연재하기로 한다. 단, 일부 기술 들은 국내에 이미 소개되어 적용되고 있음을 밝혀둔다 (편집자주).
강화 폴리우레탄 박판 재료의 자동차 부품
플라스틱으로 구성된 자동차의 외곽 부품은 두께가 2mm 이하여야 하고, 고품질, 경량이어야 하며 또한 금속 차체와 함께 coating이 가능해야 한다는 자동차 제조 업체의 요구를 충족시키는 것은 간단한 문제가 아니다. 몇해전에 Bad Homburg에서 VDI 주체로 개최된‘폴리우레탄 기술’세미나에서 위와 같은 요구를 multi-polyurethan이 충족시킬 수 있다는것이제시되었다.
  Leverkusen의 Bayer 사 K. Doerner 씨는 시험실 표준의 품질을 가진 재료의 최적화, 가공 방법의 최적화가 가능한 새로운 가공 방법과 시스템을 개발 했다고 밝혔다. 비교적 많은 인력을 필요로 하는 RRIM(reinforced Reaction Injection Molding) 기술은 자동화가 가능하다. 새로운 재료 개발, 박판 제품 제조 기술, 프로세스 검사와 제어 기술에 사용되는 expert 시스템의이용은 저렴하고 경량RRIM성 형부품의제작을가능하게하였다.
  Bayer 사의 폴리우레탄 전문가인 H. J. Meiner 씨는 새로운 재료인‘Bayflex 180', ‘Bayflex 190'을 사용하여 1.6-2.5 mm 두께의 자동차 부품 제작이 가능했으며‘Bayflex 180'은 이미 작년부터 대량 생산에 이용되고 있다고 하였다. Mercedes Benz 자동차의 C-Class에 사용되는 sillboard 부품으로 약 1,500 개/일 정도가 생산되며 이 sillboard 의두께는2 mm이하이다.
  내열성이 높은‘Bayflex 190'은 online-coating 되는 fender 제작에 접합하다. 이 재료는 뻣뻣하고 무거운 SMC(sheet molding compound) 재료와 열팽창 계수가 높기 때문에 사이즈가 큰 fender 제작에 어려움을 주는 PPO/PA(polyphenylenoxid/ polyamid) 재료의 이상적인 결합체라고 Meiner 박사는설명했다.
  Bayer 사와 경쟁하고 있는 Dow Chemical 사는 ‘Spectrim' 제품 시리즈를 제시하고 있다. 이 업체에서 신규 개발한 재료는‘HH390'이며 이 재료는 KTL(cathodic immersion-coating)이 가능하여 polymer로써 금속 부품과 함께 prime coating을 KTL처리할수있다. 이재료는'GMT800‘의외측 pannel에 처음으로 사용될 것이다. H. R. Fransen 박사는 자동차 부품 제조에 있어서 모든 부품을 동시에 coating line에 투입할 수 있는 KTL 가능성은 반드시필요하다고하였다.
  그러나 Essex의 Avery Dennison 사에서 개발한 제품을 사용한다면 coating 공정은 필요하지 않다.
  Avery Dennison 사는 자동차 부품을 사출 성형하기 전에 자동차 색상과 같은 film을 투입 성형하는 In-Mold-Film 프로세스를 RIM과 RRIM 성형 제품 제조에 적절히 변형 적용하였다. 이 회사에서 개발한‘Avloy' film으로 spoiler, bumper, fender까지 모두 coating이 가능하다. 자동차 부품 제조 업체가 부품을 coating하여 납품하여야 하거나 coating 설비를 신규로 설치하여야 한다면 Avery Dennison 사에서 개발한 coating 방식이 경제적으로 매우 유리하다고 Avery Dennison사 lamina ting 분야 팀장 H. Steuten씨는강조하였다.
자동차 경량화를 위한 강화 섬유 플라스틱
자동차 제조 업체는 강화 섬유 플라스틱을 자동차 경량화에 이용할 수 있는 방법을 모색하고 있다. 이와 같은 추세에 따라 composites 제조 업체는 자동차 분야에서 더 많은 composites를 사용하길 기대하고 있으나 아직 넓은 시장을 기대하기엔 부족한 점이많다.
  Mercedes Benz 사나 Audi 사 같은 대형 자동차 제조 업체들은 시트 커버나 실내 장식용이 아니라 무거운 금속 부품들을 가벼운 강화 섬유 polymer로 대체하기 위한 연구를 수행하고 있다. 섬유 재료의 기술적 기능은 매우 획기적이라고 할 수있다. 전문 가들은 이 재료는 철강 금속에 비해 약 60%, Al에 비해약40% 정도중량을감소할수있다고한다.
  Ingolstadt의 Audi 사의 개발 연구원들은 리무진의 wheel suspension을 이재료로 제조함으로써 상기의 이론을 실제로 증명하였다. 이 과정에서 연구 원들은‘A4 Quattro’차종의 뒷바퀴 suspension 부품의 transverse link를 탄소 섬유로 구성된 Polyamid-matrix로 제조했다. 주행할 때 세로나 가로 방향으로 최고 4,000 N의 저항을 받는 이 부품의 무게는 금속으로 대량 생산되는 부품 무게의 50% 밖에되지않는다.
  개발 연구원인 J. Dyckhoff 박사는 'Dresden 경량화 제조에 대한 심포지움‘행사에서 thermoplas tic matrix로 구성된 강화 섬유 재료들은 좋은 기계적 기능 외에도 컴퓨터에서도 안전하게 설계 가능한 장점이 있다고 발표하였다. 이것은 개발 기간의 단축은 물론 시험 금형에 필요한 경비도 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 Dyckhoff 박사는 경량화 transverse link의 여러 단점에 대하여도 설명했다.
  link를 composite로 제조할 때 press 공정 시간이2 분 정도로 장시간을 요한다. 여기서 가열과 냉각 과정만1분 30초를차지한다고하였다.
  Dyckhoff 박사는 섬유 재료의 높은 가격은 차후 대량 생산 자동차에 사용될 가능성이 희박하다고 하였다. 높은 가격 외에도 결함 감지 방법의 어려움 또한 자동차 제조 업체들이 고민하고 있는 문제이다. 자동차 정비 기술자는 기존의 금속으로 구성된 자동차 부품의 결함을 감지하는데 문제가 없었지만 섬유 재료의 결함을 감지하기 위해선 x-ray나 초음파 장치 등 고가 장비들이 필요하다. 여러 개발 기술자들은 섬유 재료가 wheel suspension 같은 높은 안전성을 필요로 하는 부품에 사용되기 위하여 저렴하고 간편한 결함 감지방법이 우선 개발되어야 할것이라고하였다.
  Audi 사의 경쟁 업체들도 섬유 재료의 문제점으로 고민하고 있다. Muenchen의 Mercedes Benz사 섬유 기술 책임자인 Drechsler 씨는 수백 DM/Kg의 높은 재료비와 긴 성형 시간은 섬유 재료로 5,000개 이상의 대량 생산에 큰 문제점이 되고 있어, 경제적이고 전자동으로 작동하는 대량 생산 시스템 개발을 위하여 현재 연구원들은 새로운 생산 기술을 개발 중에 있다고 설명했다. 이미 많이 알려져 있는 2차원 상에서 45。 내지 90。 각도로 정렬된 섬유 외에도 braid-knit-stitch 구조도 도입될 예정이다. 파이프나 beam, 연결 장치 같은 부품 들은 섬유 플라스틱을 짜거나 접합시켜 제조될 것이며 이것은 부품에 여러 가지 좋은 장점들을 부여할 것이다. 이와 같은 섬유조직은 제품의 최종 모형과 거의 비슷하게 3차원 형태로 꿰메어 질 수있고 부품의강도를향상시킬것이다.
  그러나 위와 같은 공정도 대량 생산 제품에 제조 에는 아직 너무 고가이다. 그러므로 Audi 사의 J. Dyckhoff 박사와 같은 연구원들은 원재료 생산 업체가 80년대에 섬유의 가격을 내릴 것이라던 약속 을지키지못한것에대하여비판하였다.
 또 탄소 섬유, 유리 섬유 산업을 주도하던 대기업 에서이산업을포기하였다.
 약 10년 전Bayer 그룹이 포기하였고 BASF 사는 1992년 섬유 분야를 다른 회사에 매도하였다.
 이 두기업이 섬유 산업을 포기한 이유는 전세계적으로 감소하고 있는 군수 장비 산업으로 인하여 비행기 제조에 필요한 구성 재료의 요구가 매우 줄어 든것을들 수있기때문이다.
  일반 항공기나 스포츠 용품 및 레저 용품 같은 특수 제품들에 필요한 소량의 섬유 재료 수요로는 두그룹에서섬유산업을계속할수없었다.
  유재료들이사용될전망이없었다.
  기업 전문가인 W. Geschwill 씨는 섬유 재료의 전망은 빠른 시일 내에 바뀌지 않을 것이라면서 자동차 제조에 섬유가 사용될 가능성은 아직 희박하다고 전망하였다.
Virtual process data flow

  computer integrated fabrication' 기술은 2001 Hannover에서 개최 된 금속가공기술전시회(EMO) 에서새로운의미를가지게되었다.
  단순한 사출 성형 부품 및 제품 개발의 전반적인 process를 전시하여 투명한 현장을 제시했다고 Ulm의 NC-Gesellschaft의 이사 T. Pflug 씨는 설명하였다. 이 idea는 Pflug 씨가 2001년 9월12일- 19일 Hannover에서 개최된 금속가공기술전시회 (EMO)의 책임자 D. Detlev 박사와 함께 창안되었다. 현장 위주의 특별 전시관에 혁신적인 기술을 이용하여 하나의구체적인완제품에이르기까지의 전체 적인제품제작과정이전시되었다. 초기출품업체를 찾지못하여고민하였었다고Pflug씨는회상하였다.
 그 후‘H’형태의 자동차 기어 변환 장치에서 8단의 기어 변환이 가능한 기어 변환 손잡이 제조 업체가 출품 업체로 선정되었다. 이것은 EMO에서 새롭게 제시되는 CIM 기술의 파격적 전시를 의미한다. 기어 변환 손잡이는 EMO에서 드라이버 손잡이로 기능 전환이 가능하게 되어 하나의 공구로 휴대할 수있게되는것이다.
  이와 같은 간단한 제품으로 제품 제작 process를 묘사하고 이해할 수 있게 된다. 단지 제품 제작 process의 개별 기술 분야만을 보여주는 것이 아니라 연속적인 해결책을 모색하여야 한다고 Pflug 씨는 설명하였다. 이와 같은 이유로 data의 연속성이 가장중요한부분으로부각된다.
  NC-Gesellschaft는 특별 전시관에 참여하고 각영역을 전시할 다음과 같은 9개의 기업을 확보할 수있었다.
 - AlphacamGmbH사: RPD기술
 - Coorsd3 S.p.A 사 : high-quality manage ment기술
 -ErowaAG사: automationsystem기술
 - FehlmannAG사: CNCmilling기술
 - IBM-Deutschland사:CAD/CAMsoftware기술
 - ModelltechnikRP사: RPDservice기술
 - SecoToolsAB사: tool기술
 - Ona사: 방전가공기술
 - Zwicker Systems 사 : control system 기술 및PPS기술 뿐만 아니라 HSC milling 기술과 사출 성형 기술이 출품되어 하나의 제품이 생산되기까지의 process에서 필요한 모든 기술 분야를 포함하고 있는technologyplatform이형성된것이다.
  또한 모든 interface, data linkage 및 cross- linking point가 공개되기 때문에 매우 투명할 것이 라고 Pflug 씨는 확신하였다. 기어 변환 손잡이의 개발을 visualization하여 사출 금형의 설계 및 가공, prototype 제작과 대량 생산 process까지 전시 되는것이다.
  이들 각각의 작업은 독립적으로 수행될 것이나 data는 완전한 연속성을 가지게 되는 것이다. 초기 idea를 조기에 문제없이 실현 가능한 형태로 전환 하기 위하여 최신의 CAD system이 실질적인 역할을 하고 있다. CAM 기술 분야에서 모델과 실물 sample을 빠르고 자유롭게 제작할 수 있는 rapid prototyping 또는 CNC M/C을 위한 프로그램들이 CADdata로부터생성되는것이다.
  또한 CAD data로부터 금형 제작을 위한 data도 만들어졌다. rapid tooling 기술은 절삭 가공없이 금형제작과정을평가할수있도록하여이와같은기 술을 이용하여 제작된 금형에 의하여 sample 제품 금형 제작 공정 즉 milling 및 방정 가공에 있어서 공작물 및 공구의 clamping system과 preset ting system이 경제적인 면에서 결정적인 역할을 할것이다.
  최종 공정에 사출 성형기가 있으며 모든 공정을 총괄하는processcontrol기술이있다.
  EMO및EMO특별전시관참관자는자신과기업을 위하여 조치할 것을 결정할 것이나 최신의 CIM 요소를 투입함으로서 40%까지 생산성을 향상 시킬 수있다는사실을알아야한다.
  또한 EMO 및 EMO 특별전시관 참관자는 인터넷을 통해서 영구적으로 기어 변환 손잡이의 발전 추이에대한 정보를얻을수 있으며기어변환 손잡이 의디자인에 동참할 수있다. EMO 특별전시관에는 사출성형품이전시될것이다.
  EMO가 종료되면 이 새로운 제품 개발 자동화 process는 대학, 연구소 또는 기업연구소 등 지속 적으로 이용하는 사용자에게 판매되어야 할 것이라 고Pflug씨는설명했다.
자동차 제조의 plastic 이용
자동차 제조 업체들이 경량화 및 제작 비용 절감을 위하여 혼합 재료를 많이 사용하고 있기 때문에 plastic 제조 업계는 자동차에 사용되는 plastic 생산 량을하향조정하여야할것이다.
  자동차 제조에 사용되는 polymer의 사용율은 좀처럼 증가하지 않고 있다. Mannheim에서 VDI- plastic 기술분과 주최로 개최된 국제 전문가 회의 ‘자동차의 plastic 사용’에서 새로운 plastic을 응용한 자동차 부품 사용율은 점차 포화 상태에 이르고 있다고 Ruesselheim의 Adam Opel 사 제품 개발및 설계 부장 K.-F. Stracke 씨는 설명하였다. 오늘날 재료 대체는 같은 종류의 재료 그룹에 한하여 수행되고 있으며 사례로 PA가 ABS 또는 PP로 대체 되고있다고한다.
  이러한 정체 현상의 사례로 Stracke씨는 ‘Vectra’자동차 모델을 들었으며 종전 모델에 14%의 plastic이 사용된 반면 신규 모델에 16%의 plastic이 사용되어 일부 증가하였을 뿐이라고 한다.
  사용된 plastic은 220kg이나 이것은 안전 장치, 승차감 향상 장치 및 금속 부품 대체에 사용되었다고 한다.
  이와 동시에 Al이나 Mg 등 경량 금속의 사용율이 13%로 증가하였다고 한다. Stracke 씨는 Al 업계는 지속적으로 새로운 concept을 소개하며 이미 자동 차door, cover 및 frame 등을 Al로 제작하고 있다고 설명했다. 철강 제조 업계도 기존 철강 제품의 현대화와 강도 증가 및 최신 생산 기술 개발 등으로 경쟁력을향상시키고있다고부연하였다.
  또한 현재의 기술로 plastic의 낮은 변형 가능성과 고가로 인하여 대량 생산 공정에서 더 높은 plastic 사용율을 기대하기 힘들다고 Ingostadt Audi 사의U. Steuer 씨는 자동차 제조에 사용되는 plastic 사용율 증가에 대하여 회의를 가지고 있다. 그러나 Audi 사 자동차의 plastic 사용율은 17.4-22.5%로 예상 보다 높다고 한다. plastic 제조 업계는 2008년 자동차의 plastic 사용율이 약 18%의 이를 것으로 전망하고 있다. 향후 자동차의 중량 감소에 따른 연료 소모율 절감은 커다란 역할을 하지 못할 것으로 전망되고 있다. ‘Audi 2 Oeko’자동차에서 10%의 중량 감소로 0.15l/km의 그렇게 많지 않은 연료를 절감시킬 수 있었다며 대량 생산 모델에서 이와 같은 연구비를 직접 분사 엔진 개발에 투자하는 것이 더욱 효과적일 것이라고 Steuer 씨는 설명하였다.
  따라서 plastic fender 등과 같이 재료 대체에 의한 중량 감소는 단가를 낮추거나 생산 비용을 절감 시킬 수 있을 경우에 한하여 효과가 있을 것이라고 한다.
  사례로 Audi 사의‘A2’자동차 모델의 fender는 철강 재료로 제작하기 어려운 형상이기 때문에 PP-TV 재료를 사용하였다고 한다. 그러나 이러한 plastic fender의 사용은 일반적으로 확산될 가능성은 희박하다. 평판 polymer 부품을 대량 생산 자동 차의 표면에 사용하는 방법은 재료 교체만을 고려할 경우 Al 판재에 비하여 그다지 효과적이지 않다고 전문가들은 평가하고 있다. PP 재료의 사출 성형 부품의 제조 가격은 저렴하나 도장, 운반 및 포장 비용 이전체비용의1/2을상회한다고한다.
  Stracke 씨는 자동차에 실제로 응용할 수 있는 재료에 대한 개발이 더욱 활발히 진행되어야 한다고 강조하였으며 Opel 사 개발 연구원은 자동차의 plastic 응용에 대하여 plastic 원재료 제조 업계가 연구해야 하며 제품 개발은 부품 생산 업체에서 연구해야 할 것이라고 설명하였다. 향후 자동차 제조에서 부품, 기능성 assembly, 제조 공정 등이 매우 중요한 역할을 할 것이므로 여기에 plastic 산업의 미래가달려있다고한다.
플라스틱 자동차 부품
몇해전 Mannheim congress center에서 VDI 플라스틱 기술 분과 주최로 학술 회의‘자동차 제작에 있어서 플라스틱’이 개최되었다. 13개 국가로부터약 1,400 명이 참가하여 2개의 전문 학술 회의‘자동차제작에있어서플라스틱’과‘플라스틱섬유재 료와 표면 재료’가 동시에 진행되어 전통적인 자동차 부품 재료로서 플라스틱의 다양한 이용 영역이 소개되었으며 플라스틱, 섬유, 표면 재료는 현대 승용차 제작에 있어서 포기할 수 없는 구성 요소라는 것을확인했다.
  주제는다음과같다.
 - 승용차 및 화물차의 body 부품 및 구동 장치 에서플라스틱의이용- side panel, hardtop sedan, bonnet 등 섀시 이외의부품에플라스틱적용- 안전성, 표면처리, 무방향성 등을 고려한 특수 분야의내장재로서의플라스틱기술- SMC 자연 섬유 강화 플라스틱 및 섬유 강화 복합재료의새로운플라스틱가공기술- 자동차내장재로서가죽및목재의이용- 뼈대가 없고 청소 가능한 groove가 있는 재료 기술, 실내장식기술등 플라스틱과 섬유는장래자동차 제작에 있어서매 우중요한재료이다.
  오늘날 자동차는 약 10%(중량비)가 플라스틱으 로구성되어있다.
  전문가들은 향후 2005년까지 약 15%(중량비)까지 올라갈 것으로 기대하고 있다. 이러한 플라스틱 이용율 상승은 플라스틱 관련자의 끊임없는 노력에 의해이루어질것이다.
  학술 회의에서 제기되었던우선과제는 다음과같다.
 - 자동차 섀시 구조와 부품에서 경제적이고 새로운종류의플라스틱제품의지속적소개
 - 고품질 플라스틱 부품의 제조 공정 최적화 및지속적개발- 자동차 제조 업체 또는 부품 공급 업체에서 제품 특성 표현을 위한 지속적인 simulation 기술적용
 - 자동차 제작에 있어서 플라스틱 부품 적용을 위한 대학 및 연구소의 기술 연수 실시 및 질의응답기구설치등 플라스틱과 섬유는 현대자동차제작에 있어서매우 중요한 구성 요소이다. 이 두재료는 자동차 설계, 섀시, 기어, 구동 장치 및 전자 시스템에 새로운 기능화를가능하게한다.
  또한 그것은 지속적인 경량화, 쾌적성, 안전성 향상을 가능케 하며 자동차 제작에 있어서 환경 친화 적이다.
  플라스틱은 또한 생산대수가 적은 시험용자동차의 설계 재료로도 가치가 있다. 섬유의 사용은 실제로 자동차의 다양성을 수반할 수 있다. 플라스틱과 섬유의 새로운 적용 기술은 향후 자동차 개발에 새로운방법을요구한다.
  개발 시간의 단축, 종합적 실제 상황에 대한 프로세스 simulation은 자동차 제조 업체, 부품 공급 업체, 원재료 제조 업체 및 과학자들과의 공동 연구가 필연적이며 새로운 프로세스를 유도할 것이다.
  플라스틱과 섬유는 장래 세계 자동차 산업에 중요한 역할을할것이다.

 
TAG :  강화섬유플라스틱  폴리우페탄  플라스틱자동차부품  CIM기술
 
 
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