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가벼운 여행! 플라스틱 부품으로 자동차의 무게 줄여

플라스틱 부품으로 자동차의 무게 줄여

가벼운 여행!
연비 높이는 플라스틱

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뉴욕 마라톤, 아테네 마라톤, 북경 마라톤 등 전 세계 주요 마라톤 대회는 가을에 개최됩니다. 베를린 마라톤의 경우 4만 명의 러너들이 출발선에서 대기하는 장관을 연출하기도 합니다. 모든 마라토너들은 최적의 몸무게가 어떤 차이를 가져오는지를 잘 알고 있습니다. 경험 많은 마라토너는 몸무게 1킬로를 줄일 때 마다 도착 기록을 1-2분 단축시킬 수 있다고 말합니다.

이처럼 지구력을 많이 요하는 운동선수뿐만 아니라 자동차 전문가들도 똑같은 고민을 하고 있습니다. 탄성 플라스틱을 전문으로 생산 판매하는 랑세스 플라스틱 사업부의 애플리케이션 개발 담당자인 랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “무게가 연료 소비량과 직결된다는 것은 누구나 알고 있습니다. 트렁크에 뭔가 잔뜩 싣고 다니는 일은 삼가 해야 합니다“ 라고 말합니다.

엔지니어링의 세계에도 이러한 원칙이 적용됩니다: 중소형차에 100킬로그램을 추가하면 100킬로미터를 주행할 때 0.5리터의 연료가 더 들어갑니다. 몸무게를 줄이기 위해 노력하는 마라토너와 마찬가지로 자동차 생산에서도 무게를 최소로 유지하기 위한 치열한 노력은 계속 되고 있습니다.

자동차의 무게를 줄이는 데 있어 플라스틱은 필수 요소입니다. 폴리머 물질이 강철 무게의 6분의 1에서 7분의 1까지 가볍다는 사실만 봐도 이와 같은 사실을 쉽게 알 수 있습니다. 더군다나 플라스틱은 고가의 초경량 마그네슘보다 압도적인 기술적 우위를 자랑합니다. 바로 후크, 나사, 캐치, 클라스프 등이 부품의 중심부에 직접적으로 금형될 수 있는데, 이를 엔지니어들은 기능적 통합이라고 부릅니다.

랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 수 많은 강철 부품을 대체할 수 있는 플라스틱 부품 디자인이 가능하다고 합니다. 플라스틱 부품은 조립공정의 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 전체적인 차량의 무게를 줄이는 효과도 가져옵니다. 15개의 스크류보다는 2개의 스크류만 사용할 수 있다면 훨씬 더 가벼워 지겠죠.

자동차 엔지니어들은 지난 수십 년 동안 플라스틱으로 대체할 수 있는 강철 부품을 찾아내기 위해 고심해왔습니다. 여기에는 차량 인테리어뿐만 아니라 터보 매니폴드, 흡기, 스로틀 밸브 및 엔진 베어링과 같은 엔진 부품도 포함됩니다. 섬유강화 폴리머와 같은 최첨단 물질은 강철과 유사한 성질과 기능을 가졌지만 무게는 강철의 절반 수준입니다.

하지만 차량의 무게 감소에는 한계가 있습니다. 에어백, 에어컨, 파워 윈도우 등의 최첨단 기능성 부품들은 어느 정도의 무게가 나갈 수 밖에 없기 때문입니다.

플라스틱을 좀 더 가볍게 한다면 어떨까요? 물론 초경량, 고장력의 탄소 섬유는 훌륭한 옵션이 될 수 있지만 부담스런 가격으로 시장성이 떨어집니다. 랑세스는 이미 20년 전에 더 나은 대안을 찾았습니다. 랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “아이러니 하지만 랑세스는 강철에서 그 해답을 찾았습니다” 고 밝힙니다.

플라스틱 부품이 가볍긴 하지만 강철과 동일한 장력을 보유하기 위해서는 두껍게 제작되어야 합니다. 이는 무게 절감 효과를 상쇄할 수 밖에 없습니다. “그래서 랑세스는 플라스틱 부품의 핵심적인 부분을 얇은 금속판으로 강화시켰습니다.

일명 플라스틱/메탈 하이브리드 기술로 알려진 이 방법을 통해 엔지니어들은 원하는 바를 이루었습니다. 바로 금속판과 폴리메아미드로 이루어진 복잡한 기능 부품처럼 기능과 가벼움을 동시에 만족시키는 프론트 엔드 솔루션이 에어컨처럼 표준화 된것입니다. 랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “랑세스의 이 하이브리드 기술은 지난 10년간 4천만 개가 넘는 내구력을 갖춘 자동차 바디부품을 생산하는데 활용되었습니다.

랑세스의 최첨단 하이브리드 솔루션은 또한 루프 프레임, 페달 지지 브래킷 및 브레이크 페달과 같은 부품의 디자인에도 활용됩니다. 이렇게 제작된 부품은 기존의 강철로만 제작된 부품보다 무게가 40% 나 적게 나가지만 제작비가 20% 낮고 더 높은 탄성을 보유합니다. 오늘날의 자동차 디자이너들은 CAD기술을 이용해 플라스틱/메탈 하이브리드 물질로 이루어진 차량 문, 트렁크 문, 차량 후드를 제작하고 있습니다. 랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “랑세스 만의 하이브리드 기술 노하우로 새롭게 진화하는 자동차 디자인의 영역에 깊이 관여하고 있습니다”고 덧붙입니다.

자동차 디자이너들과의 이러한 협력을 통해 랑세스의 엔지니어들은 하이브리드 부품의 기능을 강화할 수 있는 방안을 모색하고 있습니다. 그 중 한가지 대안으로 플라스틱과 합쳐지기 전에 얇은 금속판을 특수 접작체로 코팅하는 것입니다.

랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “하이브리스 부품에서 폴리머와 강화성분은 금속의 홀과 요철면을 통해서 결합합니다. 플라스틱이 금속 표면의 구멍 사이사이에 들어가서 마름으로써 전체 구조를 하나로 지탱하는 역할을 합니다. 접작체 코팅방식을 택할 경우 표면 전체의 접착력이 우수해져 훨씬 더 강력한 효과를 가져올 수 있습니다”고 밝힙니다. 못질로 연결된 나무판자는 일정한 힘만 가하면 떨어질 수 있지만, 접착제로 붙여진 나무 판자들은 떼어내기가 거의 불가능한 것과 마찬가지 입니다.

 

플라스틱 시트
경량 엔지니어링의 새로운 지평을 열다

II_1_Leichtbau또 다른 흥미로운 개발은 금속이 아닌 플라스틱을 이용한 판입니다. 일명 플라스틱 판으로 불리우는 이 재질은 섬유강화 플라스틱으로 제작되어 얇은 금속판처럼 성형이 가능합니다. 이렇게 제작된 판이 폴리아미드로 만들어진 보강 리브와 결합하면 플라스틱/메탈 하이브리브 부품과 유사한 장력을 지녔지만 훨씬 더 가벼운 물질을 만들어냅니다. 이 또한 랑세스가 고안해 낸 기술입니다.

랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “플라스틱 시트를 이용한 하이브리드 부품의 경우 물질 대 물질의 직접적인 접착이 가능하다는 점 입니다. 이 경우 폴리아미드가 플라스틱 판에 금속보다 훨씬 더 쉽게 결합합니다.“고 밝히고 있습니다. 일례로 충돌 테스트에서 확인되듯이 개별적인 부품들이 훨씬 더 단단하게 결합하게 됩니다.

아우디의 A8 는 이러한 플라스틱 시트를 적용한 최초의 차량입니다. 아우디 A8의 프론트엔드의 아랫 부분은 플라스틱 판을 사용합니다. 또 한 플라스틱 시트는 녹슬지 않는 다는 장점도 있습니다.

최근 랑세스의 엔지니어들은 메탈 혹은 플라스틱판에 사용되는 폴리머 물질에 주의를 기울여왔습니다. 폴리머 물질은 완성된 부품의 모양과 기능에 중요한 역할을 수행합니다.

랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 “랑세스는 Durethan EF와 Durethan XF과 같은 새로운 폴리아미드 제품을 제공합니다. 이들은 다른 제품 대비 사출금형에서 뛰어난 유동성을 보입니다” 고 강조합니다.

플라스틱이 금형과정에서 얇은 채널을 통과할 수 있게 되어 경량화된 부품을 훨씬 더 얇게 만들 수 있게 된 것입니다. 유동성을 확보하기 위해 열을 가할 필요가 없게 되어 비용 절감 효과도 있습니다. 얇기 때문에 더 빨리 냉각되어 생산과정의 자체의 단축 효과도 있습니다. 더 많은 양의 강화섬유가 첨가되어 이 고유동성의 폴리아미드 제품으로 제작된 부품은 더 강하면서도 더 가볍습니다.

자동차 공학자들이 처음 연비절감이라는 장기 프로젝트에 눈을 돌렸을 당시만 해도 이러한 성과들은 상상조차 할 수 없는 것들이었습니다. 그러나, 장거리 마라톤에서처럼 레이스 도중에 어떤 일이 일어날지는 아무도 모르는 일입니다. 랄프 짐놀 (Ralf Zimnol)은 이제 겨우 시작이라고 말합니다. “플라스틱을 이용한 경량 엔지니어링의 잠재력은 무궁무진하니까요”라고 덧붙였습니다.