모니터링분석 1 자동차분야의최근사출성형기술동향 한국과학기술정보연구원전문연구위원이호동 (hodeelee@reseat.re.kr) 1. 서언 현재국제자동차쇼에서중점적으로강조되고있는메시지는 그린 (green) 으로, 기술적으로는 크린 (clean) 과 소형화 (small, lean) 가그포인트가되고있다. 자동차메이커는지구환경보호와온난화대책을위한 CO 2 절감목표때문에차체의경량화와저가화를지향하는과제를안고있다. 이러한사회환경의변화에따라플라스틱재료와이재료를사용하는사출성형기술이이러한과제해결에중요한변수역할을하게될것으로보인다. Fiat사는신경량화차 Pandra Aria 를선보였는데이차는에코적합성재료를채용함으로써 EU가 2012년까지준수하도록제시한엄격한 CO 2 배출기준, 120g/km을만족시키고있다. 또 Volkswagen은신소형차의차뒷부분후부라이트를후부창의하단부분과일체화시키는새로운 tail gate방식을채택함으로써차체중량 600kg을실현, 100km주행에연료가 2l 이하로드는 CO 2 배출량 50g/km의환경기준을충족시키는차를개발한바있다. 이러한기준을만족시킬수있는미래환경적합형차를개발하기위해서는자동차부품재료메이커나장치메이커그리고시스템공급업체들은환경과경제를동시에만족시키는솔루션을얻을수있도록새로운소재와가공장치그리고혁신적인프로세스개발이이루어져야한다. 2. 자동차부품의사출성형현황 자동차 Body Panel 외판 외장부품의성형
모니터링분석 2 수평외판 All plastics car의출현 Daimler Chrysler사의 MMC Smart 와 GM Saturn 을제외하고는전부양산되고있는고급스포츠카사양들인데이에적용되는기술은 RTM(Resin Transfer Molding) 이나 CFRP( 탄소섬유강화PP) 를사용한사출성형으로생산되고있다. SMC(Sheet Molding Compound) 에의한 all plastics car는제조시잔류가스문제등의품질문제가있어재료와프로세스의개선시도와함께 Sollx 필름 (GE Plastics사 ) 에의한 Paint Film법으로깨끗한외관의표면외판을얻는기술이적용되고있다. Bayer사의미래형 concept car exasis 는투명한보디외관을선보였는데이는동사의투명폴리카보네이트재료 Makrole n 을사용한제품이다. Borealis사는최신 Smart for two차의외판용으로 PP계열가소성폴리올레핀 (TPO), Daplen 을개발적용했다. 이로써비용및외관품질과환경요건을만족시켜차체중량 15% 의경량화, 연비절감, CO 2 배출감소효과도달성했다. 열가소성엔지니어링플라스틱소재외판을제조하는데대형사출성형기를적용할수있느냐여부는수지메이커에게는오랫동안의꿈이었다. Husky사가 Chrysler사에제안하여개발한형체력 80,000kN급의초대형사출성형기는현재개발도상국용저비용 CCV(Composite Concept Vehicle) 개발에이미적용되고있다. 수직외판 수평외판이고강성의물성이요구되는데비하여수직외판은고내충격성이요구된다. fender, door pack panel module, rear bumper front end 등이이런부품들인데소재로는 PPE/PA alloy, PUR, PA/ABS, 유리섬유강화PA 또는 PP 등과같은재료들이개발되어사용되고있다. 자동차내장부품의성형 자동차내장부품에있어서는일체화와모듈화가현재설계의기본이되고있다. door module, floor assembly, cock pit, sheet 들은플라스틱에의한신설계개념이적용되어개발되고있는대표적부품들
모니터링분석 3 이다. 자동차엔진룸부품의성형 엔진룸영역에서의플라스틱부품의채택비율은대체로낮은편이다. 이는엔진모터등에서발생하는온도상승때문에기인하는것으로내열성이 150 C 정도요구된다. 내열성요구수준이그렇게높지않고비교적낮은흡기계, 냉각계일부에 PP나 TPO가적용되고있고 air intake manifold나 cylinder head cover 에는 PA, PBT, PET, PPS 등 ENPLA나 super ENPLA 또는유리섬유강화, 미네랄충진수지가사용되고있다. 자동차조명부품, 전자부품의성형 자동차전면에부착되는 head lamp vessel 부품에는도금성과유동성이좋은 PBT를사용한다. 또고감도센서와같은전장부품에는고온에견디고입사광의강도와방향측정의제어관계상유리한재료인 LCP 액정수지를사용한다. 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP) 의자동차부품응용 CFRP를갖고있는 composite 재료는최고의물성특성을가진플라스틱재료중하나로서고강성, 내피로성, 내부식성이양호하고경량인데다사출성형성도좋다. 이러한장점으로자동차부품분야에의응용개발이착실히늘고있다. 재래의금속재료의부품에비하면중량면에서 50% 정도경량화가가능하다. 천연섬유의자동차부품에의응용 유럽에서는자동차생산에천연섬유의사용량이크게늘고있다. 아마, 대마, 쥬트, 모등섬유강화 composite 재료의사용량이 50,000톤에달했다. 독일에서는자동차 1대당평균 3.5kg이사용되고있다. 2003년에는폴리프로필렌메트릭스의 composite가사출성형에이용되고있다. nano composite 의자동차부품에의응용 열가소성폴리올레핀 (TPO) 베이스의 nano composite의개발이이루어져 2010년까지 9만톤의사용량이예측되고있다. GM safari
모니터링분석 4 와 Chevolet van 같은모델의 step assist 부품등에적용되고있다. 폴리카보네이트를이용한자동차유리창 (glazing) 의성형 현재 PC 수지를이용한 glazing 제조기술이개발되는단계에있으며 Opel사에서선보이고있는일체형 panorama loop같은기술개발이대표적이다. 3. 사출성형시스템의새로운전개 사출성형의자동차부품에의적용은지속적으로확대되고있으며사출성형시스템도나날이개선되고있다. 차세대사출성형제조기술의전개를위해서는일차적으로고성능사출성형기의개발이진행되고있으며다음으로고부가가치 복합사출성형기술도진행되고있다. 이와함께혁신적인재료개발, 혁신적프로세스도이루어져이를통합시키는시스템개발이이루어지고있으며이를통해앞으로자동차부품의혁신적제품생산이추진될것이다. 4. 자동차용사출성형기의특징과경향 자동차의내장, 외장 외판용사출성형에있어형체력 500톤급은중형, 1,500톤까지는대형, 3,000~3,500톤까지는초대형사출성형기로분류된다. 예외적으로구미에서는초극대형에속하는 8,000톤급도개발사용되고있다. 유수의사출성형기메이커들은대부분중형 ~ 대형사출성형기의제조라인 업을이루고있다. 각사의사출성형기개발의특징과경향을보면환경부하절감과비용절감을위한전자동화를통한성에너지화, 설계변경을통한성스페이스화, high cycle화에의한생산성향상, 설비투자비절감, 성형안정성, 고부가가치성형기술개발등에초점을맞추고있다.
모니터링분석 5 5. K2007 전시회를통해본사출성형기술과성형품사례 Engel사는혁신적사출성형프로세스인 Ejection 을개발출시했는데이사출성형기는수평축에수직으로금형 cavity를탑재시켜사출후 cavity가수직방향으로작동하게한성형기로, 길이가긴 profile( 이형단면 ) 성형을가능하게했다. Hybrid Composite Products사및 Ingenieurburo Steiner사, Engel사가공동개발했다. Engel사가 system supplier인 Johnson Coutrols사, 원료메이커인 BASF, 금형메이커인 Georg Kaufmann Formenbau사와공동개발한 Dolphin Process 를출시, 사출성형과 MuCell 미발포성형을조합한새로운사출성형방법이다. Krauss-Maffei사의 SkinForm 프로세스 는사출성형과폴리우레탄 (PUR) 프로세스를통합한프로세스로이설비는자동차도아의 interior trim 등과같은부품에응용, 적용되고있다. 이외에도신기술을적용한다양한설비들이출시되었다. Engel 사의 fluidmelt 와 combimelt 의 복합화프로세스,Krauss-Maffei사의 Cover Form 프로세스, Batterfeld사의가스사출성형인 Airwould 프로세스, 수 ( 水 ) 사출성형인 Aquamould 프로세스, Husky 사의스페이스절약형성형기 Quadloc Tandem Index System, In-line Compounding System 등유수의재료메이커와성형설비메이커들이단독개발또는공동개발한신기술들을전시하여차체의경량화및비용절감을도모하고이를통해연료소비절감과 CO 2 배출절감을위한노력을계속하고있다. 출처 : 坂上守, 自動車分野にみる最近の射出成形技術動向, プラスチックス( 日本 ), 59(5), 2010, pp.18~28
모니터링분석 6 전문가제언 1966년도에미캘리포니아주의자동차배출가스규제법이만들어진이후로 1975년에는이규제법이미국전역으로확대되었고 1980년대에들어서서는사람에게는무해한 CO 2 에대한총량규제가예고되는등 CO 2 배출문제가자동차산업에막대한영향을주게된것이현실이다. 이에더하여지금은보다근본적인문제인지구온난화관련이산화탄소발생감소대책, 더나아가지구환경보호차원에서의환경대책까지대두되어미래자동차산업에대한장기적이고도근본적인대책이강구되어야할시점임은분명하다. 그동안전세계의자동차업계는이러한문제점을극복하기위하여자체적으로차량의소형화, 경량화, 주행저항저감, 초저연비구현, 고효율동력장치개발등다각적인노력을경주하여왔다. 자동차를구성하는 3대재료의하나인플라스틱업계도사출성형업계와함께자동차업계가당면한기술적인문제를해결하기위하여공동노력을기울이고있다. 고효율동력장치나연료전지전기자동차같은미래형친환경자동차의개발같은수지업계이외의기술개발은별도로하더라도플라스틱분야도신소재의개발, 새로운성형가공기술의개발을통하여미래형친환경자동차를개발하는데핵심적역할을담당하여야한다. 우리나라자동차산업도자동차생산기술은상당한수준에올라세계적경쟁력을갖추고있지만기초공통기술분야에서한차원높은기술개발이이루어져야하고더나아가서프로세스개발같은응용기술개발이나양산시스템개발에더관심을가지고관련분야가서로협력하여기술개발의시너지효과를높여야할것이다.