경량화와 이종간의 접합기술

경량화와 이종간의 접합기술로 섬유강화 플라스틱을 이용한 복합구조로 경량구조의 장점을 뛰어넘다. 우주 항공, 포장, 운송 등 움직이는 부품에서 경량 구조의 필요성을 새삼 강조할 필요는 없다. 그렇다면 섬유강화 플라스틱을 이용한 복합 구조가 그 정점을 뛰어넘는 대안이 될까?

공학박사 노베르트 벨만: EFB(유럽판재가공협회) 회장

항공기 엔지니어링에서 그리고 지난 30년의 자동차 엔지니어링에서 강력하게 추진된, 이른바 경량구조 트렌드가 계속해서 이어지고 있다. 수많은 부품 제조사들, 무엇보다 자동차 제조사들은 상대적으로 고가인 섬유 강화 플라스틱 사용이 어디까지 추진되고 또 추진되어야 하는지 이런 문제에 관심이 많을 수밖에 없다. 하지만 정치적으로 환경 친화성에 문제가 많은 플라스틱의 기본적인 리스크에 대한 첨예한 논의도 활발하다. 따라서 경량화의 장점이 경제적으로 정당한 이유가 될 수 있을까?

무게는 가속과 감속을 포함하여 일정하게 움직이지 않는 곳에서 문제가 발생한다. 전기자동차나 하이브리드자동차가 모터를 사용하면서 제동 에너지의 일부를 배터리에 저장하지만 도심에서 교통흐름이 좋아진다면, 무게는 에너지 측면에서 실질적으로 별다른 역할을 하지 않는다. 장거리 주행에서도 마찬가지이다. 항공기의 경우에는 이러한 에너지세이브가 간단한 문제는 아니다.

OEM 관점에서 분 디지털화의 핵심 요소

경량 구조가 자동차 엔지니어링에서만 중요한 역할을 하는 것이 아니다

프로세스 시뮬레이션에서 필수적인 소프트웨어 모듈

하지만 이게 전부는 아니다. 자동차 드라이빙은 민첩성을 통해 즐거움을 만들어야 하고 안전이 최우선이다. 따라서 무게는 여전히 중요한 역할을 한다. 우주 항공, 포장, 운송, 건설, 기계 등 움직이는 부품과 시스템 및 설비에서 경량구조의 필요성에 대한 의문의 여지는 없다. 시스템과 설비에서는 사이클 타임과 힘 그리고 모멘트를 줄어야 한다. 핸들링이 관건인 경우, 작업 안전과 하중 취급이 중요한 역할을 한다. 일반 가정에서는 주방이나 다른 공간에서 가벼운 공구와 작업 수단이 사용하기에 더 편리하고 우수한 제품에 속해 심미적 특성과 품질도 중요하다. 머지 않아 섬유강화 플라스틱과 관련하여 지속 가능성과 환경 친화성이 새로운 이슈가 될 것이다. 지속 가능한 리사이클링 능력은 아직 개발 초기 단계이며 대중과 정책의 민감성은 확실히 더 커질 것으로 예상된다.

현재 EFB(유럽판재가공협회)에서 진행되고 있는 150개 이상의 프로젝트에서 가까운 미래에 매우 중요한 문제들과 아이디어들을 보여주게 될 것이다. 독일의 기술진보 관련업체들이 여기에 참여하여 전문가 그룹을 형성하고 집중적으로 협력하고 있다. 이 프로젝트들은 판재 및 플라스틱 기반 재료를 갖는 복합재료를 포함하여 하이브리드 구조의 가공을 위한 생산공정의 실제와 가상 세계를 다루고, 절단, 성형, 접합을 위한 기계와 공구 및 시스템 주제를 다루고 있다.

 

현재 연구 초점이 이동하고 있다

로봇 지원 공구 제작

한 때, 주제의 중심이 신소재와 물질 혼합, 즉 하이브리드 구조에 있었다. 이와 관련하여 절단 기술에서 성형, 구성품 접합기술, 콤포넌트 제조에 이르는 가공 이해에 대한 기본적인 대안들이 있었다. 하지만 주제의 무게중심이 이동하고 있다. 항공기 엔지니어링을 제외하더라도 고강도 및 열성형강과 알루미늄이 중요해졌고 미래의 수요도 점차 증가하고 있다. 이제 주제의 중심은 경량구조와 제조 프로세스의 생산성이 되었다.

현재 새로운 프로젝트 아이디어는 여러 가지 카테고리로 나눌 수 있고, 대부분의 주제 설정이 여러 분야에 동시에 분포되어, 주제를 분류함에 있어서도 이중삼중의 언급이 있을 수 있다. 프로젝트 주제 50% 이상이 경량구조와 관련되어 있고, 프로젝트의 절반 이상이 철강의 개선을 다루고 있으며 프레스 경화가 더욱 중요해지고 있다. 대부분의 프로젝트에서 프레스, 공구, 접합 시스템이 큰 역할을 하고 있다. 프로젝트의 30% 정도는 가상 방법, 재료 모델, 특성값을 고려하고 개발하고 있다.

현재 상위 주제 트렌드에 대한 EFB의 로드맵에 따르면 모든 프로젝트들은 다음 세 가지 개발 방향으로 분류할 수 있다.

■ 판재 가공에서 기능 확대와 통합 (45%);

■ 디지털화, 지능적인 생산 프로세스, 인더스트리 4.0 (37%);

■ 집중적인 하이브리드 경량 구조 (18);

기능 확대 영역의 개발 과제들은 하이브리드 프레스, 내부 고압 성형(internal high pressure forming)을 이용한 중공 샤프트 생산, 7000 알루미늄 플레이트 성형을 위한 특수 공구 코팅을 다루고 있다. 또한 내부 고압 프로세스에 프리업세팅(pre-upsetting) 작동을 포함하는 프레스 경화도 중요하며, 열 성형도 딥드로잉 공구의 온도 조절을 통해 오스테나이트 안정성을 적합하게 설정하는 것과 관련하여 적용 분야에 속한다. 프리펀칭에서 에지 손상 축소, 철강의 재료 성능을 향상을 위한 합금 구성 요소 확산 제어, 성형 기술적 접합부의 전기적 접촉, 복합적으로 응력을 받는 연결부의 하중 지지 거동, 프레스에서 고속 전단 조건, 변온 공구(variotherm tool), 레이저 에지 피니싱, 성형 프레스를 위한 적층 가공 등 기능, 실현 가능성, 생산 프로세스의 생산성을 높이는 것을 목적이다.

 

디지털화가 프로세스를 추진한다

열악한 인체공학적 조건에서 로봇이 지원하는 기계적 콤포넌트의 수동 접합

디지털화를 통해 가공 프로세스에 대한 완전히 새로운 조건과 새로운 가능성이 생겼다. 지난 2년 동안 이 주제 범위와 지능적 생산 프로세스를 다루는 프로세스 주제들은 크게 증가하였다. 여기에서 반제품, 시스템, 프레스 및 작동의 특성화, 분석의 문제 설정이 중심이 되었다. 결국 사전 계획과 효율 산출이 가능해야 한다. 얼마만큼 지능적 예측 모델을 사용할 수 있고 어떻게 민감도를 고려해야 하는 것인가? 코일에서 시작하여 블랭크 절단, 판금 성형, 접합 기술에 이르기까지 전체 가치창출 체인의 연속적인 디지털 모델의 기본적인 개발을 다루고 있다. 중요한 매개변수를 프로세스에서 어떻게 산출하고 계속해서 처리할 수 있을까? 전통적으로 제어에 사용되지 않은 중요한 매개변수가 있는가? 가상의 계획과 생산을 연결하기 위해 효율적인 모델과 솔루션을 개발해야 하며, 여기에서 시험 실시와 품질 보장이 특별한 도전이 되고 있다. 로봇 지원 공구제작, 어댑트로닉 성형 공구, 로봇 지원 접합기술, 판재 가공에 있어서 증강 현실과 블록체인 주제도 다룬다. 데이터와 정보를 새로운 방식으로 처리하고 사용해야 하기 때문이다. 어떤 데이터를 어떻게 기록하고 보관해야 하는지도 중요하다. 먼저 모든 데이터를 기록하고 보관할 것인지 아니면 유용하게 사용할 합리적인 알고리즘을 갖고 있는 데이터만 기록하고 보관할 것인지를 결정해야 한다.

비단 자동차 엔지니어링뿐만 아니라 모든 산업 분야에서 효율적이고 효과적이며 경제적으로 가공할 수 있는 지속 가능한 재료 솔루션이 필요하다. 집중적인 하이브리드 경량(복합) 구조의 중심은 다양한 재료와 이종간의 연결에 있다. EFB는 금속 재료와 플라스틱 기반 섬유강화 재료의 접합을 연구하고 있다.

 

경제적 접합을 고려한 집중적인 하이브리드 경량 구조

과거에는 재료의 특성 전체를 조사하였다. 하지만 현재은 다른 재료와 접합 솔루션의 안전하고 경제적인 연결 문제에 집중한다. 연결 특성을 강화하고 부식 진행을 방지하기 위해 인접 재료의 표면과 적합 방법에 초점을 맞추고 있다. 기능적으로 완벽한 재료 결합을 위해, 그리고 효율적인 생산을 위해 재료를 구조적으로 어떻게 취급해야 할까? 이와 관련하여 대량 생산에 적합한 솔루션이 있다면, 시장에서 이러한 재료 솔루션들이 경쟁적으로 증가할 수 있다.