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컴포짓 성형을 고도화시키는 기술 개발

입력 : 2018.09.11 13:36

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[첨단 헬로티]

 

동사는 자동차 관련 부품을 중심으로 ‘지구 환경에 친화적’을 테마로 하는 플라스틱(블로 성형) 제품의 제조, 금형·생력기기 설비의 제작·판매를 하고 있다. 고객이 만족할 수 있는 제품과 기능을 제공하기 위해 중소기업이지만 항상 기술 개발을 해 기술제안형 기업을 목표로 하고 있다. 그 일환으로서 경제산업성의 전략적기반기술 고도화지원사업(서포인사업) 등을 이용하고 있다.


이 글에서는 서포인사업에서 채택된 ‘컴포짓 성형을 고도화시킨 신 공법의 개발’에 대해 활동 내용의 일부를 소개한다. 지금까지도 컴포짓 성형이라는 공법은 세상에 나와 있었지만, 자동차 부품에 필요한 조립성에 어려움이 있어 좀처럼 보급되지 않았다. 동사는 이러한 약점을 극복한 제품의 개발을 지향했다.


컴포짓 성형의 고도화


1. 기존 기술의 과제

중공체를 일체 성형함으로써 저코스트화가 가능한 블로 성형인데, 최대 과제는 성형품에 박육 편차가 크게 생기는 것이다. 원인으로서 생각되는 것은 2가지이다.


하나는 패리슨 형성 과정의 스웰·드로다운의 영향이다. 스웰은 패리슨의 직경과 살두께가 증대하는 현상이다. 드로다운은 패리슨의 자중에 의해 패리슨이 늘어나는 현상이다. 실제 성형에서는 이 2가지 현상이 혼재해 패리슨이 형성되기 때문에 패리슨 형상이 불균일해지고 성형품 살두께 분포에 크게 영향을 미친다. 또 다른 하나는 패리슨 팽창 과정에서 금형과 패리슨 간에 생기는 슬립 영향을 생각할 수 있다.


복잡 형상의 중공체에서는 그 경향이 현저하게 나타난다. 이들 제품에 대해 살두께를 얇게 하고 경량화를 시도하면, 살두께가 두꺼운 부위는 그다지 변화가 없으며 살두께가 얇은 부위가 보다 얇아지고 살두께의 불균일은 더욱 진전되어, 결과적으로 그곳을 기점으로 깨짐이 발생해 제품으로서 완성되지 못하게 된다.


또한 소재 개발로 눈을 돌리면, 일부 저화학 발포의 중공체 개발 이외에는 일반 그레이드의 열가소성 플라스틱 소재만으로 자동차 부품이 구성되어 있으며, 중공체 분야의 소재 개발은 상당히 늦어져 있는 것이 현 상황이다.


사출성형에서는 블로 성형의 과제인 살두께 분포의 과제는 클리어할 수 있는데, 박육화, 발포화 등에서는 강성이나 디자인성의 문제가 남는다. 또한 금형비가 고액인 점이나 용착 공정이 늘어나기도 하기 때문에 지금의 자동차 메이커로부터 요구받고 있는 코스트 요구에는 도저히 맞지 않는 것이 현 상황이다. 앞으로 일본 국내 수요의 메인이 될 것으로 보이는 다품종 소로트 생산에 대응하는 것은 더 어렵다고 생각된다.


2. 컴포짓 성형

그래서 동사에서는 ①복합 재료를 도입함으로써 열가소성 일반 그레이드의 박육품과 비교해 보다 높은 강성, 내충격성 등을 갖춘 소재를 개발해 대폭적인 질량 감소를 실현하고 자동차의 경량화에 기여한다, ②새로운 플라스틱 중공체 성형 기술을 확립함으로써 제품 살두께 분포의 안정화, 하이사이클화를 실현해, 한층 더 경량화와 저코스트화를 달성한다고 하는 2가지를 목표로 했다. 이에 우리들이 주목한 것이 컴포짓 성형이다(그림 1).


▲ 그림 1. 컴포짓 성형의 개요


컴포짓 성형이란 2장의 시트를 동시에 가열 용융시켜 진공 빼기하고, 동시에 붙이는 공법이다. 동사에서는 이 공법으로 발포 시트를 사용함으로써 80% 이상의 경량화와 단열성, 정숙성을 향상시킨 중공체를 실현하고 있다.


3. 컴포짓 성형 기술의 확립

블로 성형법에서 크게 살두께 편차가 나오는 이유를 조금 더 구체적으로 설명한다.


기존 기술의 과제인 드로다운과 스웰을 해소할 수 있다는 점에서는, 재료 개발 측에서 드로다운을 개선할 수 있는 멜트 플로 레이트에 대해서 연구를 진행하는 동시에 수지의 용융 공정과 패리슨을 사출하는 공정을 나누어 생각, 금형에 안정된 기재를 반송함으로써 개선하는 개념이다.


용융한 수지를 일단 식혀서 안정시키고, 이들을 또한 아닐 처리해 용융하는 흐름이 되기 때문에 로스가 늘어난다고 생각되지만, 이것은 최초의 스텝으로서의 개념이다. 개발이 추진되어 완성도가 높아진 후에는 압출 속도와 프레스·접합·냉각·공정의 사이클을 동기시키고, 압출 후 그 여열로 반송 라인을 가볍게 히팅해 온도를 안정시켜 그대로 프레스 공정에 들어가는 개발도 할 계획이다. 


또 다른 하나의 중요 포인트는 금형에 대한 수지(기재)의 어프로치이다. 그림 2는 금형과 수지가 접촉한 후에 수지가 늘어나는 모습의 상세도이다. 기본적으로 금형은 냉각 효율을 좋게 하기 위해 설정 온도를 보통 24~27℃ 내로 하고 있다. 가열된 패리슨은 금형에 접촉한 순간부터 경화가 시작된다. 당연히 먼저 금형에 접촉한 수지와 내면의 블로 내압에 의해 나중에 접촉한 수지에서는 온도 차이가 생긴다. 그 결과 먼저 경화가 시작되고 있는 수지는 잘 늘어나지 않고, 금형과 접촉하고 있지 않은 수지만이 금형의 안쪽측 부위, 일반적인 블로 성형 용어로는 블로비가 높은 부위로 늘어나게 돼 결과적으로 살두께 편차가 발생한다.


▲ 그림 2. 금형과 수지가 접촉한 후에 수지가 늘어나는 방식


이번의 컴포짓 성형 기술에서 해소해야 할 점은 여기에 있으며, 어떻게 금형에 동일한 타이밍으로 수지(기본재)를 배치할 수 있을지에 착안했다. 구체적인 수단으로서 이하와 같이 생각할 수 있었다(그림 3).


▲ 그림 3. 금형에 대한 수지(기본재) 어프로치


① ‌금형의 형상에 대해 평행·균일 거리에 수지(기본재)를 배치한다.

② ‌블로 내압에 의한 금형에 대한 접촉이 아니라, 금형측에서 진공 빼기를 실시한다.

③ ‌진공 빼기한 직후에 순간적으로 형을 닫고 접합 공정에 들어간다.


보드와 같은 편평한 제품에서는 약간 필요성이 없을지도 모르겠지만, 메인 타깃의 하나인 공조 덕트계는 주변 부품과의 접촉을 피하기 위해 매우 복잡한 3차원 형상을 하고 있는 경우가 많다. 그렇기 때문에 앞에서 말한 금형에 대한 수지(기본재) 어프로치를 하지 않는 한, 살두께 편차의 문제는 해결할 수 없다고 생각했다. 이에 mm 단위로 조정할 수 있는 액추에이터 제어를 도입한 프레스·접합·냉각·공정의 기술을 확립했다.


활동의 효과


1. 경량화의 효과

이번에 발포 소재와 솔리드(HD-PE)의 복합 소재를 사용함으로써 기존품의 중공 덕트에 대해 약 60%의 효과를 얻을 수 있었다(표). 이것으로 자동차 메이커와 직접 거래가 가능해져 2017년 4월부터 양산화, 현재 매일 생산 활동을 하고 있다.


▲ 표. 기존품과 질량 평가


2. 감음 효과

그림 4에 시제작 컴포짓 성형품의 ‘감음 효과’를 나타냈다. 감음 효과는 중공체 부품 속을 바람이 통과하는 제품에 대해서 필요하다. 엔진 흡기 부품의 인렛이라면 흡기음, 공조 덕트라면 에어콘의 취출음에 대해서 시험이 이루어진다. 자동차 메이커는 에어컨을 강풍으로 했을 때의 유닛에서 발생하는 소리를, 공조 덕트 내에서 감음해 차내에 바람이 들어올 때에는 조금이라도 정음이 되어 있는 것을 요구하고 있다. 


▲ 그림 4. 감음 시험의 결과


중공체이므로 소리가 통 속에서 공명해 불쾌한 주파수대로 변하는 경우가 있다. 이번의 컴포짓 성형에서는 발포 재료를 도입함으로써 여러 가지 소재마다 어떠한 특성이 있는지를 평가, 하청 제조업자에게 제안하는 것이 필요하다.


3. 단열 효과

단열에 대한 자동차 메이커의 요구는 결로 방지와 연비 향상의 2가지가 있다. 


결로에 대해서는 수년 전에 도요타자동차의 RAV4에서 에어백의 인디케이터가 점등해 꺼지지 않는 문제가 발생, 당시에 리콜 처리가 된 경우가 있었다. 원인은 덕트가 결로됐을 때에 물방울이 전자 부품 위에 떨어져 이상을 일으킨다는 것이었다. 이러한 경위도 있고, 최근의 공조 덕트는 바깥면에 스폰지 모양의 우레탄을 여러 개 붙여 대응하고 있다. 그러나 붙지 않고 단열이 가능한 방법은 없는가 하는 요망이 해마다 강해지고 있다.


연비 향상은 한여름의 열기 속에 주차되어 있는 자동차를 생각하면 잘 알 수 있다. 차내에 들어와 엔진을 시동 걸면 에어컨이 최대 풍량으로 기동하는데, 좀처럼 식지 않는다. 에어컨 유닛에서 나오고 있는 것은 5℃~의 매우 차가운 바람인데, 차내에 들어오기 전에 덕트의 내외에서 열 영향을 받고 있기 때문에 차내의 온도가 내려가는 데 시간이 걸린다. 그래서 단열 성능이 높은 덕트를 사용하면, 덕트 주변의 영향을 받지 않고 냉풍이 유닛에서 나오기 때문에 에어컨이 최대로 작동하고 있는 시간이 단축되어 결과적으로 연비 향상으로 이어진다. 시제작 컴포짓 성형 덕트와 보통 덕트의 출구측 온도 변화를 그림 5에 나타냈다.


▲ 그림 5. 덕트 출구측 온도 변화의 비교


또한 이 문제에 대해서는 이 연구의 컴포짓 성형 기술을 확립시켜, CFRP 베이스 소재에 대한 단열재의 인서트 성형 기술 검증을 검토 중이다.


앞으로의 전개


현재 복합 소재를 사용한 컴포짓 성형의 고도화 기술은 자동차의 공조 덕트의 채용에 그치고 있다. 그러나 이 공법은 여러 가지 부품에 응용할 수 있다고 생각하며, 앞으로 자동차 메이커에 제안해 가려고 모색 중이다.


일례로서 차외 소음을 경감하는 언더커버에 응용할 수 있다고 생각한다. 현재 블로 성형품으로 자동차 메이커의 성능 스펙을 가장 만족시키고 있지 않은 부품은 엔진 언더커버이다. 차량에 장착하고 있는 상측은 흡음 효과가 필요하고, 전면에 흡음실이라는 퍼스널컴퓨터의 키보드와 같은 것이 약 500 정렬해 있으며, 흡음 효과를 최대로 활용하기 위해서는 박육화가 필요하다. 


한편, 안쪽면은 장착 강도의 문제나 고속 주행에 대응할 수 있도록 제품 강성이 필요하고 판두께를 두껍게 할 필요가 있다. 이 안팎에서 상반하는 박육+살두께의 조합은 현재의 블로 성형에서는 불가능한데, 이번의 컴포짓 성형을 도입함으로써 흡음 효과가 필요한 측을 초박육화할 수 있고 후육재를 사용해 강성이 필요한 측을 고강성화할 수 있으면 경량+고흡음품을 기대할 수 있다. 


카토 하루오 (加藤 晴男)   ㈜엠지몰드


본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.

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