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[기술특집]자동차의 경량화를 가속시키는 DSM의 솔루션 ‘ForTii Ace’

입력 : 2020.04.27 11:22

[How to Guide 웨비나] 실제 산업현장에서 활용되는 RFID는 어떤 것이 있을까요? (8월 21일)
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[첨단 헬로티]


류 신타로(龍 信太郞) DSM재팬엔지니어링플라스틱(주)


DSM의 개요



DSM(이하 동사)은 영양, 건강, 지속 가능한 생활 분야에서 의욕적으로 사업을 전개하는 목적주도형 글로벌 기업이다. 모든 사람들의 생활을 풍요롭게 하는 것을 기업으로서 지향하고 있으며, 라이프 사이언스와 머티리얼 사이언스 분야에서 자사의 제품과 솔루션을 구사해 세계에서 가장 중대한 과제 해결에 대응하고 있다.


엔지니어링 플라스틱(이하 엔플라) 사업은 머티리얼 사이언스 분야의 중핵 사업으로 자리매김되어 있다. 원재료로부터 엔드 유저에게 최종 제품이 넘어가기까지의 밸류 체인을 이해한 후에, 폭넓은 제품 라인업과 솔루션을 제공하고 있는 것이 특징이다(그림 1).


동사는 고내열 폴리머를 중심으로, 제품 포토폴리오를 전개시키고 있다. 동사가 개발한 제품으로 4개의 탄소 직쇄 폴리머로 구성되는 PA4T, PA46, PA410 등의 소재가 있다. 이들은 엔플라의 대표적인 소재로서 알려진 PA66을 내열성, 내약품성, 강도의 면에서 크게 능가하는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(이하 슈퍼엔플라)로서 자리매김되어 있다.


최근 자동차 용도에서 내열성, 내유성 등의 특성에 더해, 그 경량성에서 폴리아미드의 수요가 증가하고 있다. 라디에이터 탱크, 캐니스터, 엔진커버 등의 부품에 폴리아미드가 사용되는 예가 증가. 이외에도 엔진룸 내에서 금속을 대신해 폴리아미드를 채용하는 움직임이 날마다 증가하고 있다. 


그 중에서도 동사 독자의 PA4T 기술을 이용한 최신 제품 ‘ForTii Ace’는 폴리머의 새로운 시장 획득을 목표로 한 제품이라고 할 수 있다. 자동차용 전자 부품에 사용하거나, 자동차용 부품의 금속을 대체할 수 있는 소재로서 주목받고 있다.


자동차 업계의 움직임


자동차 업계에서는 세계적으로 CO2의 배출 규제를 도입하는 움직임이 강해지고 있다. 예를 들면 EU에서는 자동차의 CO2 배출량을, 2015년의 1km당 130g에서 2021년에는 1km당 95g까지 삭감하는 규제가 도입되어 있다. 


또한 2018년에는 배출량을 2025년에 2021년 대비 15% 삭감한 85g까지 줄이고, 2030년에는 마찬가지로 2021년 대비 30% 삭감한 67g까지 줄인다는 야심찬 규제가 정해졌다(그림 2).



2015년에는 130g이었던 규제값이 2030년에는 67g이 된다. 즉, 자동차 메이커는 2030년에 실제로 2015년 대비 48.5%의 배출 삭감을 실현시켜야 하는 것이다. 더구나 달성을 못한 경우에는 1g에 대해 2유로의 페널티가 과해진다. 가령 1g을 달성하지 못한 자동차를 1,000만대 판매하면, 2,000만유로로 약 270억원 상당의 페널티가 발행하게 된다.


이 48.5%의 CO2 배출 삭감을 실현하기 위해서는 실제 어느 정도의 중량을 줄이면 좋을까. 이것은 평균적인 승용차에서 약 200kg를 줄일 필요가 있다고도 시산되고 있다.


또한 중국에서는 당국이 전기자동차, 플러그인 하이브리드차, 연료전지차를 ‘신 에너지차’라고 정의하고, 연간 3만대 이상을 생산하는 자동차 메이커 각사에 대해 2019년 이후는 신 에너지차를 일정 비율로 의무적으로 생산․판매하도록 새로운 규제를 공표했다. 이것은 신 에너지차의 도입을 촉진시키는 것에 의해 심각한 대기오염 문제의 해결을 지향하고 있기 때문이다.


자동차의 경량화 요구


이러한 세계적인 비즈니스 환경의 변화를 배경으로, 자동차 업계에서는 연비 향상과 그것을 실현하기 위한 경량화 요구가 일찍이 전례에 없을 정도로 높아지고 있다. 그리고 현재 자동차 업계의 요구를 받아 많은 소재 메이커가 경량화가 기대되는 자동차 부품에 채용하는 것을 목표로, 슈퍼엔플라 제품의 시장 투입을 가속시키고 있다. 


지금까지 내구성, 코스트면에서 금속 재료가 채용되어 온 부품에 대해서도 자동차에 요구되는 경량화를 배경으로, 플라스틱 소재가 주목받고 있기 때문이다. 슈퍼엔플라의 자동차 부품에 대한 응용 예로서 알루미늄합금 등의 금속 재료가 사용되어 온 엔진커버 등의 부품에 채용한 것을 들 수 있다. 


이러한 금속을 대체하는 움직임은 앞으로 더욱 확대될 것으로 전망되고 있으며, 구조 부재에 활용하는 움직임도 가속될 것으로 보여지고 있다.


자동차의 중량은 과거 몇 십 년 간, 계속 증가해 왔다. 이것은 주로 안전 기능과 정보기기의 탑재량이 증가한 것에 의한다. 전기자동차를 비롯한 새로운 파워트레인에 의한 새로운 에너지차에서도 중량은 큰 문제이다. CO2 배출 규제 강화의 트렌드에 더해, 전자기기 탑재량의 대폭적인 증가에 의한 중량 증가도 자동차의 경량화 요구를 뒷받침하고 있다. 


예전에 강판에서 알루미늄으로 시프트가 추진됨에 따라, 자동차의 중량은 1/3으로 경량화됐다. 그리고 현재 더욱 경량화를 추진하기 위해 동사에서는 알루미늄 다이캐스트 부품을 엔플라로 전환하는 것을 제안하고 있다. 



금속을 가능한 한 수지로 전환하면, 이론 상 최대 50%의 경량화가 가능해진다. 연비 규제를 만족시키는 경량화를 실현하기 위해서는 라디에이터 탱크, 캐니스터, 엔진커버 등의 구조 부품에 금속이 아니라 엔플라를 사용하는 것도 생각해야 한다고 할 수 있을 것이다(그림 3).


금속 대체 솔루션 ForTii Ace


당사의 최신 제품 ‘ForTii Ace MX53T’는 이러한 자동차의 경량화에 포커스한 제품이다. 동사의 독자 기술인 PA4T를 베이스로 만들어진 동 제품은 금속 대체 요구에 대응하려고 개발됐다. 


그 최대의 특징으로서 높은 유리 전이 온도를 들 수 있다. 예를 들면 PA66의 유리 전이 온도는 70℃ 정도인데, 동 제품의 경우는 최대 150℃까지 강성이나 강도에 쇠약이 없고, 금속과 동일한 조건에서 사용할 수 있다(그림 4). 



동시에 동 제품은 사용 가능한 온도 범위가 –35℃에서 150℃까지로 넓다. 일반적으로 고내열 폴리아미드는 종종 실온이나 저온 부근에서 이용이 어려운 경우가 있는데, 동 제품은 이러한 온도 환경 하에서도 기계특성을 유지하는 것이 큰 특징이다.


구조부의 대표적인 애플리케이션으로서 EPS 하우징, 엔진커버, 엔진마운트 등을 들 수 있다. EPS 하우징은 안전 부품으로, 저온에서 120℃까지의 고온이 된다. 


또한 엔진커버는 NVH 성능을 보증하기 위해 고온의 강성이 필요. 엔진마운트에는 –35℃에서 150℃까지의 온도역이 요구되며, 강성과 강도가 필요해진다. 동 제품은 넓은 온도역에 대응할 수 있기 때문에 이러한 애플리케이션에 최적인 소재라고 할 수 있을 것이다.


알루미늄 다이캐스트와의 비교


ForTii Ace MX53T는 알루미늄의 안정 성능에 가까운 물질특성을 가지고 있다. 최대 150℃까지 강성이나 강도에 쇠약이 없고, 열악한 환경 조건(노상 살포염, 트랜스미션 오일 등)에 의한 열화도 없다. 그렇기 때문에 최대 150℃까지 금속과 동일한 설계 어프로치가 가능해진다. 알루미늄 다이캐스트와 비교하면 동 제품의 특성으로서 다음의 점을 들 수 있다.


① 사출성형에 의한 성형 용이성.

② 높은 제조 효율, 양산 용이성.

③ 50%의 중량 삭감.

④ 10~30%의 부품 제조 코스트 저감.

⑤ 설계의 높은 자유도.

⑥ 150℃까지의 안정된 부품 성능.

⑦ 120℃에서 알루미늄 다이캐스트와 동일한 비강도(그림 5).



⑧ 높은 제동특성 (NVH).

⑨ 노상 살포염, 쿨런트, 산, 오일 등에 대한 내부식성.


PA66과의 비교


ForTii Ace MX53T는 PA66과의 비교에서도 다음과 같이 우수한 특성을 나타내고 있다.


① 80~150℃의 모든 온도역에서 부품 성능이 최대 40% 향상.

② 최고 150℃까지의 안정된 부품 성능.

③ 보다 높은 유리 전이 온도(PA66의 70℃에 비해 동 제품은 150℃).

④ 노상 살포염, 트랜스미션 오일, 쿨런트 등에 대한 내약품성 향상. 이것에 의해 보다 열악한 환경 하의 사용이 가능.

⑤ 고온 시의 대크리프성의 향상. 120℃에서 4배 낮은 크리프.

⑥ 흡습률의 저감. 


고온 환경 하에서 흡습률이 보다 낮고 느리다. 100℃, 100%RH에서 PA66(GF50)의 흡습률이 균형 시 4.4%인 것에 대해, 동 제품은 2.7%로 낮다(그림 6).



보다 높은 유리 전이 온도와 낮고 느린 흡습에 의해, 보다 안정된 기계특성을 실현하고 있다. 그렇기 때문에 PA66으로는 대응할 수 없었던 애플리케이션에도 적용이 가능하다.


다른 PPA와의 비교


ForTii Ace MX53T는 다른 PPA와 비교해 고온 시에서도 강고한 부품 성능을 유지하며, 또한 저온 시에서도 다른 PPA의 성능을 상회한다. 다음은 PA6T와의 비교이다.


① 실온(RT) ALC 120℃의 온도 환경 하에서, 부품 성능이 최대 40% 개선.

② 내약품성의 향상.

③ 표면 품질(접동성, 밀폐성)의 향상.

④ 보다 높은 유리 전이 온도(150℃).


ForTii Ace MX53T의 도입에 있어서는 소재 데이터와 CAE에 의한 서포트도 동사에서 제공된다. 부품 설계자가 새로운 소재를 검토하는 경우, 섬유배향 효과를 고려한 이방성 응력-변형 데이터나 기계특성의 온도 의존, 습기의 영향, 크리프 등의 장기 재료 데이터가 필요하다. 이러한 데이터에 더해, CAE에 의한 서포트에 의해 신뢰성 높은 데이터를 취득할 수 있다.


자동차 산업은 지금 가장 다이내믹한 전환기에 있다. 산업의 큰 과제인 경량화 요구에 대해, 동사의 최신 제품 ForTii Ace MX53T가 어떻게 공헌할 수 있을지를 지금까지 설명해 왔다. 경량화를 실현하는 솔루션으로서 널리 알려지길 바란다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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