제조 공정으로 자동차 경량화를 달성하는 방법

자동차 경량화는 내연기관 차량의 연비를 높이고 전기자동차(EV)의 주행 거리를 늘리는 데 필수적입니다. 차량 중량을 10% 줄이면 연비를 6-8% 개선하고 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다. ^[1]. 연료 사용량 감소는 배출량 감소를 의미하며, 이는 환경 지속 가능성에도 큰 도움이 됩니다.

자동차를 경량화하면 연비와 주행 거리 개선 외에도 제동, 핸들링, 가속 등의 성능이 크게 향상될 수 있습니다. 또한 경량 제조는 서스펜션, 브레이크, 타이어에 가해지는 부담을 줄여 마모와 파손을 줄여줍니다. 장기적인 결과는 이러한 부품의 수명이 길어지고 유지보수가 더 적게 필요하다는 것입니다.

그렇다면 제조업체는 어떻게 자동차 부품을 더 가볍게 만들 수 있을까요? 단순히 기존 소재를 경량 대체재로 교체하는 것으로 목표를 달성할 수 있을까요, 아니면 자동차 부품 설계 방식을 다시 생각해야 할까요?

경량 제조에 대한 “초보자 신화'를 파헤치다

자동차 부품 경량화와 관련된 많은 오해가 있습니다. 한 학설에 따르면 경량화는 소재 선택을 통해 달성할 수 있다고 합니다. 즉, 더 가벼운 소재로 바꾸기만 하면 자동차를 더 가볍게 만들 수 있다는 것입니다.

이러한 오해에 기반하여 제조 프로세스를 다음과 같이 보고 있습니다. 자동차 사출 성형, 툴링및 CNC 가공 단순히 정해진 청사진을 따르는 “일꾼'의 역할만 하는 것으로 간주합니다. 두 번째 학설은 더 가벼운 소재를 사용하면 안전성이 저하된다는 것입니다. 차량 경량화에 대한 이 두 가지 학설은 모두 사실이 아닙니다.

실제로 최신 복합 소재는 더 나은 충돌 안전성을 제공하는 것으로 나타났습니다. ^[2]. 기존 자동차에 사용되는 금속에 비해 충격 에너지를 흡수하는 데 더 효과적입니다.

사출성형을 이용한 자동차 경량화 제조

소재 선택이 경량화에 중요한 역할을 한다는 것은 의심할 여지가 없습니다. 그러나 다음과 같이 설계 최적화와 혁신적인 제조 방식을 통해 무게를 늘리지 않고도 최적의 강도와 형태를 거의 완벽하게 달성할 수 있습니다:

1. 재료 사용을 줄이기 위한 섹션 속을 비우기

부피가 큰 부품은 내부 섹션이 비어 있도록 만들 수 있습니다. 이 빈 공간은 일반적으로 가스 보조 사출 성형 또는 발포. 예를 들어 물리적 발포에서는 질소 가스 또는 이산화탄소가 용융된 플라스틱에 주입됩니다. 가스는 금형에서 용융된 플라스틱의 팽창을 일으킵니다. 용융된 플라스틱은 가스 기포를 가두어 다공성이며 거품과 유사한 내부 구조를 만듭니다.

화학 발포도 자주 사용되며, 수지에 아조디카본아미드(ADC), 중탄산나트륨 또는 구연산과 같은 화학 발포제(CBA)를 첨가하는 방식입니다. 가열하면 CBA가 분해되어 가스를 방출하여 물리적 발포와 동일한 효과를 만들어냅니다. 발포는 단단한 외피와 거품과 같은 코어를 만듭니다. 이를 통해 재료 사용량을 줄이고 치수 안정성을 저해하지 않으면서도 제품을 경량화할 수 있습니다.

2. 리브를 사용하여 얇은 벽 구조 보완하기

자동차 경량화 제조의 또 다른 중요한 관행은 부품의 구조적 무결성을 유지하면서 더 얇은 벽(두께 1mm 미만)의 부품을 만들기 위해 첨단 제조 기술(박벽 사출 성형 및 진공 성형 등)을 사용하는 것입니다.

이 사출 성형 기술은 고압, 빠른 속도(1000mm/s 이상), 첨단 기계를 사용하여 얇은 캐비티를 적절히 채웁니다. 얇은 벽은 일반적으로 다음을 사용하여 지원됩니다. 리브 및 거셋 를 사용하여 이러한 특성이 필요한 곳에 강성과 강도를 제공합니다. 리브는 또한 다음과 같은 결함을 방지할 수 있습니다. 싱크 마크.

3. 여러 부분의 통합

자동차 부품이 여러 부품으로 구성되어 있는 경우, 각 부품을 용접하거나 고정해야 합니다. 용접 또는 체결제는 결국 완성된 부품의 무게를 증가시킵니다. 경량화 제조에서는 너무 복잡한 부품을 재설계하여 단일 사출 성형 공정을 사용하여 더 쉽게 생산할 수 있도록 합니다.

여러 부품을 하나의 몰드 유닛으로 통합하면 리벳이나 볼트와 같은 보조 패스너가 필요하지 않으므로 부품의 무게가 줄어듭니다. 그러나 다음을 만들기 위한 몰드는 스냅핏 디자인 조립 시 추가 패스너가 필요하지 않은 경우, 다음과 같이 추가해야 할 수 있습니다. 리프터 또는 슬라이더, 잠재적으로 비용을 증가시킬 수 있습니다. 자동차 경량화를 위한 부품 통합의 다른 이점은 다음과 같습니다:

• 하나의 연속된 부품으로 구조를 만드는 것은 일반적으로 여러 개의 부품이 결합된 구조에 비해 구조적 무결성이 높기 때문에 접합부에 약점이 생길 수 있습니다.
• 통합을 통해 제조업체는 더 적은 노동력과 비용으로 더 많은 부품을 생산할 수 있습니다.

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CNC 가공을 이용한 자동차 경량화 제조

컴퓨터 수치 제어 가공 또는 CNC 가공은 일반적인 감산 제조 방법 중 하나입니다. 이 제조 공정에서는 사전 프로그래밍된 소프트웨어가 공작 기계를 제어하여 재료 블록(목재, 플라스틱 또는 금속)을 원하는 부품이나 제품으로 정밀하게 절단합니다.

가공 도구의 정밀도가 높기 때문에 이 기술은 복잡한 디자인을 제작하는 데 유용합니다. 또한 높은 수준의 자동화는 인적 오류와 개입을 제거하여 제조업체가 인건비를 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술을 사용하여 제작되는 일반적인 자동차 경량 부품은 다음과 같습니다:

• 전기 자동차 모터 부품 및 냉각 시스템
• 컨트롤 암 및 브래킷을 포함한 섀시 및 서스펜션
• 엔진 블록, 피스톤, 실린더 헤드 및 크랭크 샤프트를 포함한 엔진 부품

CNC 가공이 경량 제조에 중요한 이유 중 하나는 재료의 다양성 때문입니다. 알루미늄, 탄소 섬유, 티타늄 합금, 마그네슘 및 기타 특수 플라스틱을 비롯한 다양한 재료로 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 소재는 무게 대비 강도 비율을 고려하여 선택되는 경우가 많습니다.

최적화된 경량 부품을 제작할 때는 높은 치수 정확도를 유지하는 것이 중요합니다. 치수가 부정확하면 제품 또는 부품의 성능, 기능 또는 구조적 무결성이 손상될 수 있습니다. 5축 기계와 같은 최신 다축 CNC 가공은 복잡한 다차원 부품을 만들 수 있습니다. CNC 가공을 사용하여 달성할 수 있는 고급 경량 제조 설계 수정에는 다음이 포함됩니다:

• 복잡한 중공 또는 내부 채널: 엔진 부품이나 냉각판과 같은 자동차 부품의 속이 빈 부분을 설계할 때 CNC 가공을 사용하면 수작업으로는 사실상 불가능한 방식으로 내부 부품에서 재료를 정밀하게 제거할 수 있습니다. 자동차 경량 부품을 제작할 때 이 기술을 사용하여 강도가 필요하지 않은 부분을 비워 부품의 무게를 줄일 수 있습니다.
• 공차가 엄격한 부품을 만듭니다: CNC 가공은 극한의 정밀도(약 ±0.01mm), 정확도 및 일관성을 달성하는 데 사용할 수 있습니다. 이렇게 정밀도가 높아지면 모든 부품이 완벽하게 맞을 수 있으며, 가능한 가장 얇은 재료 두께를 사용하여 안전성을 높일 수 있습니다.

CNC 가공의 높은 정밀도는 다른 기존 방식에 비해 재료 낭비를 줄이는 방식으로 생산을 최적화합니다. 이는 고성능의 고가 재료를 사용하는 자동차 경량화 제조에 특히 유용합니다.

하이브리드 제조를 이용한 자동차 경량화

하이브리드 제조는 경량 부품을 만들기 위해 서로 다른 제조 기술을 조합하는 것을 설명하는 용어입니다. 예를 들어, CNC 가공(감산형 제조 공정)과 3D 프린팅 (적층 제조 공정)을 사용하여 두 가지 방법으로는 달성하기 어려운 엄격한 공차를 가진 복잡하고 가벼운 부품을 만들 수 있습니다.

3D 프린팅과 CNC 가공을 사용한 하이브리드 제조

하이브리드 제조는 재료 효율성, 디자인 및 마감 처리에서 개별 기술의 상호 보완적인 강점을 활용합니다. 일반적인 하이브리드 경량 제조는 3D 프린팅과 CNC 가공의 강점을 결합합니다.

3D 프린팅은 중공 채널이나 격자와 같이 매우 복잡한 내부 형상을 만드는 데 사용됩니다. 하이브리드 제조는 다른 방법과 비교할 수 없는 수준의 설계 자유도를 제공합니다. 이 적층 제조 공정의 가장 큰 장점은 구조적 무결성을 손상시키지 않으면서 이러한 종류의 복잡한 내부 형상을 제작할 수 있다는 점입니다. 하지만 공차 및 마감 처리 성능이 떨어지는 단점이 있습니다.

따라서 경량 소재를 사용하여 중공 부품을 3D 프린팅한 후 CNC 가공을 통해 후가공을 수행합니다. 원하는 허용 오차 및 극도의 정밀도 (±0.002mm)의 내부 구조와 외부의 매끄러운 표면 마감(Ra0.4μm)이 특징입니다. 3D 프린팅과 CNC 가공을 결합한 하이브리드 경량 제조 공정의 또 다른 이점은 다음과 같습니다:

• 자재 낭비를 크게 줄입니다: 3D 프린팅은 먼저 속이 빈 형태를 만드는 데 사용되며, CNC 가공은 최소한의 재료만 제거하면 되므로 낭비와 비용을 줄일 수 있습니다.
• 생산 주기 단축: 3D 프린팅과 CNC 가공은 자동화할 수 있으므로 두 가지를 결합하면 부품을 수동으로 이동하지 않아도 되므로 제조 공정이 느려질 수 있습니다.
• 생산 프로세스 간소화: 통합 소프트웨어가 두 프로세스를 모두 관리하므로 비효율과 오류를 제거하는 데 도움이 됩니다.

3D 프린팅과 사출 성형을 이용한 하이브리드 경량 제조

3D 프린팅은 특히 복셀필 공정에서 사출 성형과 결합되는 경우가 많습니다. ^[3]. 이 공정은 AIM3D에서 개발하여 특허를 받았습니다. 복셀필 공정은 다음과 같이 2단계 제조 공정을 사용하여 레이어별 3D 프린팅 부품의 Z축과 관련된 약점을 극복합니다:

• 첫 번째 단계는 3D 프린팅을 사용하여 격자 구조를 만드는 것입니다: 벌집을 닮은 구조는 복합 압출 모델링 시스템을 사용하여 3D 프린팅합니다.
• 두 번째 단계는 격자 채우기 또는 복셀 채우기입니다: 압출기는 격자의 내부 구멍에 열가소성 소재를 주입하는 데 사용됩니다. 충전재는 폼이 될 수 있으며 무게를 늘리지 않고 강성과 강도를 높이기 위한 것입니다.

경량 제조의 미래는 다중 재료 설계(MMD)를 중심으로 전개됩니다. MMD는 소재를 전면적으로 대체하는 대신 특정 요구 사항에 가장 적합한 소재를 적재적소에 전략적으로 배치합니다. 예를 들어 높은 충돌 안전성이 필요한 부분에는 고강도 강철을 사용하고, 경량화가 최우선인 외부 패널에는 알루미늄을 사용하는 식입니다.

참조

[1] 미국 에너지 부. (nd). 자동차 및 트럭용 경량 소재. 에너지 효율 및 재생 에너지 사무소.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] 테네시 녹스빌 대학교. (2023년 2월 27일). 박사 과정 학생이 복합재 충돌 안전성을 전례 없이 심도 있게 테스트합니다. 토목 및 환경 공학부. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 10월 24일). 복셀필 프로세스란 무엇인가요? Engineering.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/