자동차 산업에서 연비 향상과 CO2 배출량 감소에 대한 요구가 높아지면서, 자동차 부품의 경량화 기술이 주목받고 있습니다. 경량화는 차량의 무게를 줄여 에너지 효율성을 높이고, 주행 성능을 개선하는 효과를 가져옵니다. 이 글에서는 자동차 부품의 경량화를 실현하기 위한 설계 방법과 소재 선택 전략에 대해 살펴보겠습니다.
자동차 부품의 경량화를 위해서는 설계 단계에서부터 최적화가 이루어져야 합니다. CAE(Computer-Aided Engineering) 기술을 활용한 구조 해석과 최적화 설계가 핵심적인 역할을 합니다. 유한요소해석(FEA)을 통해 부품의 응력 분포와 변형을 예측하고, 불필요한 재료를 제거하거나 형상을 최적화함으로써 경량화를 실현할 수 있습니다. 위상 최적화(Topology Optimization) 기법은 주어진 하중 조건에서 최적의 재료 분포를 도출하여, 강도를 유지하면서도 무게를 최소화할 수 있게 해줍니다.
경량화를 위해서는 설계 최적화와 함께 적절한 소재 선택이 필수적입니다. 기존의 철강 소재를 대체하여 알루미늄, 마그네슘, 플라스틱, 복합재 등의 경량 소재를 적용하는 것이 대표적인 방법입니다. 알루미늄은 철강 대비 약 1/3 수준의 밀도를 가지면서도 우수한 강도와 내식성을 갖춰, 차체와 섀시 부품에 널리 사용됩니다. 마그네슘은 알루미늄보다도 가벼운 소재로, 주로 인테리어 부품이나 휠 등에 적용됩니다. 플라스틱과 복합재는 금속 소재에 비해 월등한 경량성을 제공하며, 외장 패널이나 내장재 등에 활용됩니다.
최근에는 다중 소재를 혼용하여 부품을 설계하는 방식이 주목받고 있습니다. 다중 소재 혼용 설계(Multi-Material Design)는 부품의 특성에 따라 서로 다른 소재를 전략적으로 조합하여 경량화와 성능 향상을 동시에 추구하는 기법입니다. 예를 들어, 알루미늄 합금으로 프레임을 구성하고, 고강도 강판으로 충돌 부위를 보강하며, 플라스틱으로 외장 패널을 제작하는 식입니다. 이를 통해 각 소재의 장점을 극대화하고 단점을 보완할 수 있습니다. 다중 소재 혼용 설계는 접합 기술의 발전과 함께 더욱 활발히 적용될 것으로 기대됩니다.
3D 프린팅 기술의 발전은 자동차 부품의 경량화에 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 3D 프린팅을 통해 기존 제조 방식으로는 구현하기 어려웠던 복잡한 형상과 내부 구조를 자유롭게 설계할 수 있게 되었습니다. 이는 부품의 무게를 줄이면서도 강도와 기능성을 높이는 데 기여합니다. 또한 3D 프린팅은 다중 소재 혼용 설계를 보다 용이하게 구현할 수 있는 방안이 될 수 있습니다. 금속과 플라스틱 등 서로 다른 소재를 한 부품 내에서 선택적으로 적용하는 것이 가능해지기 때문입니다.
자동차 부품의 경량화는 단순히 소재를 바꾸는 것에 그치지 않고, 설계 최적화, 소재 선택, 제조 공정 혁신 등을 아우르는 총체적인 접근이 필요합니다. 경량화 기술의 발전은 자동차의 에너지 효율성과 주행 성능을 한층 높일 것이며, 환경 문제 해결에도 기여할 수 있을 것입니다.
설계 엔지니어들은 경량화 트렌드에 발맞추어 창의적이고 혁신적인 솔루션을 제시해 나가야 할 것입니다.
포드는 2015년형 F-150 픽업트럭에 알루미늄 차체를 적용하여 큰 주목을 받았습니다. 기존 모델의 철강 차체를 알루미늄으로 대체함으로써 차체 무게를 약 700파운드(318kg) 가량 줄일 수 있었습니다. 이는 연비 향상과 함께 적재 능력 향상에도 기여했습니다. 또한, 알루미늄의 적용으로 인해 안전성도 강화되었습니다. F-150은 전미 도로교통안전국(NHTSA)으로부터 최고 안전 등급인 5스타를 획득했습니다. 포드는 알루미늄 소재 적용 범위를 지속적으로 확대하고 있으며, 이는 자동차 산업 전반에 영향을 미치고 있습니다.
BMW는 전기차 모델인 i3에 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 차체 소재로 사용하였습니다. 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)은 탄소섬유를 플라스틱 기지(matrix)에 함침시킨 복합재료로, 강철보다 훨씬 가벼우면서도 높은 강도와 강성을 갖습니다. i3의 CFRP 차체는 알루미늄 프레임과 결합되어, 차량 중량을 크게 줄이는 동시에 안전성을 확보할 수 있었습니다. BMW는 i3의 성공을 바탕으로 CFRP 적용을 다른 차종으로 확대하고 있습니다.
현대자동차는 2021년 출시한 투싼 NX4에 다중 소재 혼용 설계를 적용하였습니다. 차체에 초고장력강, 알루미늄, 플라스틱 등 다양한 소재를 전략적으로 배치하여 경량화와 강성 향상을 실현했습니다. 특히 후드와 테일게이트에 알루미늄을 적용하고, 충돌 안전성이 중요한 부위에는 초고장력강을 사용하였습니다. 이를 통해 차체 무게를 줄이면서도 안전성과 주행 성능을 개선할 수 있었습니다.
포르쉐는 3D 프린팅 기술을 활용하여 911 GT2 RS의 피스톤을 제작하였습니다. 3D 프린팅으로 제작된 피스톤은 기존 제품 대비 10% 가량 가벼우면서도 강도는 20% 이상 높았습니다. 포르쉐는 3D 프린팅 피스톤의 성능을 입증하고, 양산 적용 가능성을 타진하고 있습니다. 3D 프린팅 기술은 복잡한 형상의 경량화 부품을 보다 쉽게 제작할 수 있게 해줄 것으로 기대됩니다.
이처럼 자동차 제조사들은 경량화를 위해 다양한 소재와 기술을 적극 활용하고 있습니다. 알루미늄, 복합재료 등 경량 소재의 적용 범위가 확대되고 있으며, 다중 소재 혼용 설계를 통해 최적의 조합을 추구하고 있습니다. 또한 3D 프린팅과 같은 혁신 기술을 통해 새로운 경량화 솔루션을 모색하고 있습니다. 경량화는 단순히 소재 대체를 넘어, 설계 최적화와 제조 혁신을 아우르는 종합적인 접근으로 이루어지고 있음을 알 수 있습니다.
