자동차용 합소재의 현황 젂망cbe.snu.ac.kr/sites/cbe.snu.ac.kr/files/board/LectureBoard/20160311... · Composite Materials Market Composite Materials are Estimated to Account

자동차용 복합소재의 현황 및 젂망

핚화첨단소재 대표이사

이 선 석

자동차용 복합소재의 필요성

자동차용 복합소재의 종류 및 특성

자동차용 복합소재의 적용 현황

자동차용 복합소재의 미래 기술

핚화첨단소재 자동차소재 사업 현황

원유 → C3 유붂 → PP → 복합소재 → Bumper/B → Sonata → 나

Up Stream (케미칼/토탈) Down Stream(첨단소재) 현대차

- 합성/붂리/정제 - 압출/사출/Press/Calender

- 순도/수율 - 기능성/성능

- 규모의 경제 - 기술 차별화

석유화학산업의 생태계 Flow

Resins + Fibers - Thermoplastic Resin - Glass Fiber

(PP, PA, ABS, PBT 등) - Carbon Fiber

- Thermoset Resin - Aramid Fiber

(Epoxy, UPE, PU 등) - Natural Fiber

기재(Matrix) 강화재(Reinforcement)

- Resin의 물성, 점도, 성형성 - Fiber의 물성, 길이, 표면처리

Polymer Composite?

복합소재 제조 → 성형품 제조

- 원료 : PP + Fiber - 원료 : SFT/LFT/GMT 등

- 공정 : 함침(Impregnation) - 공정 : 사출/Compression

- 제품 : SFT/LFT/GMT 등 - 제품 : Bumper Beam/Seat Back

계면 접착력 향상 성능 만족, 표면 품질

- PP 개질 (MI, Grafting) - Fiber의 붂포, 배향

- Fiber 표면 처리 - 제품 디자인 (구조)

- Coupling Agent - 성형 조건 (온도, 압력)

PP 복합소재의 제품화 Flow

연비 향상 및 CO2 배출량 규제 강화에 따른 차량의 경량화 요구 증가

젂기자동차의 확산 – 배터리 성능의 핚계

소재가격과 경량화 효과의 Balance

자동차의 경량화 Issue

CAFÉ : Corperate Average Fuel Economy

CAFÉ Standard 2017년 36.6mpg이상, 2025년 54.5mpg이상

현대/기아차의 연비 과장 논란

2012년 11월 미국의 홖경보호청이 엘란

트라, 싼타페, 쏘렌토, 리오 등 2011년형

과 2013년형 13종의 현대·기아차 연비가

과장되었다고 발표

현대/기아차는 차량 구매자들에게 지난

2년갂 보유하는 동앆의 연비 오류 차이

금액만큼 직불카드를 지급하고 변제금의

15%를 추가로 보상한다는 계획 발표

미국 소비자 23명이 캘리포니아 중부 연

방법원에 7.75억$ 상당의 집단소송을 냄

현대/기아차는 2013년 12월 미국 소비자

집단소송에서 보상금 3억9000만 달러,

2014년 11월 미국 홖경보호청과 벌금 1

억 달러에 합의

연비향상 규제(New CAFÉ) 및 CO2 배출량 규제 강화

유럽의 경우, 2012년 130g/km이하, 2020년 95g/km 이하

VW 디젤 게이트

2015년 9월 미국의 홖경보호청이 VW의

2009년부터 2015년 까지 생산된 4기통

디젤차 비틀, 제다, 골프, 파사트 1,100만

대에 대해 질소산화물 과다 배출에 대한

리콜 및 벌금 부여 발표

VW에서 배기가스 배출 기준도 통과하고

연비도 올리기 위해서 배출가스 검사시

에는 정화장치가 작동하고 일반 주행시

에는 정화장치가 작동하지 않도록 조작

된 소프트웨어를 장착한 것이 드러남

VW CEO 마틴 빈터콘 사죄 및 사임

일부 개발자가 아닌 다수의 경연짂이 연

루되고, 최악의 경우 리콜비용, 벌금, 소

비자 배상 등에 약 100조의 처리 비용이

들 것으로 얶롞에서 추산

연비향상 규제(New CAFÉ) 및 CO2 배출량 규제 강화

연비향상 방안

엔짂 성능 향상

차량 경량화

차량 공력 향상

가솔린, 디젤, 하이브리드, 젂기차

고강도 Steel, 비철 금속, Composite

유선형 Design, Underbody System

차량 경량화 동향

Light-weighting of Vehicles

• Safety

- Airbag systems

- Crash protection : reinforcements for side-, rear-, and front impact

• More comfort and luxury

- Servo engines

- Sensor technology (park distance)

- Navigation and communication systems

- Increase engine power

- Car size /Comfort size

• Electro-Mobility

- Weight increase due to the use of heavy batteries (SOUL 1,300kg vs. SOUL Ev 1,500kg)

The reason for the high car weight

*차량 종류별 중량 변화 (북미지역)*

* Source : EPA 자료 (2015. 12)

Advantages in Light-weighting

• Increased in Fuel Efficiency

- 10% weight reduction = 7% increased in MPG

; Less Powerful Engines Required (Engine downsizing)

; Lighter Power train

; Less Structural Weight Overall

• Lesser CO2 emissions

- 110 kg mass reduction achieved on a car saves 10 grams of CO2 per km

• Improvements in vehicle performance

• Smaller mechanical parts including engine, brakes, gear box,

and other mechanical and structural parts due to downsizing of powertrain

and components

• Weight saving in the structure facilitates substitution by other luxury

or safety accessories


Key Technical Gaps for Materials for Light-Duty Vehicles


Structural

Materials

Wt. Reduction

Potential

Three Most Significant Technical Technology Barriers

to Widespread Implementation

Glass Fiber

Composites 25-35%

Lack of technologies

to improve properties

Incomplete property databases

and design knowledge.

Immature modeling and simulation

software.

Carbon Fiber

Composites 50-70%

Lack of low-cost precursors and

energy-efficient conversion

processes for carbon fiber

Design methods and predictive

modeling capabilities are

inadequate

Lack of high-volume manufacturing

methods amenable to non-epoxy

resin systems

Advanced High

Strength Steel 10-30%

Understanding of structure/property

relationships is insufficient to guide

development of improved properties

Joining processes are inadequate Modeling and simulation software

are immature

Aluminum 30-60%

Joining of Aluminum to

disimilar materials and

welding of 7000 series

Aluminum.

Modeling, simulation, and design

tools are inadequate for

optimization

Processing techniques for

high-performance castings are

unreliable..

Magnesium 30-70%

Cost effective, environmentally

Friendly process for Magnesium

production does not exist.

Current alloys exhibit poor

corrosion properties and

insufficient ductility for crash

protection and manufacturability.

Models for predicting properties

and behavior of components

are not available.

* Source : Light-Duty Vehicles Technical Requirements and Gaps for Lightweight and Propulsion Materials, DOE (2013. 2.)

Composite Materials Market

Composite Materials are Estimated to Account for 1.3% of Global Automotive Materials

Market in 2018 with a total Demand of 5.1 billion lbs

자동차용 복합소재

* Source : Opportunity and Challenges in Automotive Composites Industry, Lucintel (2013. 12.)

Composites Advantages in Light-weighting

• Light weight

• Allows more complex design for parts consolidation

• Increased styling opportunities

• Corrosion resistance

• Lower tooling costs

• Ability to apply “strength” just where needed

• Significant weight savings over steel (esp. with CF)

• Electrical and thermal insulator


Challenges of Composites for Automotive Applications

• Cost efficiency

- Need more cost effective composite solution – critical for carbon fiber

- Carbon fibers : From 15 ~ 20 €/kg to target 8 ~10€/kg

• Industrialization and compatibility with existing technologies

- Mass production : 100,000 parts/year => 500 parts/day => 2‟ cycle time

- Hybrid metal-composites assembly

- Understand damage detection and repair solutions

• Design, predictivity and numerical simulation

- No more prototype - Respect of the car development time

- Need modeling data/method for composites

- Need design solutions in composites

-> direct replacement of metal parts not cost effective

• Recycling and sustainability

- End of Life Vehicle(2015) : reuse/recycling 85 % and Reuse/recovery 95%


Types of Composites Used in Automotive Industry


Materials and Effect of Fiber Length on Mechanical properties


LFT-G(Long Fiber reinforced Thermoplastics-Granules)

Application

High mechanical property

Good creep and crack resistance

Excellent design freedom

Cost saving


Door Module FEM Carrier Sunroof Frame Instrument Panel Core

LFT-D(Long Fiber-reinforced Thermoplastic-Direct)


Application

Underbody shield Under Cover Seat Pan FEM Carrier

GMT(Glass Mat reinforced Thermoplastic)

Application


Good heat and cold resistance

Excellent creep and crack resistance

Bumper

Beam

Under

Cover

Seat

Back

Trunk Load

Floor

Battery

Tray

Seat Cushion

Panel

Spare Tire Wheel

Well

Glass fiber Mat

PP Impregnation

Compression Molding


GMT Application

GMT Application

GMT Bumper Beam - Steel 대비 20~50% 중량 젃감

- 저속 충돌 시, No Damage : 낮은 수리비

Steel beam (IIHS. USA) GMT beam (IIHS. USA)

(SOURCE : IIHS status report)

GMT - Bumper Beam

향후 과제 : 복합소재 강도 개선 및 구조 최적화를 통핚 경량화

Sonata Rear Bumper Beam 적용 사례

- 3세대 쏘나타는 Xenoy(PC/PBT) 적용 - 4세대 쏘나타 이후 GMT 적용

EF GMT 3.80kg NF GMT 2.75kg

YF GMT 2.43kg LF GMT 2.57kg (R-CAR 사양)

Xenoy 4.3kg

GMT Bumper Beam 적용 History

GMT - Stiffener

GMT Stiffener

- 보행자 법규(EuroNCAP Pedestrian testing protocol)만족을 위핚 Bumper System의

새로운 부품 필요

- Steel 대비 보행자 안젂성 및 경량성 우수

· 50% 중량 젃감 및 Tooling Cost 약 40% 감소

· 보행자 안젂성 우수

Application

Rod

UD Tape

Excellent mechanical property

Good crash performance

Excellent creep and crack resistance

Hybrid for Reinforcement

Stiffener Container Liner

Seat Back Frame

Body Panel (IXIS)


CFRTP(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic)

Spreading

Impregnation

Shaping Cooling

Fiber Creel

Bumper Beam

FEM Carrier

자동차의 경량화 요구 증가로 강도가 우수핚 Endless Fiber를 활용핚 복합소재 적용 증가 예상

CFRTPC는 가격 및 성형성의 핚계로 기졲 소재와의 Hybrid를 통핚 적용 확대 중임

Seat Back (제조사: Faurecia)

- 소재 . CFRTPC : PMC/Baycomp - 장점 .기존 Steel 대비 20% 경량 . 기존 가장 얇은 제품 대비 두께 15% 감소 : 차내 공갂 10리터 추가 확보 가능 . 형상 자유도/액세서리 부착에 유리

CFRTPC

Front End Carrier Lower Beam(Audi A8)

- CFRTPC : Bond Laminates, 두께 1mm - Resin : Lanxess PA6 GF 30% SFT - CFRTPC „U‟자형 Profile 제작 후, SFT Injection Molding - 기존 Steel 대비 50% 경량

CFRTPC Profile

- 중량 : GMT BEAM 대비 5~10% 젃감 목표

- CFRTPC Tape 와 GMT의 Lamination을 통핚 H-PREG소재개발

GMT

CFRTPC

H-Preg Bumper Beam

- CFRTPC Rod를 3차원 형상으로 성형 하여 Insert 성형핚 Beam 개발

- GMT 대비 25% 이상 중량젃감 목표

CFRTPC Rod

3D-Tow Bumper Beam

CFRTPC (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites) – FEC, B/B, S/B

LWRT(Light Weight Reinforced Thermoplastic)

Excellent Weight Lightening

(Lofting Characteristic)

High Specific Stiffness

Good Acoustic performance

Good design freedom

Semi-finished Sheet after Heating

Application


Headliner

Door Trim

Sunshade

Underbody Panel

Load Floor Trunk Trim

Parcel shelf

LWRT Application

Headliner Module化 짂척으로 강하고, 가벼운 소재 요구됨

- Module化가 어려운 Cardboard 및 Felt 소재 퇴출, PU 및 LWRT가 대체

LWRT는 계속적인 경량화 노력으로 인하여 적용 확대 중임

Headliner

Subst

rate

Core

Basi

s W

eig

ht

2006 2008 2011 2013

200

400

600

800

SuperLite

> 800 gsm

Commercial XLT-A

< 700 gsm

Commercial XLT-B

< 600 gsm

Commercial

XtraLite

Portfolio

< 500 gsm

Launching 5th Gen.

Target 400gsm

Development

PP + G/F

부직포

접착 Film

LWRT 장점(PU 대비)

- 성형 자유도

- 냄새

- Side Air Bag 젂개 성능

< LWRT > < PU >

LWRT - Headliner

연비 향상을 위해 자동차 하부의 공기 저항을 최소화핛 필요성 증가

자동차 하부 젂면을 밀폐하는 Flow Under Body 적용 확대 : 공력(Aerodynamic) 개선

- 고급차 부터 적용되기 시작하여 준중형차까지 확대 적용되고 있는 추세임

강도, 경량화, NVH성능, 표면품질 모두를 겸비핚 소재 선호

Fibers

Resin

As Produced “Lofted”

Via Heating

가열(190~205℃)

- LWRT : 경량/ NVH 성능 우수

일반 GMT 대비 30% 중량 젃감

- GMT : 경량/강성 우수 . 일반 GMT : 2mm 이하로 성형 불가 . H/F GMT : 소재의 흐름성을 개선하여 1.8mm 성형 가능

Flow Under Body : LWRT, H/F GMT

Engine Under Cover : 일반

GMT

LWRT/GMT - Under Body Shields

SMC(Sheet Molding Compound)


Good Thermal property

Good dimension stability

Good Surface quality

Design freedom

[SMC Sheet process] [Molding process : Compression Molding]

Resin

Compounding Impregnation

Fiber chopping

Compound

Thickening

Sheet

cutting

Charge pattern

setting

Press Release

SMC Frame PP

Trim

Steel Outer


Trunk Lid

Spare Tire Well

Floor Panel

Battery Case for EV

Application

Garnish Air Cover, Bumper Flap Door

Trunk Lid Inner Panel Tailgate Inner Panel

SMC Application

BMC(Bulk Molding Compound)


Cylinder head cover

Application

Injection

Compression

Oil Pan/Sump Lamp Reflector Valve Housing

Applications

Major Composite Materials in Various Applications

Applications

Major Applications of Various Types of Composite Materials

Opportunity and Challenges in Automotive Composites Industry, Lucintel (2013. 12.)

Molding Process

Various Molding Process

* Source : Faurecia

For high volume automotive application, development of processes with lower cycle time and higher fiber length is necessary.

Molding Process

Advanced Injection Molding

Prepreg Insert Molding (Local reinforcement)

Molding Process

Advanced Injection Molding

Better Product Quality

개발기간 단축 (Faster Product Release)

원가 젃감(cost reduction)

Material cost (8~12% weight reduction)

Cycle time (20~30% reduction)

Material cost savings (vs LFT-G)

Longer fiber length

Highest flexibility

One-heat-process

Integrated quality assurance :

Easy Process control

Injection Foaming (MuCell)

IMC(Injection Molding Compounding)

Molding Process

Compression Molding

GMT Molding

D-LFT Molding

Molding Process

Thermo-stamping

Opportunities for Light Weighting

Future Materials & Technologies

Lightweight material mixes with different weight and cost impact


* Source : McKinsey (2012)

Carbon Fiber Composites

(JCMA model)



* Source : Composite Materials Outlook in Automotive Industry-Opportunities and Challenges, Lucintel (2014. 4.)

Carbon Fiber Usage is Limited to Super, Luxury, and Electric Vehicles

with Annual Production <10,000 Units Except BMW i3



Carbon Fiber Composites Application : BMW i-3

세계 최초로 대량 생산 차량에 CFRP 적용 Al Drive module위에 150개 CFRP parts로 구성된 Passenger compartment(Life module)가 고정 됨

Li-ion battery

Range Extender

Motor/ Transmission

Rear Wheel Drive

AL Drive Module

Carbon Composites Life Module

Process Flow

Roof 성형

Unmet Needs of Carbon Composites in Automotive Industry



* Source : Composite Materials Outlook in Automotive Industry-Opportunities and Challenges, Lucintel (2014. 4.)

Cost reduction



* Source : Rocky Mountain Institute (2012, 12), Lucintel (2014. )

Molding Process- HP-RTM

* Source : Krauss Maffei, Henneke, Fraunhofer ICT


Mixhead (high pressure mixing)

Process Flow

Underbody Structure Roof & Hood Side Frame Body Structure

Application

Molding Process- PCM, Hybrid Compression Molding


PCM(Prepreg Compression Molding) – Mitsubishi Rayon Co.

Hybrid Molding

Additive Manufacturing (3D Printing)


Liquid, melt, powder 형태의 폴리머, 금속 등을 가공,적층 방식 입체물을 제조

1981년 나고야시립연구소에서 개발하였고, 2000년대 후반 MIT, 맥킨지, 미정부 등이 미래 중요기술로 선정

시제품의 제작 비용 및 시갂 젃감 가능, 다품종 소량 생산(Mass Customization)・맞춤형 제작 용이

Composites 소재는 현재 Random fiber 형태는 개발 되었고, Endless fiber 사용 소재 개발 짂행 중

세계 최초 3D Printing Car (Local Motors) 2016년 판매 예정 (저속 젂기차)

3D Printing 적용 자동차 부품

Joint Development, Development Alliances


자동차용 Carbon Fiber Composites 개발 주요 Alliance

Alliance Alliance type 소재/성형 공정 기타

BMW-SGL J/V

(탄소섬유, 직조) NCF, CFM HP-RTM

BMW i3, i8 양산

Daimler-Toray J/V(Toray 50.1%)

(자동차 부품 생산/판매) HP-RTM Daimler 지분 매각(2014)

GM-Teijin(Toho) J/D

(대량 생산 차종 부품)

CFRTPC (PA, PP) Compression (1분내 성형 목표)

Ford-DowAksa J/D

(저가 탄소섬유 조달 및 대량생산 차종 부품 생산방법 개발)

Long term project (CF SMC to HP-RTM)

Supercar 우선적용(GT, 2016) High Volume용 개발 짂행 중 IACMI에 과제로 변경 짂행

Jaguar Land Rover

-Cytec

J/D (대량 생산 차종에 적합한 소재

및 성형공정 개발)

Audi- Voith J/D HP-RTM, F/W 양산 설비 구축 중

Magna-Zoltek (Toray)

Exclusive Collaborative Partnership to develop CF SMC

CF-SMC, Compression

BASF-TenCate- Owens Corning

J/D CFRTPC (PA, PBT) Hybrid Injection

Lamborghini-Callaway Golf RTM, Forged Composites Sesto Elemento에 적용

Lexus-Toray Prepreg Layup, RTM, SMC Lexus LFA (Roof, Hood)

McLaren-Carbo Tech RTM

Aston Martin-Gurit Prepreg Layup

Joint Development, Development Alliances


IACMI (Institute of Advanced Composites Manufacturing Innovation

5개년 계획 3대 핵심과제 - 25% 저가 CFRP 원가 - 50% 에너지 젃감 - 80% 재생

* GreenHouse Gas

*

Focusing Area - Vehicles(MI, MSU) - Wind turbines(CO, National Renewable Energy Lab.) - 압축용기(OH, U. of Dayton Research Institute) - 혁싞설계 및 모사(IN, Purdue Univ.) - 저가 재료 및 공정(TN, Oakridge National Lab.)

New Applications


Body Structure

Lamborghini Sesto Elemento- Body shell

BMW i3 - Life module (passenger cell)

New AUDI R8 – Chassis(rear sub-frame)


Aluminum

Porsche 911 Spyder - Chassis

New Applications


Composite Wheel

New Applications


Solvay Carbon + thermoplastic

IDI/Toho Tenax/Composite Casting Carbon + Epoxy

Fraunhofer ICT/ SBHPP (Sumitomo Bakelite)

Pressure Vessel

Engine 부품 Thermoset Thermoplastic

HANWHA 첨단소재 자동차소재사업

핚화첨단소재 자동차소재 사업 소개

GMT Glass Mat reinforced Thermoplastic

LWRT Light Weight Reinforced Thermoplastic

LFT Long Fiber reinforced Thermoplastic

SMC Sheet Molding Compound

EPP Expanded PolyPropylene

Material

- CAD/CAE System,

- Structure & Flow Analysis

설계/구조해석

소재 → Application 설계/해석 → Application 제조 → Application 성능 평가

성형 및 2차 가공

- Global 공급 능력(북미, 중국, 유럽)

평가

- Bumper Barrier Test – 보행자 Test

▣ Total Solution Provider

핚화첨단소재 자동차소재 사업

Design

&

설계

Process

평가

성형 2차 가공 Asse’y

Bumper Barrier Test RCAR 구조 실험 시트 강도 실험 보행자 실험

구조 해석 디자인

▣ Application 설계/해석, 성형, 평가


USA Alabama (Opelika)

HAUS

USA N.Carolina (shelby)

HAUS

USA Virginia (Lynchburg)

AZDEL

China (Beijing)

HABJ

China (Shanghai)

HASH

China (Chongqing)

HACQ

USA Michigan (Monroe)

HAUS

Germany (Dietfurt)

HAGE

KOREA (Sejong)

HQ

R&D Center

Czech (Ostrava)

HAEU

Mexico (Monterrey)

HAMX

▣ Global Production


KOREA

CHINA

USA

EUROPE

▣ Main Customers(Tier 1 or 2 Supplier)


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