금속가공 부품업체의 경량화 전략

(차체/섀시/파워트레인 부품업체 중심)

모세준 연구위원 / 한국자동차산업연구소 　최근 일반브랜드 완성차업체는 편의사양 증가와 안전규제 강화로 가시적인 경량화 효과를 내지 못하고 있다. 이는 비용 부담으로 고급브랜드 완성차업체처럼 경량소재를 적극적으로 채용하기 어렵기 때문이다. 따라서 일반브랜드 완성차업체는 기존소재를 경량소재로 변경하는 것뿐만 아니라 기존 금속부품을 경량화할 수 있는 기술에도 관심을 높여야 할 것이다. 　금속부품의 경량화 기술은 기존 소재의 한계를 극복하기 위한 구조 최적화와 소재 및 가공법의 융합화로 발전하고 있다. 첫째, 구조 최적화 기술은 요구되는 강도에 맞는 최적화된 구조를 구현하여 소재의 사용을 최소화하는 방식이다. 둘째, 가공법 융합기술은 기존 가공법을 혼합함으로써 경량화 효과를 극대화하는 방식이다. 셋째, 이종소재 결합기술은 새로운 용접, 접착기술을 개발하여 고가의 경량소재를 필요한 양만큼 사용하는 기술이다. 　해외 금속가공 부품업체들이 경량화 기술을 선도하고 있다. 일본 부품업체는 부품 내부를 비우는 중공화 기술과 철강과 알루미늄 소재를 용접하는 기술에 역량을 집중하고 있다. 독일 부품업체는 강판재의 부분적 박육화¹⁾ 기술과 다양한 소재를 결합할 수 있는 접착기술 확보에 역점을 두고 있다. 또한 해외 금속가공 전문 부품업체들도 소재 다양화와 가공기술 융합을 추진하고 있으며, 철강업체들은 전후방 통합을 통한 시너지 창출을 위해 부품 가공사업에 진출하고 있다. 　이번 기고에서는 해외 금속가공 부품업체들의 경량화 전략을 분석하여 국내 부품업체의 대응 방향을 제시하고자 한다.

최근 자동차 경량화 발전 방향

　완성차업체는 차량 상품성 개선과 환경규제 대응을 동시에 만족시키기 위해 적극적인 경량화를 추진하고 있다. 미래형 자동차인 친환경 & 스마트 자동차를 구현하기 위해서는 다양한 시스템의 탑재가 필요하다. 이로 인해 자동차의 중량이 증가하고 있어서 완성차업체들이 연비규제 강화에 대응하기가 점점 어려워질 전망이다. 따라서 차량 경량화는 완성차업체가 미래형 자동차를 개발하기 위한 기본 해결 과제로 대두되고 있다. 　경량화를 달성하는 방법에는 설계, 가공법, 소재 변경이 있다. 설계 변경으로 경량화를 실현할 경우 원가 상승 가능성은 낮지만 혁신적인 설계 아이디어 발굴은 어렵다. 새로운 가공법을 통해 경량화할 경우, 초기에 대규모 설비투자가 필요하므로 기존 대비 원가가 높아질 가능성이 있다. 소재를 변경할 경우에는 가공법과 설계를 동시에 변경해야 하므로 원가 상승 부담이 크게 높아진다. 　결과적으로 차량 경량화 과정에서 원가 상승과 투자비 증가는 불가피하다. 향후 완성차업체의 경량화 과제는 비용 상승을 최소화하면서 경량화 효과를 극대화하는 것이다. 이를 위해 완성차업체는 설계-가공법-소재의 3요소를 최적화시킨 경량화 솔루션을 찾는 것이 중요해지고 있다. < 완성차업체의 경량화 과제 및 방향 > 　일부 완성차업체는 획기적인 경량화 효과를 내기 위해 한 가지 경량소재를 적극 활용하는 전략을 추진하고 있다. 적용범위가 넓고 중량이 무거운 기존 철강부품을 알루미늄, 마그네슘, 합성수지 등으로 대체함으로써 획기적인 경량화를 달성하고 있다. 　고급브랜드 완성차업체는 알루미늄과 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 적극 활용하여 차량 중량을 200kg 이상 낮추고 있다. 최근 포드는 픽업트럭 차체에 알루미늄을 적용하여 철강 중심의 경량화에서 탈피하고 있다. 재규어랜드로버도 알루미늄 바디를 확대 적용하면서 알루미늄 중심의 경량화를 추진하고 있다. 특히 BMW는 업계 최초로 CFRP 중심의 경량화를 시도하고 있다. 　하지만 일반브랜드 완성차업체는 원가 상승을 최소화하기 위해 철강 중심의 경량화 전략을 추진하고 있다. 비싼 경량 소재를 사용할 경우 차량가격이 크게 높아질 수밖에 없기 때문이다. 또한 소비자 입장에서도 수리비용 및 보험료 등이 높아져서 보유비용이 높아질 수 있다. 따라서 일반브랜드 완성차업체는 경량소재를 일부 활용해야 하지만 시장에서 검증된 기존 철강소재를 완전히 대체하기는 어렵다. 　향후 완성차업체의 경량화 전략은 단일 경량소재 집중방식에서 다양한 소재 혼합방식으로 수렴할 것으로 보인다. 고급브랜드 완성차업체는 상품라인업을 소형차로 확대하고 있으며, 신흥시장 공략도 강화하고 있으므로 차량의 원가 상승을 억제할 수 있는 기술이 필요하다. 또한 일반브랜드 완성차업체는 기존 철강소재만으로는 엄격한 연비규제를 만족시키기 어렵기 때문에 경량소재 활용을 늘리려 할 것이다.결국 완성차업체는 이종소재를 혼용하는 경량화 전략을 통해 다양한 상품과 시장에 대응할 것으로 예상된다. < 완성차업체의 자동차 경량화 발전 방향 >

금속부품 경량화 기술 트렌드

　금속부품의 경량화 기술은 기존 소재의 한계를 극복할 수 있는 새로운 구조를 개발하고 기존 가공기술을 융합하는 방향으로 발전하고 있다. 이는 고가의 소재 사용을 최소화하면서 부품의 기계적인 성능을 훼손하지 않기 위함이다. 또한 금속소재 가공기술은 오랫동안 성숙되어 혁신적인 가공법 개발도 쉽지 않기 때문이다. 　최근 주목받고 있는 경량화 기술에는 크게 3가지가 있다. 우선, 기존 금속부품의 구조를 최적화하는 기술이다. 구조를 최적화할 수 있는 부품의 범위가 제한적이어서 폭넓게 사용할 수 있는 방법은 아니다. 하지만 기존 역량을 최대한 활용하고 검증된 소재를 사용함으로써 개발 시간과 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 　두 번째, 기존 가공법들을 융합하는 기술이다. 공정이 복잡해지면서 가공비가 늘어날 수 있는 단점이 있으나, 기존 가공법을 활용하기 때문에 설비 투자 및 생산기술 개발 부담을 최소화할 수 있다. 또한 이 기술은 각 가공법의 단점을 보완하므로 부품의 무게 절감뿐만 아니라 성능과 품질도 높일 수 있다. 기존의 가공법을 조합할 수 있는 방법은 다양하기 때문에 부품의 특성과 목적에 따라 다수의 영역에서 응용될 수 있다. 세 번째, 기존 철강소재와 경량소재를 혼용하는 이종소재 결합기술이다. 단일 경량소재에 비해 경량화 효과는 다소 낮지만, 원가 상승폭을 최소화시키는 방식이다. 또한 각 소재별 장점을 활용할 수 있어서 적용 부품의 기계적 성능이 개선되는 효과도 낼 수 있다. 이러한 이종소재 결합기술은 용접, 접착 등 요소 기술의 발전이 뒷받침되어야 한다. < 금속가공 부품업체들의 경제적 경량화 추진 방향 >

① 구조 최적화 기술

　프레스 부품업체는 필요에 따라 두께를 최적화하여 경량화를 실현하고 있다. 두께가 균일하지 않은 부품을 만들 때 과거에는 별도의 부품을 덧대어 용접하였으나, 최근에는 하나의 판재를 한 번에 성형하는 방식을 적용하고 있다. 　선진 부품업체들은 두께 또는 강도가 서로 다른 강판을 레이저용접으로 붙인 후 프레스로 성형하는 TWB²⁾를 보편적으로 사용했다. 최근에는 중국 등 신흥 부품업체들도 TWB 적용을 늘리는 추세이다. 이에 선진 부품업체들은 경량화 효과를 더욱 높이기 위해 신규 가공법인 TRB³⁾를 활용하여 구조 최적화를 추진하고 있다. TRB는 1개의 철강판을 롤러로 밀어 다양한 두께를 구현하는 가공법이다. TWB와 달리 별도 용접 과정이 없으므로 생산비용이 줄어드는 장점이 있다. 또한 접합부가 존재하지 않아 충격에 강하고 설계 자유도가 높아서 경량화뿐만 아니라 기계적 성능도 높일 수 있다. < 부분 박육화기술의 발전 > 　과거 부품업체들이 중공화⁴⁾를 할 경우 소재 강도가 높지 않아 내구성을 만족시키지 못하는 경우가 많았다. 드릴로 홈을 내거나 관 형태를 후 가공하는 방식을 주로 사용하였기 때문에 소재의 낭비가 컸으며 적용 범위도 매우 제한적이었다. 하지만 최근 압출성형기술이 발달하면서 소재 강도 개선 및 소재 낭비를 줄이는 것이 가능해졌다. 또한 신규 가공법인 ‘3D 적층기술’을 선행 개발하고 있는데, 이 기술은 부품 형태에 구애받지 않는 중공화를 가능케 하므로 향후 적용 범위가 확대될 가능성이 높다. 현재 중공화 기술은 구동계 부품군에 주로 적용되고 있다. 구동계 부품은 긴 막대 형태가 많아 내부를 비우기 용이하기 때문이다. 보통 중공화를 통한 경량화 효과는 15~30% 수준인데, 일부 해외 부품업체들은 경량화 효과를 40% 이상까지 높이고 있다. < 중공화 기술의 발전 >

② 가공법 융합기술

　금속 가공법들은 융합된 형태로 발전하면서 경량화 효과를 높이고 있다. 기존 금속 가공법은 성숙단계에 접어들어 혁신적 기술 진보가 어려운 상황이다. 이를 극복하기 위해 시도되는 방법이 가공법 간 융합이다. 가공법의 융합은 각 가공법의 장점을 극대화시켜 고강성의 부품을 제조할 수 있기 때문이다. 부품의 고강성화는 동일한 기계적인 성능을 유지하면서 소재 사용량을 줄일 수 있어서 경량화 효과를 낼 수 있다. 　또한 가공법의 융합은 경제성도 높은 경량화 방법이다. 소재를 변경하지 않기 때문에 재료비 상승에 대한 부담이 적다. 특히 가공법이 정교해지면 가공과정에서 발생되는 재료 낭비를 줄일 수 있다. 따라서 가공법 간 융합을 통한 경량화는 경량소재를 적용하는 것에 비해 경량화 효과는 낮지만 경제성이 우수한 특성을 보이고 있다. 　섀시부품에는 높은 기계적 특성이 요구되기 때문에 주조와 단조 가공법이 융합된 기술이 적용되고 있다. 주조로 가공될 경우 복잡한 형상 구현이 가능하지만 강도가 약해서 소재 사용량이 늘어날 수 있다. 반면 단조로 가공될 경우 높은 강도를 얻을 수 있지만 복잡한 형상 구현이 어렵다. 따라서 주조와 단조가 융합된 가공법은 복잡한 형상의 섀시부품을 강도 높게 만들어 중량을 줄이는데 기여하고 있다. 　차체부품에서는 핫스탬핑을 중심으로 가공법의 융합화가 진행되고 있다. 핫스탬핑은 고온으로 가열된 소재를 프레스 성형하면서 냉각시켜 고강도화하는 가공법이다. 강도 향상으로 소재의 사용량을 줄일 수 있어 경량화 효과가 높다. 이 가공법은 기존 TWB 가공법 또는 기존 하이드로포밍⁵⁾ 가공법과 융합하여 경량화 효과를 높일 수 있다. < 주요 섀시/차체 부품군의 가공법 융합기술 >

③ 이종소재 결합기술

■ 금속-금속

　철강소재에 알루미늄 등 경량소재를 접합하는 방식으로 경량화가 진행되고 있다. 가장 이상적인 경량화 방법은 철강소재 전체를 경량소재로 대체하는 것이다. 하지만 이런 방법은 비용 부담이 크고, 강도 등 기계적인 성능이 저하될 가능성이 있다. 따라서 이런 단점을 보완하기 위해 철강과 경량소재를 결합하는 방식이 부상하고 있다. 　이종금속 간의 결합은 접합기술이 뒷받침되어야 가능하다. 각 금속은 녹는점, 강도 등 고유 특성이 달라서 서로 다른 금속을 용접하는 것이 쉽지 않았다. 이로 인해 과거 이종금속을 결합하는 방식은 볼트나 리벳⁶⁾ 등 기계적 접합이 대부분이었다. 이런 접합은 진동이나 충격에 취약하고 부식이 발생하기 쉬워 적용 범위가 매우 제한적이었다. 　최근 이종금속을 용접할 수 있는 기술이 개발되면서 부분적인 경량소재 사용이 본격화되고 있다. ‘마찰교반용접’이 대표적인 용접기술이다. 마찰교반용접은 두 금속에 간접적인 마찰열을 발생시켜 용접하는 기술이다. 소재에 직접적인 열을 가하지 않기 때문에 뒤틀림이 없으며 기계적인 접합에 비해 강성도 높은 장점이 있다.

■ 금속-합성수지

　자동차용 접착기술은 용접을 대체할 수 있을 정도로 발전하고 있다. 기존 접착제는 외부 힘에 견디는 능력과 내구성 부족으로 자동차에 보조적으로 사용되었다. 최근 접착기술은 강성이 높은 부위에도 독자적으로 사용될 수 있을 정도로 발전하고 있다. 이러한 접착기술은 용접을 대체할 수 있어서 금속과 합성수지의 결합을 쉽게 만든다. 　기존에는 CFRP와 같은 고가의 합성수지를 적용할 경우, 금속과 합성수지의 결합이 어려워 부품 전체를 합성수지로 변경해야 했다. 이로 인해 부품의 원가가 크게 높아질 수밖에 없었다. 하지만 이러한 접착기술 개발로 부분적으로만 고가의 합성수지를 적용한 부품을 개발할 수 있게 되었다. < 결합기술의 발전 >

해외 금속가공 부품업체의 경량화 전략

① 일본업체

　일본 금속가공 부품업체들은 중공화를 통한 경량화를 선도하고 있다. 일본 아키야마는 중공화 기술을 적용하여 모터샤프트의 중량을 기존 대비 45% 절감하는데 성공했다. 특히 중공화 기술을 비직선형 부품에도 적용함으로써 응용범위를 넓히고 있다. 이와 함께 설계역량을 강화함으로써 중공화 기술 적용에 따른 소음/진동(NVH), 내구성 저하 문제를 해결해 나가고 있다. 　미쓰비시중공업은 엔진 오버헤드 밸브의 내부를 비직선형으로 중공화하는 기술을 개발하여 닛산 GT-R에 납품하고 있다. 그리고 최근 도요타는 신형 렉서스 LS모델에 세계 최초 중공화 타이어 휠을 적용하여 중량과 함께 NVH를 개선하는데 성공하였다. < 중공화 부품 개발 사례 > 　혼다와 계열부품업체는 이종 금속소재를 결합하는 용접기술 개발에 앞장서고 있다. 최근 개발한 마찰교반용접은 알루미늄과 철강재를 혼합하여 사용할 수 있는 용접기술이다. 혼다는 계열 차체 부품업체인 F-Tech와 협력하여 이 기술이 적용된 서브프레임 부품을 세계 최초로 양산화하였다. 양사가 개발한 이종 소재 서브프레임은 기존대비 25%의 중량을 절감한 제품이다. 　양사는 이번 개발로 관련 특허 18개를 보유하게 되면서 해당 기술에 관해 선도적인 시장지위도 확보하였다. 향후 혼다는 해당 기술을 대표차종인 신형 어코드에 적용하여 그룹의 대표적 경량화 기술로 육성할 계획이다. 또한 해당 기술로 개발된 이종 소재 섀시/차체부품을 타 차종에 확대 적용할 방침이다. < 이종소재 부품 개발 사례 (혼다 & F-tech) >

② 독일업체

　독일 부품업체는 차체 부분 박육화 부문에서 신공법(TRB)을 개발하여 적용을 늘리고 있다. 티센크룹은 일반화되고 있는 TWB 사업부를 중국 우한강철(WISCO)에 매각하였으며, 무베아는 TRB 사업을 글로벌로 확대하기 위해 지난해 미국에 해외공장을 처음 설립하였다. 　최근 폭스바겐은 골프 7세대의 플로어, B필러 등에 TRB를 최초 적용하여 약 23kg을 경량화했다. 그리고 GM도 TRB 가공법을 적용하기 시작했다. 하지만 TRB의 확산에는 시간이 걸릴 전망이다. TRB를 개발한 독일 부품업체 무베아와 이탈리아 설비업체 다니엘리가 2017년까지 특허를 독점하고 있기 때문이다. 현재 후발업체들은 TRB공법을 도입하려면 고가의 기술, 설비 사용료를 지불해야 하는 상황이다. 　독일업체는 자국의 화학업체와 협력하여 이종소재 접착기술을 발전시키고 있다. 최근 BMW는 CFRP 제조업체인 SGL과 화학업체인 헨켈과 협력하여 알루미늄과 CFRP를 복합한 휠을 개발하였다. 헨켈은 용접과 동등한 성능을 가지는 구조용 접착제를 개발하여 공급하였다. 접착기술의 도움으로 알루미늄 휠대비 중량이 25% 가벼운 소재복합 휠을 개발할 수 있었다. 향후 BMW는 출시 예정인 i8 전기차에 소재복합 휠을 적용할 계획이다. 　유럽업체들은 이종소재의 기계적인 결합보다 화학적인 결합에 개발력을 집중하고 있다. 접착기술은 금속과 합성수지 뿐만 아니라 이종금속 간의 결합에도 적용될 수 있기 때문에 향후 접착기술의 활용분야는 확대될 전망이다. < TRB 적용을 통한 경량화 사례 > < 금속과 플라스틱 소재 결합 사례 >

③ 금속가공 전문 부품업체 / 철강업체

　금속가공 전문 부품업체는 크게 두 가지 방향으로 사업영역을 확대하고 있다. 첫 번째 방향은 소재의 다양화이다. 자사가 보유하고 있는 철강재 가공기술을 바탕으로 알루미늄, 플라스틱 등으로 확대하고 있다. 이는 대체소재 수요를 흡수하고 새로운 수요도 창출하기 위함이다. 두 번째 방향은 가공기술의 융합이다. 금속가공 전문 부품업체는 경량화가 여러 가공법의 융합에서 창출될 것에 대비하여 타 가공기술의 확보에 주력하고 있다. 　독일의 벤틀러는 두 가지 전략을 병행하여 경량 금속부품 개발에 앞장서고 있다. 타 소재 및 가공기술을 보유한 업체와의 JV 설립 및 M&A로 복합 경량부품 기술력을 확보하고 있다. 2008년 벤틀러는 독일의 SGL과 JV를 설립하여 CFRP 소재 기술을 확보하였다. 또한 2012년에는 노르웨이 알루미늄 주조업체 FAC를 인수하여 알루미늄 가공기술도 내재화하였다. 　최근 선진 철강업체들은 자동차부품 사업에 진출하면서 전후방 통합에 주력하고 있다. 철강업체들은 기존 부품업체에 비해 부품소재를 동시에 개발하면서 전후방 공정을 통합할 수 있는 장점이 있다. 따라서 철강업체들은 경량화 부품의 신속한 개발과 원가절감 측면에서 우위를 점할 수 있다. 　오스트리아의 뵈스트알피네는 2012년 자동차부품과 형강사업부를 통합하여 설계와 가공법 개발을 일원화하였다. 또한 자동차부품 공급을 늘리기 위해 미국, 중국 등 해외 신규 공장 건설에 1억 유로를 투자할 계획이다. 　독일의 티센크룹은 2013년에 자동차사업부의 제품 영역을 차체에서 섀시/파워트레인으로 세분화하였다. 이를 바탕으로 티센크룹은 종합적인 자동차 경량화 프로젝트를 주도적으로 추진하고 있다. < 금속가공 전문 부품업체의 사업영역 확대 사례 > < 철강업체의 자동차부품사업 강화 사례 >

시사점

　경제적인 경량화 추진을 위해 기존 금속소재 바탕의 설계, 가공법 기술이 우선적으로 개선될 필요가 있다. 최근 대체소재를 활용한 획기적인 경량화가 가장 주목을 받고 있으나 재료비, 신뢰성, 생산성 등의 문제로 단기적 양산이 어려운 현실이다. 장기적 미래 경쟁력 확보를 위해 대체소재 관련 선행개발이 지속되어야 하지만, 단기적 기본 경쟁력 제고를 위해 기존 금속부품의 경량화 방안 마련도 병행되어야 한다. 특히 일반브랜드 완성차업체들은 제품의 판매가격 인상이 쉽지 않아 설계, 가공법 개선에서 현실적인 경량화 방안을 찾아야 할 것이다. 　국내 금속가공 부품업체들은 타 가공법 기술을 융합하여 새로운 가공법을 개발해야 할 것이다. 최근 유럽, 일본 금속가공 부품업체들은 다른 가공, 설비업체들과 협력하여 새로운 경량화 가공법을 개발하고 있다. 하지만 국내 금속가공 부품업체들은 한가지 가공법에 치중하여 추가적인 경량화 기술을 발굴하는 것이 쉽지 않다. 따라서 다른 가공법에 대한 설비와 노하우를 보유한 금속가공 부품업체들과 협력할 필요가 있다. 이런 활동은 현재 수익성 제고가 어려운 금속가공 산업에서 부가가치를 높이는 역할을 할 것으로 기대된다. 　완성차 및 부품업체들은 소재 융합에 필요한 설비, 결합기술 등 기반기술을 확보해야 한다. 향후 철강재에 다른 경량소재를 혼합하여 사용하는 멀티소재가 일반화될 전망이다. 성질과 가공법이 상이한 소재들을 혼합하기 위해서는 용접, 접합 등 결합기술에 대한 경쟁력이 전제되어야 한다. 또한 양산 단계의 품질과 생산성을 확보하기 위해 설비업체의 경쟁력 제고도 필요하다. 　완성차, 부품, 소재, 설비업체들이 소재융합 부품을 개발하는 초기 단계부터 협력할 수 있는 체계를 구축할 필요가 있다. 이런 협력체계는 정부 지원의 기반 아래 완성차와 소재업체가 주도하는 것이 현실적이다. 국내 가공, 설비업체들의 자금력과 기술 수준이 낮으므로 이런 업체들을 육성하고 협력할 수 있는 기반 구축이 시급하다.

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1) 소재의 강도를 높여 두께를 줄이는 방식으로 소재의 사용량 절감을 통한 경량화 방식 2) Tailor Welded Blanks 3) Tailor Rolled Blanks 4) 구조 내부를 비워 경량화 하는 기술 5) 강관을 높은 수압으로 성형하는 가공법으로 부품 수를 줄여 경량화 실현 가능 6) 금속을 겹쳐서 뚫은 구멍에 머리가 달린 금속봉을 삽입한 뒤 다른 쪽을 찌그려 죄는 결합법