Face-off! Composite Space Frame
마그나, 경량 리프트게이트 더 가볍게
블랙타이거와 컴포지트 스페이스 프레임
2020년 07월호 지면기사  /  글|한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr


 
마그나는 SUV, 크로스오버, 해치백의 꽁무니에서 첨단 소재를 활용한 혁신을 적용해 자동차 엔지니어링 및 디자인의 새로운 경계를 찾으면서 차를 더욱 가볍게 만드는 데 중점을 두고 있다. 토요타 GR 수프라와 함께 시작된 혁신적인 컴포지트 스페이스 프레임 개발 이야기를 통해 왜 이런 혁신이 마그나를 통해 가능해지는지 알 수 있다.

글|한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr





최근 마그나 인터내셔널은 지난해 오스트리아 그라츠의 마그나 슈타이어 공장에서 생산되기 시작한 2020 토요타 GR 수프라와 함께 데뷔한 그들의 혁신적인 열가소성 플라스틱 리프트게이트 강화기술 ‘컴포지트 스페이스 프레임(Composite Space Frame)’에 대한 체코 리베레츠(Liberec)의 마그나 개발 팀 스토리를 공유하기 시작했다. 간단하게 말해, 개발 팀은 스틸 프레임을 경량 수지로 대체해 스틸만큼의 강성을 확보하면서 중량 절감을 실현했다.

이야기의 처음은 프로토타입과 함께 얻은 팀의 별명인 ‘블랙타이거’로 시작된다. 컴포지트 스페이스 프레임은 폼 코어로 만들어진 관형태의 프레임으로, 연속 유리섬유로 감고 폴리우레탄 경화수지를 주입한다. 블랙타이거란 닉네임이 이 복잡한 연속 필라멘트 와인딩 기술에서 오는 호피 줄무늬를 연상시키는 패턴 때문인데, 지역 상징인 백호(white tiger)와도 절묘하게 매칭된다. 이 곳의 프로 아이스하키 팀명 ‘화이트타이거’는 리베레츠 동물원의 벵골 호랑이들과 관계된다. 벵골 호랑이는 1만 마리 중 1마리 꼴로 백호가 탄생하는데, 리베레츠에는 1994년 이후 벌써 수 마리의 백호가 태어났다.

말하자면, 이것은 리베레츠의 자부심에 대한 것이다. 컴포지트 스페이스 프레임 리프트게이트 강화 솔루션은 내부적으로는 리베레츠의 개발 팀과 마그나 인터내셔널에게 백호만큼이나 값진 인고와 팀플레이의 결과물이고, 외부적으로는 자동차 산업의 배출가스 저감, 전기차의 경우 주행거리 확대에 기여할 수 있는 ‘발명’이다. 게다가 이는 얼마 전 ‘페이스 어워드(PACE)’ 수상을 통해 그 진가를 공인받았다. 더 찬사를 보내자면, 어워드 심사위원들의 이목을 집중시킨 완벽한 경량 솔루션이자 이 부분 유일 솔루션이었다.



블랙타이거란 닉네임은 복잡한 연속 필라멘트 와인딩 기술에서 오는, 호피의 줄무늬를 떠올리게 하는 패턴 때문인데, 지역의 상징인 백호와도 절묘하게 매칭된다.

컴포지트 스페이스 프레임은 얼마 전 ‘페이스 어워드’ 수상을 통해 그 진가를 공인받았다. 어워드 심사위원들의 이목을 집중시킨 완벽한 경량 솔루션이자 이 부분 유일 솔루션이었다.


“마그나의 컴포지트 스페이스 프레임을 이용하면 카 메이커들의 성능 기준을 충족시키면서 스틸 보강재로부터 10%의 중량을 줄일 수 있습니다. 마그나 익스테리어(Magna Exteriors)의 브라이언 크룰(Brian Krull) 글로벌 혁신이사는 말했다.

IHS 마킷에 따르면, 전 세계 차량의 약 62%가 테일게이트 또는 리프트게이트를 갖고 있는데, 이들의 95%는 스틸로 돼 있다. 하지만 이것은 갈수록 높아지는 배출규제와 SUV의 인기, 전기화 트렌드로 플라스틱을 이용하는 경량화가 급격히 진행되고 있다. 또한 여기서 한 발 더 나아가 경량 리프트게이트에서 중량을 더하고 있는 금속 보강재에 대한 새로운 소재 적용, 다른 응용 부분 개발이 적극 추진되고 있다.


모듈 혁신의 지속 

마그나의 컴포지트 스페이스 프레임 기술은 토요타 수프라 리프트게이트의 중추로, 해치백 쿠페의 중량 절감에 공헌할 뿐만 아니라, 디자이너들에게 예술적이고 강렬한, 극적인 리프트게이트 디자인으로 차량의 후면을 장식할 수 있는 자유를 부여했다.

크룰 이사는 “컴포지트 스페이스 프레임을 더한 경량 테일게이트나 리프트게이트의 대량생산이란 새로운 접근방식은 수프라 쿠페의 몇 가지 당면과제에 대한 해법을 제시했습니다. 어떤 리뷰어가 말했듯이 수프라에서 리프트게이트의 전체적인 크기, 형태, 길이는 핵심 디자인 요소로서, 특히 ‘운전하고 싶다’는 욕구에 대한 것인데, 이 대담한 리프트게이트의 외관을 완성하기 위해서는 성능, 패키징, 중량 등 관련 이슈를 해결해야했습니다”라고 말했다.

컴포지트 스페이스 프레임은 연속 화이버 필라멘트 와인딩 기술을 활용하는 강화기술로 경량 테일게이트, 리프트게이트 모듈을 더욱 가볍고 고성능화시켜준다. ▶스틸 보강재 대비 10% 경량화 ▶낮은 선형 열팽창 계수 ▶고차원의 무결성 ▶클로저 힌지와 래치 간 연속적인 하중 경로 ▶복잡한 3D 패키징 공간 적용이란 강점을 준다.



컴포지트 스페이스 프레임은 연속 화이버 필라멘트 와인딩 기술을 활용하는 강화기술로 경량 테일게이트, 리프트게이트 모듈을 더욱 가볍고 고성능화시켜준다. ▶스틸 보강재 대비 10% 경량화 ▶낮은 선형 열팽창 계수 ▶고차원의 무결성 ▶클로저 힌지와 래치 간 연속적인 하중 경로 ▶복잡한 3D 패키징 공간 적용이란 강점을 준다.


하지만 블랙타이거 팀원들은 이 애플리케이션과 관련해 수프라는 단지 시작일 뿐이라고 말한다.
“컴포지트 스페이스 프레임은 완벽한 솔루션입니다. 이 기술은 마그나가 관련 시장에 영향을 주고 비즈니스를 더욱 성장시킬 수 있는 기회를 줍니다.” 크룰 이사가 말했다.

이 솔루션은 사이드 도어 모듈, 컴포지트 윈드실드 헤더를 포함해 경량 강화 구조가 요구되는 차량의 다른 부분에도 적용할 수 있다. SUV와 같은 모델은 물론 쿠페 스타일의 리프트게이트에 적용돼 차량의 중량 및 배출가스 저감 등 다방면에 기여할 수 있다.

마그나는 현재 경량 리프트게이트 모듈 사업 성장에 중점을 두고 있다. 중량 감소는 곧 배출가스 저감, 연비 증대, 전기차의 경우 주행거리 확장이다. 리프트게이트나 테일게이트 단품만으로는, 또 적용 차종에 따라 다를 수 있기 때문에 매우 구체적인 연비 효과를 수치로 제시하기는 어렵지만, 예를 들어 스틸 테일게이트를 컴포지트 테일게이트로 바꾼다면 중량 절감 효과는 무려 30~40%에 이르는 것은 틀림없다. 그만큼 배출이 줄고 연비가 좋아진다. 특히 전기차의 경우엔 주행거리 증대를 위해 중량 절감이 필수적이기 때문에 테일게이트, 후드, 루프 패널, 사이드 도어 등에서의 컴포지트 플라스틱 사용은 필수다. 부수적으로는 서브 부품, 금형 감소라는 이점도 준다.

마그나의 재활용 가능한 리프트게이트 모듈은 ▶스틸 대비 최대 40%의 중량 감소 ▶컴포넌트 통합을 통한 부품 복잡성 감소 ▶스타일링 디자인 유연성 ▶적기생산(JIT sequencing) 대응 등을 강점으로 적용이 늘고 있다. 디자인 유연성은 카 메이커가 정기적이고 비용 효율적인 미드 사이클 리프레시를 수행할 수 있게 할 뿐만 아니라, 공기역학 개발도 더욱 용이하게 만든다. 뿐만 아니라, 마그나의 모듈화 기술은 ▶생산시설에서의 처리량 증가 ▶툴링 투자 감소 ▶기존 대비 10%의 바디숍 공간 절약 ▶25~45%의 부품 절감 ▶오일 캐닝 및 덴트 저항 ▶사운드 퀄리티 향상 ▶인테리어 마감 및 치수공차 정확성 향상 등 다양한 이점을 제공한다.

이런 이유로 2018년 초부터 유럽 외 지역에서도 지프 체로키와 어큐라 RDX 등이 마그나의 열가소성 리프트게이트 모듈을 적용하기 시작했고, 중국 메이커들도 적용에 적극적이다. 
사실, 이같은 마그나의 경량 모듈에 대한 경험은 20년 이상이다. 늘 그렇듯이 신기술은 유럽에서부터 시작된다. 1999년 마그나는 다임러 A 클래스를 위한 열가소성 리프트게이트 양산을 시작해 스마트 포투, 스코다 룸스터, 푸조 3008, BMW i3 등 유럽 고객들을 위한 제품을 양산 공급해왔고, 북미에서는 2014년부터 닛산 로그를 처음으로 경량 모듈을 제공하기 시작했다. 현재 전 세계적으로 약 300만 개 이상의 경량 리프트게이트 모듈을 공급했다. 마그나의 모듈은 양산 개시를 포함해 글로벌 OEM의 28개 모델에 대해 수주 받아 개발이 완료됐다. 



마그나는 현재 경량 리프트게이트 모듈 사업 성장에 중점을 두고 있다. 중량의 감소는 곧 연비 증대, 전기차의 경우 주행거리 증가와 직결된다. 1999년 다임러 A 클래스를 위한 경량 리프트게이트 양산을 시작해 유럽 고객들을 중심으로 양산 공급해왔고, 최근 유럽 외 지역에서 지프 체로키와 어큐라 RDX를 비롯 중국 메이커들에게 모듈을 공급하기 시작했다. 




마그나의 경량 리프트게이트 모듈은 ▶스틸 대비 최대 40%의 중량 감소 ▶컴포넌트 통합을 통한 부품 복잡성 감소 ▶스타일링 디자인 유연성 ▶적기생산 대응 등을 강점으로 적용이 늘고 있다.



팀플레이        

“블랙타이거의 팀 기반 접근법은 최선이었습니다. 완벽한 솔루션에 도달하려면 모두의 의사가 반영돼야합니다.” 크룰 이사가 말했다. 리아드 차야(Riad Chaaya) 글로벌 프로덕트 라인 이사는 이에 더해 “이게 얼마나 어려운 일인지 확인했다면 다른 사람들은 일찌감치 포기했을 겁니다. 하지만 블랙타이거는 포기하지 않았고, 비전을 내다보고 수년 동안 연구를 지속해 마침내 실현시켰습니다”라고 더했다.

컴포지트 스페이스 프레임에 대한 개발은 9년 전인 2011년으로 거슬러 올라간다. 마그나 익스테리어의 기술 리더인 요셉 푸타(Josef Puta) 박사를 통해 시작됐는데, 이것은 그의 생애 가장 큰 프로젝트로 변했다. 주요 대학, 서플라이어, 스타트업에서 온 혁신자들, 그룹 간의 협력이 광범위하게 이뤄졌다. 마그나에 따르면, 적어도 100명 이상이 이 프로젝트에 대한 통찰력과 영감을 제공했다.

리베레츠 기술대학에서 엔지니어링 기술박사 학위를 취득한 푸타 박사는 “우리는 마그나의 디자이너, 대학 신입생들과 매우 강력한 파트너십을 맺었습니다. 그들은 개방적이고 새로운 기술에 대해 생각할 준비가 돼 있었고 한 팀이었습니다”라고 말했다.



좌로부터 마그나 익스테리어의 글로벌 혁신이사 브라이언 크룰 , 글로벌 프로덕트 라인 이사 리아드 차야, 기술 리더 요셉 푸타 박사, 글로벌 프로덕트 매니저 슈타니슬라프 티치. 


그가 기억하는 컴포지트 스페이스 프레임 관련 주요 순간은, 처음으로 L자 모양의 프로토타입 파트를 만들면서 팀의 가시적인 성과를 축하하기 위해 스파클링 주스의 코르크 마개를 따던 2011년, 그리고 리베레츠 조립라인 옆에 빨간색 토요타 GR 수프라가 전시됐던 지난 늦여름이다.

기술과 제품 자체의 강점은 이 컴포지트 스페이스 프레임 개발 이야기의 일부분이다. 특히 마그나의 글로벌 매뉴팩처링 역량과 혁신을 가능케 한 팀플레이는 양산, 가격결정, 보급에 중요한 요소로 작용했다. 예를 들어, 컴포지트 스페이스 프레임은 체코 리베레츠에서 생산되고, 수프라는 오스트리아 그라츠의 마그나 슈타이어 공장에서 생산되는데, 이런 모든 요소들이 제품에 영향을 미친다.

체코 아이스하키 팀에서 센터로 플레이하는, 글로벌 프로덕트 매니저 슈타니슬라프 티치(Stanislav Tichy)는 업무 수행에 있어 중요한 교훈을 팀플레이에서 얻고 있다.

“직장에서도 스포츠맨처럼 행동하려고 노력합니다. 아이스하키가 원맨쇼가 아니듯이 이것은 팀 스피릿을 통한 팀 쇼입니다. 즉, 컴포지트 스페이스 프레임의 최대 도전은 단지 부품을 만드는 것이 아니라, 월드클래스 매뉴팩처링 방정식의 일부란 것입니다.”

예를 들어, 폴리우레탄 폼의 코어에 수천 개의 필라멘트를 전개하는 문어발 같은 암을 가진 대형 로봇이 적용된 정밀 제조공정은 생산시간 단축에 핵심 역할을 하는데, 이것은 팀플레이를 통한 아이디어 생성과 실현으로 가능해진다(동영상).

“우리 목표는 5분 안에 부품을 생산하는 것이었습니다. 이 목표는 대량생산과 가격 책정에 매우 중요합니다. 지금은 수프라 부품 생산에 3분 정도가 소요될 뿐입니다. 좋은 아이디어를 갖고 이것을 믿은 것이 전부였습니다.”

폴 해슬(Paul Hasl) 수석 엔지니어는 그들의 성과가 단지 커다란 아이디어에서 온 것이 아니라며, 목표에 도달하기 위한 일련의 혁신 과정을 강조했다. 예테보리 대학에서 물리학 석사 학위를 받은 해슬은 컨셉이 개발되고 평가되면서 2011년부터 프로세스 작업에 투입됐다.

“원 아이디어를 완벽하게 만들기 위해서 수백 가지의 작은 발전이 있었습니다. 이것은 아이디어에서 제조에 이르기까지, 테이핑에서 프로세스 미세조정에 이르는 모든 변경을 포함합니다. 정말 어려운 부분이었고, 지금 우리가 있는 곳까지 오는 데 수천 시간이 걸렸습니다.”

건축가, 예술가가 되기를 꿈꿨고, 심지어 조각으로 많은 시간을 보냈던 해슬은 마그나에서의 업무에 대해서도 ‘물리 디자인’을 하고 있다면서, 창의성과 실용성을 결합한다고 자평했다.



컴포지트 스페이스 프레임에 대한 개발은 9년 전인 2011년으로 거슬러 올라간다. 마그나 익스테리어의 기술 리더인 요셉 푸타 박사를 통해 시작됐다. 사진은 지난해 리베레츠 조립라인 옆에 전시된 빨간색 GR 수프라.


페이스오프 

“혁신을 좋아합니다. 10개의 아이디어 중 9개는 결국 서랍에 들어가겠지만 올바른 혁신을 찾으려면 실수를 해야 합니다. 우리는 리프트게이트에서 더 많은 개선 작업을 하고 있고 아직 많은 아이디어가 남아 있습니다.” 해슬 수석이 말했다.

경량 솔루션의 확실한 효과, 프로세스 혁신을 동반한 양산이 시작됐지만, 아직 이 기술이 보편화됐다고 볼 수는 없다. 모든 신기술이 그렇듯이 비용 문제가 있다.

일단 스틸 대비 재료비가 높다. 또 전통적으로 자동차의 내/외판에 스틸이 사용돼왔기 때문에 플라스틱 전환에 대한 두려움과 저항이 존재한다. 또한 ES/MS 스펙 재정의, 생산라인의 생산 및 조립 프로세스 조정, 이에 따른 추가 비용이 발생한다. 인력재배치 등의 문제는 물론, A/S 측면에서도, 예를 들어 스틸 테일게이트라면 덴트 등 부분 A/S가 가능하지만 플라스틱이면 전체를 교체해야 하는 등의 과제가 남는다.

그럼에도 불구, 높아지는 배출규제와 더욱 촘촘해지는 브랜드 경쟁은 카 메이커가 이 기술을 채택하도록 만들고 있다. 뭐든지 가벼울수록 좋은 것이다.

“경량 리프트게이트 모듈과 이에 포함된 혁신들은 마그나에서 가장 빠르게 성장 중인 제품 중 하나입니다. 이것은 카 메이커들이 더 혁신적인 경량화 솔루션을 추구함에 따라 더욱 향상되고 보편화될 것입니다.” 마그나 익스테리어의 그래엄 버로우 사장이 말했다. 

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