자동차를 보다 가볍게 만들기 위해서는 실린더 캐스팅과 같은 엔진 부품들이 가벼워야 하며 이들 부품들을 알루미늄 대신에 섬유 보강 플라스틱으로 만들면 다른 부가적인 비용 없이 무게를 20% 이상 줄일 수 있다. 이러한 사출 성형 부품들은 대량 생산하기에도 적합하다. 자동차들이 연료 소비를 줄이기 위해 보다 가벼워져야만 하는 것은 자명하다. 대부분의 자동차 디자이너들은 이러한 무게 감량에 대해서 주로 차체 부품을 생각하며 엔진을 포함하여 자동차 무게의 많은 부분을 차지하는 동력 발생과 전달 장치에 대한 생각은 하지 못한다. 현재까지 자동차 생산업체들은 실린더 블록과 같은 엔진 부품들의 무게를 줄이기 위해 알루미늄을 사용하였는데 섬유보강 플라스틱으로 만들어진 일정한 부품을 사용하여 실린더 블록을 디자인하면 보다 무게를 줄일 수 있다.
독일 프라운호퍼 화학기술 실험실 ICT의 부분인 신형 드라이브 시스템 프로젝트 그룹이 일본 Sumitomo Bakelite 회사의 고성능 플라스틱 사업본부인 SBHPP와 함께 개발한 실험적인 엔진은 이러한 사실을 확인시켜 주었다. “우리는 섬유 보강 복합재료를 사용하여 단일 실린더 연구엔진 용도의 실린더 캐스팅을 제조하였다. 실린더 캐스팅은 알루미늄을 사용하였을 때와 비교하여 섬유 보강 복합재료를 사용하면 같은 부품에 대해 같은 비용으로 무게를 약 20% 줄일 수 있다”고 이 프로젝트의 책임자이며 프라운호퍼 신형 드라이브 시스템을 위한 프로젝트 그룹에서 경량 동력발생과 전달 장치 디자인 연구 분야의 관리자인 Lars-Fredrik Berg 박사는 말한다. 이는 분명한 해결안 같지만 높은 온도와 압력 및 진동에 대해 손상이 가지 않고 견딜 수 있는 재료를 사용해야 하기 때문에 내부적으로는 수많은 기술적인 문제점이 포함되어 있다.
이와 같은 특성들을 가지고 있는 플라스틱들은 1980년대에 알려지기는 했지만 이 당시에는 단지 소량으로만 제조가 가능하였고 손으로 제조하였기 때문에 많은 노동력이 필요하여 실린더 블록이 수백만 개의 대량으로 제조되어야 하는 자동차 산업에 적용하기가 어려웠다. 이들 엔진들을 충분히 강하게 만들기 위해서 연구원들은 무슨 연구개발을 이룬 것인가? “먼저 우리는 엔진 디자인을 보았고 높은 열적 및 기계적인 하중이 걸리는 부분을 인지하였다. 여기서 우리는 마모 저항을 강화시키기 위해 금속 삽입물을 사용하였다”고 Berg는 설명한다. 하나의 예는 실린더 라이너로서 자동차 수명 동안에 내부에서 수백만 반 상하 반복운동을 하게 된다. 또한, 연구원들은 플라스틱이 가능한 열에 적게 노출되도록 이들 부품들읨 기하학적인 구조를 개조하였다.
플라스틱 재료들의 특성도 중요한 역할을 한다. 충분히 단단하고 견고하며 오일, 휘발유 및 냉각수에 포함된 글리콜에 대해 저항성을 가져야 한다. 또한 금속 삽입물과 부착이 좋아야 하며 금속보다 큰 열팽창계수를 가지면 안 된다. 그렇지 않으면 내부 삽입물은 기지체와 분리된다. Berg의 연구팀은 55%의 섬유와 45%의 레진으로 만들어지고 위의 필요조건에 부합되는, SBHPP가 개발한 유리섬유 보강 페놀 복합재료를 사용하였다. 보다 가볍지만 좀 더 비싼 대체 재료로는 탄소섬유 보강 복합재료가 있는데 이는 자동차 제조업체들이 가격 혹은 무게 면에서 엔진을 최적화하기를 원할 때 사용한다.
연구원들은 이들 부품들을 사출 성형 공정을 사용하여 그래뉼로 된 열경화성 플라스틱으로 만들었다. 유리섬유가 이미 레진과 혼합되어 있는, 용융된 복합재료는 사출되어 성형몰드 내에서 경화된다. 과학자들은 마감 재료의 성능을 최적화하기 위해서 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 공정을 분석하였다. 공정은 대량 생산 시나리오에 잘 부합되었고 제조경비도 알루미늄으로 만들어진 엔진 부품들에 비해 많은 마감 공정을 없앨 수 있어 훨씬 낮출 수 있었다. 이 엔지의 프로토타입은 4월 13~17일에 개최되는 하노버 메세에서 제시될 예정이다. 새로운 엔진의 시험 가동들은 성공적으로 완료되었다. “우리는 새로 개발한 엔진이 기존의 엔진과 같은 성능을 가진다는 것을 증명하였다”고 Berg는 말한다. 또한, 금속 부품으로 만들어진 경우에 비해 작동 소음을 줄일 수 있는 장점도 가진다는 것이 확인되었다. 초기 데이터는 환경에 방사되는 많은 열이 알루미늄을 기반으로 한 엔진에 비해 훨씬 적다는 것을 보여준다. 과학자들은 크랭크샤프트 베어링을 포함하여 다중 실린더 플라스틱 기반의 엔진 개발연구를 보다 더 진행할 예정이다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』