A review of magnesium die-castings for closure applications

1. 개요:

• 제목: A review of magnesium die-castings for closure applications
• 저자: J.P. Weiler
• 발행 연도: 2019
• 발행 학술지/학회: Journal of Magnesium and Alloys
• Keywords: Die-casting; Automotive applications; Closures; Lightweighting.

2. 연구 배경:

1975년 제정된 CAFE (Corporate Average Fleet Economy) 규정에 따라 북미 자동차 및 경트럭의 평균 연비 향상이 의무화되었습니다. 연비 목표는 1978년부터 1985년까지 초기 증가를 요구했으며, 2011년까지는 상당한 연비 향상 요구가 없었습니다.

현재 자동차와 경트럭의 연비 요구사항은 2025년까지 지속적으로 증가하고 있으며, 주로 동력계 기술 개발과 차량 경량화를 통해 충족될 수 있습니다. 경량화는 부품 또는 시스템 설계의 CAE(Computer-aided engineering) 최적화, 경량 소재 구현, 부품 통합 등 다양한 방법으로 달성될 수 있으며, 이는 엔진 블록 및 변속기의 소형화, 제동 요구 사항 감소로 이어져 2차적 또는 복합적인 경량화 효과를 가져옵니다.

자동차용 다이캐스팅 마그네슘 합금 부품은 일반적으로 위에서 설명한 세 가지 경량화 방법을 사용합니다. 마그네슘 다이캐스팅은 상대적으로 낮은 밀도, 설계 유연성 및 유동성으로 인해 상당한 부품 통합을 가능하게 합니다.

기존에는 계기판 프레임, 시트 프레임, 조향 장치 및 트랜스퍼 케이스 애플리케이션에 사용되었습니다. 2015년 기준으로 북미 차량의 평균 마그네슘 함량은 약 5kg이며, 2025년까지 3배 증가할 것으로 예상됩니다.

본 연구는 여러 논문에서 조사되었고, 일부 사례에서는 생산 차량에 도입된 클로저 애플리케이션에서 마그네슘 다이캐스팅의 최근 연구를 검토합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적: 클로저 애플리케이션에서 마그네슘 다이캐스팅의 과거 및 현재 개발 동향을 검토하고, 이러한 애플리케이션에 대한 마그네슘 합금의 장점과 과제(캐스팅 설계, 부식 및 고정 전략, 제조 설계 및 조립 방법론 포함)를 논의합니다.
• 핵심 연구 질문: 마그네슘 다이캐스팅은 클로저 애플리케이션에 어떻게 적용될 수 있을까요? 마그네슘 합금은 클로저 애플리케이션에 어떤 장점과 단점을 가지고 있을까요?
• 연구 가설: 마그네슘 다이캐스팅은 클로저 애플리케이션에서 중량 감소 및 부품 통합에 기여할 수 있다.

4. 연구 방법론:

• 연구 설계: 문헌 검토(Literature Review)
• 데이터 수집 방법: 기존 연구 논문 및 산업 보고서 검토
• 분석 방법: 정성적 분석 (Qualitative Analysis)
• 연구 대상 및 범위: 클로저 애플리케이션 (자동차 도어, 리프트게이트 등)에 사용된 마그네슘 다이캐스팅에 대한 기존 연구 및 생산 사례 검토

5. 주요 연구 결과:

마그네슘 다이캐스팅은 클로저 애플리케이션에서 최대 50%의 중량 감소와 부품 수 감소 효과를 가져왔습니다. 2017년 크라이슬러 패시피카의 리프트게이트 내부 구조물에 마그네슘 다이캐스팅을 적용한 사례는 이전 세대의 9개 부품을 대체하여 리프트게이트 어셈블리 중량을 거의 50% 줄였습니다.

다른 생산 사례로는 2004년 Aston Martin DB9의 마그네슘 사이드 도어 인너(약 43% 중량 감소), 2010년 Lincoln MKT의 마그네슘 리어 리프트게이트 인너(약 40% 중량 감소), 2009년 Mercedes E-Class T-Model, 2017년 Aston Martin Vanquish S, 2006년 Mercedes CL-Class Coupe, 그리고 2018년 Jeep Wrangler의 마그네슘 스윙 게이트 다이캐스팅 인너 등이 있습니다.

Lotus Engineering의 연구는 2009년 Toyota Venza의 사이드 도어와 리프트게이트 인너에 26kg 이상의 마그네슘을 사용하여 41%의 중량 감소를 달성했고, General Motors의 DOE(Department of Energy) 지원 프로젝트는 통합 다이캐스팅 마그네슘 도어 인너를 개발하여 부품 수를 줄이고 거의 50%의 중량 감소를 달성했습니다.

마그네슘 클로저 디자인은 부식 방지, 고정 및 조립 전략 등의 설계 과제를 가지고 있으며, CAE(Computer-aided engineering) 최적화, 두께 변화, 리브 패턴 등의 설계 전략이 사용됩니다. 마그네슘 다이캐스팅의 제조 및 조립은 접착제 결합, 헴 플랜지 조인트 디자인, 표면처리 및 코팅 등을 포함합니다.

Figure List:

• Figure 1: 2017 Chrysler Pacifica showing the liftgate assembly highlighted by a magnesium die-cast inner.
• Figure 2: Aston Martin Vanquish S with cast magnesium side door inners.
• Figure 3: All-new 2018 Jeep Wrangler produced with a die-cast magnesium rear swing gate.
• Figure 4: Integrated magnesium door cast inner developed as part of a DOE-sponsored project led by GM, right, and equivalent steel stamped door inner, left.
• Figure 5: Mercedes SL Roadster die-cast magnesium door inner.
• Figure 6: Ford's concept die-cast magnesium door inner with an open architecture.
• Figure 7: Integrated magnesium die-cast door inner designed as part of a DOE-sponsored project led by GM.
• Figure 8: Vehicle deformation resulting from 33.5 mph side barrier impact CAE simulations according to FMVSS 214 of the BIW structure.
• Figure 9: Simulated intrusion displacements resulting from 33.5 mph side barrier impact CAE simulations according to FMVSS 214 of the BIW structure.
• Figure 10: Vehicle deformation resulting from 20 mph 75° side pole impact CAE simulations using a 50th percentile male crash dummy according to FMVSS 214 of the BIW structure.
• Figure 11: Simulated intrusions resulting from 20 mph 75° side pole impact CAE simulations using a 50th percentile male crash dummy according to FMVSS 214 of the BIW structure.
• Figure 12: Door assembly containing the integrated magnesium die-cast door inner designed as part of a DOE-sponsored project led by GM.

6. 결론 및 논의:

본 연구는 클로저 인너 애플리케이션에 대한 마그네슘 다이캐스팅의 중량 절감 잠재력과 성능 특성을 요약합니다. 마그네슘 다이캐스팅은 강성, 충돌 안전성 및 제조성에 대한 설계 과제에 대한 해결책을 제시하며, 강성, 충돌 성능 및 제조성을 위한 설계, 다이캐스팅 마그네슘 인너를 BIW에 통합하기 위한 조립 공정 설계, 코팅 시스템 설계, 그리고 갈바닉 부식 방지 전략을 포함합니다.

마그네슘 다이캐스팅은 CAFE 요구사항 달성을 위한 차량 경량화에 유용합니다. 그러나 갈바닉 부식 문제 해결을 위한 추가적인 연구가 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

• 갈바닉 부식 방지 전략에 대한 추가 연구
• 다양한 마그네슘 합금 및 제조 공정에 대한 연구
• 더욱 복잡한 클로저 시스템에 대한 마그네슘 다이캐스팅의 적용 가능성 연구

8. 참고문헌:

논문 내에 명시된 참고문헌 목록 (References [1]~[20])

• [1] “Draft Technical Assessment Report, Midterm Evaluation of Light-Duty Vehicles Greenhouse Gas Emission Standards and Corporate Average Fuel Economy Standards for Model Years 2022-2025”, EPA, NHTSA, 2016.
• [2] USAMP team, Magnesium Vision 2020: A North American Automotive Strategic Vision for Magnesium, USCAR, 2006.
• [3] FCA North America media, media.fcanorthamerica.com, 2017.
• [4] M. Stevens, S. Modi, M. Chess, Mixed Materials Solutions: Alternative Materials for Door Assemblies, Center for Automotive Research, 2016 CAR Report.
• [5] J.P. Weiler, C. Sweet, A. Adams, R. Berkmortel, S. Rejc, C. Duke, Next generation magnesium liftgate – utilizing advanced technologies to maximize mass reduction in a high volume vehicle application, in: Proceedings of the 2016 IMA World Magnesium Conference, 2016.
• [6] P.J. Blanchard, G.T. Bretz, S. Subramanian, J.E. deVries, A. Syvret, A. MacDonald, and P. Jolley, “The Application of Magnesium Die Casting to Vehicle Closures”, SAE Technical Paper Series 2005-01-0338, 2005, doi:10.4271/2005-01-0338.
• [7] IMA, “Magnesium Liftgate Improves Fuel Economy”, Magnesium Showcase, 12 (2010), 2.
• [8] Lotus Engineering Inc., An Assessment of Mass Reduction Opportunities for a 2017-2020 Model Year Vehicle Program, The International Council on Clean Transportation, 2010.
• [9] Lotus Engineering Inc., Evaluating the Structure and Crashworthiness of a 2020 Model-Year, Mass-Reduced Crossover Vehicle using FEA Modeling, California Air Resource Board, 2012.
• [10] J. Jekl, J. Auld, Sweet C, J.T. Carter, S. Resch, A.D. Klarner, J. Brevick, A.A. Luo, Development of a thin-wall magnesium side door inner panel for automobiles, in: Proceedings of the 2015 IMA World Magnesium Conference, 2015.
• [11] P. Jonason, P. Nilsson, and M. Isacsson, “MAGDOOR – Magnesium in Structural Application”, SAE Technical Paper Series 1999-01-3198, 1999, doi:10.4271/1999-01-3198.
• [12] T. Ruden, R. Murty, and W. Ruch, “Design and Development of a Magnesium/Aluminum Door Frame”, SAE Technical Paper Series 930413, 1993, doi:10.4271/930413.
• [13] C. Blawert, V. Heitmann, D. Höche, K.U. Kainer, H. Schrekenberger, P. Izquierdo, S.G. Klose, Design of hybrid Mg/Al components for the automotive body – preventing general and galvanic corrosion, in: Proceedings of the 2010 IMA World Magnesium Conference, 2010.
• [14] H. Schreckenberger, M. Papke and S. Eisenberg, “The Magnesium Hatchback of the 3-Liter Car: pProcessing and Corrosion Protection”, SAE Technical Paper Series 2000-01-1123, 2000, doi:10.4271/ 2000-01-1123.
• [15] H. Friedrich, S. Schumann, J. Mater. Process. Technol. 117 (2001) 276– 281, doi:10.1016/S0924-0136(01)00780-4.
• [16] G.T. Bretz, K.A. Lazarz, D.J. Hill, P.J. Blanchard, Magnesium Technology, TMS, Warrendale, PA, 2004, pp. 113–119.
• [17] Aston Martin global website, 2018.
• [18] Daimler Global Media, media.daimler.com, 2017.
• [19] C. Blawert, N. Hort, K.U. Kainer, Trans. Indian Inst. Metals 57 (2004) 397–408 doi:.
• [20] K. Dziczek, M. Schultz, T. Fiorelli, B. Swiecki, Y. Chen, D. Andrea, “New Materials/New Skills for the Trades”, CAR Research, 2017.

저작권

본 자료는 J.P. Weiler의 논문: A review of magnesium die-castings for closure applications을 기반으로 작성되었습니다.

논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.02.005

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