아름다운 디자인을 완벽한 품질로 구현하는 차체 성형 기술

자동차 디자인 개발은 평면 스케치에서 시작한다. 그러나 우리가 실제로 마주하는 자동차 외형은 입체로 구성되어 있다. 덩어리를 깎아낸 듯한 역동적인 자동차의 외형도 실은 0.7mm 안팎의 평평한 강판을 금형에 넣고, 수천 톤 압력의 프레스 설비로 눌러 만든 것이다. 이 과정에서 강판이 견딜 수 있는 한계 이상으로 늘어나거나 특정 부위에 압력이 몰리면, 찢어지거나 주름지는 등 여러 불량이 생긴다. 평면 스케치로 ‘그릴 수 있는 디자인’과 이를 입체적인 형태로 ‘만들 수 있는 디자인’ 사이에는 늘 간극이 존재하는 셈이다.

디자인의 개성이 강할수록 이 간극은 더 벌어진다. 차체 옆면을 가로지르는 날카로운 캐릭터 라인과 풍만한 보디 볼륨은 자동차의 성격을 드러내는 핵심 요소지만, 성형 시 강판에는 큰 부담을 준다. 선이 날카로울수록 모서리 부분의 강판이 얇아지기 쉽고, 볼륨이 클수록 강판이 더 많이 늘어나야 하기 때문이다. 즉, 디자이너가 의도한 조형을 양산차에 완성도 높게 구현하기 위해서는 성형 시 강판의 변형을 정밀하게 예측하고, 이에 맞춰 성형 조건을 세밀하게 조율할 줄 알아야 한다.

우리가 도로에서 마주하는 자동차의 선과 면은 디자이너의 상상력과 물리적 한계가 맞부딪친 끝에 찾아낸 합의점이다. 그리고 이런 합의점을 디자인 쪽으로 얼마나 끌어올 수 있느냐는 차체 성형 기술에 달려 있다. 현대자동차는 지난 수십 년간 차체 성형 기술을 고도화하며 그 간극을 꾸준히 좁혀왔고, 이제는 업계 최고 수준의 도전적인 디자인을 선보이고 있다. 차체 성형 기술이 무엇인지, 그리고 현대차가 이 기술을 어떻게 발전시켜 왔는지 살펴봤다.

차체 패널은 크게 이너 패널(Inner Panel, 내판)과 아우터 패널(Outer Panel, 외판)로 나뉜다. 내판은 차체 골격으로서 강성과 내구성, 구조 안전성 등을 맡는다. 외판은 우리가 보고 만지는 자동차의 외형을 이룬다. 평평한 강판을 금형 사이에 넣고 프레스 설비로 눌러 만드는 게 일반적이며, 그중 외판 제작에는 특히 높은 수준의 차체 성형 기술이 필요하다.

차체 성형 기술은 디자인 완성도와 외관 품질은 물론 경량화와 생산성까지 두루 좌우한다. 가장 먼저 영향을 받는 것은 디자인이다. 캐릭터 라인이 조금만 무뎌지거나 볼륨이 줄어도 차의 인상은 크게 달라진다. 그렇다고 만들기 쉽게 디자인을 단순화하면 시각적 매력이 떨어진다.

즉, 차체 성형 기술이 추구하는 개발 목표는 디자이너가 의도한 선과 면을 최대한 유지하면서도, 완벽한 외관 품질과 양산성을 함께 확보하는 것이다. 이를 위해 개발 초기부터 디자인 부문과 함께 성형 난제를 검토하고, 차체 외부 형상과 금형 구조, 성형 공법 등을 아우르는 종합적인 해결 방안을 도출한다. 이는 아름다운 디자인을 완벽한 품질로 완성하고자 하는 현대차 차체 성형 기술 부문의 지향점과도 맞닿아 있다. 

경량화와 생산성도 차체 성형 기술에서 중점적으로 검토한다. 가볍고 단단한 차체를 만들려면 고강도강이나 알루미늄 합금처럼 성형이 까다로운 소재를 능숙하게 다룰 수 있어야 하기 때문이다. 또한 차체 패널을 보기 좋게 성형하는 것에 그치지 않고, 용접할 면적과 부품을 조립할 공간까지 확보하고 생산 효율을 극대화할 수 있도록 개발한다.

그렇다면 차체 패널은 어떤 과정을 거쳐 만들어질까? 차체 패널은 두루마리 형태의 코일 강판을 알맞은 크기로 잘라낸 뒤, 금형에 넣고 여러 차례 프레스 공정을 거쳐 완성된다. 이 과정의 핵심은 금형 내부에서 강판의 물성을 다루는 일이다. 우리가 단단하다고 생각하는 강판도 프레스 설비의 높은 압력을 받으면 금형 내부에서 마치 밀가루 반죽처럼 여러 방향으로 움직이고 소성 변형된다. 차체 성형이 어려운 이유는 이런 움직임을 원하는 대로 제어하기가 쉽지 않기 때문이다.

이때 발생 가능한 대표적인 불량 사례는 세 가지다. 첫째는 크랙이다. 강판의 특정 부위가 지나치게 늘어나 기준치 이하로 얇아지면서 찢어지는 현상을 말한다. 둘째는 주름이다. 강판이 한곳에 몰리거나 압축 변형이 강하게 일어나 표면이 자잘하게 접히는 현상이다. 셋째는 굴곡이다. 금형과 강판이 제대로 밀착하지 못하는 등 여러 이유로 표면에 미세한 굴곡이 생길 수 있다. 눈에 잘 띄지 않을 만큼 작아도 도장 후에는 바라보는 각도에 따라 관측이 가능하기 때문에 엄격한 생산 품질 관리가 필요하다.

이런 불량은 경우에 따라 서로 반대되는 이유로도 발생한다. 크랙을 막으려고 여유 두께를 확보해 성형하면 주름이 생기고, 주름을 막기 위해 강판을 늘리면 크랙이 생기는 게 대표적이다. 깊고 날카로운 차체 패널 형상일수록 품질 확보가 어려운 이유다. 현대차는 이런 제약을 극복하기 위해 디자인 개발 초기 단계부터 차량 양산까지 이어지는 유기적인 개발 프로세스를 구축했다.

디자인 스케치가 확정되는 순간부터 차량 설계, 성형 기술, 생산 기술 담당자들이 하나의 형태를 두고 끊임없이 의견을 주고받는다. 성형이 어려운 부위가 발견되면 디자인 의도를 해치지 않는 범위에서 선의 각도와 면의 깊이를 조정하기도 하고, 금형 구조나 공정 조건을 바꿔 한계를 넘어서기도 한다. 디자인 콘셉트와 완성도를 지키면서도 실제로 양산할 수 있는 형상을 함께 찾아가는 과정이다.

성형 해석

금형 한 벌을 만드는 데는 많은 비용과 시간이 든다. 게다가 차체 패널 생산에는 강판 소재마다 다른 특성, 금형과 설비 상태 등 다양한 변수가 작용한다. 그래서 실제 금형 제작 전 이런 변수를 미리 검증하기 위해 컴퓨터 성형 해석(CAE, Computer Aided Engineering)을 활용한다. 이를 통해 강판이 금형 안에서 어떻게 흐르는지 시뮬레이션해 두께 감소율과 크랙·주름 발생 가능성 등을 검증한다.

해석 결과는 두께 변화와 위험 영역을 색으로 표시한 컬러맵으로 나타나며, 실제 성형 결과를 최대 95%까지 예측할 수 있다. 물론 성형 해석만으로 실제 성형 결과를 100% 재현하기는 어렵다. 예측 정확도를 높이려면 오랜 경험과 축적된 데이터가 뒷받침돼야 하고, 해석 결과를 실물로 검증하는 과정도 반드시 거쳐야 한다.

금형 개발

성형 해석이 끝나면 실제 금형을 가공해 시험 성형하는 단계로 넘어간다. 이어서 금형과 제품을 수정하고 양산에 들어간다. 컴퓨터가 예측하지 못하는 나머지 5%는 바로 이 단계에서 확인하고 바로잡는다. 여기에 숙련된 개발자가 금형 표면을 미세하게 다듬는 사상 작업을 통해 면 품질도 끌어올린다. 장인의 감각과 첨단 기술이 함께 일하는 단계인 셈이다.

이 모든 과정을 더 빠르고 정확하게 만드는 기술도 발전하고 있다. 그동안 금형 개발 과정에서는 개발자가 수백 가지 요구사항을 분석해 부품별로 따로 설계해야 했고, 개발자마다 해석이 다르면 수정하는 작업을 되풀이해야 했다. 현대차는 이런 제약을 넘어서기 위해 지난 2024년 세계 최초로 ‘프레스 금형 자동설계 시스템’을 개발했다. 

프레스 금형 자동설계 시스템은 수십 년간 쌓아온 노하우를 바탕으로 기술 문서와 설계 조건 데이터를 표준화하고, 흩어져 있던 설계 프로세스를 하나로 통합한 것이다. 개발자는 시스템 안내에 따라 단계별로 필요한 수치만 입력하면 최적의 금형 설계 도면을 자동으로 얻을 수 있다. 그 결과 설계 시간을 75% 이상 줄이고 설계 오류도 원천적으로 차단하고 있다. 특히 사이드 아우터처럼 성형 해석과 설계 수정을 수없이 반복하는 크고 복잡한 외판 제작에 유용하다. 

직선과 평면, 생산성 중심의 자동차 디자인

초창기 현대차의 디자인은 생산성을 중심에 두었다. 차체 성형 기술이 아직 충분히 무르익지 않았던 만큼, 디자인 개발 단계부터 ‘차체 패널을 얼마나 효율적이고 안정적으로 만들 수 있는가’를 중요하게 고려했다. 첫 번째 고유 모델 포니와 두 번째 고유 모델 스텔라가 대표적이다. 직선과 평면 위주의 단순한 면 구성, 완만한 곡률, 여러 조각으로 나눈 분할 패널이 그 특징이었다.

세계적인 자동차 디자이너 조르제토 주지아로(Giorgetto Giugiaro)가 디자인한 두 차종은 당대 최신 스타일을 적용하여 감각적이고 세련된 멋을 뽐냈다. 직선 기조의 단정한 스타일링은 당시 트렌드를 따른 것이기도 했지만, 제조 관점에서는 성형 난도를 낮추는 효과도 있었다. 덕분에 현대차는 부족한 개발 및 생산 여건에서도 외관 품질을 일정하게 확보할 수 있었다.

1990년대 중반을 지나며 현대차는 디자인 경영을 적극적으로 전개했다. 이는 수많은 글로벌 브랜드 사이에서 현대차의 존재감을 키우기 위한 전략이었다. 이에 따라 1996년 티뷰론, 1998년 4세대 EF 쏘나타, 2000년 1세대 싼타페 등 여러 차종에서 더 깊고 또렷한 선과 에지, 풍성한 볼륨을 잇따라 선보였다. 이런 디자인을 뒷받침하기 위해 컴퓨터 성형 해석 기술과 금형 제작 기술 등 차체 성형 기술 전반도 혁신했다. 1985년 1세대 쏘나타와 2004년 5세대 쏘나타의 외관을 나란히 놓고 보면, 약 20년 사이에 현대차의 개발 역량이 얼마나 발돋움했는지 한눈에 확인할 수 있다.

칼로 그은 듯 선명하게, 샤프 라인 디자인

선이 날카로울수록 성형은 어려워진다. 성형 압력이 한곳에 집중되면 강판이 찢어지기 쉽고, 성형 중 강판이 밀리면 선이 흐려진다. 현대차는 8세대 쏘나타의 날카로운 측면 캐릭터 라인을 적용하기 위해 금형의 기본을 강화했다. 우선 더 단단한 소재로 금형 재질을 변경했을 뿐만 아니라 캐릭터 라인을 성형하는 금형 부위에는 열처리 가공으로 표면을 더 단단하게 만드는 등 금형의 강도와 내구성까지 끌어올렸다.

차체 성형 기술의 발전은 세 개의 선이 만나 이루는 삼각형 형태를 차체 전반에 녹여낸 디자인 철학 ‘파라메트릭 다이나믹스(Parametric Dynamics)’의 탄생으로 이어졌다. 파라메트릭 다이나믹스를 대표하는 2020년 7세대 아반떼와 4세대 투싼의 기하학적인 면 분할과 측면 캐릭터 라인은 마치 칼로 깎아낸 조각처럼 또렷했다.

후드는 여닫는 부품으로, 충분한 강성을 갖추고 엔진 열기도 견뎌야 한다. 이에 따라 2세대 G90의 후드는 알루미늄 합금으로 만든 대형 패널인 만큼 정밀한 성형 기술을 동원했다. 후드 외판과 내판을 같은 두께로 구성해 구조 강성을 높이는 한편, 후드 양 측면부에 위치한 디자인 에지를 구현하기 위해 외판을 두 단계로 나눠 접는 ‘유압 푸시업 캠 헤밍’ 공법으로 마감해 외관 품질을 높였다. 이 기술은 2022년 세계적인 차체 기술 컨퍼런스 ‘오토모티브 서클 카바디(Automotive Circle Car Body)’에서 발표됐다.

압도적인 디자인 존재감, 폭넓은 차종으로 확대

현대차가 쌓은 고난도 차체 성형 기술은 더 다양한 차종에 과감한 디자인을 적용하는 밑거름이 되고 있다. 프레스 공정 최적화도 그중 하나다. 프레스 공정을 몇 단계로, 어떤 순서로 구성하느냐는 중요한 기술이다. 공정 수를 줄이면 생산 효율은 높아지지만, 공정 하나하나가 감당해야 할 성형 부담은 그만큼 커진다.

그래서 외관 품질 기준이 높은 고급 차종은 보통 프레스 공정을 다섯 차례 거치는 5공정 체계로 외판을 만든다. 현대차는 공정 구성을 최적화해 4공정 체계로도 고급차 수준의 외관 품질을 낼 수 있는 기술력을 확보했다. 공정을 하나 줄여 생산 효율을 높인 덕분에 더 많은 차종에 고급스러운 외장 디자인을 적용하고 있다.

가장 최신 사례는 8세대 아반떼와 5세대 투싼이다. 두 차종은 디자인 철학 ‘아트 오브 스틸(Art of Steel)’을 기반으로 금속 고유의 텐션을 최대한 끌어올려, 정교한 선과 강인한 면이 어우러진 아름다움을 추구했다. 다른 자동차 브랜드에서 볼 수 없는 풍부한 볼륨과 에지의 차체 패널도 특징이다. 두 차종의 디자인 개발 과정에는 초기 단계부터 디자인 부문과 차체 성형 부문이 함께 형상을 검토했다. 또한 강판이 견딜 수 있는 한계까지 도전하는 디자인을 완성도 높은 품질로 현실화하기 위해 다른 차종 대비 3배 이상 많은 성형 해석과 검증을 거쳤다.

볼륨이 가장 두드러지는 곳은 리어 펜더다. 가령 5세대 투싼은 리어 펜더 볼륨을 이전 모델보다 키웠고, 이를 품은 사이드 아우터 패널의 성형 깊이도 이전 40mm에서 71mm로 깊어졌다. 참고로 성형 깊이란 차체 패널에서 가장 튀어나온 부분과 가장 안쪽 부분의 깊이 차이를 말하며, 그 차이만큼 성형 시 강판 한 장이 감당해야 할 부담과 변형량이 더 커진다. 8세대 아반떼 역시 풍성한 리어 펜더 볼륨으로 단단한 자세를 완성했다. 성형 깊이가 증가함에 따라 강판이 갈라지거나 주름지기 쉬운 조건이었지만, 형상을 여러 단계에 걸쳐 만드는 ‘다단 성형 공법’ 등을 적용해 원하는 디자인을 구현했다.

두 차종의 클램쉘 후드는 이전 모델 대비 볼륨감과 길이를 증대해 한층 단단하고 강인한 전면부 인상을 연출했다. 윈드실드와 A필러가 인접한 부위의 경우 외판 가장자리를 내판 쪽으로 접어 두 패널을 맞물려 마감하는 헤밍 공정의 난도가 크게 상승했지만, 위에서 아래 방향으로 눌러 접는 기존 헤밍 대신, 경사 방향(테두리 방향)으로 진입해 외판을 눌러 접는 ‘유닛 캠 헤밍(Unit Cam Hemming)’을 통해 기존 방식으로는 양산하기 어려운 디자인을 완벽한 외관 품질로 완성했다.