ESE E2: 성능 대비 혁신적인 원피스 탄소섬유 휠 준비 완료

탄소섬유 휠은 차량의 휠, 서스펜션 및 서스펜션에 의해 직접 연결되어 서스펜션에 의해 지지되지 않는 다른 구성요소의 결합 질량인 비스프링 질량(unsprung mass)과 회전 관성을 줄여 다양한 이점을 제공합니다. 회전 관성과 비스프링 질량 감소(최대 50%까지)는 일반적으로 더 적은 노력으로 더 빠른 가속, 제동 거리 단축, 도로와의 더 나은 접촉으로 인한 향상된 핸들링(기계적 그립), 도로 소음 감소를 가져옵니다.

하지만 탄소섬유 휠(하이브리드와 올컴포지트 모두)의 가격표는 많은 소비자들에게 닿지 않게 만들었습니다. 가장 저렴한 세트도 1만 달러 이상으로, 매우 고가의 스포츠카와 럭셔리 차량에서만 볼 수 있습니다. 그러나 여러 휠 회사들이 더 저렴한 탄소섬유 휠의 시장 잠재력을 인식하고 해결책을 모색하고 있습니다. 접근 방식은 사용 소재부터 휠 부품 제조 및 결합 방식까지 다양합니다. 일부는 탄소섬유 부품을 알루미늄과 결합해 하이브리드 휠을 만듭니다. 일부는 프리프레그로 휠을 만듭니다.

ESE Carbon Co.(ESE, 미국 플로리다 마이애미)는 2011년 더 넓은 운전자층이 탄소섬유 휠을 이용할 수 있게 하겠다는 목표로 설립되었습니다. 5축 CNC 정밀 가공 팀, 첨단 구조 복합 부품 역량, 맞춤형 섬유 배치 기계, 로봇을 추가하여 생산 자동화를 추진했습니다. 회사는 향후 1년 내 E2 라인의 원피스, 원큐어 전탄소섬유 복합 자동차 휠을 출시할 계획입니다. 무게 17파운드에 불과한 ESE 휠은 3,850파운드 축하중 등급으로 설계되어 최대 6,800파운드 총중량 등급 차량을 지지할 수 있습니다. ESE CEO Carlos Hermida에 따르면 동일한 하중을 감당하는 전통적인 알루미늄 휠은 30파운드 이상 나갑니다.

E2는 보편적 스포츠 미학 기반의 5-스포크 디자인으로 오목한 딥 볼 룩을 가집니다. Hermida는 알루미늄 포르쉐 휠 디자인에서 영감을 받아 탄소섬유에 맞게 최적화했다고 말합니다. 이 휠은 선명도가 좋은 고온 에폭시 시스템을 사용하며 클리어 글로스, 클리어 매트, 커스텀 컬러 등 맞춤 마감 솔루션을 제공합니다.

ESE의 탄소섬유 휠은 현재 제조되는 모든 휠(금속 휠 포함)에 적용되는 기존 Society of Automotive Engineers(SAE, 미국 펜실베이니아 워렌데일) 권장 관행 기준으로 인증의 80%를 달성했습니다. 더욱이 Hermida는 회사가 새로운 복합 휠 권장 관행인 SAE J3204 하에서 인증받은 최초의 원피스 휠이 될 가능성이 높다고 말합니다. 이 표준은 SAE에서 출판 승인되었습니다. 금속 휠의 SAE 권장 관행처럼 이 새로운 복합 휠 권장 사항은 다양한 피로 및 충격 테스트를 통한 내구성을 다룹니다. 또한 복합소재 고유의 환경 효과를 고려한 새로운 요구사항도 추가합니다. ESE의 제품 개발 부사장인 Dr. Michael Hayes가 이 새로운 권장 관행 태스크포스에 적극 참여하여 데이터 공유와 개발 테스트용 프로토타입 제공으로 SAE 위원회를 지원했습니다. 내부적으로 ESE 엔지니어링 팀은 E2의 성능이 최소 SAE 권장 사항을 초과하도록 노력하고 있습니다. 수년간의 프로토타입 테스트와 물리 기반 시뮬레이션이 현재 E2 설계로 이어졌습니다.

"SAE 태스크포스가 복합 휠 관행을 만들기 위해 수년간 노력해왔습니다."라고 Hermida는 말합니다. "우리 테스트 데이터와 지식이 많이 공유되어 관행이 마무리되도록 도왔고, 새로운 SAE 관행이 현재 휠 관행보다 더 엄격하겠지만 소비자 안전을 위해 환영합니다."

맞춤형 섬유 배치로 전환

ESE의 휠은 맞춤형 섬유 배치 기술(TFP)로 제작되며, 회사는 이 기술이 우수한 기계적 물성으로 탄소섬유 부품의 고속, 대량 제조를 가능하게 한다고 말합니다. TFP는 섬유 번들을 배열하고 구조적 성능이 필요한 곳에 위치시킨 후 호환되는 베이스 레이어에 스티칭하여 고정합니다. 이 절차는 필요한 형상으로 직조 직물을 절단하는 전통적 접근 방식을 대체합니다. ESE는 Hyosung Advanced Materials(한국 서울)의 산업용 탄소섬유 토우와 ZSK Stickmaschinen GmbH(ZSK, 독일 크레펠트)의 TFP 기술을 사용하여 플라이를 스티칭하여 니어넷셰이프 프리폼을 만듭니다.

"토우 소재의 경로를 제어하여 원하는 형상에 스티칭함으로써 소재가 최종 프리폼에서 필요한 곳에만 배치됩니다."라고 ZSK의 기술 자수 응용 매니저인 Topher Anderson Ph.D.는 설명합니다. "전통적인 라미네이트 설계에서 잘려나갔을 직물 영역은 단순히 스티칭하지 않습니다. 이 공정은 직조 직물을 형상에 맞게 절단할 때 발생하는 초기 폐기물을 줄이고, 복잡한 형상에 순응할 수 있어 후공정 폐기물도 줄입니다."

전통적인 탄소섬유 직물로 시작하여 TFP로 전환한 ESE는 이 기술로 플라이를 최대 50% 줄여 라미네이트 공정을 단순화하고 폐기물을 최소화했다고 주장합니다. Hermida에 따르면 탄소섬유 폐기물이 전통적 탄소섬유 직물 사용 시 약 40%에서 TFP 채택으로 10% 미만으로 감소했습니다. 또한 이 기술은 적층 품질 향상, 섬유 배향 최적화, 설계 유연성 증대로 이어졌습니다.

"우리 스포크에는 많은 곡률이 있어 플라이가 복잡합니다. 전통적 직물로는 탄소섬유 플라이 배향이 제한됩니다."라고 Hermida는 설명합니다. "TFP로는 거의 무제한으로 직선이나 곡선 패턴을 모든 방향으로 만들 수 있어 전통적 직물보다 하중과 응력을 더 효과적으로 관리하도록 최적화된 플라이 설계가 가능합니다."

ESE 휠의 가장 중요한 비용 절감 중 하나는 이러한 적층 개선에서 나옵니다. Hermida에 따르면 TFP 전환 전 적층은 회사의 제조 병목이었습니다. 그는 플라이 감소가 효율을 개선하고 적층 시간을 거의 50% 단축한다고 주장합니다. 하루에 금형당 더 많은 부품을 만들 수 있어 휠당 시간, 노동력, 장비 전반적 투자에 긍정적 영향을 미칩니다.

전반적으로 ESE는 TFP가 공정을 단순화하고 확장성 개선에 기여했다고 말합니다. Hermida는 토우를 직물 대신 구매하여 공급망을 통합하는 추가 비용 이점도 있다고 말합니다.

맞춤형 섬유 배치(TFP)에 대해 더 알아보기:

• Tailored Fiber Placement: Besting metal in volume production
• Variable-axial composites open path to lighter composite structures
• Preforming goes industrial: Part 2

전체 인퓨전, 원큐어 탄소섬유 휠

TFP 기술 투자 외에도 ESE는 휠 생산 속도 개선을 위해 오토클레이브 가공에서 벗어나고 있습니다. E2는 ESE 엔지니어링 팀이 설계한 맞춤 프레스를 사용하는 독자적 압축 수지 전이 성형(RTM) 공정으로 생산됩니다. Hermida는 전체 인퓨전, 원큐어 휠 달성이 도전적이었다고 말합니다. 핵심 요소는 올바른 수지 시스템 선택이었습니다.

"낮은 점도, 높은 T_g[유리 전이 온도], 높은 선명도, 빠른 경화, 견고한 물성의 시스템이 필요했습니다."라고 Hermida는 말합니다.

회사는 Huntsman Advanced Materials(미국 텍사스 우드랜즈)의 Araldite를 에폭시 수지 시스템으로 선정했습니다. Huntsman에 따르면 이 시스템은 빠른 주입 속도, 섬유 함침, 가공 용이성을 위한 저점도와 다양한 금형 조건과 사이클 타임에 맞출 수 있는 유연성을 제공합니다. Araldite로 ESE는 생산 속도 향상과 제동 시 휠이 노출되는 고온에서도 림 강도 증가를 달성했다고 합니다.

Araldite는 기존 고 Tg 에폭시 수지 대비 향상된 신율과 높은 파괴 인성을 가지며 최대 200°C의 높은 Tg를 가집니다.

"제동 열이 발생하기 때문에 그게 핵심 요소입니다."라고 Hermida는 말합니다.

금형 내 시간을 줄이기 위해 시스템은 금형 내 중간 온도에서 경화 후 금형 밖에서 고온 후경화(선택적)를 제공합니다. 결과는 우수한 피로 저항성을 가진 경량 복합 림으로, 차량 운행 중 반복적인 사이클/응력에 노출되는 휠의 내구성에 핵심입니다.

Huntsman 기술 담당자들이 ESE 엔지니어링 팀과 협력하여 생산 니즈에 맞는 에폭시 수지 시스템과 여러 휠 금형 주입 전에 에폭시가 겔화되기 전까지 충분한 작업 수명을 얻기 위한 이상적 성분 비율을 결정했습니다. 또한 컴퓨터 생성 예측 경화 모델링 분석과 실험실 테스트로 ESE 개발 노력을 지원했습니다.

복합 휠은 계속 굴러간다

ESE는 2020년 1분기 도로 테스트를 시작할 예정입니다. 애프터마켓 휠 인도는 2020년 말 예상되며 OEM들과 논의를 시작했다고 합니다. E2의 시장 데뷔가 임박한 가운데 문제는 다시 비용으로 돌아옵니다. 현재 시장의 대부분의 탄소섬유 휠은 일부 저가 자동차 가격과 비슷합니다.

"탄소섬유 휠 제조는 여러 면에서 독특합니다. 현재 자동화 기술이 우리에게 이롭지만, 원하는 휠 가격대에 도달하려면 여전히 많은 맞춤화와 자동화 개발이 필요합니다."라고 Hermida는 말합니다.

TFP 추가로 ESE는 공정 자동화에서 진전을 보이고 있습니다. Hermida는 회사가 휠 후공정 자동화도 달성했으며, 현재 트리밍, 로봇 픽앤플레이스 적층, 프리포밍 등의 자동화 발전을 추진 중이라고 말합니다.

"결국 ESE가 탄소섬유 휠을 달성 가능하게 만드는 것입니다."라고 ESE의 비즈니스 개발 부사장 Daniel Canavan은 말합니다. "우리는 탄소섬유 기술이 더 많은 대중에게 적용될 수 있는 지점에 도달하기 위해 부지런히 노력하고 있습니다."

ESE의 E2는 시장에서 단순히 경쟁력 있는 휠 이상을 목표로 합니다. 초기 목표는 4개 휠 세트를 $9,900 미만에 제공하는 것입니다. 여전히 비싸게 들릴 수 있지만 확실히 올바른 방향으로 나아가는 단계이며, Hermida는 회사의 자동화 프로젝트가 비용을 더 줄여 럭셔리/퍼포먼스 시장을 넘어설 수 있도록 도울 것이라고 말합니다.

"우리의 야망은 그 이상입니다."라고 Hermida는 말합니다. "이건 단지 시작점일 뿐입니다. 우리의 목표는 단조 알루미늄 휠 가격대와 근접한 가격을 설정하는 것입니다." 비교 가능한 단조 알루미늄 휠은 5,000~7,000달러 범위입니다.

"우리는 대량 생산으로 이걸 하는 더 큰 그림을 봅니다."라고 Canavan은 말합니다. "전기차와 다른 시장에서 효율성을 공유하고 사용자들이 비스프링 중량 감소(성능, 속도, 안전)의 이점을 경험할 수 있는 곳을 생각하고 있습니다. 이 기술로 진정으로 변화를 만들 수 있는 장점이 너무 많습니다."