구울 준비가 된 일체형, 1회 경화 탄소 섬유 휠

원피스, 원큐어. ESE의 E2 복합재 휠 라인은 TFP(맞춤형 섬유 배치)와 독점적인 압축 수지 이송 성형(RTM) 스타일 프로세스를 사용하여 일체형 전체 탄소 섬유 휠을 생산합니다. 출처 | ESE 카본 주식회사

탄소 섬유 휠은 회전 관성 및 차량의 휠, 서스펜션 및 서스펜션이 지원하지 않는 기타 직접 연결된 구성 요소의 결합 질량(스프링되지 않은 질량으로 알려진)을 줄여 다양한 이점을 제공합니다. 회전 관성 및 스프링 해제 질량의 감소(최대 50%까지 가능)는 일반적으로 더 적은 노력으로 더 빠른 가속, 감소된 제동 거리, 더 나은 노면 접촉(기계적 그립) 및 감소된 노면 소음으로 인한 핸들링 개선을 가져옵니다.

그러나 하이브리드 및 복합 복합재 모두 탄소 섬유 휠의 가격표로 인해 많은 소비자의 손이 닿지 않았습니다. 한 세트에 10,000달러 이상으로 가장 저렴한 가격으로 휠은 최고급 스포츠카와 고급 차량에서만 찾을 수 있습니다. 그러나 몇몇 휠 회사는 더 저렴한 탄소 섬유 휠에 대한 시장 잠재력을 인식하고 솔루션을 찾기 위해 노력하고 있습니다. 접근 방식은 휠 구성 요소가 제조 및 결합되는 방식에 사용되는 재료에 따라 다릅니다. 일부는 하이브리드 휠을 위해 탄소 섬유 구성 요소와 알루미늄을 결합합니다. 일부는 프리프레그로 바퀴를 만듭니다.

ESE Carbon Co.(ESE, Miami, Fla., U.S.)는 2011년에 설립되었으며, 운전 인구의 더 많은 부분을 위해 탄소 섬유 휠을 사용할 수 있도록 합니다. 이 회사는 생산을 자동화하기 위해 5축 CNC 정밀 가공 팀, 고급 구조용 복합 부품 기능, 맞춤형 섬유 배치 기계 및 로봇을 추가했습니다. 회사는 내년에 일체형, 1중합 탄소 섬유 복합재 자동차 휠의 E2 라인을 출시하는 것을 목표로 하고 있습니다. 무게가 17파운드에 불과한 ESE의 휠은 3,850파운드의 차축 정격으로 설계되어 최대 6,800파운드의 차량 총 중량 정격까지 차량을 지원할 수 있습니다. ESE의 CEO인 Carlos Hermida에 따르면 동일한 무게를 처리할 수 있는 기존 알루미늄 휠의 무게는 30파운드가 넘습니다.

깊은 그릇 E2의 5-스포크 디자인은 보편적인 스포츠 미학을 기반으로 합니다. CW 사진 | 스콧 프랜시스

E2는 오목하고 깊은 볼 모양으로 보편적인 스포츠 미학을 기반으로 한 5-스포크 디자인입니다. Hermida는 회사가 당시 탄소 섬유에 최적화된 알루미늄 포르쉐 휠 디자인에서 영감을 얻었다고 말합니다. 휠은 투명도가 좋은 고온 에폭시 시스템을 사용하며 투명 광택, 투명 무광택 및 맞춤형 색상을 포함한 맞춤형 마감 솔루션을 제공합니다.

ESE의 탄소 섬유 휠은 금속 휠을 포함하여 현재 제조되는 모든 휠에 적용되는 기존 SAE(미국 펜실베니아주 워렌데일) 권장 관행에 따른 인증 방법의 80%입니다. 또한 Hermida는 회사가 새로운 복합재 휠 권장 관행인 SAE J3204에 따라 인증된 최초의 일체형 휠을 시장에 출시할 가능성이 있다고 밝혔습니다. 금속 휠의 SAE 권장 사례와 마찬가지로 복합 휠에 대한 이 새로운 권장 사항은 다양한 피로 및 충격 테스트를 통해 내구성을 다룹니다. 또한 복합 재료에 고유한 환경 영향을 설명하기 위해 새로운 요구 사항을 추가합니다. ESE의 제품 개발 부사장인 Dr. Michael Hayes는 SAE 위원회에서 개발 테스트를 위해 데이터를 공유하고 프로토타입을 제공하는 이 새로운 권장 사례의 태스크 포스에 적극적으로 참여했습니다. 내부적으로 ESE의 엔지니어링 팀은 E2의 성능이 최소 SAE 권장 사항을 초과하는지 확인하기 위해 노력하고 있습니다. 수년간의 프로토타입 테스트와 물리학 기반 시뮬레이션을 통해 현재의 E2 디자인이 탄생했습니다.

Hermida는 "SAE 태스크 포스가 복합 휠 실습을 만들기 위해 수년 동안 작업했습니다. "많은 테스트 데이터와 지식이 SAE와 공유되어 결승선에 도달하는 데 도움이 되었습니다. 새로운 SAE 관행은 현재의 휠 관행보다 더 엄격할 것이지만 소비자 안전의 이름으로 이를 환영합니다."

맞춤형 섬유 배치 ESE의 탄소 섬유 휠은 ZSK Stickmaschinen GmbH의 맞춤형 섬유 배치 기술(TFP)을 사용하여 만들어졌습니다. 출처 | ESE 카본 주식회사

맞춤형 광섬유 배치로 전환

ESE의 휠은 TFP(맞춤형 섬유 배치 기술)를 사용하여 만들어졌으며, 이를 통해 우수한 기계적 특성을 가진 탄소 섬유 부품을 빠르게 대량으로 제조할 수 있습니다. TFP는 섬유 다발을 배열하고 구조적 성능에 필요한 위치에 배치하고 호환 가능한 기본 레이어의 위치에 스티칭하여 작동합니다. 이 절차는 직물을 원하는 모양으로 자르는 기존의 접근 방식 대신 사용됩니다. ESE는 효성첨단소재(한국 서울)의 산업용 탄소 섬유 토우와 ZSK Stickmaschinen GmbH(ZSK, 독일 크레펠트)의 TFP 기술을 사용하여 스티칭합니다. 플라이, 거의 그물 모양의 프리폼을 만듭니다.

ZSK의 기술 자수 응용 프로그램 관리자인 Topher Anderson Ph.D.는 "원하는 형상으로 스티칭될 때 견인 재료의 경로를 제어하여 재료가 최종 프리폼에서 필요한 곳에만 배치됩니다."라고 설명합니다. “기존의 라미네이트 디자인에서 잘라야 하는 천 부분은 그냥 꿰매지 않은 채로 둡니다. 이 공정은 직물을 모양에 맞게 절단할 때 발생하는 초기 폐기물을 줄이고 복잡한 기하학적 구조를 맞출 수 있기 때문에 후처리 폐기물을 줄입니다.”

원래 TFP로 전환하기 전에 기존의 탄소 섬유 직물로 작업했던 ESE는 이 기술을 통해 회사가 플라이를 최대 50%까지 줄여 레이업 프로세스를 단순화하고 낭비를 최소화할 수 있다고 주장합니다. Hermida에 따르면 탄소 섬유 폐기물은 TFP를 채택하여 기존 탄소 섬유 직물의 약 40%에서 10% 미만으로 줄였습니다. 또한 이 기술은 레이업 품질을 개선하고 섬유 방향을 최적화하며 설계 유연성을 높였습니다.

항공우주 등급 견인 ESE는 E2에 효성첨단소재의 탄소섬유 토우를 사용합니다. 출처 | ESE 카본 주식회사

“우리 스포크에는 많은 곡률이 있어 플라이를 복잡하게 만듭니다. 기존 직물을 사용하면 탄소 섬유 플라이의 방향이 제한됩니다.”라고 Hermida가 설명합니다. "TFP를 사용하면 어떤 방향으로든 직선 또는 곡선 패턴을 생성할 수 있는 거의 무제한의 능력이 있으므로 기존 직물보다 더 효과적으로 하중과 응력을 관리하도록 최적화된 플라이를 디자인할 수 있습니다."

ESE 휠의 가장 중요한 비용 절감 중 하나는 이러한 레이업 개선 덕분입니다. Hermida는 TFP로 전환하기 전에 레이업이 회사의 제조 병목 현상이었다고 말합니다. 그는 플라이를 줄이면 효율성이 향상되고 레이업 시간이 거의 50% 단축된다고 주장합니다. 매일 금형당 더 많은 부품을 만들 수 있으므로 휠당 시간, 노동력 및 장비의 전반적인 투자에 긍정적인 영향을 미칩니다.

전체적으로 ESE는 TFP가 프로세스를 단순화하고 확장성을 개선하는 데 기여했다고 말합니다. Hermida는 직물이 아닌 토우를 구매하여 공급망을 통합하는 추가 비용 이점도 있다고 말합니다.

맞춤형 광섬유 배치(TFP)에 대해 자세히 알아보기:

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맞춤형 섬유 배치:대량 생산에서 최고의 금속

가변축 복합재는 더 가벼운 복합재 구조로 가는 길을 열어줍니다.

산업화되는 예비 성형:2부

완전히 주입된 단일 경화 탄소 섬유 휠

제동 열. ESE Carbon은 Huntsman의 Araldite가 제동 중에 바퀴가 노출되는 고온에서도 생산 속도와 림 강도가 향상되었다고 말합니다. CW 사진 | 스콧 프랜시스

TFP 기술에 대한 투자 외에도 ESE는 생산 속도 향상을 위해 휠에 대한 오토클레이브 처리에서 멀어지고 있습니다. E2는 ESE의 엔지니어링 팀이 설계한 맞춤형 프레스. Hermida는 올 인퓨즈드 원 큐어 휠을 달성하는 것이 어려웠다고 말합니다. 이것의 핵심 요소는 올바른 수지 시스템을 선택하는 것이었습니다.

“저점도, 높은 T_g 가 필요했습니다. [유리전이온도] , 강력한 특성을 지닌 투명도가 높고 빠른 경화 시스템"이라고 Hermida는 말합니다.

회사는 자사의 에폭시 수지 시스템으로 Huntsman Advanced Materials'(미국 텍사스주 우드랜즈) Araldite를 선택했습니다. Huntsman에 따르면 이 시스템은 더 빠른 사출 속도, 섬유 습윤 및 가공 용이성을 위해 낮은 점도를 제공할 뿐만 아니라 다양한 금형 조건 및 주기 시간에 맞게 조정할 수 있는 유연성을 제공합니다. ESE는 Araldite를 사용하여 제동 중에 바퀴가 노출되는 고온에서도 생산 속도를 높이고 림 강도를 높일 수 있다고 말합니다.

Araldite는 T_g가 높은 기존 에폭시 수지와 비교할 때 향상된 연신율과 높은 파괴 인성을 결합합니다. 최대 200°C.

Hermida는 "브레이크 열이 발생하기 때문에 이것이 중요한 구성 요소입니다."라고 말합니다.

금형 내 시간을 줄이기 위해 시스템은 금형 내부의 중간 온도에서 경화를 제공한 다음 금형 외부의 고온에서 선택적 후경화를 제공합니다. 그 결과 피로 저항이 우수한 경량 합성 림이 탄생했으며, 이는 차량 작동 중 반복되는 사이클링/응력에 노출되는 휠의 내구성에 핵심입니다.

Huntsman 기술 담당자는 ESE의 엔지니어링 팀과 협력하여 생산 요구 사항에 맞는 에폭시 수지 시스템과 이상적인 구성 요소 비율을 결정하여 에폭시가 겔화되기 전에 여러 바퀴 몰드를 주입하기에 충분히 긴 작업 수명을 달성했습니다. 또한 이 회사는 ESE의 개발 노력을 지원하기 위해 컴퓨터 생성 예측 경화 모델링 분석 및 실험실 테스트를 제공했습니다.

합성 휠이 계속 회전합니다.

자동화. ESE는 트리밍, 픽 앤 플레이스 자동화 및 예비 성형과 같은 작업의 자동화를 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. 출처 | ESE 카본 주식회사

ESE는 2020년 1분기에 도로 테스트를 시작할 예정입니다. 애프터마켓 휠의 인도는 2020년 후반으로 예상되며 ESE는 OEM과 논의를 시작했다고 밝혔습니다. E2가 시장에 출시될 준비가 되면서 문제는 비용으로 다시 돌아옵니다. 오늘날 시장에 나와 있는 대부분의 탄소 섬유 휠은 일부 저렴한 자동차의 가격과 거의 비슷합니다.

“탄소 섬유 휠 제조는 여러 면에서 독특합니다. 현재의 자동화 기술이 우리에게 도움이 되지만, 우리가 원하는 휠 가격대에 도달하려면 많은 양의 사용자 정의 및 자동화 개발이 여전히 필요합니다.”라고 Hermida는 말합니다.

TFP를 추가함으로써 ESE는 프로세스 자동화에 진전을 이루었습니다. Hermida는 또한 회사가 휠의 후처리를 자동화할 수 있었고 회사는 현재 트리밍, 로봇 픽 앤 플레이스 레이업 및 프리포밍과 같은 작업의 자동화를 발전시키기 위해 노력하고 있다고 말합니다.

ESE의 사업 개발 부사장인 다니엘 카나반(Daniel Canavan)은 "탄소 섬유 휠을 달성할 수 있게 하는 것은 ESE에 달려 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 탄소 섬유 기술이 더 많은 인구에게 적용될 수 있는 지점에 도달하기 위해 열심히 노력하고 있습니다."

ESE의 E2는 시장에서 단순한 경쟁자 이상의 것을 목표로 합니다. 초기 목표는 $ 미만의 가격으로 4개의 바퀴 세트를 제공하는 것입니다. 9,900 이것이 여전히 비싸게 들릴지 모르지만 이는 확실히 올바른 방향으로 나아가는 단계이며 Hermida는 회사의 자동화 프로젝트가 비용을 절감하여 럭셔리/성능 시장을 넘어서는 데 도움이 될 것이라고 말합니다.

"우리의 야망은 그 이상입니다."라고 Hermida는 말합니다. “이것은 단지 시작점일 뿐입니다. 우리의 목표는 단조 알루미늄 휠의 눈에 띄는 거리 내에 있는 가격을 설정하는 것입니다.” 비슷한 단조 알루미늄 휠의 범위는 $5,000-$7,000입니다.

Canavan은 "대량 생산에서 이 작업을 수행하는 더 큰 그림을 보고 있습니다."라고 말합니다. "우리는 효율성을 공유할 수 있고 [사용자]가 스프링이 없는 무게의 이점인 성능, 속도 및 안전성을 경험할 수 있는 전기 자동차 및 기타 시장을 생각하고 있습니다. 우리가 진정으로 차이를 만들 수 있는 이 기술에는 많은 이점이 있습니다.”