KR101394875B1 - 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법 및 그로부터 제조된 일체형 휠 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유 프리프레그를 사용하여 림(Rim)과 스포크(Spoke)를 한 번에 1피스(one piece)인 일체형으로 성형하여 휠을 제조함으로써 종래 2피스(two piece)에서 림은 탄소섬유를 사용하고, 스포크는 주로 알루미늄이나 마그네슘을 사용하므로 전체를 탄소섬유로 사용하는 것보다 경량화가 떨어지는 단점을 개선할 뿐만 아니라 한 번에 성형이 완료되므로 제조공정이 훨씬 단순해지는 등 장점이 있는 발명이다.
Description
본 발명은 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법 및 그로부터 제조된 일체형 휠에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 탄소섬유 프리프레그를 사용하여 림(Rim)과 스포크(Spoke)를 한 번에 1피스(one piece)인 일체형으로 성형하여 휠을 제조함으로써 종래 2피스(two piece) 휠이 림은 탄소섬유를 사용하고, 스포크는 주로 알루미늄이나 마그네슘을 사용하므로 휠 전체를 탄소섬유로 사용하는 것보다 경량화가 떨어지는 단점을 개선할 뿐만 아니라 한 번에 성형이 완료되므로 제조공정이 훨씬 단순해지는 등 장점이 있는 발명이다.
일반적으로 자동차의 바퀴는 공기나 질소가 충전되는 고무 재질의 타이어의 중앙부에 금속재의 휠(wheel)을 결합하여 차축에 견고하게 결합되도록 하는데, 휠은 자동차의 조향현가장치의 주요 구성품 중 일부로서, 타이어와 더불어 자동차의 전중량(全重量)을 분담 지지하고, 자동차의 작동시 제동(制動) 및 구동(驅動) 시의 토크, 노면으로부터의 충격과 선회시의 원심력이나 차체가 기울어졌을 때 작용하는 힘 등에 충분히 견딜 수 있고, 또한 경량을 요하는 자동차의 핵심 구성품이라 할 수 있다. 특히 최근에는 중량이 가벼워 차량의 연비가 향상될 뿐만 아니라 디자인이 우수한 복합재료로 된 휠이 각광받고 있는 실정이다.
자동차에서 휠은 엔진 다음으로 가장 가혹한 조건에서 사용되는 부품 중의 하나로서 복합재료로 대체할 수 있는 차량부품 중 가장 고난도 기술을 요하는데, 휠은 주행 중에 노면과 타이어의 마찰로 발생하는 열을 흡수하여 그 온도가 150℃ 이상으로 상승할 수 있으며, 알루미늄이나 철과 같은 금속재료의 경우 열전도도가 매우 우수하여 열을 빠르게 외부로 발산할 수 있으나, 중량이 무거운 단점이 있다. 한편, 대부분의 복합체의 경우 열전도도가 매우 낮아 열을 발산하지 못하고 내부에 보유하게 되며, 이로 인해 내피로도의 축적에 의한 파괴가 쉽게 발생할 수 있는 문제점이 있다.
자동차 휠의 경량화와 관련한 선행기술로서, 대한민국 특허등록 제10-1017930호에는 알루미늄으로 형성되고 원통형의 림의 일측면 중앙부에 허브가 형성되어 차량의 타이어가 차량에 결합되도록 하는 알루미늄휠에 있어서, 상기 림의 일측면에 탄소섬유가 평면 형태의 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 직물지로 직조되어 다단으로 적층 결합된 원통형의 CFRP 성형체가 일체로 부착된 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠이 개시되어 있으나, 휠이 일체형이어서 중량이 무거울 뿐만 아니라 림, 디스크를 수요자가 요구하는 다양한 강도 및 형태로 성형할 수 없고, 파손 시에는 파손된 부품만을 따로 구입하거나 교환하여 수리할 수 없는 단점이 있다.
또한 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법에 관한 종래기술로서, 등록특허 제10-1194922호(2012. 10. 19 등록)에는 “탄소섬유 프리프레그를 재단하여 아우터림 몰드(19)와 인너림 몰드(15)에 각각 적층시키는 적층단계, 상기 아우터림 몰드(19)와 인너림 몰드(15)의 내부에 각각 아우터 블래더(18)와 인너 블래더(11)를 삽입시키는 단계, 상기 아우터림 몰드(19)와 인너림 몰드(15)의 각각 커버(20)(12)(16)를 조립한 후 상기 블래더(18)(11)에 공기를 주입시키는 단계, 상기 주입단계에서 상기 블래더(18)(11)에 공기가 주입된 아우터림 몰드(19)와 인너림 몰드(15)를 각각 오븐에 투입하여 경화시키는 단계, 상기 경화단계에서 경화를 마친 상기 몰드(19)(15)를 자연 냉각시킨 후에 아우터 림(2)과 인너 림(1)을 상기 몰드(19)(15)로부터 각각 탈형시키는 단계, 상기 탈형단계에서 얻은 아우터 림(2)과 인너 림(1)을 각각 잘 다듬고, 볼트 구멍(4)(3)을 형성한 후에 상기 림(2)(1)을 서로 조립시키는 단계, 상기 조립단계에서 조립된 림에 알루미늄재 디스크(7)를 결합시켜 휠을 완성시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조립형 하이브리드 카본 휠의 제조방법이 개시되어 있으나, 상기 특허에 의한 하이브리드 카본 휠은 일체형이 아니고, 아우터 림(2)과 인너 림(1)을 디스크(7)에 결합시킨 3피스의 조립형으로서 경량화율이 떨어지고, 제조공정이 복잡한 단점이 있다.
따라서 위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술이 적용된 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조에 관한 기술개발이 시급히 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 탄소섬유 프리프레그를 사용하여 림(Rim)과 스포크(Spoke)를 한 번에 원피스(one piece)인 일체형으로 성형하여 휠을 제조함으로써 종래 2피스형이나 3피스형 휠이 갖는 단점인 경량화 취약 및 제조공정의 복잡성을 개선할 수 있는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법 및 그로부터 제조된 일체형 휠의 제공을 그 과제로 한다.
본 발명은 1) 목형용 플라스틱 소재를 컴퓨터 수치제어 가공기로 가공하여 상부, 하부로 이루어지는 각각의 목형을 제작하는 목형 제작단계; 2) 금속재료를 가공한 후에 표면에 이형제를 도포하여 제작하는 허브금형 제작단계; 3) 상기 목형 제작단계에서 제작된 상,하부 목형의 표면을 샌딩(Sanding)한 후에 이형제를 도포하여 표면을 보호하고 탈형이 용이하도록 하는 전처리단계; 4) 상기 전처리단계에서 전처리된 상부, 하부의 목형 형상에 맞도록 탄소섬유 프리프레그를 재단하기 위하여 철판을 절단하여 프리프레그 재단용 지그(Jig)를 제작하는 지그 제작단계; 5) 상기 지그 제작단계에서 만들어진 각각의 지그를 프리프레그 위에 얹은 후에 형상에 맞도록 재단하는 프리프레그 재단단계; 6) 상기 프리프레그 재단단계에서 재단된 각각의 프리프레그를 해당 목형에 적층한 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음 밀봉하고, 진공상태를 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착해주는 디벌크(Debulk)단계; 7) 상기 디벌크 단계 후에 이형필름, 브리더와 진공필름을 제거하고 기존 적층된 프리프레그 위에 다시 프리프레그를 적층시킨 다음 수차례 디벌크 작업을 거쳐 프리프레그를 적층시키는 적층단계; 8) 상기 적층단계 후에 각 부품별 프리프레그 위에 탈형을 위한 이형필름과 진공에 필요한 브리더를 덮고, 마지막으로 진공필름을 사용하여 목형을 포함한 프리프레그, 이형필름 및 브리더 모두를 덮어 밀폐시킨 다음 목형 안의 공기를 제거하고 나서 프리프레그의 성형조건에 맞춰 시간에 따른 온도 및 압력을 설정한 오토클레이브에 넣고 탄소섬유 프리프레그를 경화시키는 복합재 제1성형단계; 9) 상기 복합재 제1성형단계 후에 탄소섬유 프리프레그를 탈형하여 표면에 이형제를 충분히 도포하여 마무리하는 반전금형(Reverse Mold) 제작단계; 10) 상기 제작단계 후에 상기 반전금형 위에 각 부품의 형상에 맞는 프리프레그를 재단하는 프리프레그 재단단계; 11) 림(Rim)과 스포크(Spoke)의 연결부위에 삽입할 수 있도록 소재를 가공하여 코어재(Core Material)를 만드는 코어재 제작단계; 12) 상기 하부반전금형에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하며 적층된 프리프레그 위에 상기 코어재를 림과 스포크 연결부위에 삽입한 다음 다시 상기 코어재 위에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하여 스포크부를 적층시키는 하부반전금형 적층단계; 13) 상기 하부반전금형 적층단계 후에 하부반전금형에 허브금형과 상부반전금형을 조립한 다음 림부위에 프리프레그를 적층하는 상부 림 적층단계; 14) 상기 상부 림 적층단계 후에 3개의 측부금형을 림부 프리프레그 적층면에 밀착하여 조립한 후에 전면(全面)을 이형필름으로 덮고, 그 위에 브리더를 덮은 다음에 진공작업 후 오토클레이브에서 금형 내 프리프레그를 경화시키는 복합재 제2성형단계; 15) 상기 복합재 제2성형단계 후에 휠 형상의 성형물을 반전금형에서 분리하여 탈형시킨 다음 상기 휠에 림을 컴퓨터 수치제어 가공기로 정밀가공하고 나서 상기 휠의 표면을 샌딩하고 도장하는 휠의 완성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 목형 제작단계 중 목형용 플라스틱 소재는 에폭시 계열의 열경화성 수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 허브금형 제작단계 중 금속재료는 저용융 금속인 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 또는 그들의 합금으로부터 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 코어재 제작단계 중 코어재는 저비중, 고강도 및 내열성을 갖는 로하셀을 사용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법을 제공한다.
마지막으로 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠을 제공한다.
본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법 및 그로부터 제조된 일체형 휠은 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째, 탄소섬유 복합체를 적용한 일체형의 휠은 전체적인 중량이 일반 알루미늄 휠보다 약 40%나 가벼워져 자동차의 연비 및 주행성능이 향상될 뿐만 아니라 차량의 연료 사용량을 줄여 환경오염을 줄일 수 있으므로 친환경적이다.
둘째, 2피스형 휠은 림과 스포크를 별도로 제작하여야 하고 이들을 볼트로써 체결하여야 하는 단점이 있지만, 일체형의 휠은 림과 스포크를 한 번에 성형할 수 있으므로 제조공정이 훨씬 단순해져 제작비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 하부 목형의 정면도이고, (b) A-A의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 상부 목형의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 상부 목형의 정면도이고, (b) B-B의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 허브금형의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 하부 반전금형의 정면도이고, (b) C-C의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 상부 반전금형의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 하부 반전금형의 정면도이고, (b) D-D의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 3개로 분리된 측부금형의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 완성품 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 반전금형의 조립상태를 나타내는 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 상부 목형의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 상부 목형의 정면도이고, (b) B-B의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 허브금형의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 하부 반전금형의 정면도이고, (b) C-C의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 상부 반전금형의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 (a) 하부 반전금형의 정면도이고, (b) D-D의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 3개로 분리된 측부금형의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 완성품 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠 중 반전금형의 조립상태를 나타내는 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 측면도이다.
이하 본 발명에 의한 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법 및 그로부터 제조된 일체형 휠을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
탄소섬유는 유기섬유 전구체를 가열하여 얻은 탄소(C) 함유율이 90% 이상인 섬유로서, 강도가 철의 10배, 자동차 운전자의 안전과 관계된 에너지 흡수율은 6배 정도로 최근 항공기 재료, 풍력발전기 블레이드 등의 소재로 사용량이 증가 추세에 있다.
한편, 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)은 복합재료의 일종으로서 탄소섬유를 열경화성수지 또는 열가소성수지를 매트릭스(matrix)로 성형하여 제작되는 것이며, 철(steel)과 비교할 때 밀도가 1/6 수준으로 매우 낮으면서도 고강도를 가지므로 자동차의 경량화 구현에는 최적의 재료로 알려져 있다.
또한 전체 차량의 17% 정도를 탄소섬유 복합체 부품으로 대체할 경우에는 30%의 중량 감소 효과가 있으며, 이를 10년간 주행한다면, 약 5톤의 이산화탄소 배출량이 저감되는 것으로 보고되었다.
본 발명에 따른 일체형 탄소섬유 복합체 휠은 도 1 내지 8 및 도 10에 나타난 바와 같이, 상,하부 목형, 상,하부 및 측부 반전금형, 허브금형(5), 코어재(4)의 결합으로 제조되며, 탄소섬유 복합체를 사용하므로 금형의 열변형을 최소화하고 제품의 치수안전성을 확보할 수 있게 된다. 또한 일체형 탄소섬유 복합체 휠은 도 9 및 도 11에 나타난 바와 같이, 림 플랜지(6), 림(7), 스포크(8), 허브 홀(9) 및 벤트 홀(10)로 구성된다.
본 발명에 의한 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법은 1) 목형용 플라스틱 소재를 컴퓨터 수치제어 가공기로 가공하여 상부, 하부로 이루어지는 각각의 목형을제작하는 목형 제작단계; 2) 금속재료를 가공한 후에 표면에 이형제를 도포하여 제작하는 허브금형 제작단계; 3) 상기 목형 제작단계에서 제작된 상,하부 목형의 표면을 샌딩(Sanding)하여 매끄럽게 마무리한 후에 이형제를 도포하여 표면을 보호하고 탈형이 용이하도록 하는 전처리단계; 4) 상기 전처리단계에서 전처리된 상부, 하부의목형 형상에 맞는 탄소섬유 프리프레그를 재단하기 위하여 철판을 레이저 커팅기로 절단하여 프리프레그 재단용 지그(Jig)를 제작하는 지그 제작단계; 5) 상기 지그 제작단계에서 만들어진 각각의 지그를 프리프레그 위에 얹은 후에 칼로써 형상에 맞게 재단하는 프리프레그 재단단계; 6) 상기 프리프레그 재단단계에서 재단된 각각의 프리프레그를 해당 목형에 적층시킨 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음 테이프로 밀봉하고, 진공펌프를 사용하여 진공상태를 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착해주는 디벌크(Debulk)단계; 7) 상기 디벌크 단계 후에 이형필름, 브리더와 진공필름을 제거하고 기존 적층된 프리프레그 위에 다시 프리프레그를 적층시킨 다음 수차례 디벌크 작업을 거쳐 프리프레그를 적층시키는 적층단계; 8) 상기 적층단계 후에 각 부품별 프리프레그 위에 탈형을 위한 이형필름과 진공에 필요한 브리더를 덮고, 마지막으로 진공필름을 사용하여 목형을 포함한 프리프레그, 이형필름 및 브리더 모두를 덮어 밀폐시킨 다음 목형 안의 공기를 제거한 다음에 프리프레그의 성형조건에 맞춰 시간에 따른 온도 및 압력을 설정한 오토클레이브에 넣어서 탄소섬유 프리프레그를 경화시키는 복합재 제1성형단계; 9) 상기 복합재 제1성형단계 후에 탄소섬유 프리프레그를 탈형하여 표면에 이형제를 충분히 도포하여 표면을 매끄럽게 처리하여 마무리하는 반전금형(Reverse Mold) 제작단계; 10) 상기 제작단계 후에 상기 반전금형 위에 각 부품의 형상에 맞는 프리프레그를 재단하는 프리프레그 재단단계; 11) 림(Rim)과 스포크(Spoke)의 연결부위에 삽입할 수 있도록 소재를 가공하여 코어재(Core Material)를 만드는 코어재 제작단계; 12) 상기 하부반전금형에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하며 적층된 프리프레그 위에 상기 코어재 제작단계에서 제작된 코어재를 림과 스포크 연결부위에 삽입한 다음 다시 상기 코어재 위에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하여 스포크부를 적층시키는 하부반전금형 적층단계; 13) 상기 하부반전금형 적층단계 후에 하부반전금형에 허브금형과 상부반전금형을 조립한 다음 림부위에 프리프레그를 적층하는 상부 림 적층단계; 14) 상기 상부 림 적층단계 후에 3개의 측부금형을 림부 프리프레그 적층면에 밀착하여 조립한 후에 전면(全面)을 이형필름으로 덮고, 그 위에 브리더를 덮은 다음에 진공작업 후 오토클레이브에서 금형 내 프리프레그를 경화시키는 복합재 성형단계; 15) 상기 복합재 성형단계 후에 휠 형상의 성형물을 반전금형에서 분리하여 탈형시킨 다음 상기 휠에 림을 컴퓨터 수치제어 가공기로 정밀가공하고 나서 상기 휠의 표면을 미려하게 광택을 내기 위해 샌딩하고 도장하는 휠의 마무리단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 의한 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법을 도면을 참조하여 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 1) 목형(Master Mold) 제작단계는 반전금형을 만들기 위한 전단계로서, 약 130℃의 온도와 10bar 압력 하에서 변형과 깨짐이 없으며 가공성이 우수한 목형용 플라스틱 소재를 사용하고, 컴퓨터 수치제어 가공기로 가공하여 상부, 하부로 이루어지는 각각의 목형을 제작하는 단계이다. 이때 목형용 플라스틱 소재로서는 에폭시 계열의 열경화성수지를 사용하는 것이 바람직하고, 컴퓨터 수치제어 가공기는 5축 CNC(Computer Numerical Control)를 사용한다.
2) 허브금형 제작단계는 금속재료를 가공한 후 표면에 이형제를 도포하여 제작하는 것인데, 금속재료로서는 저용융 금속인 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 또는 그들의 합금 등을 금형에 고압으로 주입하여 생산한 후에 표면에 이형제를 도포하여 제작하는 단계이다.
3) 전처리단계는 상기 목형 제작단계에서 제작된 상,하부 목형의 표면을 매끄럽게 만들기 위하여 거친 사포(#500)로 1차 샌딩(Sanding)하고, 다시 고운 사포(#1000~#2000)로 2~3차례 샌딩(Sanding)하여 매끄럽게 마무리한 다음에 에폭시(Epoxy) 수지 전용 이형제를 2~3회 도포하여 표면을 보호하고 탈형이 용이하도록 하는 단계이다.
4) 지그(Jig) 제작단계는 상기 전처리단계에서 전처리된 상부, 하부 각각의 목형(Master Mold) 형상에 맞는 탄소섬유 프리프레그를 재단하기 위하여 두께 1㎜의 얇은 철판을 레이저 커팅기로 정밀하게 절단하여 제작하는 프리프레그 재단용 지그를 제작하는 단계이다.
5) 프리프레그 재단단계는 상기 프리프레그 재단용 지그 제작단계에서 만들어진 각각의 지그를 프리프레그 위에 얹은 후에 커터를 사용하여 형상대로 재단하는 단계이다.
6) 디벌크(Debulk) 단계는 상기 프리프레그 재단단계에서 재단된 각각의 탄소섬유 프리프레그를 각각의 해당 목형에 5~7장(Ply)을 적층한 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음에 실런트 테이프(Sealant Tape)로 밀봉하고, 진공펌프를 사용하여 진공상태를 3시간정도 충분히 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착하는 단계이다.
7) 적층단계는 상기 디벌크단계가 완료되면 이형필름, 브리더 및 진공필름을 제거하고 기존 적층된 프리프레그 위에 다시 프리프레그를 5~7장(Ply) 적층시킨 후에 다시 수차례 디벌크작업을 거쳐 프리프레그의 적층을 완료하는 단계이다.
8) 복합재 제1성형단계는 상기 디벌크 및 프리프레그 적층이 완료된 각 부품별 프리프레그 위에 탈형을 위한 이형필름과 진공에 필요한 브리더를 덮고, 마지막으로 진공필름을 사용하여 목형을 포함한 프리프레그, 이형필름 및 브리더 모두를 덮어 밀폐시킨 후에 그 안의 공기를 제거하는 진공으로 하고 나서 계속하여 프리프레그의 성형조건에 맞춰 시간에 따른 온도 및 압력을 설정한 오토클레이브(Autoclave)에 넣어서 탄소섬유 프리프레그를 경화시켜 복합재를 성형하는 단계이다.
9) 반전금형(Reverse Mold) 제작단계는 상기 복합재 제1성형단계가 완료되면 탈형하여 표면에 이형제를 충분히 도포하여 표면을 매끄럽게 처리하여 마무리함으로써 반전금형을 제작하는 단계이다.
10) 프리프레그 재단단계는 상기 반전금형 제작단계에서 제작된 상기 반전금형 위에 각 부품인 상부, 하부 및 측부금형의 형상에 맞도록 프리프레그를 재단하는 단계이다.
11) 코어재(Core Material) 제작단계는 림(Rim)과 스포크(Spoke)의 연결부위에 삽입할 수 있도록 저비중, 고강도 및 내열 소재인 로하셀(Rohacell)을 사용하므로 성형의 어려운 점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라 더욱 가볍게 코어재를 제작하는 단계이다. 이때 로하셀은 물성치로서, 비중 0.75, 열변형온도 180~190℃, 인장강도 2.8MPa, 압축강도 1.5 MPa를 갖는 제품을 사용하는 것이 바람직하다.
12) 하부반전금형 적층단계는 해당 목형에 5~7장(Ply)을 적층한 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음에 실런트(Sealant 테이프로 밀봉하고, 진공펌프를 사용하여 진공상태를 3시간 정도 충분히 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착하는 디벌크작업을 반복하며 전체 적층 수의 절반을 우선 적층하는 하부 1차 적층단계,
상기 하부 1차 적층단계에서 적층된 프리프레그 위에 상기 코어재 제작단계에서 제작된 코어재를 림과 스포크 연결부위에 삽입하는 코어재를 삽입시킨 다음에 이어서 코어재 위에 해당 목형에 5~7장(Ply)을 적층한 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음에 실런트 테이프(Sealant Tape)로 밀봉하고, 진공펌프를 사용하여 진공상태를 3시간 정도 충분히 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착하는 디벌크작업을 반복하여 전체 적층 수의 나머지 절반의 프리프레그를 적층하여 스포크부의 적층을 완료하는 하부 적층 완료단계로 이루어진다.
13) 상부 림 적층단계는 상기 하부반전금형 적층단계가 완료되면 하부반전금형에 허브금형과 상부반전금형을 조립한 후에 림 부위에 프리프레그를 적층하는 단계이다.
14) 복합재 제2성형단계는 상기 상부 림 적층단계가 완료되면 3개의 측부금형을 림부 프리프레그 적층면에 밀착하여 측부금형을 조립한 후에 전면(全面)을 이형필름으로 덮고, 그 위에 브리더를 덮은 다음, 마지막으로 진공필름을 사용하여 밀폐시켜 진공필름 내 공기를 제거하여 진공으로 하고 나서, 이어서 프리프레그의 성형조건에 맞춰 시간에 따른 온도 및 압력을 설정한 오토클레이브에 넣어서 탄소섬유 프리프레그를 경화시켜 복합재를 성형하는 단계이다.
15) 휠의 완성단계는 상기 복합재 제2성형단계에서 완료된 휠 형상의 성형물을 반전금형에서 분리시켜 탈형한 후에 탈형된 탄소복합체 휠을 타이어가 조립될 수 있도록 림(Rim)부를 컴퓨터 수치제어 가공기로 정밀하게 가공하여 후가공하고, 마지막으로 표면을 미려하게 광택을 내기 위해 표면을 샌딩하고 클리어 도장하여 표면처리함으로써 휠을 완성시키는 단계이다.
한편, 본 발명에서 사용되는 상기 탄소섬유 프리프레그는 결합제로서 에폭시수지, 비닐에스테르수지 또는 불포화폴리에스테르수지와 같은 열경화성수지, 또는 열가소성수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 탄소섬유 프리프레그는 최적의 강도와 중량 저감 효과를 얻기 위하여 다수의 매(枚)가 적층되어 일체로 성형되도록 하는 것이 바람직하나, 휠의 용도 및 형상에 따라 탄소섬유 프리프레그 수를 증감하여 사용할 수 있다.
위와 같은 제조공정에 따라 제조된, 일체형 탄소섬유 복합체 휠은 탄소 복합재를 적용한 일체형의 휠이므로 전체적인 중량이 일반 알루미늄 휠보다 약 40%나 가벼워져 자동차의 연비 및 주행성능이 향상될 뿐만 아니라 차량의 연료 사용량을 줄여 환경오염을 줄일 수 있으므로 친환경적이다.
또한 기존 2피스형 휠과 달리 림과 스포크를 한 번에 성형할 수 있으므로 제조공정이 훨씬 단순해져 제작비용을 절감할 수 있 등 많은 효과를 갖는 것이다.
이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.
1. 하부 금형(Lower Mold) 2. 측부 금형(Side Mold)
3. 상부 금형(Upper Mold) 4. 코어재(Core Material)
5. 허브 금형(Hub Mold) 6. 림 플랜지(Rim Flange)
7. 림(Rim) 8. 스포크(Spoke)
9. 허브 홀(Hub Hole) 10. 벤트 홀(Vent Hole)
3. 상부 금형(Upper Mold) 4. 코어재(Core Material)
5. 허브 금형(Hub Mold) 6. 림 플랜지(Rim Flange)
7. 림(Rim) 8. 스포크(Spoke)
9. 허브 홀(Hub Hole) 10. 벤트 홀(Vent Hole)
Claims (5)
1) 목형용 플라스틱 소재를 컴퓨터 수치제어 가공기로 가공하여 상부, 하부로 이루어지는 각각의 목형을 제작하는 목형 제작단계;
2) 금속재료를 가공한 후에 표면에 이형제를 도포하여 제작하는 허브금형 제작단계;
3) 상기 목형 제작단계에서 제작된 상,하부 목형의 표면을 샌딩(Sanding)한 후에 이형제를 도포하여 표면을 보호하고 탈형이 용이하도록 하는 전처리단계;
4) 상기 전처리단계에서 전처리된 상부, 하부의 목형 형상에 맞도록 탄소섬유 프리프레그를 재단하기 위하여 철판을 절단하여 프리프레그 재단용 지그(Jig)를 제작하는 지그 제작단계;
5) 상기 지그 제작단계에서 만들어진 각각의 지그를 프리프레그 위에 얹은 후에 형상에 맞도록 재단하는 프리프레그 재단단계;
6) 상기 프리프레그 재단단계에서 재단된 각각의 프리프레그를 해당 목형에 적층한 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음 밀봉하고, 진공상태를 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착해주는 디벌크(Debulk)단계;
7) 상기 디벌크 단계 후에 이형필름, 브리더와 진공필름을 제거하고 기존 적층된 프리프레그 위에 다시 프리프레그를 적층시킨 다음 수차례 디벌크 작업을 거쳐 프리프레그를 적층시키는 적층단계;
8) 상기 적층단계 후에 각 부품별 프리프레그 위에 탈형을 위한 이형필름과 진공에 필요한 브리더를 덮고, 마지막으로 진공필름을 사용하여 목형을 포함한 프리프레그, 이형필름 및 브리더 모두를 덮어 밀폐시킨 다음 목형 안의 공기를 제거하고 나서 프리프레그의 성형조건에 맞춰 시간에 따른 온도 및 압력을 설정한 오토클레이브에 넣고 탄소섬유 프리프레그를 경화시키는 복합재 제1성형단계;
9) 상기 복합재 제1성형단계 후에 탄소섬유 프리프레그를 탈형하여 표면에 이형제를 충분히 도포하여 마무리하는 반전금형(Reverse Mold) 제작단계;
10) 상기 제작단계 후에 상기 반전금형 위에 각 부품의 형상에 맞는 프리프레그를 재단하는 프리프레그 재단단계;
11) 림(Rim)과 스포크(Spoke)의 연결부위에 삽입할 수 있도록 소재를 가공하여 코어재(Core Material)를 만드는 코어재 제작단계;
12) 상기 하부반전금형에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하며 적층된 프리프레그 위에 상기 코어재를 림과 스포크 연결부위에 삽입한 다음 다시 상기 코어재 위에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하여 스포크부를 적층시키는 하부반전금형 적층단계;
13) 상기 하부반전금형 적층단계 후에 하부반전금형에 허브금형과 상부반전금형을 조립한 다음 림부위에 프리프레그를 적층하는 상부 림 적층단계;
14) 상기 상부 림 적층단계 후에 3개의 측부금형을 림부 프리프레그 적층면에 밀착하여 조립한 후에 전면(全面)을 이형필름으로 덮고, 그 위에 브리더를 덮은 다음 에 진공작업 후 오토클레이브에서 금형 내 프리프레그를 경화시키는 복합재 제2성형단계;
15) 상기 복합재 제2성형단계 후에 휠 형상의 성형물을 반전금형에서 분리하여 탈형시킨 다음 상기 휠에 림을 컴퓨터 수치제어 가공기로 정밀가공하고 나서 상기 휠의 표면을 샌딩하고 도장하는 휠의 완성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
2) 금속재료를 가공한 후에 표면에 이형제를 도포하여 제작하는 허브금형 제작단계;
3) 상기 목형 제작단계에서 제작된 상,하부 목형의 표면을 샌딩(Sanding)한 후에 이형제를 도포하여 표면을 보호하고 탈형이 용이하도록 하는 전처리단계;
4) 상기 전처리단계에서 전처리된 상부, 하부의 목형 형상에 맞도록 탄소섬유 프리프레그를 재단하기 위하여 철판을 절단하여 프리프레그 재단용 지그(Jig)를 제작하는 지그 제작단계;
5) 상기 지그 제작단계에서 만들어진 각각의 지그를 프리프레그 위에 얹은 후에 형상에 맞도록 재단하는 프리프레그 재단단계;
6) 상기 프리프레그 재단단계에서 재단된 각각의 프리프레그를 해당 목형에 적층한 후에 이형필름, 브리더(Breather) 및 진공필름을 순서대로 덮은 다음 밀봉하고, 진공상태를 유지시켜 적층된 프리프레그 내의 공기를 빼내고 진공압으로 프리프레그를 압착해주는 디벌크(Debulk)단계;
7) 상기 디벌크 단계 후에 이형필름, 브리더와 진공필름을 제거하고 기존 적층된 프리프레그 위에 다시 프리프레그를 적층시킨 다음 수차례 디벌크 작업을 거쳐 프리프레그를 적층시키는 적층단계;
8) 상기 적층단계 후에 각 부품별 프리프레그 위에 탈형을 위한 이형필름과 진공에 필요한 브리더를 덮고, 마지막으로 진공필름을 사용하여 목형을 포함한 프리프레그, 이형필름 및 브리더 모두를 덮어 밀폐시킨 다음 목형 안의 공기를 제거하고 나서 프리프레그의 성형조건에 맞춰 시간에 따른 온도 및 압력을 설정한 오토클레이브에 넣고 탄소섬유 프리프레그를 경화시키는 복합재 제1성형단계;
9) 상기 복합재 제1성형단계 후에 탄소섬유 프리프레그를 탈형하여 표면에 이형제를 충분히 도포하여 마무리하는 반전금형(Reverse Mold) 제작단계;
10) 상기 제작단계 후에 상기 반전금형 위에 각 부품의 형상에 맞는 프리프레그를 재단하는 프리프레그 재단단계;
11) 림(Rim)과 스포크(Spoke)의 연결부위에 삽입할 수 있도록 소재를 가공하여 코어재(Core Material)를 만드는 코어재 제작단계;
12) 상기 하부반전금형에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하며 적층된 프리프레그 위에 상기 코어재를 림과 스포크 연결부위에 삽입한 다음 다시 상기 코어재 위에 프리프레그를 적층하되 디벌크작업을 반복하여 스포크부를 적층시키는 하부반전금형 적층단계;
13) 상기 하부반전금형 적층단계 후에 하부반전금형에 허브금형과 상부반전금형을 조립한 다음 림부위에 프리프레그를 적층하는 상부 림 적층단계;
14) 상기 상부 림 적층단계 후에 3개의 측부금형을 림부 프리프레그 적층면에 밀착하여 조립한 후에 전면(全面)을 이형필름으로 덮고, 그 위에 브리더를 덮은 다음 에 진공작업 후 오토클레이브에서 금형 내 프리프레그를 경화시키는 복합재 제2성형단계;
15) 상기 복합재 제2성형단계 후에 휠 형상의 성형물을 반전금형에서 분리하여 탈형시킨 다음 상기 휠에 림을 컴퓨터 수치제어 가공기로 정밀가공하고 나서 상기 휠의 표면을 샌딩하고 도장하는 휠의 완성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 목형 제작단계 중 목형용 플라스틱 소재는 에폭시 계열의 열경화성 수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
상기 목형 제작단계 중 목형용 플라스틱 소재는 에폭시 계열의 열경화성 수지로 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 허브금형 제작단계 중 금속재료는 저용융 금속인 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 또는 그들의 합금으로부터 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
상기 허브금형 제작단계 중 금속재료는 저용융 금속인 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 또는 그들의 합금으로부터 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 코어재 제작단계 중 소재는 저비중, 고강도 및 내열성을 갖는 로하셀을 사용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
상기 코어재 제작단계 중 소재는 저비중, 고강도 및 내열성을 갖는 로하셀을 사용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 일체형 탄소섬유 복합체 휠의 제조방법.
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2014
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