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혁신적인 복합재료 타이어 디자인
헌츠만 첨단재료(Huntsman Advanced Materials)는 레이싱 아인트호번 대학이 수행하는 올해 포뮬러 학생(Formula Student) 경진대회에서 연구팀들이 제안하려고 하는 전기 자동차 프로토타입에 사용될 타이어를 개발하는 혁신적인 프로젝트를 지원하고 있다. 여러 해 동안 아인트호번 기술대학은 포뮬러 학생을 위한 새로운 프로토타입 자동차를 디자인하고 만들고, 조립하여 왔으며 경주에도 참여하였다.
공과 대학원생들을 위한 기준으로서 국제 스포츠자동차 산업에 의해 검토된 바에 의하면 기계공학 연구원이 주관하는 포뮬러 학생은 유럽의 가장 잘 설립된 교육 스포츠자동차 경기로 여겨지고 있다. 지난 3년 동안에 URE 팀은 경기의 정적 및 동적인(static and dynamic) 내용들에 참여하기 위해 전기 자동차와 함께 경주용 자동차들을 제조하는데 초점을 맞추고 있다. 이들은 디자인 및 가격분야, 사업계획 및 연료 경제성과 관련되는 정적인 내용뿐만 아니라 가속, 미끄럼방지 팬, 자동차 장애경주, 내구성과 같은 요소들을 포함하고 있다.
올해에 4명의 기계공학과 학부 학생들로 구성된 URE 팀 대표는 가장 최근의 전기 자동차 프로토타입의 무게를 줄이기 위해서 그리고 초기에 학생 포뮬라 프로토타입 프로젝트에서 이전에 이루었던 어떠한 경우보다 더 우수한 속도 대 무게 비율을 얻기 위해서 디자인된, 하이브리드 복합재료 타이어의 새로운 개념에 적응해야 한다. 알루미늄 중심과 함께 제조되었으며 타이어의 디자인과 성능에 영향을 두는 다른 주요한 차별성은 탄소섬유 보강 플라스틱으로 된 타이어 테두리 껍질이다. 이 프로젝트는 제조 가격을 줄일 수 있게 해주는 반면에 혁신적이고, 첨단 자동차 디자인 개념의 개발을 가능하게 해주는 고성능 복합재료의 점점 확대되고 있는 중요성을 강조하고 있다.
조립공정은 이 사업의 계획을 개발할 때 간단한 제조 방법을 사용하여 복합재료 타이어 테두리 껍질을 생산하는데 있어 경비와 시간을 둘 다 줄이기 위한 목적을 이루기 위해서 주입 에폭시 시스템을 발견하기를 원했던 팀원들에게 주요한 부분으로 제시되었다. 선택된 주입 시스템은 또한 만들어진 타이어 테두리의 강도를 향상시키기 위해서 그리고 하이브리드 타이어의 무게를 줄일 수 있고, 고온에서의 높은 저항성을 가질 수 있는 특성뿐만 아니라 향상된 기계적인 성능도 제공할 수 있어야 한다. 다양한 조사에 의해서 다른 주입 공정뿐만 아니라 진공에 기반을 둔 레진 이송 성형(vacuum-assisted resin transfer molding: VARTM)을 사용한 첨단 복합재료 제조를 위해 이상적인 헌츠만 첨단재료의 에폭시 기반 레진 주입 시스템을 선정하게 되었다.
일단 타이어 테두리를 위한 성형이 준비되고 부드러운 표면을 위해 다듬어지고 나면 세척되고 나서 방출제(release agent)가 적용된다. 건조한 탄소섬유 보강 복합재료 판은 적절한 배향으로 성형체 내에서 주름이 잡힌다. 연이어 판의 껍질을 벗기고 세공망을 놓고 필름을 벗기고 에폭시 레진이 흘러 들어갈 수 있는 튜브가 적용된다. 마지막 단계는 진공에 기반을 둔 레진 이송 성형을 지지할 수 있기 위한 준비로서 성형체에 진공백 시스템을 적용하는 것이다. 이는 제조업체들이 투자 경비를 줄이고 우수한 결과를 얻을 수 있는 첨단 제조공정과 함께 고성능 기술을 얻을 수 있는 간단한 제조방법이다.
진공에 기반을 둔 레진 이송 성형에 필요한 모든 조건에 대처하기 위해서 시스템은 매우 낮은 점도를 가져야 하며 충분한 pot-life 및 건조한 탄소섬유 보강 복합재료 섬유에 성공적으로 침투할 수 있는 우수한 섬유 침투력을 가져야 한다. 이러한 기술적인 사양에 맞추기 위해서 주입 시스템을 사용하여 연구팀은 최종 제품에서 이들 부품들의 정확한 균형을 얻기 위한 진공에 기반을 둔 레진 이송 성형 과정 동안에 레진 대 섬유 비율을 쉽게 조절할 수 있었다. 향상된 기계적 및 제조공정 특성을 가지게 디자인한 헌츠만 주입 시스템은 가볍고 튼튼하며 적절한 후처리 경화에 의해 섭씨 220도 이상의 높은 열변형 온도를 가지게 된다.
“시스템이 가지는 낮은 점도, 높은 온도 저항성은 연구팀이 요구하는 조건에 완벽하게 맞으며 이는 간단하고 비용효과적이며 시간적으로 적절한 시스템을 사용하여 하이브리드 타이어를 쉽게 제조할 수 있게 해주며 또한 앞으로 있을 포뮬러 학생 경진대회에서 자동차를 잘 지지해 줄 튼튼한 타이어 테두리를 얻을 수 있게 해준다. 헌츠만의 주입 시스템은 높은 온도에 노출되었을 때에도 우수한 내구성을 가지며 이는 특별히 전기 자동차의 브레이크 디스크가 경기 도중에 매우 뜨거워지는 상태에서 이익이 될 수 있다. 테두리는 또한 타이어 교환에 적용될 때뿐만 아니라 자동차의 회전 브레이크, 범핑 및 가속화 상태에서 발생하는 힘에도 견딜 수 있어야 한다.”라고 아인트호번 기술대학의 기술책임자인 Jorrit Goos는 말한다.
연구팀은 이 프로젝트를 완성하는데 4개월이 걸렸으며 처음부터 마무리에 이르기까지 디자인의 모든 내용들을 담은 사례 연구 보고서를 제출하였다. 간단한 성형체 및 진공에 기반을 둔 레진 이송 성형을 사용하는 주입 시스템의 첨단 제조공정 특성 덕분에 탄소섬유 보강 고분자 복합재료는 개발될 수 있었다. 이전에 URE 팀은 하나가 4 킬로그램에 해당하는 바퀴 테두리를 사용하였다. 새로운 테두리의 무게는 2 킬로그램 미만으로 전체 무게를 230 킬로그램 줄이며 이는 4%에 해당된다.
“하이브리드 바퀴 프로젝트는 학생들에게 가장 최근의 제조기술과 고성능 복합재료를 소개하여 그들이 대학에서 졸업하고 직장에서 실제로 작업할 때 복합재료가 차세대 자동차 디자인에 보다 큰 역할을 할 수 있는 방법을 보여주었다.”라고 Jorrit Goos는 말한다. 탄소섬유 보강 복합재료 테두리는 URE 연구팀이 7월 13-15일에 열리는 영국 포뮬러 학생 대회(the Formula Student UK)에서 사용할 전기 자동차 프로토타입에 처음으로 사용될 것이다.
출처 : http://www.jeccomposites.com/news/composites-news/huntsman-advanced-materia...
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