카본 자전거 제조를 위한 설계

2012년 4월호 자전거생활 원고 

 

컬럼제목 : Carbon Story

 

제목: 카본 자전거 제조를 위한 설계

부제: 카본 자전거를 만들 때 고려해야 할 설계요소는 무엇일까?

 

머리글: 카본 복합재라는 소재는 카본 섬유와 에폭시 레진으로 이루어져 금속이 아니다. 금속이 아닌 만큼 카본으로 자전거를 제조할 때에 고려해야 할 요소도 따로 있다. 알루미늄, 스틸, 티타늄 등 다양한 소재의 자전거가 존재하지만 카본이기에 설계할 때 고려하지 않으면 안 되는 것은 무엇인지 알아보자.

 

카본 자전거를 제조할 때 고려해야 할 요소는 적층각과 금형이다.

카본스토리 연재에서 자전거 자체에 대한 설계 이야기는 생략하기로 한다. 대신에 자전거를 만드는데 있어서 카본 소재이기 때문에 특별히 고려해야 하는 점을 보자. 소재의 특성에 따라서 자전거 제조에 있어서 설계의 방법 자체도 달라질 수 있다. 예를 들어 알루미늄 자전거와 티타늄 자전거의 경우에도 용접의 방법과 열처리 온도 등이 서로 다르다. 카본 자전거는 금속이 아닌 카본 복합재(Carbon Composite)로 만들기 때문에 설계 시에 고려해야 할 점도 확연히 다르다. 이번 호에서는 크기 카본 섬유의 적층각과 카본 금형으로 나누어 살펴보자.

 

 

2012년식 오베아 풀샥 MTB Occam 프레임을 제조하기 위한 전삼각 금형이다. 금형에는 제조사의 노하우가 집적되어있다. (출처. www.mbr.co.uk)

 

 

스페셜라이즈드의 카본 프레임의 절개면을 통한 내부이다. 대만, 독일 등 국제자전거쇼에 가보면 항상 이와 같은 카본프레임의 안쪽을 보여주는 전시물을 만나게 된다. 왜 카본자전거 제조사들은 카본제품의 절단면과 함께 안쪽의 카본복합재 상태를 보여주는 걸까? 안쪽이 매끄럽고 고르게 잘 정리되어있다는 사실을 통해서 에폭시 수지(Resin)가 일정한 두께로 분포하고 카본섬유들이 이리저리 몰리거나 엉키지 않고 잘 펴져있다는 것을 보여준다. 이렇게 제조함으로써 카본 프레임에서 군더더기 없이 안정된 성능과 경량화가 구현되었다는 것을 증명하고자 하는 의도가 있다. (출처. www.bikerumor.com)

 

 

카본 플라이(Carbon Ply)를 어떤 각도로 적층(Lay-Up)해야 할까?

카본 플라이란 카본 복합재로 제품을 제조할 때 카본 섬유의 레이어 한장을 의미한다. 이 글은 전문적인 공학을 다루는 글이 아니므로 이해를 돕기 위해 앞으로 플라이대신 카본 레이어라고 하자. 카본 복합재는 카본섬유와 에폭시로 이루어져 있다. 여기서 가장 먼저 중요하게 고려해야 하는 것은 카본섬유의 방향이다. 설계시에는 인장강도가 높게 해야 하는데 인장강도(Tensile Strength)란 소재를 일정한 방향으로 잡아당겼을 때에 재료가 끊어지지 않고 견딜 수 있는 최대한의 응력을 말한다. 자전거 프레임의 경우에는 항상 인장 하중이 발생하는데 그것을 바로 라이더가 승차한 상태에서 주행을 하기 때문이다. 상식적으로 생각해보면 가장 큰 인장하중이 발생하는 곳은 다운튜브이다. 최근 카본 프레임의 디자인을 보면 다운튜브가 매우 두꺼워지고 있다는 사실을 알 수 있는데 이것은 바로 인장하중을 견디기 위해서이다. 카본 복합재에 있어서 단면의 형상이 커질 수록 인장 강도는 커진다. 이 다운튜브를 튼튼하게 하기 위해서 두꺼워지는 방법 말고 카본 섬유의 방향을 인장력이 발생하는 방향과 일치시키는 방법이 있다. 섬유의 방향과 인장력의 발생 방향을 일치시키면 섬유가 끊어지지 않고 더 잘 버티게 된다. 이것을 0도의 방향이라고 한다. 만일 인장력의 방향과 섬유의 방향이 30도, 60도, 90도로 점차 각도가 늘어난다면 인장강도는 점점 더 떨어지고 만다. 특히 힘이 발생하는 방향과 섬유의 방향이 90도일 경우에는 섬유가 끊어지지 않으려고 견디는 힘은 거의 역할을 못하는 수준으로 떨어지고 만다.

그렇다고 0도만으로 카본을 적층(Lay-Up)하는 일은 없다. 이유는 인장하중이 0도 방향뿐만 아니라 다양한 각도에서 발생할 수 있기 때문이다. 0도 방향으로 가장 큰 하중이 걸리는 것은 사실이지만, 라이더가 댄싱을 할 경우에는 0도뿐만 아니라 다양한 각도에서 하중이 가해질 것이다. 그러므로 카본 레이어의 적층각(Angle-Ply)은 0도와 함께 다양한 각도의 조합으로 이루어진다. 0도, 30도, -30도, 45도, -45도, 60도, -60도, 90도 등의 각도가 함께 존재하게 된다. 하지만 적층할 때 0도를 갖는 레이어가 다른 각도보다 여러 장 존재하게끔 설계하게 된다. 이러한 적층각의 설계로 인하여 카본 자전거는 각기 다른 강성을 가지게 되고 다른 승차감을 구현하게 된다. 몇 도의 카본 레이어를 몇 장 겹쳐서 만들 것인가는 제조사의 큰 노하우 이며 이는 기업의 비밀로 보안에 각별히 신경을 쓴다.

 

 

Caption. 카본복합재에 있어서 섬유의 방향이 인장강도에 미치는 영향

 

 

카본 플라이 적층에 컴퓨터의 도움을 받는다.

매번 적층각을 설계하고 완성된 자전거를 테스트한 후에 다시 적층각에 대한 설계를 변경하는 과정을 반복적으로 거치게 되면 자전거의 개발기간도 길어지고 비용 또한 만만치 않게 들어가게 된다. 매번 자전거를 만들고 테스트하고, 그 결과를 가지고 설계를 변경하고 또 제작한 후에 테스트 해야 하기 때문이다. 그래서 최근 미국의 트렉(Trek)은 카티아(Catia)라는 캐드(CAD) 프로그램을 도입하여 사전에 카본 복합재 레이어의 시뮬레이션을 컴퓨터 상에서 구현하고 있다. 이렇게 되면 매번 많은 비용이 드는 제품을 만들지 않고 컴퓨터 상에서 적층각을 구현해보고 테스트 대신에 아바쿠스(Abaqus)라는 해석프로그램으로 해석을 해본다. 컴퓨터 시뮬레이션이 완벽하게 실제 제품제작 및 테스트 과정을 100% 대체할 수는 없다. 그럼에도 불구하고 시뮬레이션을 통하여 개발기간과 함께 비용을 획기적으로 절감할 수 있었다고 한다. 시제품 10개를 만들어 테스트해야 할 기간과 비용으로 2~3개만 만들어 테스트해보는 것이다. 카티아는 프랑스에서 개발한 기계설계 전문 소프트웨어로 초대형 항공기 에어버스 380, 고속전철 떼제베(TGV) 등 카본 복합재로 만든 제품을 설계할 때 주로 사용되었으며 우리나라에서는 삼성중공업에서 풍력발전기 날개를 카본 복합재로 만들 때 카티아로 설계하고 있다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 다음과 같은 개선을 할 수 있다. 예를 들어 제품이 쉽게 부서질 것 같은 부분에 카본이 5장이 적층 되어 있다면 카본 레이어를 한두 장 더 겹쳐서 두껍게 한다. 반대로 너무 하중이 크게 걸리지 않은 곳인데 카본 레이어가 불필요하게 7장이 겹쳐 있다면 한장 뺀 6장으로 줄여서 더 가볍게 설계할 수가 있다. 이러한 반복적인 과정을 거치면서 프레임의 두께는 부위별로 달라지고 최적의 카본 레이어만 남게 되어 경량화와 강성을 동시게 구현하게 된다.

 

 

1.3차원 모델링을 넘어서 카본 레이어의 재단 패턴과 적층각을 설계하고 시뮬레이션 할 수 있는 카티아(Catia) 화면이다.

2.완성된 모델은 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 통하여 최적화된 적층 레이어수와 적층각을 설계할 수 있다.

3.트렉(Trek)의 완성된 제품 마돈(Madone)이다. 스타일을 담당하는 디자이너와 성능을 책임지고 있는 엔지니어가 같은 프로그램을 사용함으로써 이 제품의 개발기간은 크게 단축되었다고 한다.

(출처. www.designworldonline.com)

 

 

Caption. 카본 자전거 프레임 금형을 가공하는 과정과 금형사진이다. 금형 가공은 머시닝센터(CNC, Computer Numerical Control)에서 이루어지는데 4~8주의 기간 동안 철(Steel)을 깎아서 만든다. 금형과 제품의 형상을 비교해보면 붕어빵기계와 붕어빵의 관계와 같다는 사실을 이해할 수 있다. 사진의 NeilPryde는 홍콩에 본사를 둔 스포츠 전문브랜드이다. (출처. www.rouesartisanales.com)

 

 

Caption. 자이언트 로드바이크 프레임 제조과정

1.재료로 카본 섬유를 준비한다. 원통에 섬유가 말려있는 형태를 하고 있다.

2.프리프레그 카본시트를 만드는 장비에 섬유를 통과시켜서 에폭시 수지(Resin)를 묻히고 곧게 펴는 작업을 한다. 이 과정을 거치면 프리프레그(Prepreg) 카본시트가 완성된다. 이러한 대규모 설비를 직접 가지고 있는 자전거 회사는 자이언트와 타임이라고 하며 일반적으로 에폭시 수지가 발라져 있는 카본시트를 구입하여 쓰게 된다. 우리나라에서는 SK케미칼, 한국카본 등이 프리프레그를 제조하여 공급하고 있다. 

3.프리프레그 시트를 패턴에 맞는 모양으로 재단하는 작업을 하는 모습이다. 시트는 커팅용 가위를 이용하여 손으로 자르기도 하고 레이저 커팅기를 이용하여 자동으로 자르기도 한다. 재단된 시트는 분류하여 사진에 보는 바와 같이 쌓아놓는다. 하얀색 종이는 카본시트가 서로 붙지 않도록 하는 역할을 한다. 스티커의 뒷장인 노란색 기름종이를 생각하면 된다.

4.정해진 틀에 넣어서 재단된 카본시트가 정확한 모양을 하고 있는지 검수함과 동시에 카본 적층작업을 위한 준비를 끝낸다. 이렇게 분류를 해놓으면 어디에 어떤 시트가 쓰이는지에 대한 것도 한눈에 파악할 수 있다. 

5.부위별로 만들어진 틀(Mold)에 맞추어서 재단된 카본시트를 적층(Lay-up)한다. 작업지침에 따라서 적층각(Angle-Ply)을 맞추어 작업하며 카본자전거 공장에서 가장 높은 숙련도를 요구하는 작업단계이다. 작업자는 항상 장갑을 끼고 있는데 사람 손의 기름기가 카본시트에 닿을 경우에 레이어가 잘 붙지 않고 분리되는 현상이 일어나기 때문이다.

6.긴 형태를 하고 있는 다운튜브, 탑튜브 등은 미리 형태를 말아놓아서 작업의 효율을 높인다.

7.플라스틱으로 만든 적층 전용 틀에 맞추어 프레임 전체의 모양을 갖춘다. 헤어드라이기를 이용하여 형태를 잡아가는 모습을 볼 수가 있는데 열을 가하면 프리프레그 시트가 말랑말랑해져서 작업성이 좋아지기 때문이다. 이 모델의 경우에 프레임의 가장 바깥쪽 레이어는 3K능직 패턴을 쓴다는 사실을 알 수가 있다.

8.적층이 완성된 모습이다.

9.작업한 결과물을 굽기(Curing) 위한 금형에 옮겨서 장착한다. 안쪽으로 나일론 비닐 튜브 등을 심어서 굽는 것과 동시에 공기압을 불어넣어준다. 이러한 작업은 금형에 카본 시트가 정확하게 밀착되도록 하기 위한 목적이 있다.

10.구워낸 결과물이다. 굽기 전과 비교하여 쭈글쭈글하던 카본 시트의 표면이 제품의 형상 그대로 쫙 펴져있는 것을 볼 수가 있다. 제품 외곽으로는 흘러 넘친 에폭시 수지가 노란색 플라스틱의 형체를 하고 있다.

11.프레임을 구울 때 넘쳐 흐르면서 굳은 에폭시 수지를 떼어내고 칠을 하기 위해서 표면을 거칠게 만드는 작업을 한다. 이때 대형 집진 장비를 이용하여 작업 중 발생하는 카본 분진을 모두 제거한다.

12.페인팅을 한 후에 표면을 검사하고 광택 작업을 해서 마무리한다.

(출처. italiancyclingjournal.blogspot.com)

 

 

카본 자전거 금형에는 뭔가 특별한 것이 있다. 

카본 자전거 제조에 있어서 적층각과 더불어 중요한 것은 바로 금형이다. 카본 업계에는 ‘카본 자전거 제조기술은 바로 금형기술’이란 말이 있을 정도이다. 금형은 그 회사의 기술이 집적된 부분이므로 절대로 외부에 오픈하지 않는 것이 불문율이었으나 최근에는 큰 회사를 중심으로 금형 사진과 함께 제조 과정을 일부 공개하는 경우도 생겼다.

금형은 머시닝 센터(CNC)라고 하는 기계에서 스틸(Steel)을 가공해 쓰는데 가공비용이 매우 많이 들어간다. 자전거 프레임의 경우에 한가지 사이즈의 금형을 제조하는데에 4,000만원에서 8,000만원이 소요되며 카본휠은 2,500만원에서 5,000만원의 금액이 든다. 금형을 깎는 기간도 4~8주 정도가 걸리므로 카본 제품값에 금형비가 일정부분 포함이 되는 것이다. 카본 프레임은 보통 다운튜브와 탑튜브, 싯튜브를 포함한 전삼각과 체인스테이와 싯스테이를 포함한 후삼각을 나누어 금형을 만들게 되는데 나중에 전삼각 금형에서 나온 프레임과 후삼각에서 나온 프레임을 접착하여 완성된 프레임을 만든다. 프레임을 완전하게 하나의 금형에서 제조하여 진정한 모노코크를 구현하는 것도 가능하지만, 비용과 설계, 생산성 등 여러가지 측면에서 효율성이 떨어지므로 전후삼각을 나누어 제조하며 완벽한 모노코크와 비교하여 성능(Performance) 면에서 떨어지지 않는다.

카본 금형은 붕어빵을 굽는 기계와 유사하게 생겼다. 위판과 아래판이 있는 구조이며 그 사이에 제품의 형상이 파져 있고 그곳에 카본 프리프레그라고 하는 카본원단을 넣어 구워내는 형식이다. 사출금형과도 유사한데 사출생산은 빠른 속도로 액화된 플라스틱을 금형 안으로 쏘아 넣는 방식이지만, 카본금형은 사정이 다르다. 원단을 좁은 틈으로 밀어 넣을 수 없으므로 사람이 손으로 원단을 재단하여 금형 안에 적층을 하는 과정을 거쳐야 한다. 그러므로 카본 제품의 원가에는 인건비가 절반이상을 차지하게 된다. 적층과정을 자동화하면 되지 않느냐는 의문을 가질 수 있는데 현재 기계로 하기에는 공정이 너무 다양하고 설비비가 많이 든다. BMW같은 경우에는 전기자동차를 위한 본넷 등의 제조에 있어서 상당부분 자동화를 구현하고 있지만, 여전히 사람의 손길이 사이사이에 적용되고 있다.

위판과 아래판의 구조와 더불어 이 판들을 눌러주는 프레스(Press)장비가 있어야 하고 카본 복합재를 구워야 하기 때문에 열판(Heating Plate)이 추가 된다. 마지막으로 안쪽을 비워서 가볍게 만들기 위해 공기를 주입한다. 공기를 주입하기 위해 나일론 비닐 튜브 등을 안쪽에 삽입하고 그 위에 적층을 하게 되는데 공기압은 100 ~ 300 psi의 고압을 사용한다. 이런 고압의 공기가 금형 내부에 적층 되어있는 카본섬유가 금형 표면에 잘 붙어 펴지게 하며 여분의 에폭시 수지를 밀어내게 된다. 설명으로는 간단한 과정이지만, 적정한 온도와 굽는 시간, 최적의 압력을 구하기 위해서는 수많은 시행착오를 거쳐야만 한다. 한가지 예를 들면 카본 섬유는 굽는 과정에서 사출 플라스틱처럼 단번에 고르게 펴지지 않는 경우가 많기 때문에 불량품이 나올 가능성이 항상 존재한다. 카본 자전거 공장 대부분이 중국과 대만에 있지만, 기본적으로 10~20년 동안 막대한 시행착오를 거치면서 카본을 다루어온 회사들이다. 우리나라에도 자전거는 아니지만, 항공우주산업, 방위산업과 풍력발전기 쪽의 카본 제품을 생산하는 공장이 있으며 기술의 수준과 노하우는 가히 세계적이다. 자전거와 자동차 쪽으로도 최근 자체 제조를 시작하는 공장이 전국에 생기고 있으므로 머지 않아 메이드 인 코리아 카본 자전거와 자동차를 거리에서 자주 만나게 될 날을 기대해본다.

 

 

2010년 지식경제부 과제로 수행했던 카본 접이식 자전거 금형과 완성된 자전거이다. 카본 체인스테이를 만들기 위한 금형을 설계하고 제작하였다. 기본 구조는 붕어빵 기계와 다를 바 없지만, 카본을 성형하기 위해서는 상하 방향으로 기계적인 프레싱 압력과 함께 내부에서 공기압을 넣어주어야 한다. 마지막으로 성형에 적당한 온도로 가열하고 한시간에서 두시간 동안 굽는다. 이 자전거의 설계는 한국생산기술연구원, 디자인은 코엔디자인, 카본복합재 구조해석은 연세대학교, 제조는 스피자(현 아메코카본텍)가 맡았다. 

 

 

이스턴의 MTB 카본 림 제조과정

1.우레탄 소재의 맨드렐(Mandrel, 심봉) 위에 카본 레이어를 적층한다. 적층하여  림의 모양을 잡은 후에 맨드렐은 제거하고 그 자리에 공기압이 자리하게 될 에어튜브(Air Bladder)를 삽입한다.

2.림의 형태를 갖춘 카본 시트를 금형 안에 위치시킨다. 카본을 굽기 전에 매우 정교하게  위치시켜야 하며 모든 면이 고르게 펴져야만 압력을 가하여 성형을 했을 때 높은 품질의  림(Rim)이 나오게 된다. 심혈을 기울이는 작업자의 표정을 읽어보자. 

3. 굽고 난 다음에 상판 금형(Top Mold)을 분리하고 카본 림을 금형으로부터 탈거하는 모습이다. 금형을 냉각시킨 후에 제품을  꺼내지만 남아있는 열로 인하여 작업자는 장갑을 껴야만 한다. 

4. 여분의 수지(Resin)가 금형의 틈으로  흘러나온 모양이다. 노란색 반투명 플라스틱의 모양을 하고 있는데 이와 같이 압력으로 짜낸 수지의 모양도 일정하게 나오는 것이 좋다. 이 부분은 제조과정에서 모두 제거하여 제품의 표면을 고르게 한다.

5. 비어있는 안쪽은 에어튜브를 넣어서 공기압을 통해 성형되도록 한다. 풀카본 클린처 타입이며 일정한 두께를  가지는  깔끔한 단면을 보여주고 있다.

(출처. www.laekhouse.com)

 

 

마치며

이번호에서는 카본 자전거 제조에 있어서 중요한 카본섬유의 적층각과 금형에 대해서 알아보았다. 어떠한 제품이든지 제품이 나오기까지 많은 사람들의 노력과 땀이 녹아있지만, 결과적으로 소비자인 라이더의 선택으로 제품의 운명은 결정된다. 소비자는 그 제품제조의 과정을 전부 알아야 할 필요는 없지만, 어떤 제품이든지 손쉽게 나오는 경우는 없으므로 잠깐만이라도 설계자의 고민과 생산자의 손을 거친 제품에 대해 감사하는 마음을 갖고 안전한 라이딩을 한다면 그 라이딩의 즐거움은 훨씬 커질 것이다.