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velocite Velocite, 카본파이버란?

알퐁소 2015.07.04 19:17 조회 수 : 208

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카본복합섬유(Carbon Fiber Composites)는 현재 자전거 부품으로써 사용가능한 모든 다른 소재의 사용한도를 넘어선 가장 가볍고, 우수한 강성(stiffness), 내구성, 편의성을 제공합니다. 여기서 복합(composites)은 카본과 레진(resin)의 여러재료로 만든것을 의미합니다.

 

겹겹히 쌓는 카본섬유의 제조 품질은 비틀림 하중을 제어할 수 있는것이 아주 중요합니다.

등방향성(isotropic) 재료와는 다르게, 카본복합섬유는 부품의 전체적인 구조적 형상을 변형시키지 않고 거의 모든 기계(기술)적 특징 만족시키기위해 사람의 기술로써 제조될 수 있는 재료입니다. 그것은 완전히 이방향적(anisotropic) 특성에 있습니다.

 

이것은 프레임의 임의의 파트에서 최적의 강성(optimal stiffness)을 달성하기 위한것을 의미합니다.

기본 형상 요건이 충족되면, 필요한 모든것은 카본섬유를 겹치는 기술과 사용되어진 제조 공정을 개선하는 것입니다.

구조를 변경할 필요는 없습니다. 그런데 그때그때 적합한 것으로의 카본파이버를 겹겹히 쌓는 제조공정을 변경시키는것 것은 매우 비쌉니다.

 

그래서 당신은 생산비용의 절감을 달성하면서 강성을 강화할 목적으로 만들어진 혁신적인 모양과 기술적 해결책을 더 자주 볼 수 있습니다. 비교적 작은 사이즈의 우리회사 규모는 생산비용과 재고량의 증가는 주요 관심사가 아닙니다.

우리는 최고의 재료와 검증된 기술을 사용하여 최상의 결과의 달성에 초점을 맞출 여유가 있습니다.

 

제조

탄소섬유 자체가 어떻게 만들어 지는지에 대한 좋은글 : Wikipedia - Carbon (fiber)

더 많은 자료 링크 : How products are made - Carbon fiberJapanese Carbon Fiber Manufacturers Association FAQ

 

 

 

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자전거 부품의 제조에 사용되는 탄소섬유의 전체시장의 70 % 대표하는 주요 공급 업체, 일본의 Toho Tenax, Toray Industrial, Mitsubishi Rayon 입니다. 그들은 카본파이버(under 12000 fibers) normal tow 라고 불리는, 또는 일반적으로 1K, 3K, 12K 직조 UD카본 섬유 알려진의 주요 공급 업체입니다.
최근 카본파이버
직물의 또 다른 유형이 사용 가능하게되었다. 그것은 Spread tow 입니다. 이름에서 알수있듯이 직물의 유형이 '펼침/확산' Tow로 이루어 졌습니다.

일반적으로 12K tow, 오리지널 12K Tow보다 휠씬 넓은 테이프를 생성합니다. 실제 2배이상의 섬유분포의 확산의 결과를 보입니다.
따라서 동일한 수의 섬유를 사용하여 표준토우로 만들어진 직물보다 Spread tow(확산토우)에서 만든 직물은 큰 표면적을 커버 할 수있습니다. 이것은 더 경량의 무게로 동일 기능을 이끌어 낼 수 있음을 의미합니다.

이것이 스포츠분야의 총 카본섬유 소비의 단지 20%만 차지하고 있다는것이 중요합니다. 자전거 분야에서는 약 5%정도를 차지하고 있습니다. 이것은 자전거업계에서 사용하는 카본섬유와 관련수지가 원래 항공우수와 같이 다른분야를 위해 개발된것을 의미합니다. 좀 더 기발한 마켓팅 자료를 활용하였지만 자전거에 특화된 카본섬유는 아직 없는것이 우리의 주장입니다.

 

자전거업계에서 사용되는 카본섬유

 

가장 일반적으로 사용되는 카본섬유 pre-impregnated fabric 또는 prepreg 롤의 형태로 옵니다.
카본복합섬유(Carbon Fiber Composites)는 탄소 섬유 수지 겸비한 복합 재료이기 때문에, prepreg 카본섬유가 이미 수지로 포화 된 것을 의미합니다. 얼마나 많은 수지가 섞이고 어떤타입의 수지인지가 카본섬유 prepreg의 최종사용과 등급이 결정됩니다.

자전거 부품, 구체적으로는 자전거 프레임 인장 강도 및 인장 탄성률에 의해 카본섬유 다양한 등급을 사용하여 제조됩니다. 인장 탄성률 카본섬유 강성(stiffness)을 측정하는 동시에 인장 강도는 카본섬유가 파손될 필요한 힘의 양입니다.

 

재료의 비용은 일반적으로 인장 강도가 증가하거나 인장 탄성률이 증가할때 올라갑니다.
Tow(Weave)도 Tow prepreg를 사용, 예를들어 12K의 경우 제조 비용 절감에 의한 더 적은 비용으로 재료의 비용을 결정합니다.

아래 차트는 일본 도레이(Toray)사의 카본섬유 prepreg의 범위의 몇가지 기본 특징을 설명합니다.

고성능, 안전하고, 내구성 우수한 자전거 프레임을 확인하는 유일한 방법 다양한 탄성의 카본섬유 다중 레이어를 왜 사용하는지를 나타냅니다.

 

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위의 그림은 본다면 당신은 인장 강도와 인장 탄성률은 서로 거의 반비례 한다는것을 알게됩니다. 즉, 섬유가 탄성이 강하게 되고 파손에 저항력이 높아지면, 그것은  뻣뻣(stiffness)하게 것입니다. 이러한 자전거 프레임의 제조에서는 현재 동시에 강성(stiffness)에 있고, 낙하 자연 균열 손상에 저항력이있는 카본복합섬유로 매우 가벼운( 850g이하) 프레임을 구축 할 수없는 것을 의미합니다. 이것은 모든 Velocite 프레임에 원하는 무게, 강성, 내구성 달성하기 위하여  프레임 사이즈의 특정 영역에서의 다양한 모듈러스본섬유의 다수의 층으로 제작하는 Velocite Optimised Carbon 또는 VOC를 사용하는 이유입니다.

 

Carbon fiber layup, 겹겹히 쌓는 카본섬유

다양한 modulus(탄성)의 카본섬유 prepreg cloths 와 Tow는 각 프레임 모델과 사이즈의 대응을 위하여 변형된 layup 챠트에 따라서 작아진 패치들로 잘라집니다. 예를들어, Velocite Geos 프레임이 가진 4개의 사이즈는 동일하지않고 밀접한 관련이 있는 4개의 독특한 layup 챠트를 가진것을 의미합니다.

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이 그림은 Velocite GEOS에 대한 실제 엔지니어링 layup 도표의 예입니다 (위치, 카본섬유 등급 및 방향 (예: 0도, 45도, 90도) 회사기밀을 이유로 세밀한 정보삭제). 세가지 서로 다른 유형의 카본섬유를 사용하여, 총 8층으로 구성되어 있습니다.  우리의 layup은 프레임에 작용하는 특정 방향 부하를 처리하도록 최적화되어 있습니다. 이것은 프레임의 다운튜브, 톱튜브, 싯스테이, 체인스테이 작용하는 비틀림(torsional forces)을 우선적으로 처리하는 layup을 의미합니다.

서로 다른 방향의 카본섬유 prepreg 패치를 겹치는것 높은 중요성 섬유의 길이를 따라 최대의 강도를 카본섬유에 기인합니다. 이것은 또한 강한 프레임을 만들기 위하요 단방향 섬유로 카본섬유 (woven carbon fiber 예: 1K, 3K, 12K)대신 UD(uni-directional)카본섬유를 사용하는 이유를 설명하는 데 도움이됩니다.

 

직조 된 카본섬유를 사용할때 길이의 방향으로 힘이 작용되도록 섬유의 어느 부분을 동일방향으로 놓지않는다. 물론 서로 다른 방향으로 직조된 다층 레이어의 카본섬유 사용은 어느정도 이 문제를 완화하는데 도움이 됩니다. 그러나 직조된 카본섬유의 또 다른 문제는 직조가 서로 통과하는 휘어지거나 굴곡진 부분이다. 이 결핍부분은 모든 직조된 카본섬유의 문제이고 쉽게 극복할 수 없습니다.

따라서,
직조된 카본섬유의 주된 사용처는 자전거 프레임의 경우 주로 외관입니다. 1K, 3K, 드물게 12K 카본섬유 좀 더 균일한 "카본형태"을 부여하는 프레임의 표면에 사용되어집니다. Velocite 우리는 UD카본(unidirectional carbon fiber) 섬유를 사용하고 직조된 카본섬유는 명확한 구조적, 기계적 장점이 있는곳, 꾸미는 상부층에 사용합니다.

당신이 Velocite 프레임을 볼때는,  전체적으로 복잡한 구조의 상층 카본섬유 레이어를 볼 수 있습니다.

참고 : D. Chung Composite Materials Science and Applications, 2nd Edition

 

제조 공정

카본복합섬유(Carbon fiber composite) 프레임들은 다음과 같은 두 가지 방법을 사용하여 제조 할 수 있습니다 :

 

1. Resin transfer (RTM), or fillament-winding method - used in lugged construction where pre-formed carbon tubes are bonded to internal, or external lugs (see: lugged frame construction) and are held in place with glue. Commonly the lug material is now also a carbon fiber composite.

2.Closed mold using bag, foam core, sacrificial core or polymer mandrel molding - used to make structural elements for tube-to-tube (bonded tube) frames, and to make monocoque frames.

 

RTM 또는 fillament-winding 카본튜브 제조공법의 러그구조

이것은 오리지널 카본 프레임 제조 방법이고 스틸 프레임에 사용하는 러그 프레임 구조 직계이다. 러그방식의 공정을 사용하여 만들어진 프레임은 하이 퍼포먼스를 제공하지만, 현재의 프레임을 만드는데 이방법을 이용하는 가장 큰 이유는 주문 지오메트리 변경의 용이성과 낮은 생산비용입니다. 이것은 아시아 이외의 국가에서 고품질 현대 카본 프레임 메이커의 성공적 프레임 제조 사업을 가능케 했습니다. 

 

The tubes themselves are commonly made via an RTM, or filament winding process where carbon tubes are woven around a solid mandrel (usually steel, or alloy) using carbon fiber yarn wound on a spool. With RTM process, resin is applied separately, ie. not by using a pre-preg, while filament-wound tubes use resin impregnated carbon filaments.  The RTM and filament-winding carbon tube manufacturing process can be largely automated, allowing economical production in countries with higher labour costs.

 

러그 프레임 구조는 bonded tube 또는 monocoque 프레임 구조를 넘어 성능의 이점은 없습니다. 프레임의 튜브는 위에 설명된 구조적으로 결함의 직조 카본섬유(woven carbon fiber)로 일정하게 만들어 집니다. 그리고 접착제와 러그의 기계적 결합의 힘으로 제위치를 잡고 남겨집니다.

 

Closed mold using bag, foam core, sacrificial core, or polymer mandrel molding

a) Tube-to-tube, 또는 bonded tube 구조

이 방법은 함께 용접된 튜브에 비유 될 수있습니다. 사전 성형 된 튜브 형상 위에 권취 탄소 섬유 수지와의 사용이 서로 결합된다. 사전 성형 된 튜브 형상 위에 카본섬유 수지를 over-wrapping하여 서로 결합됩니다. 관절 특별한 미니 금형(지그와 유사)을 사용하여 제 위치에 잡고, 그 다음 프레임은 오븐에서 구워지거나, 또는 어떤 경우에는 미니금형 자체가 가열 요소 갖습니다. 관절 따라서 열경화성 수지이며 카본섬유구조체의 나머지에 필적 우수한 강도 달성합니다. 열경화성은 트루 카본복합섬유가 형성되는 것을 접착하는것이 다릅니다.

 

이 방법은 대량 제품 생산에 적합하고, 모노코크 구조에 필적하는 성능을 갖습니다. Tube-to-tube 프레임은 그 형태와 심한 단면의 변형은 하기 non-structural putty의 과도한 사용의 요구또는 관절을 부드럽게하기 때문에 튜브 단면이 좀더 제한적 입니다. 제작방법 측면에서 tube-to-tube와 monocoque 프레임 간의 선이 흐려지고 되도록 tube-to-tube 구조를 위하여 커다란 요소를 만드는것에 최근 경향이 있습니다. 

 

b) Monocoque 구조

전체 프레임은 주문된 모양의 금형으로 짜여집니다. 모든 하중을 처리하는, 단지 할로우 카본형태 이를테면 튜브가 없습니다. 모노코크구조의 제작 방법은 인간이 만든 복합재료로 작업하기위한 가장 좋은 방법입니다. 카본섬유는 정밀하게 원하는것을 짤 수 있기때문에, 임의의 형상 및 성능 파라미터는 겹겹히 쌓음과 금형의 형상과의 결합을 통해 얻을 수있습니다. 최종 형상 및 성능에 영향을 미치는 어떠한 외부(즉. 튜브엔드의 소품필요)이 없습니다. 따라서 아무리주의 깊게 디자인한 러그형태 또는 bonded tube 프레임은 이 점에서 그 아랫단계에 위치하게 됩니다.

 

그런데, 상업적으로 사용가능한 하나의 모노코그 금형의 프레임은 없습니다. The closed mold bag molding process, 또는 Sacrificial foam, solid foam, or silicon mandrel을 사용할지라도 얼마나 작은 형태와 튜브 단면을 성공적으로 성형 할 방법은 여전히 제한적 입니다. 이것은 성형되는 내부에 압축재료를 가질 필요성에 기인합니다. 구운후 압축물질의 성공적 제거에 의해 심지어 적절한 압력이 가장 미세한 부분에도 확인되는것은 매우 어렵습니다. 전체 모노코크 형성은 작은 모양과 단면의 모양까지 가능하지만, 실패율 높고 그 결과 품질이 적절하지 않을 수 있습니다.

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따라서 시장의 모든 모노코크 프레임은 실제로 여러 부분에서 만들어집니다. Velocite 프레임은 monocoque 방식을 사용합니다. 그래서 예를들어, 프레임의 앞 삼각형(헤드튜브, 톱튜브, 다운튜브, 싯튜브)은 일체형으로 성형한후 뒷 삼각형(싯스테이, 체인스테이, 드롭아웃)을  bonded 튜브방식으로 접합하여 하나를 연속적으로 생성하기위해 함께 가열하여 굽습니다.
 

겹겹히 쌓은 계층 함께 단단히 고정되어 있는지 확인하는 몇 가지 방법이 있습니다. 이것은 일반적으로 겹겹히 쌓인 카본섬유 사이로 에어 주머니(bladder)를 삽입하여 프레임을 굽기전에, 금형에 배치되어 그것이 팽창하여 수행됩니다. 이것은 여전히 대분분의 카본 모노코크 프레임들이 제작되는 방법입니다. 일반적인 공기 주머니방식의 단점은 상대적으로 낮은 압력으로 인하여 공기의 층사이에 갖혀 생기는 내부 주름이나 공기가 남음으로 생기는 레이어 사이의 빈공간이다. 이것은 프레임을 약하게 합니다. 프레임 내부에서 겹겹히 쌓은 카본섬유의 모양을 유지해준 에어주머니를 완전히 제거하는것은 역시 어렵습니다.

 

Velocite 제조공장은 더 높은 압력으로 팽창하고, 완벽한 모양 제어를 위한 핵심기술인 고체 실리콘식이 사용되는 특수 폴리머 공기주머니를 사용하는 독자적인 방법을 가지고 있습니다. 이 방법은 사실상 프레임 내부의 빈공간을 없애고 완전히 매끄러운 외부의 표면을 유도하는 HCT(높은 압축 기술)라 부릅니다. 이로인해 프레임 내부에는 단지 공기만 남습니다. 프레임 내부에 아무것도 없기 때문에 인터널 케이블 라우팅을 위한 가이드튜브의 사용을 필요없게합니다. 이 방법을 사용하면 단순 공기주머니를 사용하는 것보다 분명히 더 고가이지만, 결과는 보다 훨씬 우수합니다.

 

참고자료 : CRC Press COMPOSITES MANUFACTURING: Materials, Product, and Process Engineering

 

프레임 및 금형틀이 충분히 냉각 한 후, 프레임은 금형틀으로부터 제거됩니다. 프레임의 초기 손 마무리작업은 이형 화합물(금형에 프레임이 붙는것을 방지)와, 붕어빵과 같이 금형의 위틀과 아랫틀 사이에서 생긴 과잉된 수지를 제거합니다. 당신은 도색되지 않은 희미한 금형 라인을 관찰할 수 있습니다. 몇 가지 더 마무리 단계 후, 프레임 데칼, 페인트 및 코팅제 적용되는 페인트 작업장으로 이동됩니다.

 

Quality Control 품질관리

Velocite's QC 체크리스는 우리에게 배달되기 위하여 공장에서 프레임을 출시하기 이전에 최종 25단계를 포함합니다. 각 프레임의 최종 무게는 설계의도 대로 되어있는지, 모든 기계(기술)적 호환성등이 기능과 조립에 대한 준비가 되어있는지를 확인합니다. 예를들어 BB30 쉘, 뒷변속기 행어, 헤드셋레이스등.., 압도적 운동성을 위한 우리의 관점에서 각 프레임은 우리의 사양에 맞는지 강도(stiffness)를 확인하기 위하여 역시 테스트 합니다.

 

각 프레임 디자인은 CEN/EN standards를 준수하기 위하여 테스트됩니다. 우리의 제조 공장 역시 CEN의 테스트에 필요치않은 시험장비도 가지고 있습니다. 이러한 추가 테스트는 프레임 디자인과 짜맞춤(layup)에 영향을 미치는 매우 중용한 정보를 추가하는 역활을 합니다. 우리의 품질관리(QC) 및 생산 기계의 성능테스트의 전체 보완은 Velocite 프레임 신뢰성, 안전성 그리고 가장 높은 수준으로 수행 할 수 있는것을 학인합니다.

 

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