KR20220109614A - 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠은 타이어를 수용하는 림, 회전축을 고정하기 위한 관통 개구가 구비된 휠 바디 및 휠 바디 및 상기 림을 연결하는 둘 이상의 스포크를 포함하며, 림, 휠 바디 및 스포크는 섬유강화복합재료로 형성되고, 림 및 스포크 내부에는 폼코어가 삽입되는 구조를 가짐으로써, 경량화를 이루면서 동시에 차량용 휠에서 요구되는 강성을 확보한 차량용 휠을 제공한다.

Description

섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠 및 이의 제조 방법{VEHICLE WHEEL USING FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 섬유강화 복합재료를 적용하여 휠에 요구되는 강성을 만족하면서 림부, 스포크 및 휠 바디를 한번에 성형하여 제조되는 차량용 휠에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용 휠(Wheel)은 타이어와 함께 차량의 하중을 지지하고, 구동력 및 제동력을 노면에 전달하는 기능을 한다. 차량용 휠(Wheel)의 경량화는 차량의 운전 성능을 높일 수 있으며, 더불어 연비도 개선시킬 수 있다. 이와 같은 차량용 휠의 경량화를 위해 일반적으로 제조가 용이하고 중량이 낮은 알루미늄을 사용하고 있다. 그리고 최근에는 차량용 휠의 무게를 보다 경량화하고 강도를 강화하기 위하여 섬유강화 복합재료를 이용한 휠이 개발되고 있어, 기존의 알루미늄 휠보다 성능이 우수하고 가벼워서 차량의 성능을 더욱 높일 수 있게 되었다. 특히, 섬유강화 복합재료는 금속 합금에 비해 비강도 및 비강성이 높아 여러 분야에 사용이 증가하고 있으며, 차량의 많은 부품에 적용이 확대되어 섬유강화 복합재료의 우수한 기계적 물성으로 인해 차량의 연비 개선, 경량화, 안전성 및 승차감 개선 등의 효과를 볼 수 있다. 이와 같은 이점을 가지는 섬유강화복합재료를 이용하여 휠을 제조하는 경우 비중이 작으면서도 높은 강도를 가져 종래의 알루미늄 휠과 비교하여 경량화를 가능하게 한다.

보편적으로 섬유강화 복합재료는 고분자 수지에 해당하는 모재와 강화섬유를 사용하는 보강재로 구성된다. 모재와 보강재로 구성되는 섬유강화 복합재료의 기계적 물성은 강화섬유의 방향성에 따라 크게 달라지게 된다. 따라서 요구되는 기계적 물성을 얻기 위해서는 방향성에 따른 적절한 설계가 필요하게 된다.

섬유강화 복합재료의 성형 방법으로 VaRTM, HC-RTM, 프레스 성형(Press), 오토클레이브(Autoclave) 성형 등이 있으며, 일반적으로 직물을 금형에 적층하여 수지를 주입하는 방식과 고분자 수지가 함침된 섬유기재를 재단하여 금형에 적층하는 방식으로 구분될 수 있다. 직물을 이용한 방법은 고분자 수지가 함침된 섬유 기재를 사용하는 방법보다는 기재의 취급에 있어서 제작에 대한 자유도 및 성형성이 떨어진다. 그리고 섬유강화 복합재료의 성형에 있어서 금형의 설계도 중요하다. 효율적인 기재의 적층, 탈형성을 확보하여 설계해야 한다.

한편, 차량용 휠은 다양한 하중 조건을 만족해야 한다. 차량용 휠에 가해지는 힘은 정하중, 충격하중 및 피로하중이 있으며, 정하중 측면에서는 휠의 수평방향과 수직방향의 복합하중, 정적 측면 하중 등이 있다.

이와 같이 섬유강화 복합재료를 이용하여 휠을 제조하는 발명인 한국 등록특허 10-1087148호는 복합재료를 사용한 자동차휠 및 그 제조방법에 대한 발명으로 별도로 제조된 림을 접착제 및 나사로 체결하는 제조방법을 포함하고 있다. 그러나 위 특허의 경우 종래의 금속을 대체하여 단순히 섬유강화 복합재료를 사용하고 있을 뿐, 섬유강화 복합재료를 사용하여 경량화를 이루면서도 요구되는 강성을 동시에 확보하기 위한 구성을 기재하고 있지 않다.

한국 등록특허 10-1087148호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 섬유강화 복합재료를 이용하여 차량용 휠을 제조함으로써 휠을 경량화를 이루면서 동시에 차량용 휠에서 요구되는 강성을 확보할 수 있는 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠과 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

상기 목적은, 타이어를 수용하는 림, 회전축을 고정하기 위한 관통 개구가 구비된 휠 바디 및 휠 바디와 상기 림을 연결하는 둘 이상의 스포크를 포함하며, 림, 휠 바디 및 스포크는 섬유강화 복합재료로 형성되고, 림 및 스포크 내부에는 폼코어가 삽입되는 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠에 의해 달성된다.

바람직하게는, 스포크의 단면은 사각형 형태일 수 있다.

바람직하게는, 림, 휠 바디 및 스포크는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재를 적층하여 형성되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 림은 고분자 수지가 함침된 섬유 기재가 림의 둘레 방향 기준으로, 0, 45, -45 및 90도 중에서 적어도 2개 이상의 서로 다른 각도를 가지는 섬유 기재를 적층하여 형성되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 림은 림의 둘레 방향을 기준으로 0도 및 90도로 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유기재의 적층비가 2 내지 3:1일 수 있다.

바람직하게는, 스포크는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재가 스포크의 길이 방향 기준으로, 0, 45, -45 및 90도 중에서 적어도 2개 이상의 서로 다른 각도를 가지는 섬유 기재를 적층하여 형성되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 스포크는 스포크의 길이방향을 기준으로 0도 및 90도 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재의 적층비가 1:1 내지 2일 수 있다.

바람직하게는, 고분자 수지는 에폭시, 불포화폴리에스터, 비닐에스터 및 페놀수지 중에서 선택되는 적어도 하나의 수지를 포함하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 섬유 기재는 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 섬유를 포함하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 폼코어는 PET, PVC, PU 및 PE 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 림은 3 내지 15mm의 두께를 가지며, 스포크의 단면은 가로 방향 및 세로 방향 길이가 40 내지 50mm이고, 림에 삽입되는 폼코어의 두께는 1 내지 14mm이고, 스포크에 삽입되는 폼코어의 두께는 20 내지 30mm인 것일 수 있다.

바람직하게는, 림의 반지름은 240 내지 280mm이고, 휠 바디의 반지름은 70 내지 80mm인 것일 수 있다.

바람직하게는, 스포크는 7개 이상이 구비된 것일 수 있다.

바람직하게는, 차량용 휠은 정적 측면 하중 30ton 이하에서 파손되지 않는 것일 수 있다.

바람직하게는, 폼코어는 림 및 스포크 내부에 삽입되거나 표면에 적층되는 것일 수 있다.

또한, 상기 목적은, 스포크, 휠 바디와 림의 일부를 형성하는 제1 내부금형에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어를 적층하는 제1 단계, 림의 나머지 부분을 형성하는 제2 내부금형을 제1 내부금형에 고정하는 제2 단계, 제2 내부금형에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어를 적층하는 제3 단계, 제1 내부금형 및 제2 내부금형을 감싸는 외부금형을 치합하는 제4 단계, 제1 내부금형, 제2 내부금형 및 외부금형을 진공 포장하는 제5 단계 및 진공 포장된 금형을 가열 및 가압하여 휠을 형성하는 제6 단계를 포함하는 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법에 의해 달성된다.

바람직하게는, 제1 내부금형에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어를 적층하는 제1 단계에서는 제1 내부금형에 스포크 개수만큼 형성된 슬롯에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재 및 폼코어를 적층하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 제2 내부금형을 제1 내부금형에 고정하는 제2 단계에서는 제1 내부금형 및 제2 내부금형 내측에 위치하는 체결홈을 통해 고정하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 외부금형은 둘 이상의 분할된 금형이 플랜지 및 체결부를 통해 결합되어 형성되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 가열 및 가압하여 휠을 형성하는 제6 단계에서 가열 온도는 120 내지 180℃이고, 압력은 0.3 내지 1 MPa인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠 및 이의 제조방법에 따르면, 섬유강화 복합재료를 사용하여 휠을 제조함에 있어 폼코어를 적용하여 차량용 휠을 구성함으로써, 차량용 휠에 요구되는 강성을 구비할 수 있어 차량용 휠을 경량화와 고강도를 동시에 달성할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 차량용 휠의 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 차량용 휠의 스포크 A-A방향 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 차량용 휠의 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법을 설명하기 위한 차량용 휠 금형의 구성도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 차량용 휠 금형의 제1 내부금형의 구성도이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 차량용 휠 금형의 제2 내부금형의 구성도이다.
도 5d는 도 5a에 도시된 차량용 휠 금형의 외부금형의 구성도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 차량용 휠의 정면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 차량용 휠의 스포크 A-A방향 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 차량용 휠의 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠(100)은 타이어를 수용하는 림(110), 회전축을 고정하기 위한 관통 개구가 구비된 휠 바디(130) 및 림(110)과 휠 바디(130)를 연결하는 둘 이상의 스포크(120)를 포함한다.

림(110), 스포크(120) 및 휠 바디(130)는 섬유강화 복합재료로 형성되며, 림(110)과 스포크(120) 내부에는 폼코어(210, 220)가 삽입된 구조를 가진다. 이때, 섬유강화 복합재료는 고분자 수지가 함침된 섬유기재에 의해 형성되는 것으로, 고분자 수지는 에폭시, 불포화폴리에스터, 비닐에스터 및 페놀 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 섬유 기재는 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유 중에서 적어도 하나의 섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

림(110)은 고분자 수지가 함침된 섬유 기재를 적층하여 형성된다. 이때, 림(110)은 고분자 수지가 함침된 섬유 기재가 림(110)의 둘레 방향을 기준으로 0, 45, -45 및 90도 중 적어도 2개 이상의 서로 다른 각도로 적층되는 것이 바람직하다.

특히, 림(110)에 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재의 적층 각도가 0, 90도를 포함할 경우 림(110)의 둘레 방향 기준으로 0도 및 90도로 적층되는 섬유 기재의 적층비는 2 내지 3:1인 것이 바람직하다. 차량이 운행되는 과정에서 차량용 휠의 림(110)에 가해지는 정적 하중에서 측면 하중보다는 수직 하중의 비중이 크기 때문에 수직 하중을 견디는 0도 방향에 대한 적층이 더 필요하게 된다. 이에, 0도로 적층되는 섬유기재의 적층비가 2 미만인 경우 수직 하중에 견디는 강도가 부족하고, 3 초과인 경우 수직 하중에 대한 강도는 확보할 수 있으나 측면 하중에 취약해지게 된다.

또한, 림(110)은 측면 하중과 수평 하중에 대한 강성을 확보하기 위해 가변 단면으로 구성될 수 있으며, 3 내지 15mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 림(110)의 두께가 3mm 미만인 경우 필요로 하는 기계적 강도를 확보할 수 없으며, 15mm 초과인 경우 과도한 강성으로 인해 휠의 무게가 증가할 수 있다.

림(110)은 제1 폼코어(210)가 적층된 구조를 가진다. 림(110)에 적층된 제1 폼코어(210)는 림(110)을 형성하는 고분자 수지가 함침된 섬유기재 사이에 적층되는 구조를 가질 수 있으며, 또는 림(110)을 형성하는 고분자 수지가 함침된 섬유기재의 어느 일면에 적층되는 구조를 가질 수 있다. 일례로서, 도 4에 도시된 바와 같이 림(110)의 내부면에 제1 폼코어(210)가 위치하는 구조를 가질 수 있다.

제1 폼코어(210)는 PET, PVC, PU 및 PE 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 소재를 통해 형성된 제1 폼코어(210)는 림(110)에 적층되어, 휠의 무게를 낮추면서도 림(110)에 가해지는 수직 하중에 대한 강성을 확보한다.

이때, 림(110)에 삽입되는 제1 폼코어(210)는 1 내지 14mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 제1 폼코어(210)의 두께가 1mm 미만인 경우 림의 중앙 부분의 강성을 만족하지 못하는 문제를 가질 수 있다. 또한, 차량용 휠에 가해지는 복합 하중에 대한 강성을 확보하기 위해서 림(110)의 반지름은 240 내지 280mm인 것이 바람직하다

림(110)에서 고분자 수지가 함침된 섬유기재 및 제1 폼코어(210)의 두께비는 1 내지 6:1인 것이 바람직하다. 이때, 두께비가 1:1 미만인 경우 림에 요구되는 강성을 확보하지 못할 수 있으며, 6:1 초과인 경우 한 과도한 강성으로 인해 휠의 무게가 증가할 수 있다.

스포크(120)는 림(110)과 휠 바디(130)를 연결하는 구조를 가진다.

스포크(120)는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재가 스포크(120)의 길이 방향을 기준으로, 0, 45, -45 및 90도 중에서 적어도 2개 이상의 서로 다른 각도를 가지는 섬유 기재를 적층하여 형성되는 것이 바람직하다.

스포크(120)에 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유기재의 적층각도가 0도 및 90도를 포함할 경우, 스포크(120)의 길이 방향을 기준으로 0도 및 90도로 적층되는 섬유 기재의 적층비는 1:1 내지 2인 것이 바람직하다. 스포크(120)는 림(110)의 측면과 연결되며, 림(110)과 휠 바디(130)를 연결하는 구조를 가져, 차량의 운행에 따라 바퀴가 회전할 때 수직 하중과 측면 하중이 동시에 가해지고, 수직 하중 보다는 측면 하중이 보다 크게 작용하기 때문에, 스포크(120)의 굽힘 강성을 확보하는 것이 요구된다. 중공의 사각 단면으로 형성되는 스포크(120)의 굽힘 강성을 확보하기 위해서는 굽힘 하중이 작용하는 방향의 강성을 보강하는 것이 요구된다. 이때 스포크(120)의 길이 방향을 기준으로 90도의 방향이 굽힘 하중의 영향을 더 많이 받기 때문에 적어도 0도 방향과 동일한 적층비를 가지거나 더 많은 적층이 요구된다. 따라서, 스포크(120)에서 90도로 적층되는 섬유 기재가 1 미만으로 적층되는 경우 굽힘 강성이 확보되지 않으며, 2 초과로 적층되는 경우 림에 가중되는 수직하중(스포크 길이방향)에 취약해지는 문제를 가진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 스포크(120)는 가해지는 측면 하중에 대한 기계적 강도를 확보하기 위해 단면이 사각인 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 단면이 사각형 형태를 가지는 스포크(120)의 가로 및 세로 길이는 40 내지 50mm인 것이 바람직하다. 스포크(120)의 가로 및 세로 길이가 40mm 미만인 경우 측면 하중에 대한 기계적 강도를 확보하지 못하여 휨 또는 파손이 발생할 수 있으며, 50mm 초과인 경우 휠의 무게가 과도해지게 된다.

스포크(120)는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재에 제2 폼코어(220)가 적층된 형태를 가진다. 이때, 스포크(120)에 적층되는 제2 폼코어(220)는 스포크(120)를 형성하는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재 사이에 적층되어 삽입되는 것이 바람직하다.

제2 폼코어(220)는 PET, PVC, PU 및 PE 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 소재를 통해 형성된 제2 폼코어(220)는 스포크(120)에 적층되어, 휠의 무게를 낮추면서도 스포크(120)에 가해지는 측면 하중 및/또는 굽힘 하중에 대한 강성을 확보한다.

이때, 스포크(120)에 삽입되는 제2 폼코어(220)는 20 내지 30mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 제2 폼코어(220)의 두께가 20mm 미만인 경우 과도한 강성으로 인해 무게가 증가할 수 있으며, 30mm를 초과한 경우 가해지는 복합하중에 의해 스포크가 파손될 수 있는 문제를 가진다.

스포크(120)의 단면에서 고분자 수지가 함침된 섬유기재 및 제2 폼코어(220)의 두께비는 1: 1.5 내지 2인 것이 바람직하다. 이때, 제2 폼코어(220)의 두께비가 1.5 미만인 경우 경량화 효과가 미비하고, 2 초과인 경우 스포크에 작용하는 복합하중(굽힘하중과 림에 작용하는 수직하중)에 의해 파손될 수 있다.

차량용 휠에 가해지는 복합 하중에 대한 강성을 확보하기 위해서 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠에 구비된 스포크(120)의 개수는 7개 이상인 것이 바람직하다.

휠 바디(130)는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재를 적층하여 형성된다.

그리고 차량용 휠에 가해지는 복합 하중에 대한 강성을 확보하기 위해서 휠 바디(130)의 반지름은 70 내지 80mm인 것이 바람직하다.

상술한 구성에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠은 요구되는 시험 기준인 30ton의 정적 측면 하중을 견딜 수 있는 강성을 가지게 된다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법을 설명하기 위한 차량용 휠 금형의 구성도이이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 차량용 휠 금형의 제1 내부금형의 구성도이며, 도 5c는 도 5a에 도시된 차량용 휠 금형의 제2 내부금형의 구성도이고, 도 5d는 도 5a에 도시된 차량용 휠 금형의 외부금형의 구성도이다.

먼저, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠을 제조하는 차량용 휠 금형은 스포크(120) 및 휠 바디(130)를 형성하며 림(110)과 스포크(120)가 맞닿는 부위를 형성하는 제1 내부금형(300), 제1 내부금형(300)과 맞닿아 림(110)을 형성하는 제2 내부금형(400) 및 제1 내부금형(300)과 제2 내부금형(400)을 감싸는 외부금형(500)으로 구성된다. 제1 내부금형(300)은 휠 바디(130)를 형성하기 위한 공간과 둘 이상의 스포크(120)를 형성하기 위한 둘 이상의 슬롯(310)을 구비한다. 그리고 제1 내부금형(300)과 제2 내부금형(400)은 내측에 위치하는 체결홈(320, 410)을 통해 체결된다. 그리고 외부금형(500)은 제1 내부금형(300)의 측면 및 제2 내부금형(400)의 외부를 감싼다. 이때 외부금형(500)은 필요에 따라 하나의 단일 금형이 아닌 둘 이상의 분할금형이 결합되는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 도 5a 및 도 5d에 도시된 외부금형(500)은 네 개의 외부금형이 결합된 형태를 가진다. 다만, 외부금형(500)의 결합 개수는 4개로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 개수의 형태를 가질 수 있다. 그리고 이와 같이 외부금형(500)은 플랜지(510) 및 체결부(520)를 통해 둘 이상의 금형이 결합될 수 있다.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법은 스포크(120), 휠 바디(130)와 림(110)의 일부를 형성하는 제1 내부금형(300)에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어(제2 폼코어)를 적층하는 제1 단계, 림(110)의 나머지 부분을 형성하는 제2 내부금형(400)을 제1 내부금형(300)에 고정하는 제2 단계, 제2 내부금형(400)에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어(제1 폼코어)를 적층하는 제3 단계, 제1 내부금형(300) 및 제2 내부금형(400)을 감싸는 외부금형(500)을 치합하는 제4 단계, 제1 내부금형(300), 제2 내부금형(400) 및 외부금형(500)을 진공 포장하는 제5 단계 및 진공 포장된 금형을 가열 및 가압하여 휠을 형성하는 제6 단계를 포함한다.

스포크(120), 휠 바디(130)와 림(110)의 일부를 형성하는 제1 내부금형(300)에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어(제2 폼코어)를 적층하는 제1 단계에서는 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 내부금형(300) 내부의 슬롯(310)에 스포크(120)를 형성하기 위한 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재 및 폼코어(제2 폼코어)를 적층한다. 이때, 스포크(120)는 림(110)과 휠 바디(130)를 연결하는 구조를 가져 차량의 운행에 따라 바퀴가 회전할 때 수직 하중과 측면 하중이 동시에 가해지기 때문에 서로 다른 각도를 가지도록 고분자 수지가 함침된 섬유기재가 교차 적층되는 것이 바람직하다. 특히, 스포크(120)는 수직 하중과 측면 하중이 동시에 가해지면서도 수직 하중 보다는 측면 하중이 보다 크게 작용하므로, 측면 하중을 고려하여 스포크(120)의 길이방향을 기준으로 0도 및 90도로 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유기재의 적층비가 1:1 내지 2가 되도록 적층하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 내부금형(300)에 형성된 스포크(120)를 형성하기 위한 슬롯의 개수는 도 5b의 일례에서는 7개의 슬롯(310)을 도시하고 있으나, 7개로 한정되는 것은 아니며, 제조되는 차량용 휠의 크기 및 용도에 따라 달라질 수 있다.

다음으로, 림(110)의 나머지 부분을 형성하는 제2 내부금형(400)을 제1 내부금형(300)에 고정하는 제2 단계에서는 제1 내부금형(300)의 내부면에 제2 내부금형(400)을 체결한다. 이때, 제1 내부금형(300)과 제2 내부금형(400)은 내측에 위치하는 체결홈(320, 410)을 통해 기계적으로 체결하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 제1 내부금형(300)과 제2 내부금형(400)을 완전하게 고정함으로써, 차량용 휠을 성형하는 과정에서 가해지는 압력이나 다른 외력에 의해 금형이 틀어지거나 이격되는 것을 방지한다.

다음으로, 제2 내부금형(400)에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어(제1 폼코어)를 적층하는 제3 단계에서는 제2 내부금형(400)에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어(제1 폼코어)를 적층하여 제1 내부금형(300)의 스포크(120)와 림(110)이 일체로 성형되도록 한다. 이때, 차량이 운행되는 과정에서 차량용 휠의 림(110)에 가해지는 정적 하중에서 측면 하중보다는 수직 하중의 비중이 크기 때문에 수직 하중을 더 견딜 수 있도록, 림(110)의 둘레 방향 기준으로 0도 및 90도로 적층되는 섬유 기재의 적층비가 2 내지 3:1이 되도록 적층하는 것이 바람직하다.

다음으로, 제1 내부금형(300) 및 제2 내부금형(400)을 감싸는 외부금형(500)을 치합하는 제4 단계에서는 상기 제1 단계 내지 제3 단계를 통해 제1 내부금형(300) 및 제2 내부금형(400)에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼 코어가 적층된 상태에서 이를 감싸는 외부금형(500)을 치합한다. 이때, 외부금형(500)은 금형 치합의 편의성과 제조되는 휠의 형상을 고려하여 둘 이상의 분할금형이 결합되는 형태인 것이 바람직하다. 도 5d에서는 일례로서 네 개의 분할금형이 결합된 형태의 외부금형(500)을 도시하고 있다. 다만, 도 5d에 도시된 바와 같이 외부금형(500)이 네 개의 금형으로 이루어진 것은 하나의 일례로서, 외부금형(500)의 분할 개수가 네 개로 한정되는 것은 아니며, 제1 내부금형(300) 및 제2 내부금형(400)의 성형공간을 완전하게 덮을 수 있는 범위 내에서 자유롭게 조절이 가능하다. 이때, 둘 이상으로 분할된 금형은 플랜지(510) 및 체결부(520)을 통해 결합되어 외부금형(500)을 형성할 수 있다.

다음으로, 제1 내부금형(300), 제2 내부금형(400) 및 외부금형(500)을 진공 포장하는 제5 단계에서는 제1 내부금형(300), 제2 내부금형(400) 및 외부금형(500)을 모두 결합한 이후 결합된 금형 전체를 브리더, 진공필름 또는 배깅필름을 이용하여 완전하게 포장한 후 진공상태로 만들어 제6 단계에서 고온 및 고압 처리를 가능하게 한다.

다음으로, 진공 포장된 금형을 가열 및 가압하여 휠을 형성하는 제6 단계에서는 오븐(Oven), 오토클레이브(Autoclave) 등과 같은 장비를 이용하여 소정 시간 동안 가열 및 가압하여 차량용 휠을 형성한다. 이때, 가열 및 가압의 조건은 고분자 수지에 따라 자유롭게 조절이 가능하며, 일반적으로 가열 온도는 120 내지 180℃이고, 압력은 0.3 내지 1 MPa인 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠
110: 림 120: 스포크
130: 휠 바디
210: 제1 폼코어 220: 제2 폼코어
300: 제1 내부금형 310: 슬롯
320: 체결홈
400: 제2 내부금형 410: 체결홈
500: 외부금형 510: 플랜지
520: 체결부

Claims (20)

1. 타이어를 수용하는 림;
   회전축을 고정하기 위한 관통 개구가 구비된 휠 바디; 및
   상기 휠 바디 및 상기 림을 연결하는 둘 이상의 스포크를 포함하며,
   상기 림, 상기 휠 바디 및 상기 스포크는 섬유강화복합재료로 형성되고,
   상기 림 및 상기 스포크 내부에는 폼코어가 삽입되는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스포크의 단면은 사각형 형태인, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
3. 제1항에 있어서,
   상기 림, 상기 휠 바디 및 상기 스포크는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재를 적층하여 형성되는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
4. 제1항에 있어서,
   상기 림은 고분자 수지가 함침된 섬유 기재가 림의 둘레 방향 기준으로, 0, 45, -45 및 90도 중에서 적어도 2개 이상의 서로 다른 각도를 가지는 섬유 기재를 적층하여 형성되는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
5. 제4항에 있어서,
   상기 림은 림의 둘레 방향을 기준으로 0도 및 90도로 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유기재의 적층비가 2 내지 3:1인, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
6. 제1항에 있어서,
   상기 스포크는 고분자 수지가 함침된 섬유 기재가 스포크의 길이 방향 기준으로, 0, 45, -45 및 90도 중에서 적어도 2개 이상의 서로 다른 각도를 가지는 섬유 기재를 적층하여 형성되는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
7. 제6항에 있어서,
   상기 스포크는 스포크의 길이방향을 기준으로 0도 및 90도 적층되는 고분자 수지가 함침된 섬유기재의 적층비가 1:1 내지 2인, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
8. 제3항에 있어서,
   상기 고분자 수지는 에폭시, 불포화폴리에스터, 비닐에스터 및 페놀수지 중에서 선택되는 적어도 하나의 수지를 포함하는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
9. 제3항에 있어서,
   상기 섬유 기재는 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 섬유를 포함하는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
10. 제1항에 있어서,
    상기 폼코어는 PET, PVC, PU 및 PE 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
11. 제1항에 있어서,
    상기 림은 3 내지 15mm의 두께를 가지며, 상기 스포크의 단면은 가로 방향 및 세로 방향 길이가 40 내지 50mm이며, 상기 림에 삽입되는 폼코어의 두께는 1 내지 14mm이고, 상기 스포크에 삽입되는 폼코어의 두께는 20 내지 30mm인, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
12. 제1항에 있어서,
    상기 림의 반지름은 240 내지 280mm이고, 상기 휠 바디의 반지름은 70 내지 80mm인, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
13. 제1항에 있어서,
    상기 스포크는 7개 이상이 구비된, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
14. 제1항에 있어서,
    상기 차량용 휠은 정적 측면 하중 30ton 이하에서 파손되지 않는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
15. 제1항에 있어서,
    상기 폼코어는 상기 림 및 상기 스포크 내부에 삽입되거나 표면에 적층되는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠.
16. 스포크, 휠 바디와 림의 일부를 형성하는 제1 내부금형에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어를 적층하는 제1 단계;
    상기 림의 나머지 부분을 형성하는 제2 내부금형을 상기 제1 내부금형에 고정하는 제2 단계;
    상기 제2 내부금형에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어를 적층하는 제3 단계;
    상기 제1 내부금형 및 상기 제2 내부금형을 감싸는 외부금형을 치합하는 제4 단계;
    상기 제1 내부금형, 제2 내부금형 및 외부금형을 진공 포장하는 제5 단계; 및
    상기 진공 포장된 금형을 가열 및 가압하여 휠을 형성하는 제6 단계;
    를 포함하는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 내부금형에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재와 폼코어를 적층하는 제1 단계에서는 상기 제1 내부금형에 스포크 개수만큼 형성된 슬롯에 고분자 수지가 함침되어 있는 섬유 기재 및 폼코어를 적층하는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법.
18. 제16항에 있어서,
    상기 제2 내부금형을 상기 제1 내부금형에 고정하는 제2 단계에서는 제1 내부금형 및 상기 제2 내부금형 내측에 위치하는 체결홈을 통해 고정하는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법.
19. 제16항에 있어서,
    상기 외부금형은 둘 이상의 분할된 금형이 플랜지 및 체결부를 통해 결합되어 형성되는, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법.
20. 제16항에 있어서,
    상기 가열 및 가압하여 휠을 형성하는 제6 단계에서 가열 온도는 120 내지 180℃이고, 압력은 0.3 내지 1 MPa 인, 섬유강화 복합재료를 이용한 차량용 휠의 제조방법.

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