타이어의 진화, 지금 시작합니다
타이어는 수많은 자동차 부품 중 유일하게 지면과 맞닿는 부품으로 독립된 역할을 수행합니다.
전기자동차와 같은 미래자동차의 등장으로 자동차 부품 산업의 패러다임이 변화하고 있습니다. 내연기관은 사라지고, 소프트웨어 중심으로 부품의 역할이 바뀌고 있습니다. 그 중 가장 눈길을 끄는 부품은 '타이어'입니다. 타이어는 수많은 자동차 부품 중 유일하게 지면과 맞닿아 정지하고 회전하는 등 독립된 역할을 수행하는 부품입니다. '타이어'의 기본적인 역할은 언제나 안전으로 다른 자동차 부품과 비교했을 때 큰 변화는 없었습니다. 하지만, 최근에는 전기자동차가 보편화 되며 로드 노이즈를 낮출 수 있는 저소음 타이어에 대한 연구가 진행되고 있으며, 2017년 미쉐린은 3D프린팅을 이용하여 불규칙한 공기압이나 노면 손상으로 펑크날 일이 없는 에어리스 타이어를 개발하는 등 미래를 향한 타이어의 진화가 시작되고 있습니다.
미쉐린에서 개발한 미래형 타이어 (좌 : 3D프린팅 타이어, 우: 에어리스 타이어) (출처 : 미쉐린)
타이어, 최적의 주행과 안전을 위한 핵심 부품
타이어는 그 종류나 상태에 따라 주행안정성, 승차감, 소음 등 자동차의 다양한 부분에 영향을 미칩니다.
타이어는 쉽게 말하면 자동차의 신발 역할을 하는 부품입니다. 우리가 신발을 고를 때 착용감, 쿠션감, 밑창패턴, 착용상황 등 많은 부분을 고려하는 것처럼, 타이어 또한 그 종류나 상태에 따라 주행안정성, 승차감, 소음 등 자동차의 다양한 부분에 영향을 끼칠 정도로 매우 중요한 핵심 부품입니다. 이러한 타이어의 성능은 타이어 표면에 새겨진 패턴, 즉 '트레드(Tread)'로 결정됩니다. 트레드 홈의 간격이나 형상에 따라 타이어의 접지력, 배수력, 승차감 등에 직접적인 영향을 미치기 때문에 많은 타이어 제조사들이 타이어의 기능을 최대로 발휘하고, 주행성능이 최적화된 트레드 패턴을 연구개발하는데 집중하고 있습니다. 트레드의 패턴은 크게 세 부분으로 나뉘어집니다.
타이어의 구조 (출처 : 금호타이어 블로그, https://blog.kumhotire.co.kr/1465)
1. 그루브(groove) - 타이어가 빗길을 지날 때 배수를 돕는 역할을 합니다. 이 중 타이어의 중심에 굵직하게 들어간 것을 '메인 그루브'라고 하는데 최대한 많은 물을 배출할 수 있도록 10~16mm 정도의 넓이와 깊이로 새겨집니다. 메인 그루브를 기준으로 가로 방향으로 새겨진 '서브 그루브'는 좌우로 배수가 이루어질 수 있도록 메인 그루브를 돕는 역할을 합니다. 또한, 직진 주행 시 더 강력한 그립력을 발휘하여 우천 시에도 안전하고 편안한 주행을 가능하게 합니다.
2. 블록(block) - '블록'은 그루브 반대되는 개념으로 홈이 아닌 블록 튀어나온 곳을 지칭합니다. 블록은 타이어의 견인력과 제동력, 그리고 코너링 성능과 관련이 깊습니다. 일반적으로 블록이 크고, 블록 간의 간격이 넓은 트레드일수록 오프로드 성능이 강한 RV차량용 타이어로 분류하며, 반대로 블록이 세밀하고 사이프가 많을수록 일반 승용차용 타이어로 분류합니다.
3. 사이프(sipe, 커프) - 다른 말로는 '커프'라고도 하며 그루브와 비교하여 0.6~0.8mm 정도로 얇게 새겨진 홈을 말합니다. '사이프'는 블록의 강성을 분산시켜 소음을 줄여주고, 보다 안정적인 승차감을 제공하는데 큰 역할을 합니다. 특히, 겨울용 타이어에 많이 새겨지는데, 이는 접지력을 높일 수 있도록 가로로 촘촘하게 디자인 됩니다. 홈의 두께가 매우 얇기 때문에 타이어용 금형몰드를 제작할 때 정밀하고 섬세한 가공이 필요한 부분이기도 합니다. 최근에는 다양한 형상의 사이프 금형파트를 3D프린팅으로 제작하는 사례가 크게 증가하고 있습니다.
차종에 따른 타이어 종류 (출처 : 글로벌이코노미, [자동차이야기(27)]타이어 바로알기(상))
타이어 금형몰드, 3D프린팅으로 제작되어야 하는 이유
PBF 방식의 금속 3D프린팅을 이용하면 복잡한 형상의 타이어 금형몰드를 보다 정밀하고 보다 빠르게 완성할 수 있습니다.
타이어 제조는 '정련→압출→압연→비드→성형 및 가류'의 공정을 거쳐 완성됩니다. 이 때 타이어 몰드는 타이어의 최종형태를 결정하는 정밀 금형몰드입니다. 일반적으로 민무늬타이어(그린타이어)에 금형몰드를 이용한 가류공정을 거쳐 트레드가 새겨지는데요, 문제는 미래자동차에서 기대하는 타이어의 요구성능과 기능이 점차 높아짐에 따라 사이프의 형상도 더 미세하고 복잡해지고 있다는 것입니다.
금속 3D프린팅으로 제작된 타이어 금형몰드 (출처 : EOS)
기존의 제조공법으로 단축된 개발 주기에 맞추어 단시간에 대응하기에는 한계가 있습니다. 그래서, 대안으로 떠오른 기술이 바로 금속 3D프린팅입니다. PBF(Powder Bed Fusion) 방식의 금속 3D프린팅을 이용하면 복잡한 트레드 형태를 구현하기 위한 타이어 몰드용 사이프 금형부품 정밀하게(±0.05mm) 출력하여, 단납기(2주~3주 내) 제작하는 것이 가능합니다. 전문가들은 글로벌 타이어 산업에서 고성능화 트렌드가 가속될 것으로 예측하고 있습니다. 금속 3D프린팅 기술을 활용한다면 타이어 금형부품 제작 시 다품종 소량생산과 빠른 납기를 요구하는 시장 변화에 대응할 수 있는 최적의 공정기술로 자리매김할 것으로 기대하고 있습니다.
(주)HS하이테크의 타이어 금형몰드 금속 3D프린팅 사례
(주)HS하이테크는 타이어 금형몰드용 소재에 대한 금속 3D프린팅 공정개발을 완료하였습니다.
(주)HS하이테크는 이미 타이어 금형몰드에 사용되는 머레이징스틸(MaragingSteel)과 스테인레스스틸(SUS316L) 소재에 대한 금속 3D프린팅 공정개발을 완료하였습니다. 현재 국내 유명 타이어 금형제조사와 다양한 형태의 트레드를 보유한 타이어 금형부품을 시작품으로 개발하고 있으며, 최종 양산적용을 위한 기술협력을 진행 중에 있습니다. (주)HS하이테크는 정밀단위의 반도체 산업에서 쌓은 제조와 품질 경험으로 고객사가 요구하는 타이어의 용도와 목적을 고려하여 다양한 사이프 금형부품의 3D프린팅 출력이 가능합니다. 또한, 자체적인 DfAM과 금속 3D프린팅 솔루션으로 복잡한 패턴을 보다 짧은 시간에 구현하여 고객사에서 요구하는 단납기를 만족시킬 수 있습니다. (주)HS하이테크는 그동안 축적한 금속 3D프린팅 기술과 공정 노하우를 결합하여 기존의 자동차, 항공우주, 국방분야를 넘어 타이어 금형 및 스마트 금형시장에까지 금속 3D프린팅 기술이 더욱 활용될 수 있도록 연구개발을 지속할 계획입니다.
타이어 금형몰드 (출처 : 세화아이엠씨 홈페이지, http://www.saehwaimc.com/)
3D프린팅으로 제작된 타이어 몰드용 사이프 금형파트 (출처 : 한국프리시전웍 홈페이지, https://www.hankook-precisionworks.com/ko)
미래자동차를 위한 타이어 금형몰드용 정밀부품,
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