카본프레임에 대하여.....

[이호엽]

카본 프레임의 재료와 공법

카본 원사의 가닥수 

사진 좌측은 3k 로빙, 우측은 12k 로빙입니다.
카본 원사(필라멘트) 한가닥의 굵기는 3/1000 mm 이라고 합니다.
원사 필라멘트 1천 가닥을 모아놓은 것(로빙, roving)을 1k, 3천 가닥을 모아놓은 것을 3k,
6천 가닥을 모아놓은 것을 6k, 1만2천 가닥을 모아놓은 것을 12k 라고 합니다.

직조된 (Woven fabric) 카본

 

원사 3,000 가닥을 모은 실(3k roving)로 직조한 3k 카본천(woven fiber, woven fabric) 입니다.
3k woven은 용도가 많아서 저도 가지고 있으며, 보수용, 보강용으로 종종 사용하고 있습니다.
자전거 프레임에도 3k가 많이 사용됩니다.

1k 평직(1k plain woven) 입니다. 촘촘하기도 하지만 얇고, 약100g/m2 으로 가볍습니다.

3k 평직(3k plain woven) 입니다. 여러용도로 많이 사용되는데, 약 200g/m2 정도 입니다.

12k 능직(12k twill woven) 입니다. 약 600g/m2 정도로 무겁습니다.

Unidirectional pre-impregnated (단방향 카본에 수지를 미리 함침시켜놓은) 카본 입니다.

1k 카본 woven으로 마감된 프레임 입니다.

3k 카본 woven으로 마감된 프레임 입니다.

12k 카본 woven으로 마감된 프레임 입니다.

최신공법으로 알려진 unidirectional pre-impregnated (단방향 카본에 수지를 미리 함침시켜놓은)
카본으로 제작한 프레임 입니다.

1k, 3k, 12k... 무엇이 좋은가?
자전거 프레임 정도의 크기를 제작하는데는 3k 이상이 좋다고 합니다.
제조 공정이 적절하고, 성능효율도 충분히 좋다는 말입니다.
1k는 너무 조밀하고 얇기 때문에 그만큼  적층 layer수가 늘어납니다.
12k는 두껍기 때문에 적층 layer수가 줄어들어 공정이 단축이 되겠죠.

프레임에서 가장 중요한 요소는 단단함(stiffness)과 편안함(comfort) 입니다.
성격이 전혀 다른 두마리의 토끼를 잡기가 쉽지는 않습니다. 경제성(양산성) 까지 더해지면
세마리의 토끼가 됩니다.

얇은 카본으로 여러겹 적층하면?
두마리의 토끼(단단함과 편안함)는 잡을수 있습니다.
얇게 여러겹으로 하는것이 좋을수도 있지만, 쓸데없이 공정만 늘리는 결과가 될수도 있습니다.
생산성이 나빠져 가격상승 요인이 되기도 합니다.
과장해서 표현한다면...
"얇은 비단 속치마 천을 여러겹 붙여서 두꺼운 겨울 외투를 만들었다." 일수도 있습니다.

12k는 단단함과 경제성 사이에서 적절하게 타협이 가능해 집니다.
외관도 오히려 좋아 보일수 있습니다.

S사의 A프레임은 등급에 따라 각각 3k, 12k를 사용한다고 합니다.
그러나 단순히 마감에 사용된 카본을 보고 프레임의 성능을 섣불리 판단할수는 없습니다.
일부 프레임은 3k, UD, 12k를 단계적으로 사용하기도 합니다.

최근에는 최신공법으로 알려진 Unidirectional prepreg 를 채택하는 추세입니다.

카본섬유가 튜브의 길이방향으로 배열되므로 압축, 인장, 휨, 비틀림 등의 역학적 특성도 크게 좋아질수
있읍니다.
그러나 UD prepreg 카본을 사용하는 이유는 무조건 제품의 품질이 좋아서라기 보다는,
품질관리도 쉽고, 생산성/양산성이 좋기 때문일수도 있습니다.

카본 원사의 특성
카본원사에도 등급이 있다고 합니다.
물리적 특성이 좋은 (더 좋은 영률과 인장강도를 갖는) 카본을 high modulus Carbon 이라고 합니다.
이런 카본을 사용하면 밀도증가, 무게감소, 반응성의 양보없는 진동흡수가 가능하다고 합니다.
즉, 단단함과 편안함을 동시에 추구할수 있다고 말합니다.

피나렐로의 프린스는 50HM1k 를, 파리스는 46HM3K를 사용한다고 합니다.
50HM과 46HM의 물리적 특성은, 숫자 그대로 8~9% 차이입니다.
당연히 제품등급의 차이는 두어야 겠죠. 최상위 제품은 제품의 차별화가 매우 중요합니다.

Ridley noah 프레임은 30-ton high modulus carbon을, 조인트 보강에는 40-ton을 사용했다고
합니다.
그러나 마감은 3k woven carbon 으로 되어 있습니다.
Bora wheel의 마감은 1k인듯 하고, Record crank는 unidirection+multidirection 이라고 하는데
아뭏튼 marble 패턴의 마감이 독특합니다.
역시 HM카본을 사용했다고 무조건 좋은 제품이라고 단정할수는 없겠죠.

카본 프레임 제조 공법

 

카본파이프와 러그(lug)를 별도로 제작하여 접착하는 tubes & lugs 방식의 카본프레임.
금형비가 적게들며, 1cm 단위로 다양한 사이즈의 프레임을 생산할수 있고, 각부품의 품질관리가
용이하여 제품의 완성도를 높일수 있고, 어느정도 부분교체에 의한 보수가 가능한 장점이 있으나
무게와 강도면에서는 약간 불리한 측면이 있고, 제작공정이 늘어나는 단점이 있습니다.

 

자유로운 형상과 두께를 가진 일체형 카본 모노코크(monocoque) 프레임.
금형비가 많이 들고, 제품검수가 어렵고, 불량률이 높아질수 있지만,
가볍고 강한 프레임을 만들수 있으며, 제작공정이 줄어 대량생산이 가능한 장점이 있습니다.

러그방식인가? 모노코크방식인가?

자동차 개발과 같이 클레이(진흙)로 형상을 디자인 하고, 컴퓨터에 3차원 모델링을 이용,
구조해석 시뮬레이션은 물론이고,

 

풍동실험(wind tunnel test) 까지도 마다하지 않는, 최첨단의 엔지니어링 기법으로
태어난 모노코크 프레임이 단연코 우세일수도 있지만,
최고의 재료로, 최고의 장인의 손에서 여러공정의 수작업으로 태어난 클래식 스타일의 프레임이
더욱 명품일수도 있습니다.

어느 메이커 이든지 프레임을 기계에 걸어 누르고, 당기고, 충격을 주는 실험을 거쳐서
라이딩에 충분한 강도를 가진 프레임을 제조하고 있습니다.

일류 자전거 메이커들은 어떤식으로든지 차별화 전략을 사용합니다.
- Bianchi는 나노기술에의한 UD로 마감하거나 1k Kevlar로 보강했다고 하며,
- Cervelo는 Ultra-high modulus carbon, Kevlar로 보강하고 13년전부터 공기역학(aerodynamic)적
프레임을 만들었다고 주장하며,
- Look은 VHM UD(Very High Modulus unidirection) 카본과 고압성형BB를,
- Pinarello는 최상급의 카본인 Torayca? 50HM1K 를 사용한다고 자랑하고,
- Ridley는 특수페인트로 난류(turbulence)를 발생시켜 경계층(boundary layer)의 박리(seperation)를
지연시켜 층류(laminar airflow)를 유지시켜 공기저항(drag)을 줄였다는등...
- Scott은 카본프레임 양산공법의 리더격으로 단단하고 가벼움을 강조합니다.
- Storck는 각종 공학적인 테스트 결과치를 무기삼고 있습니다. 

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