2019 EV 포뮬러 카울 작업
7월달에 약 2주간 2019 EV 포뮬러팀의 카울작업을 도와드렸다. 프레임바디의 커버라고 볼 수 있는 카울은 카본 적층을 통해 완성시킨다는 점에서 모노코크바디와의 공통점을 가지고 있다. 우리가 세미 모노코크를 제작하게 된다면, 기존 모노코크 바디와 마찬가지로 카본 적층을 통해 바디를 제작해야 하는데, 2019 EV 포뮬러 팀원분들을 통해 관련된 많은것들을 배울 수 있었다. 이 과정을 통해 배운점들을 이번 글에서 기록하려 한다.
(윤정인 팀원)
사실 프레임 바디의 카울작업과 시트 제작은 대부분 끝나있는 상태였고, 프론트윙과 스포일러를 제작 하는 과정에서 부터 도움을 드렸는데 과정은 비슷하다고 알려주셨다.처음 작업을 도와드린날은 센딩작업으로 시작하였다. 스티로폼을 깎아주는 업체에 외주를 맡겨서 모델링 파일을 바탕으로 마스터 모델을 제작한것이다. 프론트 윙과 스포일러는 여러 파트가 필요했기 때문에, 총 3가지의 마스터모델이 있었다. 이 마스터모델을 220~ 1000방(필요하면 100방도)까지의 사포를 이용하여 계속 센딩 작업을 해주어야 한다. 이 마스터모델은 후에 몰드를 제작하기 위한 틀이 되는데, 우리 방식으로 쉽게 이해하려면 '몰드의 몰드'라 보면 된다.
카울 작업에서는 카본섬유를 원하는 형태로 가공하기 위해 카본 '프리프레그'를 사용하신다. 프리프레그는 카본 섬유와 레진이 적절히 배합되어 있는 시트지 형태의 카본으로 따로 수지를 뭍이지 않아도 쉽게 붙혀 굳힐 수 가 있다.
이 프리프레그를 적층하기 전 만들어지는 몰드는 유리섬유에 수지를 뭍혀 만드는 ' 핸드 레이업' 방식을 이용하는데, 아래 내용에서 자세히 소개할 것이다.
또한 WSC에서는 '인퓨전'이라는 방식을 사용하여 모노코크 바디를 제작하신다 하여 이에 대한 질문도 했었다.인퓨전 공법을 사용하면 모노코크 바디를 여러 파트로 분리해야할 필요가 있는데 이렇게 되면 강성확보가 안되기 때문에 어려울거라 하셨고, 그 밖에 오토클레이브는 가격과 기술의 측면에서 우리가 사용하기에는 많은 어려움이 있을거라 말씀해주셨다.
여기서 인퓨전 공법을 간략하게 알아보자면 원하는 형상의 몰드에 카본을 적층한 후에 진공을 잡아 수지를 흘려보내 굳히는 카본 가공법을 의미하는 것이다.
다시 센딩 과정에 대해 알아보아야 한다. 사포질을하면가루가 날리고, 열이 생겨 뜨겁기 때문에 물을 뿌려가며 작업을 한다. 220(200)방에서 1000방까지 손과 기계를 사용하여 오랜 시간동안 공들여 '플렌지'까지 사포질을 해야하고, 여기서 끝이 나는게 아니다. 제품면과 플렌지의 사포질이 마무리 되면 개수대에서 표면을 깨끗이 씼어내고, 면보루로 닦아내야 한다. 센딩과정에서 발견한 파인곳이나 구멍이 있다면, 표면을 (퍼티)로 매꿔주고 그 부분은 다시 200~1000방 샌딩작업을 반복해야 한다. 이 과정 까지 끝이난다면 다시 한번 표면을 물과 면보루로 닦아주고, 면보루로 닦아낸뒤에는 아세톤을 묻혀 한번 더 표면을 닦아주고, 컴파운딩을 시작한다. 적당량의 컴파운드를 마스터모델 표면에 바르고 면보루로 구석구석 칠해줘야 한다. 컴파운드도 종류별로 한번씩 총 3번의 컴파운딩을 해야한다.
사진순서대로 센딩, 컴파운딩이 끝난 뒤에는 이형제를 묻히는 과정이다. 5분 간격으로 총 7번 이형제를 마스터 모델 표면에 구석구석 칠해줘야 한다. 이형제가 눈에는 잘 보이지 않지만, 탈형할때 직접적으로 관여하는 약품이기 때문에 꼭 꼼꼼히 칠해줘야할 필요가 있다.
해가지고 나서 새벽이 되면 이 마스터 모델을 마당? 으로 가지고 나가 유리섬유 적층 작업을 시작한다. 레진 특성상 햊빛을 받으면 빨리 굳기 때문에 새벽에 작업을 하는 것이다.
우리가 맨처음 센딩작업을 도와드린 마스터모델은 이미 유리섬유가 3플라이 적층되어 있는 상태였고, 이 모델을 시작으로 유리섬유 적층을 시작하였다. 유리섬유 특성상 피부에 닿으면 매우 따갑기 때문에 방진복을 꼭 입고, 마스크도 착용해야 한다. 플라이 수에 맞는 여러 종류의 유리섬유를 필요한 크기로 재단하고 마스터 모델에 올린후 이 유리섬유에 수지를 묻히며 층을 만드는 것이다. 수지는 레진100%로 된 물질은 아니고, 경화제를 적절히 섞은 액체 인데 경화제를 섞지 않는 다면 카본을 적층하는 순간에도 몰드가 굳어있지 않을 수 있기 때문에 꼭 알아두어야 한다. 이렇게 유리섬유와 수지가 준비된다면 핸드레이업을 시작한다. 핸드 레이업은 이 수지를 붓에다가 묻혀서 톡톡 치듯이 골고루 유리섬유 표면에 도포하는 방식이다. 붓으로만 하다보면 어쩔 수 없이 기포가 생기기도 하는데, 이는 롤러를 통해 표면을 정리하고 기포를 빼낼 수 있다.
작업 환경이 굉장히 복잡했기 때문에 따로 작업과정을 촬영하지는 못하였다. 위 사진은 작업이 끝난후 5플라이 까지 유리섬유를 쌓은 모습이다. 유리섬유 적층은 남은 두개의 마스터 모델도 같은 방식으로 반복하는것이다. 이렇게 유리섬유를 적층한 마스터모델은 건조시켜 굳힐때까지 기다리고, 후에 탈형을 시작하면 된다.
첫 작업을 할때는 이미 유리섬유가 3플라이 쌓여져 있는 상태였기에 따로 확인하지 못했었지만, 핸드레이업을 시작하기 전에는 마스터모델의 표면에 탑코트 작업을 해야 한다. 위 사진에 보이는 천막 안에서 기계를 이용하여 겔코트를 분사한 것이라고 알려주셨다. 탑코트 작업을 완료하게 되면 위 사진처럼 광이나는 매끈한 표면을 확인할 수 있다. 이제 위 과정과 마찬가지로 수지와 경화제를 배합하여 유리섬유에 적층하는 핸드 레이업 작업을 반복하는 것이다.
결과적으로 이 날 도와드렸던 마스터 모델 두 종류는 각각 5플라이씩 유리섬유 적층을 실시하였다. 정확히 말하면 프론트 윙은 기존과 마찬가지로 5층의 유리섬유를 적층했고, 스포일러 부분은 플라이 수로 치지 않은 얇은 유리섬유 1장과 일반 유리섬유 4장, 그리고 수지가 부족하여 마지막은 두꺼운 유리섬유를 잘라 플랜지와 제품 일부를 보강하는 식으로 유리섬유 적층 작업을 마쳤다.
유리섬유 적층을 마친 뒤에는 이 마스터 모델을 상온에 두어 수지를 완전히 굳혀야 한다. 위 사진에 있는 마스터 모델의 유리섬유는 가장 먼저 적층을 시작하여 일찍 경화되었고, 가장자리를 핸드글라인더로 재단한 것이다. 나머지 두 모델도 가장자리를 핸드글라인더로 재단한 뒤에 탈형을 시작해야 한다.
원래 탈형을 하게되면 몰드와 마스터모델이 쉽게 분리되어야 하는데, 쉽게 분리되지 않아 마스터 모델을 부수었다고 하셨고, 위 두 사진을 비교하면 알 수 있듯이 첫번째 사진의 몰드는 심각하게 표면이 좋지 않았다. 표면에 보이는 흰 부분들은 마스터모델의 표면이라고 볼 수 있다. 이는 모두 센딩작업과 퍼티 작업으로 해결해야 한다.
탈형에 문제가 생긴 이유를 여쭤봤는데, 우선적으로 이형제 처리가 부족하게 되었고, 유리섬유의 첫번째 표면이 잘 잡혀있지 않았기 때문이라고 말씀해 주셨다. 그리고 이럴때를 대비하여 마스터 모델의 높이를 너무 높게 하지 말라고도 말씀해 주셨다.
결론은 마스터모델을 할때와 같이 센딩작업을 해야한다. 220~ 1000방까지 사포질을 반복해야 한다. 파인곳과 구멍은 마찬가지로 그 위에 테이프를 붙인 후에 퍼티와 경화제로 매꾼다. 유리섬유 작업을 할때 소량의 경화제 없는 수지가 들어갔었는데 그 부분이 아직도 굳지 않았다고 말씀해 주셨다. 이렇게 몇시간정도 센딩작업을 반복하고, 사진은 따로 없지만 마스터모델의 적층전 과정과 마찬가지로 아세톤,컴파운딩,이형제 처리를 해야한다. 그리고 이형제 처리를 끝낸 후에도 '실러'라는 탈형을 위한 약품을 사용하여 한번더 표면을 닦는다.
위 과정을 거치면 몰드의 표면을 어느정도 복원시킬 수가 있다. 이제 복원하고 이형처리를 마친 몰드를 동방으로 옮겨서 카본 프리프레그 적층을 시작할 것이다.
카본 프리프레그를 적층하는 작업은 생각보다 어렵지 않았다. 유리섬유 작업과 다르게 섬유에서 가루가 날리거나 따가움이 덜하기 때문에 따로 야외에서 하거나 방진복을 입을 필요도 없고, 프리프레그 특성상 냉장보관을 해야하지만 상온에 두어도 일주일정도는 굳지 않는다고 말씀하셨다. 프리프레그는 위에서 언급한 것 처럼 따로 수지를 묻혀가며 핸드레이업을 해야할 필요가 없기 때문에, 단순히 프리프레그를 가위로 재단하고, 필름을 때내어 몰드에 접착시키면 된다. 시트지를 붙이는 느낌과 유사하다. 주의해야할 점은 흰색 필름뿐만 아니라 카본섬유의 표면에도 파란색의 얇은 막같은 필름지가 붙어 있는데, 이 필름을 꼭 때어내고 적층을 계속 이어나가야 한다.
이날 작업을 하며 윙에 총 3플라이의 카본을 적층하기로 하였지만, 프리프레그가 부족하여 2플라이의 카본 적층으로 마무리를 하였다.
카본 적층을 끝낸 뒤에는 몰드를 오븐에 넣기전 진공을 잡아주어야 한다. 진공을 잡을때는 두 종류의 비닐과 부직포 같은 재질의 면이 필요하다.위 사진으로 확인할 수 있듯이 제일 먼저 얇은 비닐을 프리프레그의 표면에 눌러주면서 밀착시켜 프리프레그의 점성으로 붙인다. 그 후 제품 표면에 천을 덮고, 가장 자리에 테이프를 붙어 다시 그 위에 두꺼운 비닐을 접합시킬 것이다.
주의해야할 점이 있는데, 몰드의 가장자리에 테이프를 붙이기전에 사포질을 통해 표면을 정리해야 한다. 사포질을 하면 가장자리에 하얀 자국이 남는데 그 위에 테이프를 붙이면 된다.
공기가 흐르지 않도록 테이프위에 비닐을 최대한 밀착시켜 붙이게 되는데, 진공을 잡는 도중 비닐이 찢어지지 않도록 위 사진처럼 테이프를 덧데어 붙여 비닐에 공간을 남겨주어야 한다.
이렇게 비닐을 덧대는것 까지 끝내면, 비닐에 호스를 연결하여 컴프레셔에 연결하고, 몰드 내부의 공기를 빼내어 진공상태를 만드는 것이다. 컴프레셔를 사용하여 공기를 빼내고, 진공이 유지가 되는지를 확인해야한다. 압력계를 보았을때 진공이 잡히지 않는 것이 확인되면 몰드에서 공기가 새는 소리가 들리는지 확인해 보아야 한다. 소리의 근원지를 찾아 공기가 새는 틈이 확인되면, 그 위에 테이프를 붙여 막는 방식으로 해결을 해야한다.
뒷정리를 하고
박창훈 촬영
이렇게 몰드에 프리프레그를 적층한 후에 오븐에 구워 카본 섬유를 굳히고, 윙과 스포일러를 제작하게 되는 것이다.
만약 우리가 모노코크 바디를 만들게 된다면, 가장 유력한 공정 방식이 카본 프리프레그 적층이라고 생각된다. 카본의 특성상 적층 각도에 따라서도 강성이 달라지고, 또 이방성 물질임을 고려해 보았을 때 알류미늄 허니콤과 같은 코어 보강재가 필요하다. 이를 고려한 정확한 설계와 해석이 필요한데, 아무리 정교한 설계와 해석을 했더라도 이를 맹신해서는 안된다는 것도 명심해야 한다.
