대부분의 오염물질은 배기구에서 나오지 않습니다. 미세먼지의 최대 70%는 운전 중에 생성됩니다. 타이어, 노면 및 브레이크에 의해서 입자가 떨어져 나오기 때문입니다. 이는 전기자동차에도 적용됩니다. 유럽환경청(EEA)은 과도한 미세먼지 오염으로 인해 매년 약 25만 명의 유럽인이 조기 사망한다고 추정합니다. 지금까지 유럽연합은 소위 유로 기준으로 휘발유와 디젤 자동차의 배기가스 배출을 규제해 왔습니다. 유로 7 기준으로 이제 모든 승용차의 타이어와 브레이크에 대한 규제가 적용됩니다. 2026년 이후에도 EU에서 신차를 계속 판매하려는 자동차 제조사, 즉 모든 자동차 제조사는 이제 브레이크 마모를 80% 줄이는 방법에 대한 아이디어가 신속히 필요합니다.
어려운 문제
Claus-Ulrich Lott 박사는 뉘르팅엔(Nürtingen)에 위치한 Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik 기업의 최고경영책임자입니다. 그는 본관의 오래되고 빛이 가득한 부분을 걸으면서 다음과 같이 질문을 던지며 설명합니다: "솔루션은 어떤 모습이어야 할까요? 첫째: 솔루션은 기준을 준수해야 합니다. 물론, 마모가 거의 없어야 합니다. 둘째: 저렴해야 합니다. 브레이크는 대량 생산품이므로 단가는 센트 단위로 결정되어야 합니다. 그리고 셋째: 솔루션은 확립된 생산 공정에 가능한 한 소음 없이 적용되어야 합니다." Lott 박사는 브레이크 디스크 생산을 위한 테스트 시설 앞에 멈춰 섭니다. "이러한 이유로 우리는 브레이크 디스크에 초경질 코팅을 입히는 기계를 제작하기로 결정했습니다."
기계 회전 테이블 위에는 레이저 광학장치와 7개의 파우더 공급노즐 아래에서 주철 자동차 브레이크 디스크가 회전합니다. NaCoat이라고 불리는 Highspeed 레이저 증착 용접셀은 두 개의 층을 도포합니다. 먼저 스테인리스 스틸로 만든 0.1mm 두께의 접착층. 그리고 그 위에 초경질 카바이드 입자가 박힌 0.2mm 두께의 기능층. "30초간의 가공시간 후 마이크로스코프로 관찰한 표면층은 마치 견과류가 많이 들어간 초콜릿처럼 보입니다. 단단한 입자가 튀어나와 있습니다"라고 Lott 박사는 설명합니다. "이 방법으로도 미세먼지는 아직 줄어들지 않을 것입니다."
그래서 브레이크 디스크는 36개의 다이아몬드툴로 디스크를 매끄럽게 연삭하는 NaGrind 연삭기로 들어갑니다. 초경질 자동차 브레이크 디스크가 완성되었습니다. 마모층은 표준 주철 디스크보다 약 10배 더 단단하고 수명이 훨씬 더 깁니다.
좌측에서는 디스크 레이저가 두 대의 Highspeed 코팅기계에 공급됩니다. 우측에서는 디스크에 마지막 연삭작업을 하고 있습니다.
빔이 해냅니다
Lott: "브레이크 디스크를 초경질 코팅하는 아이디어는 명확합니다. 하지만 어떻게?" 세 가지 프로세스는 빠르게 제거되었습니다: 전기화학적 코팅 – 오염이 심합니다. 열 코팅 – 너무 느립니다. 냉간 분사 – 비용이 너무 많이 들고 모든 디스크에 적합하지 않습니다. Lott 박사는 깨끗한 프로세스와 짧은 가공시간 때문에 소위 Highspeed Laser Metal Deposition(HS-LMD)이라고 불리는 레이저 메탈 증착의 고속 버전을 선택했습니다.
"하지만 문제는 항상 좋은 아이디어를 실천에 옮기려 할 때 시작됩니다"라고 Lott 박사는 웃으며 말합니다, "예를 들어 주철은 층에 적합하지 않습니다." 이들은 잘 붙지 않으므로 많은 양의 파우더가 필요합니다. "궁극적으로 브레이크 디스크의 생산 프로세스에서 파우더가 제조비용의 60-70%를 차지하게 됩니다. 따라서 우리 기계는 높은 수준의 파우더 효율성을 달성해야 합니다. 즉 공급된 파우더를 최대한 이용해야 합니다." 이제 Nagel 기업은 어떻게 파우더 소비량을 줄일 수 있을까요?
"우리는 개발을 위해 TRUMPF와 협력했습니다. 그리고 빔성형에서 이중 기술을 적용하고 있습니다." 이러한 BrightLine Weld 빔성형 기술은 레이저 출력을 독립적으로 제어 가능한 코어와 링 영역으로 분할합니다. 이는 코어와 링 빔이 있는 샤워 헤드와 약간 비슷합니다. 에너지와 열 유입을 최적으로 조정할 수 있습니다. 한편으로 이는 브레이크 디스크가 거의 휘지 않음을 의미합니다. 다른 한편으로 코팅은 상당히 얇아져 파우더가 덜 필요합니다. 파우더 소비량에 있어서 두 번째 획기적인 기술은 TRUMPF의 이중초점 테크놀로지입니다: 레이저 빔의 일부는 파우더가 쏟아지기 직전에 주조물을 약간 가열합니다. 이로 인해 파우더가 튀어나와 값비싼 폐기물이 되는 대신, 아무런 문제 없이 즉시 접착됩니다. 이 기계는 리코팅 프로세스에서 파우더의 최대 94%를 이용합니다. Nagel 기업은 이제 유로 7을 준수하는 저마모 브레이크 디스크를 위한 경제적인 생산 방법을 갖게 되었습니다.
TRUMPF의 BrightLine Weld 솔루션 덕분에 리코팅 프로세스에서 파우더의 최대 94%가 브레이크 디스크에 부착됩니다.
전기자동차 녹 문제 동시에 해결
모든 전기자동차 운전자에게는 특별한 즐거움이 있습니다. 그들은 초경질 브레이크 디스크로 거의 먼지 없이 도시를 주행할 수 있습니다. 또한 코팅된 디스크는 전기자동차를 더욱 안전하게 만듭니다. 왜냐하면 이 디스크는 내부식성이기 때문에 녹이 슬지 않습니다. 이는 전기자동차 운전자에게 특히 좋은 소식입니다. 일상생활에서 전기자동차는 거의 항상 회수, 즉 에너지 회수를 이용해 제동하기 때문입니다. 이 경우 드라이브트레인에 저항이 발생하고, 이로 인해 차량이 제동됩니다. 기계장치식 브레이크 디스크는 거의 사용되지 않아 녹이 슬기 시작합니다.
"고속도로에서 고속으로 달릴 때 급제동을 해야 하는 경우, 부식된 브레이크 디스크는 안전에 있어 위험한 상태입니다. 녹 입자가 떨어져 나가면 제동거리가 크게 늘어납니다"라고 Lott 박사는 설명합니다. 하지만 초경질 코팅된 브레이크 디스크를 사용하면 더 이상 그런 걱정을 할 필요가 없습니다.
성공과 건강
Lott 박사는 2년 반 전에 Nagel 기업의 경영권을 인수하여 전적으로 변환 및 브레이크 디스크에만 집중했습니다. "우리 기업의 이전 사업은 내연기관에 크게 의존해 왔지만 눈에 띄게 감소하고 있습니다. 유로 7을 준수하는 브레이크 디스크를 위한 우리 솔루션을 사용해 드라이브 독립적인 제품을 제공하는 동시에 우리가 가장 잘 아는 산업부문에 머물려고 합니다." 주문목록은 그가 옳음을 증명합니다. 처음 6개월 동안 Nagel 기업은 양산을 위해 두 자리 수의 브레이크 디스크 설비를 배송했습니다.
자동차 제조사와 공급업체는 대대적인 유로 7 전환에 대비하고 있습니다. 초경질 코팅된 브레이크 디스크를 장착한 최초의 자동차는 아마도 2025년 말이면 도로에 나올 것입니다. 테스트 차량에서 광범위한 테스트가 이미 진행 중입니다. Lott 박사는 사업 성공을 자랑스러워하며 잠시 좋아했지만, 바로 진지해집니다: "또 다른 중요한 점이 있습니다. 우리 설비는 사람들이 미세먼지에 덜 노출되고 건강을 유지할 수 있도록 기여할 것입니다. 이러한 목표는 저에게 전반적으로 만족스러움을 안겨줍니다."
- 그리퍼가 가공되지 않은 주철 표면의 브레이크 디스크를 잡아 코팅 챔버로 가져옵니다.
- Highspeed-LMD 기계가 초경질 카바이드층을 도포합니다. 레이저 가열과 빔성형이 파우더를 최대로 이용합니다.
- 교차 연삭: 연삭기에서 브레이크 디스크는 최종 표면과 형상을 갖게 됩니다. 완성.
여기에서 유로 7 기준에 따른 브레이크 디스크의 레이저 메탈 증착에 대해 자세히 알아보십시오.
