타이어 제조

공압식 타이어는 전 세계 약 455개 타이어 공장에서 비교적 표준화된 공정과 기계를 사용하여 제조된다. 전 세계적으로 매년 10억 개 이상의 타이어가 제조되면서, 타이어 산업은 천연고무의 주요 소비처이다. 타이어 공장은 합성 고무 (타이어 산업 전체 고무의 60%~70%), 카본 블랙, 화학 물질과 같은 대량 원자재로 시작하여 수많은 특수 부품을 생산하며, 이 부품들은 조립되고 경화된다.

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타이어는 드럼 위에서 여러 부품을 조립한 후 열과 압력을 가하여 프레스에서 경화하는 방식으로 만들어진다. 열은 고무 단량체를 교차 결합시켜 길고 탄력 있는 분자를 생성하는 중합 반응을 촉진한다.

이너 라이너
이너 라이너는 낮은 공기 투과성을 위해 첨가제와 혼합된 할로부틸 고무 시트가 캘린더링된 것이다. 이너 라이너는 튜브리스 타이어 내부에 고압 공기를 유지시켜 고무 구조를 통한 확산을 최소화한다.

카커스 플라이
카커스 플라이는 한 겹의 고무, 한 겹의 보강 직물, 그리고 두 번째 겹의 고무로 구성된 캘린더링된 시트이다. 초기에는 면섬유가 사용되었으며, 나중에는 레이온, 나일론, 폴리에스터, 케블라와 같은 재료들이 사용되었다. 승용차 타이어는 일반적으로 한두 개의 카커스 플라이를 가지고 있다. 카커스 플라이는 타이어 구조에 강도를 부여한다. 트럭 타이어, 오프로드 타이어, 항공기 타이어는 점진적으로 더 많은 플라이를 사용한다. 직물 코드는 유연하지만 비교적 비탄성적이다.

사이드월
사이드월은 보강되지 않은 압출 성형된 프로파일로, 타이어 측면에 우수한 내마모성과 환경 저항성을 제공하는 첨가제가 포함되어 있다. 사이드월 컴파운드에 사용되는 첨가제에는 항산화 물질과 오존 분해 방지제가 있다. 사이드월 압출 성형은 비대칭적이며, 돌출된 문자를 성형할 수 있도록 두꺼운 고무 영역을 제공한다.

사이드월은 타이어를 환경으로부터 보호하는 저항력을 부여한다.
사이드월은 타이어 강도 강화에 중요한 역할을 한다.

비드

비드는 고무 컴파운드로 감싸인 고장력 강철 와이어 밴드이다. 비드 와이어는 청동 또는 황동의 특수 합금으로 코팅되어 있다. 코팅은 강철을 부식으로부터 보호한다. 합금의 구리와 고무의 황은 교차 결합하여 황화 구리를 생성하며, 이는 비드와 고무의 접착력을 향상시킨다. 비드는 유연하지 않고 비탄성적이며, 타이어를 휠에 장착하는 데 필요한 기계적 강도를 제공한다. 비드 고무에는 타이어의 강도와 인성을 극대화하는 첨가제가 포함되어 있다.

에이펙스
에이펙스는 비드에 밀착되는 삼각형 모양의 압출 성형된 프로파일이다. 에이펙스는 단단한 비드와 유연한 이너 라이너 및 카커스 플라이 조립체 사이에 쿠션을 제공한다. (위 다이어그램에서처럼) "필러"라고도 불린다.

벨트 패키지
벨트는 한 겹의 고무, 촘촘하게 배열된 강철 코드 층, 그리고 두 번째 겹의 고무로 구성된 캘린더링된 시트이다. 벨트는 타이어에 강도와 찌그러짐 저항성을 부여하면서도 유연성을 유지하게 한다. 승용차 타이어는 보통 두세 개의 벨트로 만들어진다.

트레드
트레드는 타이어 카커스를 둘러싸는 두꺼운 압출 성형된 프로파일이다. 트레드 컴파운드에는 환경 저항성 외에도 내마모성과 견인력을 부여하는 첨가제가 포함되어 있다. 트레드 컴파운드 개발은 절충의 과정으로, 단단한 컴파운드는 긴 마모 특성을 가지지만 견인력이 좋지 않고, 부드러운 컴파운드는 견인력이 좋지만 마모 특성이 좋지 않다.

쿠션 고무
많은 고성능 타이어에는 벨트 패키지와 트레드 사이에 압출 성형된 부품이 포함되어 있어, 강철 벨트의 기계적 마모로부터 트레드를 격리시킨다.

기타 부품
타이어 구조 방법은 타이어의 용도와 가격대에 따라 부품의 수와 유형, 그리고 각 부품의 컴파운드 배합이 다소 다르다. 타이어 제조업체는 더 낮은 비용으로 더 높은 성능을 달성하기 위해 지속적으로 새로운 재료와 구조 방법을 도입한다.

재료
 천연고무, 또는 폴리아이소프렌은 타이어 제조에 사용되는 기본적인 엘라스토머이다
 스타이렌뷰타다이엔고무 (SBR)는 비교 원자재 비용에 따라 종종 천연고무를 부분적으로 대체하는 합성 고무이다
 폴리부타디엔은 낮은 발열 특성 때문에 다른 고무와 함께 사용된다
 할로부틸 고무는 낮은 공기 투과성 때문에 튜브리스 이너 라이너 컴파운드에 사용된다. 할로젠 원자는 주로 천연고무인 카커스 컴파운드와 결합을 제공한다. 브로모부틸은 클로로부틸보다 우수하지만 더 비싸다
 카본 블랙 (그을음)은 고무 컴파운드의 높은 비율을 차지한다. 이는 보강 및 내마모성을 제공한다
 실리카는 고성능 타이어에서 카본 블랙과 함께 사용되며, 낮은 발열 보강재 역할을 한다
 황은 가황 공정에서 고무 분자를 교차 결합시킨다
 가황 촉진제는 가황을 가속화하는 복합 유기 화합물이다
 활성제는 가황을 돕는다. 주된 활성제는 산화 아연이다
 항산화 물질과 오존 분해 방지제는 햇빛과 오존의 작용으로 인한 사이드월 균열을 방지한다
 직물은 타이어 카커스를 보강한다

제조 공정
섬네일|right|프랑스의 타이어 생산, 1950년대경
타이어 공장은 전통적으로 특수 작업을 수행하는 다섯 개의 부서로 나뉜다. 이들은 일반적으로 공장 내에서 독립적인 공장처럼 기능한다. 대규모 타이어 제조업체는 단일 부지에 독립적인 공장들을 설립하거나, 특정 지역에 공장들을 집중시킬 수 있다.

컴파운딩 및 혼합
스타이렌뷰타다이엔고무 컴파운드를 화학 배합과 함께
 SB 고무 100 kg
 카본 220 150 kg
 산화 아연 20.5 kg
 스테아르산 13.5 kg
 촉진제 11.2 kg
 오일 33.5 kg
 Al2O3 10.23 kg

컴파운딩은 고무 컴파운드 한 배치를 혼합하는 데 필요한 모든 재료를 한데 모으는 작업이다. 각 부품은 해당 부품에 필요한 특성에 따라 다른 재료 혼합을 갖는다.

혼합은 재료에 기계적 작업을 가하여 균일한 물질로 혼합하는 과정이다. 내부 믹서는 종종 큰 하우징 안에 두 개의 역회전 로터를 갖추고 있어, 첨가제와 함께 고무 덩어리를 전단한다. 혼합은 원하는 순서대로 재료를 통합하기 위해 3~4단계로 수행된다. 전단 작용은 상당한 열을 발생시키므로, 로터와 하우징 모두 수냉식으로 냉각되어 가황이 시작되지 않도록 충분히 낮은 온도를 유지한다.

혼합 후, 고무 덩어리는 슈트로 떨어지고 압출 스크류를 통해 롤러 다이로 공급된다. 또는 배치를 개방형 고무 밀 배치 오프 시스템에 떨어뜨릴 수도 있다. 밀은 두 개의 역회전 롤(하나는 톱니 모양)로 구성되어 고무에 추가적인 기계적 작업을 가하고 두꺼운 고무 시트를 생산한다. 시트는 스트립 형태로 롤러에서 벗겨진다. 스트립은 냉각되고, 때로는 점착 방지제로 분진 처리된 후, 팔레트 빈에 놓인다.

이 시점의 이상적인 컴파운드는 매우 균일한 물질 분산을 가질 것이지만, 실제로는 분산에 상당한 불균일성이 존재한다. 이는 믹서 하우징 및 로터의 핫 스팟 및 콜드 스팟, 과도한 로터 간극, 로터 마모, 불량한 순환 흐름 경로를 포함한 여러 원인 때문이다. 그 결과, 여기에 카본 블랙이 조금 더 많거나, 저기에 조금 더 적거나, 고무나 첨가제와 잘 혼합되지 않은 카본 블랙 덩어리가 다른 곳에 있을 수 있다.

믹서는 종종 전력 통합 방법에 따라 제어되는데, 이는 믹서 모터로의 전류 흐름을 측정하고, 배치에 전달된 총 혼합 에너지의 지정된 양에 도달하면 혼합을 종료하는 방식이다.

부품 준비
부품은 제조 공정에 따라 캘린더링, 압출, 비드 제작의 세 가지 범주로 나뉜다. 타이어와 동일하다.

압출기는 스크류와 배럴, 스크류 드라이브, 히터, 다이로 구성된다. 압출기는 두 가지 조건의 압력을 가한다. 압출기 스크류는 또한 스크류의 전단 작용을 통해 컴파운드의 추가 혼합을 제공한다. 컴파운드는 다이를 통해 밀려나오고, 압출된 프로파일은 연속 오븐에서 가황되고, 가황 공정을 종료하기 위해 냉각되며, 스풀에 감기거나 길이에 맞게 절단된다. 타이어 트레드는 종종 쿼드라플렉스 압출기에서 네 가지 부품으로 압출되는데, 이는 베이스 컴파운드, 코어 컴파운드, 트레드 컴파운드, 윙 컴파운드 등 네 가지 다른 컴파운드를 처리하는 네 개의 스크류를 가진 압출기이다. 압출은 사이드월 프로파일과 이너 라이너에도 사용된다.

캘린더는 여러 개의 대구경 롤러 세트로, 고무 컴파운드를 보통 폭 2미터 정도의 얇은 시트로 압착한다. 직물 캘린더는 위아래 고무 시트와 그 사이에 직물 층을 생산한다. 강철 캘린더는 강철 코드를 사용하여 그렇게 한다. 캘린더는 카커스 플라이와 벨트를 생산하는 데 사용된다. 크릴 룸은 캘린더로 공급되는 수백 개의 직물 또는 와이어 스풀을 보관하는 시설이다. 캘린더는 캘린더링된 부품의 전단 및 접합을 위한 하류 장비를 활용한다.

타이어 빌딩
타이어 빌딩은 모든 구성 요소를 타이어 빌딩 드럼에 조립하는 과정이다. 타이어 빌딩 머신(TBM)은 수동 또는 완전 자동일 수 있다. 일반적인 TBM 작업에는 이너 라이너, 카커스 플라이 및 사이드월이 드럼 주위에 감기고, 비드가 배치되고, 조립체가 비드 위로 뒤집히는 1단계 작업이 포함된다. 2단계 작업에서는 타이어의 카커스가 팽창된 다음, 벨트 패키지와 트레드가 적용된다.

모든 부품은 접합이 필요하다. 이너 라이너와 카커스 플라이는 사각 끝 오버랩으로 접합된다. 트레드와 사이드월은 스카이빙 접합으로 연결되며, 접합되는 끝 부분이 경사지게 절단된다. 벨트는 오버랩 없이 끝과 끝이 접합된다. 너무 두껍거나 비대칭적인 접합은 힘 변동, 균형 또는 팽창 매개변수에 결함을 유발할 수 있다. 너무 얇거나 열린 접합은 시각적 결함을 유발할 수 있으며, 일부 경우에는 타이어 고장을 초래할 수 있다. TBM 공정의 최종 제품은 그린 타이어라고 불리며, 그린은 미경화 상태를 의미한다.

피렐리 타이어는 MIRS라는 특수 공정을 개발했는데, 이는 로봇을 사용하여 빌딩 드럼을 다양한 부품을 적용하는 스테이션(일반적으로 압출 및 스트립 와인딩 방식) 아래에 배치하고 회전시키는 방식이다. 이를 통해 장비는 공구 변경이나 설정 변경 없이 연속적인 작업으로 다른 크기의 타이어를 만들 수 있다. 이 공정은 빈번한 크기 변경이 필요한 소량 생산에 매우 적합하다.

가장 큰 타이어 제조업체들은 타이어 구조 정밀도, 높은 생산 수율 및 노동력 절감에서 경쟁 우위를 확보하기 위해 자체적으로 자동화된 타이어 조립 기계를 개발했다. 그럼에도 불구하고 타이어 빌딩 기계를 생산하는 대규모 기계 제조업체 기반이 존재한다.

경화
섬네일|right|200px|청소 중인 열린 타이어 금형. 수축된 고무 블래더가 중앙 기둥에 있다.

경화는 녹색 타이어에 금형에서 압력을 가하여 최종 형상을 부여하고, 열 에너지를 가하여 고무와 다른 재료 간의 화학 반응을 촉진하는 과정이다. 이 과정에서 녹색 타이어는 자동으로 하부 금형 비드 시트에 옮겨지고, 고무 블래더가 녹색 타이어에 삽입되며, 블래더가 팽창하면서 금형이 닫힌다. 금형이 닫히고 잠기면 블래더 압력이 증가하여 녹색 타이어가 금형 안으로 흘러 들어가 금형에 새겨진 트레드 패턴과 사이드월 문자를 따라 모양을 갖춘다. 블래더는 증기, 뜨거운 물 또는 비반응성 기체와 같은 재순환 열 전달 매체로 채워진다. 온도는 약 화씨 350도, 압력은 약 350PSI이다. 승용차 타이어는 약 16분 안에 경화된다. 경화가 끝나면 압력이 낮아지고, 금형이 열리며, 타이어가 금형에서 벗겨진다. 타이어는 PCI(경화 후 팽창기)에 놓여 냉각되는 동안 완전히 팽창된 상태를 유지할 수 있다. 경화 프레스에는 기계식과 유압식의 두 가지 일반적인 유형이 있다. 기계식 프레스는 토글 링크를 통해 금형을 닫힌 상태로 유지하고, 유압 프레스는 유압유를 기계 운동의 주 동력원으로 사용하며, 브리치-록 메커니즘으로 금형을 잠근다. 유압 프레스는 프레스 구조가 금형 개방 압력을 견딜 필요가 없어 비교적 가벼울 수 있기 때문에 가장 비용 효율적인 것으로 나타났다. 금형 유형에는 두 가지 일반적인 유형, 즉 투피스 금형과 분할 금형이 있다.

대형 오프로드 타이어는 종종 오븐에서 경화되며, 경화 시간은 거의 24시간에 이른다.

최종 마무리
타이어가 경화된 후에는 몇 가지 추가 작업이 있다. 타이어 균일성 측정은 타이어가 자동으로 휠 절반에 장착되고, 팽창되고, 시뮬레이션된 도로 표면에 대해 구동되며, 힘 변동을 측정하는 테스트이다. 타이어 균형 측정은 타이어가 자동으로 휠 절반에 배치되고, 고속으로 회전하며, 불균형을 측정하는 테스트이다.

대형 상업용 트럭/버스 타이어뿐만 아니라 일부 승용차 및 경트럭 타이어는 엑스선 또는 자기 유도 기반 검사 기계로 검사되며, 이 기계는 고무를 통과하여 강철 코드 구조를 분석할 수 있다.

마지막 단계에서 타이어는 불완전한 금형 충전, 노출된 코드, 물집, 흠집 등 수많은 시각적 결함에 대해 육안으로 검사된다.

타이어 제조업체
타이어 회사 목록은 타이어 회사 목록을 참조하고, 가장 큰 타이어 제조업체 순위는 가장 큰 타이어 제조업체 목록을 참조하라.

타이어 산업의 발암물질 노출
고무 타이어 제조 과정에서 나이트로사민 및 디벤조피렌을 포함한 여러 발암물질이 생성된다.

 같이 보기 
 재활용 타이어

 각주 

 외부 링크 
 타이어 학회

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분류:타이어
분류:생산물별 생산 및 제조