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탄소섬유강화플라스틱(CFRP : Carbon fiber reinforced plastics)은 비강도 비강성이 우수하기 때문에 고가의 우주 항공기 부품 및 스포츠용품 등의 제품뿐만 아니라 대량 생산이 요구되는 자동차 부품에도 사용량이 증가하고 있다. CFRP제품의 생산을 위해 사용되는 오토클레이브(Autoclave)와 액상수지주입(RTM : Resin transfer molding)같은 공법은 높은 강도 및 강성의 제품 생산은 가능하지만 복잡한 제조공정으로 인해 대량생산이 어려운 단점이 있다. 또한, CFRP는 적층 구조물이기 때문에 CFRP제품의 기계적 특성은 등방성(Isotropic) 재료와는 달리 ...

탄소섬유강화플라스틱(CFRP : Carbon fiber reinforced plastics)은 비강도 비강성이 우수하기 때문에 고가의 우주 항공기 부품 및 스포츠용품 등의 제품뿐만 아니라 대량 생산이 요구되는 자동차 부품에도 사용량이 증가하고 있다. CFRP제품의 생산을 위해 사용되는 오토클레이브(Autoclave)와 액상수지주입(RTM : Resin transfer molding)같은 공법은 높은 강도 및 강성의 제품 생산은 가능하지만 복잡한 제조공정으로 인해 대량생산이 어려운 단점이 있다. 또한, CFRP는 적층 구조물이기 때문에 CFRP제품의 기계적 특성은 등방성(Isotropic) 재료와는 달리 적층 수와 배열에 따라 제품의 강도 및 강성이 다양하게 나타난다. 그러므로 높은 강도와 강성을 요구하는 제품을 대량 생산 가능한 공법으로 적용하여, CFRP의 적절한 적층 수와 배열의 최적화 과정이 필요하다. 따라서, 본 연구의 목적은 열가소성 탄소섬유강화플라스틱(CFRTP : Carbon fiber reinforced thermoplastics) 센터필러(Center pillar) 보강재(Reinforcement)의 적층 최적화를 수행하고 이를 프리프레그 압축성형공법(PCF : Prepreg compression forming)에 적용하여 뒤틀림이 발생하지 않는 제품을 제조하고자 하였다. 자동차 차체 부품은 높은 강도 및 강성을 가지는 제품의 대량생산을 요구하기 때문에 강도가 강한 연속섬유(Continuous fiber)로 직조된 CFRTP 프리프레그를 PCF 공법에 적용하였다. 또한, 열가소성 수지를 사용한 CFRTP는 경화공정이 필요 없기 때문에 공정시간(Cycle time)을 단축하여 대량생산이 가능한 자동차 차체 부품의 요구를 만족하는 제품을 제조할 수 있다. PCF공법을 적용한 CFRTP 센터필러 보강재를 제조하기 앞서 적층 최적화를 수행하였으며, 유한요소해석과 유전자 알고리즘(GAs : Genetic algorithms)을 이용하여 적층 수와 배열을 결정하는 방법을 제시하였다. 일반적으로 제품의 두께와 적층 배열을 함께 고려하면, 많은 경우의 수가 발생하므로 적층 설계과정을 두 단계로 나누어 경우의 수를 줄이고자 하였다. 먼저, 두께는 기존 센터필러 보강재를 굽힘시험을 수행하여 일정한 하중에서 발생하는 굽힘 변형량을 설계 기준으로 선정하였다. 그리고 CFRTP 센터필러 보강재의 구조강도해석을 통해 기존 제품과 동일한 두께부터 하나의 플라이(Ply)를 추가하며 발생하는 굽힘 변형량을 설계 기준과 비교하여 두께를 결정하였다. 배열은 앞서 정해진 적층 수를 기준으로 GAs를 사용하여 도출하였으며, PCF공법에 적용하여 CFRTP 센터필러 보강재를 제조하였다. PCF 공법은 금형 표면에 균등한 가열/냉각이 이루어지지 않으면 제품의 뒤틀림이 발생하기 때문에 증기와 물을 이용한 급속 가열/냉각장치를 적용하여 온도편차를 줄였다. 금형 표면의 가열 및 냉각시간을 확인하기 위해 열 전달 해석을 수행하였으며, 공정시간 단축과 제품의 뒤틀림 여부를 예측할 수 있었다. 마지막으로 적층 최적화 과정과 PCF 공법을 적용하여 제조한 제품의 검증을 위해 기존 제품대비 CFRTP가 적용된 제품의 경량화율 평가, 가열/냉각장치를 적용한 PCF 공법을 통해 제조된 제품의 치수 정밀도 평가를 수행하였다. 그리고 제품의 설계를 위해 수행한 구조해석의 정밀도를 평가하기 위해 굽힘 시험 평가, 센터필러와 보강재가 본딩 된 제품의 충돌시험을 수행하여 차체 부품에 CFRTP를 적용하는 유효성을 확인하였다.

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