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문제 정의
- 본 연구에서는 신속금형 제작기법을 복합재료 부품의 제조에 사용할 수 있는지를 검토하여보았다. 신속제작된 실리콘 금형을 사용하여 RTM 공정을 통해 복합재료 부품을 어떻게 제조할 수 있는지를 실제 과정을 통해 보였다.
제안 방법
- 실리콘 몰드 안에 강화 섬유를 넣은 후 에폭시 수지를 진공을 이용하여 주입하여야 한다. 강화 섬유 프리폼(preform)을 쉽게 넣기 위해서 몰드를 몇 조각으로 분할하였다. 자세한 내용은 다음 장에서 다룬다.
- 잘 알려진 CAD 시스템 중 하나(Pro/ ENGINEER WILDFIRE, PTC)를 사용하여 3 차원 CAD 데이터를 생성하였다[10].그리고, CAD 시스템에서 RP 장비에서 인식할 수 있는 STL 형태로 모델의 데이터를 전송하였다.
- 실리콘이 완전히 굳은 후 절단하고 원형을 제거하여 금형을 완성한다. 본 연구에서는 이런 방식으로 제작된 몰드로 RTM 공정을 수행하였다. 보통 이러한 RTV에 사용하는 무른 금형에서는 높은 양의 압력을 견디지 못하므로 진공 성형을 하여야 한다.
- 본 연구에서는 이미 확립된 소프트 툴링 기법인 RTV를 이용하여 RTM 공정을 수행하고 복합재료 부품을 제조하였다 [1]. 이 방법에서는 RP 장비를 이용하여 원형을 제작하고 상자 안에 고정한 후실 리콘 수지를 주입하여 경화시켜 금형을 제작한다.
- 신속제작된 실리콘 금형을 사용하여 RTM 공정을 통해 복합재료 부품을 어떻게 제조할 수 있는지를 실제 과정을 통해 보였다. 금형은 RP 를 통해 원형을 제작한 후 박스에 고정시켜 실리콘으로 금형을 제작하는 일반적인 RTV 기법을 사용하여 제작이 되었다.
- 이 STL 데이터를 이용하여 RP 시스템에서 원형 모델을 가공하였다. 본 연구에서는 포토폴리머(photopolymer)를 사용하는 EDEN330 RP 시스템 (Objet Geometries Inc.
- 진공주형기(ChemVac-90S, ILBEOM CO.)를 사용하여 에폭시 수지를 금형으로 충전시켰다. 사용한 진 공주 형기는 차압 방식으로 구동되고 재료의 탈 포와 진공성형이 가능하다.
- 이로서 이제 금형을 성형할 준비가 완료되었다. 투명한 상자에 실리콘을 부어 굳힘으로써 금형을 제작하고자 한다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 두께 0.25mm의 평면 직조(plain weave)된 탄소섬유(CF3325NON, WTR-3K yarn, HANKUK CARBON CO.)< 섬유 강화제로 사용하였다. 압축하지 않은 상태에서의 한 층의 두께는 0.
- 넘쳐 흐르는 수지들은 그림에 보이는 통에 담기게 된다. 본 연구에서는 열경화 에폭시수지(EPOLAM 2020 resin system, ILBEOM CO.)를 사용하였다. 수지는 투명하고 수지와 경화제를 혼합한 상태에서 점도는 0.
- 1(a) 와 (b)에도 시한 것과 같은 휘어진 보를 제작하기로 한다. 잘 알려진 CAD 시스템 중 하나(Pro/ ENGINEER WILDFIRE, PTC)를 사용하여 3 차원 CAD 데이터를 생성하였다[10].그리고, CAD 시스템에서 RP 장비에서 인식할 수 있는 STL 형태로 모델의 데이터를 전송하였다.
- 한국소성가공학회지/제15권 제6호, 2006년 /437실리콘(KE1300T, Shin-etsu Chemical Co.)을 경화제와 혼합하여 상자에 부어넣었다. 공기 방울들은 진공 상태에서 충분한 시간 동안 제거되어야 한다.
이론/모형
- 가공하였다. 본 연구에서는 포토폴리머(photopolymer)를 사용하는 EDEN330 RP 시스템 (Objet Geometries Inc.)을 사용하였다. 포토폴리머는 RP 장비들에 광범위하게 사용되고 있다[11].
- 본 연구에서는, 소프트 툴링의 하나인 RTV(상온고무주형 법, room temperature vulcanizing)기 법을 사용하여 탄소섬유와 에폭시 수지의 복합재료 부품을 RTM(resin transfer molding) 공정을 이용하여 제작하였다. 단섬유(short fiber)를 이용한 복합재료는 이미 RP 에 널리 사용되어 왔다[1 ~2].
성능/효과
- 금형은 RP 를 통해 원형을 제작한 후 박스에 고정시켜 실리콘으로 금형을 제작하는 일반적인 RTV 기법을 사용하여 제작이 되었다. 디자인, 모델링, 금형 제작, 공정에 이르는 전 과정을 수행하여 제시된 방법이 편리하게 사용될 수 있음을 보였다.
- 본 연구에서 제작한 휘어진 복합재료보는 비교적 형상이 간단하고 섬유체적 분율이 낮으나 상대적으로 기존의 RTV 공정이 복합재료의 제작에도 사용될 수 있다는 것을 확인하였다. 섬유체적분율을 높이기 위해서는 프리폼을 제작하는 기술의 향상이 필요하다.
- 9cc 였다. 실험적으로 계산한 섬유체적분율은 16.85%로 섬유의 체적을 이용하여 이론적으로 계산된 값과 거의 일치한 것을 확인하였다. 이는 함침이 거의 완전하게 일어났음을 나타낸다.
- 충전은 약 2초 정도에 완료되 었다. 이론적으로 계산된 섬유체적 분율인 17%를 확인하기 위하여 프리폼 없이 성형된 경우와 비교하여 주입된 수지의 양을 비교하였는데 각각 56.4cc 와 46.9cc 였다. 실험적으로 계산한 섬유체적분율은 16.
- 형상을 유지하면서 삽입을 쉽게 할 수 있도록 프리폼은 스티치(stitch) 작업을 하였다. 최종적으로 섬유체적 분율은 17% 정도에 도달하였다. Fig.
후속연구
- 섬유체적분율을 높이기 위해서는 프리폼을 제작하는 기술의 향상이 필요하다. 또한, 연속 섬유를 이용한 RTM 공정을 이용하여 과도한 복잡성을 가진 부품을 RT 기술로 제작하기에는 근본적으로 한계가 있으나 이 또한 프리폼 제작 기술의 발전에 따라 향상될 것이다. 본 연구에서의 섬유체적 분율은 17% 정도이므로 섬유체적 분율을 높여서 고강도 제품에 적용하는 추가적 연구가 향후 필요하고 기술적 한계가 있음에도 불구하고 제안된 방법은 복합재료의 금형개발 기간을 단축하고 비용을 감축하는데 기여할 것으로 기대한다.
- 또한, 연속 섬유를 이용한 RTM 공정을 이용하여 과도한 복잡성을 가진 부품을 RT 기술로 제작하기에는 근본적으로 한계가 있으나 이 또한 프리폼 제작 기술의 발전에 따라 향상될 것이다. 본 연구에서의 섬유체적 분율은 17% 정도이므로 섬유체적 분율을 높여서 고강도 제품에 적용하는 추가적 연구가 향후 필요하고 기술적 한계가 있음에도 불구하고 제안된 방법은 복합재료의 금형개발 기간을 단축하고 비용을 감축하는데 기여할 것으로 기대한다.
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