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반구형 드레이핑 공정 중 포움의 밀도와 전단각에 따른 토우의 미세변형
Micro-Deformation of Tows According to Foam Density and Shear Angle During Hemisphere Draping Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.7 = no.250, 2006년, pp.849 - 856  

정지규 (중앙대학교 대학원 기계공학부) ,  장승환 (중앙대학교 기계공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, fabric composite draping on hemisphere moulds were studied to find out the deformation behaviour of micro-tow structures of fabrics during draping and thermoforming. Aluminium and PVC foams were used to fabricate the hemisphere moulds for draping tests. In order to observe the local t...

주제어

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제안 방법

  • 이때 측정된 데이터는 전단변형을 겪지 않은 복합재료를 상압에서 경화시킨 시편을 이용하여 표준화(Normalization) 작업을 수행하였다. 각 측정값을 산술평균 한 후 전단변형량과의 관계를 규명하기 위해 2 차 곡선으로 근사(Cuwe fitting)하였다.
  • 33’”)이며 재료의 체적탄성률(Bulk modulus)을 다음의 공식을 이용하여 계산하였다. 계산의 용이성을 위해 고온 (125℃)과 정수압을 받는 구 (Sphere) 에 대한 계산을 수행하였다.
  • 2는 직물 복합재료를 반구형 금형 위로 드레이핑 시 구조의 각 부분에서 일어나는 서로 다른 전단 변형량을 보여준다. 드레이핑 전후의 전단변형량 관찰을 용이하게 하기 위해 프리 프레그의 토우 방향(0º, 90º)을 따라 프리프레그 위에 20mm 간격으로 흰색선을 그었다. 드레이핑 후 직물 복합재료 위에 3mm 두께의 쉘타입의 실리콘 고무 윗금형을 덮고 진공백을 쌓아주어 경화하였다.
  • 드레이핑 후 오토클레이브 진공백성형을 수행하였으며 현미경 관찰을 위해서 각기다른 물성의 반구형 금형에 드레이핑 된 복합재료를 절취하였다. 또한 성형 중 온도와 압력을 고려하여 반구형 금형의 열팽창과 반경방향의 변형량을 계산하여 각 금형으로 드레이핑된 직물 복합재료 내의 하중 특성을 규명하였다.
  • 드레이핑 후 오토클레이브 진공백성형을 수행하였으며 현미경 관찰을 위해서 각기다른 물성의 반구형 금형에 드레이핑 된 복합재료를 절취하였다. 또한 성형 중 온도와 압력을 고려하여 반구형 금형의 열팽창과 반경방향의 변형량을 계산하여 각 금형으로 드레이핑된 직물 복합재료 내의 하중 특성을 규명하였다. 알루미늄 금형의 경우 열팽창에 의해 평면내인장력이 발생하며, 포움 금형의 경우에는 열팽창과 압력에 의해 평면내 압축력이 발생한다는 것을 확인하였다.
  • 반구형 드레이핑 구조에서 절취된 시편을 마운트 몰드 위에 놓고 폴리머 레진을 몰드 안에 부어 상온에서 12시간 경화시켰으며, 현미경 관찰을 위한 경면을 얻기 위해서 #120, #240, #400, #800 사포를 순차적으로 사용하였다. 미세 토우구조의 이미지 데이터는 디지털 현미경을 이용하여 확보하였으며, 각각의 토우 파라메터의 측정은 이미지 프로세싱 프로그램 (Davolite, Korea)을 이용하여 수행하였다. 측정의 신뢰도를 향상시키기 위해 각 시편당 15개 이상의 데이터를 얻어서 산술평균하였다.
  • IMPa의 성형압력에 의한 변형량이 극히 작아 고려하지 않았다. 반구 금형의 성형 시 반경방향 변형량을 확인하기 위해 성형온도에 의한 열팽창과 경화과정 중 작용하는 O.IMPa의 압력에 의한 영향을 고려 하여 변형량을 계산하였다. 포움의 탄성계수는 성형조건이 125P일 때 Fig.
  • 실제 관찰결과 연성체 금형 위로 드레 이핑 된 복합재료는 금형 표면의 수직방향으로 토우의 변형이 상당히 일어나는 것을 확인하였다. 반구형 금형 위로 드레이핑 된 복합재료의 변형 경향을 성형조건과 금형특성 등을 고려하여 비교하기 위해 드레이핑 된 각 반구형 구조물의 동일한 위치에서 관찰시편을 절취하였다. 전단 변형에 의한 토우구조의 변형 경향을 파악하기 위해 Fig.
  • 본 논문에서는 평직 탄소섬유/에폭시 프리프레그를 이용하여 여러 가지 재질의 반구형 금형으로의 드레이핑 거동을 실험하였다. 반구형 금형 재료로는 알루미늄(강체)과 PVC 포움 (연성체)이 사용되었으며 오토클레이브를 사용하여 최적화된 경화사이클을 적용하여 프리프레그를 성형하였다.
  • 시편의 크기는 50x50x30mm3 이며, 온도챔버를 장착한 만능시험기 (STATIC 4206, INSTRON, USA) 를 사용하여 실험온도를 프리프레그의 경화온도(125℃)로 설정하였다. 시편의 압축속도는 2mm/min 으로 하여 실험을 수행하였다.
  • 오토클레이브 진공백 성형 시 가압 환경에 따른 포움의 거동을 이해하기 위해서 ASTM(11)에 근거하여 주변온도에 따른 포움의 압축 특성을 측정하였다. 시편의 크기는 50x50x30mm3 이며, 온도챔버를 장착한 만능시험기 (STATIC 4206, INSTRON, USA) 를 사용하여 실험온도를 프리프레그의 경화온도(125℃)로 설정하였다.
  • 측정의 신뢰도를 향상시키기 위해 각 시편당 15개 이상의 데이터를 얻어서 산술평균하였다. 이때 측정된 데이터는 전단변형을 겪지 않은 복합재료를 상압에서 경화시킨 시편을 이용하여 표준화(Normalization) 작업을 수행하였다. 각 측정값을 산술평균 한 후 전단변형량과의 관계를 규명하기 위해 2 차 곡선으로 근사(Cuwe fitting)하였다.
  • 반구형 금형 위로 드레이핑 된 복합재료의 변형 경향을 성형조건과 금형특성 등을 고려하여 비교하기 위해 드레이핑 된 각 반구형 구조물의 동일한 위치에서 관찰시편을 절취하였다. 전단 변형에 의한 토우구조의 변형 경향을 파악하기 위해 Fig. 2(b)와 같이 두 방향(A-D, 1-6 in Fig. 2 (b)) 시편열 중 최대 전단각을 가지고 있는 사선방향(1-6) 시편열을 통해 전단각에 따른 토우 구조의 변형을 관찰하였다. 각 금형간 동일위치에서 절취한 시편의 전단각 차이 (Table 2)는 토우의 변형에 중요한 영향을 미치지는 않을 것으로 판단하였다.
  • 반구형 금형 재료로는 알루미늄(강체)과 PVC 포움 (연성체)이 사용되었으며 오토클레이브를 사용하여 최적화된 경화사이클을 적용하여 프리프레그를 성형하였다. 전단각과 성형조건에 따른 토우의 변형을 현미경을 통해 관찰하고 비교하였으며, PVC 포움의 응력-변형률 거동을 고려하여 포움의 변형에 의한 토우 형상의 변형 거동을 관찰하였다.
  • 토우변형에 영향을 주는 요소에 대한 연구는 현미경 관찰을 통해 토우 파라메터의 변형량을 측정함으로서 수행하였다. 알루미늄 금형이 포움금형에 비해서 토우의 파장이 작은 것을 확인하였으며, 이는 포움 금형의 경우 성형압력이 복합재료 내에 평면내 압축력을 유발시켜 금형위에 드레이핑 된 프리프레그에 영향을 준 것임을알 수 있었다.
  • 평면내 압축력에 의한 토우의 변형은 Fig. 3에서 정의한 토우의 파장(Wavelength)을 측정함으로써 간접적으로 확인하였다. Fig.
  • 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료를 서로 다른물성을 가진 반구형 금형 위로 드레이핑 할 경우 토우의 거동을 확인하기 위해 적절한 실험을 실시하였다. 드레이핑 후 오토클레이브 진공백성형을 수행하였으며 현미경 관찰을 위해서 각기다른 물성의 반구형 금형에 드레이핑 된 복합재료를 절취하였다.
  • 평직 탄소섬유/에폭시 프리프레그(WSN-3k, SK Chemical, Korea) 와 PVC 포움 (Closed cell, Divinycell)을 사용하여 반구형 금형 위로의 직물복합재료 드레이핑 성능을 실험하였다. 사용된 프리프레그의 섬유 부피분율과 두께는 각각 60%와 0.
  • IMPa의 압력에 의한 영향을 고려 하여 변형량을 계산하였다. 포움의 탄성계수는 성형조건이 125P일 때 Fig. 1에서 보이는 응력-변형률 곡선을 이용하여 계산하였다(Table 1). 포움의 포아송 비(Poisson's ratio)는 0.

대상 데이터

  • 반구형 금형 재료로는 알루미늄(강체)과 PVC 포움 (연성체)이 사용되었으며 오토클레이브를 사용하여 최적화된 경화사이클을 적용하여 프리프레그를 성형하였다. 전단각과 성형조건에 따른 토우의 변형을 현미경을 통해 관찰하고 비교하였으며, PVC 포움의 응력-변형률 거동을 고려하여 포움의 변형에 의한 토우 형상의 변형 거동을 관찰하였다.
  • 반구형 드레이핑 구조에서 절취된 시편을 마운트 몰드 위에 놓고 폴리머 레진을 몰드 안에 부어 상온에서 12시간 경화시켰으며, 현미경 관찰을 위한 경면을 얻기 위해서 #120, #240, #400, #800 사포를 순차적으로 사용하였다. 미세 토우구조의 이미지 데이터는 디지털 현미경을 이용하여 확보하였으며, 각각의 토우 파라메터의 측정은 이미지 프로세싱 프로그램 (Davolite, Korea)을 이용하여 수행하였다.
  • 반구형 드레이핑 실험을 수행하기 위해 강체 금형(알루미늄) 및 연성 체 금형 (PVC 포움 : HT70, HT11O)을 제작하였다. 준비된 반구의 직경은 250mm 이며 PVC 포움으로 제작된 금형은 10mm 두께의 평 판을 적층하여 CNC 가공을 통해 반구 형태로 가공하였다.
  • 드레이핑 성능을 실험하였다. 사용된 프리프레그의 섬유 부피분율과 두께는 각각 60%와 0.2mm이며, 탄성계수는 토우의 길이방향으로 70GPa 이다 (Table 1).
  • 반구형 드레이핑 실험을 수행하기 위해 강체 금형(알루미늄) 및 연성 체 금형 (PVC 포움 : HT70, HT11O)을 제작하였다. 준비된 반구의 직경은 250mm 이며 PVC 포움으로 제작된 금형은 10mm 두께의 평 판을 적층하여 CNC 가공을 통해 반구 형태로 가공하였다.

데이터처리

  • 미세 토우구조의 이미지 데이터는 디지털 현미경을 이용하여 확보하였으며, 각각의 토우 파라메터의 측정은 이미지 프로세싱 프로그램 (Davolite, Korea)을 이용하여 수행하였다. 측정의 신뢰도를 향상시키기 위해 각 시편당 15개 이상의 데이터를 얻어서 산술평균하였다. 이때 측정된 데이터는 전단변형을 겪지 않은 복합재료를 상압에서 경화시킨 시편을 이용하여 표준화(Normalization) 작업을 수행하였다.
  • 1에서 보이는 응력-변형률 곡선을 이용하여 계산하였다(Table 1). 포움의 포아송 비(Poisson's ratio)는 0.33’”)이며 재료의 체적탄성률(Bulk modulus)을 다음의 공식을 이용하여 계산하였다. 계산의 용이성을 위해 고온 (125℃)과 정수압을 받는 구 (Sphere) 에 대한 계산을 수행하였다.
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참고문헌 (14)

  1. Kong, A. C., Wiggers, J. and Harrison, P., 2005, 'Modeling the Effect of Blank-Holder Pressure and Material Variability on Forming of Textile Perform,' Proceedings on ESAFORM, Vol. 2, pp.939-946 

  2. Hancock, S. G and Potter, K. D., 2005, 'Toward Real Time Manipulation of Virtual Fabric Reinforcement-Extending and Enhancing Kinematic Drape Simulation Tools,' Proceedings on ESAFORM, Vol. 2, pp.959-966 

  3. Chang, S. H., Sutcliffe, M. P. F. and Sharma, S.B., 2004, 'Microscopic Investigation of Tow Geometry Changes in a Woven Prepreg Material During ?Draping and Consolidation,' Composites Science and Technology, Vol. 64, pp. 1701-1707 

  4. Chang, S. H., Sharma, S.B. and Sutcliffe, M. P. F., 2003, 'Microscopic Investigation of Tow Deformation of a Dry Satin Weave Fabric During Draping,' Composites Science and Technology, Vol. 63, pp. 99-111 

  5. Zhao, R., Zhou, X. and Dai, G, 2002, 'Effect of the Microstructure of GMT on Its Mechanical Properties,' Polymer Composites, Vol. 23, pp. 1026-1035 

  6. Byun, J-H., 1997, 'Prediction of Engineering constants for Plain and 8-Harness Satin Woven Composites,' Trans. of KSME, A, Vol. 26, No. 11, pp. 1757-1764 

  7. Sharma, S. B. and Sutcliffe, M. P. F., 2003, 'Characterisation of Material Properties for Draping of Dry Woven Composite Material,' Composites, Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 34, pp. 1167-1175 

  8. van West, B. P., Pipes, R. B. and Advani, S. G, 1991, 'The Consolidation of Commingled Thermoplastic Fabrics,' Polymer Composites, Vol. 12, pp. 417-427 

  9. Robertson, R. E., Hsiue, E. S., Sickafus, E. N. and Yeh, G S. Y., 1981, 'Fiber Rearrangements During the Molding of Continuous Fiber Composites. I. Flat Cloth to a Hemisphere,' Polymer Composites, Vol. 2, pp.126-131 

  10. Chang, S. H. and Cheon, S. S., 2005, 'FE Modeling of Micro-Deformation of Carbon Fabric-Metallic Foam Sandwich Structures,' Proceedings on ESAFORM, Vol. 2, pp. 983-986 

  11. ASTM D 1621, 'Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Cellular Plastics.' 

  12. Gibson, L. J. and Ashby, M. F., 1997, Cellular solids, 2nd ed., Cambridge university press, Cambridge, p. 193 

  13. Divinycell Technical manual (HT grade) 

  14. Chang, S. H., 2004, 'Changes in Micro Tow Geometry of Plain Weave Carbon Fabrics Composing Foam-Composite Sandwich Beam During Forming,' Composites Science and Technology, submitted 

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