[논문]진공적층 시뮬레이션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 연구

정진욱; 이병성; 강병윤; 한갑수; 서성부

진공적층 시뮬레이션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 연구
Study of Laminating Strategy for FRP Hull Using Resin Infusion Simulation 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.2 = no.87, 2009년, pp.98 - 103

정진욱 (중소조선연구원) , 이병성 (중소조선연구원) , 강병윤 (리딩선박개발(주)) , 한갑수 (광동FRP산업) , 서성부 (동의대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The resin infusion method is the latest technology of FRP laminating and cleaning to improve FRP hull quality. This method is focused on how to arrange infusion channels for the laminiating strategy. The laminating strategy using the resin infusion method has been utilized to complete the infusion work and remove the cavities on the FRP surface within the curing time. It is resulting from the arrangement of infusion and vacuum channels, the resin property, and the combination of FRP. This strategy has been depended on the field experience for manufacturing FRP without the resin infusion simulation. This study can help to improve the efficiency of FRP fabrication with the laminating strategy including the resin infusion simulation instead of the field experience.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 진공적층공법에 대한 체계적인 기초 기술 정립을 위하여 개요와 특징, 적층전략(Laminating strategy) 수립의 파라미터 및 기본적인 적층전략 방법 등을 먼저 정리하고자 한다. 다음으로 진공적층 시뮬레이션 솔루션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 수립의 적용 가능성을 검토해 보고자 한다. 이를 위하여 네덜란드 Polyworx 사에서 개발한 RTM-Worx 프로그램이 사용되었으며, 평판 및 5.
이에 본 연구에서는 진공적층공법에 대한 체계적인 기초 기술 정립을 위하여 개요와 특징, 적층전략(Laminating strategy) 수립의 파라미터 및 기본적인 적층전략 방법 등을 먼저 정리하고자 한다. 다음으로 진공적층 시뮬레이션 솔루션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 수립의 적용 가능성을 검토해 보고자 한다.

제안 방법

FRP 선체의 진공적층공법에 대한 기초 기술을 정리하고, 진공적층 시뮬레이션 솔루션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 수립의 적용 가능성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
다음으로 주입구와 배출구의 정의 과정(Keypoint), 경계선 정의 과정(Curve) 및 적층면의 두께 정의 과정(Surface) 등을 수행한다. 적층전략의 주요 파라미터인 제품의 형상에 대한 각종 정의가 끝나면 적층 면에 격자를 생성하고, 주입경로와 배출경로를 정의한다, 이러한 모든 인자들의 조정이 끝나면 시뮬레이션을 수행하게 된다.
다음은 합성수지의 경화시간인 1200초(20분)에서 평판 흐름길이가 30cm인 것을 감안하여 주입경로 간격을 30cm로 두어 총 7개를 배치하였고, 배출경로는 앞서와 동일하게 배치한 Fig. 10의 경우로서 총 함침시간은 6,612초(약 1시간 50분)초였다. 세 번째로 두 번째와 마찬가지로 주입경로의 간격은 30cm로 두어 총 7개를 배치하되, 한 개의 주입경로에 2개의 주입구를 배치하였다.
대상 선박의 선도는 Fig. 7과 같고, 이 선박의 형상 모델링을 Rhino 3D & Marine 프로그램으로 구현하여 Fig. 8에 보이는 바와 같이 RTM-Worx에서 불러들여 진공적층 시뮬레이션을 수행하였다.
9는 초기 값에 의한 시뮬레이션 결과로서, 주입구는 선미부에 표시된 점의 위치로 배치하고, 배출구는 선체 주위의 가장자리를 둘러싸는 위치에 표시된 6개의 점의 위치로 배치한 경우이다. 또한 주입경로 및 배출경로의 직경은 12mm로 설정하였으며, 주입구 및 배출구 각각에 대해 1개씩 설치하였다. 시뮬레이션 결과, 총 함침시간은 13,208초(약 3시간 40분)였으며 합성수지의 경화시간을 고려하면 약 2% 정도 함침 되었을 때 경화가 시작되었을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 네덜란드 Polyworx 사에서 개발한 RTMWorx 프로그램을 이용하여 진공적층 시뮬레이션을 수행하였다. RTM-Worx는 본래 RTM(Resin transfer moulding) 공법을 위해 만들어진 소프트웨어이지만, 최근 각광받기 시작한 진공적층공법으로 확장하여 만들어졌다.
본 연구에서도 평판 적층 시뮬레이션을 하였으며, 적층사양은 Table 2와 같다.
10의 경우로서 총 함침시간은 6,612초(약 1시간 50분)초였다. 세 번째로 두 번째와 마찬가지로 주입경로의 간격은 30cm로 두어 총 7개를 배치하되, 한 개의 주입경로에 2개의 주입구를 배치하였다. 또한 주입경로와 배출경로의 직경을 18mm로 상향 설정하고, 배출경로는 앞서와 동일하게 배치한 Fig.
8에 보이는 바와 같이 RTM-Worx에서 불러들여 진공적층 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행을 위한 주입구와 배출구의 위치 및 수량, 경로의 크기 등에 대한 초기 값은 평판에서의 적층 결과를 토대로 결정하였다. 이후로는 앞서 얻어진 결과를 이용하고 경화시간 등을 고려한 주입구의 위치 및 경로의 크기등에 변화를 주면서 적층전략을 수립하였다.
진공적층공법은 작업 중인 성형제품이 대기에 노출되지 않는 닫힌 몰드 공법(Closed moulding method)의 하나로 Vacuum infusion(혹은 Bagging) 등으로도 불리고 있다. 원리는 Fig. 1과 같이 외부 이형 처리된 몰드에 유리섬유 등의 강화재(Reinforcement material)를 배치하고 진공비닐을 덮고 진공펌프(Vacuum pump)를 연결하여 몰드에 진공을 걸어 몰드 내 압력을 낮추고, 진공펌프 반대편에 합성수지(Resin)를 연결하여 몰드 내의 기압차를 이용하여 합성수지를 몰드에 주입하는 것이다.
이러한 시뮬레이션 결과를 토대로 최적의 적층전략으로, 선체 주위의 가장자리를 둘러싸는 형상으로 6개의 배출구와 배출경로를 배치하고, 주입경로를 30cm 간격으로 배치하고 주입구는 한 개의 주입경로에 2개씩 두는 것으로 설정하였다.
다음으로 진공적층 시뮬레이션 솔루션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 수립의 적용 가능성을 검토해 보고자 한다. 이를 위하여 네덜란드 Polyworx 사에서 개발한 RTM-Worx 프로그램이 사용되었으며, 평판 및 5.55m급 레저보트에 대한 시뮬레이션 결과를 토대로 실제 적층을 수행하였다.
시뮬레이션 수행을 위한 주입구와 배출구의 위치 및 수량, 경로의 크기 등에 대한 초기 값은 평판에서의 적층 결과를 토대로 결정하였다. 이후로는 앞서 얻어진 결과를 이용하고 경화시간 등을 고려한 주입구의 위치 및 경로의 크기등에 변화를 주면서 적층전략을 수립하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상선박은 FRP선체의 5.55m급 레저보트로서 주요요목 및 시험제작 사양은 Table 4에 나타내었다.

이론/모형

RTM-Worx는 진공적층공법의 기본법칙인 Darcy의 법칙을 근간으로 한다. 이는 강화재 사이에 흐르는 점성유체의 특성을 정의한 법칙으로, 진공적층방식을 적용한 사각형 박판에서의 함침시간이 다음식과 같이 계산 된다.

성능/효과

(1) 국내 중소형 FRP 조선소가 향후 해양레저시대에서의 글로벌 경쟁력을 확보하기 위해 필요할 것으로 예상되는 진공적층공법에 대한 기초 기술을 정립할 수 있었다.
(2) 진공적층 시뮬레이션 결과와 실제 적층 결과와의 비교로부터 발생한 함침시간 오차가 평판의 경우 약 5%, 5.55m급 실선의 경우에도 유사한 약 4.5%로서, 평판에 대한 시뮬레이션 결과를 실선에서의 함침시간 및 함침율 등 적층전략 수립에 필요한 초기자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 5.55m급 보트의 진공적층 시뮬레이션 결과에 의하면 주입경로를 1개에서 7개로 증가 배치한 경우 함침시간이 13,208초에서 6,612초로 감소하였으며, 이후 1개의 주입경로에 2개의 주입구를 배치하고 경로의 직경은 12mm에서 18mm로 상향 설정한 경우 함침시간이 3,612초로 추가 감소하였다. 또한 주입경로의 간격을 30cm에서 20cm로 줄였을 경우 약 5%의 함침시간이 절감되었다.
(c)의 경우는 합성수지의 흐름속도가 높이 차이에 의해 빨라져서 함침시간이 짧은 장점이 있지만 공동발생이 쉽게 나타나고, 주입 경로 부근에 합성수지가 많이 모여 불룩해지는 경우도 있다. 이러한 차이로 인해 암 몰드를 이용해서 제품을 성형할 경우는 (b) 개념의 방법을, 숫 몰드를 이용할 때는 (c) 개념의 방법을 사용하는 것이 유리하다. 한편, 갑판이나 보강재 같은 형상이 복잡한 경우는 주입 및 배출 경로를 Fig.
추가적으로 한 개의 주입경로에 세 개의 주입구를 배치해 보았으나 두 개의 경우와 비교하여 함침시간의 변화는 미미하였다. 마지막으로 주입경로의 간격을 20cm로 줄였을 때는 총 함침시간이 5% 정도 절감되었으나, 이 경우는 부자재 비용이 높아지므로 비용증가 대비 효율이 높지 않을 것으로 판단된다. 이러한 시뮬레이션 결과를 토대로 최적의 적층전략으로, 선체 주위의 가장자리를 둘러싸는 형상으로 6개의 배출구와 배출경로를 배치하고, 주입경로를 30cm 간격으로 배치하고 주입구는 한 개의 주입경로에 2개씩 두는 것으로 설정하였다.
또한 주입경로 및 배출경로의 직경은 12mm로 설정하였으며, 주입구 및 배출구 각각에 대해 1개씩 설치하였다. 시뮬레이션 결과, 총 함침시간은 13,208초(약 3시간 40분)였으며 합성수지의 경화시간을 고려하면 약 2% 정도 함침 되었을 때 경화가 시작되었을 것으로 예상된다.

후속연구

(4) 그러나 시뮬레이션과 실제 적층되는 모양에는 약간의 차이를 보이고 있는데, 이는 제품 모델링 과정에서 강화재로 사용된 유리섬유의 재료 특성을 충분히 반영시키지 못한 것으로 추정된다. 따라서 향후 이에 대한 개선 연구를 계속하여 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 선체의 진공적층공법에 대한 기초 기술을 정리하고, 진공적층 시뮬레이션 솔루션을 이용한 FRP 선체 적층 전략 수립의 적용 가능성을 검토한 결과, 얻은 결론은 무엇인가?	(1) 국내 중소형 FRP 조선소가 향후 해양레저시대에서의 글로벌 경쟁력을 확보하기 위해 필요할 것으로 예상되는 진공적층공법에 대한 기초 기술을 정립할 수 있었다. (2) 진공적층 시뮬레이션 결과와 실제 적층 결과와의 비교로부터 발생한 함침시간 오차가 평판의 경우 약 5%, 5.55m급 실선의 경우에도 유사한 약 4.5%로서, 평판에 대한 시뮬레이션 결과를 실선에서의 함침시간 및 함침율 등 적층전략 수립에 필요한 초기자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. (3) 5.55m급 보트의 진공적층 시뮬레이션 결과에 의하면 주입경로를 1개에서 7개로 증가 배치한 경우 함침시간이 13,208초에서 6,612초로 감소하였으며, 이후 1개의 주입경로에 2개의 주입구를 배치하고 경로의 직경은 12mm에서 18mm로 상향 설정한 경우 함침시간이 3,612초로 추가 감소하였다. 또한 주입경로의 간격을 30cm에서 20cm로 줄였을 경우 약 5%의 함침시간이 절감되었다. 이러한 결과는 실선에서의 최적 적층전략 수립에 많은 도움이 될 수 있었다. (4) 그러나 시뮬레이션과 실제 적층되는 모양에는 약간의 차이를 보이고 있는데, 이는 제품 모델링 과정에서 강화재로 사용된 유리섬유의 재료 특성을 충분히 반영시키지 못한 것으로 추정된다. 따라서 향후 이에 대한 개선 연구를 계속하여 수행할 예정이다.
	진공적층 공법은 어떠한 기술인가?	진공적층 공법은 FRP 선체를 성형 적층하는 최신공법으로 균등한 강도, 미려한 표면마감 및 선체 중량 경량화 등으로 인해 국내 기존 제품 대비 품질경쟁력이 우수한 선체 제작과 동시에 작업환경 개선에도 기여할 수 있는 기술이다.
	현재 국내 중소형 조선소에서 주로 제작하고 있는 해양레저선박은 어떤 공법을 사용하고 있나?	현재 국내 중소형 조선소에서 주로 제작하고 있는 해양레저선박은 FRP(Fiber reinforced plastics) 선체로서 수적층(Hand lay-up) 공법을 사용하고 있다. 이에 비해 해양레저산업 관련 선진국에서는 알루미늄 합금 및 목재 등의 다양한 선체 재질을 사용한 해양레저 선박도 개발하고 있으며, 고급 해양레저 선박제조회사에서는 FRP 선체의 경우에 진공적층(Resin infusion) 공법을 주로 사용하고 있다.

참고문헌 (8)

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Koorevaar, A. (2005). "Infusion of Large Yacht Hulls and Decks Made Easy", METS 2005, European Boatbuilder Technology Forum, Amsterdam, pp 1-17

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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