[논문]탄소/에폭시 프리프레그를 이용한 스와시 플레이트의 성형공정 해석에 관한 연구

김기성; 윤한기; 신지영; 허관도

doi:10.5228/kspp.2010.19.2.127

탄소/에폭시 프리프레그를 이용한 스와시 플레이트의 성형공정 해석에 관한 연구
A Study on the Analysis of Forming Process for Swash-Plate by Using Prepreg 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.2 = no.116, 2010년, pp.127 - 131

김기성 (동의대학교 기계공학과) , 윤한기 (동의대학교 기계공학과) , 신지영 (동의대학교 기계공학과) , 허관도 (동의대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Carbon-epoxy prepreg has been introduced in the forming of the upper and lower swash plates that control the pitch of rotor blade of unmanned helicopter because of its lightweight. Taguchi experimental method has been used by introducing the variables such as arrangement angle, laminated number and forming temperature, in order to obtain the proper forming method by using prepreg satisfying the required strength of the swash plate. In the evaluation of structural safety for the swash plates, three kinds of models are considered by using FE-analysis. In comparison of the hot forged products with Al6061-T6 and the formed products with prepreg, it was found that ultimate tensile strength of the products with prepreg is three times higher than that of the Al6061-T6, and the weight reduction of 68.5g can be achieved by using prepreg swash plates.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 110Kg급 무인헬리콥터용 스와시 플레이트를 Al6061-T6 로 열간단조한 것과 비교해서 프리프레그를 이용하여 제작할 때 요구되는 기계적 성질을 만족하는 성형공정을 구현하고자 한다.

제안 방법

Taguchi 실험계획법에 따른 순서에 맞게 인장시험편을 제작한 후 인장 시험을 수행하였다. 각 인자에 따른 최대 인장강도 값과 Taguchi 법에 의해 구한 S/N 비를 구하여 Table 1 에 나타내었으며, 프리프레그의 열간 가압 성형된 내부상태를 파악하기 위해 Fig.
각각의 변수에 대한 설정 값은 적층 수 10~12ply, 배열 각도 0~45°, 성형 온도 120~140℃로 하였으며, 열간 가압 상태에서 60 분간 유지되도록 성정하여 제작하였다.
무인헬리콥터의 부품인 스와시 플레이트를 프리프레그를 이용하여 강도향상과 경량화를 위하여 해석 및 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
설계된 스와시 플레이트의 기하학적 형상과 구조해석 결과를 바탕으로 열간 가압 금형을 제작하였다. 이 때 열간가압 성형 이후 후 가공을 최소화 하기 위해 적층 시 홀 가공 부를 고려하여 제작하였다.
스와시 플레이트에 요구되는 강도를 가지는 프리프레그의 성형방법을 도출하기 위하여 적층 수, 적층 배열 방향 및 성형온도를 변수로 하여 Taguchi 실험계획법과 실험을 병행하여 강도를 평가하였으며, 유한요소 해석을 통하여 스와시 플레이트에 대한 구조해석을 실시하였다. 인장시험을 통한 강도 평가와 구조해석을 통해 스와시 플레이트의 안전성을 평가하고 알루미늄 열간단조 공정으로 성형된 것과 특성을 비교평가 하였다.
설계된 스와시 플레이트의 기하학적 형상과 구조해석 결과를 바탕으로 열간 가압 금형을 제작하였다. 이 때 열간가압 성형 이후 후 가공을 최소화 하기 위해 적층 시 홀 가공 부를 고려하여 제작하였다.
스와시 플레이트에 요구되는 강도를 가지는 프리프레그의 성형방법을 도출하기 위하여 적층 수, 적층 배열 방향 및 성형온도를 변수로 하여 Taguchi 실험계획법과 실험을 병행하여 강도를 평가하였으며, 유한요소 해석을 통하여 스와시 플레이트에 대한 구조해석을 실시하였다. 인장시험을 통한 강도 평가와 구조해석을 통해 스와시 플레이트의 안전성을 평가하고 알루미늄 열간단조 공정으로 성형된 것과 특성을 비교평가 하였다.
프리프레그로 제작된 스와시 플레이트는 상부와 하부 스와시 플레이트 및 베어링 등 결합된 상태에서 구조해석을 수행하였다. 작용 하중은 상부 및 하부 스와시 플레이트 내부 베어링의 회전에 의한 영향과 무인헬리콥터가 활공하면서 발생하는 최대 하중을 1000N 으로 설정하여 해석을 수행 하였으며, Fig. 4 에 나타내었다. 구조해석 결과 상x하 스와시 플레이트가 결합된 상태에서 발생하는 최대 등가 응력 값, 상부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가응력 및 하부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가응력을 Fig.
탄소/에폭시 강화 섬유인 프리프레그(Prepreg)를 이용하여 적층 수, 적층 배열 방향 및 성형 온도를 인자로 하여 시험편을 제작하였다. 각각의 변수에 대한 설정 값은 적층 수 10~12ply, 배열 각도 0~45°, 성형 온도 120~140℃로 하였으며, 열간 가압 상태에서 60 분간 유지되도록 성정하여 제작하였다.
복합소재 프리프레그를 이용한 스와시 플레이트 역시 회전과 동시에 높은 인장하중을 견디도록 설계 되어야 한다. 프리프레그로 제작된 스와시 플레이트는 상부와 하부 스와시 플레이트 및 베어링 등 결합된 상태에서 구조해석을 수행하였다. 작용 하중은 상부 및 하부 스와시 플레이트 내부 베어링의 회전에 의한 영향과 무인헬리콥터가 활공하면서 발생하는 최대 하중을 1000N 으로 설정하여 해석을 수행 하였으며, Fig.
항공기용 복합 소재인 프리프레그를 이용하여 스와시 플레이트를 제작하기 전에 적절한 성형 방법을 찾기 위해 기계적 물성 평가를 실시하였다. Taguchi 실험계획법과 인장 시험 결과 적층 수 12ply, 적층 방향 0°, 성형 온도 130℃일 때, 최대 인장강도 918.

성능/효과

(1) Taguchi 실험계획법을 이용하여 프리프레그의 적층 수 12ply, 배열 각도 0°, 성형 온도 130℃일 때 최대 인장강도를 가질 수 있는 성형 방법인 것으로 예측 할 수 있었으며, 이 조건으로 실험한 결과 최대인장강도는 918.62MPa 로서, Al6061-T6 의 최대 인장강도 310MPa 에 비해 약 3 배 이상의 강도로 강화되었다.
(2) 무인헬리콥터의 제자리 비행시 발생하는 하중을 적용한 구조해석에서 상부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가응력은 27.50MPa 이고 하부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가 응력은 7.41MPa 이었다.
(3) 프리프레그로 성형된 스와시 플레이트는 Al6061-T6 로 단조된 것에 비교해서 상부 스와시 플레이트는 17.7g, 하부 스와시 플레이트는 50.8g 의 무게 감소가 가능했다.
Taguchi 실험계획법과 인장 시험 결과 적층 수 12ply, 적층 방향 0°, 성형 온도 130℃일 때, 최대 인장강도 918.62MPa 로 Al6061-T6 의 최대 인장강도 값인 310MPa 에 비해 약 3 배 이상의 강도를 가지는 성형방법을 도출하였다.
도출된 성형 방법으로 스와시 플레이트에 대한 구조해석 결과 결합된 상태에서 발생하는 최대 등가 응력은 51.04MPa, 상부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가응력은 27.50MPa 이고 하부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가응력은 7.41MPa 로 최대 인장강도 918.62MPa 에 비해 매우 작으므로 구조적으로 안전하다고 판단된다. Fig.
6 은 Al6061-T6 열간 단조품과 프리프레그로 성형 한 제품을 비교 도시한 것이다. 무게를 비교한 결과, 프리프레그로 성형한 경우에, 상부 스와시 플레이트는 17.7g, 하부 스와시 플레이트는 50.8g 의 무게 감소가 가능했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리프레그는 어떤 이유로 특성에 따른 성형방법에 대한 연구가 필요한가?	자동차 및 항공기 산업은 연비, 안전도, 운전 성능 개선 등을 위해 알루미늄 합금을 많이 이용하고 있으며, 강도 향상 및 경량화를 위해 지속적으로 연구가 진행되고 있다[1~4]. 항공 산업에서는 강도향상 및 경량화를 위해 복합재료로서 프리프레그(Prepreg)가 사용되고 있으며, 적층방법에 따라서 기계적 특성이 다르므로 요구되는 특성에 따른 성형방법에 대한 연구가 필요하다[5~9].
	알루미늄 합금은 자동차 및 항공기 산업에서 어떤 것을 위해 이용하고 있는가?	자동차 및 항공기 산업은 연비, 안전도, 운전 성능 개선 등을 위해 알루미늄 합금을 많이 이용하고 있으며, 강도 향상 및 경량화를 위해 지속적으로 연구가 진행되고 있다[1~4]. 항공 산업에서는 강도향상 및 경량화를 위해 복합재료로서 프리프레그(Prepreg)가 사용되고 있으며, 적층방법에 따라서 기계적 특성이 다르므로 요구되는 특성에 따른 성형방법에 대한 연구가 필요하다[5~9].
	무인헬리콥터의 부품 스와시 플레이트에 Prepreg를 이용한 강도 및 경량화를 위한 실험 결과는 어떠한가?	(1) Taguchi 실험계획법을 이용하여 프리프레그의 적층 수 12ply, 배열 각도 0°, 성형 온도 130℃일 때 최대 인장강도를 가질 수 있는 성형 방법인 것으로 예측 할 수 있었으며, 이 조건으로 실험한 결과 최대인장강도는 918.62MPa 로서, Al6061-T6 의 최대 인장강도 310MPa 에 비해 약 3 배 이상의 강도로 강화되었다. (2) 무인헬리콥터의 제자리 비행시 발생하는 하중을 적용한 구조해석에서 상부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가응력은 27.50MPa 이고 하부 스와시 플레이트에 작용하는 최대 등가 응력은 7.41MPa 이었다. (3) 프리프레그로 성형된 스와시 플레이트는 Al6061-T6 로 단조된 것에 비교해서 상부 스와시 플레이트는 17.7g, 하부 스와시 플레이트는 50.8g 의 무게 감소가 가능했다.

참고문헌 (10)

Y. H. Kim, T. K. Ryou, B. B. Hwang, 1999, An Analysis on the forging processes for 6061 aluminum alloy wheel, KSTP, Vol. 8, No. 5, pp. 498-506.
H. C. Lee, B. M. Kim, K. H. Kim, 2003, Process design for improving tool life in hot forging process, KSTP, Vol. 12, No. 1, pp. 18-25.
H. Sakurai, 2008, Recent tendency of Al forging in Japan, KSTP, Vol. 17, No. 8, pp. 550-557.
K. S. Kim, K. D. Hur, 2009, Characteristics of bending deformation in aluminum rectangular bar by press die, KSTP, Vol. 18, No. 1, pp. 13-19.
Y. H. Kim, W. B. Bae, J. C. Kim, H. S. Kim, 1997, A study on the development of aluminum piston by forging process, KSPE, Vol. 14, No. 9, pp. 30-36.
S. Y. Son, J. D. Kim, S. W. Koh, 1997, Effect of water environment on the mechanical properties of unidirectional CFRP, KSOE, Vol. 11, NO. 4, pp. 23-30.
S. H. Song, C. W. Kim, 2001, The mixture ratio effect of epoxy resin, curing agent and Accelerator on the Fatigue Behavior FRMLs, KSME, Vol. 25, No.4, pp. 592-601.
M. H. Kim, Rhee K. Y., Paik Y. N., Lee W. R., 2005, A study on the prepreg to improve interlaminar fracture of graphite/epoxy Composites, KSME, pp. 319-323.
Y. C. Kwon, J. H. Lee, Y. S. Jung, N. S. Kim, Y. S. Lee, 2007, A study on cavity behavior during hot open die forging process, KSTP, Vol. 16, No, 4, pp. 293-298
K. D. Hur, K. S. Kim, J. H. Kong, W. I. Lee, 2009, Evaluation of hot forming strength by using prepreg, KSME, Vol. 9, pp. 213-215.

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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