[논문]GFRP 복합재료의 압축성형에서 표면요철에 미치는 성형조건의 영향

김형석; 김진우; 김용재; 이동기

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.11.1649

[국내논문] GFRP 복합재료의 압축성형에서 표면요철에 미치는 성형조건의 영향
Effects of Molding Condition on Surface Unevenness of GFRP Composites in Compression Molding 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.11=no.302, 2010년, pp.1649 - 1657

김형석 (조선대학교 대학원 첨단부품소재공학과) , 김진우 , 김용재 (조선대학교 전기공학과) , 이동기 (조선대학교 메카트로닉스공학과)

초록
AI-Helper

성형조건에 따른 GFRP 복합재료를 관찰하여, 성형품 표면의 불량원인을 조사했다. 표면거칠기에 영향을 주는 요철의 가장 주요한 발생원인은 보압 냉각 과정에서 발생하는 모재의 수축이었다. GFRP 복합재료 성형품 표면은 성형 시의 보압하중이 높을수록 좋아졌고, 서냉실험에서는 탈형온도가 낮을수록 성형품의 표면이 좋아졌다. 그리고 보압하중과 탈형온도를 고려하여, 성형품의 표면요철 생성과정과 섬유돌출 높이 변화를 규명했다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the unexpected phenomena on the surface of molded GFRP composites. The major cause of the unevenness, as a result of which the surface becomes rough, is a shrinking of the matrix in the process of holding pressure and cooling temperature. The higher holding pressure load in a molding process and the lower demolding temperature in an annealing experiment, the better GFRP composites moldings improved its appearance. In addition, by taking the holding pressure and demolding temperature into consideration, we evaluate the process that causes the surface unevenness and the variation in the fiber projection height.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

⁽⁷⁾ 이와 같은 문제점 등이 있으나, GFRP 복합재료 성형품의 표면성형과정의 규명이나 표면상태의 개선에 관한 연구는 극히 적다. 본 연구에서는 GFRP 복합재료를 여러 성형조건에서 성형한 후, 성형품 표면요철을 측정하여 표면 불량현상의 크기와 성형조건의 관계를 명확하게 하고자 한다.
현재 GFRP 복합재료를 이용한 각종 부품 생산 현장에서는 약 200℃의 블랭크를 약 40~80℃의 금형에 넣고, 약 15~20MPa의 압력으로 압축성형한 후 급냉하여 탈형한다. 본 연구에서는 생산현장과 같은 성형조건을 충족시켜 서냉과 급냉 실험하여 성형품 표면의 섬유돌출 높이 측정값들을 서로 비교 고찰하였다. 탈형 시 금형온도 80℃에서 섬유돌출 높이와 보압하중과의 관계를 Fig.
본 연구에서는 표면요철에 미치는 성형조건의 영향에 대해서 조사하기 위해서, 성형품에 발생하는 휘거나 뒤틀림 등을 가능한 배제할 필요가 있어 성형품 형상을 두께가 일정한 직육면체의 단형판으로 하였다. 시험재료는 하나의 종류로 한정하고, 성형조건을 변화시켜 실험을 행하였다.

제안 방법

Fig. 7에서 측정값의 관계를 Origin 6.0의 Linear fitting 기능을 이용하여, GFRP 복합재료 성형 시보압하중에 따른 표면의 섬유돌출 높이를 계산하는 실험식을 제시하였다. 성형품 포면의 섬유돌출 높이(H)와 보압하중(P)과의 관계식을 나타내면 다음 식과 같다.
GFRP 복합재료를 이용한 각종 부품 생산현장에서는 압축성형 시의 성형압력이 약 15~20MPa 이므로 시험편에 작용하는 보압하중을 100kN으로 하여 실험한 후 보압·냉각 과정에서 금형온도의 영향을 고찰하였다.
GFRP 복합재료의 압축성형에서 각각의 성형조건에서 촉침식 표면형상측정기로 성형품 표면의 섬유돌출 높이와 표면거칠기 및 여파굴곡곡선을 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
6(b)에 나타냈다. GFRP 복합재료의 특성상 실험값의 편차가 심하기 때문에 측정은 성형품의 길이방향으로 10회 행하여 그 평균값을 성형품의 측정값으로 하였다.
금형의 가열은 봉히터를 사용하고, 냉각을 위해 냉각수의 순환구멍이 펀치와 다이에 뚫어져 있다. 금형의 보압하중은 선단직경 4mm의 핀을 끼워서 저항선열형게이지식 하중센서에 의해 검출했다. 또한 금형온도는 열전대(∅1.
급냉실험에서 GFRP 복합재료 압축성형의 성형조건을 Table 3에 나타냈다. 급냉실험에서는 블랭크 온도, 성형속도, 보압시간을 일정하게 하고 보압하중과 금형온도를 변화시켜 실험하였다. Fig.
2㎛로 측정되었다. 또한 성형 시에 금형의 표면상태가 성형품의 표면에 어느 정도 전사되었는가를 조사하기 위해 보압하중 100kN, 탈형 시 금형온도 80℃에서 성형한 폴리프로필렌 단일재료만의 성형품 표면을 측정했다. 그 결과 중심선평균거칠기 R_a의 값은 0.
GFRP 복합재료의 고온압축 유동성형은 크게 나누어서 예열, 충진, 보압·냉각, 탈형의 4개 과정으로 되어있다. 본 연구에서는 복합재료 성형 시 예열과 냉각의 방법을 변화시켜, 서냉과 급냉 실험의 2종류로 실험하였다. 보압·냉각 과정에서 x 축에는 보압시간을 나타냈고, y축에는 보압하중과 금형온도를 나타냈으며, 금형 냉각 시 서냉과 급냉의 실험조건이 달라 Fig.
3에 나타냈다. 본 연구에서는 측정값들이 유사한 경향을 보여, 성형품 성형 시 보압하중은 하중센서 ①에서 계측된 값으로 하였고, 탈형 시 금형온도는 열전대 ①에서 계측된 값으로 하였다. 하중센서는 증폭기를 끼우고, 열전대는 데이터 디지털 측정기에 접속하고 컴퓨터를 사용하여 제어·기록을 행하였다.
서냉실험에서 GFRP 복합재료 압축성형의 성형조건을 Table 2에 나타냈다. 서냉실험에서는 성형온도, 성형속도를 일정하게 하고, 보압하중과 탈형 시 금형온도를 변화시켜 실험하였다. Fig.
성형품 표면의 외관에 관계하는 것은 표면거칠기와 여파굴곡곡선이다. 성형품의 표면거칠기와 여파굴곡곡선의 측정은 촉침식 표면형상측정기 ((株)東京情密 : Surfcom 570A)를 이용하였다. 이 측정기는 자동경사 보정기능에 의해 간단하게 표면 측정이 가능하다.
본 연구에서는 표면요철에 미치는 성형조건의 영향에 대해서 조사하기 위해서, 성형품에 발생하는 휘거나 뒤틀림 등을 가능한 배제할 필요가 있어 성형품 형상을 두께가 일정한 직육면체의 단형판으로 하였다. 시험재료는 하나의 종류로 한정하고, 성형조건을 변화시켜 실험을 행하였다. 시험재료로는, 폴리프로필렌수지를 유리섬유로 강화한 GFRP 복합재료(日本出光NSG(株) 제품 P 4038-B Sheet)를 이용하였다.
실험에 이용한 금형의 표면상태를 알아보기 위하여, 금형의 표면거칠기와 여파굴곡곡선을 측정했다. 그 결과 중심선평균거칠기 R_a의 값은 0.
GFRP 복합재료는 폴리프로필렌과 니들펀칭된 유리섬유매트를 적층하여 함침시킨 복합판재이므로 실험값의 편차가 심하다. 이 편차 때문에, 측정은 성형품의 길이 방향으로 10회, 폭 방향으로 10회 총 20회를 측정하였다. 얻어진 20개의 측정값을 평균으로 하여 성형품의 R_a 값으로 하였다.
하중센서는 증폭기를 끼우고, 열전대는 데이터 디지털 측정기에 접속하고 컴퓨터를 사용하여 제어·기록을 행하였다.

대상 데이터

시험재료는 하나의 종류로 한정하고, 성형조건을 변화시켜 실험을 행하였다. 시험재료로는, 폴리프로필렌수지를 유리섬유로 강화한 GFRP 복합재료(日本出光NSG(株) 제품 P 4038-B Sheet)를 이용하였다. 또한 섬유함유율은 모두 40wt%의 것을 사용하였다.
시험편은 GFRP 복합재료를 직육면체 60mm(폭) × 80mm(길이) × 3.8mm(두께)로 절취하여 사용하였다.

데이터처리

GFRP 복합재료 성형품 표면의 섬유돌출⁽⁷⁾높이 측정값은 촉침식 표면형상측정기로 측정한 단면곡선으로부터 섬유돌출 부분의 높이를 10개소 읽어 그 평균값으로 하였다.
이 편차 때문에, 측정은 성형품의 길이 방향으로 10회, 폭 방향으로 10회 총 20회를 측정하였다. 얻어진 20개의 측정값을 평균으로 하여 성형품의 R_a 값으로 하였다.

이론/모형

4와 같이 나타냈다. 표면거칠기의 측정값은 Fig. 5와 같이 중심선평균거칠기(Center-line-average-height) R_a를 이용했다. R_a는 거칠기 곡선으로부터 그 평균선의 방향에 기준 길이 l만큼 뽑아내어, 그 표본 부분의 평균선 방향에 X축을 세로 배율 방향에 Y축을 잡고, 거칠기곡선을 y=f(x)로 나타냈을 때, 식 (1)에 의해 구해지는 값을 ㎛로 나타낸 것이다.

성능/효과

(1) 성형품 표면의 중심선평균거칠기와 여파굴곡곡선의 측정값은 보압하중이 클수록, 탈형 시의 금형온도는 낮을수록 작게 나타났다. 이것은 표면의 섬유돌출 높이 측정값이 보압하중이 증가할수록 작게 나타난 것과 같은 경향으로 나타났다.
(2) 성형품 표면의 중심선평균거칠기 값은 서냉보다는 급냉에서 양호하게 나타났으며, 여파굴곡 곡선은 급냉보다는 서냉에서 양호하게 나타났다. 또한 성형품의 표면거칠기는 성형 시의 금형온도보다 보압하중이 더 지배적임을 알 수 있다.
(3) GFRP 복합재료의 고온압축 유동성형에서 성형품의 표면요철에 영향을 미치는 보압하중과 금형온도의 성형조건에 따라 표면의 섬유돌출 높이와 중심선평균거칠기 및 여파굴곡곡선 값을 정량적으로 예측할 수 있는 관계식을 제시하였다.
보압하중에 대해서 서냉과 급냉 실험의 결과는 같은 경향으로 나타났다. 그 결과 성형품의 표면상태는 성형 후 금형 냉각 시, 서냉과 급냉의 영향보다는 성형 시의 보압하중이 더 지배적이라는 것을 알 수 있다.
그러나 급냉실험에서는 성형품 성형 시 금형 벽면의 재료가 급냉되어, 모재의 냉각과정에서 발생하는 표면 불량 원인의 하나인 구정이 생성되지 않았고 표면 균열인 크랙 현상도 나타나지 않았다. 따라서 성형품 표면에서 중심선평균거칠기 값은 보압하중과 밀접한 관계가 있으며, 서냉실험보다 급냉실험에서 양호하게 나타남을 알 수 있다.
본 연구의 실험 결과로부터, GFRP 복합재료를 이용한 고온압축 유동성형의 보압·냉각 과정에서 성형품 표면의 평활도에 미치는 성형조건은 성형 시의 보압하중이 크고, 탈형 시의 금형온도가 낮을수록 양호함을 알 수 있다.
21㎛였다. 폴리프로필렌 단일재료만의 성형품은 금형과 비슷한 정도의 값으로 측정된 것으로부터, 이 실험의 성형법으로 금형표면의 상태가 성형품에 잘 전사된 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GFRP 복합재료의 사용범위를 좁게 하고 있는 이유는?	GFRP 복합재료의 용도 확대를 막는 결점으로서, 표면요철을 들 수 있다. 성형품의 표면을 보면 구정, 섬유돌출, 크랙, 섬유노출, 마이크로 웰 드라인, 핀홀 등 여러 형태의 요철(凹凸)이 발생하고 있으며, 모재수지 단일체와 비교하여 표면거칠기와 윈딩(이하 여파굴곡곡선이라 한다)이 크다. 이러한 이유 때문에 외관이 문제시 되어 GFRP 복합재료의 사용범위를 좁게 하고 있다.
	GFRP 복합재료의 성질은?	GFRP 복합재료는 비강도(Specific strength : E/ρ), 비강성(Specific stiffness : E/ρ) 뿐만 아니라 경량화, 성형의 용이성, 생산성 향상 등 여러 면에서 우수하여 오늘날 자동차에서는 꼭 필요한 재료이다. 자동차 경량화 부품 재료로 많이 쓰이고 있는 GFRP 복합재료는 Bumper beam, Front end, Door, Seat structure, Truck steps 등의 내·외장부품에 적용되고 있다.
	GFRP 복합재료는 어떤 내, 외장품에 사용되고 있는가?	GFRP 복합재료는 비강도(Specific strength : E/ρ), 비강성(Specific stiffness : E/ρ) 뿐만 아니라 경량화, 성형의 용이성, 생산성 향상 등 여러 면에서 우수하여 오늘날 자동차에서는 꼭 필요한 재료이다. 자동차 경량화 부품 재료로 많이 쓰이고 있는 GFRP 복합재료는 Bumper beam, Front end, Door, Seat structure, Truck steps 등의 내·외장부품에 적용되고 있다. 이 경량재료의 자동차 부품 적용을 위해서는 재료 특성, 신뢰성 확보, 성형조건 등의 확립이 우선되어야 하므로 GFRP 복합재료를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (10)

Lee, D. G., Kim, J. L., Kim, S. P., Lee, W. I. and Kim, E. G., 1993, “A Study on the Processing of Long Fiber-Reinforced Composite Materials for Thermoforming,” Trans. of the KSME(A), Vol. 17, No. 5, pp. 1106-1114.
Lee, D. G., Han, G. Y. and Kim, E. G., 1995, “Effect of Mold Temperature on the Separation and the Orientation During Compression Molding of Fiber-Reinforced Polymeric,” Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 305-314.
Yaguchi, H., Hojo, H., Lee, D. G. and Kim, E. G., 1995, “Measurement of Planar Orientation of Fibers for Reinforced Thermoplastics Using Image Processing,” The Journal of the Polymer Processing Society, Vol. 10, No. 3, pp. 262-269.

상세보기
Kang, K., Jo, S. H., Lee, D. G. and Kim, E. G., 1996, “A Study on Mean Coefficient of Separation During Compression Molding of Fiber-Reinforced Thermoplastics,” Trans. of the KSME(A), Vol. 20, No. 4, pp. 1146-1153.
Kim, D. S. and Kim, J. K., 1995, “The fatigue Damage Accumulation Behavior and the Fatigue Life Prediction Under 2-Level Block Loading in Plan Woven GFRP Composites,” Trans. of the KSME(A), Vol. 19, No. 12, pp. 3299-3307.
Kim, Y. J. and Lim, J. K., 1997, “A Study on Properties of Corrosion Fracture Surfaces of GFRP in Synthetic Sea Water,” Trans. of the KSME(A), Vol. 11, No. 3, pp. 249-254.
Kim, H. S., Kim, J. W., Kim, Y. J. and Lee, D. G., 2009, “Effects of Molding Condition on Surface of GMT-Sheet Moldings,” Proceedings of the 2009 Autumn Meeting of KSCM, pp. 251-255.
Lee, D. G., Jeong, K. S. and Choi, J. H., 1998, Composite materials, Sigma Press, Seoul, pp. 407-441.
Kim, K. D. and Chung, S. C., 1999, “Design and Analysis of 2½ Dimensional On-the-Machine Measuring and Inspection System Using Touch Trigger Probes,” Trans. of the KSME(A), Vol. 23, No. 1, pp. 37-46.
Heo, S. B., Lee, J. H., Shin, G. S. and Rhee, K. Y., 2002, “A Study on the Processing Characteristic in the Compression Molding of Hybrid Thermoplastic Composites,” Trans. of the KSME(A), Vol. 26, No. 12, pp. 2550-2555.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증