성형조건에 따른 GMT-Sheet를 관찰하여, 성형품 표면의 섬유돌출을 조사했다. 섬유돌출은 모재의 수축에 의해서 성형품 표면에 생성되는 불량현상의 하나이다. 즉, 섬유돌출은 성형온도에서 상온까지 성형품이 냉각될 때 모재와 유리섬유의 수축차에 의해 발생하는 표면불량 현상이다. 성형품 표면의 섬유돌출 높이는 보압 냉각과정에서 성형압력이 클수록 작게 나타남을 알 수 있다. 성형품 표면의 섬유돌출 높이는 성형압력의 영향이 지배적임을 알 수 있다. 성형압력을 고려하여, 성형품의 표면요철 생성과정과 섬유돌출 높이 변화를 규명했다. 그리고 피복층은 표면불량 현상을 억제하는 효과가 있고, 표면으로부터 섬유돌출이나 크랙이 보이지 않았다. 피복층은 표면거칠기를 단일재료인 폴리프로필렌 정도까지 개선하였다.
성형조건에 따른 GMT-Sheet를 관찰하여, 성형품 표면의 섬유돌출을 조사했다. 섬유돌출은 모재의 수축에 의해서 성형품 표면에 생성되는 불량현상의 하나이다. 즉, 섬유돌출은 성형온도에서 상온까지 성형품이 냉각될 때 모재와 유리섬유의 수축차에 의해 발생하는 표면불량 현상이다. 성형품 표면의 섬유돌출 높이는 보압 냉각과정에서 성형압력이 클수록 작게 나타남을 알 수 있다. 성형품 표면의 섬유돌출 높이는 성형압력의 영향이 지배적임을 알 수 있다. 성형압력을 고려하여, 성형품의 표면요철 생성과정과 섬유돌출 높이 변화를 규명했다. 그리고 피복층은 표면불량 현상을 억제하는 효과가 있고, 표면으로부터 섬유돌출이나 크랙이 보이지 않았다. 피복층은 표면거칠기를 단일재료인 폴리프로필렌 정도까지 개선하였다.
According to the evaluation on GMT-sheet by molding conditions, fiber projection on the moldings surface was investigated. Fiber projection is one of the major defects on moldings surface due to matrix shrinkage. That is, fiber projection happens from different shrinkage of matrix and glass fiber. H...
According to the evaluation on GMT-sheet by molding conditions, fiber projection on the moldings surface was investigated. Fiber projection is one of the major defects on moldings surface due to matrix shrinkage. That is, fiber projection happens from different shrinkage of matrix and glass fiber. Height of fiber projection from moldings surface becomes smaller when molding pressure is higher during holding pressure and cooling process. Height of fiber projection is dominantly affected by molding pressure. With consideration of molding pressure, the formation of surface unevenness and change in fiber projection height was elucidated. In addition, coating layer is effective to suppress surface defects, and there is no fiber projection or crack in case that coating is applied. Coating layer improves surface roughness up to the level of the polypropylene which is a single material.
According to the evaluation on GMT-sheet by molding conditions, fiber projection on the moldings surface was investigated. Fiber projection is one of the major defects on moldings surface due to matrix shrinkage. That is, fiber projection happens from different shrinkage of matrix and glass fiber. Height of fiber projection from moldings surface becomes smaller when molding pressure is higher during holding pressure and cooling process. Height of fiber projection is dominantly affected by molding pressure. With consideration of molding pressure, the formation of surface unevenness and change in fiber projection height was elucidated. In addition, coating layer is effective to suppress surface defects, and there is no fiber projection or crack in case that coating is applied. Coating layer improves surface roughness up to the level of the polypropylene which is a single material.
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문제 정의
그리고 GMT-Sheet의 열압축 유동성형 시, 모재와 섬유의 분리 및 섬유배향이 발생한다[5-8]. 본 실험에서는 분리․배향의 영향을 없애기 위해서 블랭크 및 성형품의 크기를 동일하게 하였다. 즉, 블랭크의 크기는 금형 캐비티와 같은 크기로 하고, 재료가 흐르지 않은 상태로 성형하였다.
본 연구에서는 GMT-Sheet를 여러 성형조건에서 성형한 후, 모재의 수축에 따른 섬유돌출 높이를 계산하여 표면에 나타나는 섬유돌출의 생성과정을 규명하여 표면상태와 성형 조건의 관계를 명확하게 하고자 한다. 또한, 얻어진 결과를 바탕으로, GMT-Sheet 성형 시 표면에 폴리프로필렌 시트를 피복하여, 성형품의 표면상태를 개선하는 방법을 제안하였다.
섬유돌출과 같은 표면불량 현상을 해결하기 위하여, 폴리프로필렌 시트의 피복층에 의해서 성형품 표면불량 현상이 어느 정도 개선되는지 실험하였다. 이 때, GMT-Sheet 블랭크의 크기 60mm(폭)×80mm(길이)와 같은 폴리프로필렌 시트를 피복하여 성형실험 하였다.
이 불량 현상 중 섬유돌출은 성형품 내에 있는 강화재인 유리섬유가 단일섬유, 얀, 스트랜드 등의 섬유 종류에 의해 크기나 형태가 달라진다. 여기서 가장 단순한 섬유돌출에 대하여 모델화하여 섬유돌출 높이를 계산하고자 한다.
가설 설정
이 그림에 나타낸 것과 같이 모재 중에 한 개의 섬유가 있는 상태로 가정한다. 여기서 성형품 표면으로부터 유리섬유 직경보다 더 아랫부분(섬유의 하단 부분)에서는 섬유함유량이 균일하고, 냉각 시의 수축량이 같다고 가정한다. 이 경우 섬유돌출은 섬유직경 깊이까지의 수지수축에 의해서 발생된 것이다.
제안 방법
1) 모재의 수축량으로부터 섬유돌출 높이를 구하기 위해, 성형품 표면 부근의 섬유를 모델화하여 섬유돌출 높이를 계산하였다. 섬유돌출 높이는 성형압력이 클수록 작게 나타났으며, 실제의 성형품 표면의 섬유돌출 높이와 동일한 경향을 나타냈다.
5mm의 4종류로 실험하였다. GMT-Sheet의 피복 실험에서, 생산현장과 동일조건으로 실험하기 위하여, 보압하중은 100kN, 탈형온도는 80℃로 일정하게 하고, 피복층의 두께를 변화시켜 실험하였다.
그리고 재료의 예열과 냉각의 방법을 변화시켜, 서냉과 급냉의 2종류로 실험하였다.
GMT-Sheet 성형품 표면요철의 표면거칠기는 중심선평균거칠기를 이용하였다[4]. 금형 및 성형품 표면의 표면거칠기의 측정은 촉침식 표면형상측정기((株)東京情密:Surfcom 570A)를 사용하였다.
서냉실험에서는 성형온도, 압축속도, 탈형온도를 일정하게 하고 보압하중을 변화시켰다. 급냉 실험에서는 블랭크 온도, 압축속도, 보압시간, 금형온도를 일정하게 하고 보압하중을 변화시켰다.
본 연구에서는 GMT-Sheet를 여러 성형조건에서 성형한 후, 모재의 수축에 따른 섬유돌출 높이를 계산하여 표면에 나타나는 섬유돌출의 생성과정을 규명하여 표면상태와 성형 조건의 관계를 명확하게 하고자 한다. 또한, 얻어진 결과를 바탕으로, GMT-Sheet 성형 시 표면에 폴리프로필렌 시트를 피복하여, 성형품의 표면상태를 개선하는 방법을 제안하였다.
모재의 PVT 특성을 고려하여, 성형품의 표면요철 생성과정과 섬유돌출 높이 변화를 규명하고, 폴리프로필렌 시트의 피복층에 의해서 GMT-Sheet 표면불량 현상인 표면거칠기가 어느 정도 개선되는지를 고찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 실험에서는 압축속도 13mm/s, 금형온도 80℃로 일정하게 하고, 보압하중과 재료의 예열·냉각 방법을 변화시켜 실험을 행하였다. 보압하중 50, 100, 150, 200, 250, 300kN의 5종류로 실험하였다. 이 때, 보압하중을 블랭크의 단면적으로 나누어 압력으로 나타냈다.
본 실험에서 GMT-Sheet 재료의 특성상 실험값의 편차가 심하기 때문에 표면거칠기의 측정값은 성형품의 길이방향으로 10회 측정하여 그 평균값을 성형품의 측정값으로 하였다. 표면거칠기의 측정길이는 5mm이다.
본 실험에서는 압축속도 13mm/s, 금형온도 80℃로 일정하게 하고, 보압하중과 재료의 예열·냉각 방법을 변화시켜 실험을 행하였다.
현재 GMT-Sheet를 이용한 각종 부품 생산현장에서는 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 실험하였다.
압력센서는 증폭기를 끼우고, 열전대는 데이터 디지털 측정기에 접속하고 컴퓨터를 사용하여 제어·기록을 행하였다.
이 때, GMT-Sheet 블랭크의 크기 60mm(폭)×80mm(길이)와 같은 폴리프로필렌 시트를 피복하여 성형실험 하였다.
폴리프로필렌 시트의 피복층에 의해서 GMT-Sheet 표면불량 현상인 표면거칠기가 어느 정도 개선되는지를 고찰하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 표면요철에 미치는 섬유돌출의 영향에 대해서 조사하기 위해서, 시험재료는 1종류로 폴리프로필렌(PP) 수지를 유리섬유(Glass fiber)로 강화한 두께 3.8mm인 GMT-Sheet(P 4038-B Sheet:일본 出光NSG(주))를 이용하였다. 또한 섬유함유율은 모두 40wt%의 것을 사용하였다.
실험재료인 GMT-Sheet 블랭크를 적외선 가열기에 의해 가열하면 모재인 폴리프로필렌은 용융상태이고, 강화재인 유리섬유는 고체상태이다. 이 블랭크는 금형 내에 삽입되어, 펀치를 하강시킬 때에 유동하고 금형에 충전된다.
이 때, GMT-Sheet 블랭크의 크기 60mm(폭)×80mm(길이)와 같은 폴리프로필렌 시트를 피복하여 성형실험 하였다. 이 피복층의 두께는 0.3, 0.5, 1.0, 1.5mm의 4종류로 실험하였다. GMT-Sheet의 피복 실험에서, 생산현장과 동일조건으로 실험하기 위하여, 보압하중은 100kN, 탈형온도는 80℃로 일정하게 하고, 피복층의 두께를 변화시켜 실험하였다.
성능/효과
2) 성형압력을 높게 하여 모재의 비체적을 감소시켜 섬유돌출 높이를 작게 하는 것이 가능하다. 그리고 GMT-Sheet 성형품 표면에서 섬유돌출은 급냉실험에서 서냉실험보다 약 22% 낮게 나타났다.
3) GMT-Sheet 표면의 피복층은 표면거칠기의 개선에 효과가 있고, 표면으로부터 섬유돌출이 보이지 않았다. 피복층은 표면거칠기의 개선에 매우 효과가 있고, 단일재료인 폴리프로필렌 정도까지 표면거칠기를 개선하였다.
섬유돌출 높이는 성형압력이 클수록 작게 나타났으며, 실제의 성형품 표면의 섬유돌출 높이와 동일한 경향을 나타냈다. PVT 곡선을 고려하면, 섬유돌출 높이의 계산값과 측정값은 잘 일치함을 알 수 있었다.
또한 성형 시에 금형의 표면상태가 성형품의 표면에 어느정도 전사되었는가를 조사하기 위해 보압하중 100kN, 탈형시 금형온도 80℃에서 성형한 폴리프로필렌 단일재료만의 성형품 표면을 측정한 결과 표면거칠기 값은 0.08㎛로 측정되었다. 폴리프로필렌 단일재료만의 성형품은 금형과 비슷한 값으로 측정되어, 이 실험의 성형법으로 금형표면의 상태가 성형품에 잘 전사된 것을 알 수 있다.
08㎛에 근접함을 알 수 있다. 또한, 이 이상 피복층의 두께가 증가하더라도 중심선평균거칠기 값은 거의 일정함을 알 수 있다. 따라서 표면요철을 제거하는 데에 필요한 최소한의 피복층 두께는 약 0.
본 연구의 실험결과로부터 프레스 열압축 유동성형 시, 모재가 용해상태에서 유동하기 때문에 성형압력은 표면에 균일하게 작용한다. 이러한 상태는 모재가 응고하여 유동성이 없어질 때까지 계속 된다.
1) 모재의 수축량으로부터 섬유돌출 높이를 구하기 위해, 성형품 표면 부근의 섬유를 모델화하여 섬유돌출 높이를 계산하였다. 섬유돌출 높이는 성형압력이 클수록 작게 나타났으며, 실제의 성형품 표면의 섬유돌출 높이와 동일한 경향을 나타냈다. PVT 곡선을 고려하면, 섬유돌출 높이의 계산값과 측정값은 잘 일치함을 알 수 있었다.
3) GMT-Sheet 표면의 피복층은 표면거칠기의 개선에 효과가 있고, 표면으로부터 섬유돌출이 보이지 않았다. 피복층은 표면거칠기의 개선에 매우 효과가 있고, 단일재료인 폴리프로필렌 정도까지 표면거칠기를 개선하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유강화 플라스틱 복합재료는 모재수지의 특성에 따라 크게 무엇으로 대별될 수 있는가?
섬유강화 플라스틱 복합재료는 모재수지의 특성에 따라 크게 열경화성 복합재료와 열가소성 복합재료로 대별될 수있는데, 대부분의 플라스틱 복합재료의 추구 목적이 고강성 및 고내열성 소재 개발에 있기 때문에 열가소성 보다는 열경 화성 복합재료 개발에 상대적으로 많은 관심과 연구가 진행되어 왔다. 그러나 최근 플라스틱의 재활용 문제가 크게 대두되면서 폴리프로필렌(PP) 수지에 매트형의 유리섬유를 보강한 시트 형상으로 강도 보강 효과를 극대화하려는 새로운 형태의 열가소성 복합재료가 등장하였다.
모재의 PVT 특성을 고려하여, 성형품의 표면요철 생성과정과 섬유돌출 높이 변화를 규명하고, 폴리프로필렌 시트의 피복층에 의해서 GMT-Sheet 표면불량 현상인 표면거칠기가 어느 정도 개선되는지를 고찰하여 얻은 결과는?
1) 모재의 수축량으로부터 섬유돌출 높이를 구하기 위해, 성형품 표면 부근의 섬유를 모델화하여 섬유돌출 높이를 계산하였다. 섬유돌출 높이는 성형압력이 클수록 작게 나타났으며, 실제의 성형품 표면의 섬유돌출 높이와 동일한 경향을 나타냈다. PVT 곡선을 고려하면, 섬유돌출 높이의 계산값과 측정값은 잘 일치함을 알 수 있었다.
2) 성형압력을 높게 하여 모재의 비체적을 감소시켜 섬유돌출 높이를 작게 하는 것이 가능하다. 그리고 GMT-Sheet 성형품 표면에서 섬유돌출은 급냉실험에서 서냉실험보다약 22% 낮게 나타났다.
3) GMT-Sheet 표면의 피복층은 표면거칠기의 개선에 효과가 있고, 표면으로부터 섬유돌출이 보이지 않았다. 피복층은 표면거칠기의 개선에 매우 효과가 있고, 단일재료인 폴리프로필렌 정도까지 표면거칠기를 개선하였다.
GMT라 불리는 시트 형태의 열가소성 복합재료 특징과 어디에 사용되는가?
그러나 최근 플라스틱의 재활용 문제가 크게 대두되면서 폴리프로필렌(PP) 수지에 매트형의 유리섬유를 보강한 시트 형상으로 강도 보강 효과를 극대화하려는 새로운 형태의 열가소성 복합재료가 등장하였다. 즉 GMT(Glass Mat reinforced Thermoplastics)라 불리는 시트 형태의 열가소성 복합재료는 자동차의 경량화 및 각종 기능 부품의 요구 성능을 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라 열경화성 복합재료의 취약점으로 지적되고 있는 생산성, 리사이클성, 내충격성 등이 우수하기 때문에 대부분 자동차 내·외장의 주요 부품으로 사용되고 있다[1].
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