플라스틱 소재는 온도, 습도 및 자외선 등 다양한 환경의 영향으로 인해 기계적 물성변화가 심하기 때문에 체결부의 견고함이 느슨해지고 형태의 변형에 의해 부품간의 마찰 등을 유발하여 잡음이 발생하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 자동차 칵핏 모듈에 사용되는 다양한 플라스틱 소재에 대해 온도변화에 따른 동 특성시험을 통해 유리전이온도, 저장탄성계수, 손실계수 등을 측정하여 상온 및 열화조건에 따른 물성변화를 파악하였다. 시험결과, 온도가 높을수록 저장탄성계수는 감소하고 손실계수는 증가하는 경향을 나타내었다.
플라스틱 소재는 온도, 습도 및 자외선 등 다양한 환경의 영향으로 인해 기계적 물성변화가 심하기 때문에 체결부의 견고함이 느슨해지고 형태의 변형에 의해 부품간의 마찰 등을 유발하여 잡음이 발생하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 자동차 칵핏 모듈에 사용되는 다양한 플라스틱 소재에 대해 온도변화에 따른 동 특성시험을 통해 유리전이온도, 저장탄성계수, 손실계수 등을 측정하여 상온 및 열화조건에 따른 물성변화를 파악하였다. 시험결과, 온도가 높을수록 저장탄성계수는 감소하고 손실계수는 증가하는 경향을 나타내었다.
Engineering plastics are used in instrument panels, interior trim, and other vehicle applications, and the thermomechanical behaviors of plastic materials are strongly influenced by many environmental factors such as temperature, sunlight, and rain. As the material properties change, the mechanical ...
Engineering plastics are used in instrument panels, interior trim, and other vehicle applications, and the thermomechanical behaviors of plastic materials are strongly influenced by many environmental factors such as temperature, sunlight, and rain. As the material properties change, the mechanical parts create unexpected noise. In this study, the dynamic mechanical property changes of plastics used in automobiles are measured to investigate the temperature effects. Viscoelastic properties such as the glass transition temperature and storage modulus and loss factor under temperature and frequency sweeps were measured. The data were compared with the original ones before aging to analyze the behavior changes. It was found that as the temperature increased, the storage modulus decreased and the loss factor increased slightly.
Engineering plastics are used in instrument panels, interior trim, and other vehicle applications, and the thermomechanical behaviors of plastic materials are strongly influenced by many environmental factors such as temperature, sunlight, and rain. As the material properties change, the mechanical parts create unexpected noise. In this study, the dynamic mechanical property changes of plastics used in automobiles are measured to investigate the temperature effects. Viscoelastic properties such as the glass transition temperature and storage modulus and loss factor under temperature and frequency sweeps were measured. The data were compared with the original ones before aging to analyze the behavior changes. It was found that as the temperature increased, the storage modulus decreased and the loss factor increased slightly.
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문제 정의
최근 컴퓨터의 발전에 힘입어 유한요소법을 이용한 고분자 소재의 거동을 해석하는 것이 시도되고 있으나, 실제 고분자 부품 설계 시에 필요로 동적 물성에 대한 데이터는 부족한 것이 현실이다. 따라서, 본 연구에서는 고분자 소재에 대해 다양한 온도에서 30 일 동안 열노화에 의한 저장탄성계수 및 손실계수의 변화를 파악하였다.
제안 방법
따라서, 본 논문에서는 자동차 칵핏 모듈용으로 사용되는 플라스틱 소재에 대해 유리전이온도 (Glass transition temperature), 저장탄성계수(Storage modulus), 손실계수(Loss factor)와 같은 점탄성(Viscoelastic) 물성을 파악하여 칵핏 모듈설계(6) 및 해석 데이터로 활용하였고 소재열화와 BSR(Buzz, Squeak, Rattle) 소음차 이와의 상관관계를 분석 하였다.
1%로 하여 변형률 진폭변화에 따른 동특성을 파악하였다. 또한 플라스틱 소재의 유리전이온도를 파악하기 위해 30℃~200℃ 의 온도영역에서 시험을 수행하였다.
본 논문에서는 자동차 칵핏 모듈용으로 사용 되는 플라스틱 소재에 대해 상온 및 열화물성시험을 통해 유리전이온도, 저장탄성계수 및 손실계수 등점탄성 물성을 파악하였고 소재열화와 BSR 소음 차이와의 상관관계를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 각 소재에 대해 상온(25℃) 및 65℃, 75℃, 85℃의 온도와 70℃에서 자외선으로 30 일 동안 열화시킨 후 0.1Hz 에서 100Hz 까지 거동하는 저장탄성계수와 손실계수를 측정하였다.
시편에 대한 BSR 소음 및 표면 가속도 측정을 시작하기 전에 시편의 종류, 사이즈, 타격위치 및 예압(Preload)에 따른 측정의 일관성을 위해 마이크로폰 및 진동센서의 설치위치 및 시편의 장착방식을 선정하였다.
플라스틱 소재의 열적 거동을 대표적으로 나타내는 기계적 물성 중 하나가 유리전이 온도인데, 온도가 상승함에 따라 어느 특정온도에서 기계적 물성이 급격하게 줄어들어 더 이상 구조적 역할을 할 수 없는 온도를 나타낸다. 이러한 유리전이온도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있지만, 저장 탄성계수와 손실계수를 동시에 얻을 수 있는 방법(Dynamic mechanical analyzer)을 이용하여 인장모드 에서 1Hz 의 주파수를 이용, 저장탄성계수와 손실 계수가 급격히 변하는 변곡점을 유리전이온도로 선택하였다.
주파수 변화에 따른 특성을 파악하기 위해 1~100Hz 영역에서 하였으며, 변형률 변화는 정적 변형률 1%에 동적변형률은 0.1%로 하여 변형률 진폭변화에 따른 동특성을 파악하였다. 또한 플라스틱 소재의 유리전이온도를 파악하기 위해 30℃~200℃ 의 온도영역에서 시험을 수행하였다.
진동센서의 장착은 시편 사이즈(50mm×50mm)의 정중앙을 타격지점으로 정하여 정중앙에서 자유단 끝단 방향으로 10mm 거리에 단축 가속도 센서를 장착하였으며 마이크로폰의 위치는 소음을 명확히 측정하기 위해서는 근접측정이 이루어져야 하므로 소음발생 음원으로부터 100mm 되는 거리로 선정하였다.
플라스틱 소재의 열화에 따라 소음변화를 파악하기 위해 Fig. 8 과 같은 BSR 시편시험기를 이용 래틀(Rattle)소음과 스퀵(Squeak)소음을 측정하였다.
대상 데이터
시험에 이용된 소재는 자동차 칵핏 모듈용으로 사용되는 플라스틱 소재 5 종(ABS, ABS+PC, PPF, PPF-A, PPF-D)에 대해 Fig. 2 에서와 같은 동특성 시험기(Gabo Explex 500)를 이용하여 주파수와 온도변화에 따른 시험을 수행하였다.(9)
이론/모형
이상적인 선형 탄성고체에서 응력은 변형률에 비례하는 후크 법칙(Hooke's law)을 따르고, 이상적인 점성유체는 변형률의 시간변화율에 비례하는 뉴튼 법칙(Newton's law)을 따른다.
성능/효과
(1) ABS, ABS+PC 플라스틱 소재의 유리전이 온도는 약 140℃ 로 파악되었으며 상온에서와 85℃ 에서 30 일 열 노화시킨 후의 결과는 변함 없음을 알 수 있었다
(2) 플라스틱 소재에 대한 저장탄성계수와 손실 계수의 변화는 열화되었을 경우가 상온 때보다 저장탄성계수(강성)이 감소하고 손실 계수는 증가하는 경향이 나타나 열화에 의한 물성변화로 BSR 소음변화 발생이 예상되며, 열화에 의한 물성변화는 ABS+PC 소재가 가장 크고, PPF-A 및 PPF-D 소재가 가장 작게 나타나 이들 소재가 BSR 특성도 좋으리라 사료된다.
(3) BSR 시편시험기를 이용하여 상온 및 열화되었을 경우의 래틀과 스퀵소음을 측정한 결과, 85℃에서 20 일 열화하였을 경우, 래틀로 인한 소음은 저감되고 스퀵에 의한 소음은 증가하였다. 이는 소재 열화시험에서 알 수 있듯이 소재가 열화 될수록 저장 탄성계수는 상온에 비해 감소하고 손실계수는 증가하는 경향을 나타내어 래틀소음은 소재의 강성에 영향을 받고 스퀵소음은 소재의 댐핑에 의해 소음 변화가 발생되리라 예상된다.
이는 소재 열화시험에서 알 수 있듯이 소재가 열화 될수록 저장탄성계수는 상온에 비해 감소하고 손실계수는 증가 하는 경향을 나타내어 래틀소음은 소재의 강성에 영향을 받고 스퀵소음은 소재의 댐핑에 의해 소음변화가 발생되리라 예상된다. 또한, 열화물성변화가 적은 PPF-A 및 PPF-D 소재가 소음변화도 적게 나타나 초기 특성을 잘 유지함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자소재의 장점은 무엇인가?
고분자소재는 금속소재와 달리 신장성과 탄성 복원 능력이 우수하며 형상을 자유롭게 선택할 수 있고 또한, 배합을 조절하여 특성을 조정할 수있는 장점으로 인하여 여러 산업분야에 방진, 충격흡수 및 완충재료로서 널리 사용되고 있다. 이렇게 여러 분야에서 사용되고 있는 이유는 고분자 소재 자체가 내부 마찰에 의해 에너지를 소산시킬 수 있기 때문에 널리 사용되고 있으나 소재 특유의 부정형 분자구조로 인해 온도, 습도, 자외선 등 사용환경의 영향으로 인해 물성변화가 심해 초기 설계에 사용되던 기계적 물성이 원래의 값을 유지하지 못하고 변해 체결부의 견고함이 느슨해지고 형태의 변형에 의해 부품간의 마찰 등을 유발하여 잡음이 발생하게 된다.
방진, 충격흡수 및 완충재료로서 여러 산업분야에 고분재소재가 사용됨을 통해 발생하는 문제점은 무엇인가?
고분자소재는 금속소재와 달리 신장성과 탄성 복원 능력이 우수하며 형상을 자유롭게 선택할 수 있고 또한, 배합을 조절하여 특성을 조정할 수있는 장점으로 인하여 여러 산업분야에 방진, 충격흡수 및 완충재료로서 널리 사용되고 있다. 이렇게 여러 분야에서 사용되고 있는 이유는 고분자 소재 자체가 내부 마찰에 의해 에너지를 소산시킬 수 있기 때문에 널리 사용되고 있으나 소재 특유의 부정형 분자구조로 인해 온도, 습도, 자외선 등 사용환경의 영향으로 인해 물성변화가 심해 초기 설계에 사용되던 기계적 물성이 원래의 값을 유지하지 못하고 변해 체결부의 견고함이 느슨해지고 형태의 변형에 의해 부품간의 마찰 등을 유발하여 잡음이 발생하게 된다.(3,4,5)
BSR란 무엇인가?
BSR(Buzz, Squeak, Rattle)은 감성품질의 대표적 특성치로서, 시스템의 조립 이음새, 체결부 또는 마찰부위에서 발생하는 것으로 이음(異音) 또는 잡음이라고도 한다.(1.
참고문헌 (9)
Raj, S. and Ramana, K., 2001, "Automotive Body Structure Enhancement for Buzz, Squeak and Rattle," Society od Automotive Engineering, #04AC-67.
Farokh, K. and Bennt, R., 2001, "Squeak and Rattle- State of the Art and Beyond," Sound and Vibration.
Volynskii, A. L., Efimov, A. V. and Bakeev, N. F., 2007, "Structural Aspects of Physical Aging of Polymer Glasses." Polymer Science, Ser. C, Vol. 49, pp. 301-320.
Sullivan, J. L., Blais, E. L. J. and Houston, D., 1993, "Physical Aging in Creep Behavior of Thermosetting and Thermoplastic Composites," Composite Science and Technology, Vol. 47, pp. 389-403.
Bradshaw, R. D. and Brinson, L. C., 1997, "Physical Aging in Polymers and Polymer Composites : An Analysis and Method for Time-Aging Time Superposition," Polymer Engineering and Science, Vol. 37, pp. 31-44.
Kim, H. J., Cho, H., Son, Y. T., Kim, H. K., Kim, H. Y. and Suh, M. Y., 2010, "Derivation of Optimal Design of Cockpit Module Considering Vibration and Heat-Resistance Characteristics," Trans. of the KSME (B), Vol. 24, No. 6, pp. 1219-1224.
Ferry, J. D., 1970, Viscoelastic Properties of Polymer, 2nd ed., John Wiley Interscience, New York.
Aklonis, J. J. and. Macknight, W. J., 1983, Introduction of Polymer Viscoelasticity, 2nd ed., Wiley- Science Publication, New York.
ASTM D4473-0, Standard Test Method for Plastics : Dynamic Mechanical Properties.
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