[논문]고압 RTM 공정에서 고속 수지 유동에 의한 섬유 보강재의 변형 거동에 관한 연구

안종무; 성동기; 이원오; 엄문광; 최진호

doi:10.7234/composres.2014.27.1.031

고압 RTM 공정에서 고속 수지 유동에 의한 섬유 보강재의 변형 거동에 관한 연구
A Study on Slip Behavior of Fiber Preform by High Speed Resin Flow in High Pressure Resin Transfer Molding 원문보기

Composites research = 복합재료, v.27 no.1, 2014년, pp.31 - 36

안종무 (한국기계연구원 부설 재료연구소 복합재료연구센터) , 성동기 (한국기계연구원 부설 재료연구소 복합재료연구센터) , 이원오 (한국기계연구원 부설 재료연구소 복합재료연구센터) , 엄문광 (한국기계연구원 부설 재료연구소 복합재료연구센터) , 최진호 (국립 경상대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 고압 RTM 공정에서 고속 수지 유동에 의한 섬유 보강재의 변형 거동에 관한 연구를 진행하였다. 이를 위해 섬유와 금형의 마찰계수 측정 장치와 고압 RTM 공정을 모사하여 preform 변형을 평가하는 장치를 구축하였다. 마찰계수 측정 장치를 통해 금형-섬유 간 Coulomb 마찰계수와 수력학적 마찰 계수를 측정하였고, preform 변형 평가 장치를 통해 preform의 변형이 발생할 때의 유체에 의해 작용하는 외력의 힘을 측정하였다. 마찰계수를 이용하여 마찰력을 구하고 외력과 비교하여 직물의 슬립(slip) 여부를 판별할 수 있었다. 유체에 의해 섬유에 작용하는 외력이 섬유와 금형 사이의 마찰력보다 커지게 되면 직물이 움직이는 것으로 관찰 되었으며, 이는 섬유의 체적률과 마찰계수에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the slip behavior of composite fabrics by high speed resin flow in high pressure resin transfer molding. In order to observe the fiber deformation behavior, we constructed the measuring equipment for friction coefficient between fiber and mold, and the monitoring system for deformation of fiber preform in high-pressure RTM process. Coulomb friction coefficient and hydrodynamic friction coefficient between fiber preform and mold were measured and the external force induced by fluid flow causing the deformation of fiber preform was measured. Friction force calculated by friction coefficient and the external force upon fiber deformation were compared, which showed that preform deformation occurred when the external force was bigger than the friction force. The slip behavior of the fiber preform was mainly influenced by the volume fraction of fiber preform and the friction coefficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고압 RTM 공정에서 고속 수지 유동에 의한 복합재료 직물의 슬립 거동에 관한 연구를 하였으며 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
두 번째 실험은 실제 공정을 간략하 모사하여 고압 RTM 공정에서 수지가 흐를 때 preform의 변형을 관찰 할 수 있는 장치를 구축하여 특정 공정 조건에서의 변형 유무를 판별하였다. 이를 통해 최종적으로 프리폼의 형상과 공정 조건에 따른 섬유보강재의 변형 거동에 관한 연구를 수행하였으며 이를 고압 RTM 공정 최적화에 활용하고자 한다.
복합재로 자동차를 양산하기 위해서는 고속 고압 공정이 필요한데, 고압 RTM 공정에서 수지가 주입 되면 그 때 직물에 주름 혹은 슬립 현상이 발생할 수 있는데 주름 혹은 슬립현상은 제품 물성 저하 및 결함을 야기시킬 수 있다[7]. 이에 본 논문에서 고속으로 수지가 주입되는 상황에서 직물의 주름 및 슬립 발생을 예측해보고자 한다. 두 가지의 실험을 진행하였고 첫 번째 실험은 직물의 변형의 발생을 예측하기 위한 사전 연구로서 수지가 채워지는 상황에서의 마찰을 고려할 수 있는 수력학적 마찰계수 측정을 위해 장치를 구축하고 이를 이용에 마찰계수를 측정하였다.

가설 설정

마찰계수를 측정하기 위한 simple slip criteria[8]를 살펴보게 되면 Fig. 1과 같이 금형과 적층된 섬유 사이에 유체가 흐를 때 유동압이 발생을 하는데 이 유동압이 직물에 작용하는 마찰력보다 큰 경우 슬립이 발생한다고 가정하고, 이현상을 RTM 공정 해석 시 슬립 판별 조건으로 이용했다[9].

제안 방법

구축된 장비를 통해 다양한 Hersey number에 따른 마찰계수를 측정하였다. 사용된 직물은 탄소섬유(0° Carbon *Panex 35 50K UD150, Zoltek, 미국)이고, 실리콘 오일(KF-96H-10000CS, ShinEtsu, 일본)을 사용하였고, 속도와 수직항력을 변화하며 Table 1과 같은 조건으로 실험을 진행하였다.
구축된 장비를 통해 앞서 마찰계수를 측정할 때 사용했던 재료와 동일한 섬유와 실리콘오일을 사용하였고 섬유의 배열방향과 점도는 일정하게 고정시키고, 유동속도와 섬유 체적률(V_f)을 각각 변화시켜 가며 Table 2와 같은 조건으로 실험을 진행하였다.
이에 본 논문에서 고속으로 수지가 주입되는 상황에서 직물의 주름 및 슬립 발생을 예측해보고자 한다. 두 가지의 실험을 진행하였고 첫 번째 실험은 직물의 변형의 발생을 예측하기 위한 사전 연구로서 수지가 채워지는 상황에서의 마찰을 고려할 수 있는 수력학적 마찰계수 측정을 위해 장치를 구축하고 이를 이용에 마찰계수를 측정하였다. 두 번째 실험은 실제 공정을 간략하 모사하여 고압 RTM 공정에서 수지가 흐를 때 preform의 변형을 관찰 할 수 있는 장치를 구축하여 특정 공정 조건에서의 변형 유무를 판별하였다.
두 가지의 실험을 진행하였고 첫 번째 실험은 직물의 변형의 발생을 예측하기 위한 사전 연구로서 수지가 채워지는 상황에서의 마찰을 고려할 수 있는 수력학적 마찰계수 측정을 위해 장치를 구축하고 이를 이용에 마찰계수를 측정하였다. 두 번째 실험은 실제 공정을 간략하 모사하여 고압 RTM 공정에서 수지가 흐를 때 preform의 변형을 관찰 할 수 있는 장치를 구축하여 특정 공정 조건에서의 변형 유무를 판별하였다. 이를 통해 최종적으로 프리폼의 형상과 공정 조건에 따른 섬유보강재의 변형 거동에 관한 연구를 수행하였으며 이를 고압 RTM 공정 최적화에 활용하고자 한다.
마찰계수는 Coulomb 마찰계수와 수력학적 마찰계수 두 가지의 값을 측정했다. Coulomb 마찰계수는 금형-섬유 간의 마찰계수를 측정하였으며 그 물체가 가지고 있는 고유의 상수 값이기 때문에 물리적인 조건이 변한다고 해서 변하는 값이 아니다.
속도(U)는 스텝모터를 이용하여 일정한 속도가 유지될 수 있도록 제작하였으며 섬유의 수평방향 움직임에 구속을 주기 위해 리니어 가이드와 볼 스크류를 설치하였다. 섬유에 작용하는 수직방향 하중(N)을 조절하기 위해 공압 실린더를 선택하였으며 섬유에 작용하는 수평방향 힘(f)을 측정하기 위해 마찰력 측정 프레임에 로드셀을 장착하여 실시간으로 힘을 측정 할 수 있도록 설계하였다. Fig.
실제 공정을 간략하게 모사한 프리폼 변형 평가장치는 Fig. 6과 Fig. 7에서 보여주는 것과 같이 금형 사이에 섬유를 적층해 놓고 실제 수지와 유사한 점도를 가지는 실리콘 오일을 고압으로 흘려줄 때 발생하는 실리콘오일의 유동압에 의한 섬유의 변형을 평가 할 수 있게 설계하였다. 장치는 동일한 유속으로 실리콘 오일을 공급하기 위해 UTM 장치(Instron 5882, Instron, 미국)와 공압실린더(WCL FA100-80, KCC정공, 한국)를 이용했고, UTM의 속도조절 기능을 이용함으로써 원하는 유속을 조절 할 수 있었다.
7에서 보여주는 것과 같이 금형 사이에 섬유를 적층해 놓고 실제 수지와 유사한 점도를 가지는 실리콘 오일을 고압으로 흘려줄 때 발생하는 실리콘오일의 유동압에 의한 섬유의 변형을 평가 할 수 있게 설계하였다. 장치는 동일한 유속으로 실리콘 오일을 공급하기 위해 UTM 장치(Instron 5882, Instron, 미국)와 공압실린더(WCL FA100-80, KCC정공, 한국)를 이용했고, UTM의 속도조절 기능을 이용함으로써 원하는 유속을 조절 할 수 있었다. 정확한 압력을 측정하기 위해서 금형 내부에 압력센서(PA21Y-30bar, Keller AG, 스위스)를 설치했고 DAQ 장치(USB-6009 14-bit, National Instruments, 미국)를 이용해 내부 압력을 실시간으로 기록했으며, 두 대의 디지털 카메라를 이용해 측면과 상부의 프리폼 변형을 동시에 관찰하고 기록할 수 있게 제작하였다.
장치는 동일한 유속으로 실리콘 오일을 공급하기 위해 UTM 장치(Instron 5882, Instron, 미국)와 공압실린더(WCL FA100-80, KCC정공, 한국)를 이용했고, UTM의 속도조절 기능을 이용함으로써 원하는 유속을 조절 할 수 있었다. 정확한 압력을 측정하기 위해서 금형 내부에 압력센서(PA21Y-30bar, Keller AG, 스위스)를 설치했고 DAQ 장치(USB-6009 14-bit, National Instruments, 미국)를 이용해 내부 압력을 실시간으로 기록했으며, 두 대의 디지털 카메라를 이용해 측면과 상부의 프리폼 변형을 동시에 관찰하고 기록할 수 있게 제작하였다. 제작한 금형의 측면과 윗면에 아크릴 블록을 사용하여 육안으로 관측이 가능하게 하였고, 내부에 고압이 걸리기 때문에 금속 가이드를 설치하여 고압에 버틸 수 있게 하였다.
정확한 압력을 측정하기 위해서 금형 내부에 압력센서(PA21Y-30bar, Keller AG, 스위스)를 설치했고 DAQ 장치(USB-6009 14-bit, National Instruments, 미국)를 이용해 내부 압력을 실시간으로 기록했으며, 두 대의 디지털 카메라를 이용해 측면과 상부의 프리폼 변형을 동시에 관찰하고 기록할 수 있게 제작하였다. 제작한 금형의 측면과 윗면에 아크릴 블록을 사용하여 육안으로 관측이 가능하게 하였고, 내부에 고압이 걸리기 때문에 금속 가이드를 설치하여 고압에 버틸 수 있게 하였다. 실험 장치의 실제 사진을 Fig.

대상 데이터

사용된 직물은 탄소섬유(0° Carbon *Panex 35 50K UD150, Zoltek, 미국)이고, 실리콘 오일(KF-96H-10000CS, ShinEtsu, 일본)을 사용하였고, 속도와 수직항력을 변화하며 Table 1과 같은 조건으로 실험을 진행하였다.

성능/효과

10(a)는 유량에 따른 프리폼 변형 발생 압력을 나타낸 그래프이다. 마찰계수는 금형-섬유 간에 고유한 상수 값이기 때문에 동일한 조건에서 유량에는 상관없이 일정한 값이 나와야 하는데 실험 결과를 보게 되면 유량에 상관없이 섬유체적률이 일정하면 거의 유사한 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 섬유체적률 값이 증가를 할수록 같은 두께에서 작용하는 수직항력이 증가하기 때문에 섬유-금형 사이에 마찰력이 증가한다.
마찰력은 식 (2)를 사용하여 각각의 값을 구했고 섬유 변형에 필요한 외력은 압력센서를 이용해 측정한 섬유 변형이 시작되는 순간의 압력에 섬유 단면적을 곱해준 값을 사용하였다. 마찰력이 섬유 변형 외력보다 큰 경우 프리폼에 아무런 변형이 발생하지 않고, 마찰력이 섬유 변형 외력보다 작은 경우 프리폼이 변형 되는 것이 관찰되었다. 섬유체적률 40%의 경우 모든 유량 조건에서 유동외력이 마찰력보다 크기 때문에 모든 조건에서 변형이 발생하였고, 50%의 경우는 0.
프리폼이 변형하는 경우, 동일 유량에서 섬유체적률이 증가함에 따라 프리폼을 변형시키는 외력이 증가를 하고, 동일 섬유체적률에서는 유량이 증가할수록 프리폼 변형이 발생하는 시간이 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

마찰계수 값은 재료의 고유한 상수 값이기 때문에 동일한 조건에서는 항상 일정한 값을 가진다. 실험 조건에 따라 마찰계수에 의한 한계마찰력에 유체의 유동에 의한 힘이 도달하는지의 여부에 따라 프리폼의 변형 여부가 결정이 되고, 프리폼의 변형이 없는 조건에서는 고압 RTM 공정이 가능할 것으로 판단된다.
향후 추가적인 연구를 통하여 프리폼의 변형 형태(미끄러짐, 주름 등)에 따라 구분하여 실험을 진행하고, 이 결과를 이용하여 고압 RTM 공정의 성형 시간 및 성형품 성능확보를 위한 최적화가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재로 제품을 생산할 경우, 제품의 단가와 생산성, 물성을 고려해 볼 때 어떤 공정이 가장 적합한가?	복합재로 제품을 생산할 경우, 제품의 단가와 생산성, 물성을 고려해 볼 때 RTM(Resin transfer molding) 공정이 가장 적합하다. 오토클레이브 성형(Autoclave molding)의 경우는 물성이 가장 좋지만 단가가 비싸고 제작 공정이 오래 걸리기 때문에 주로 항공기 제조 시에 많이 쓰이고 있다.
	RTM 공정의 시간 소요 문제를 해결하기 위해 독일의 한 회사에서는 어떤 공정을 개발하였는가?	RTM 공정은 섬유 프리폼을 금형에 넣고 수지를 주입하고 경화 시켜 복합재를 제조하는 공정인데 수지 주입 및 경화 부분에서 시간이 많이 소요가 된다[4]. 이를 해결하기 위해 외국에서는 이미 많은 연구가 진행되었고, 독일의 한 회사에서는 High pressure RTM이라는 고속 고압 대량생산에 적합한 공정을 개발하였다[5]. 이는 보통 RTM 공정과 유사한 방법으로 진행되지만, 주로 한 점으로 주입하는 일반적 공정과는 다르게 금형을 일부만 닫은 상태에서 고압으로 주입하고 2차적으로 금형에 압력을 가하여 속경화 시킴으로써 공정시간을 많이 단축할 수 있다.
	자동차를 고효율로 만들기 위해서 가장 좋은 방법은?	지구 온난화 문제에 따른 이산화탄소 배출 문제와 배기가스에 대한 규제 강화로 자동차 산업 역시 고효율 친환경 자동차 개발에 관심을 기울이고 있다. 자동차를 고효율로 만들기 위해서는 무게 절감을 통한 연비 향상이 가장 좋은 방법이다. 승용차의 무게를 10%만 감소시키게 되면 연비, 가속, 제동정지거리, 조향, 내구성, 배기가스 등 많은 부분에서 이득을 볼수 있다.

참고문헌 (11)

Kim, K.S., Bae, K.M., Oh, S.Y., Seo, M.K., Kang, C.G., and Park, S.J., "Trend of Carbon Fiber-reinforced Composites for Lightweight Vehicles," Elastomers and Composites, Vol. 47, No. 1, 2012, pp. 65-74.

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Jung, J.W., Kim, S.H., Kim, S.H., Park, J.K., and Lee, W.I., "Research on the Development of the Properties of PLA Composites for Automotive Interior Parts", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 24, No. 3, 2011, pp. 1-5.

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Gong, J.D., "A Report of Comprehensive Technological Development of Innovative, Next-Generation, Low-Pollution Vehicles Part I," Auto Journal, Vol. 31, No. 3, 2009, pp. 76-80.
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Daniels, W.W., "Relationship Between Fiber Properties and Fabric Wrinkle Recovery," Textile Research Journal, Vol. 30, No. 9, 1961, pp. 656-661.
Joakim Schon, "Coefficient of Friction of Composite Delamination Surfaces," Wear, Vol. 237, No. 1, 2000, pp. 77-89.

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Joakim Schon, "Coefficient of Friction and Wear of a Carbon Fiber Epoxy Matrix Composite," Wear, Vol. 257, No. 3-4, 2004, pp. 395-407.

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Gorczyca Jennifer, A Study of Frictional Behavior of a Plainweave Fabric during the Thermostamping Process, Ph.D. Thesis, University of Massachusetts Lowell, USA, 2004.
Rauch, J.Y., Roisselot, C., and Martin, N., "Structure and Coposition of TiAlN Thin Films Sputter Deposited Using a Composite Metallic Target," Surface and Coatings Technology, Vol. 157, No. 2-3, 2002, pp. 138-143.

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표제어: PCR

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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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