[논문]인라인 컴파운딩 기술을 이용한 장섬유강화 플라스틱 자동차 언더커버의 제조에 관한 연구

이규세; 이경식

doi:10.7234/composres.2017.30.6.399

문제 정의

시제품의 강도를 위해서는 유리섬유 함량을 높여야 하지만 경량화를 위해서는 함량을 낮춰야 함을 알 수 있었다. 따라서 적정강도를 유지하면서 경량화율을 높이기 위해 기존 제품의 두께를 0.5 mm 줄이는 방안을 검토하였다. 두께를 줄임으로 인한 부피 감소는 약 14%이다.
제작된 시제품의 보강섬유 잔존길이 및 분포도를 평가하여 성형성을 검토하고, 시제품으로부터 채취한 시험편으로 굴곡강성 및 강도, 충격강도 등의 기계적 성질을 조사한다. 또한 자동차 내장부품 내구수명 평가 방법인 KLT(Key Life Test)법으로 내구성을 평가함으로써 대형 자동차 부품에 대한 ILC 성형공정의 적용 가능성을 검토하고자 한다.
본 연구를 통해 ILC 성형 기술을 이용하여 LFT를 효율적으로 자동차부품에 적용할 수 있는 지 검증하였고, 자동차내장부품 특성상 원가, 디자인 자유도를 유지하면서 물성을 획기적으로 올릴 수 있는 가능성도 확인하였다.
본 연구에서는 상용중인 다양한 LFT 성형기술 중에서 공정의 일체화 및 LFT의 주요 물성 영향 인자인 보강섬유의 잔존 길이에 가장 유리하고, 제품의 디자인 측면에서 가장 유연한 특성을 가진 ILC 성형공정을 이용하여 대형 자동차 부품인 언더커버 시제품을 제작하고 그 성능을 평가하여 ILC 공정의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위하여 ILC 공정에 맞게 LFT를 구성하는 소재를 최적화하고, 대상 제품으로 선정한 자동차 언더커버에 대한 사출성형해석과 경량화를 고려하여 시작 금형을 제작하고 언더커버 시제품을 제작한다.

제안 방법

ILC 기술을 이용하여 대형 자동차부품인 언더커버를 LFT 소재로 시제품을 제작하고 기계적 성질 및 성능을 평가하였다.
경량화를 위해 두께를 감소시켜 성형 가능성을 확인 한 성형해석 결과와 1차 시제품으로 평가한 기계적 물성을 바탕으로 두께를 줄이고, 유리섬유 함량을 예견된 20%를 기준으로 재차 검증을 위해 수정된 금형을 이용하여 2차 시제품을 제작하였다. 제품 두께 2.
선정된 언더커버는 대형 자동차 부품이므로 사출 성형을 위한 최적 금형설계를 위하여 먼저 Mold Flow를 이용하여 유동해석을 수행하였다. 게이트의 수와 위치를 변화시키면서 6개의 조합에 대한 유동해석을 수행하여 sink mark, 충진시간, 압력, 체적수축율 및 변형 등을 평가한 결과 게이트 수는 5개로 하고 위치는 Fig.
시제품에서 잔존 유리 섬유 길이를 살펴보기 위한 ash test를 진행하였다. Fig.
크래쉬패드에 적용하는 실험기준인 Key Life Test(KLT) 실험법에 근거하여 언더커버 제품에 맞게 일부 변형하였다. 실제 시험의 수행은 MAST(Multi Axial Simulation Tester)와 환경 챔버를 이용하여 6축 재현 내구시험을 수행하는 방식으로 실시되었다. Fig.
Lee[3] 등은 자동차부품으로 많이 사용되는 유리섬유 강화 폴리프로필렌(PP)의 기계적성질을 최적화하는 원료의 배합을 구하였다. 실험인자로는 Table 1과 같이 기본 수지 종류, 유리섬유 함량, 첨가재인 고무의 종류, 상용화제 종류 등 4가지에 각각 세 수준의 조합 중 9가지의 조합을 다구찌 실험계획법을 활용하여 구하고 각 조합에 대한 인장강도, 굴곡강도 및 충격강도를 시험한 결과 최적의 원료 배합은 Table 2와 같다고 발표하였다. 본 연구에서는 Lee[3] 등의 결과를 활용하여 언더커버 시제품을 제작하였다.
완성된 시작 금형과 공정 프로세스를 적용하여 1차 시제품 트라이아웃을 진행하였다. 시제품 제작을 위해 사용한 사출기는 독일 Krauss Maffei사의 2300톤급 복합 성형기이다.
본 연구에서는 상용중인 다양한 LFT 성형기술 중에서 공정의 일체화 및 LFT의 주요 물성 영향 인자인 보강섬유의 잔존 길이에 가장 유리하고, 제품의 디자인 측면에서 가장 유연한 특성을 가진 ILC 성형공정을 이용하여 대형 자동차 부품인 언더커버 시제품을 제작하고 그 성능을 평가하여 ILC 공정의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위하여 ILC 공정에 맞게 LFT를 구성하는 소재를 최적화하고, 대상 제품으로 선정한 자동차 언더커버에 대한 사출성형해석과 경량화를 고려하여 시작 금형을 제작하고 언더커버 시제품을 제작한다. 제작된 시제품의 보강섬유 잔존길이 및 분포도를 평가하여 성형성을 검토하고, 시제품으로부터 채취한 시험편으로 굴곡강성 및 강도, 충격강도 등의 기계적 성질을 조사한다.
이를 위하여 ILC 공정에 맞게 LFT를 구성하는 소재를 최적화하고, 대상 제품으로 선정한 자동차 언더커버에 대한 사출성형해석과 경량화를 고려하여 시작 금형을 제작하고 언더커버 시제품을 제작한다. 제작된 시제품의 보강섬유 잔존길이 및 분포도를 평가하여 성형성을 검토하고, 시제품으로부터 채취한 시험편으로 굴곡강성 및 강도, 충격강도 등의 기계적 성질을 조사한다. 또한 자동차 내장부품 내구수명 평가 방법인 KLT(Key Life Test)법으로 내구성을 평가함으로써 대형 자동차 부품에 대한 ILC 성형공정의 적용 가능성을 검토하고자 한다.
차량의 주행시 발생할 수 있는 변형에 대한 예측을 위해 내구수명시험을 수행하였다. 크래쉬패드에 적용하는 실험기준인 Key Life Test(KLT) 실험법에 근거하여 언더커버 제품에 맞게 일부 변형하였다.
차량의 주행시 발생할 수 있는 변형에 대한 예측을 위해 내구수명시험을 수행하였다. 크래쉬패드에 적용하는 실험기준인 Key Life Test(KLT) 실험법에 근거하여 언더커버 제품에 맞게 일부 변형하였다. 실제 시험의 수행은 MAST(Multi Axial Simulation Tester)와 환경 챔버를 이용하여 6축 재현 내구시험을 수행하는 방식으로 실시되었다.

대상 데이터

선정된 언더커버는 대형 자동차 부품이므로 사출 성형을 위한 최적 금형설계를 위하여 먼저 Mold Flow를 이용하여 유동해석을 수행하였다. 게이트의 수와 위치를 변화시키면서 6개의 조합에 대한 유동해석을 수행하여 sink mark, 충진시간, 압력, 체적수축율 및 변형 등을 평가한 결과 게이트 수는 5개로 하고 위치는 Fig. 1과 같이 선정하였다. 그림 중 5개의 짙은 원이 게이트 위치이고 번호는 뒤에 설명할 잔존길이 평가를 위해 시편을 채취한 위치이다.
완성된 시작 금형과 공정 프로세스를 적용하여 1차 시제품 트라이아웃을 진행하였다. 시제품 제작을 위해 사용한 사출기는 독일 Krauss Maffei사의 2300톤급 복합 성형기이다. 유리섬유 함량을 0%부터 30%까지 변화시킨 시제품의 경량화율을 Table 3에 표시하였다.

데이터처리

시제품에서 잔존 유리 섬유 길이를 살펴보기 위한 ash test를 진행하였다. Fig. 1에서 언급한 바 있는 주요 6개 지점에서 채취한 시편을 연소한 후, 잔존하는 유리 섬유를 대상으로 길이를 측정하여 그 평균값과 표준편차 값을 구했다. 잔존 섬유의 길이는 식 (1)을 이용하여 계산하였다[4].

이론/모형

실험인자로는 Table 1과 같이 기본 수지 종류, 유리섬유 함량, 첨가재인 고무의 종류, 상용화제 종류 등 4가지에 각각 세 수준의 조합 중 9가지의 조합을 다구찌 실험계획법을 활용하여 구하고 각 조합에 대한 인장강도, 굴곡강도 및 충격강도를 시험한 결과 최적의 원료 배합은 Table 2와 같다고 발표하였다. 본 연구에서는 Lee[3] 등의 결과를 활용하여 언더커버 시제품을 제작하였다.

성능/효과

PP+GF 20%로 만들어진 최종 시제품의 기계적 물성에 대해 평가한 결과, 굴곡탄성률은 2,600~2,800 MPa, 충격강도는 23 kg·cm/cm로 언더커버에 요구되는 강성과 충격치를 만족하였다.
PP+GF 20%로 만들어진 최종 시제품의 기계적 물성에 대해 평가한 결과, 굴곡탄성률은 2,600~2,800 MPa, 충격강도는 23 kg·cm/cm로 언더커버에 요구되는 강성과 충격치를 만족하였다. 경량화를 위해 제품 두께는 기존 2.5 mm에서 2.0 mm로 낮추어 체적을 2,034 cm³에서 1,762 cm³로 약 14% 박막화하였고, 이를 통해 기존 제품대비 20% 경량화하였다.
기계적 물성을 좌우하는 보강 섬유 잔존 길이는 2~12 mm를 보였으며, 평균 3 mm를 유지하였다. 잔존 섬유 무게비함량은 20.
전체 충진을 위한 시간이 2.10초가 필요했던 것에 비하여 수정에서는 2.02초로 다소간 시간 단축은 되었으나 전체 부피가 14% 감소한 것에 비해서는 감소폭이 적게 나타났다. 이는 전체 부피가 감소하는 대신 수지가 유동하는 경로가 좁아지고 금형 내부에서의 수지 점도가 상승하게 된 것이 원인으로 여겨진다.
경량화를 위해 두께를 감소시켜 성형 가능성을 확인 한 성형해석 결과와 1차 시제품으로 평가한 기계적 물성을 바탕으로 두께를 줄이고, 유리섬유 함량을 예견된 20%를 기준으로 재차 검증을 위해 수정된 금형을 이용하여 2차 시제품을 제작하였다. 제품 두께 2.0 mm, 유리섬유 함량을 15, 20, 25%로 변화시킨 시제품의 중량은 1차 시제품 대비 6~7% 가벼워졌으며, 초기 설계중량 대비 18~23% 가벼워져 약 20%의 경량화를 이루었다.
이는 전체 부피가 감소하는 대신 수지가 유동하는 경로가 좁아지고 금형 내부에서의 수지 점도가 상승하게 된 것이 원인으로 여겨진다. 제품 성형 시 금형 내 압력에 대해서는 기존 130.8 MPa 대비 133.7 MPa로 다소 높아지는 결과를 얻었다. 앞서 충진 시간에서 기술한 바와 같이 금형 내 유동을 저해하는 요인이 발생했기 때문에 증가한 것이며 다만, 전체적인 압력 분포는 고르게 나타났다.
3번 위치의 경우에는 10 mm 정도로 각 게이트에서 주입된 용융수지가 서로 만나는 웰드 라인 부위이자 전단계수가 가장 높은 곳으로, 높은 전단계수가 강한 농도구배를 만들면서 오히려 섬유의 잔존을 도와 준 것으로 판단되며, 6번 위치의 경우 약 3 mm 정도로 이 곳 또한 웰드 라인 부근으로 이미 어느 정도 파쇄가 진행된 후 섬유 클러스터를 이루는 곳이기에 그럴 것으로 추측된다. 조사된 부위의 결과를 토대로 판단할 때, 잔존 섬유의 길이는 최대 12~최소 2 mm로 이는 Kumar[4]가 발표한 사출성형 유리섬유강화 PP 복합재의 섬유 임계 길이 1.3~3.1 mm의 범위를 대부분 상회한 값으로 기존의 사출성형공정기술과 비교했을 때, 본 연구에서 적용한 ILC 공정기술이 보강섬유 파쇄를 최소화할 수 있음을 보여주는 결과이며, Biron[5]이 정의한 LFT의 길이 2 mm 이상 유지한 것을 확인할 수 있었다.
8에 표시한 토크 점검위치에서의 토크 경감율을 나타낸다. 표에서 보듯이 전 위치에서 60% 이내의 경감율을 보이고 있어 만족한 수준임을 확인하였다.
표에서 알 수 있듯이 유리섬유 함량이 증가할수록 경량화율은 감소한다. 시제품의 강도를 위해서는 유리섬유 함량을 높여야 하지만 경량화를 위해서는 함량을 낮춰야 함을 알 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ILC 성형공정의 특성은 무엇인가?	연구에서는 상용중인 다양한 LFT 성형기술 중에서 공정의 일체화 및 LFT의 주요 물성 영향 인자인 보강섬유의 잔존 길이에 가장 유리하고, 제품의 디자인 측면에서 가장 유연한 특성을 가진 ILC 성형공정을 이용하여 대형 자동차 부품인 언더커버 시제품을 제작하고 그 성능을 평가하여 ILC 공정의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위하여 ILC 공정에 맞게 LFT를 구성하는 소재를 최적화하고, 대상 제품으로 선정한 자동차 언더커버에 대한 사출성형해석과 경량화를 고려하여 시작 금형을 제작하고 언더커버 시제품을 제작한다.
	장섬유강화 열가소성플라스틱의 장점은 무엇인가?	섬유강화 복합소재 중 자동차 부품용으로 가장 주목을 받는 소재가 장섬유강화 열가소성플라스틱(LFT)이다. LFT는 일반 플라스틱의 단점인 기계적 강도, 치수안정성을 상당히 개선할 수 있고, 차량 경량화와 직접 관련 있는 비강성, 비강도 측면에서도 금속이나 일반 플라스틱에 비해 우수하다[2]. 자동차 경량화 요구에 맞춰 LFT의 사용은 더욱 더 증가할 것으로 예상되나 지금까지 상업화된 LFT 성형기술로는 다양한 요구조건에 부합하는데 한계가 있다.
	자동차에 사용되는 플라스틱의 단점은 무엇인가?	또한, 복합화가 쉽고 내마모성이 좋으며 착색성이 있어 마감용으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다[1]. 반면 금속재료에 비해 강도와 강성이 낮아 이런 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 섬유강화 복합소재이다. 섬유강화 복합소재 중 자동차 부품용으로 가장 주목을 받는 소재가 장섬유강화 열가소성플라스틱(LFT)이다.

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