[논문]자동차용 탄소 연속섬유 복합재 선루프 프레임의 개발에 대한 연구

김진봉; 김경덕; 김성진; 신동완; 김덕기

doi:10.7467/ksae.2017.25.3.350

[국내논문] 자동차용 탄소 연속섬유 복합재 선루프 프레임의 개발에 대한 연구
Development of Carbon Continuous-fiber Composite Frame for Automotive Sun-roof Assembly 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.25 no.3, 2017년, pp.350 - 359

김진봉 (재료연구소 실용화연구단) , 김경덕 (재료연구소 복합재료연구본부) , 김성진 (베바스토동희 기술연구소) , 신동완 (베바스토동희 기술연구소) , 김덕기 (삼우기업 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a new holistic development approach for the carbon continuous-fiber composite frame of an automotive sunroof assembly. The original steel frame has been designed to get higher bending stiffness with its corrugated cross-sectional shape. The new approach uses the prepregs of a fast cure epoxy and PCM manufacturing processing. For higher productivity, the new frames feature a very simple plat cross sectional shape but achieve high bending stiffness through the laminate design. The sandwich structure with a PET foam core was presented. The frames were made of carbon UD laminae covered single carbon fabric on the outer surfaces. The fabrics provide torsional stiffness and also hold the carbon UD fibers floating in the low viscous epoxy resin of prepregs at the curing temperature during processing. The final product yields approximately 18 % savings in weight compared with the original.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기본설계 단계와 상세설계 단계로 이루어진 연속섬유 탄소 복합재 Frame B의 개발을 통하여 새로운 소재의 선정/형상설계/제조공정/구조해석(적층설계)/시제품 검증을 포함한 전주기적 개발기술을 보여주고자 한다.
본 연구에서는 기존의 철판으로 제작되던 자동차용 일반 선루프 크로스빔(Frame B, 중량 = 0.72 kg)을 경량 소재인 탄소섬유 복합재 적층판으로 대체하기 위한 연구를 수행하였다. 일반 선루프는 크게 Glass panel assembly, Deflector assembly, Sunshade assembly, Frame sub assembly로 구성된다.
본 연구에서는기존의 철판으로 제작되던 자동차용 선루프 크로스빔(Frame B)을 경량 소재인 연속섬유 탄소 복합재로 대체 개발하기 위한 새로운 소재의 선정/형상설계/제조공정/구조해석(적층설계)/시제품 검증을 포함한 전주기적 개발기술을 제시하였으며, 개발 절차중에 아래와 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

두 종류의 복합재 소재 및 폼 소재의 물성은 *Elastic, type=Lamina를 사용하여 소재의 직교이방성을 표현하였다.¹³⁾ 단, 직교 이방성의 물성 중에서 두 종류의 복합재 소재의 G₁₃ 및 G₂₃는 실험으로 얻은 G₁₂과 같다고 가정하였으며, 폼 소재는 세 방향의 전단강성 모두 Table 2의 전단강성 값을 동일하게 적용하였다. 해석모델의 경계조건은 Fig.

제안 방법

1) 차량용 부품에 적용하기 위해서 속경화용 에폭시 복합재 소재를 사용한 PCM 공법을 활용하여, PET foam core를 적용한 샌드위치 구조의 새로운 복합재 Frame B를 개발하였다.
14) 본 연구에서는 유리한 적층각을 결정하기 위해 Fig. 10과 같이 적층판의 내부는 일방향 소재로 3.0 mm의 두께로 적층하고, 최외각층의 직물소재를 0°와45°로 각각 적층한 모델들에 대해 전산해석을 수행하고 그 결과를 비교하였다.
Frame B를 제조하기 위한 PET 폼은 먼저 프리포밍 공정을 거치는데, 강성이 높은 P150의 경우 비교적 높은 취성으로 인해 성형성이 떨어져서 프리포밍 공정 중에 파손이 발생하는 문제가 있으므로 최종적으로는 P60, P100만 시제 제조에 적용하였다. Fig.
강성요구도를 만족시키는 적층 설계안을 확보하기 위해서 정적하중에서 강성해석을 수행하였다. 전산해석을 위해 ABAQUS 6.
Frame B를 위한 쉘 요소들의 Shell Section 정의에서 적층판을 표현하기 위한 parameter로서 COMPOSITE을 적용하였다. 두 종류의 복합재 소재 및 폼 소재의 물성은 *Elastic, type=Lamina를 사용하여 소재의 직교이방성을 표현하였다.¹³⁾ 단, 직교 이방성의 물성 중에서 두 종류의 복합재 소재의 G₁₃ 및 G₂₃는 실험으로 얻은 G₁₂과 같다고 가정하였으며, 폼 소재는 세 방향의 전단강성 모두 Table 2의 전단강성 값을 동일하게 적용하였다.
그러나 직물 소재의 섬유방향 강성(E₁)은 일방향 소재의 것에 비해서 현저히 낮기 때문에 최외각에 직물 소재를 사용하는 것은 굽힘 강성(EI_yy ) 확보에 도움이 되지 않는다. 따라서 본 연구에서는 직물 소재(WSN 3K A)를 적층판의 최외각 층에 각각 한 장씩만 배치하였다.
Table 2는 시험결과로 얻은 복합재의 강성 및 강도를 나타낸다. 복합재의 굽힘 강성을 증가시키기 위한 방법으로 샌드위치 구조를 고려하였다. 샌드위치 구조용 심재는 재활용이 가능한 열가소성 플라스틱 폼(Foam) 소재인 Divinycell high performance PET sandwich core를 사용하였다.
PCM 공법은 샌드위치 구조의 적용이 비교적 용이다. 본 연구에서는 Frame B의 굽힘 강성(M_yy )의 확보를 위해서 복합재 소재로만 적층된 구조와 PET foam core (P60, isotropic으로 가정)가 포함된 샌드위치 구조에 대해서 Fig. 12와 같이 적층판에 사용된 일방향 소재 또는 폼 코어의 두께를 변화시키는 Parametric study를 통해 적층설계를 수행하였고 그 결과는 Table 4와같다
4와 같이 방향에 따라서 서로 다른 물성을 가진다. 선택된 복합재의 기계적 물성을 얻기 위해서 두 가지 프리프레그로 각각 복합재 평판을 제작한 후인장(1 방향, 2 방향), 압축(1 방향, 2 방향) 및 면내전단(In-plain) 시험을 수행하였다.
속경화 에폭시의 경화를 위해서, Fig.13에서 나타낸 것과 같이 적층한 복합재 소재를 140~ 150°C로 예열된 금형에 소재를 투입하여 7분간의 경화 후 냉각수를 흘려 금형을 급랭하여 제품을 탈형하는 방식으로 시제품을 제작하였다.
수행된 강성시험에서의 고정장치의 취약한 강성이 처짐량에 미치는 영향성을 검토하기 위하여 전산해석상의 경계조건을 다양하게 변화시켜 해석을 수행하고 실험결과와 비교하였다. Fig.
최종적으로 처짐량 11 mm 이하의 요구강성을 만족하는 모델로서 CASE 3의 설계안을 확보하고 그 처짐량을 실험적으로 검증하였다.
¹³⁾ 단, 직교 이방성의 물성 중에서 두 종류의 복합재 소재의 G₁₃ 및 G₂₃는 실험으로 얻은 G₁₂과 같다고 가정하였으며, 폼 소재는 세 방향의 전단강성 모두 Table 2의 전단강성 값을 동일하게 적용하였다. 해석모델의 경계조건은 Fig. 2에서 나타낸 Mechanism rail의 고정위치(Supporting Points)에서 모든 병진과 회전을 고정하는 조건으로 수행하였다.

대상 데이터

PCM 공법에 차량용 부품의 양산성을 고려하여 속경화용 에폭시 프리프레그인 SK Chemicals 사에서 개발된 일방향 소재(UD : Uni-direction) SK Chemicals USN 250 C와 직물(Plane weave) 소재인 SK Chemicals WSN 3K A를선정하였다. 두 제품의 사양은 다음 Table 1에 나타내었다.
5 mm 이상의 모델이 Frame B의 구조 요구도를 만족하는 결과를 얻는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 3번과 8번을 기준으로 4.0 mm 두께의 폼 소재를 구매하고, 필요한 금형 등을 설계하고 시제품 제조에 적용하였다.
복합재의 굽힘 강성을 증가시키기 위한 방법으로 샌드위치 구조를 고려하였다. 샌드위치 구조용 심재는 재활용이 가능한 열가소성 플라스틱 폼(Foam) 소재인 Divinycell high performance PET sandwich core를 사용하였다. 폼 소재는 밀도에 따라서 기계적 특성이 결정되는데, Table 3은 고려된 폼소재의 특성을 나타낸다.
PCM 공법은 얇은 시트형태의 일방향 또는 직물형태의 탄소연속섬유에 속경화 수지를 미리 함침하여 반 경화한 중간재인 프리프레그(Prepreg)를 활용하는 공법이다. 제품은 프리프레그를 적층하여 만들어진 블랭크(Blank)를 예열된 금형 사이에 놓고 스템핑과 동일하게 프레스로 압착하는 방식으로 제조된다. 따라서 추가적인 장비가 거의 없이 기존의 철판부품에서 사용된 프레스를 그대로 활용할 수 있다.

이론/모형

전산해석을 위해 ABAQUS 6.13 Implicit solver(linear static analysis)를사용하였으며, 전처리는Altair Hypermesh를, 후처리는 ABAQUS 6.13 CAE를 사용하였다.
전산해석 모델은 Frame B와 함께 Mechanism rail을 포함하고있으며 Element type은 S4R과 일부 S3R쉘 요소로 구성되어 있다. Frame B를 위한 쉘 요소들의 Shell Section 정의에서 적층판을 표현하기 위한 parameter로서 COMPOSITE을 적용하였다. 두 종류의 복합재 소재 및 폼 소재의 물성은 *Elastic, type=Lamina를 사용하여 소재의 직교이방성을 표현하였다.
본 연구에서의 탄소섬유 복합재 제품의 제조공법은 생산성과 기계적 성능을 동시에 만족시키기 위해 PCM(Prepreg Compression Molding)공법을 사용하였다. PCM 공법은 얇은 시트형태의 일방향 또는 직물형태의 탄소연속섬유에 속경화 수지를 미리 함침하여 반 경화한 중간재인 프리프레그(Prepreg)를 활용하는 공법이다.
시제품을 제조하기 위해서 PCM 공법용 금형을 제조하였다. 속경화 에폭시의 경화를 위해서, Fig.

성능/효과

2) 연속섬유 탄소 복합재 Frame B는 형상설계 단계에서 기존의 철판을 사용하는 형상과는 다른 방법으로 접근해야 한다. 복합재 성형에 있어 복잡한 굴곡은 제작성이 떨어지기 때문에 단순화 되어야 하며 부족한 강성은 적층설계를 통해 확보 되어야 한다.
3) Frame B의 적층설계 시 외각층에 45°직물 복합재를 적층하여 비틀림에 대한 보강을 하는 것이 0°로 보강하는 것 보다 유리하다.
하지만 적층수를 증가시키는 것 만큼 Frame B의 무게 또한 증가하여 구조 경량화에는 불리하다. 따라서 4~9번의 결과와 같이 Frame B의 구조를 샌드위치 구조로 가져가고 단순이 심재의 두께를 증가시키면 구조강성과 경량화 두 가지 모두 만족하는 것을 알 수 있었다. 따라서 Frame B의 구조강성을 만족하면서 경량화를 달성하기 위해서는 샌드위치 구조를 적용하는것이 유리하다.
시제품 검증시험에서 나타난 고정 장치의 약한 강성이 처짐량에 미치는 영향을 상세설계 단계에 반영하여 적층판 설계를 개선하였으며, 최종적으로 기존 철판 제품보다 약 18 % 가량 경량화된 복합재 Frame B를 제시하였다.
시제품 제작 및 검증을 위해 Parametric study결과를 분석하면 복합재 소재로만 적층된 3번 결과인 3.4 mm 이상이 적절하며, 샌드위치로 구성된 설계 안에서는 8번 결과인 직물 소재 0.4 mm, 일방향 소재 1.6 mm와 PET foam core 3.5 mm 이상의 모델이 Frame B의 구조 요구도를 만족하는 결과를 얻는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 3번과 8번을 기준으로 4.
또 강성시험에서의 처짐량의 측정치가 기본해석을 바탕으로 제조된 시제의 계산된 처짐량보다 더 큰 문제가 발생하였다. 시험방법을 검토한 결과 이러한 문제는 기본적층설계에 사용된 전산모델의 Supporting Points에서의 경계조건과 시험에서 사용된 고정조건의 차이에서 비롯된 것으로 분석되었다. 전산모델상의 경계조건은 All fixed support(모든 병진 및 회전을 구속)로 견고하게 구속되어 있으나, 실제 강성시험의 경계조건은 Fig.
Table 6에서 나타나듯 구조물의 처짐량의 해석결과는 경계조건에 따라서 매우 크게 차이가 남을 알 수 있다. 즉, Frame sub assembly의 처짐량은 고정하는 고정 장치의 조건에 따라 매우 민감함을 알 수 있었다. 이것은 Frame sub assembly의 처짐량을 측정하는데에 있어서 Supporting Points의 고정 조건이 시험결과에 매우 큰 영향을 미침을 의미한다.

후속연구

최근 들어서 세계 자동차 산업은 내구성, 안전성 등과 같은 기존의 전통적인 기술 요소와 함께 친환경, 에너지 저장/변환, 정보통신, 인지과학, 자동제어/로봇 등의 새로운 요소들이 주요 핵심 기술로 떠오르고 있다. 이러한 새로운 기술들은 앞으로 10년 내의 가까운 미래의 자동차 기술의 키워드인 친환경차/고연비와 스마트카로 귀결될 것으로 예상된다.¹⁾ 그 중에서 친환경/고연비 기술은 온실가스 배출과 관련하여 급격히 강화 되고있는 세계적인 연비 규제 강화 정책에 대응하는 매우 중요한 기술이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 소재로써 연속섬유탄소 복합재의 장단점은 무엇인가?	자동차 산업의 특성상 차체의 경량화 성능뿐만 아니라, 양산화 가능 기술을 바탕으로 하는 대량생산이 기술개발의 주요한 요구 성능이다. 연속섬유탄소 복합재의 경우 경량화 효과의 잠재력은 어떠한 소재보다 우수하나, 높은 원소재 가격과 공정비용, 낮은 생산성으로 인해 대량 생산해야 하는 양산차에 적용하기엔 한계를 갖고 있다.6)
	적층설계 시 Frame B에 적합한 구조는 무엇인가?	3) Frame B의 적층설계 시 외각층에 45°직물 복합재를 적층하여 비틀림에 대한 보강을 하는 것이 0°로 보강하는 것 보다 유리하다. 또한 샌드위치 구조를 적용하면 무게 증가를 최소화 하며 구조강성의 요구도를 만족시킬 수 있다.
	친환경/고연비 실현을 위한 대응 기술에는 무엇이 있는가?	친환경/고연비 실현을 위한 대응 기술은 크게 1)엔진/구동계 효율 향상, 2) 공기역학적 차체 디자인, 3) 대체에너지 개발, 4) 경량화로 구분할 수 있다. 그 중에서 1)~3)의 기술은 비용대비 효과가 미약하거나 인프라가 부족한 문제 등의 다양한 이유들로 인하여 실현에 한계가 있으므로, 4) 경량화가 가장 현실적 대안이 될 수 있는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (14)

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W. Hufeubach, J. Werner, J. Kiele and S. Kipfelsberger, Holistic Structural Design Concept and Lightweight Components in Multi-material-design for the Electric Vehicles of the Future, Future Car Body, Bad Nauheim, 2014.
G. Kasmeier, The Development of Roding Carbon Cell Field of Tension between Differential and Integral Construction Method, Future Car Body, Bad Nauheim, 2014.
Abaqus 6.13 Analysis User's Manual, Dassault Systems Simulia Corp., 2013.
R. F. Gibson, Principles of Composite Material Mechanics, McGraw-Hill Inc., New York, 1994.

저자의 다른 논문 :

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].

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