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문제 정의
- 본 연구에서는 CFRP와 알루미늄의 이종소재 접합을 위하여 Fig. 1과 같이 접착을 위한 수지를 배합하였다. 수지의 배합과정 중 유리 성분의 bead를 추가하였고, bead를 통해 접착제의 강도 및 접착두께를 설정할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 자전거를 설계 및 제작할 시에 사용하는 접합과 관련되어 균일한 접착면을 형성하여 접착력의 신뢰성을 확보하기 위하여 지름 0.1, 0.2, 0.3 mm의 원형 bead를 사용하여 CFRP와 Al을 접착하여 더블랩 실험을 통해 bead의 영향을 비교하였다. 또한, 실험결과에 대한 원인을 파악하기 위하여 광학 현미경으로 파단면을 촬영하였다.
가설 설정
- 8은 클램프 하중에 대한 영향을 평가하기 위해 그림의 왼쪽편과 같이 Axisymmetric 형태의 전산해석 모델을 설정하였으며, 상부의 Al과 하부의 CFRP를 적용하여 bead의 접촉면적을 확인하고자 하였다. 클램프 하중은 약 24 N이 적용하는 것을 가정하였으며 그림의 왼쪽에서 보는 바와 같이 평행을 유지하기 위해 3개의 bead가 지지할 때를 가정하여 분포하중인 4 N(합계 8 N)을 상하 방향으로 적용하였다.
제안 방법
- Fig. 8은 클램프 하중에 대한 영향을 평가하기 위해 그림의 왼쪽편과 같이 Axisymmetric 형태의 전산해석 모델을 설정하였으며, 상부의 Al과 하부의 CFRP를 적용하여 bead의 접촉면적을 확인하고자 하였다. 클램프 하중은 약 24 N이 적용하는 것을 가정하였으며 그림의 왼쪽에서 보는 바와 같이 평행을 유지하기 위해 3개의 bead가 지지할 때를 가정하여 분포하중인 4 N(합계 8 N)을 상하 방향으로 적용하였다.
- Fig. 9를 바탕으로 접착제에 bead를 적용했을 때의 영향을 평가하기 위한 해석모델을 Fig. 10과 같이 더블랩 해석 모델을 생성하였으며, 2D Plane Strain으로 설정하였으며, 상하 방향이 대칭인 점을 고려하여 Symmetric 조건을 적용하였고, 기존의 자료의 내용을 참고하여 적용하였다[11,12].
- 또한, 실험결과에 대한 원인을 파악하기 위하여 광학 현미경으로 파단면을 촬영하였다. 더불어, 접착면의 두께가 더블랩 실험에서 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보기 위하여 FEM 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 더블랩 시험 후에 나타나는 시편의 계면을 분석하기 위하여 광학 현미경을 사용하였다. Fig.
- 3 mm의 원형 bead를 사용하여 CFRP와 Al을 접착하여 더블랩 실험을 통해 bead의 영향을 비교하였다. 또한, 실험결과에 대한 원인을 파악하기 위하여 광학 현미경으로 파단면을 촬영하였다. 더불어, 접착면의 두께가 더블랩 실험에서 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보기 위하여 FEM 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 논문에서는 bead의 유무 차이에 대한 결과는 Fig. 16에 나타내었고, 전산해석은 그중에서 하나인 bead 없이 두께 0.1 mm로 형성된 것을 선택하여 경향을 파악하였다. 전산 해석과 실험을 비교한 결과를 Fig.
- 본 논문에서는 자전거의 특성상 고강성을 확보할 수 있는 에폭시 접착제를 사용하였으며, 접착두께의 형성 및 이종소재의 균일한 접착력을 유지시켜 주기 위해 Bead를 적용하였다[10].
- 본 논문에서는 접착제의 물성에 영향을 주는 bead를 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm로 달리하여 접착소재에 대한 영향을 평가하는 실험을 진행하였고 이에 대해 FEM 시뮬레이션으로 두께에 대한 영향을 평가하였다.
- 본 시험편 제작 과정에서 클램프에 의해 내부의 유리 bead가 파괴되어 요구되는 시편의 두께에 영향이 있는지 확인하기 위해 E-Glass 소재에 대한 압축시험과 전산해석을 진행하였다.
- 1과 같이 접착을 위한 수지를 배합하였다. 수지의 배합과정 중 유리 성분의 bead를 추가하였고, bead를 통해 접착제의 강도 및 접착두께를 설정할 수 있도록 하였다.
- 1과 같이 HUNTSMAN 사의 주제(에폭시) AW 106와 경화제 HV 953 U 제품을 사용하였다. 에폭시에 bead를 추가하고 점도를 추가하기 위해 Acetone을 추가하였고 Ultrasonic을 통해 혼합하였다.
- 접착공정(Joint)은 시편에 적용하였으며, 접착성능 확인을 위한 시편은 통상 싱글랩(Single lap), 더블랩(Double lap), DCB(Double Cantilever Beams) 등 다양한 실험을 통해서 하고 있으나[6,7,10], 본 연구에서는 쉽게 제작할 수 있으면서 비틀림에 의한 응력 발생이 적은 더블랩(Double lap) 시편을 적용하였으며 향후 적용할 시험 장비의 사양이 10kN인 점을 감안하여 시편의 크기는 표준 ASTM 규격대비 1/4 로 축소한 모델을 사용하였다.
- 접착면에 적용되는 bead의 간극은 Fig. 9에서 보는 바와 같이 CATIA를 사용하여 bead와 접착두께를 모델링 하고, Table 4의 밀도 값을 적용하여, Table 5와 같이 bead의 종류에 따라 중량이 10%에 해당하는 bead의 간격과 100 mm2 당 수량을 확인하였다.
- 접착제만의 물성 비교와 FEM시뮬레이션으로 더블랩 시험을 해석하기 위하여 Table 2와 같은 인장시험기를 사용하였으며, Fig. 6과 같이 접합한 시편(Double lap) 및 접착제 벌크소재(ASTM D 648)에 대해 인장시험을 진행하였다.
대상 데이터
- bead는 KOSPOL 사의 Adhesive Bead Prototype 제품을 사용하였고, 성분은 E-Glass 성분으로 직경이 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm의 3가지의 프로토 타입의 bead를 적용하였으며, 전반적인 내용을 Table 1에 나타내었고, 광학현미경을 통해 관찰하면, Fig. 3와 같이 작은 알갱이 형태인 것을 확인할 수 있다.
- 전산해석은 bead의 클램프에 대한 전산해석과 접착제 물성에 대한 전산해석을 진행하였으며, 전산해석에 사용된 물성은 Table 4와 같이, Adhesive, Aluminum(T-6061), CFRP, E-Glass가 적용되었다. 각 데이터는 상용 소프트웨어인 ANSYS와 각 제조사에서 제공하는 물성을 이용하였다.
- 시편은 Fig. 5와 같이 중앙에는 두께 1.5 mm의 CFRP를 넣었고, 위아래에는 두께 1 mm의 Al-6061 판재를 사용하였다. 각 시험편 사이에는 Bead를 넣은 접착제를 사용하여 접합하였고, 시험편에 균일한 압력을 가하기 위하여 클램프를 사용하였다.
- 전산해석은 bead의 클램프에 대한 전산해석과 접착제 물성에 대한 전산해석을 진행하였으며, 전산해석에 사용된 물성은 Table 4와 같이, Adhesive, Aluminum(T-6061), CFRP, E-Glass가 적용되었다. 각 데이터는 상용 소프트웨어인 ANSYS와 각 제조사에서 제공하는 물성을 이용하였다.
- 접착제 제작 과정은 Fig. 1과 같이 HUNTSMAN 사의 주제(에폭시) AW 106와 경화제 HV 953 U 제품을 사용하였다. 에폭시에 bead를 추가하고 점도를 추가하기 위해 Acetone을 추가하였고 Ultrasonic을 통해 혼합하였다.
성능/효과
- 응력이 받는 부분에 대한 정밀한 해석을 위해 Fig. 17(a), (b)와 같이 등고선으로 전단응력을 표현했을 때, bead를 추가함에 따라 bead 부분의 응력이 높게 발생하고, bead가 없는 부분에서는 응력이 낮게 발생함을 알 수 있었다. 접착제의 최대 응력이 Fig.
- 1. 접착제에 G-Glass 10%를 적용했을 때 100 mm2 당 bead의 수량을 예측할 수 있었으며, 크기가 0.1 mm일 때는 약 1156~676개, 0.2 mm는 289~225개, 0.3 mm는 169~144개 정도로 예상된다.
- 2. 만약 bead가 100 mm2 당 약 40개 이하가 산포된다면 접착제 성형공정에서 bead가 파괴되어 원하는 두께를 형성하지 못할 수도 있으나 본 실험에서는 이러한 문제가 발생하지 않는 범위로 판단된다.
- 3. 접착제 원소재에 bead를 0%, 0.1%, 1%, 10%로 달리 적용했을 때 1% 이상 함량이 증가함에 따라 접착 소재의 강도가 높아지고 신율이 떨어짐을 실험으로 확인할 수 있었다.
- 4. 접착소재의 물성 시험결과를 상용 해석 소프트웨어인 ANSYS를 이용한 Plane strain 해석에 적용하였을 때, 강성(탄성계수)이 높아짐을 확인하였으며, 이는 실험에서의 결과와 오차율 2.47%로 준수한 결과를 나타내었다.
- 5. bead의 크기를 지름 0.1, 0.2, 0.3 mm로 달리 적용했을 때 전단강도는 큰 차이를 나타내지는 않았으나, 지름이 커질수록 강성은 낮아지고, 신율은 증가함을 확인하였다.
- 6. 이를 전산해석을 통해 분석해본 결과 bead를 적용하여 접착제의 두께가 증가할수록 신율은 증가하고 강성은 줄어들어 실험과 해석의 경향이 일치하는 것을 확인하였다.
- bead가 없을 때는 접착제에 적용되는 전단응력은 약 12 MPa 정도이나, bead가 추가됨에 따라 접착제가 받는 전단응력은 약 3 MPa 정도로 4배 정도 낮아진 것을 확인하였다.
- bead가 추가되지 않은 부분에서는 접착부 양 끝 단에서 가장 많은 응력이 받고, 중앙부에서 매우 낮은 응력을 확인할 수 있었으나, bead가 적용된 접착 면에서는 bead가 적용된 부분에서 높은 응력을 나타냈다.
- bead의 양을 각각 0%, 0.1%, 1%, 10%로 달리 첨가하여 인장시험 한 결과 Fig. 13과 같이, bead의 함량이 1%가 넘어서면서 신율은 줄고, 탄성계수와 인장강도는 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 원인은 첨가된 bead가 강화제 역할을 하기 때문인 것으로 판단되며, 단 0.
- bead의 함유량이 10%일 때 Table 5에서 보여지듯이 최소 144개를 확보하게 되므로 접착공정에서 비드의 두께 확보에는 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 클램핑 공정에서 구의 접촉부분에서 어느 정도 떨어진 곳에서 응력이 발생함을 확인하였다. 또한, 이전의 E-Glass의 최대 파괴 강도가 약 500 MPa 정도임을 감안하면 클램핑 공정에서 bead의 양은 약 40개 이상이 되어야 함을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과에서, 이종소재의 접합을 위한 접착제를 사용할 시에는 bead의 크기는 작을수록 높은 강도를 확보할 수 있으며, bead가 접착 두께만을 유지하는 것이 아닌 강화제 역할을 하여 접착성능을 높일 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 접착제의 인장실험 데이터를 이용하여 더블랩 시험을 해석한 결과 탄성계수 값의 오차가 2.47% 수준으로 나타났다. 이를 바탕으로 이종소재의 접합 시에 해석을 통해 경향을 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
- 14에 나타내었다. 시험 결과 bead의 크기에 따라 전단강도는 큰 차이를 나타내지는 않았으나, 강성과 신율에는 차이가 발생함을 확인하였다. 즉, bead의 크기가 커짐에 따라 강성은 감소하며 신율은 증가함을 확인하였다.
- 이상의 결과에서, 이종소재의 접합을 위한 접착제를 사용할 시에는 bead의 크기는 작을수록 높은 강도를 확보할 수 있으며, bead가 접착 두께만을 유지하는 것이 아닌 강화제 역할을 하여 접착성능을 높일 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 접착제의 인장실험 데이터를 이용하여 더블랩 시험을 해석한 결과 탄성계수 값의 오차가 2.
- 전산해석 결과 접착부의 변형과 구속부분의 하중값을 관찰한 결과 0.015 mm의 강제변위를 적용했을 때 변형 및 지지점의 반력은 Fig. 16에서 볼 수 있듯이, bead의 크기가 커질수록 강성이 떨어짐을 확인할 수 있었다.
- 18에 나타내었다. 접착제는 bead 없이 0.1 mm로 형성한 결과를 이용하였고, 전산 해석한 결과와 실제 시편을 만들어 시험한 결과(Double lap joint test)를 비교하면 탄성계수 값의 오차 2.47% 수준으로 거의 일치한다는 것을 검증하였다.
- 시험 결과 bead의 크기에 따라 전단강도는 큰 차이를 나타내지는 않았으나, 강성과 신율에는 차이가 발생함을 확인하였다. 즉, bead의 크기가 커짐에 따라 강성은 감소하며 신율은 증가함을 확인하였다.
- 클램프의 인장시험 결과 Fig. 11과 같이 접착제의 클램프 두께인 4 mm에서 폭이 37 mm인 클램프가 약 24 N이 적용됨을 확인할 수 있었다. bead 소재를 압축시험한 결과 Fig.
- 15에 나타내었다. 클램핑 공정에서 구의 접촉부분에서 어느 정도 떨어진 곳에서 응력이 발생함을 확인하였다. 또한, 이전의 E-Glass의 최대 파괴 강도가 약 500 MPa 정도임을 감안하면 클램핑 공정에서 bead의 양은 약 40개 이상이 되어야 함을 확인할 수 있었다.
- 3와 같이 작은 알갱이 형태인 것을 확인할 수 있다. 해당 bead에 대해 약 0.01 g(0.1 mm 기준으로 약 800 개)에 대해 크기를 3회 반복하여 측정한 결과 Fig. 4와 같이 bead가 크기별로 정규분포 형태를 나타냄을 확인할 수 있다.
후속연구
- 47% 수준으로 나타났다. 이를 바탕으로 이종소재의 접합 시에 해석을 통해 경향을 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 bead가 있는 경우와 LEFM, VCCT, CZM과 같은 파괴 물성을 적용한 해석이 추가로 진행되어야 한다는 것과 실제 제품으로 적용하기 위해서는 피로 성능, 충격성능, 내열성 등 다양한 부분의 물성연구가 필요하다는 것은 한계로 보인다.
- 이를 바탕으로 이종소재의 접합 시에 해석을 통해 경향을 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 bead가 있는 경우와 LEFM, VCCT, CZM과 같은 파괴 물성을 적용한 해석이 추가로 진행되어야 한다는 것과 실제 제품으로 적용하기 위해서는 피로 성능, 충격성능, 내열성 등 다양한 부분의 물성연구가 필요하다는 것은 한계로 보인다.
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