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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소섬유 가압 성형법을 적용한 카본 휠을 제작하기 위한 금형을 설계를 바탕으로 탄소섬유 프리프레그(prepreg) 성형공정에 대한 실험을 통하여 성형 조건이 선정하기 위해서 실험계 획법인 다구찌법을 이용한 카본 휠 성형 공정에 관한 연구를 진행하고 그 결과를 바탕으로 시제품을 제작하고자 한다.
- 본 연구에서는 탄소섬유 가압 성형법을 적용한 카본 휠을 제작하기 위한 금형을 설계를 바탕으로 탄소섬유 프리프레그 성형공정에 대한 실험을 통하여 성형 조건이 선정하기 위해서 실험계획법인 다구찌법을 이용한 카본 휠 성형 공정에 관한 연구를 진행하고 그 결과를 바탕으로 시제품을 제작하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 프리프레그를 배열 방향, 적층수 및 가압 온도를 변수로 하여 시험편을 제작하였다. 각각의 변에 대한 설정 값은 배열 방향: 0°~45°, 적층 수: 10~12ply, 가압 온도: 120℃ ~140℃로 하였으며 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 인장시험은 10ton용량의 유압식 피로시험기 MTS-810을 사용하여 실시하였다. Fig.
- 본 연구에서는 휠 시제품을 성형하기 위하여 유압프레스에 금형을 장착하였다. 또한 탄소섬유 프리프레그를 적층하기 위한 작업공간이 충분히 확보하고, 각 부분에 전기를 공급하기 위해 단자대가 금형에 설치되고 봉형 히터가 각 부위에 삽입하였다.
- 또한 탄소섬유 프리프레그를 적층하기 위한 작업공간이 충분히 확보하고, 각 부분에 전기를 공급하기 위해 단자대가 금형에 설치되고 봉형 히터가 각 부위에 삽입하였다. 또한 금형 내에 온도센서를 설치하여 한계온도 이상 가열되는 것을 방지하도록 하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유 프리프레그의 경우 재료비가 고가이므로 먼저 유리섬유 프리프레그를 이용하여 휠을 제작하고 적층방법을 검토하였다.
- 스포크(spoke)와 림(rim)부의 원활한 접합 구조를 만들기 위해 림부를 감은 프리프레그는 스포크 부 아래 쪽으로 들어가고 스포크 부를 적층하고 다시 림부를 적층하는 과정을 반복하여 최대한 많은 면적이 겹치도록 측정하였다. 적층 후 가압 가열한 후 상형을 제거한 결과는 Fig.
- 탄소섬유 프리프레그 적층하기 위해서는 금형의 온도가 조금 올라가야 에폭시(epoxy) 수지가 약간 녹아 금형 표면에서 떨어지지 않는다. 림부 하부의 강도를 보강하기 위해 먼저 프리프레그를 적층 후 림부와 스포크 부를 적층하였다.
- 이와 같이 적층 후 가압과 가열을 동시에 진행하여 제품을 제작하였고 금형에서 성형된 제품은 플래시가 많으므로 탈형 후 제거 작업을 수행 하였다.
- 본 연구에서는 실내 소음을 측정하기 위해 알루미늄 휠 순정 17인치와 18인치, 카본 휠 18인치를 비교하여 실내 소음을 측정하기 위하여 자동차를 고정하고 앞바퀴를 탄소섬유 휠로 장착하였다. 장착 후 시속 80km 까지 서서히 속력을 올려 휠의 파손여부를 확인 후 실차 내부에 소음 측정 장치를 설치하고 40km/h 및 60km/h에서 소음을 측정하도록 하였다.
- 3. 다구찌법의 결과를 바탕으로 탄소섬유 프리프레그를 제단하고 적층하여 금형에 장착하였다.
- Fig. 3과 같은 방법으로 제작된 시험편은 배열 방향 0°, 30°, 45°에 따라 Fig. 4와 같이 나왔으며, 배열 방향, 가압 온도 및 적층 수에 따라 다구찌법을 이용하여 실험 및 제작 하였다.
- 스포크(spoke)와 림(rim)부의 원활한 접합 구조를 만들기 위해 림부를 감은 프리프레그는 스포크 부 아래 쪽으로 들어가고 스포크 부를 적층하고 다시 림부를 적층하는 과정을 반복하여 최대한 많은 면적이 겹치도록 측정하였다. 적층 후 가압 가열한 후 상형을 제거한 결과는 Fig. 12와 같고, 소재의 투입량에 따라 플래시(flash)가 발생하고 내부에 미층진된 곳을 점검하여 이 후 적층시 반영하도록 하였다.
- 본 연구에서는 실내 소음을 측정하기 위해 알루미늄 휠 순정 17인치와 18인치, 카본 휠 18인치를 비교하여 실내 소음을 측정하기 위하여 자동차를 고정하고 앞바퀴를 탄소섬유 휠로 장착하였다. 장착 후 시속 80km 까지 서서히 속력을 올려 휠의 파손여부를 확인 후 실차 내부에 소음 측정 장치를 설치하고 40km/h 및 60km/h에서 소음을 측정하도록 하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용하는 탄소섬유는 가위나 칼로 제단할 경우 날이 무뎌져 작업성이 떨어진다. 그래서 윤곽라인에 따라 철형을 만들어 제작하려고 했으나 에폭시 수지와 탄소섬유 및 수지를 보호하기 위해 붙어있는 비닐과 종이 등을 동시에 절단할 수 없었다.
- 시험편의 치수는 KS M 3713을 기준으로 하여 길이(100mm)×vhr(15mm)×두께(2mm)로 Fig. 1과 같이 제작 하였으며, 성현 조건의 설정 값에 대한 허용차와 가압 및 경화 스케줄은 Table 2, Fig. 2에 나타내었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 인장시험은 10ton용량의 유압식 피로시험기 MTS-810을 사용하여 실시하였다. Fig. 4에서 제작한 시험편을 이용하여 다구찌법으로 실험하였으며, 각 인자와 수준에 대하여 Table 3에 나타내었다. 다구찌법을 이용하여 2번의 인장 시험한 결과 각 인자와 수준에 대한 최대 인장강도 값은 Table 4와 같이 나타났으며 S/N 비는 Fig.
성능/효과
- 다구찌법을 이용하여 시험한 결과 S/N비를 보았을 때 배열 방향이 0°일 때 최대 인장 강도가 가장 높았으며, 30°와 45°로 배열 방향이 커질수록 최대 인장 강도가 낮아졌다.
- 다구찌법을 이용하여 시험한 결과 S/N비를 보았을 때 배열 방향이 0°일 때 최대 인장 강도가 가장 높았으며, 30°와 45°로 배열 방향이 커질수록 최대 인장 강도가 낮아졌다. 성형 온도는 130℃일 때 최대 인장 강도가 가장 높았으며, 적층 수는 12ply일 때가 최대 인장강도가 가장 높게 나타나며 적층 수가 많을수록 높게 나타났다.
- 그 결과 17인치 알루미늄 휠에 비해 18인치 알루미늄 휠 장착 시 차량 실내소음이 순정 조금 높은 결과를 나타내고 카본을 장착한 경우에는 낮게 측정이 되는 것을 알 수 있었다. 그 이유는 자동차가 주행시 타이어가 앞으로 나가는 모습을 보면 타이어와 노면이 닿는 부분은 동그란 모습이 아닌 평평한 모습으로 변형이 일어난다.
- 하지만 카본 휠의 경우 인치는 커지만 무게가 기존 17인치와 18인치 알루미늄 휠에 비해 무게가 50%정도 가볍다. 따라서 구름저항이 기존의 알루미늄 휠 보다 작으므로 소음이 작은 것을 알 수 있었다.
- 4. 실내 소음을 측정하기 위해 알루미늄 휠 순정 17인치와 18인치, 카본 휠 18인치를 비교하여 측정한 결과 17인치 알루미늄 휠에 비해 18인치 알루미늄 휠 장착 시 차량 실내소음이 순정 조금 높은 결과를 나타내고 카본을 장착한 경우에는 낮게 측정이 되는 것을 알 수 있었다.
- 2. 프리프레그를 배열 방향, 적층 수 및 가압 온도를 변수로 하여 실험 계획법인 다구찌법을 사용하여 인장시험을 한 결과 배열방향 0°, 성형 온도 130℃와 적층 수 12ply이 최대 인장 강도가 918.62MPa로 가장 높게 나타났다는 것을 알 수 있었다.
- 1. 다구찌법에 의한 추정치에 대한 값은 배열방향에서 0수준인 0°, 성형 온도에서 1수준인 130℃와 적층 수에서 2수준인 12ply일 때 추정치가 가장 높게 나왔다.
- 다구찌법에 나온 추정 값과 비교하기 위해 배열방향 0∘, 성형 온도 130℃와 적층 수 12ply인 인장 시험편을 제작하여 인장 시험을 실시하였으며, 최대 인장 강도가 918.62MPa로 가장 높게 나타났다는 것을 알 수 있었고, 인장 시험 결과에 대하여 Fig. 6에 나타내었다.
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