[논문]액상성형공정별 물리적/기계적 특성 비교 평가

박동철; 김태곤; 김승혁; 신도훈; 김현우; 한중원

doi:10.7234/composres.2018.31.6.304

초록
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오토클레이브 (Autoclave) 성형 공정은 항공산업분야의 복합재 부품 제작에 있어서 매우 안정적이고 중요한 제조방법으로서 자리매김 해왔었지만 오토클레이브가 가진 많은 장점과 함께 단점 또는 제약 사항들을 보여주고 있다. 최근에는 이러한 한계를 극복하기 위하여 다양한 탈 오토클레이브 (OoA, Out-of-Autoclave) 공정들이 연구 개발되고 있는데, 본 연구에서는 탈 오토클레이브 공정 중 하나로서 많은 관심을 받고 있는 액상성형공정 (Liquid Composite Molding)을 사용하여 시편들을 제작하고 이를 오토클레이브 공정으로 제작된 시편과 실험적으로 비교평가하였다. 액상성형공정 중 DB (Double Bagging), CAPRI (Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion) 및 VAP (Vacuum Assisted Process) 공정을 사용하여 시편 제작을 수행하고 내부 기공 함유량, 두께, 유리전이온도, 층간전단강도 및 굽힘강도 시험 평가를 통하여 각 제작 공정에 따른 차이를 확인할 수 있었다. 전체적으로 오토클레이브 성형 시편이 우수한 두께 균일도, 낮은 기공 함유량 및 양호한 기계적 강도 특성을 보였으며, 액상성형공정 중에서는 CAPRI 성형 시편이 DB 및 VAP 성형 시편에 비하여 상대적으로 우수한 특성을 가짐을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Autoclave process has been remaining as one of the most robust and stable process in fabricating structural composite part of aerospace industry. It has lots of advantages, however exhibits some disadvantages or limitations in capital investment and operation. Recently, there have been various Out-o...

Autoclave process has been remaining as one of the most robust and stable process in fabricating structural composite part of aerospace industry. It has lots of advantages, however exhibits some disadvantages or limitations in capital investment and operation. Recently, there have been various Out-of-Autoclave process being researched and developed to overcome those limitations. In this study, laminate specimens were fabricated using LCM (Liquid Composite Molding) process, regarded as one of potential OoA process. DB (Double bagging), CAPRI (Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion), VAP (Vacuum Assisted Process) and Autoclave process were used for laminate specimens. Void content, Thickness, Tg (Glass Transition Temperature), ILSS (Interlaminar Shear Strength) and Flexural strength properties were evaluated for comparison. It is verified that Autoclave based specimen has uniform thickness distribution, the lowest void content and outstanding mechanical properties. And, CAPRI based specimen exhibits relatively good physical and mechanical properties over DB and VAP based specimen and comparable mechanical properties with autoclave based specimen.

Keyword

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. A400M Cargo Door Fabrication using VAP Process [8]
표 Table 1. Liquid composite molding processes by category
그림 Fig. 2. Schematics of (a) Double Bagging, (b) CAPRI [14] and (c) VAP [13]
그림 Fig. 3. Bagging Systems for Specimens (a) #1 Specimen – Double Bagging (b) #3 Specimen - VAP
그림 Fig. 4. Cured Laminate Specimens (#1~#4)
표 Table 2. Summary of Specimens
그림 Fig. 5. NDI Result
그림 Fig. 6. Void Content Result
그림 Fig. 7. Average thickness comparison for specimens (#1 DB, #2 CAPRI, #3 VAP & #4 AUTOCLAVE
그림 Fig. 8. Tg Test Result
그림 Fig. 9. ILSS Test Setup
표 Table 3. Summary of specimen thickness
그림 Fig. 10. Mechanical Test results (a) ILSS (b) Flexural Strength

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 프리프레그 소재를 바탕으로 한 오토클레이브 성형의 대체 공정으로서 많은 관심을 모으고 있는 액상성형공정을 이용하여 제작된 시편들과 오토클레이브 공정으로 성형된 시편을 실험적으로 비교 평가하였다. 액상성형공정 중 Double Bagging, CAPRI 및 VAP 공정을 사용하여 시편 제작을 수행하고 내부 기공 함유량, 두께, 유리전이온도, 층간 전단 강도 및 굽힘 강도 시험 평가를 통하여 각 제작 공정에 따른 차이를 확인할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서는 DB, CAPRI, VAP 및 오토클레이브 공정을 이용하여 시편을 각각 제작하고 기공 함유량, 두께 및 유리 전이온도와 같은 기초 물성과 층간전단강도와 굽힘강도와 같은 기계적 특성을 비교 평가하였다.
본 연구에서 총 4개의 라미네이트 패널 시편을 제작하였는데 3개의 시편은 액상성형공정으로 제작하였으며 나머지 1개의 시편은 프리프레그 자재를 사용하여 오토클레이브 성형공정으로 제작하였다. 전체적인 시편 구성은 Table2와 같다.
동일한 경화공정(100°C에서 수지 주입/180°C에서 2시간 경화)을 사용하였으며 프리프레그(HTA40 6K/M21, Hexcel사)를사용하는 #4 시편의 경우 제작사 추천 표준 사이클(180°C에서 2시간 경화, 0.7 MPa 압력 적용)을 적용하였다.
추가적으로 VAP 공정 시편(#3)에는 내부 공기는 통과되지만 수지는 배출되지 못하는 투과성 멤브레인(C2003, Trans Textiles Gmbh)을 사용하여 내부 1차 진공백을 구성하였다.
제작된 4개의 라미네이트 패널 시편은 두께 측정 후 비파괴 검사 및 화학분석법을 통하여 기공 함유량(Void Contents)을 평가하였다[17]. 이어서 패널에서 해당 시험에 적합한 크기의 시편을 절단 채취하여 DMA 장비를 사용한 유리전이온도(Tg, Glass Transition Temperature)를 측정하였으며 추가적으로 수지 지배적 기계적 특성인 층간 전단강도(ILSS, Interlaminar Shear Strength) 및 굽힘 강도(Flexure Strength) 시험을 수행하였다[18,19].
제작된 4개의 라미네이트 패널 시편은 두께 측정 후 비파괴 검사 및 화학분석법을 통하여 기공 함유량(Void Contents)을 평가하였다[17]. 이어서 패널에서 해당 시험에 적합한 크기의 시편을 절단 채취하여 DMA 장비를 사용한 유리전이온도(Tg, Glass Transition Temperature)를 측정하였으며 추가적으로 수지 지배적 기계적 특성인 층간 전단강도(ILSS, Interlaminar Shear Strength) 및 굽힘 강도(Flexure Strength) 시험을 수행하였다[18,19].
먼저 4개의 시편 패널에 대하여 비파괴 검사를 통해 내부 기공 함유량을 평가하였다. C-Scan 장비(Tecnatom, Pulse Echo Phased Array) 를 사용하여 5 MHz 및 1 MHz로 측정 시 감쇄되는 dB 값을 기준으로 평가하였는데 4개의 시편 모두 감쇠량이 없는 양호한 결과를 나타내었다.
시편 두께 측정은 4개의 라미네이트 패널 시편에 대하여 각각 35부위에 캘리퍼스를 사용하여 수행하였다. 각 시편들은 #1 DB (2.
DMA (Q800, TA Instrument) 장비를 사용하여 각 시편의 유리전이온도를 측정하였다. #4 Autoclave 성형 시편이 가장 높은 204.
각 시편의 기계적 특성 평가를 위해 수지 지배적 특성인 층간전단강도 및 굽힘강도 시험을 만능 시험기(Universal Test Machine, SFM30)를 사용하여 수행하였다.
본 연구에서는 기존 프리프레그 소재를 바탕으로 한 오토클레이브 성형의 대체 공정으로서 많은 관심을 모으고 있는 액상성형공정을 이용하여 제작된 시편들과 오토클레이브 공정으로 성형된 시편을 실험적으로 비교 평가하였다. 액상성형공정 중 Double Bagging, CAPRI 및 VAP 공정을 사용하여 시편 제작을 수행하고 내부 기공 함유량, 두께, 유리전이온도, 층간 전단 강도 및 굽힘 강도 시험 평가를 통하여 각 제작 공정에 따른 차이를 확인할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

라미네이트 패널 시편은 총 7 플라이로서(0°/45°/0°/45°/0°/45°/0°)의 적층 순서를 가지고 350 × 350 mm의 크기로 제작하였다.

성능/효과

먼저 4개의 시편 패널에 대하여 비파괴 검사를 통해 내부 기공 함유량을 평가하였다. C-Scan 장비(Tecnatom, Pulse Echo Phased Array) 를 사용하여 5 MHz 및 1 MHz로 측정 시 감쇄되는 dB 값을 기준으로 평가하였는데 4개의 시편 모두 감쇠량이 없는 양호한 결과를 나타내었다.
오토클레이브 공정과 액상성형공정에 각각 다른 종류의 수지(M21 & EP2400)가 사용됨으로 인해 수지 고유의 물성 차이에 따라 유리전이온도 결과 차이가 나타난 것으로 판단되며 동일한 EP2400 수지를 사용하여 액상 성형 공정을 달리 적용한 경우 유리전이온도는 크게 변화되지 않음을 확인하였다.
Dry Fabric 자재에 수지를 주입하는 액상성형공정으로 제작된 시편들과 달리 프리프레그 소재를 사용하여 오토클레이브 성형을 수행한 #4 시편은 수지가 미리 함침된 프리프레그 소재 자체의 특성 및 상대적으로 높은 점도의 수지가 사용되기 때문에 높은 두께 평균값과 매우 균일한 두께 분포를 가지는 것으로 확인되었다.
반면에 원활한 수지 주입과 우수한 젖음성을 얻기 위해 낮은 점도 특성을 가진 수지를 사용하여 액상성형공정으로 제작된 시편(#1~#3)들은 상대적으로 낮은 평균 두께를 보이는데 그 중에서도 #2 CAPRI 공정 시편이 가장 낮은 두께를 가지고 가장 균일한 두께 분포를 시편 전체적으로 보이는 것을 확인하였다.
1) 프리프레그 소재를 사용한 오토클레이브 성형 시편이 액상성형 시편에 비하여 시편 두께 균일도가 우수하였으며, 낮은 기공 함유량을 가지는 것을 확인하였다.
2) 액상성형공정내에서는 CAPRI 공정 시편이 DB 및 VAP공정 시편에 비하여 상대적으로 우수한 두께 균일성과 낮은 기공함유량을 보였는데 수지 주입 단계에서부터 주입구와 배출구 압력 차이에 의한 높은 압착 압력을 적용할 수 있기 때문으로 사료된다.
3) 서로 다른 종류의 수지가 사용된 오토클레이브 성형 시편(#4)과 액상성형 시편(#1~#3)들간의 유리전이온도 차이는 발생하였으나 동일한 수지가 사용된 액상성형 시편들 내에서는 차이가 거의 발생하지 않았다.
4) 층간전단강도 및 굽힘강도와 같은 기계적 특성 평가에 있어서 전체적으로는 오토클레이브 성형 시편이 액상성형 시편에 비하여 우수한 특성을 가짐을 보였으나, 액상성형 시편 중 CAPRI 시편은 오토클레이브 성형 시편 못지않은 동등 이상의 기계적 특성을 가짐을 확인하였으며 이는 상대적으로 우수한 두께 균일성 및 낮은 기공 함유량에 의한 것으로 판단된다.
5) 액상성형 시편이 가진 물성들을 오토클레이브 성형 시편과의 비교 시 비교적 동등한 물성을 보임으로서 대체 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

후속연구

CAPRI 공정의 경우 액상성형공정 중에서 가장 우수한 품질을 보였지만 상대적으로 낮은 차압으로 인해 수지 주입 시 유동 속도가 낮아지고 전체 작업시간이 길어지는 단점을 가진다. DB 및 VAP 공정에서 공정 변수 제어측면에서의 접근을 통해 품질을 향상시킬 수 있도록 후속연구를 이어 나갈 예정이며, 내부 기공 크기, 형상 및 분포와 두께 균일성에 따라 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 미시적 연구/고찰로 확장할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오토클레이브 성형 공정이란 무엇인가?	오토클레이브 (Autoclave) 성형 공정은 항공산업분야의 복합재 부품 제작에 있어서 매우 안정적이고 중요한 제조방법으로서 자리매김 해왔었지만 오토클레이브가 가진 많은 장점과 함께 단점 또는 제약 사항들을 보여주고 있다. 최근에는 이러한 한계를 극복하기 위하여 다양한 탈 오토클레이브 (OoA, Out-of-Autoclave) 공정들이 연구 개발되고 있는데, 본 연구에서는 탈 오토클레이브 공정 중 하나로서 많은 관심을 받고 있는 액상성형공정 (Liquid Composite Molding)을 사용하여 시편들을 제작하고 이를 오토클레이브 공정으로 제작된 시편과 실험적으로 비교평가하였다.
	RTM 공정이 갖는 한계점은 무엇인가?	RTM 공정은 상하형 몰드 내에 Dry Preform을 위치시킨 뒤 낮은 점도의 액상 수지를 가압/주입하여 성형하는데 최종 경화부품에서 결함을 줄이고 우수한 표면 상태를 얻을 수 있으며 공정 자동화가 용이하고 대량생산에 적합하다는 장점이 있다. 반면에 상하 폐쇄형 몰드가 사용되고 높은 압력(0.3~1 MPa)이 적용됨에 따라 제작 비용이 증가되는 원인이 되며 이는 대형 부품에 적용하는데 걸림돌로 작용한다. 따라서, 항공기용 대형 일체화 구조물에는 VaRTM 공정 위주로 다양하게 연구개발이 이루어지고 있다[9,10].
	탈 오토클레이브 공정의 하나인 액상성형공정은 무엇인가?	탈 오토클레이브 공정의 하나인 액상성형공정(LCM, Liquid Composite Molding)은 수지가 미리 함침된 상태로 사용되는 프리프레그 자재와 달리 Dry Preform 보강재를 부품의 형상에 맞게 별도 제작한 뒤 수지(Matrix)를 주입하여 오븐 또는 자체 가열 몰드를 이용하여 경화/제작하는 공정이다. 항공기 부품 제작을 위해 사용되는 액상성형공정은 크게 적용 압력의 형태에 따라 RTM (Resin Transfer Molding)과 VaRTM (Vacuum Assisted RTM)의 두 가지 형태로 구분할 수 있는데 Table 1과 같다.

참고문헌 (19)

Jerome PORA, "Composite Materials in the Airbus A380 - From History to Future -", Proceeding of the 13 International Committee on Composite Materials, Beijing, China, 2001.
Marsh, G., "Airbus Takes on Boeing with Reinforced Plastic A350", Reinforced Plastics, Vol. 51, Issue 11, 2007, pp. 26-29.
Park, D.C., and Kim, Y.H., "Evaluation of Laminate Property using Caulplate Application", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 29, No. 5, 2016, pp. 231-235.
Koushyar, H., "Effects of Variation in Autoclave Pressure, Cure Temperature, and Vacuum Application Time on the Porosity and Mechanical Properties of a Carbon/epoxy Composite," Master Thesis, Wichita State University, USA, 2011.
Hong, S.H., Song, M.H., Song, K.I., Baik, S.M., and Shin, S.J., "Fabrication and Evaluation of Integrated Composite Part for Aircraft using OoA Prepreg", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 29, No. 5, 2016, pp. 315-320.
Mario Danzi, "Manufacturing of Polymer Composites OOA Prepreg Technology", CMASLab, ETH Zurich, 2017.
Harshe, R., "A Review on Advanced Out-of-Autoclave Composite Processing", Journal of the Indian Institute of Science, Vol. 95, No. 3, 2015.
Gardiner, G., "A400M Cargo Door: Out-of-Autoclave", Retrieved from Composites World website: http://www.compositesworld.com/articles/inside-manufacturing-a400m-cargo-door-out-ofthe-autoclave, 2010.
Phillips, B.J., "Multidisciplinary Optimisation of a CFRP Wing Cover," Doctoral Thesis, Cranfield University, UK, 2009.
Heider, D., Newton, C., and Gillespie, J.W., VARTM Variability and Substantiation, Center for Composite Materials, University of Delaware, 2006.
Kim, S.O., Seong, D.G., Um, M.K., and Choi, J.H., "Experimental and Phenomenological Modeling Studies on Variation of Fiber Volume Fraction during Resin Impregnation in VaRTM", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 28, No. 6, 2015, pp. 340-347.
Campbell, F.C., Manufacturing Processes for Advanced Composites, Elsevier, 2004.
Mitsuhiro Yamashita and Toru Sakagawa, "Development of Advanced Vacuum-assisted Resin Transfer Molding Technology for Use in an MRJ Empennage Box Structure", MHI Technical Review, Vol. 45, No. 4, 2008.
Li, W., Krehl, J., Gillespie, J.W., and Heider, D., "Process and Performance Evaluation of the Vacuum-Assisted Process", Journal of Composite Materials, Vol. 38, Issue. 20, pp. 1803-1814.

상세보기
US. Patent No. 7,334,782 B2, "Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion Process", 2008.
Vishwanath R. Kedari, Basil I. Farah and Kuang-Ting Hsiao, "Effect of Vacuum Pressure, Inlet Pressure, and Mold Temperature on the Void Content, Volume Fraction of Polyester/e-glass Fiber Composites Manufactured with VARTM Process", Journal of Composite Materials, Vol. 45, No. 26, 2011, pp. 2727-2742.

상세보기
"Carbon Fiber Laminate - Determination of the Fiber, Resin and Void Content", EN 2564, 1998.
"Carbon Fiber Reinforced Plastics - Determination of the Apparent Interlaminar Shear Strength", EN 2563, 1997.
"Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating materials", ASTM D790-03. 2003.

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