[논문]복합재료 유체 저장 탱크 구조 설계를 위한 RTM 공법 수지 유동 해석

박현범

doi:10.20910/jase.2019.13.1.69

복합재료 유체 저장 탱크 구조 설계를 위한 RTM 공법 수지 유동 해석
Resin Flow Analysis of RTM Manufacturing Method for Design of Composite Fluid Storage Tank Structure 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.1, 2019년, pp.69 - 76

초록
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본 연구에서 복합재료 구조 설계를 위한 수지 이송 성형 공법의 수지 침투 유동 해석을 수행하였다. 대상 복합재료 구조물은 유체 저장 탱크 구조물이다. 유체 저장 탱크 복합재료 구조물 설계를 위해 자연 섬유 복합재료가 적용되었다. 자연섬유 복합재 구조의 제작을 위해 수지 이송 성형 공법을 채택하였다. 탱크의 적절한 RTM 조건을 도출하기 위하여 수지 침투 유동 해석을 수행하였다. 수지 유동 해석은 상용 유한 요소 해석 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 수행하였다. 수지 주입구와 배출구의 다양한 변경에 따른 반복적 해석을 수행하여 최적의 수지 주입 시간과 위치를 결정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, resin flow analysis of resin transfer moulding (RTM) method was performed for mould design of composite structure. The target composite structure was a tank used for fluid storage. Natural c fiber composite was adopted for composite structural design of the fluid storage tank. RTM was adopted for manufacturing of the tank using natural fiber composites. Resin flow analysis was performed to find the proper RTM conditions of the tank. The resin flow analysis was performed using the commercial FEM flow simulation software. After repeated analysis while changing the location of resin inlet and outlet, the proper resin filling time and pattern were found.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Hydraulic Pressure vs Tank Height
그림 Fig. 2 Designed Configuration of Tank for Fluid Storage
그림 Fig. 3 Finite Element Modeling for Tank Analysis
그림 Fig. 4 Stress Analysis Result of Tank for Fluid Storage
표 Table 1 Mechanical Properties of Flax/vinyl Ester Specimen (Fiber Volume Fraction: 51%)
그림 Fig. 5 Resin Flow Analysis Result of Permeability Test and Analysis
그림 Fig. 6 Modelling of Tank Lower Part for Resin Flow Analysis
그림 Fig. 7 Resin Flow Analysis Result of Case 1(Filling Time)
그림 Fig. 8 Resin Flow Analysis Result of Case 2(Filling Time)
표 Table 2 Resin Flow Analysis Parameter
표 Table 3 RTM Resin Flow Analysis Cases
그림 Fig. 9 Resin Flow Analysis Result of Case 3(Filling Time)
그림 Fig. 10 Surface Treatment of Master Model
그림 Fig. 11 Application on Gel Coat of Surface
그림 Fig. 12 Lamination of Glass Composite for Mould Manufacturing
그림 Fig. 13 Manufactured Mould of Tank
그림 Fig. 14 Flax Fiber Lamination of Tank Lower Part
그림 Fig. 15 Manufactured Prototype
표 Table 4 Adhesive Specification (ISR 70-05 AP)

AI 본문요약
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문제 정의

RTM 공정은 수지를 주입하는 방식으로 수지의 유동에 따라 섬유에침투하는 시간이 성형 시간에 중요한 변수로 작용한다. 따라서 본 연구를 통하여 RTM 공법의 수지 유동해석을 통해 복합재료 구조물 제작 시 고려될 주입구및 배출구를 선정하고 최적의 성형 조건을 도출하였다. 수지 유동 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 제한 조건 이내에 성형의 성공 여부를 판단할 수 있었으며, 최적화된 제작 공법을 확립하였다.
4는 응력 해석 결과이다. 본 구조 설계 결과 형상과 적층수를 반영한 3차원 모델을 적용하여 수지 유동 해석을 통해 최적화된 제작 방안을 연구하였다.
안종무 등은 고압 RTM 공정에서 고속수지 유동에 의한 섬유 보강재의 변형 거동에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 섬유와 금형의 마찰계수 측정 장치와 고압 RTM 공정을 모사하는 장치를구축하였다[8].
본 연구에서 자동차 차량에 적용되는 농약 저장 탱크의 구조 설계 및 시제품 제작을 수행하였다. 탱크는유체를 저장하는 형태이므로 바닥으로 작용하는 유체의 하중을 지탱할 수 있는 구조로 설계하였다.

제안 방법

RTM 공법의 수지 유동 해석을 위해서 탱크의 상하부의 두께를 Thin Shell로 모델링하였다. 수지 유동해석은 Polyworx 사의 RTM-Worx 소프트웨어를 사용하였다.
앞서 수치 해석 결과를 활용하여 최적의 수지 주입시간을 고려하고 주입구 및 배출구의 위치를 선정하였다. RTM 제작 공정의 수지 유동 해석 결과를 반영하여 수지 주입구와 수지 배출구를 바닥 측면 끝단 부분으로 결정하였다. 수지 입출구 위치를 고려하여 시제품 제작을 위한 몰드 설계 및 제작을 수행하였다.
선행 연구를 통해개념 설계된 탱크의 하단부를 양산을 위해 수지 유동해석을 수행하여 제작 공법을 개선하였다[10]. RTM공법의 수지 침투에 대한 다양한 설계 변수를 분석하여 주입구와 배출구의 최적 위치를 결정하였다.
따라서 실제 제품의 제품 두께 확보를 위해 Sheet wax를사용하였다. Sheet wax는 범용 적으로 사용되는FREEMAN사의 Sheet wax를 사용해 실제품의 제품두께를 보정하였으며, 이를 이용해 제품 성형을 위한몰드를 제작하였다. Fig 12는 몰드 제작을 위한 유리섬유 복합재료를 적층한 형상이다.
설계 하중은 탱크 바닥판으로 작용되는 유체의 압력과 유체가 높이에 따라 중력의 영향으로 단계적으로탱크 벽면에 작용하는 하중 두 가지를 분석하였다. 가장 큰 하중이 탱크 바닥판으로 작용되는 유체의 압력이므로 이를 설계 하중으로 정의하고 구조 설계를 수행하였다. 설계 하중은 유체를 물로 적용하여 물의 밀도(ρ) 1000 kg/m3, 중력 가속도(g) 9.
해석 모델은 복합재료요소인 PCOMP 요소를 이용하여 격자를 생성하였다.경계조건은 탱크 하단부가 차량에 고정되는 양 옆면체결부위에 고정 경계 조건을 적용하였으며, 하중은탱크 내부에 적용되는 유체의 압력을 분석하여 적용하였다. 탱크 구조 해석 결과 탱크 하단부로 작용하는압력에 의해 탱크 중앙 부위에 최대 응력이 작용한다.
구조 설계 결과는 MSC Software사의 NASTRAN유한 요소 해석 프로그램을 활용하여 구조 안전성을평가하였다. Fig.
농약 저장 탱크의 구조 설계 결과를 반영하여 최종시제품 제작을 수행하였다. 시제품 제작을 위한 공법으로 RTM 제작 공법을 채택하였다.
몰드 위에 설계 결과인[±452/(0/90)2/±45] 적층 각도를 고려하여 2-DFabric 아마 섬유를 적층하였다.
함침성 실험은 총 3번을 수행하여 평균값을 도출하였다. 복합재 섬유의 특성상섬유의 길이 방향(롤에 감긴 방향, K₁)과 수직 방향(K₂)을 측정했을 때 롤을 감을 때 발생하는 힘에 의해일부 차이가 나기 때문에 평균 함침성 계수를 측정하였다. K₁ 방향의 함침성 계수 평균은 5.
각 그림의 왼쪽 그래프는 함침 시간을 의미한다.본 수치 해석 결과를 활용하여 최적의 수지 주입 시간을 고려하고 주입구 및 배출구의 위치를 선정하였다.수지의 입출구는 몰드 제작과 시제품 제작을 위해 제작 공정을 고려하여 Case 3의 위치로 선정하였다.
11은 모델의 표면에Gel coat를 도포한 형상이다. 본 연구 개발에 적용된제작 공법은 진공과 함께 압력을 가하는 RTM 공법으로 상, 하형 몰드를 적용하여 성형하는 방식이다. 따라서 실제 제품의 제품 두께 확보를 위해 Sheet wax를사용하였다.
75 6kN/m² 로 계산하여 설계하중으로 적용하였다.본 연구 대상 구조물의 안전율은 제작사와 논의하여기존에 적용된 탱크 설계 요구 조건을 분석하여 안전율 3으로 적용하였다. Fig.
본 연구를 위한 대상 구조물인 자동차 차량용 농약저장 탱크는 하단부 바닥판이 가장 큰 하중을 받으므로 바닥 구조 설계를 위해 복합재료 설계 기법으로 두가지 방안을 적용하였다. 복합재료의 특성상 한 방향으로만 모든 하중을 담당한다고 가정하는 단순 설계기법(netting rule)을 적용해 개념 설계를 수행하였다.
본 연구의 선행 연구로서 아마 섬유를 적용하여 시편 제작연구를 수행한 바 있다[9]. 본 연구에서는 복합재료를적용하여 자동차 차량용 농약 저장 탱크의 구조 설계및 시제품 제작을 수행하였으며, 이에 대한 제작 공법으로 RTM 제작 공법을 적용하였다. 선행 연구를 통해개념 설계된 탱크의 하단부를 양산을 위해 수지 유동해석을 수행하여 제작 공법을 개선하였다[10].
제품 형상이 대부분 복잡하므로 복합재료 구조물 제작 시 몰드 설계에 고려될 주입구와 배출구의위치 선정과 최적 성형 조건을 결정하기 위해 수지 유동 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 수지 유동을 예측할 수 있는 상용 유한 요소 해석 프로그램을 적용하였다. 수지 유동 해석을 위해서 식 (1)에 제시한 점성유체의 흐름 법칙인 Darcy의 법칙(Darcy's law)을 적용하여 함침성을 측정하였다[12].
자연 섬유 복합재료에 대한 연구는 유럽을 중심으로 활발하게 연구 되고 있다. 본 연구에서는 영국첨단제조센터에서 아마/비닐 에스테르 복합재료의 시편 제작 후 기계적 물성치를 분석한 결과를 적용하여구조 설계를 수행하였다. 시편 제작에 적용된 아마 섬유는 영국의 composite evolution 에서 구매한 섬유이며, 섬유 직물의 직조 구조는 ±45°로 직조된 2-DFabric 형태의 섬유를 이용하여 시편을 제작하고 물성치를 평가하였다.
설계 하중은 탱크 바닥판으로 작용되는 유체의 압력과 유체가 높이에 따라 중력의 영향으로 단계적으로탱크 벽면에 작용하는 하중 두 가지를 분석하였다. 가장 큰 하중이 탱크 바닥판으로 작용되는 유체의 압력이므로 이를 설계 하중으로 정의하고 구조 설계를 수행하였다.
수지 유동 해석 프로그램의 해석 신뢰성을 분석하기위해 함침성 실험 결과 조건을 적용하여 수지 유동을모사하였다. 수지의 함침성 실험은 카메라를 통해 시간당 수지 흐름 선단을 분석하였다.
RTM 제작 공정의 수지 유동 해석 결과를 반영하여 수지 주입구와 수지 배출구를 바닥 측면 끝단 부분으로 결정하였다. 수지 입출구 위치를 고려하여 시제품 제작을 위한 몰드 설계 및 제작을 수행하였다. 탱크 설계 형상을 반영하여 마스터 모델을 제작한 후 몰드 제작을 수행하였다.
수지의 함침성 실험은 카메라를 통해 시간당 수지 흐름 선단을 분석하였다. 수지가 섬유 주입구 중앙에서 직경 50 mm 지점까지 도달하는 시간을기준으로 함침성을 측정하였으며, 해석 시간과 비교하였다. 해석을 통한 함침성은 445초이며, 실험 결과는 480초로 측정되어 유사한 결과임을 확인하였다.
수지 유동 해석 프로그램의 해석 신뢰성을 분석하기위해 함침성 실험 결과 조건을 적용하여 수지 유동을모사하였다. 수지의 함침성 실험은 카메라를 통해 시간당 수지 흐름 선단을 분석하였다. 수지가 섬유 주입구 중앙에서 직경 50 mm 지점까지 도달하는 시간을기준으로 함침성을 측정하였으며, 해석 시간과 비교하였다.
시편 제작에 적용된 아마 섬유는 영국의 composite evolution 에서 구매한 섬유이며, 섬유 직물의 직조 구조는 ±45°로 직조된 2-DFabric 형태의 섬유를 이용하여 시편을 제작하고 물성치를 평가하였다.
앞서 계산된 설계 하중을 바닥판의 처짐과 적용 재료의 탄성계수를 고려하여 설계하였다. 구조 설계 결과 탱크 하단부는 2-D Fabric 아마 섬유 10plies 두께로 설계되었으며, 적층 형태는 [±452/(0/90)2/±45]s이다.
RTM 공법은 섬유 구성품인 프리폼(preform)을 미리제작하고, 금형에 적층하여 수지를 주입하는 복합재료성형 공법이다. 앞서 설계한 대상 구조물인 탱크의 구조 설계 형상 모델에 수지를 침투하는 시뮬레이션을통해 최적화된 수지 입출구 위치를 결정하였다.
앞서 수치 해석 결과를 활용하여 최적의 수지 주입시간을 고려하고 주입구 및 배출구의 위치를 선정하였다. RTM 제작 공정의 수지 유동 해석 결과를 반영하여 수지 주입구와 수지 배출구를 바닥 측면 끝단 부분으로 결정하였다.
앞서 제작된 몰드에 선행 연구를 통해 도출한 수지주입구와 배출구를 고려하여 각 포트를 장착하였다.제작 공정의 RTM 수지 유동 해석 결과를 반영하여수지 주입구와 수지 배출구를 바닥 측면 끝단 부분으로 결정하였다.
앞서 제작된 몰드에 선행 연구를 통해 도출한 수지주입구와 배출구를 고려하여 각 포트를 장착하였다.제작 공정의 RTM 수지 유동 해석 결과를 반영하여수지 주입구와 수지 배출구를 바닥 측면 끝단 부분으로 결정하였다. 몰드 위에 설계 결과인[±452/(0/90)2/±45] 적층 각도를 고려하여 2-DFabric 아마 섬유를 적층하였다.
15는 몰드를 활용하여 최종 제작된 탱크 하단부 형상이다. 제작된 탱크상하면 시제품의 접착은 시편 제작을 통해 접합부를결합하여 접착 시험을 통해 성능을 검증한 ISR 70-05AP 접착제를 적용하여 결합하였다. 접착제의 세부 사양은 Table 4에 명시하였다.
10은 몰드 제작을 위한마스터 모델을 보여주고 있다. 제품 몰드의 표면 상태를 양호하게 제작하기 위해 모델에 Primer paint를 도포하고 유격이 발생한 자리는 Putty를 이용하여 표면을 매끄럽게 처리하였다. Fig.
따라서 수지 침투 유동해석을 통해 주입 경로를 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 제품 형상이 대부분 복잡하므로 복합재료 구조물 제작 시 몰드 설계에 고려될 주입구와 배출구의위치 선정과 최적 성형 조건을 결정하기 위해 수지 유동 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 수지 유동을 예측할 수 있는 상용 유한 요소 해석 프로그램을 적용하였다.
수지 입출구 위치를 고려하여 시제품 제작을 위한 몰드 설계 및 제작을 수행하였다. 탱크 설계 형상을 반영하여 마스터 모델을 제작한 후 몰드 제작을 수행하였다. Fig.
본 연구에서 자동차 차량에 적용되는 농약 저장 탱크의 구조 설계 및 시제품 제작을 수행하였다. 탱크는유체를 저장하는 형태이므로 바닥으로 작용하는 유체의 하중을 지탱할 수 있는 구조로 설계하였다.
수지 유동 해석에서 중요하게 작용하는 변수는 섬유체적비, 수지의 점성 그리고 함침성 계수이다. 특히 함침성 계수는 직접 실험을 통해서 측정되어야 하며, 이를 위해서 직접 실험 장비를 설계 제작하여 함침성 계수를 측정하였다. 함침성 실험용 장비는 중앙의 구멍에 수지를 주입하고 주위의 구멍을 통해 출력되는 구조이며, 내부에서 수지의 침투 속도를 측정한다.
주입구 압력과 수지의 점성 및 침투 속도를 통해 재료의함침성을 측정하게 된다. 함침성 실험은 총 3번을 수행하여 평균값을 도출하였다. 복합재 섬유의 특성상섬유의 길이 방향(롤에 감긴 방향, K₁)과 수직 방향(K₂)을 측정했을 때 롤을 감을 때 발생하는 힘에 의해일부 차이가 나기 때문에 평균 함침성 계수를 측정하였다.
3은 유한 요소 해석을 위해 하중 및경계조건을 적용한 형상이다. 해석 모델은 복합재료요소인 PCOMP 요소를 이용하여 격자를 생성하였다.경계조건은 탱크 하단부가 차량에 고정되는 양 옆면체결부위에 고정 경계 조건을 적용하였으며, 하중은탱크 내부에 적용되는 유체의 압력을 분석하여 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용된 재료는 선행 연구를 통해 기계적 물성치를 분석한 자연 섬유인 아마 섬유가 적용되었다. 자연 섬유 복합재료에 대한 연구는 유럽을 중심으로 활발하게 연구 되고 있다.

이론/모형

본 연구를 위한 대상 구조물인 자동차 차량용 농약저장 탱크는 하단부 바닥판이 가장 큰 하중을 받으므로 바닥 구조 설계를 위해 복합재료 설계 기법으로 두가지 방안을 적용하였다. 복합재료의 특성상 한 방향으로만 모든 하중을 담당한다고 가정하는 단순 설계기법(netting rule)을 적용해 개념 설계를 수행하였다.단순 설계 방법에 의한 설계 개념은 하중 방향으로 적층된 섬유만이 그 하중을 담당하며, 다른 방향으로 적층된 섬유는 강도에 기여하지 않는다고 가정하는 방법으로서 초기 개념 설계에 유용하다.
본 연구에서 구조물 제작을 위해 채택한 공법은 수지 주입 공법인 RTM(resin transfer molding) 공법이다. 최근 들어 복합재료 대형 구조물 성형 및 생산성등의 향상을 고려하여 RTM공법이 부각되고 있다.
수지 유동 해석을 위해서 식 (1)에 제시한 점성유체의 흐름 법칙인 Darcy의 법칙(Darcy's law)을 적용하여 함침성을 측정하였다[12].
RTM 공법의 수지 유동 해석을 위해서 탱크의 상하부의 두께를 Thin Shell로 모델링하였다. 수지 유동해석은 Polyworx 사의 RTM-Worx 소프트웨어를 사용하였다. Fig.
농약 저장 탱크의 구조 설계 결과를 반영하여 최종시제품 제작을 수행하였다. 시제품 제작을 위한 공법으로 RTM 제작 공법을 채택하였다. RTM 공정은 수지를 주입하는 방식으로 수지의 유동에 따라 섬유에침투하는 시간이 성형 시간에 중요한 변수로 작용한다.
단순 설계 방법에 의한 설계 개념은 하중 방향으로 적층된 섬유만이 그 하중을 담당하며, 다른 방향으로 적층된 섬유는 강도에 기여하지 않는다고 가정하는 방법으로서 초기 개념 설계에 유용하다. 이를 개선하여 섬유의 방향성을 고려하고 타 방향의 하중을 담당하는섬유 각도를 결정하는 혼합 설계 기법(rule ofmixture)를 적용하여 준등방성(quasi-isotropic) 복합재 구조로 적층 순서를 결정하였다[2]. 혼합 설계 방법은 복합재료 설계시 하중 방향과 다른 방향으로 적층된 섬유도 원래 강도의 10%가 하중 방향에 기여한다는 이론으로서 보다 경량화된 설계 개념이다.

성능/효과

46으로 검토되었다. 따라서 설계 결과는 충분히 안전한 것으로 확인되었다. Fig.
본 연구에서 Table 3의 조건으로 각각 해석한 결과Case 1은 1,790초, Case 2는 3,790초, Case 3은1,369초로 Case 2를 제외한 나머지 모든 조건이 경화가 일어나기 전 수지가 완전 침투를 하였으나, 완전침투가 짧으면 좋기 때문에 Case 3의 RTM 침투 조건이 가장 적절한 것으로 확인할 수 있다. Fig.
따라서 본 연구를 통하여 RTM 공법의 수지 유동해석을 통해 복합재료 구조물 제작 시 고려될 주입구및 배출구를 선정하고 최적의 성형 조건을 도출하였다. 수지 유동 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 제한 조건 이내에 성형의 성공 여부를 판단할 수 있었으며, 최적화된 제작 공법을 확립하였다.
7 MPa이다. 재료 강도는 227.2MPa로서 안전계수 1.5를 적용하여 안전여유를 계산한결과 4.46으로 검토되었다. 따라서 설계 결과는 충분히 안전한 것으로 확인되었다.
수지가 섬유 주입구 중앙에서 직경 50 mm 지점까지 도달하는 시간을기준으로 함침성을 측정하였으며, 해석 시간과 비교하였다. 해석을 통한 함침성은 445초이며, 실험 결과는 480초로 측정되어 유사한 결과임을 확인하였다.Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RTM(resin transfer moulding) 공법이 부각되는 이유는 무엇인가?	그러나 생산성과 경제성에 의해 소량 생산의 몇몇 업체를 제외하고는 RTM은 외면되고, 오픈몰드 생산방식이 1980년대까지 이어지게 되었다. 최근1990년대 들어와 대량생산의 기초를 마련한 몰드 기술과 소재의 발전 등으로 RTM 공정에 새로운 기술이소개되면서 현재 미국을 비롯하여 유럽에서 복합재료성형 산업에 가장 큰 기술의 주류를 이루고 있다. 특히 항공기 및 자동차 등의 대형 구조물 제작 산업에서탈 오토클레이브 공정에 대한 경제성 및 성능 개선의필요성이 제기됨에 따라 점차 RTM 등의 공정이 부각되고 있다[1].
	복합재료의 활용도가 증가하는 이유는 무엇인가?	현재 복합재료는 항공기, 자동차 등 구조물의 경량화를 위하여 금속재료 대체를 위해 활용도가 급격히증가하고 있다. 복합재료는 설계 과정부터 제작 공법에 대한 고려가 필요하다.
	혼합 설계 기법(rule ofmixture)이란 무엇인가?	단순 설계 방법에 의한 설계 개념은 하중 방향으로 적층된 섬유만이 그 하중을 담당하며, 다른 방향으로 적층된 섬유는 강도에 기여하지 않는다고 가정하는 방법으로서 초기 개념 설계에 유용하다. 이를 개선하여 섬유의 방향성을 고려하고 타 방향의 하중을 담당하는섬유 각도를 결정하는 혼합 설계 기법(rule ofmixture)를 적용하여 준등방성(quasi-isotropic) 복합재 구조로 적층 순서를 결정하였다[2]. 혼합 설계 방법은 복합재료 설계시 하중 방향과 다른 방향으로 적층된 섬유도 원래 강도의 10%가 하중 방향에 기여한다는 이론으로서 보다 경량화된 설계 개념이다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
Jeong, J. W., Lee, B. S., Kang, B. Y., Han, K. S., Su, S. B., "Study of Laminating Strategy for FRP Hull Using Resin Infusion Simulation," Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 23, No. 2, pp. 98-103, 2009.

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