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자동 섬유 적층(AFP)을 활용한 열가소성 복합재의 공정 변수에 따른 기계적 물성 평가
Mechanical Properties for Processing Parameters of Thermoplastic Composite Using Automated Fiber Placement 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.5, 2019년, pp.229 - 236  

성정원 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  최현석 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  권보성 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  오세운 (Korea Aerospace Industries, Ltd.) ,  이상민 (Korea Aerospace Industries, Ltd.) ,  남영우 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  권진회 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University)

초록
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본 연구에서는 자동 섬유 적층(AFP) 장비로 제작한 열가소성 복합재에 대하여 추가 공정을 수행한 후 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하였다. 제작을 위한 기초 연구로써 AFP의 공정 변수를 통해 열가소성 복합재를 제작하였으며 제작된 열가소성 복합재에 어닐링(Annealing) 및 진공백(Vacuum bag only) 공정을 수행하였다. 추가 공정 후 검증을 위해 결정화도 및 기공률 측정을 수행하였다. 결정화도는 시차 주사 열량 측정법(Differential scanning calorimetry)을 통해 측정하였으며 반 결정 구조인 열가소성 복합재의 공정 조건에 따른 결정화도 변화를 확인하였다. 기공률 측정을 위해 수지 용해를 수행하였으며 현미경 촬영을 통해 기공 분포를 확인하고 수지 용해법을 통해 기공률을 계산하여 공정 조건에 따른 기공률 변화를 관찰하였다. 검증 후 수행한 층간 전단 강도 시험 결과 AFP로 제작한 열가소성 복합재의 경우 결정화도 보다 기공률 값이 기계적 물성에 더 많은 영향을 미쳤다. 또한 진공백 공정을 통해 열가소성 복합재를 녹는점까지 도달시켰으며 진공상태에서 지속적으로 열가소성 복합재 내의 기공을 제거함에 따라 층간 전단 강도가 증가하는 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the effects of the additional processing parameters on the mechanical properties of thermoplastic composites fabricated with automated fiber placement (AFP) were evaluated. Annealing and vacuum bag only processes were then performed on the manufactured thermoplastic composites, respec...

주제어

표/그림 (11)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 자동 섬유 적층 장비를 이용한 열가소성 복합재 제작의 기초연구로써 탈 오토클레이브로 우수한 기계적 물성을 확보하기 위해서는 진공백 과정을 통한 고형화가 필요함을 확인하였다. 향후 자동 섬유 적층 장비를 통해 적층되는 몰드(Mold)가 충분한 열을 전달할 경우 추가 공정이 필요 없는 In-situ 열가소성 복합재 제작이 가능할 것으로 예상한다.
  • 본 연구에서는 자동 섬유 적층 장비의 레이저 출력에 의한 적층 온도 및 속도를 변수로 열가소성 복합재를 제작하였다. 또한 제작된 열가소성 복합재에 대하여 어닐링 및 진공백 공정을 추가로 수행한 후 추가 공정이 층간 전단 강도에 미치는 영향을 분석하였으며 비교를 위하여 추가 공정을 수행하지 않은 열가소성 복합재도 함께 제작하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탈 오토 클레이브(Out of autoclave) 공정이란 무엇인가? 이러한 이유로 열가소성 복합재 구조물은 자동 섬유 적층 장비를 이용하여 제작되는 경우가 증가하고 있으며 최근에는 경화 작업을 거치지 않고 자동 섬유 적층 장비만으로 구조물을 제작하는 in-situ 공정 연구가 수행되고 있다[4]. 대표적인 탈 오토 클레이브(Out of autoclave) 공정은 자동 섬유 적층 장비를 이용한 공정으로 수작업에 비해 제작 시간이 크게 줄어들고 공정 반복성을 향상할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다[5]. 자동 섬유 적층 장비는 1 cm 내외의 폭으로 형성된 복합재 테이프를 다축제어가 가능한 장치에 장착시켜 원하는 위치와 각도로 정확히 적층한다[6,7].
열경화성 복합재의 단점은 무엇인가? 열경화성 복합재는 우수한 기계적 특성으로 인해 항공기를 비롯한 각종 구조물에 적용되고 있지만, 장시간의 제작 시간이 소요되고 가공 후 재가공이 불가능하며 그로 인해 재활용되지 않아 친환경적이지 못한 단점이 있다[1]. 이러한 단점으로 인해서 최근 열가소성 복합재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 연구에서 열가소성 복합재에 대한 어닐링 및 진공백 공정을 추가 여부 차이는 무엇인가? 또한 제작된 열가소성 복합재에 대하여 어닐링 및 진공백 공정을 추가로 수행한 후 추가 공정이 층간 전단 강도에 미치는 영향을 분석하였으며 비교를 위하여 추가 공정을 수행하지 않은 열가소성 복합재도 함께 제작하였다. 시험 결과, AFP로 제작한 열가소성 복합재의 경우 결정화도보다 기공률 값이 기계적 물성에 더 많은 영향을 미쳤다. 또한 VBO 공정을 추가로 수행할 시 열가소성 복합재가 녹는 점까지 도달하였으며 진공펌프를 통해 지속해서 열가소성복합재 내의 기공을 제거함에 따라 층간 전단 강도가 증가하는 것을 확인하였다.
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참고문헌 (20)

  1. Luigi, S., Davi, S.V., Marco, D., Fabrizio, S., and Jacopo, T., "Effect of Temperature on Static and Low Velocity Impact Properties of Thermoplastic Composites," Composites Part B, Vol. 113, 2017, pp. 100-110. 

  2. Bo, X., Sha, Y., Yang, W., Hongfu, L., Boming, Z., and Robert, O.R., "Long-fiber Reinforced Thermoplastic Composite Lattice Structures: Fabrication and Compressive Properties," Composites Part A, Vol. 97, 2017, pp. 41-50. 

  3. Kuklinski, M., "Influence of Voids and Layers Number on Mechanical Properties of Hand Lay-up Bended Laminates," Journal of Polish CIMAC, 2011. 

  4. Grouve, W.J.B., Warnet, L.L., Rietman, B., Visser, H.A., and Akkerman, R., "Optimization of the Tape Placement Process Parameters for Carbon-PPS Composites," Composites Part A, Vol. 50, 2013, pp. 44-53. 

  5. Centea, T., Grunenfelder, L. K., and Nutt, S. R., "A Review of Out-of-autoclave Prepregs-Material Properties, Process Phenomena, and Manufacturing Considerations," Composites Part A, Vol. 70, 2015, pp. 132-154. 

  6. Kim, Y.I., and Choi, S.M., "Application of Composites on Korean Aircraft Program," Composite Research, Vol. 16, No. 1, 2003, pp. 68-74. 

  7. Shim, J.Y., Jung, K.W., Lee, H.Y., Lee, S.K., Hwang, G.C., and Ahn, S.M., "KC-100 Full-scale Airframe Static Test," International Journal of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 42, No. 1, 2014, pp. 67-75. 

  8. Saenz-Castillo, D., Martin, M.I., Calvo, S., Rodriguez-Lence, F., and A. Guemes, "Effect of Processing Parameters and Void Content on Mechanical Properties and NDI of Thermoplastic Composites," Composites Part A, Vol. 121, 2019, pp. 308-320. 

  9. Qureshi, Z., Swait, T., Scaife, R., and El-Dessouky, H.M., "In Situ Consolidation of Thermoplastic Prepreg Tape Using Automated Tape Placement Technology: Potential and Possibilites," Composites Part B, Vol. 66, 2014, pp. 255-267. 

  10. Comer, A.J., Ray, D., Obande, W.O., Jones, D., Lyons, J., Rosca, I., O' Higgins, R.M., and McCarthy, M.A., "Mechanical Characterisation of Carbon Fibre-PEEK Manufactured by Laser-Assisted Automated-Tape-Placement and Autoclave," Composite Part A, Vol. 69, 2015, pp. 10-20. 

  11. Bandaru, A.K., Clancy, G., Peeters, D., O'Higgins, R.M., and Weaver, P.M., "Properties of a Thermoplastic Composite Skin-Stiffener Interface in a Stiffened Structure Manufactured by Laser-Assisted Tape Placement with in Situ Consolidation," Composite Structures, Vol. 214, 2019, pp. 123-131. 

  12. Kim, J.H., Han, J.S., Bae B.H., Choi, J.H., Kweon, J.H., "Manufacturing and Structural Analysis of Thick Composite Spar Using AFP Machine," Composite Research, Vol. 28, No. 4, 2015, pp. 212-218. 

  13. Park, D.C., Park, C.W., Shin, D.H., and Kim Y.H., "A Study on Crystallization of Thermoplastic Aromatic Polymer," Composite Research, Vol. 31, No. 2, 2018, pp. 63-68. 

  14. Gao S.L., and Kim J.K., "Cooling Rate Influences in Carbon Fibre/PEEK Composites. Part 1. Crystallinity and Interface Adhesion," Compos Part A, Vol. 31, Iss. 6, 2000, pp. 517-530. 

  15. Ayman, A.A., "Heat Treatment of Polymers: A Review", International Journal of Materials Chemistry and Physics, Vol. 1, No. 2, 2015, pp. 132-140. 

  16. ASTM D3171. Standard Test Methods for Constituent Content of Composite Materials. 

  17. ASTM D792. Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement. 

  18. Little, J.E., Yuan, X., and Jones, M.I., "Characterisation of Voids in Fibre Reinforced Composite Materials," NDT & E International, Vol. 46, 2012, pp. 122-127. 

  19. ASTM D3418. Standard Test Method for Transition Temperatures of Polymers By Differential Scanning Calorimetry. 

  20. ASTM D2344. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. 

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