[논문]CFRP 적용을 위한 Carbon NCF Prepreg 제작 및 구조해석을 활용한 적층패턴 최적설계 연구

김신; 신헌충; 하성규

doi:10.7234/composres.2020.33.1.013

[국내논문] CFRP 적용을 위한 Carbon NCF Prepreg 제작 및 구조해석을 활용한 적층패턴 최적설계 연구
A Study of Carbon NCF Prepreg Manufacturing and Stacking Pattern Optimal Design Using Structure Analysis 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.1, 2020년, pp.13 - 18

김신 (Hanyang University of Mechanical Engineering) , 신헌충 (Korea Institute of Carbon Convergence Research Institute) , 하성규 (Hanyang University of Mechanical Engineering)

초록
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기존 소방구조용 작업차에서 문제가 되고 있는 협소도로 진입의 어려움 및 구조를 위한 신속한 작업 전개 한계성을 극복하기 위한 목적으로 소형 구조작업차 연구가 진행되고 있으며 이에 따른 경량화 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 소방 구조 작업차 5번 붐은 288 mm(W) × 299 mm(D) × 3,691 mm(L)이며 이에 걸리는 최대 하중은 876 kg이고, Steel Boom의 Thickness는 3 mm이다. Steel (STRENX960)을 CFRP 복합재로 변경하여 제작하기 위해 Carbon Fiber NCF (±45°, 2축)를 직조하고 이를 NCF Prepreg로 제작하였고 경량화와 강성, 강도를 극대화할 수 있는 최적설계 패턴을 제시하였다. 이 과정은 구조해석을 바탕으로 설계하였고, NCF Prepreg의 (±45°)가 비틀림에 미치는 영향을 확인했으며 적층패턴(b)로 최적설계 하였다. 기존 Steel Boom과 UD방향으로 적층한 CFRP Boom과 동등하거나 이상의 수준에 대한 적층패턴을 최적화하였고, 최종적으로 Steel 대비 약 49.6% 무게에 대한 경량화 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the fire rescue truck in problem proceed research it for the fast works action and for pass the small road. So we were research for weight reduction. In this study, the (NO. 5) fifth boom of the fire rescue truck have 288 mm(W) × 299 mm(D) × 3,691 mm(L) with a maximum load of 876 kg and the thickness of 3 mm of the Steel Boom. This changing of Steel (STRENX960) to CFRP was weave Carbon Fiber NCF (±45°, 2axis) and then it make the NCF Prepreg. This process was designed based on structural analysis, the effects of NCF Prepreg (±45°) on torsion were identified, and the optimal design was made with Stacking Pattern (b). Stack patterns were optimized for levels equal or higher than existing Steel Boom and CFRP Boom stacked in the UD direction, and finally, the lightening effect on weight of approximately 49.6% of the steel was identified.

Keyword

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Outrigger parts list in the Fire rescue truck
그림 Fig. 2. NO.5 Boom & Spec
그림 Fig. 3. Multi axial carbon fabric weaving machine(NCF)
그림 Fig. 4. Thermoforming system of CFRP with multi function (oven)
그림 Fig. 5. Carbon NCF fabric design [2]
그림 Fig. 6. Carbon NCF Fabric manufacturing process
그림 Fig. 7. Carbon NCF ± 45° Prepreg & Curing cycle
그림 Fig. 8. FEM Modeling & Boundary Condition
표 Table 1. Material property15
그림 Fig. 9. Fiber Direction of Carbon Boom
그림 Fig. 10. Comparison of Stress contour with Boom
그림 Fig. 11. Stacking pattern Comparison of Stress contour with Boom
그림 Fig. 13. Stacking Repeat PATTERN of Carbon Boom
표 Table 2. Level of Design variables at stage 1
표 Table 3. Result of Design variables at stage 1
표 Table 4. Level of Design variables at stage 2
그림 Fig. 12. Level of UD: NCF ratio
그림 Fig. 14. Manufacturing process of Carbon Boom
그림 Fig. 15. Product of CFRP Boom
그림 Fig. 16. Problems in the manufacturing process
표 Table 5. Result of Design variables at stage 2

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 NO.5 붐이 Steel (STRENX960) 재료로 무게가 98.2 kg인 제품을, CFRP(복합재료)로 재료를 변경하여 58.6% 이상의 경량화 및 동등 수준의 강성 확보, 적층패턴 최적 설계가 주목적이다.

제안 방법

협소한 도로(4 m) 전개 가능한 높이 22 m를 위하여 아웃트리거의 경량화가 필요해 보이며 5개의 붐 중에 가장 Stress가 심한 붐은 5번 붐이며 따라서 이 부분의 경량화와 강성을 보강하고자 하였고, Fig. 1은 구조사다리차의 아웃트리거와 부품 리스트와 Fig. 2는 개발품의 spec을 보여준다.
본 연구에서 ±45°Carbon NCF를 2축으로 직조하여 Prepreg로 제작하였고, 비틀림을 보강하기 위하여 Boom에 사용하였다.
5번 붐에 걸리는 하중은 소방관 2명 포함 무게 총 876 kg으로 하중을 고려하였고, Fig. 8은 유한요소 모델로 Mesh는Shell Type mesh로, Elements는 총 41,811개로 S4R elements를 적용하여 유한요소 모델을 구성하였고, 한쪽은 4번 붐이 잡고 있어 왼쪽 붐 형상만 고정을 하였고, 오른쪽 붐에서는 바스켓 관절 붐이 하중을 받기 때문에 면 하중으로Boundary Condition을 설정하였다.
.비틀림으로 인하여 발생되는 문제를 해결하기 위하여Carbon NCF ±45° Prepreg를 적용하였고, 적층패턴에 대하여 최적화 하기위해 구조해석을 Fig. 11과 같이 진행하였다[7].
먼저 Steel Boom의 해석 결과를 바탕으로 Table 1의 X2의설계 변수로 Abaqus (6.13)을 사용하여 구조해석[4]을 진행하였다.
구조해석 결과인 Steel Boom의 Displacement의 동등 수준을 찾기 위해 각각의 구조해석을 Fig. 10과 같이 진행하였으며 Steel Boom에서 1 ton의 힘을 가한 구조해석 결과Displacement가 6 mm였고, 경험적 근거로 Carbon Prepreg를사용하며 섬유방향은 Fig. 9에서처럼 UD 방향(0o)으로만 적층하였을 때 각각 33 ply (4 mm), 41 ply (5 mm), 50 ply(6 mm), 59 ply (7 mm)의 두께로 적층하였다.
1. Carbon Boom을 제작하기 위하여 Carbon Fiber를 활용하여 NCF Fabric(±45°)로 직조하였고, 이를 Prepreg로 제작하였다.
복합재 구조해석을 통하여 NCF Prepreg(±45°)가 미치는 영향을 구조해석으로 검증해보았다.
앞선 결과를 토대로 적층패턴(b)가 가장 적합하다고 판단되었고, 이를 바탕으로 CFRP Boom을 제작하였다.
본 연구에서는 NCF fabric 2축을 생산하여 epoxy를 함침시켜 B-stage 상태로 prepreg를 제작하였고, 이를 바탕으로SK Chemical 제품인 UD, woven Prepreg와 같이 (b)의 적층패턴으로 총 두께 6.04 mm로 CFRP Boom을 제작하였다. 복합재 구조해석을 통하여 NCF Prepreg(±45°)가 미치는 영향을 구조해석으로 검증해보았다.
3. 측면 하중에 대한 변형과 비틀림에 대하여 최적화 하기위해 NCF Prepreg를 사용하였고, 이에 따른 NCF Prepreg(±45°)를 사용하는 효과를 구조해석을 통하여 확인하였고,최종적으로 적층패턴(b)로 선정하였다.

대상 데이터

Carbon NCF는 carbon은 Toray T700, Z fibers는 Polyester소재를 사용하였고 ±45o 2축으로 설계하였으며 스티칭은Stiching length는 3 mm이고 Stiching Spacing은 5 mm로 Fig. 5와 같이 디자인하였고, Fig. 6에서 보듯이 2축(±45)으로 제작하였다[2].
NCF Fabric[3]을 Prepreg로 제작하였고, Resin contents는42%이고, Fiber Density 68.72%, Resin Density 31.28%로 설계하였다. Fig.
복합재료는 Toray T700으로 NCF를 직조하였으며 Prepreg는 한국카본의 E7 Resin을 사용하였다. 또한 T700SC-12k50C는 UD와 NCF에서 사용되었고, T700을 사용한 이유는성형성과 물성, 가격을 전반적으로 고려하였으며 Maximumthickness가 8 mm로 정해져 있어 고강도, 성형이 쉬운 제품으로 선택하였다.
복합재료는 Toray T700으로 NCF를 직조하였으며 Prepreg는 한국카본의 E7 Resin을 사용하였다. 또한 T700SC-12k50C는 UD와 NCF에서 사용되었고, T700을 사용한 이유는성형성과 물성, 가격을 전반적으로 고려하였으며 Maximumthickness가 8 mm로 정해져 있어 고강도, 성형이 쉬운 제품으로 선택하였다.
본 연구 제품의 기본재료는 STRENX960이고 각 물성은Table 1에서 확인 가능하다.
UD Prepreg는 제좌 SK Chemical의 UD Prepreg(0°)를사용하였고, NCF Prepreg(±45°)는 Toray T700 Fiber로 NCF를 직조, 제작하여 사용하였다.
CFRP Boom의 제작을 위하여 FRP로 금형을 제작하였고,적층패턴 (b)를 활용하여 총 37 ply 두께 6.04 mm로 제작하였다. UD Prepreg는 제좌 SK Chemical의 UD Prepreg(0°)를사용하였고, NCF Prepreg(±45°)는 Toray T700 Fiber로 NCF를 직조, 제작하여 사용하였다.

이론/모형

복합재료의 파손을 예측하기 위한 이론은 최대 응력 이론, Hashin, Tasi-Wu 이론 등 다양하게 연구되고 있으며 이중 Tsai-Wu 이론[1]을 적용하였다.

성능/효과

그 결과 복합재료를 사용한 붐이 기존 소재보다 경량화를 이루는 동시에 동등 이상의 기계적 성능을 보전할 수 있었다. 경량화에 대한 연구는 지속되고 있을 뿐만 아니 라 이종 소재와의 접합 또한 계속적으로 연구 중에 있다.
2. 5번 Boom의 Steel Boom의 두께는 약 3 mm이고 이를CFRP Boom으로 만들기 위하여 구조해석 결과 6 mm 이상이 되어야 한다고 판단되었다.
4. CFRP Boom을 (b)적층패턴로 제작한 결과 모서리부분의 두께가 두꺼워지는 문제와 두께의 오차가 생기는 제작상의 문제점이 발생되었고, 이부분은 공정상의 개선이 필요하다고 생각된다.
5. 최종적으로 기존 Steel Boom에 비하여 약 49.6% 경량화효과를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 CFRP Boom을 제작하는 데 발생한 문제점은 무엇인가?	4. CFRP Boom을 (b)적층패턴로 제작한 결과 모서리부분의 두께가 두꺼워지는 문제와 두께의 오차가 생기는 제작상의 문제점이 발생되었고, 이부분은 공정상의 개선이 필요하다고 생각된다.
	복합재료의 파손을 예측을 위한 이론은 무엇이 있는가?	복합재료의 파손을 예측하기 위한 이론은 최대 응력 이론, Hashin, Tasi-Wu 이론 등 다양하게 연구되고 있으며 이중 Tsai-Wu 이론[1]을 적용하였다.
	본 연구에서 NCF Prepreg를 사용하여 얻어진 적층패턴(b)의 문제점은 무엇인가?	4. CFRP Boom을 (b)적층패턴로 제작한 결과 모서리부분의 두께가 두꺼워지는 문제와 두께의 오차가 생기는 제작상의 문제점이 발생되었고, 이부분은 공정상의 개선이 필요하다고 생각된다.

참고문헌 (7)

Tsai, S.W., and Wu, E.M., "A General Theory of Strength for Anisotropic Materials," Journal of Composite Materials, Vol. 5, 1971, pp. 58-80.

상세보기
Sharp, K., and Davies, K., "3D Non-crimp Fabrics for Composite Structures," Reinforced Plastics, Vol. 58, Iss. 5, 2014, pp. 52-53.

상세보기
Wouters, M., "Effects of Fibre Bundle Size and Stitch Pattern on the Static Properties of Unidirectional Carbon-fibre Non-crimp Fabric Composites," EEIGM Master Thesis, SICOMP AB, Sweden, 2002.
Wu, W., Wang, Q., and Li, W., "Comparison of Tensile and Compressive Properties of Carbon/Glass Interlayer and Intralayer Hybrid Composites," Journal of Materials, Vol. 11, No. 7, 2018, pp. 1105-1118.

상세보기
Sassani, A., Ceylan, H., Kim, S., Gopalakrishnan, K., Arabzadeh, A., and Taylor, P.C., "Influence of Mix Design Variables on Engineering Properties of Carbon Fiber-modified Electrically Conductive Concrete," Journal of Construction and Building Materials, Vol. 152, 2017, pp. 168-181.

상세보기
Lee, K., and Kim, J., "Controller Gain Tuning of a Simultaneous Multi-axis PID Control System Using the Taguchi Method," Journal of Control Engineering Practice, Vol. 8, No. 8, 2000, pp. 949-958.

상세보기
Hwang, M.Y., and Kang, L.H., "Prediction of Material Properties of Carbon Fiber Prepreg in the Laminated Composite Using Reverse Analysis with Dynamic Characteristics," Journal of Composites Research, Vol. 32, No. 4, 2019, pp. 177-184.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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