[논문]섬유부피분율 증가와 공극 감소를 위한 VARTM 공정의 대기압 제어에 관한 연구

곽성훈; 김태준; 탁윤학; 권성일; 이재현; 김상용; 이종천

doi:10.7234/composres.2021.34.2.088

섬유부피분율 증가와 공극 감소를 위한 VARTM 공정의 대기압 제어에 관한 연구
A Study on the Atmospheric Pressure Control of the VARTM Process for Increasing the Fiber Volume Fraction and Reducing Void 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.2, 2021년, pp.88 - 95

곽성훈 (Technology & Innovation Division, Gyeongbuk Hybrid Technology Institute) , 김태준 (Technology & Innovation Division, Gyeongbuk Hybrid Technology Institute) , 탁윤학 (Technology & Innovation Division, Gyeongbuk Hybrid Technology Institute) , 권성일 (Defense Engineering Team, Hankuk Fiber Co., Ltd.) , 이재현 (Defense Engineering Team, Hankuk Fiber Co., Ltd.) , 김상용 (Aerospace Technology Research Institute, Agency for Defense Development) , 이종천 (Aerospace Technology Research Institute, Agency for Defense Development)

초록
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VARTM(Vacuum-assisted resin transfer molding) 공정은 OoA(Out of Autoclave)에 속하는 저가형 공정기술로 다양한 분야에 널리 사용되어 왔다. 그러나 오토클레이브 공정보다 품질이 낮아 고신뢰성이 요구되는 항공산업에는 적용하기 어려웠다. VARTM 공정의 주요 문제는 오토클레이브 대비 낮은 섬유부피분율과 높은 Void 함량에 의한 기계적 물성의 손실이었다. 따라서 많은 연구자들이 Void를 줄이고 섬유부피분율을 높일 수 있는 연구를 수행해 왔다. 이러한 연구의 흐름에 따라 본 연구에서는 수지 주입 과정 중 대기압을 제어하는 방법이 섬유부피분율을 높이고 Void를 감소시킬 수 있는지 검토하였다. 신뢰성 평가는 Void와 연관성이 있는 압축강도시험, 섬유부피분율 분석, 광학현미경 촬영을 통해 확인하였다. 결과적으로 VARTM 공정에서 수지 주입과정 중 대기압을 단계별로 높이는 방법이 섬유부피분율 증가와 Void 감소에 직접적인 효과가 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

VARTM (Vacuum-assisted resin transfer molding) process is a low-cost process technology and affiliated with OoA (Out of Autoclave). Besides, it has been widely used in various fields. However, because of its lower quality than the autoclave process, it isn't easy to apply the VARTM process to the aerospace industry, which requires high reliability. The main problem of the VARTM process is the loss of mechanical properties due to the low fiber volume fraction and high void content in comparison to the autoclave. Therefore, many researchers have studied to reduce void and increase fiber volume fraction. This study examines whether the method of controlling atmospheric pressure could increase the fiber volume fraction and reduce void during the resin impregnation process. Reliability evaluation was confirmed by compressive strength test, fiber volume fraction analysis, and optical microscopy. As a result, it was confirmed that increasing the atmospheric pressure step by step in the VARTM process of impregnating the preform with resin effectively increases the fiber volume fraction and reduces void.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Impregnation mechanisms in a dual-scale porous medium
그림 Fig. 2. Void content change by flow velocity
그림 Fig. 3. Resin impregnation completed in the VARTM process
그림 Fig. 4. Photograph of the VARTM process set-up
그림 Fig. 5. Schematic of the typical set-up in VARTM process (A, C type)
그림 Fig. 6. Schematic of the atmospheric pressure control set-up in VARTM process (B type)
그림 Fig. 7. Flow control method, 1) Constant pressure, 2) Constant flow rate, 3) Semi-Constant flow rate
그림 Fig. 8. Interval plot of compressive strength test results (95% Confidence interval for mean)
$Fig. 9. Interval plot of fiber volume fraction analysis results (95% Confidence interval for mean)$ 그림 Fig. 9. Interval plot of fiber volume fraction analysis results (95% Confidence interval for mean)
그림 Fig. 10. Interval plot of void content analysis results (95% Confi-dence interval for mean)
표 Table 1. Experimental results of the VARTM process
그림 Fig. 11. Cross section of the VARTM process samples
그림 Fig. 12. Cross section of the sample H-08

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 높은 Void 함량으로 인해 기계적 물성에도 손실이 컸다. 따라서 많은 연구자들이 Void를 줄이고 섬유부피분율을 높이고자 공정에 적합한 저점도 수지와 직물을 개발하였고 동시에 공정개선을 위한 연구를 수행하였다[6-17].
것으로 기대하였다. 따라서 본 연구에서는 VARTM 공정의 수지주입 중 대기압을 단계별로 높여가면서 수지의 유속을 제어하였고 이 방법이 Void를 최소화하고 섬유부피분율을 높이는데 기여할 수 있는지 검토하였다.

제안 방법

주입구의 밸브를 닫고 오븐에 투입하였다. B type 주입 방법은 주입구 압력을 제어하는 방법으로 주입시점부터 Fig. 7 3)과 같이 주입구의 압력을 단계별로 높여갔고 배출구 호스에 약 5 cm 정도 수지가 고이면 배출구와 주입구의 최종 압력을 정해진 시간만큼 유지한 후 밸브를 잠그고 오븐에 투입하였다. C type 주입방법은 수지 주입이 완료되면 진공백 내부의 압력을 증가시키는 방법이다.
④ Final vacuum holding time: 최종 진공유지 시간위 네 종류의 변수는 VARTM 공정의 섬유부피분율과 Void 함량에 크게 영향을 미치는 핵심변수로 결정하였다. 결과적으로 수지 주입과정 중 대기압 제어 방법이 섬유부피분율을 높이고 Void를 감소시키는데 상당한 효과가 있음을 확인하였다.
가 고이면서 버블이 잦아들면 주입을 중단하고 즉시 배출구와 주입구의 밸브를 닫고 오븐에 투입하였다. B type 주입 방법은 주입구 압력을 제어하는 방법으로 주입시점부터 Fig.
또한 더 직관적으로 Void를 확인하기 위해 시료의 단면을 광학현미경으로 관찰하였다. 광학현미경 분석은 절단한 단면을 마운팅 하고 폴리싱한 후 Leica Microsystems의 DM4000M 현미경을 통해 촬영하여 매회 공정 안정화의 기초자료로 활용하였다. 압축시험은 각 샘플에서 0° 방향으로 절단된 시편 5개를 MTS Systems Corporation 의 Landmark 100kN 피로시험기를 이용하여 ASTM D 6641 규격에 준하여 시험하였다.
따라서 수지 주입이 완료된 후 내부 압력을 약간 높여주는 방법이 Void를 줄이는데 효과적일 수 있다고 하였다. 그리고 금속소재로 된 0.5 mm 두께의 Cover Mold를 Flow media와 Peel ply 사이에 배치하여 천공필름 역할을 하도록 고안하여 섬유부피분율을 높일 수 있는 방안을 제시했다.
따라서 VARTM 공정의 신뢰성 확인을 위해 기계적 물성시험은 압축강도로 결정하였다. 그리고 섬유부피분율과 Void 함량은 샘플판의 주입구와 배출구 그리고 중간지점에서 25 × 25 mm로 절단한 샘플 3개를 ASTM D 3171 연소법으로 분석하였다.
그리고 섬유부피분율과 Void 함량은 샘플판의 주입구와 배출구 그리고 중간지점에서 25 × 25 mm로 절단한 샘플 3개를 ASTM D 3171 연소법으로 분석하였다. 또한 더 직관적으로 Void를 확인하기 위해 시료의 단면을 광학현미경으로 관찰하였다. 광학현미경 분석은 절단한 단면을 마운팅 하고 폴리싱한 후 Leica Microsystems의 DM4000M 현미경을 통해 촬영하여 매회 공정 안정화의 기초자료로 활용하였다.
방법을 연구하였다. 이 연구에서 컴퓨터 프로그램으로 수지의 유량을 자동 제어하면서 주입하는 Fuzzy-logic controller를 개발하였고 공정 시뮬레이션 S/W를 이용하여 최적화 및 한계치를 검증하였다. 이 결과에서는 보다 광범위한 투과성계수와 점도 값에서도 수지를 일정한 유량으로 주입이 가능하다고 밝혔다.

대상 데이터

실험에 사용된 강화재는 국산 탄소섬유 6k 평직이며 기지 재는 국산 에폭시 수지를 사용하였다. 에폭시 수지의 점도는 23^oC에서 250분 이상 150~300 CPS를 유지하는 저점도 수지이다.
실험에 사용된 주요 장비는 1,000×400×10 mm 크기의 알루미늄 평판과 Easy composite社의 경화 전용 오븐 (OV301), 그리고 우성오토마의 진공펌프(모델명: W2V20) 2대, 진공 게이지(WSA-P200A)와 한국SMC㈜의 진공 레귤레이터(IRV20-LC₁₀BG)를 사용하였다.
VARTM 공정에 사용된 주요 부자재로는 Flow media(INFUPLEX FLONET, Diatex)와 이형제(Chemlease R&B EZ, Chem-Trend)가 있다. 프리폼의 크기는 720 × 300mm이며 0°방향으로 8겹 적층하였다.

데이터처리

결과는 압축시험, 섬유부피분율, Void 분석의 평균값과 표준편차를 표기하였다.

이론/모형

따라서 VARTM 공정의 신뢰성 확인을 위해 기계적 물성시험은 압축강도로 결정하였다. 그리고 섬유부피분율과 Void 함량은 샘플판의 주입구와 배출구 그리고 중간지점에서 25 × 25 mm로 절단한 샘플 3개를 ASTM D 3171 연소법으로 분석하였다. 또한 더 직관적으로 Void를 확인하기 위해 시료의 단면을 광학현미경으로 관찰하였다.
7 2)의 경우는 최적의 유속으로 수지를 주입할 수 있기 때문에 Dual-scale 흐름의 격차를 줄여 Void 최소화가 가능하지만 상형금형이 없는 VARTM 공정에는 적용이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 5 와 같이 Catch-pot 내부에 수지를 넣어두고 주입구 위치에서 진공압을 단계별로 올려주는 Fig. 7 3) SEMI-Constant flow rate 방법으로 수지주입을 하였다. 이 방법은 수지를 주입하는 과정에서 단계별로 대기압을 높여 줌으로써 수지주입 중 유량을 가능한 일정하게 할 수 있다.
광학현미경 분석은 절단한 단면을 마운팅 하고 폴리싱한 후 Leica Microsystems의 DM4000M 현미경을 통해 촬영하여 매회 공정 안정화의 기초자료로 활용하였다. 압축시험은 각 샘플에서 0° 방향으로 절단된 시편 5개를 MTS Systems Corporation 의 Landmark 100kN 피로시험기를 이용하여 ASTM D 6641 규격에 준하여 시험하였다.

성능/효과

결정하였다. 결과적으로 수지 주입과정 중 대기압 제어 방법이 섬유부피분율을 높이고 Void를 감소시키는데 상당한 효과가 있음을 확인하였다. 그리고 섬유부피분율과 Void의 편차도 동시에 감소함으로써 높은 신뢰성이 요구되는 부품의 적용 가능성이 높아졌다고 여겨진다.
실험실 온도는 약 23^oC를 유지하여 수행되었으며 에폭시 수지의 주제와 경화제를 혼합 및 탈포한 후 주입을 완료하였다. 이후 오븐에 투입하여 135^oC에서 2시간 경화하여 샘플을 완성하였다.
압축강도를 높이고 강도의 편차를 줄이기 위해서는 섬유부피분율의 증가 보다 Void의 함량과 편차를 줄이는 것이 더 효과적이었다. VARTM 공정에서 수지 주입이 완료된 후 섬유부피분율을 높이고자 내부 압력을 더 낮추는 것은 잔류하던 Void의 부피가 증가할 수 있기 때문에 유의해야 한다.
그리고 A type 공정에서 상대적으로 압축강도의 편차가 크고 낮게 나타났다. 이러한 결과의 원인은 Void 함량에 따른 결과이며 특히 H-10 샘플의 경우 평균 572 MPa로 나타났는데 Fig. 11 (f)의 광학현미경 촬영결과를 보면 더욱 명확하게 Void가 없는 것을 확인할 수 있다. 그리고 H-09 샘플 역시 C type 공정으로 제작되었지만 평균 458 MPa로 낮게 나타났는데 주입 후 내부 압력을 올려줄 수 있는 충분한 시간을 유지하지 않은 것이 원인으로 짐작할 수 있다.
5% 임에도 불구하고 Void가 현저하게 줄었고 광학현미경으로도 관찰되지 않았다. 즉 유속제어 방법의 효과가 있음이 확인되었다. (f)는 수지 주입 완료 후 배출구만 잠그고 20분간 유지하여 진 공백 내부의 압력을 약간 증가시킨 H-10 샘플의 단면 사진이다.
섬유부피분율이 감소하였지만 Void는 관찰되지 않았다. 즉 진 공백 내부의 압력증가가 Void 감소에 긍정적인 효과를 준 것이 확인되었다.
8 bar의 진공압을 5분간 유지한 H-05 샘플의 단면 사진이다. 진공백 내부의 압력이 낮아지면서 섬유부피분율은 54.4%까지 증가하였지만 잔류하던 Void가 섬유다발의 형태를 따라 길게 늘어난 것을 확인할 수 있었다. (d)는 수지 주입이 완료된 후 진공백 내부의 압력을 증가시키기 위해 배출구를 잠그고 5분간 유지한 H-09 샘플의 단면 사진이다.

후속연구

향후 유량계를 이용하여 정확한 유속 측정과 여러 종류의 직물을 대상으로 최적의 유속을 탐색하는 연구가 필요하다. 나아가 최적의 유속으로 수지를 자동으로 주입할 수 있는 기술이 개발된다면 VARTM 공정기술의 활용범위는 더 넓어질 것이다.
따라서 더 낮은 점도의 수지 개발이 필요하며 개발이 된다면 더 먼 거리까지 최적의 속도로 주입이 가능하다. 본 실험에서는 정확하게 유속을 측정하지 못한 한계가 있다. 향후 유량계를 이용하여 정확한 유속 측정과 여러 종류의 직물을 대상으로 최적의 유속을 탐색하는 연구가 필요하다.
그리고 섬유부피분율과 Void의 편차도 동시에 감소함으로써 높은 신뢰성이 요구되는 부품의 적용 가능성이 높아졌다고 여겨진다. 여기에 Debulking 공정을 더한다면 본 실험결과보다 더욱 높은 섬유부피분율을달성할 수 있을 것이다.
위와 같은 연구사례를 응용하여 VARTM 공정에서도 유 속 제어가 가능하다면 고품질의 복합재 부품 제조가 가능할 것으로 기대하였다. 따라서 본 연구에서는 VARTM 공정의 수지주입 중 대기압을 단계별로 높여가면서 수지의 유속을 제어하였고 이 방법이 Void를 최소화하고 섬유부피분율을 높이는데 기여할 수 있는지 검토하였다.
본 실험에서는 정확하게 유속을 측정하지 못한 한계가 있다. 향후 유량계를 이용하여 정확한 유속 측정과 여러 종류의 직물을 대상으로 최적의 유속을 탐색하는 연구가 필요하다. 나아가 최적의 유속으로 수지를 자동으로 주입할 수 있는 기술이 개발된다면 VARTM 공정기술의 활용범위는 더 넓어질 것이다.

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저자의 다른 논문 :

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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