[논문]열경화성 연속섬유 복합재를 이용해 외측 보강된 3D 프린팅 열가소성 복합재 구조물의 굽힘 특성 향상에 대한 연구

백운경; 남기법; 노재승; 박성은; 노정우

doi:10.7234/composres.2021.34.2.136

[국내논문] 열경화성 연속섬유 복합재를 이용해 외측 보강된 3D 프린팅 열가소성 복합재 구조물의 굽힘 특성 향상에 대한 연구
A Study on the Improvement of Bending Characteristics of 3D Printed Thermoplastic Structures Reinforced at the Lateral Surface using Continuous Fiber Reinforced Thermosetting Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.2, 2021년, pp.136 - 142

백운경 (Gumi Electronics & Information Technology Research Institute (GERI), Innovative Technology Research Division) , 남기법 (Kumoh National Institute of Technology, Advanced Material Research Center) , 노재승 (Kumoh National Institute of Technology, School of Materials Science and Engineering) , 박성은 (Gumi Electronics & Information Technology Research Institute (GERI), Innovative Technology Research Division) , 노정우 (Gumi Electronics & Information Technology Research Institute (GERI), Innovative Technology Research Division)

초록
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3D 프린팅 기술은 금형이 없이 다양한 형태의 제품을 만들기 쉬운 장점이 있지만, 기존 보편화된 성형법에 비해 기계적 물성이 낮고, 소재 및 제작 조건 등에 따라 기계적 물성이 크게 달라지는 문제가 있다. 한편, 높은 물성을 구현하기 위해서는 제조비용이 높아지는 문제가 있어, 이에 대한 연구 필요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 단섬유 탄소섬유 보강 나일론 필라멘트를 이용하여 3D 프린팅 열가소성 구조물을 제작하였다. 또한 인발 성형된 연속섬유 형태의 탄소섬유 혹은 유리섬유 강화 열경화성 복합재를 이용해 외측면을 보강하여 기계적 물성 향상 방법을 제시하였다. 보강재의 보강 위치와 섬유의 종류에 따른 굽힘물성 향상을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing technology has the advantage of easy to make various shapes of products without a mold. However, it has a problem such as mechanical properties vary greatly depending on materials and manufacturing conditions. Thus, the need for research of 3D printing technology on ways to reduce manufacturing cost compared to physical properties is increasing. In this study, a 3D printing thermoplastic structure was fabricated using short fiber carbon fiber reinforced nylon filaments. And a method of improving mechanical properties was proposed by reinforcing the outer surface using pultruded continuous fiber-type carbon fiber or glass fiber-reinforced thermosetting composite material. It was confirmed that the bending properties were improved according to the reinforcing position of the stiffener and the type of fiber in the stiffener.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic of CF/PA composite preparation by 3D print-ing process
표 Table 1. Specification of material
그림 Fig. 2. Manufacturing process of 3D printed thermoplastic structures reinforced at the lateral surface using continuous fiber reinforced thermosetting composites
표 Table 2. 3D printing condition of test specimen
표 Table 3. Test conditions according to the reinforcing position and materials type of stiffener
표 Table 4. Flexural properties under test conditions on Table 3
그림 Fig. 3. Comparison of (A) flexural strength and (B) flexural modulus at the different material type and reinforcing position of stiffener
그림 Fig. 4. Strain-stress curves on 3D printed thermoplastic struc-tures reinforced at the lateral surface using continuous fiber reinforced thermosetting composites
그림 Fig. 5. Comparison of flexural stress and strain of specimens under different conditions
표 Table 5. Strain at the maximum flexural strength according tothe test conditions
그림 Fig. 6. Stress in three-point bending test. L is the span (support span length: 112 mm, radius of supports and loading noses: 5 mm) and h is the thickness of the sample
그림 Fig. 7. 3D printed specimen after three-point bending test; (A) original, (B) upper reinforcement (CFRP), (C) middle reinforcement (CFRP), (D) lower reinforcement (CFRP), (E) upper reinforcement (GFRP), (F) middle reinforcement (GFRP), (G) lower reinforce-ment (GFRP)
그림 Fig. 8. Cross section images of optical microscopy; (A) upper and lower reinforced specimen, (B) middle reinforced specimen

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 용융 적층 방식으로 제작된 3D 프린팅 구조물에 인발 성형된 연속 섬유강화 플라스틱으로 외 측면을 보강하여 효과적인 기계적 물성 향상을 얻기 위해 보강재의 보강 위치(상부, 중앙부, 하부)와 섬유의 종류 (탄소섬유, 유리섬유)에 따른 굽힘 물성의 변화를 확인하였다. 굽힘강도의 경우, GFRP를 통한 3D 프린팅 구조물의 하부 보강이 가장 효과적이였고, 굽힘강성은 CFRP를 이용해 3D 프린팅 구조물 상부를 보강하는 것이 가장 효과적임을 확인하였다.

제안 방법

형태의 탄소섬유가 약 20 wt.% 첨가된 폴리아미드 12 복합소재 필라멘트를 나인랩스社의 FDM 방식 프린터를 사용하여 제작하였다. 외측면의 보강재로 사용된 인발 성형 재(덕성社)는 Vinylester 수지를 모재로 하는 연속섬유 형태의 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)과 유리섬유 강화 플라스틱(Glass fiber reinforced plastic, GFRP)을 사용하였다.
시험편은 진공 상태로 건조 오븐에 넣고 120^oC에서 1시간 동안 경화하여 제작하였다. Table 3 에 보듯이, 보강 위치와 보강재의 종류에 따라 조건 별로 시험편을 5개씩 제작하여 평가하였다.
Table 4와 Fig. 3에 보듯이, 열경화성 연속섬유 강화 복합재를 이용해 3D 프린팅 구조물의 보강위치에 따른 굽힘 특성의 차이를 확인하였다. 보강을 하지 않은 시험편의 굴곡강도는 16.
실시하였다. 굽힘 시험에는 MTS Systems Corporation 사의 모델 insight 5 SL 저하중 만능재료시험기를 사용하였으며, 속도는 3 mm/ min로 설정해 시험하였다.
한편, 외측면 보강방식은 별도의 복잡한 장비로의 변경 및 이종소재의 적층 설계 없이도 손 쉽게 보강할 수 있어, 경량화와 높은 강도가 요구되는 의족, 의수 등 의료용 구조재 뿐만 아니라, 자동차, 항공 부품에 사용되는 엔지니어링 플라스틱 제품의 외측면 보강을 통해 최소한의 비용으로 기계적 물성을향상시킬 수 있을 것으로 검토되었다. 따라서 이와 같은 방법을 통한 보강효과를 확인하고 보강효율 증대를 위해, 보강재의 외측면 보강 위치와 보강재 종류를 변수로 하여 외측 보강된 3D 프린팅 구조물의 굽힘 특성 향상을 확인하였다.
본 연구에서는 단섬유형태의 탄소섬유가 첨가된 PA12 필라멘트를 이용하여 FDM 방식으로 제작된 3D 프린팅 열가소성 구조물의 외측면에 인발 성형된 연속 섬유강화 열경화성 플라스틱(보강재)을 보강하는 방법을 통해 굽힘 특성의 변화를 관찰하였다. FDM 방식의 열가소성 필라멘트를 활용한 3D 프린팅은 현재까지 가장 생산비가 저렴하고, 널리 보급된 방법이며, 인발 성형된 연속 섬유 강화 열경화성 플라스틱은 높은 기계적 특성을 가지면서 일률적인 형태를 가질 뿐만 아니라 오래전부터 양산화 되어 구하기 쉽고 가격이 저렴한 복합소재임을 감안하였다.
굽힘강도의 경우, GFRP를 통한 3D 프린팅 구조물의 하부 보강이 가장 효과적이였고, 굽힘강성은 CFRP를 이용해 3D 프린팅 구조물 상부를 보강하는 것이 가장 효과적임을 확인하였다. 한편, 보강 전후 시험편의 굴곡물성 비교를 통해 보강위치와 보강재료특성이 미치는 영향과 그 이유를 고찰하였다.

대상 데이터

% 첨가된 폴리아미드 12 복합소재 필라멘트를 나인랩스社의 FDM 방식 프린터를 사용하여 제작하였다. 외측면의 보강재로 사용된 인발 성형 재(덕성社)는 Vinylester 수지를 모재로 하는 연속섬유 형태의 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)과 유리섬유 강화 플라스틱(Glass fiber reinforced plastic, GFRP)을 사용하였다. 한편, 보강재의 접착을 위해 에폭시 접착제(Araldite 2011, Huntsman社)를 사용하였다.

이론/모형

보강 위치 및 보강재의 종류에 따른 굽힘 특성을 비교하기 위해 ASTM D790에 따라 3점 굽힘 시험을 실시하였다. 굽힘 시험에는 MTS Systems Corporation 사의 모델 insight 5 SL 저하중 만능재료시험기를 사용하였으며, 속도는 3 mm/ min로 설정해 시험하였다.

성능/효과

변화를 관찰하였다. FDM 방식의 열가소성 필라멘트를 활용한 3D 프린팅은 현재까지 가장 생산비가 저렴하고, 널리 보급된 방법이며, 인발 성형된 연속 섬유 강화 열경화성 플라스틱은 높은 기계적 특성을 가지면서 일률적인 형태를 가질 뿐만 아니라 오래전부터 양산화 되어 구하기 쉽고 가격이 저렴한 복합소재임을 감안하였다. 한편, 외측면 보강방식은 별도의 복잡한 장비로의 변경 및 이종소재의 적층 설계 없이도 손 쉽게 보강할 수 있어, 경량화와 높은 강도가 요구되는 의족, 의수 등 의료용 구조재 뿐만 아니라, 자동차, 항공 부품에 사용되는 엔지니어링 플라스틱 제품의 외측면 보강을 통해 최소한의 비용으로 기계적 물성을향상시킬 수 있을 것으로 검토되었다.
확인하였다. 굽힘강도의 경우, GFRP를 통한 3D 프린팅 구조물의 하부 보강이 가장 효과적이였고, 굽힘강성은 CFRP를 이용해 3D 프린팅 구조물 상부를 보강하는 것이 가장 효과적임을 확인하였다. 한편, 보강 전후 시험편의 굴곡물성 비교를 통해 보강위치와 보강재료특성이 미치는 영향과 그 이유를 고찰하였다.
6) 631% 증가한 것을 확인하였다. 굽힘강성의 경우, CFRP 보강을 통해 보강위치별로 11.2배(중앙보강)에서 15.9배(상부보강)까지 증가한 것을 확인하였고, GFRP 보강을 통해선 보강위치별로 9.1배(중앙보강)에서 14.1배(상부보강)까지 증가한 것을 확인하였다.
3에 보듯이, 열경화성 연속섬유 강화 복합재를 이용해 3D 프린팅 구조물의 보강위치에 따른 굽힘 특성의 차이를 확인하였다. 보강을 하지 않은 시험편의 굴곡강도는 16.26 MPa가 측정된 반면, CFRP로 상부 보강 시 (Table 3의 No.2) 397%, 중앙 보강 시(Table 3의 No.3) 515%, 하부 보강 시(Table 3의 No.4) 478% 증가한 것을 확인하였다. 한편, GFRP로 상부 보강 시(Table 3의 No.
4) 478% 증가한 것을 확인하였다. 한편, GFRP로 상부 보강 시(Table 3의 No.4)에는 476%, 중앙 보강 시(Table 3의 No.5) 592%, 하부 보강 시(Table 3의 No.6) 631% 증가한 것을 확인하였다. 굽힘강성의 경우, CFRP 보강을 통해 보강위치별로 11.
FDM 방식의 열가소성 필라멘트를 활용한 3D 프린팅은 현재까지 가장 생산비가 저렴하고, 널리 보급된 방법이며, 인발 성형된 연속 섬유 강화 열경화성 플라스틱은 높은 기계적 특성을 가지면서 일률적인 형태를 가질 뿐만 아니라 오래전부터 양산화 되어 구하기 쉽고 가격이 저렴한 복합소재임을 감안하였다. 한편, 외측면 보강방식은 별도의 복잡한 장비로의 변경 및 이종소재의 적층 설계 없이도 손 쉽게 보강할 수 있어, 경량화와 높은 강도가 요구되는 의족, 의수 등 의료용 구조재 뿐만 아니라, 자동차, 항공 부품에 사용되는 엔지니어링 플라스틱 제품의 외측면 보강을 통해 최소한의 비용으로 기계적 물성을향상시킬 수 있을 것으로 검토되었다. 따라서 이와 같은 방법을 통한 보강효과를 확인하고 보강효율 증대를 위해, 보강재의 외측면 보강 위치와 보강재 종류를 변수로 하여 외측 보강된 3D 프린팅 구조물의 굽힘 특성 향상을 확인하였다.

후속연구

균일한 접착제 도포와 접착 시 기공 발생을 최소화하고자 본 연구에서 서술하였듯 vacuum bagging process를 이용하였음에도 불구하고 기공이 발생한 것을 볼 때, 향후 접착제의 점도 및 조성에 따른 추가적인 물성 개선에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구결과를 통해, 별도의 고가 3D 프린팅 장비를 사용하지 않고도 보강재를 활용한 외측보강법을 활용해 적은 비용으로 보다 쉽게 높은 기계적 물성을 갖는 제품을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

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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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