[논문]사출 성형공정 압력에 따른 PA6/GF 복합재료의 물리적 특성 및 성능 예측 시뮬레이션에 관한 연구

유성훈; 김민성; 윤현성; 박종수; 전성민; 심지현

doi:10.5764/tcf.2022.34.1.46

[국내논문] 사출 성형공정 압력에 따른 PA6/GF 복합재료의 물리적 특성 및 성능 예측 시뮬레이션에 관한 연구
A Study on the Mechanical Properties and Performance Prediction Simulation of PA6/GF Composite Materials with Injection Molding Pressure 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.34 no.1, 2022년, pp.46 - 57

유성훈 (다이텍연구원) , 김민성 (다이텍연구원) , 윤현성 (다이텍연구원) , 박종수 (평화산업(주)) , 전성민 (평화산업(주)) , 심지현 (다이텍연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the relationship between fiber orientation and mechanical properties with the injection pressure of polyamide-6/glass fiber composite materials manufactured by the injection molding process was investigated. Also, an actual experimental data and finite element model-based simulation data were analyzed. Specimens were manufactured through the injection molding process setting the injection pressure differently to 700, 800, 900, and 1000 bar, respectively. A morphological analysis and orientation of the PA6/GF composite material were observed using Optical microscope. Through tensile and flexural strength tests, the mechanical properties of the PA6/GF composite materials with the injection pressure were studied. As a result, it was confirmed that the mechanical properties were the superior under the injection pressure of 900 bar molding conditions. In addition, the mechanical properties of the actually manufactured specimen (PA6/GF) and virtual engineering S/W((Digimat, Abaqus) were used to compare and analyze the analysis results for the mechanical properties, and based on the reliable DB, the physical properties of the PA6/GF composite characteristics were studied.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Figure 1. A photo of PA6/GF specimens fabricated by injection molding process.
표 Table 1. Experimental condition of the injection molding process
그림 Figure 2. RVE(Representative volume element) theory for simulation of PA6/GF composite materials.
그림 Figure 3. A boundary conditions for simulation of PA6/GF composite materials.
그림 Figure 4. Optical microscope images of the cross-section of PA6/GF composite materials.
표 Table 2. Experimental parameters of PA6/GF composite materials
그림 Figure 5. Fiber orientation distribution graph of PA6/GF composite materials fabricated with various injection pressure levels; (a) 700bar, (b) 800bar, (c) 900bar, (d) 1000bar.
그림 Figure 6. Optical microscope images of the PA6/GF composite materials fabricated by injection pressure of 700bar and 800bar; (a) 700bar, (b) 800bar.
그림 Figure 7. X-ray microtomography images of the PA6/GF composite materials fabricated by injection pressure of 700, 800, 900 and 1000bar; (a) 700bar, (b) 800bar, (c) 900bar, (d) 1000bar.
그림 Figure 8. Tensile strength and modulus of PA6/GF composite materials with various injection pressure levels.
그림 Figure 10. 3-dimensional finite element model(FEM) analysis results of PA6/GF composite materials.
그림 Figure 9. Flexural strength of PA6/GF composite materials with various injection pressure levels.
그림 Figure 11. Finite element model(FEM) analysis of PA6/GF composite materials.
그림 Figure 12. Comparison of theoretical values through finite element model analysis and actual values through experimental analysis for the tensile and flexural properties of PA6/GF composite materials.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 폴리아미드-6/유리섬유 복합재료를 사출 성형을 통하여 제작하고, 사출 압력을 700~1000bar로 다르게 하였을 때, 섬유의 배향성과 인장강도, 굴곡강도 특성 간의 상관관계를 밝히고, 실험적 데이터와 유한요소모델 기반 시뮬레이션 데이터를 비교 분석하여 신뢰성 높은 DB를 기반으로 폴리아미드-6/유리섬유 복합재료에 대한 물리적 특성을 규명하고자 한다.

제안 방법

용융된 수지는 사출압에 의하여 금형의 캐비티 내에 압입 되며 스프루, 런너, 게이트 등의 좁은 유로를 통과하여 PA6/GF 복합소재 시편을 제조하였다. 사출 성형 공정압력은 각각 700, 800, 900, 1000bar로 설정하여 시편을 제작하였다.
이때 사출압이 너무 높으면 과충진에 의하여 잔류응력이 증가하며, 배향도에 따른 가로방향 강도취하의 주요인이 되고, 반대로 너무 낮으면 미충진, 수출 및 기포의 원인이 되기 때문에 용융 상태의 수지가 냉각되면서 발생되는 15~25%의 체적 감소를 보상해 주기 위하여 1차 사출압의 30~80% 정도의 보정압력이 필요하다. 사출압에 따른 PA6/GF 복합소재 시편을 제조하여, 사출 성형 압력 조건에 따른 PA6 수지내에 GF 소재의 배향 도를 분석하였다. 이때 PA6/GF 복합소재를 사용하여 분석을 진행하였다.
PA6/GF 복합소재 시편 제조 시, 사출 압력(700~1000bar) 에 따른 PA6 수지내에 GF 소재의 배향도를 분석하였다. 사출압력을 각각 700, 800, 900, 1000bar로 설정하여 PA6/GF 시편을 제작한 결과 GF의 길이는 212.
본 연구에서는 폴리아미드-6/유리섬유 복합재료를 사출 성형을 통하여 제작하고, 사출 압력에 따른 기계적 물성을 조사하였다. 사출 압력을 700, 800, 900, 1000bar로 각각 달리 제작하였고, 압력별 시편의 형태분석 및 배향도를 광학 현미경(Optical microscope) 분석 및 XRM(X-ray microtomography)을 통해 확인하였다.
본 연구에서는 폴리아미드-6/유리섬유 복합재료를 사출 성형을 통하여 제작하고, 사출 압력에 따른 기계적 물성을 조사하였다. 사출 압력을 700, 800, 900, 1000bar로 각각 달리 제작하였고, 압력별 시편의 형태분석 및 배향도를 광학 현미경(Optical microscope) 분석 및 XRM(X-ray microtomography)을 통해 확인하였다. 그 결과 사출압을 900bar로 설정하였을 때, 육안상 시편의 불량이 2% 이내로 거의 검출되지 않았으며 형태학적으로 최적의 조건임을 확인하였다.
사출 압력에 따른 PA6/GF 시편 내 섬유 배향 상태를 확인하기 위하여 Optical microscope(TS-100F, Nikon, Japan) 분석을 통해 PA6/GF 복합소재의 단면을 콜드마운팅(cold mounting) 후 표면을 연마하고 50배율로 관찰하였다. 한 시험편 파단면당 3부분을 관찰하였다.
제조된 시편(PA6/GF)을 활용하여 가상공학 S/W활용 시뮬레이션에 필요한 물성 DB를 구축하기 위하여 인장 및 굴곡 시험을 진행하였다.

대상 데이터

PA6/GF(60%) 복합소재의 사출 성형 작업용 twin screw의 element는 보급형 convential element타입의 screw를 사용하였다. PA6소재의 경우 수분 흡수율이 크기 때문에 사출 성형 시, 수지에 함유된 수분의 영향으로 수지 분해가 일어나 물성 저항 및 성형 불량의 원인이 될 수 있다.

데이터처리

실제 제조된 시편(PA6/GF)의 실험을 통한 인장특성, 굴곡 특성에 대한 값과 가상공학 S/W(Digimat, Abaqus)를 활용한 인장 특성, 굴곡특성에 대한 해석 결과값을 비교하여 가상공학 S/W를 활용한 시뮬레이션 결과치와 실제 결과값에 대한 상관성을 분석하였다. 각 복합소재의 포아송비(poisson’s ratio), 밀도(density) 값 및 탄성계수(modulus) 값을 분석하였고, 그 결과 포아송비 0.
사출 압력에 따른 PA6/GF 시편 내 유리섬유의 배향성을 고배율로 관찰하기 위하여 Micro-CT 분석을 수행하였다. CT 스캔은 전압 160kV, 전류 130IA로 설정된 X-ray CT system (TVX-IMT225, Techvalley Co.

이론/모형

실제 시편의 실험을 통한 인장, 굴곡 특성에 대한 값과 가상공학 S/W를 활용한 인장, 굴곡 특성에 대한 결과 값을 비교하기 위하여 PA6/GF 복합소재의 3D 모델을 생성하기 위하여 Digimat(MSC Software Corp., USA)를 활용하였다. PA6/GF 복합소재 내에 GF 소재 함량에 따른 성능 예측을 위하여 RVE (Representative volume element) 이론을 활용하였으며, RVE 모델의 균질화를 위해 RVE 경계에 주기적 경계조건이 식(3)~ 식(5)와 같이 적용되었다.
, USA)를 활용하였다. PA6/GF 복합소재 내에 GF 소재 함량에 따른 성능 예측을 위하여 RVE (Representative volume element) 이론을 활용하였으며, RVE 모델의 균질화를 위해 RVE 경계에 주기적 경계조건이 식(3)~ 식(5)와 같이 적용되었다.
Figure 2은 RVE 이론 해석의 개념도를 나타낸다. PA6/GF 시편의 3D 모델링을 위하여 8절점 유한요소법을 적용하기 위하여 SOLID70요소를 사용하여 유한요소모델을 생성하였다. 생성된 유한요소 모델을 바탕으로 시뮬레이션은 Abaqus(Simulia, Dassault Systemes, France) S/W를 활용하여 진행하였으며, Figure 3에 경계조건에 대한 모식도를 나타냈다.
PA6/GF 시편의 3D 모델링을 위하여 8절점 유한요소법을 적용하기 위하여 SOLID70요소를 사용하여 유한요소모델을 생성하였다. 생성된 유한요소 모델을 바탕으로 시뮬레이션은 Abaqus(Simulia, Dassault Systemes, France) S/W를 활용하여 진행하였으며, Figure 3에 경계조건에 대한 모식도를 나타냈다.
해당 DB를 적용한 가상공학 S/W를 활용한 시뮬레이션을 진행하였다. Digimat S/W를 활용하여 PA6/GF 복합소재의 인장, 굴곡 특성에 대한 시뮬레이션을 진행하였으며, 복합소재 시편의 3D 모델링을 위하여 SOLID70요소를 사용하여 유한요소 모델을 생성하였다.

성능/효과

또한 흑조 현상에 의해 생성된 쉽게 부서지는 성질을 갖는 다공성 불순물들은 복합재료 내부에 무작위로 흩어져 있어 재료의 특성을 예측하는데 부정적인 요소로 작용한다는 것을 확인하였다. 따라서 실험적 관찰을 통해 우리는 1000bar 이상의 압력 하에서 사출 성형을 수행하면 흑조 현상에 의한 재료의 물리적 특성 감소가 현저히 증가할 수 있다는 것을 제시한다.
또한 사출 압력이 증가할수록 flow direction(70°~90°, 90°~100°)에 가까운 방향으로 배향된 섬유가 많이 분포하는 것을 확인하였다.
사출 압력을 700, 800, 900, 1000bar로 각각 달리 제작하였고, 압력별 시편의 형태분석 및 배향도를 광학 현미경(Optical microscope) 분석 및 XRM(X-ray microtomography)을 통해 확인하였다. 그 결과 사출압을 900bar로 설정하였을 때, 육안상 시편의 불량이 2% 이내로 거의 검출되지 않았으며 형태학적으로 최적의 조건임을 확인하였다. 또한 사출 압력이 증가할수록 flow direction(70°~90°, 90°~100°)에 가까운 방향으로 배향된 섬유가 많이 분포하는 것을 확인하였다.
PA6/GF 복합소재의 기계적 특성을 인장시험, 굴곡시험을 통해 분석하였고, 그 결과 사출압이 900bar인 복합소재의 인장강도, 굴곡강도 값이 234.6MPa, 391.4MPa로 가장 높은 기계적 물성값을 나타내었다. 반면에 사출 압력이 700bar인 복합소재의 경우 사출 성형 공정 중에 일어난 수지 일부 미함침 및 미충전 부분이 발생하여 인장강도, 굴곡강도 값이 210.
4MPa로 가장 높은 기계적 물성값을 나타내었다. 반면에 사출 압력이 700bar인 복합소재의 경우 사출 성형 공정 중에 일어난 수지 일부 미함침 및 미충전 부분이 발생하여 인장강도, 굴곡강도 값이 210.4MPa, 351.2 MPa로 가장 낮은 물성값을 나타내며, 사출 압력이 1000bar인 복합소재의 경우는 사출 압력이 너무 높을 경우 생기는 흑조 현상으로 인해 물성값이 하락한 것으로 사료된다.
실제 제조된 시편(PA6/GF)의 기계적 물성 값과 가상공학 S/W를 활용한 기계적 물성 값에 대한 해석 결과값을 비교하여 상관성을 분석한 결과 사출 성형 공정 상에서 발생한 버(burr)나 일부 흑조현상으로 인하여 5% 이내의 오차율이 발생한 것으로 나타난다.

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