[논문]광섬유 FBG 센서기반 성형 모니터링을 통한 철도 차량용 복합재 내장재 패널의 성형 품질 평가

박주엽; 강동훈

doi:10.7234/composres.2023.36.3.186

초록
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최근, 철도차량 분야에서는 경량화 및 운송 효율화를 위해 복합재 활용에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 다양한 차량 부품에 복합재를 적용하고자 하는 연구 및 상용화 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 복합재 적용에 대한 품질 검증을 위해 완성품의 기계적 성능 평가와 같은 사후 측정을 중심으로 평가가 이루어지고 있다. 하지만, 제작 품질에 큰 영향을 미치는 요소인 복합재 성형 과정에서 발생하는 열과 응력에 대한 분석은 미비한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 철도차량용 복합재 부품의 성형 품질을 검증하기 위하여 가장 활발히 사용되는 복합재 내장재 패널 2종(라미네이트 패널, 샌드위치 패널)에 대한 성형 품질 분석을 진행하였다. 이를 위해 복합재 내부 적용에 용이한 FBG 광섬유 센서를 이용하여 성형 과정 동안 온도 및 변형률 변화를 모니터링 하고, 성형 완료 후 발생하는 잔류 변형률 값을 측정하였다. 결과적으로, 과열 현상과 과도 잔류응력이 발생하지 않은 것을 확인함으로써 철도차량용 복합재 내장재 패널의 우수한 성형 품질을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, in the field of railway vehicles, interest in the use of composite materials for weight reduction and transportation efficiency is increasing. Accordingly, research and commercialization development to apply composite materials to various vehicle parts are being actively conducted, and eva...

Recently, in the field of railway vehicles, interest in the use of composite materials for weight reduction and transportation efficiency is increasing. Accordingly, research and commercialization development to apply composite materials to various vehicle parts are being actively conducted, and evaluation is conducted centering on post-measurement such as mechanical performance evaluation of finished products to verify quality when composite materials are applied. However, the analysis of heat and stress generated during the molding process of composite materials, which are factors that greatly affect manufacturing quality, is insufficient. Therefore, in this study, in order to verify the molding quality of composite parts for railway vehicles, the molding quality analysis was conducted for the two types of composite interior panels (laminate panel and sandwich panel) that are most actively used. To this end, temperature and strain changes were monitored during the molding process by using an FBG fiber optic sensor, which is easy to apply to the inside of the composite, and the residual strain value generated after molding was completed was measured. As a result, it was confirmed that overheating and excessive residual stress did not occur, thereby verifying the excellent molding quality of the composite interior panel for railway vehicles.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Configuration of FBG temperature sensor [10]
표 Table 1. Regulation for mechanical properties
그림 Fig. 2. Structure of specimen stacking and FBG sensor application
표 Table 2. Properties of fibers and core
그림 Fig. 3. Manufacturing process of composite specimen
그림 Fig. 4. Temperature change cycle of thermal chamber
그림 Fig. 5. Experimental setup for molding quality evaluation
그림 Fig. 6. Temperature change according to molding process
그림 Fig. 7. Examples of aerospace composite temperature monitoring result [14]
그림 Fig. 8. Temperature difference between measured data and curing cycle
그림 Fig. 9. Temperature at each stage for two panels
그림 Fig. 10. Result of FBG strain sensors

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 철도 차량용 복합재 패널 제작 과정 동안 FBG 센서를 이용한 성형 모니터링을 통해 제작된 내장재 패널에 대한 성형 품질 평가를 진행하였다. 구체적으로, 라미네이트 패널과 샌드위치 패널 등 두 종류의 복합재 패널을 제작하였으며, 패널 내부 중앙과 가장자리에 각각 삽입된 FBG 센서를 통해 성형 과정동안 온도 및 변형률 변화를 관찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 철도 차량용 복합재 패널 제작 과정 동안 FBG 센서를 이용한 성형 모니터링을 통해 제작된 내장재 패널에 대한 성형 품질 평가를 진행하였다. 구체적으로, 라미네이트 패널과 샌드위치 패널 등 두 종류의 복합재 패널을 제작하였으며, 패널 내부 중앙과 가장자리에 각각 삽입된 FBG 센서를 통해 성형 과정동안 온도 및 변형률 변화를 관찰하였다. 또한, 패널의 적층과 성형 공정 등은 현재 철도 차량용 패널 제작에 적용되는 것과 동일하게 하여 연구 성과의 실효성 향상을 도모하였다.
본 연구에서는 철도차량에 적용되는 복합재 2종 즉, 라미네이트 패널과 샌드위치 패널에 대한 성형과정을 모니터링하였다. 모니터링을 위한 복합재의 성형 과정은 실제 철도차량용 복합재 제작 과정과 동일하게 적용하였다.
본 연구에서는 철도차량용 복합재 내장재 패널 성형 시 FBG 센서를 이용한 성형 모니터링을 통해 성형 품질평가를 진행하였으며, 도출된 결론은 다음과 같다.
또한, 패널의 적층과 성형 공정 등은 현재 철도 차량용 패널 제작에 적용되는 것과 동일하게 하여 연구 성과의 실효성 향상을 도모하였다. 이를 통해, 현재 기계적 성능 및 화재 성능으로만 평가되는 철도차량용 복합재 내장재용 패널 제품들의 성형 품질을 평가함으로써 현재 적용되는 성형 사이클의 적정성 및 치수 안정성 측면에서 제작된 패널의 품질을 평가하였다.

대상 데이터

모니터링을 위한 복합재의 성형 과정은 실제 철도차량용 복합재 제작 과정과 동일하게 적용하였다. 섬유 종류는 유리섬유 2종 #580(roving cloth), #823(yarn cloth)에 페놀 수지(phenol resin)가 함침된 프리프레그(prepreg)를 사용하였으며, 샌드위치 패널의 코어는 허니콤(honeycomb) 구조의 노멕스(nomex) 코어를 사용하였다. 각 소재의 구체적인 사양은 Table 2와 같다.

성능/효과

1) 대형 열챔버에서의 성형이 요구되는 경우, 챔버내 각 위치에서의의 온도 편차 영향을 고려할 필요가 있으며, 라미네이트 패널 대비 샌드위치 패널이 이러한 영향에 더욱 취약한 것을 확인하였다.
2) 챔버 내 온도 센서와 크게 이격된 위치에서 성형될 경우에도 라미네이트와 샌드위치 패널의 잔류응력은 치수 안정성에 영향을 미치지 않는 수준으로 성형됨을 확인하였다.
3) 온도와 잔류 응력 양 측면을 모두 고려할 경우 현재의 성형 사이클 개선 및 챔버 내 온도 편차 경감이 이루어진다면 성형 품질 향상이 가능할 것으로 판단된다.
구체적으로, 라미네이트 패널과 샌드위치 패널 등 두 종류의 복합재 패널을 제작하였으며, 패널 내부 중앙과 가장자리에 각각 삽입된 FBG 센서를 통해 성형 과정동안 온도 및 변형률 변화를 관찰하였다. 또한, 패널의 적층과 성형 공정 등은 현재 철도 차량용 패널 제작에 적용되는 것과 동일하게 하여 연구 성과의 실효성 향상을 도모하였다. 이를 통해, 현재 기계적 성능 및 화재 성능으로만 평가되는 철도차량용 복합재 내장재용 패널 제품들의 성형 품질을 평가함으로써 현재 적용되는 성형 사이클의 적정성 및 치수 안정성 측면에서 제작된 패널의 품질을 평가하였다.
정리하면, 많은 철도차량용 복합재 부품과 같이 대형 열챔버에서의 성형이 요구되는 경우, 챔버 내 각 위치에서의 온도 편차에 대한 영향을 고려할 필요가 있으며, 특히 라미네이트 패널 대비 샌드위치 패널이 이러한 효과에 더욱 취약하므로 이에 대한 대응 방안 마련이 필요함을 확인하였다.
정리하면, 챔버 내 온도 센서 위치로부터 크게 이격된 위치에서 성형될 경우에도 복합재 패널 성형 후 발생되는 잔류 응력은 라미네이트 패널 및 샌드위치 패널 모두 치수안정성에 영향을 미치지 않는 수준으로 성형이 됨을 확인하였다.

후속연구

결과적으로, 온도와 잔류 응력 양 측면을 모두 고려할 경우 현재의 성형 사이클 개선 및 챔버 내 온도 편차 경감 노력이 이루어진다면 성형 품질 향상이 가능할 것으로 판단된다.
본 결과를 통해 현재의 방식으로 제작된 철도차량용 복합재 패널 제품이 기준에서 요구하는 기계적 성능을 모두 만족하고 있는 점을 감안할 때, 성형 품질 향상 시 두께 저감 등을 통한 재료비 경감이 가능하여 제품의 가격경쟁력 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

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