보고서 정보
주관연구기관 |
우양신소재 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2014-07 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
중소기업청 Small and Medium Business Administration |
등록번호 |
TRKO201500013304 |
과제고유번호 |
1425080160 |
사업명 |
기술혁신개발사업 |
DB 구축일자 |
2015-08-01
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키워드 |
CFRP 섬유복합재료.강화플라스틱.탄소섬유.유한요소해석.카본 UD Prepreg.FPD.Fiber Complex.Reinforced Plastics.Finite element analysis.FEA.
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초록
▼
□ 개발목표
▪ 계 획
1차년도 개발목표 및 내용
▶ 첨단디스플레이 (LCD,PDP) 산업 및 관련 장치산업용 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP)판재(Plate) 설계, 성형, 가공, 조립기술 개발
▶ 1차년도 최종 목표: 폭×길이×두께 (500x2500x20)이상
2차년도 개발목표 및 내용
▶ 2차년도 최종 목표: 폭×길이×두께 (40x3500x4) 이상
▪ 실 적
◇ 1차년도 개발목표 및 내용
1) 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)판재 (Plate) 설계 및 성형 가공 조립기술 개
□ 개발목표
▪ 계 획
1차년도 개발목표 및 내용
▶ 첨단디스플레이 (LCD,PDP) 산업 및 관련 장치산업용 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP)판재(Plate) 설계, 성형, 가공, 조립기술 개발
▶ 1차년도 최종 목표: 폭×길이×두께 (500x2500x20)이상
2차년도 개발목표 및 내용
▶ 2차년도 최종 목표: 폭×길이×두께 (40x3500x4) 이상
▪ 실 적
◇ 1차년도 개발목표 및 내용
1) 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)판재 (Plate) 설계 및 성형 가공 조립기술 개발
◦ 고강도, 중탄성, 고탄성 탄소섬유를 기본으로한 열경화성 에폭시 수지(thermosetting epoxy resin)가 함침된 프리프레그(prepreg)를 원재료로 하여, 배열(적층패턴) 및 적층수 조절에 의해 강도, 압축, 굴곡특성을 조절할 수 있는 FPD(flat panel display) 산업 및 관련 장치산업에 적용시키기 위한 CFRP 제품개발을 성공적으로 수행하였음.
2) 기술개발 요약
3) 폭×길이×두께(500x2700x20)이상 개발완료
4) 1차년도 기술개발 목표 및 달성도 평가
◦ 선진제품 분석을 통해 확보한 데이터를 바탕으로, 고강도, 고탄성을 지닌 UD 소재선정, 적층패턴 설계, 오토클레이브(autocalve)성형법, 전용 tool을 이용한 NC 가공기술, CFRP/금속재료 접착 및 조립기술을 성공적으로 개발하였음.
◦ 공인시험기관을 통해 시험분석을 진행하여 제품에 대한 신뢰성을 평가하였으며, 전문가를 통해 유한요소해석을 진행하여 제품에 대한 다각적인 성능을 검토하였음.
◇ 2차년도 개발목표 및 내용
1) 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 파이프(PIPE) 설계 및 성형, 가공, 조립기술 개발
o 열경화성 에폭시 수지가 함침된 프리프레그를 원재료로 하여, 첨단 산업용 CFRP 파이프(Pipe) 개발을 성공적으로 수행하였음.
2) 기술개발 요약
3) 2차년도 기술개발 목표 및 달성도 평가
o 공인시험기관을 통해 CFRP 각형 파이프 제품의 시편을 제작하고 시험분석을 진행하여 제품에 대한 신뢰성을 평가하였다. 또한 전문가를 통해 유한요소 해석을 진행하여 제품에 대한 다각적인 성능을 검토 하였다.
□ 해당연도 기술개발 내용
◇ 1차년도 개발목표 및 내용
계획
1. 타겟제품(선진제품)의 부분 입수 및 개발 계획수립
실적
1) 제품의 소재, 패턴, ply수, 수지 및 수지함량 분석
◦ 두께: 20.05T
◦ 소재: 고강도, 고탄성 프리프레그, 직물
◦ 상/하층: 카본직물, 중간층: UD(prepreg)
◦ 적층패턴: 0° 방향과 90° 방향의 적층패턴
◦ 수지 및 함량: 에폭시 수지, 약 36% 이상
◦ 성형법 : 오토클레이브(autoclave)
◦ 다수의 NC 가공 홀(hole) 조립부 존재
◦ 인장, 굽힙, 압축강도 및 탄성률은 분석불가 하였음.
계획
2. CFRP 설계기술 개발
실적
1) 프리프레그 소재, 적층패턴, 성형조건 설계
2) 소재 종류별 적층패턴 및 두께 설계
3) 몰드(금형)설계
◦ 몰드(상): 폭×길이×두께(500×2,750×10)
◦ 몰드(하): 폭×길이×두께(800×3,000×10)
◦ 스테인리스, 단면 연마(polishing)가공
4) 평가기술 설계(물성, 신뢰성 평가)
◦ 인장시험: ASTM D 3039
◦ 압축시험: ASTM D 3410
◦ 굽힘시험: ASTM D 790
◦ 시험분석기관: 재료연구소(KIMS)
계획
3. CFRP 성형조건 설계 및 운용기술 개발
실적
1) 오토클레이브 성형조건, 운용조건 확립
◦ 성형온도: 120~130℃
◦ 성형압력: 5~7bar
◦ 성형시간: 3~5hr
◦ 초기 1시간 동안:
-온도: 상온(25~30℃)
-진공압: 초기 최대 -1250mmHg 40~50분간 -760mmHg
-압력: 7bar 상태.
◦ 1시간 이후
-승온속도: 약 4℃/min
-압력: 7bar 유지
◦ 가동시작 후 약 2시간 45분후
-온도인 125℃ 도달 → 2hr 유지
◦ 3시간 이후
-온도: 가열중단 → 자연냉각
-압력: 7bar 유지
① 오토클레이브 성형 사이클
-진공 후 40분부터 승온을 시작하여, 성형온도 약 125℃에서 메인 성형시간을 3hr 유지함. 일정하게 열과 압력을 가한 후 서서히 냉각시키는 것이 핵심임.
계획
4. 유한요소해석(FEA) 기술 확립
실적
1) 유한요소해석(FEA)
◦ 유한요소해석(FEA)를 위하여 재료연구소 (KIMS)에서 수행한 실험결과와 경상대학교 기계공학부(신소재응용설계연구실)의 실험 데이터를 이용하여 실시함.
2) 분석대상: 1차년도 기술개발제품으로 판재 (sheet)와 바(bar) 형태의 구조물.
3) 유한요소법 모델링(FEM modeling)
◦ 판재와 막대 형태의 길이방향을 x, 폭방향을 y, 두께 방향을 z로 설정
◦ 양끝단 z 방향 변위 0
◦ 양끝단 중심 1개 노드를 각 y방향 변위 0
◦ 한쪽 끝단 x방향 변위 0, 다른 한쪽 x방향구속없이 자유롭게 함
◦ 자중에 의한 처짐: 중력가속도 적용
5) 결과(URN300B, 20t)
① 처짐(displacement)
② 응력(stress) (단위: Mpa)
◦ 윗면은 압축응력이, 아랫면에는 인장응력이 발생하였음. Sheet, Bar 1, Bar 2 모두 동일한 응력분포를 지님.
계획
5. CFRP 가공기술 확립
실적
1) CFRP 절삭, 절단, 드릴링, 연삭 가공공구 tool 선정과 활용기술 개발
① 워터젯(water jet)
◦ 저소음, 저진동과 먼지가 없기 때문에 양호한 작업환경에서 생산능률을 높일 수 있는 장점이 있음, 그러나, 층간박리 현상이 대면적으로 빈번히 발생할 수 있는 단점이 있음. 정밀 홀(hole) 가공 및 탭(tap) 가공은 적합지 않음.
② NC를 이용한 CFRP의 홀 및 취구부 가공기술개발
◦ CFRP의 층간박리(delamination), 표층박리 (fiber breakout), 언컷 화이버(uncut fiber)가 발생하기 쉬운 점이 있음.
◦ 공구수명을 확보하기 위해 PCD(polycrystalline diamond), 다이아몬드 코팅, 다이아몬드 전착 등의 다이아몬드 공구가 많이 사용되고 있으나, 매우 고가라는 단점이 있음.
◦ 일반적인 초경 (WC: 텅스텐 카바이드)으로 작업해본 결과 마모수명이 낮아 20T 두께로 홀(hole) 작업 시 최대 20홀 이상이 어려움. 층간박리나 표층박리가 발생하는 경우도 생김.
◦ 판재에서 부분적인 수정은 불가하여 CFRP 홀 가공 시 내구성이 매우 우수한 PCD tool를 사용하는 것이 바람직하다 판단 됨. PCD 드릴은 판재 두께의 경우에 따라 효율성이 상이하나, 10t 기준 500홀 이상 작업이 가능할 것으로 예상됨.
계획
6. CFRP 조립기술 확립
실적
1) 동종소재 및 이종소재의 접착제를 활용한 접착기술 개발
◦ 20T 두께의 판재+스테인리스 소재의 부싱(bushing)을 접착시키기 위한 기술을 개발하고자 하였음.
-접착제: Lcoctite Hysol 에폭시 접착제
-스테인리스 부싱: SUS 304
-Knurling 가공: 접착면적 향상
2) 조립완성도 평가(자체평가)
◇ 2차년도 개발목표 및 내용
계획
1. 타겟제품(선진제품)의 부분 입수 및 개발 계획 수립
실적
1) 제품의 소재, Stacking Sequence, 수지 및 수지함량 특성 분석
o 두께: 4.16T
o 소재: 고강도, 고탄성 프리프레그, 직물
o 상/하층: 카본직물, 중간층: UD(prepreg)
계획
2. CFRP 설계기술 개발
실적
o 적층패턴: 0° 방향과 90° 방향의 적층패턴
o 수지 및 함량: 에폭시 수지, 약 33% 이상
o 성형법 : 오토클레이브(autoclave)
o NC 홀(hole) 가공
1) 프리프레그 소재, 적층패턴, 성형조건 설계
2) 소재 종류별 적층패턴 및 두께 설계
3) 몰드(금형)설계
o 내구성 및 강도 유지를 위한 6000x 계열의 알루미늄 합금 소재 사용
o 부식 방지를 위한 양극산화 공법 처리, 단면 연마 (polishing)가공
4) 평가기술 설계(물성, 신뢰성 평가)
o 인장시험: ASTM D 3039
o 압축시험: ASTM D 3410
o 굽힘시험: ASTM D 790
o 시험분석기관: 재료연구소(KIMS)
계획
3. CFRP 성형조건 설계 및 운용기술 개발 실적
1) 오토클레이브 성형조건, 운용조건 확립
o 초기 1시간
-온도: 상온(25~30℃)
-진공압: 초기 최대 -1250mmHg 40~50분간 -760mmHg
-압력: 7bar 상태
o 1시간 이후
-승온속도: 약 4℃/min
-압력: 7bar 유지
o 가동시작 후 약 2시간 45분후
-온도인 125℃ 도달 → 2hr 유지
o 3시간 이후
-온도: 가열중단 → 자연냉각
-압력: 7bar 유지
o 오토클레이브 성형 사이클
계획
4. 유한요소해석(FEA) 기술 확립
실적
1) 유한요소해석(FEA)
o 유한요소해석(FEA)를 위하여 재료연구소(KIMS)에서 수행한 실험결과와 경상대학교 기계공학부(신소재응용설계연구실)의 실험 데이터를 이용하여 실시하였음
2) 분석대상
o 2차년도 기술개발 제품으로 각형 파이프(pipe)형태
o 40×3500×4(폭×길이×두께, 단위: mm)
3) 유한요소법 모델링(FEM modeling)
4) 수행 조건
o Pulley 뭉치에 대해 각각 2.8kg, 4.0kg 자중을 부여하고 균등포 하중을 2kg을 주어 처짐 경향 및 최대 처짐량 해석
5) 결과(USN 300A)
o 처짐(displacement)
계획
5. CFRP 가공기술 확립
실적
1) CFRP 절삭, 절단, 드릴링, 연삭 가공공구 tool 선정과 활용기술 개발
① CFRP 가공 공구 선택
o 파이프(Pipe) 형태임을 감안하여 1차년도에서 정립 된 CFRP 가공 공구 자료를 기반으로 2차년도 파이프(PIPE) 복합소재 마모에 내구성을 제공하고 균열을 방지함과 동시에 적합한 형상 및 클리어런스를 갖춘 텅스텐 카바이드 (WC)계 공구를 선택하여 가공함
o 하지만 카바이드계(WC) 공구를 사용 하는 도중에 아래와 같이(좌) 가공 불량이 빈번히 발생되어 후속 조치로 홀(holl) 가공 전용 유닛을 사용하여 가공 불량을 완화시켰다
② NC를 이용한 CFRP의 홀 및 취구부 가공기술 개발
o CFRP 파이프(Pipe)에 대한 가공 조건을 확립하고 1차년에서 축적된 가공 기술을 토대로 본 가공을 실시하였다
계획
6. CFRP 조립기술 확립
실적
1) 각형 파이프(Pipe) 체결용 브라켓(bracket) 설계 제작 및 조립 기술 확립
o 2차년도 CFRP 파이프(Pipe) 체결용 브라켓 설계
- 브라켓은 2차년도 개발품 CFRP 각형 파이프의 지지대 역할을 하며 개발품이 사용되는 현장에서 브라켓과 CFRP 파이프 본체와의 결속력을 증대하기 위해서는 설계 및 축적된 조립 기술이 무엇보다도 중요하다.
o 브라켓(bracket) 설계
o 제작 및 조립
o 조립기술 확립
- 제품과 브라켓의 결속력을 높이기 위해 볼트 및 너트 부위를 CFRP 전용 접착제를 다소 과량으로 처리하여 완전한 Gap filling이 될 수 있도록하였다(경화시간:: 실내 20℃~25℃ 유지, 8시간)
□ 기대효과
◦ 선진국가로부터 전량 수입되던 완제품을 국산화에 기여
◦ 국내외 디스플레이 산업분야로의 시장 진입 교두보 마련
□ 적용분야
◦ 로봇 프레임, 롯봇암등의 장치 산업분야로 확대
◦ 휴대폰 케이스, 노트북등의 전자제품 분야로 용도 확대
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