보고서 정보
주관연구기관 |
한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research |
연구책임자 |
김수현
|
참여연구자 |
김세영
,
방형준
,
성영훈
,
이슬희
,
한인섭
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2022-12 |
과제시작연도 |
2022 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO202300004928 |
과제고유번호 |
1711173478 |
사업명 |
한국에너지기술연구원연구운영비지원(주요사업비) |
DB 구축일자 |
2023-08-16
|
초록
▼
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
기존의 연속섬유 적용 탄소섬유 복합재료(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP) 3D프린팅 기술은 대부분 FDM(Fused Deposition Molding) 방식이며, 이에 사용되는 복합소재 기지재는 주로 열가소성 수지를 사용하고 있다. 본 연구에서는 PC, PLA, PETG 등 기존 3D프린팅에 사용되는 대표적인 열가소성 수지 필라멘트에 대한 TGA 분석을 수행하였으며, 그 결과 잔류 탄소량이 10wt% 이하로 매우 낮고 이로 인해 CMC 공정 중 탈지/
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
기존의 연속섬유 적용 탄소섬유 복합재료(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP) 3D프린팅 기술은 대부분 FDM(Fused Deposition Molding) 방식이며, 이에 사용되는 복합소재 기지재는 주로 열가소성 수지를 사용하고 있다. 본 연구에서는 PC, PLA, PETG 등 기존 3D프린팅에 사용되는 대표적인 열가소성 수지 필라멘트에 대한 TGA 분석을 수행하였으며, 그 결과 잔류 탄소량이 10wt% 이하로 매우 낮고 이로 인해 CMC 공정 중 탈지/탄화 후 Si의 용융침투 반응이 매우 저하됨을 확인하였다. 따라서 3DP CMC용 필라멘트를 위해 기존 고분자 소재를 그대로 적용하기는 어려우며, 잔탄량이 높은 열경화성수지를 기반으로 하는 하이브리드 수지의 조성 개발이 필요함을 확인하였다.
이를 위해 탄화 후 잔류 탄소량이 50wt% 이상의 열경화성 수지인 Phenol resin(resol)을 기반으로 액상 Phenol resin의 고형화 및 수지의 flexibility를 부여할 수 있는 PVB와 PEG 열가소성 수지를 혼합하여 열경화성/열가소성 하이브리드 수지 조성을 개발하는 연구를 수행하였다. 수지 조성에 대한 반복적인 case study를 통해 최적 조성(TCE7-1)을 도출하였며, TGA 분석 결과 1,000℃에서 잔류 탄소량이 50wt.%임을 확인하였다. 개발된 TCE7-1 조성을 최적화하고 CMC 제조 시 반응성을 향상하기 위하여 탄소나노분말(carbon black, CB)이 적용된 하이브리드 수지 조성(TCE7-3, TCE7-4)을 개발하였으며, TGA 분석 결과 51-52%의 residue를 나타내 탄소 나노분말이 없는 기본 조성(TCE7-1) 기준 5%p 이상의 잔탄량 증가를 보였다. 또한 개발된 조성을 적용하여 탄소섬유-하이브리드 수지 FRP 제작시 섬유 번들 내부까지 수지가 잘 함침됨을 확인하였다.
개발한 열경화성/열가소성 하이브리드 수지를 연속섬유에 함침하여 필라멘트를 제작하기 위한 연속섬유-하이브리드 수지 함침 필라멘트 연속 제조 장치를 개발하였다. 이를 활용하여 연속섬유-하이브리드 수지 필라멘트 제작 특성을 연구한 결과, 필라멘트 제작이 원활히 진행되며 응고 후의 flexibility도 충분함을 확인하였다. LoxM SiC 섬유와 TCE7-4 수지를 적용하여 제작된 필라멘트의 단면 분석 결과, 최대 직경은 0.57mm이며 필라멘트 내 섬유 체적비는 75.3%이고 기공은 거의 존재하지 않으므로, 개발된 필라멘트 연속 제작 공정 시연속섬유 번들 내 하이브리드 수지의 함침성 및 균일성이 우수함을 확인하였다.
상기와 같이 제작된 연속섬유-하이브리드 수지 필라멘트의 용융점은 80℃에서 160℃ 사이이며 최대 흡열 온도는 125℃이므로, 기존의 FDM 방식 3DP 장비에 적용 가능함을 확인하였다. 필라멘트를 교차 적층하고 고온에 노출한 후 그 교차점에서의 단면을 분석하여, 120℃ 공정온도에서 개발한 필라멘트 간 접합이 원활히 이루어짐을 확인하였다. 따라서 본 과제에서 제작한 CMC용 연속섬유-하이브리드 수지 필라멘트를 FDM 방식의 3D프린터에 적용 시 3차원 형상의 구조물을 형상화가 충분히 충분히 가능할 것으로 판단된다.
본 과제의 최종 성과물인 CMC 소재의 경우 전 세계 시장규모는 2018년 8억8천6백만 달러로 2019년에서 2024년 사이에 9.2 %의 CAGR을 기록할 것으로 예상되며, 특히 발전 및 항공용 터빈 고온부품, 방위 산업 분야의 극한환경용 소재로의 적용 비중이 확장되는 추세이다. 본 과제를 통해 CMC 3D프린팅용 하이브리드 필라멘트 소재의 원천기술을 확보할 경우 복잡형상의 CMC 고온 핵심부품 제조 기술개발로 연계 가능하므로, 고온 연소기 및 터빈 시스템 산업의 가장 큰 기술 장벽인 소재 내열온도 향상을 통한 전체 시스템 성능 향상에 크게 기여 가능하다. 또한 복잡형상 부품의 제작 시 가장 큰 비용이 소요되는 몰드 제작비를 최소화할 수 있어 기존 CMC 제작공정의 상용화에 가장 큰 어려움이었던 생산성 및 경제성을 대폭 개선할 수 있으므로, 향후 본 과제의 연구결과와 연계하여 복잡형상 CMC 고온부품 제조 기술을 확보하기 위한 후속 과제의 필요성이 매우 높다고 판단된다.
(출처 : 요약문 7p)
Abstract
▼
Ⅳ. Result and Recommendations
In this study, TGA analysis was performed on representative thermoplastic resin filaments used in conventional 3D printing such as PC, PLA, and PETG. It was confirmed that the permeation reaction was greatly reduced. Therefore, it was confirmed that it is necessary t
Ⅳ. Result and Recommendations
In this study, TGA analysis was performed on representative thermoplastic resin filaments used in conventional 3D printing such as PC, PLA, and PETG. It was confirmed that the permeation reaction was greatly reduced. Therefore, it was confirmed that it is necessary to develop a composition of a hybrid resin based on a thermosetting resin having a high residual carbon content.
A study was conducted to develop a thermosetting/thermoplastic hybrid resin composition by mixing PVB and PEG thermoplastic resin, which can solidify liquid phenol resin and give flexibility to the resin, based on phenol resin. The optimal composition (TCE7-1) was derived through repetitive case studies on the resin composition, and as a result of TGA analysis, it was confirmed that the residual carbon content was 50 wt.% at 1,000℃. In order to optimize the developed TCE7-1 composition and improve the reactivity during CMC manufacturing, hybrid resin compositions (TCE7-3, TCE7-4) with carbon nanopowder (carbon black, CB) were developed, and TGA analysis results showed that 51-52% Residues of carbon nanopowders, and showed an increase in residual carbon amount of more than 5%p based on the basic composition (TCE7-1) without carbon nanopowder. In addition, it was confirmed that the resin was well impregnated to the inside of the fiber bundle when the carbon fiber-hybrid resin FRP was manufactured by applying the developed composition.
A continuous fiber-hybrid resin impregnated filament manufacturing device was developed to produce filaments by impregnating the developed thermosetting/thermoplastic hybrid resin into continuous fibers. As a result of studying the manufacturing characteristics of the continuous fiber-hybrid resin filament using this, it was confirmed that the filament manufacturing proceeded smoothly and the flexibility after solidification was sufficient. As a result of cross-sectional analysis of the filament produced by applying LoxM SiC fiber and TCE7-4 resin, the maximum diameter is 0.57mm, the fiber volume ratio in the filament is 75.3%, and there are almost no pores. It was confirmed that the impregnation and uniformity of the hybrid resin were excellent.
Since the melting point of the continuous fiber-hybrid resin filament prepared as described above is between 80℃ and 160℃ and the maximum endothermic temperature is 125℃, it was confirmed that it can be applied to the existing FDM type 3DP equipment. After cross-laminating the filaments and exposing them to a high temperature, the cross section at the intersection was analyzed to confirm that the bonding between the filaments developed at a process temperature of 120℃ was performed smoothly. Therefore, when applying the continuous fiber-hybrid resin filament for CMC produced in this project to an FDM-type 3D printer, it is judged that it will be possible to form a three-dimensional structure sufficiently.
(source : Summary 10p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 3
- 요 약 문 ... 5
- SUMMARY ... 9
- CONTENTS ... 12
- 목차 ... 13
- 그림목차 ... 14
- 표목차 ... 16
- 제 1 장 서 론 ... 17
- 제 1 절 개요 ... 17
- 1. 기술의 개요 ... 17
- 2. 기술개발의 필요성 ... 18
- 제 2 절 국내외 기술개발 현황 ... 23
- 1. 국외 기술개발 현황 ... 23
- 2. 국내 기술개발 현황 ... 25
- 제 2 장 본 론 ... 26
- 제 1 절 연구개발 목표 및 내용 ... 26
- 1. 연구개발 최종목표 ... 26
- 2. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 27
- 제 2 절 연구개발 내용 ... 29
- 1. 기존 3DP 필라멘트 소재 분석 ... 29
- 2. 3DP CMC용 하이브리드 수지 조성 개발 ... 33
- 3. 3DP CMC용 연속섬유 필라멘트 개발 ... 37
- 제 3 장 결 론 ... 51
- 참 고 문 헌 ... 54
- 끝페이지 ... 55
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.