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Composites Research(구 한국복합재료학회지) update

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수록정보
수록범위 : 1권1호(1988)~34권4호(2021) |수록논문 수 : 1,606
Composites Research(구 한국복합재료학회지)
34권4호(2021년 08월) 수록논문
최근 권호 논문
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KCI등재

1기계적 메타물질 설계 및 제조방안

저자 : 김민겸 ( Min-kyeom Kim ) , 김승현 ( Seunghyun Kim ) , 윤재원 ( Jae-won Yun ) , 정효균 ( Jeong-hyo Gyun ) , 곽민준 ( Min-jun Kwak ) , 안예린 ( Yea-lin Ahn ) , 박찬욱 ( Chan-wook Park ) , 김윤철 ( Youn-chul Kim ) , 서종환 ( Jonghwan Suhr )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 199-211 (13 pages)

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적층제조 기술의 발전으로 복잡한 구조의 제조가 용이해짐에 따라, 기존에 존재하지 않은 특성을 지닌 메타물질에 대한 관심이 커지고 있다. 기존에 존재하지 않은 기계, 음향, 열, 전자기 및 광학 특성을 지닌 메타물질은 높은 공학응용(Engineering applications) 가능성을 보여, 새로운 메타물질 개발 및 설계방안에 대한 연구를 지속적으로 진행하고 있다. 이에 본 논문에서는 메타물질의 여러 특성 중 기존에 존재하지 않은 기계적 특성을 지닌 메타물질의 특성, 거동 및 물성을 소개하고 설계방안을 제시하고자 한다. 또한 설계한 메타물질을 제조하기 위해 여러 적층제조 방식별 메타물질 제조특성 들을 검토하여, 메타물질의 산업에서의 활용 가능성을 제시하고자 한다.


As an additive manufacturing achieves technological advances, it enables to manufacture complex structures with saving a cost and time. Therefore, metamaterials, which has geometric complexity, have gradually gathered attention due to the unprecedented properties: the unprecedented mechanical, thermal, electromagnetic, and optical properties. The metamaterials could exhibit a high potential in engineering applications, and thus it has been steadily investigated to design or/and develop novel metamaterials. Here, mechanical metamaterials, which had been reported, were reviewed to suggest the way to design and fabricate the metamaterials for industrial applications.

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2레이저로 적층 제조한 금속 기지재 복합재료의 설계 및 제조 연구동향

저자 : 김민겸 ( Min-kyeom Kim ) , 김태환 ( Taehwan Kim ) , 김주원 ( Ju-won Kim ) , 김동원 ( Dongwon Kim ) , 방영젠 ( Yongjian Fang ) , 노종환 ( Jonghwan No ) , 서종환 ( Jonghwan Suhr )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 212-225 (14 pages)

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금속 기지재 복합재료들(MMCs, Metal matrix composites)은 우수한 기계적 물성(강성, 강도, 마모 저항성, 경도 등)과 뛰어난 특성(열전도, 전기전도도, 부식 저항 등)으로 다양한 산업군에 활용되고 있다. 적층제조 기술이 발달함에 따라 복잡한 형상을 시간과 비용을 절약하여 제조할 수 있다는 이점으로, 적층 제조한 MMCs에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 MMCs를 적층 제조할 경우, 다양한 원인들에 의해 여러 문제들이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 MMCs의 특징들을 소개하고, 위의 문제들이 발생하는 원인을 고찰하여 소재와 Powder bed fusion (PBF) 공정 설계 관점에서 해결책을 제시하고자 한다. 본 논문은 향후 PBF 방식으로 적층 제조한 MMCs를 개발할 때 설계 및 제조 가이드라인을 제시하여 줄 수 있을 것이다.


Metal matrix composites (MMCs) were widely used in various industries, due to the excellent properties: high strength, stiffness, wear resistance, hardness, thermal conductivity, electrical conductivity, etc. With additive manufacturing (AM) technology rapidly developed, AM MMCs have been actively investigated thanks to the cost- and time-saving manufacturing. However, several issues still need to be addressed before fabricating AM MMCs. Here, several types of MMCs were introduced and MMCs' design methods to tackle the issues were suggested in a powder bed fusion (PBF) technique. The paper could come up with a guideline for the material and process design of MMCs in the PBF technique.

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3전개장치용 복합재료 테이프 스프링 개발

저자 : 김영배 ( Yeong-bae Kim ) , 정근성 ( Geunsung Jung ) , 김도원 ( Do-won Kim ) , 최한솔 ( Han-sol Choi ) , 임재혁 ( Jae Hyuk Lim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 226-232 (7 pages)

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본 논문에서는 전개장치용 복합재료 테이프 스프링 개발을 위해 테이프 스프링의 설계, 해석, 제작 및 기계적 특성을 검토하였다. 이를 위해 다양한 복합재료 소재를 선정하고 3개의 적층 패턴에 따라 제작하여 굽힘 시 파손여부를 구조해석과 실험적으로 검토하였다. 이중 파손이 발생하지 않고 잘 굽혀지는 소재와 적층 패턴을 선정하였다. 이렇게 확보된 정보를 이용해 전개구조물용 테이프 스프링을 개발하고 4점 굽힘 시험을 통해 구조적인 특성을 검토하였다. 시험 결과로부터 굽힘과 펴짐에 따라 모멘트-회전 곡선에서 테이프 스프링 고유의 비선형 히스테리시스 현상이 적절히 구현됨을 확인하였다. 따라서 복합재료 테이프 스프링이 적절히 개발된 것을 확인하였다.


In this paper, development of tape-springs made of composite materials was conducted for the deployment structures along with design, analysis, fabrication, and numerical and experimental investigation of mechanical behavior of the tape-springs. To this end, the tape-springs were manufactured according to three stacking patterns, and numerical and experimental investigation were conducted to determine whether or not they were damaged during bending with various selected composite materials. Finally, optimal stacking patterns that do not cause damage were selected during bending. With this information, the four-point bending test was conducted to obtain the moment-rotation curves. From results, it was confirmed that the nonlinear hysteresis phenomenon of the tape-springs was properly realized according to folding and unfolding. Therefore, it was confirmed that the composite material tape spring was properly developed.

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4VaRI 공정 유동해석 간소화 방법에 대한 연구

저자 : 김영민 ( Yeongmin Kim ) , 이정완 ( Jungwan Lee ) , 김정수 ( Jungsoo Kim ) , 안세훈 ( Sehoon Ahn ) , 오영석 ( Youngseok Oh ) , 이진우 ( Yi Jin Woo ) , 김위대 ( Wiedae Kim ) , 엄문광 ( Moon-kwang Um )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 233-240 (8 pages)

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VaRI(Vacuum assisted Resin Infusion) 공정은 공정비용이 저렴하며, 크기가 큰 복합재 제작에 적합한 OoA(Out of Autoclave) 공정이다. VaRI 공정에서는 원할한 수지 주입을 위해 섬유 상단에 유로망을 적층한다. 수지는 이 유로망을 따라 섬유의 면 방향으로 빠르게 공급되고, 공급된 수지는 다시 섬유의 두께방향으로 함침된다. 면방향의 유동과 두께방향의 유동이 동시에 일어나기 때문에 수지의 유동을 예측하기 힘들며, 수지 주입과정을 예측하기 위해 3D 수치해석 프로그램이 사용되고 있다. 하지만, 3D로 해석하기 위해서 섬유와 유로망의 두께방향에 많은 Element가 필요하고, 이로 인해 제품의 크기가 클수록 해석시간이 오래 걸린다. 따라서 본 연구에서는 3D 유동해석을 2D 해석으로 간소화하여 유동해석에 소요되는 시간을 줄이는 방법을 제시하였다. 3D 유동해석과 간소화된 2D 유동해석을 동일조건에서 비교하여 효용성을 검증하였고, 충진시간 오차율은 약 7%, 유동해석시간 감소율은 약 95%로 나타났다. 또한 3D 해석에서 섬유 상, 중, 하단 간의 유동 전진 거리의 차이가 일정하다는 것을 활용하여 간소화된 2D 유동해석에서도 상, 중, 하단의 유동 전진 거리를 예측할 수 있었다.


VaRI(Vacuum assisted Resin Infusion) process, which is cost effective and suitable for manufacturing large-sized composites, is an OoA(Out-of Autoclave) process. For rapid resin infusion in the VaRI process, a DM(distribution media) is placed on top of the fabric. The resin is rapidly supplied in plane direction of the fiber along the DM, and then the supplied resin is impregnated in the out-of-plane direction of fiber. It is difficult to predict the flow of resin because the flow of in-plane direction and the out-of-plane direction occur together, and a 3D numerical analysis program is used to simulate the resin infusion process. However, in order to analyze in 3D, many elements are required in the out-of-plane direction of fabric. And the product size is larger, the longer the analysis time needs. Therefore, in this study, a method was suggested to reduce the time required for flow analysis by simplifying the 3D flow analysis to 2D flow analysis. The usefulness was verified by comparing the 3D flow analysis with the simplified 2D flow analysis at the same conditions. The filling time error was about 7% and the reduction of flow analysis time was about 95%. In addition, by utilizing the constant difference in the flow front between the top, middle, and bottom of the fabric of the 3D analysis, the flow front of the top, middle, and bottom of the fabric can be also predicted in the 2D flow analysis.

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5전기자동차 배터리 모듈 커버의 3D 프린팅 제작을 위한 GF/PC 복합소재 필라멘트 설계와 3D 프린팅 공정 및 구조 최적화

저자 : 유정욱 ( Jeong-wook Yoo ) , 이진우 ( Jin-woo Lee ) , 김승현 ( Seung-hyun Kim ) , 김윤철 ( Youn-chul Kim ) , 서종환 ( Jong-hwan Suhr )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 241-248 (8 pages)

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전기자동차 시장이 성장함에 따라 배터리 효율을 증가시키기 위해 차량 경량화 이슈가 대두되고 있다. 이에 전기자동차 배터리 모듈을 보호하는 배터리 모듈 커버를 기존 알루미늄 소재에서 알루미늄 대비 절반 수준의 무게를 가지는 고강도/고내열성 고분자 복합소재로 대체하고자 한다. 또한 복잡한 형상에 대한 제약이 없고, 다품종 소량생산에 유리한 3D 프린팅 기술을 접목하여 기술 변화가 빠른 초기 전기자동차 시장에 대응하고자 한다. 복합소재 역학에 기반하여 압출기를 통해 가공한 단섬유 GF(glass fiber)/PC(polycarbonate) 복합소재 내 유리섬유의 임계길이(critical length)가 453.87 μm임을 도출하였고, 사이드 피딩(side feeding) 방식의 가공법을 택함으로써 기존 365.87 μm이었던 잔류섬유길이를 향상시킴과 동시에 분산성을 향상시켰다. 이에 30 wt%의 GF가 함유된 GF/PC 복합소재로 인장강도(tensile strength) 135 MPa, 탄성계수(Young's modulus) 7.8 MPa의 최적의 물성을 구현하였다. 또한 3D 프린팅 필라멘트가 상용 필라멘트 규격인 두께 1.75 mm, 표준편차 0.05 mm를 만족하기 위해서 필라멘트 압출 조건(온도, 압출속도)을 최적화하였다. 제작된 필라멘트를 통해 기공률을 최소화하며 강도를 최대화하고, 동시에 생산성 향상을 위해 프린팅 속도를 최대화하는 다중 최적화 문제를 통해 3D 프린팅 공정조건(온도, 프린팅 속도)을 최적화하였고, 이로써 기존 상용화 되어있는 동일 소재 필라멘트 대비 인장강도 11%, 탄성계수 56%가 향상된 결과를 얻었으며, 출력물의 후처리(post-process)를 통해 후처리 전 대비 인장강도 5%, 탄성계수 18%를 추가로 향상시켰다. 끝으로 유한요소해석(finite element analysis, FEA) 기법을 활용하여 전기자동차 배터리 모듈 커버의 시험 규격(ISO-12405)의 Mechanical Shock test의 기준을 만족하도록 배터리 모듈 커버의 구조를 최적화하였고, 이로써 배터리 커버 시험규격을 만족하면서 동시에 알루미늄을 사용했을 때 대비 37%의 경량화를 달성하였다. 해당 연구 결과 및 연구 방법을 활용하여 향후 다양한 분야에 고분자 복합소재 3D 프린팅 기술이 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


As the electric vehicle market grows, there is an issue of light weight vehicles to increase battery efficiency. Therefore, it is going to replace the battery module cover that protects the battery module of electric vehicles with high strength/high heat-resistant polymer composite material which has lighter weight from existing aluminum materials. It also aims to respond to the early electric vehicle market where technology changes quickly by combining 3D printing technology that is advantageous for small production of multiple varieties without restrictions on complex shapes. Based on the composite material mechanics, the critical length of glass fibers in short glass fiber (GF)/polycarbonate (PC) composite materials manufactured through extruder was derived as 453.87 μm, and the side feeding method was adopted to improve the residual fiber length from 365.87 μm and to increase a dispersibility. Thus, the optimal properties of tensile strength 135 MPa and Young's modulus 7.8 MPa were implemented as GF/PC composite materials containing 30 wt% of GF. In addition, the filament extrusion conditions (temperature, extrusion speed) were optimized to meet the commercial filament specification of 1.75 mm thickness and 0.05 mm standard deviation. Through manufactured filaments, 3D printing process conditions (temperature, printing speed) were optimized by multi-optimization that minimize porosity, maximize tensile strength, and printing speed to increase the productivity. Through this procedure, tensile strength and elastic modulus were improved 11%, 56% respectively. Also, by post-processing, tensile strength and Young's modulus were improved 5%, 18% respectively. Lastly, using the FEA (finite element analysis) technique, the structure of the battery module cover was optimized to meet the mechanical shock test criteria of the electric vehicle battery module cover (ISO-12405), and it is satisfied the battery cover mechanical shock test while achieving 37% lighter weight compared to aluminum battery module cover. Based on this research, it is expected that 3D printing technology of polymer composite materials can be used in various fields in the future.

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6화학기상침투법 반응로 내부 유동에 따른 탄소/탄소 복합재 밀도화

저자 : 김혜규 ( Hye-gyu Kim ) , 지우석 ( Wooseok Ji ) , 권향주 ( Hyang Joo Kwon ) , 윤성태 ( Sungtae Yoon ) , 김정일 ( Jung-il Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 249-256 (8 pages)

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본 논문에서는 화학기상침투법(CVI) 공정으로 제작되는 탄소/탄소 복합재의 밀도화 과정을 수치해석적으로 연구하였다. 이를 위해 선행 연구에서 개발된 전산유체역학 모델과 반응로 내 주요 화학 반응 모델을 연계한 다중물리 수치해석 모델을 이용하여, 섬유 프리폼의 밀도와 공극률 변화를 다양한 측면에서 분석하였다. 특히 프리폼 주변 기체 유동의 형태에 따른 밀도화 변화를 알기 위해, 특정 형상의 구조물을 프리폼 주변에 배치시켜 유동을 변화시킨 후 프리폼의 밀도화를 계산하였다. 총 4가지 다른 형태의 구조물로 해석한 결과 프리폼 주변의 유동 형태 및 속도 분포를 구조물 형상으로 제어할 수 있었으며, 프리폼의 평균 밀도를 높이거나 밀도 편차를 감소시키는 것이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 실제 산업 현장에서 사용되는 반응로와 공정 조건을 모델로 이용하였다.


In this paper, the densification of a carbon/carbon composite during a chemical vapor infiltration (CVI) process is studied using a chemo-mechanical model. The multi-physics numerical model, developed in the previous research, couples computational fluid dynamics and major chemical reactions in the reactor. The model is especially utilized to study the effect of flow behavior around the preform on the densification. Four different types of “flow-guide” structures are placed to alter the gas flow around the preform. It is shown that the flow pattern and speed around the preform can be controlled by the guide structures. The process simulations demonstrate that the average density and/or density distribution of the preform can be improved by controlling the gas flow around the perform. In this study, a full industrial-scale reactor and process parameter were used.

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7원통형 복합재료 압력 용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 형링 버스트 시험 방법 분석

저자 : 김외태 ( Woe Tae Kim ) , 김성수 ( Seong Soo Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 257-263 (7 pages)

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복합재료는 높은 비 강성 및 비 강도 특성으로 인해 기체 혹은 액체 연료를 저장하기 위한 압력 용기의 설계 및 제작에 널리 활용되고 있다. 이에 따라, 압력용기의 파열압력 또는 파단 변형률의 기계적 특성의 보다 정확한 측정은 상용화 전에 필수적 요소이다. 그러나, 기존의 시험방법을 활용한 복합재료 압력 용기의 안전성 검증은 하중 전달 매체의 변형으로 인한 추가적인 에너지 손실의 발생과, 불필요한 하중 및 모멘트의 발생 등의 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 수직기둥의 이론적인 하중전달 정도와 적용 가능한 수직방향 변위를 고려하여 세그먼트형 링 버스트 시험장치를 설계하였다. 또한, 세그먼트 형 링 버스트 시험장치의 균일한 압력분포를 검증하기 위해 수치해석을 활용하였고, 수압 시험방법과 링 시편의 원주방향 응력 및 변형률 분포를 비교하였다. 복합재료 압력용기의 파괴 거동을 모사하기 위해 Hashin 파손 기준을 적용하였고, 실험적으로 파단 변형률을 측정하여 이를 수치해석 결과와 비교하였다.


Composite materials have been widely applied for fabricating pressure vessels used for storing gaseous and liquid fuel because of their high specific stiffness and specific strength. Accordingly, the accurate measurement of their mechanical property, particularly the burst pressure or fracture strain, is essential prior to the commercial release. However, verification of the safety of composite pressure vessels using conventional test methods poses some limitations because it may lead to the deformation of the load transferring media or provoke an additional energy loss that cannot be ignored. Therefore, in this study, the segment-type ring burst test device was designed considering the theoretical load transferring ratio and applicable displacement of the vertical column. Moreover, to verifying the uniform distribution of pressure of the segment type ring burst test device, the hoop stress and strain distribution of ring specimens were compared with that of the hydraulic pressure test method via FEM. To conduct a simulation of the fracture behavior of the composite pressure vessel, a Hashin failure criterion was applied to the ring specimen. Furthermore, the fracture strain was also measured from the experiment and compared with that of the result from the FEM.

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83D 계층적 나노구조화된 표면을 갖는 소수성 유/무기 복합 필름

저자 : 서희진 ( Huijin Seo ) , 안진성 ( Jinseong Ahn ) , 박준용 ( Junyong Park )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 264-268 (5 pages)

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이 연구에서 우리는 3차원 계층적 나노구조화된 유/무기 복합 표면을 가진 소수성 코팅/필름을 제조하는 방법을 제안한다. 먼저 근접장 나노패터닝(PnP)이라 불리는 첨단 포토리소그래피 기술을 통해 에폭시 기반의 대면적 3차원 정렬 나노다공성 템플릿을 준비하였다. 이후, 딥 코팅을 통해 평균 직경이 22 nm인 실리카 나노입자를 템플릿에 조밀하게 함침시켜 계층적 구조화된 표면을 구현하였다. 표면에 공존하는 마이크로 및 나노 스케일 거칠기로 인해, 제조된 복합 필름은 대조군에 비해 물에 대한 높은 접촉각(>137도)을 나타내었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 소재 및 공정은 전통적인 코팅/필름 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


In this study, we propose a method for fabricating hydrophobic coatings/films with three-dimensional (3D) hierarchical nanostructured organic/inorganic composite surfaces. An epoxy-based, large-area 3D ordered nanoporous template is first prepared through an advanced photolithography technique called Proximity-field nanoPatterning (PnP). Then, a hierarchically structured surface is generated by densely impregnating the template with silica nanoparticles with an average diameter of 22 nm through dip coating. Due to the coexisting micro- and nano-scale roughness on the surface, the fabricated composite film exhibits a higher contact angle (>137 degrees) for water droplets compared to the reference samples. Therefore, it is expected that the materials and processes developed through this study can be used in various ways in the traditional coating/film field.

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