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한국복합재료학회> Composites Research(구 한국복합재료학회지)> VaRI 공정 유동해석 간소화 방법에 대한 연구

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VaRI 공정 유동해석 간소화 방법에 대한 연구

A Study on Simplifying Flow Analysis of VaRI Process

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 )
  • : 한국복합재료학회
  • : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권4호
  • : 연속간행물
  • : 2021년 08월
  • : 233-240(8pages)
Composites Research(구 한국복합재료학회지)

DOI


목차

1. 서 론
2. 유동해석 물성 정량화
3. 유동해석 간소화
4. 결 론
후 기
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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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  • : 공학분야  > 재료공학
  • : KCI등재
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  • : 2288-2103
  • : 2288-2111
  • : 학술지
  • : 연속간행물
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34권5호(2021년 10월) 수록논문
최근 권호 논문
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1속경화용 탄소섬유/에폭시 프리프레그의 다단 압축 성형기술

저자 : 곽성훈 ( Seong-hun Kwak ) , 문지훈 ( Ji-hun Mun ) , 홍상휘 ( Sang-hwui Hong ) , 권순덕 ( Soon-deok Kwon ) , 김병하 ( Byung-ha Kim ) , 김태용 ( Tae-yong Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 269-276 (8 pages)

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프리프레그 압축성형(PCM, Prepreg Compression Molding) 공정은 고품질 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 제품을 제조할 수 있는 고속성형기술이다. 오토클레이브 공정에 비해 폐기물 발생이 적고 사이클타임을 크게 줄일 수 있어 항공우주 및 자동차 산업에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 PCM 공정의 품질을 높이기 위해 프리프레그의 경화거동을 따라 프레스의 압축압력을 단계별로 증가시키는 성형법에 대해 연구하였고, 이러한 다단 압축 성형법이 우수한 품질의 CFRP 제품을 생산하고 사이클타임을 단축할 수 있는 좋은 수단임을 확인하였다. 그리고 상온에서 적층한 프리프레그를 금형에 투입하여 예열과 성형을 동시에 함으로써 별도의 예열 공정 없이 제품을 성형할 수 있었다. 또한 평판 성형에 최적화된 공정조건을 3차원 형상물에 동일하게 적용한 결과 외관상 평판과 유사한 제품을 공정조건 수립 과정 없이 만들 수 있었다.


PCM (Prepreg Compression Molding) process is a high-speed molding technology that can manufacture high-quality CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) parts. Compared to the autoclave process, it generates less waste and can significantly reduce cycle time, so various studies are being conducted in the aerospace and automobile industries. In this study, in order to improve the quality of the PCM process, a molding method was developed to increase the compression pressure of the press step by step according to the curing behavior of the prepreg. It was confirmed that this multi-stage compression molding technology is a good means to produce high-quality CFRP products and shorten cycle times. And, the laminated prepreg at room temperature was immediately put into the mold and preheated and molded at the same time, so that it could be molded without a separate preheating process. In addition, as a result of applying the same process conditions optimized for flat plate molding to three-dimensional shapes, a product similar to a flat plate in appearance could be made without the process of establishing process conditions.

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2초임계유체 조건에서 제조된 그래핀의 구조분석과 그래핀/에폭시 수지조성물의 열전도 특성

저자 : 오원태 ( Weontae Oh ) , 최규연 ( Gyuyeon Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 277-282 (6 pages)

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초임계유체 조건은 별도의 환원제와 높은 열처리 공정조건 없이 산화그래핀으로부터 그래핀을 제조할 수 있다. 본 연구에서는 메탄올과 에탄올 용매의 초임계유체 조건에서 산화그래핀을 그래핀으로 변환시키는 공정을 연구하였다. 제조된 그래핀의 구조를 FE-SEM과 XRD를 사용하여 분석하였을 때, 초임계 조건에서 산화그래핀의 환원반응은 다른 변수(농도, 반응시간)보다는 용매의 변화에 더 크게 영향을 받았다. 에탄올 용매의 사용이 메탄올을 사용했을 때보다 환원반응에 더욱 좋은 결과를 보여주었다. 본 연구에서 준비된 그래핀을 20 wt%까지 에폭시수지와 혼합하여 복합수지 조성물을 제조하여, 이 조성물의 열전도특성을 분석하였다. 복합수지조성물의 열전도도는 그래핀의 함량에 비례하여 상승하였고, 에탄올 초임계 용액조건에서 제조된 그래핀이 복합수지조성물의 열전도도에 더 효과적이었다.


Graphene oxide can be reduced to graphene under supercritical fluid condition even without using a specific reducing agent or applying a high thermal process. In this study, a process for converting graphene oxide into graphene was studied under supercritical fluid conditions in methanol and ethanol solvents. When the structure of asprepared graphene was analyzed by using FE-SEM and XRD, the reduction of graphene oxide in supercritical fluid condition was more affected by the change of solvent than other variables such as concentration of graphene oxide and reaction time. The use of ethanol showed better results for the reduction than the use of methanol. The graphene prepared in this study was mixed with epoxy resin up to 20 wt.% to make composites, and the thermal conductivity of the composites were analyzed. Thermal conductivity of the composite increased proportionally with graphene loadings. The graphene prepared in supercritical ethanol condition was more effective on the thermal conductivity of the composite.

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3초기 결함 조건 모델에 따른 복합재 원통 구조의 좌굴 Knockdown factor 도출

저자 : 김도영 ( Do-young Kim ) , 심창훈 ( Chang-hoon Sim ) , 박재상 ( Jae-sang Park ) , 유준태 ( Joon-tae Yoo ) , 윤영하 ( Young-ha Yoon ) , 이기주 ( Keejoo Lee )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 283-289 (7 pages)

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본 연구에서는 압축력을 받는 얇은 복합재 원통 구조에 대하여 기하학적 혹은 하중에 대한 초기 결함 모델을 이용하여 수치해석적으로 좌굴 Knockdown factor를 새롭게 도출하였다. 전역 좌굴이 발생하기 이전에 타원형상의 변형 형상을 갖는 복합재 원통 구조를 사용하였다. 복합재 원통 구조의 기하학적 초기 결함만 고려하기 위하여 Single Perturbation Load Approach를 이용하였으며, 기하학적 초기 결함과 더불어 하중 불균일을 함께 구현하기 위하여 Single Boundary Perturbation Approach를 사용하였다. 기하학적 초기 결함 모델의 좌굴 Knockdown factor는 NASA의 기존의 좌굴 Knockdown factor보다 약 84% 높게 도출되었으며, 좌굴 시험에 비하여서는 약 9% 낮게 도출되었다. 기하학적 초기 결함과 하중 불균일을 함께 고려하는 모델의 좌굴 Knockdown factor는 NASA의 좌굴 Knockdown factor에 비하여서는 약 75% 높게, 그리고 좌굴 시험보다 약 14% 낮게 계산되었다. 따라서, 본 연구의 좌굴 설계 기준은 고려된 초기 결함 모델과 상관없이 기존의 좌굴 설계 기준에 비하여 경량 설계의 제공이 가능함과 동시에 좌굴 시험 대비 적절히 보수적인 설계 기준을 제공할 수 있음을 확인하였다.


This paper derives numerically the buckling Knockdown factors using two different initial imperfection models, such as geometric and loading imperfection models, to investigate the unstiffened composite cylinder with an ellipse pre-buckling deformation pattern. Single Perturbation Load Approach (SPLA) is applied to represent the geometric initial imperfection of a thin-walled composite cylinder; while Single Boundary Perturbation Approach (SBPA) is used to represent the geometric and loading imperfections simultaneously. The buckling Knockdown factor derived using SPLA is higher than NASA's buckling design criteria by approximately 84%, and lower than buckling test result by 9%. The buckling Knockdown factor using SBPA is higher than NASA's buckling design criteria by about 75%, and 14% lower than the buckling test result. Therefore, it is shown that the buckling Knockdown factors derived in this study can provide a lightweight design compared to the previous buckling design criteria while they give reasonably a conservative design compared to the buckling test for both the initial imperfection models.

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4탄소섬유 직물 및 전도성 탄소 필러가 고충진 된 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 전도 특성

저자 : 김성륜 ( Seong Yun Kim ) , 노예지 ( Ye Ji Noh ) , 장지운 ( Ji-un Jang ) , 최성규 ( Seong Kyu Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 290-295 (6 pages)

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지구 온난화 억제를 위한 전 세계적인 연비규제에 발맞춘 해결책으로 자동차에 경량구조복합재료를 적용하는 것이 메가트렌드로 인식되고 있다. 본 연구에서는 수리, 폐기 및 재활용 측면에서 유리한 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 적용을 극대화하기 위해 전도특성이 요구되는 부품 대체 이슈에 대응할 수 있는 기술적 접근을 제공하는 것을 목표로 수행되었다. 저점도 중합 가능한 기지재의 특성을 활용하여 전도성 필러를 파우더 믹싱 방법으로 균일하게 혼입하면서도 우수한 함침 특성을 나타내는 열가소성 탄소섬유강화플라스틱 제조방법에 기초하여 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 나노플레이틀렛, 흑연, 피치계 탄소섬유 등 다양한 탄소기반 전도성 필러를 최대 함량까지 혼입하여 전기저항 및 열전도도를 비교하여 고찰하였다. 전도성 탄소 필러의 종류나 형태보다는 최대 혼입량이 시편의 전도 특성을 제어하기 위해 가장 중요한 인자임을 확인하였고, 전기전도 특성을 향상시키기 위해서는 1차원 형태의 전도성 탄소필러를 적용하는 것이 유리할 수 있는 반면 열전도 특성을 향상시키기 위해서는 2차원 형태의 전도성 탄소필러를 적용하는 것이 유리 할 수 있다는 실험 결과를 확인하였다. 본 연구의 결과들은 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 전도 특성을 제어하기 위한 최적 구조 설계에 잠재적인 통찰력을 제공할 수 있다.


The application of lightweight structural composites to automobiles as a solution in line with global fuel economy regulations to curb global warming is recognized as a megatrend. This study was conducted to provide a technical approach that can respond to the issue of replacing parts that require conductive properties to maximize the application of thermoplastic carbon fiber reinforced plastics (CFRPs), which are advantageous in terms of repair, disposal and recycling. By utilizing the properties of the low-viscosity polymerizable oligomer matrix, it was possible to prepare a thermoplastic CFRP exhibiting excellent impregnation properties while uniformly mixing the conductive filler. Various carbon-based conductive fillers such as carbon black, carbon nanotubes, graphene nanoplatelets, graphite, and pitch-based carbon fibers were filled up to the maximum content, and electrical and thermal conductive properties of the fabricated composites were compared and studied. It was confirmed that the maximum incorporation of filler was the most important factor to control the conductive properties of the composites rather than the type or shape of the conductive carbon filler. Experimental results were observed in which it might be advantageous to apply a one-dimensional conductive carbon filler to improve electrical conductivity, whereas it might be advantageous to apply a two-dimensional conductive carbon filler to improve thermal conductivity. The results of this study can provide potential insight into the optimization of structural design for controlling the conductive properties of thermoplastic CFRPs.

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5고속 열 성형 유한요소해석을 활용한 CF/PEKK 열가소성 복합재 구조물 제작 공정 예측 및 검증

저자 : 이경인 ( Keung-in Lee ) , 최현석 ( Hyeon-seok Choe ) , 곽준우 ( June-woo Kwak ) , 이준성 ( Jun-sung Lee ) , 주현우 ( Hyun-woo Ju ) , 권진회 ( Jin-hwe Kweon ) , 남영우 ( Young-woo Nam )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 296-304 (9 pages)

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본 연구에서는 유한요소법(FEM)에 기반한 CF/PEKK 열가소성 복합재 고속 열 성형 해석을 수행하였고 제작 공정을 예측 및 검증하였다. 대표적인 L 형 구조물 모델에 대해 트리밍 여유에 따른 성형성을 응력, 두께, 주름분포를 분석하였다. 그 결과, 블랭크의 트리밍 여유가 증가할수록 구조물의 성형성이 향상하는 것을 확인하였다. 특히 두께 및 주름 분포 측면에서 해석 모델과 실험 결과를 비교하여서 고속 열 성형 모델의 타당성을 검증하였다. 제작된 구조물은 시차 주사 열량 분석법 및 이미지 분석법을 통해 결정화도와 기공률이 측정되었다. 제작된 열가소성 구조물의 전 영역 기공률은 평균 0.75%, 결정화도는 약 21%로 항공기에 적용 가능한 수치로 평가되었다. 따라서 본 연구를 토대로 열가소성 복합재 고속 열 성형 공정에 대해 효과적인 예측이 가능할 것으로 판단된다.


This study presented the evaluation of the stamp forming process for L-shape CF/PEKK thermoplastic composite using the finite element model. The formability of three different trimming allowances has been examined for representative product geometry. The results showed that those manufactured by high trimming allowance showed more excellent formability in those areas. Moreover, the effects of the trimming allowances on the stress, thickness, wrinkle distributions of thermoplastic composites fabricated with the stamp forming process were evaluated. The comparison of the simulation and experimental results for the thickness and wrinkle distributions proved the accuracy of the stamp forming model. The crystallinity of the composite was performed by differential scanning calorimetry (DSC). The void content of the composite was evaluated by matrix digestion. Then, the fabricated structure was characterized and achieved high quality in crystallinity and void content. Consequently, the presented FEM modeling shows excellent potential for application in the aircraft product design process. This pragmatic approach could efficiently offer a valuable solution for the thermoplastic composite manufacturing field.

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6Capillary 특성을 활용한 섬유 조건에 따른 유리섬유강화 복합재료의 함침성 및 계면강도 평가

저자 : 김종현 ( Jong-hyun Kim ) , 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 박종만 ( Joung-man Park )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 305-310 (6 pages)

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섬유강화복합재료의 기계적물성은 섬유의 체적분율 및 사이징제 조건에 의한 계면강도에 영향을 받는다. 최적의 계면은 기지층에서 강화재로의 기계적 응력을 효과적으로 전달하여 응력 집중을 완화하고 결과적으로 복합재료의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 사이징제 조건 및 섬유체적분율에 따른 에폭시 수지와 유리섬유 간의 젖음성 및 계면강도를 평가하였다. 정적 및 동적접촉각을 이용하여 사이징제가 다른 유리섬유와 에폭시 수지의 표면에너지를 계산하였고, 이를 활용하여 접착일을 계산하였다. 유리섬유 토우 캐필러리 시험법을 이용하여 젖음성을 평가하였고, 마이크로드롭렛 인발시험을 통해 계산된 계면전단강도를 이용하여 계면강도를 평가하였다. 최종적으로 젖음성과 계면강도를 활용하여 최적의 유리섬유강화 복합재료 제작 조건을 확인하였다.


Mechanical properties of fiber reinforced composites were affected to fiber volume fractions (FVF) and interfacial property by sizing agent conditions. An optimum interface can relieve stress concentration by transferring the mechanical stress from the matrix resin to the reinforcements effectively, and thus can result in the performance of the composites. The interfacial properties and wettability between the epoxy resin and glass fiber (GF) were evaluated for different sizing agent conditions and FVFs. The surface energies of epoxy resin and different sizing agent treated GFs were calculated using dynamic and static contact angle measurements. The work of adhesion, Wα was calculated by using surface energies of epoxy matrix and GFs. The wettability was evaluated via the GF tow capillary test. The interfacial shear strength (IFSS) was evaluated by microdroplet pull-out test. Finally, the optimized GFRP manufacturing conditions could be obtained by using wettability and interfacial property.

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7분말야금공정으로 제조된 TiC/steel 금속복합재료의 미세조직 및 기계적 물성 연구

저자 : 이지혜 ( Jihye Lee ) , 조승찬 ( Seungchan Cho ) , 권한상 ( Hansang Kwon ) , 이상관 ( Sang-kwan Lee ) , 이상복 ( Sang-bok Lee ) , 김대하 ( Daeha Kim ) , 김정환 ( Junghwan Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 311-316 (6 pages)

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본 연구에서는 3 wt.%, 10 wt.% Cr이 함유된 Fe-합금 분말을 기지 금속으로 하여 분말야금공정을 통해 TiC/steel 금속복합재료를 제조하였다. 이후 복합재료의 기계적 물성에 미치는 열처리의 영향을 고찰하고자, 어닐링 열처리 및 칭-템퍼링 열처리를 실시하였다. 인장, 압축 그리고 항절력 시험과 미세조직 분석을 통하여 Cr 함량 및 열처리 조건에 따른 미세조직의 변화와 구조적 강도 변화의 연관성을 고찰하였다. 10 wt.% Cr을 함유한 TiC/steel의 경우, TiC/steel 계면에서 형성된 조대한 Cr carbide의 영향으로 상온 인장강도 및 항절력이 크게 저하하였다. 이에 반해 압축강도에서는 Cr이 3 wt.%, 10 wt.% 함유된 TiC/steel 복합재료 모두 Cr carbide의 유무와 관계없이 어닐링 열처리 시편에 비해 칭-템퍼링 열처리 후 약 4 GPa에 달하는 높은 압축강도를 보였다.


In this study, TiC/steel metal matrix composites were fabricated by powder metallurgy process using Fealloy powders with 3 wt.% Cr and 10 wt.% Cr, respectively, as matrix material. Subsequently, the composite samples were heat treated by the annealing and quenching-tempering(Q-T), respectively, to understand the effect of heat treatment on the mechanical properties of the composites. The correlation between microstructure and structural strength depending on the chromium content and the heat treatment conditions was studied through tensile, compressive, and transverse rupture test and microstructural analysis. In the case of TiC/steel composite containing 10 wt.% Cr, the tensile strength and transverse rupture strength at room temperature were significantly lowered by the influence of coarse chromium carbide formed at the TiC/steel interface. On the other hand, both TiC/steel composites containing 3 wt.% Cr and 10 wt.% Cr showed much higher compressive strength of about 4 GP after quenchingtempering compared to the annealed specimens regardless of the presence of the chromium carbide.

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8I-fiber 스티칭 공법이 적용된 Single-lap Joint의 강도 특성 및 파손 신호 검출 연구

저자 : 최성현 ( Seong-hyun Choi ) , 송상훈 ( Sang-hoon Song ) , 안우진 ( Woo-jin An ) , 최진호 ( Jin-ho Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 317-322 (6 pages)

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적층 복합재의 특성상 두께 방향 물성이 취약하여 비틀림, 저속충격, 피로 하중 등 복합 하중을 받게 되면 재료 내부의 미세크랙 진전을 통해 층간분리 현상이 발생하게 된다. 이를 방지하고자 Z-pinning, Stitching 등 다양한 3차원 보강 공법과 구조물의 미세균열을 실시간으로 검출하는 구조 건전성 감시 기법이 꾸준히 연구되고 있다. 본 논문에서는 I-fiber 스티칭 공법으로 보강된 Single-lap joint를 Co-curing 방법으로 제작하였으며, 제작된 시편의 강도 및 파손신호 검출 특성을 평가하였다. 균열과 파손신호 검출을 위하여 전기저항법과 AE법을 사용하였으며, 신호분석을 위한 전용회로를 제작하여 인장시험 중의 파손 신호를 분석하였다. 실험결과, I-fiber 스티칭으로 보강된 Single-lap joint 시편은 보강이 없는 Co-cured singlelap joint 시편에 비해 강도가 약 44.6% 향상되었다. 또한, I-fiber로 보강된 Single-lap joint 시편은 강도 향상과 더불어 전기저항법과 AE법에 의한 파손 검출이 모두 가능하므로 파손 모니터링에도 효과적인 구조임을 확인하였다.


When a complex load such as torsion, low-speed impact, or fatigue load is applied, the properties in the thickness direction are weakened through microcracks inside the material due to the nature of the laminated composite material, and delamination occurs. To prevent the interlaminar delamination, various three-dimensional reinforcement methods such as Z-pinning and stitching, and structural health monitoring techniques that detect the microcrack of structures in real time have been continuously studied. In this paper, the single-lap joints with I-fiber stitching process were manufactured by a co-curing method and their strengths and failure detection capability were evaluated. AE and electric resistance method were used for detection of crack and failure signal and electric circuit for signal analysis was manufactured, and failure signal was analyzed during the tensile test of a single-lap joint. From the experiment, the strength of the single lap joint reinforced by I-fiber stitching process was improved by about 44.6% compared to the co-cured single lap joint without reinforcement. In addition, as the single-lap joint reinforced by Ifiber stitching process can detect failure in both the electrical resistance method and the AE method, it has been proven to be an effective structure for failure monitoring as well as strength improvement.

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9복합재 접착 체결 구조의 접착 상태가 모드 I 균열 성장 특성에 미치는 영향에 대한 연구

저자 : 노해리 ( Hae-ri No ) , 전민혁 ( Min-hyeok Jeon ) , 조현준 ( Huyn-jun Cho ) , 김인걸 ( In-gul Kim ) , 우경식 ( Kyeong-sik Woo ) , 김화수 ( Hwa-su Kim ) , 최동수 ( Dong-su Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 323-329 (7 pages)

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본 논문에서는 불균일한 접착 상태를 가지는 복합재 접착 체결 시편에 대하여 모드 I 하중에서의 파괴 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Double Cantilever Beam(DCB) 시험을 수행하였으며 모드 I 파괴 인성을 도출하였다. 불균일한 접착 상태를 갖는 시편의 경우 안정한 균열 성장 구간과 불안정한 균열 성장 구간이 나타남을 확인하였다. DCB 시험에서 구한 하중-변위 선도와 시편의 파손 단면을 통해 각 구간의 파괴 특성을 관찰하였다. 시험에서 측정된 균열 길이를 기준으로 세분화된 구간과 각 구간의 모드 I 파괴 인성을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. DCB 시험 결과와 유한요소해석 결과를 통해 불균일한 접착 상태를 가지는 시편의 파괴 거동을 모사할 수 있음을 확인하였다.


In this paper, the characteristics of fracture in mode I loading were analyzed for adhesively bonded joints with non-uniform adhesion. The Double Cantilever Beam test was performed and mode I fracture toughness was obtained. In the case of non-uniform adhesively bonded joints, the stable crack growth sections and unstable crack growth section were shown. The fracture characteristics of each section were observed through the load-displacement curve of the DCB test and the fracture surface of the specimen. Finite Element Analysis was performed at the section based on segmented section by crack length measured through the test and using the mode I fracture toughness of each section. Through DCB test results and finite element analysis results, it was confirmed that the fracture behavior of specimens with non-uniform adhesion can be simulated.

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10혼합물실험계획법과 가진을 이용한 알루미나 파우더의 충진율 분석

저자 : 전상준 ( Sangjun Jeon ) , 김영신 ( Youngshin Kim ) , 양대종 ( Daejong Yang )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 5호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 330-336 (7 pages)

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알루미나 파우더는 산업용으로 널리 사용되는 소재 중 하나이지만 파우더 패킹 상태에 따라 제품의 강도가 변하는 문제점이 있다. 위 문제해결을 위하여 입자 패킹효율을 높이려는 많은 선행연구들이 수행되었지만, 기존 연구는 밀리미터 스케일의 입자의 충진 특성을 분석한 것이 대부분이므로 마이크로미터 스케일과 물리적 특성이 달라, 그 선행연구 결과를 토대로 마이크로미터 스케일에 적용하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 마이크로미터 스케일의 알루미나 파우더를 이용하여 충진률을 높이기 위하여 통계적방법을 이용하여 3단계 실험을 수행하였다. 먼저, 혼합물시험계획법을 이용하여 충진율이 높은 크기 조합 및 혼합 비율을 선정하였으며, 진동 실험장치에서 가진 주파수 변경에 따른 충진 높이 변화를 분석하여 적정 가진 주파수를 선정하였다. 마지막으로 앞서 언급한 실험 결과값을 토대로 알루미나 파우더 충진율 시험을 수행하였다. 그 결과, 최대 높이 변화량은 충진 크기 조합 선정을 위해 수행한 최초의 실험 결과 최댓값보다 42% 향상된 것을 확인하였다.


Alumina powder is one of the widely used materials for industry, but there is a problem that the strength of the product changes depending on the powder packing state. To solve the above problem, previous studies have been conducted to increase the particle packing efficiency, but most of the existing studies analyzed the packing characteristics of millimeter-scale particles, so the physical properties are different from those of the micrometer scale. It is difficult to apply to the micrometer scale. In this paper, a three-step experiment was performed using a statistical method to increase packing using micrometer-scale alumina powder. First, a size combination with high packing and a mixing ratio were selected using the mixture test design method, and an appropriate excitation frequency was selected by analyzing the height change according to the frequency change in the vibration test apparatus. Finally, an alumina powder packing experiment was performed based on the experimental results mentioned above. As a result, it was confirmed that the maximum height variation was 42% higher than the maximum value of the 155 measurements performed when selecting the packing size combination. It is thought that this study will serve as basic data for processing and packing research using fine powder.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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