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요원 마
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1 Vol. 27, No. 6, (214) DOI: ISSN (Print), ISSN (Online) Paper 성형툴의상태에따른탄소섬유강화복합재구조물의변형예측 성수환 김위대 Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions Su-Hwan Sung, Wie-Dae Kim ABSTRACT: Autoclave processing has a good quality of product, but manufacturing cost is expansive. After curing of composite, the unwanted deformation and distortion increase the manufacturing cost by redesign of tool parts. Therefore, manufacturing cost down is a big issue in processing level. For the reduction of tool costs, it is important to investigate the effects of tool materials and tool surface conditions. In this paper, we organized user subroutine in ABAQUS to consider the thermal effects of part and tool, and the results are compared with commercial code, COMPRO. And this paper suggests reference point for the selection of tool materials to reduce manufacturing costs. 초록 : 오토클레이브성형은성형제품의품질은우수하나생산비용이비싸다는단점이있다. 생산비용중에서도큰비중을차지하는것이성형툴의제작공정이다. 따라서본연구에서는생산비용절감을위한선행연구로서성형툴의재질및표면상태에따라 L-shape 제품의성형후 Spring-in을 Abaqus user subroutine을이용하여계산하였고, 열팽창계수와마찰계수에따른결과를나타내었다. 또한성형툴제작시재질및표면상태의기준점을제시하여생산비용을줄이는데기여하고자한다. Key Words: 스프링인 (Spring-in), 열팽창계수 (CTE: Coefficient of Thermal Expansion), 표면상태 (Tool surface condition), 서브루틴 (Subroutine), L-shape 1. 서론 최근전세계적으로고유가현상이계속되고있고, 화석연료사용에따른환경오염등으로저탄소친환경소재의필요성이크게대두되었다. 지구온난화에따른이산화탄소및배기가스의배출규제등으로거의모든산업분야에서화석연료의사용을줄이기위해서다방면으로연구에관심을기울이고있다. 가장큰기대를가져올수있는방법으로무게절감을통한연료의효율증대이다. 특히항공우주분야에서항공기의성능향상및연료절감을위해복합 재가많이쓰이고있다. 최첨단정밀공학인항공우주분야에서요구하는고품질의복합재생산을위해서오토클레이브성형공정 (Vacuum bag molding process) 을사용한다. 오토클레이브성형의경우는제작후제품의물성이가장좋다는큰장점이있으나성형단가가비싸며그중에서도성형툴의제작비용이큰비중을차지하고있다. 성형툴의제작비용절감을위해서는성형과정에서발생하는스프링인과같은변형을정확히예측하여성형툴의수정작업및제작횟수를줄여야한다. 성형과정에서발생하는수지의수축이나열응력의효과등을적절히시스템화하여시행 Received 1 December 214, received in revised form 11 December 214, accepted 19 December 214 Aircraft Structural Design Lab, Department of Aerospace Engineering, Pusan National University Department of Aerospace Engineering, Pusan National University, Corresponding author ( wdkim@pusan.ac.kr)

2 232 Su-Hwan Sung, Wie-Dae Kim 착오를줄이고기업의비용을줄일수있는획기적기술의개발이필수적이다. 이러한기술은미국이독점하고있어업체의경우대표적인복합재구조해석상용툴인 COMPRO 와같은프로그램을구입해서사용할수있으나비용이고가이고이를활용할인력을구성하는것도만만치않은것이현실이다. 따라서본연구에서는복합재성형시발생하는변형에대한예측기술확보를위한기초연구로써 L-shape 에대한성형툴의재질과표면상태에따른 Spring-in의발생을 Subroutine을제작하여예측하고자한다. 2. 이론전개 2.1 경화도경화도는총반응열과특정시간 t까지의반응열의비로정의된다. 경화도는 ~1의범위를가지며경화도가 1이될경우수지는완전경화가이루어진것이다. 본연구에서는 AS4/8552를사용하였고온도와경화도에따른경화율 (Cure rate) 는다음과같이나타낼수있다 [1]. Kα m ( 1 α) n dα/dt = e C α ( α CO + α CT + { T) } K 는아레니우스방정식 (Arrhenius equation) 을사용하여나타내며다음과같이정의된다. K = Aexp( ΔE/RT) A는빈도계수 (Pre-exponential factor) 이며, E는활성화에너지 (Activation energy), R은보편기체상수 (Universal gas constant), T는절대온도 (Absolute Temperature) 를나타낸다. 온도주기에따른경화도는 Fig. 1과같다. 온도주기는승온속도 2.2 K/min로 453 K까지승온시킨뒤 2시간동안등온과정을거쳐승온속도와같은속도로 293 K까지냉각하였다. 최종경화도는.828이며 COMPRO 결과값과는.79% 의오차를보이며경화도가올바르게계산됨을확인할수있었다. (1) (2) 2.2 구성방정식오토클레이브공정에서부품의변형정도를계산하기위해서는섬유와수지의탄성계수, 열팽창계수, 화학수축이반드시필요하다. 섬유의탄성계수는온도에선형적으로변화하지만변화폭이미미하여온도에독립적이라고가정할수있다. 하지만수지의탄성계수의경우경화도에의존적이며수지의유리전이온도를기반으로 CHILE(Cure hardening instantaneously linear elastic) Model로다음과같이나타낼수있다 [2]. T T T C1 = E ( T m + C1 ) E ( m ) T C1 T ( T C1 ) E m T > = { 1 + α Em ( T T )} T = ( T ga + T gb α) T T C1 = T C1a + T C1a T 이때, 는수지의초기탄성계수, 는수지의최종탄성계수, T 는수지의온도와유리전이온도와의차를의미한다. 각상수들의값은다음과같이정리할수있다. 열팽창계수의경우탄성계수와마찬가지로섬유의열팽창계수의변화는변화폭이미미하므로항상일정하다고가정할수있으며수지의열팽창계수또한온도와경화도에의존적이다. 따라서본연구에사용된복합재료의열팽창계수는 Lumped CTodel을사용하여다음과같이나타낼수있다. CTE 1 =CTE 1nom +CTE 1TF (T T )+CTE 1AF (α α ) (7) CTE 2 =CTE 2nom +CTE 2TF (T T )+CTE 2AF (α α ) (8) CTE itf 는온도에따른열팽창계수의변화폭, CTE iaf 는경화도에따른열팽창계수의변화폭을의미한다. 이때 i 는 (3) (4) (5) (6) Fig. 1. Degree of cure Table Resin modulus development cosntant 4.67 MPa 4.67 GPa T C1a K T C1b. 1/K -12 K T ga -268 K T gb 22 K T 298 K

Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions 233 Table 2. Coefficient of thermal expansion CTE 1nom.6E-6 m/(m K) CTE 1TF.

3 Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions 233 Table 2. Coefficient of thermal expansion CTE 1nom.6E-6 m/(m K) CTE 1TF. m/(m K) CTE 1AF. 1/K CTE 2nom 28.6E-6 m/(m K) CTE 2TF 1E-7 m/(m K) CTE 2AF. 1/K T 293 K CTE AL. - 각주재료방향을의미한다. 식 (7), (8) 에사용된상수의값은 Table 1에정리하였다. 화학수축은수지의화학수축량에의해결정되며수지는등방성물질로가정할수있다. 그러나섬유와수지의상호작용으로주재료방향마다서로다른화학수축계수를가지게되며, 이는다음과같은식을통해계산할수있다. ε 1 = ε 1fE 1f V f + ε m ( 1 V f ) E11 f V f + ( 1 V f ) ε 2 = ( ε 2f + ν 12f ε 1f )V f + ( ε m + υ m ε m )( 1 V f ) [ ν 12f V f + υ m ( 1 V f )] ε 1fE 1f V f + ε m ( 1 V f ) E11 f V f + ( 1 V f ) (9) (1) 이때, ε m 은수지의화학수축변형률, V f 는섬유용량, υ m 은수지의프아송비, 은수지의탄성계수, E 1f 는섬유의탄성계수, ν 12f 는섬유의프아송비를의미한다. 또한 ε 1f 와 ε 2f 는섬유의화학수축변형율을의미한다. 섬유의화학수축은발생하는양이미미하므로 으로가정할수있다. 수지의수축변형률은다음과같이표현할수있다. ε m = 3 S Δυ m (11) 식 (11) 에서 Δυ m 은수지의부피변화량이며식 (12), (13) 를통해구할수있다. Table 3. Chemical shrinkage constants A S υ m 유한요소해석 3.1 유한요소모델및코드검증 C-channel 형상을해석하기앞서서브루틴코드의신뢰성을확보하기위해현재복합재성형해석상용툴인 COMPRO의결과와비교하였다. 해석모델의형상은 L-shape 이며웹 (Web) 과플랜지 (Flange) 의길이는 5 mm이며, 코너 (Corner) 부분의반지름은 1 mm이다. 적층각은 [/9/45/-45]s, 온도주기는 Fig. 3과같다. 해석은 AS4/8552을사용하여실시하였으며해당물성치는참고문헌에서발췌하였다 [3]. 요소갯수는파트 56개이며 C3D2 요소타입을사용하였다. Fig. 2에표시된 a, b, c 점에서 1축방향스트레스, 2축방향스트레스, Thermal strain, 경화도를비교하였으며 Fig. 3은 a, b, c 지점에서 COMPRO 결과값과 Subroutine 결과값의 2축방향스트레스를비교한것이다. 해석결과 COMPRO의최종응력은약 4.4 MPa, 본연구의계산값은약 4.2 MPa로.5% 오차가발생하였다. 또한 Thermal strain과 Spring-in 계산결과오차율 3% 이내로서브루틴계산결과값이충분히신뢰할만하다고판단된다. 또한파트의변형형상에대한서브루틴코드의검증을위해 Albert[4,8] 의연구결과와열팽창만을고려한해석결과를비교하였다. 해석모델의형상은 C-channel이며, 자세한형상은 Fig. 4와같다. 적층각은 [] 8, [] 16 이며, 온도주기는 Fig. 3과같다. Albert의실험에서는이형제 (Release agent) 와 FEP(Fluorinated ethylene propylene sheet) 로툴의표면을코팅하였으며이형제를 3층만코팅한경우와이형제 3층과 FEP를함께코팅한경우로나누어실험하였다. 다음은 υ m S = α Aα s υ S 2 + ( m A)α s α α S = α υ m S α (12) (13) 식 (12) 과 (13) 에사용된상수는 Table 2에정리하였다. 위의 (3)~(13) 식을바탕으로 ABAQUS subroutine인 UMAT을제작하여해석을진행하였다. Fig. 2. L-shape model

234 Su-Hwan Sung, Wie-Dae Kim Fig. 5. Comparison of spring-in 실험결과와해석결과를비교한그래프이다. 해석결과서브루틴을사용하지않고열팽창만을고려하여해석을실시한경우 Spring-in 값이.49도로실제실험과큰차이가나타남을알수있다. 따라서해석시화학수축및경화도에따른물성치변화모사를고려한서브루틴을사용해야한다.

2 유한요소해석및결과 L-shape 복합재구조물해석 [5] 은성형툴의열팽창계수와표면상태에따라해석 Case를설정하였다. 성형툴의열팽창계수는 Aluminum, Steel, Invar의열팽창계수를기초하여일정간격의값을가감하여설정하였으며, 표면상태 는이형제와 FEP가함께코팅된경우를기초로설정하였다 [6]. 해석모델은 Fig. 2와동일한형상이며, 온도주기는 Fig.

4 234 Su-Hwan Sung, Wie-Dae Kim Fig. 5. Comparison of spring-in 실험결과와해석결과를비교한그래프이다. 해석결과서브루틴을사용하지않고열팽창만을고려하여해석을실시한경우 Spring-in 값이.49도로실제실험과큰차이가나타남을알수있다. 따라서해석시화학수축및경화도에따른물성치변화모사를고려한서브루틴을사용해야한다. 서브루틴해석결과실험결과와다소오차가존재하나모든경우에대해동일한경향을보이고있으므로향후해석결과가신뢰성이있다고판단된다. Fig. 3. Comparison of normal stress (σ 2 ) history, (a) point a, (b) point b, (c) point c 3.2 유한요소해석및결과 L-shape 복합재구조물해석 [5] 은성형툴의열팽창계수와표면상태에따라해석 Case를설정하였다. 성형툴의열팽창계수는 Aluminum, Steel, Invar의열팽창계수를기초하여일정간격의값을가감하여설정하였으며, 표면상태 는이형제와 FEP가함께코팅된경우를기초로설정하였다 [6]. 해석모델은 Fig. 2와동일한형상이며, 온도주기는 Fig. 3과동일하다. 모델요소의개수는총 2968개를사용하였으며, 요소타입은 C3D8I를사용하였다. 복합재는총 8ply 를적층하였으며, 1ply 당두께는.2 mm이다. 표면상태에따른마찰계수는,.15,.5,.9로각각설정하였다. 성형툴의열팽창계수와표면상태에따른 Case는다음과같다. Fig. 6은 CTE 값에따른 Spring-in의변화를나타낸모습이다. 그래프에서보는바와같이, CTE 값이증가함에따라 Spring-in 값이증가하는것을알수있다. 특히가장큰 Table 4. Design of case study Fig. 4. C-channel model Material Coefficient ofthermal expansion (μ/ o C) M-1 3.(Invar) M M (Steel) M M (Aluminum)

Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions 235 틴이올바르게적용됨을확인할수있었다.

5 Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions 235 틴이올바르게적용됨을확인할수있었다. 본연구를바탕으로제작된서브루틴을적용하게된다면, 비교적적은비용과시간으로성형툴의표면상태와재질에따른복합재구조물의변형을예측할수있다. 차후연구를발전시켜수지유동 (Resin flow), 섬유압착 (Fiber compaction), 점탄성효과 (Viscoelastic) 등을더고려한다면실제현상과더욱일치하는해석결과를얻을수있을것이라예상된다. 후 기 Fig. 6. Comparison of spring-in due to the CTE 본과제는교육부의재원으로지원을받아수행된산학협력선도대학 (LINC) 육성사업의연구결과입니다. REFERENCES Fig. 7. Comparison of spring-in due to the friction coefficient 마찰계수를가지는조건에서변화폭이가장큰것을알수있다. 23.6(Aluminum) 값에서 Spring-in 값이마찰계수가.15일때에비해.5는 34%,.9는 62% 크게나타나는것을확인하였다. 3.(Invar) 의경우마찰계수의변화에도 Springin의변화폭이미미한것을알수있고알루미늄의경우마찰계수의변화가 Spring-in 발생에많은영향을주는것을확인할수있다. 마찰력이제품에 Shear strain을발생시키게되고이때발생한잔류응력이성형툴과제품을분리한후변형을일으킨다. CTE 값이증가할수록발생하는마찰력이크고이영향으로 Spring-in이크게발생한다고볼수있다 [6,7]. 4. 결론 본연구에서는실제시편의성형과정에있어서변형을유발하는원인을찾고예측할수있는유한요소해석방법을연구하였다. 성형툴과복합재파트의열팽창계수차이가클수록 Springin이크게일어나는경향을보이며, 해석을통해확인할수있었다. 동일한재질의성형툴을사용했으나표면상태에따라스프링인다르게나타났다. 이를통해제작된서브루 1. (Thesis) Twigg, G.A., Tool-part Interaction in Composites Processing, Ph.D Thesis, The University of British Columbia, CANADA, (International Journal) Johnston, A., Vaziri, R., and Poursartip, A., A Plane Strain Model for Process-Induced Deformation of Laminated Composite Structures, Journal of Composite Materials, Vol. 35, No. 16, 21, pp (Thesis) Arafath, A.R.A., Effect of Processing on the Behaviour of Laminated Composite Structures: A Numerical and Probabilistic Approach, Ph.D Thesis, The University of British Columbia, CANADA, (Thesis) Albert, C.I., Spring-in of Angled Thermoset Composite Laminates, Ph.D Thesis, The University of British Columbia, CANADA, (International Journal) Wiersma, H.W., Peeters, L.J.B., and Akkerman, R., Prediction of Springfoward in Continuousfibre/polymer L-shaped Part, Composite Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 29, Issue. 11, 1998, pp (International Journal) Ersoy, N., Potter, K., Wisnom, M.R., and Clegg, M.J., An Experimental Method to Study the Frictional Processes During Composites Manufacturing, Composite Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 36, Issue. 11, 25, pp (Korean Journal) Kim, P.-J. and Yoon, K.-J., Chanracterization of Spring-in Deformaion of Carbon/PEEK Composite Structure during Manufacturing Process, Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 9, No. 2, 1996, pp (International Journal) Zhu, Q., Geubelle, P.H., Li, M., and Tucker, C.L., Dimensional Accuraacy of Thermoset Composite : Simulation of Process-Induced Residual Stresses, Journal of Composite Materials, Vol. 35, No. 24, 21, pp (Korean Journal) Jung, S.-R., Kim, W.-D., and Kim, J.-H., Analysis of Thermal Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Considering Viscoelasticity, The Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 27, 214, pp

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