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저작자표시 - 비영리 - 동일조건변경허락 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 이차적저작물을작성할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 동일조건변경허락. 귀하가이저작물을개작, 변형또는가공했을경우에는, 이저작물과동일한이용허락조건하에서만배포할수있습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

공학석사학위논문 액상주입성형공정중섬유다발의변형에대한연구 Experimental Study on Tow Deformation during Impregnation in LCM 2012 년 8 월 서울대학교대학원 기계항공공학부 최재웅

액상주입성형공정중섬유다발의변형에대한연구 Experimental Study on Tow Deformation during Impregnation in LCM 지도교수이우일이논문을공학석사학위논문으로제출함 2012년 6월서울대학교대학원기계항공공학부최재웅 최재웅의공학석사학위논문을인준함 2012 년 6 월 위원장 : 고상근 부위원장 : 이우일 위원 : 송한호

Abstract Experimental Study on Tow Deformation during Impregnation in LCM Jaiwoong Choi School of Mechanical and Aerospace Engineering The Graduate School Seoul National University Liquid Composites Molding(LCM) is one of the most effective manufacturing method in terms of cost and processes so it has been substituting existing processes such as autoclave, pultrusion, filament winding. However, we need to study for the relation between volume flow rate and permeability during impregnation further because the permeability is a key parameter to figure out the impregnation process of resin and the impregnation time. According to Darcy s law, permeability is proportional to volume flow rate and volume flow rate influences on fiber-tow geometry. Therefore this study has been conducted on the assumption that fiber-tow geometry and volume flow rate influenced by injection pressure would affect permeability. Experimental apparatus similar to an actual LCM process was made and the cross section pictures of the process during impregnation were taken. As volume flow rate increases, fiber-tow geometry is changed. As a result, that permeability is increased is confirmed. i

Keywords: Permeability, Tow deformation, LCM(Liquid Composite Molding), RTM(Resin Transfer Molding), Impregnation, 투과성계수, 섬유다발, 액상주입성형 Student Number: 2010-20724 ii

CONTENTS 목차 ABSTRACT... I CONTENTS...III LIST OF TABLES AND FIGURES...V LIST OF NOMENCLATURE... VII CHAPTER 1... 1 1. 1. 복합재료 (COMPOSITE MATERIALS)... 1 1.2. 액상주입성형 (LIQUID COMPOSITE MOLDING, LCM)... 2 1.3. 연구목적... 2 CHAPTER 2... 4 2.1 재료... 4 2.1.1 엔진오일... 4 2.1.2 유리섬유... 4 2.2 실험기기... 5 2.2.1 LCM 공정기기... 5 2.2.2 촬영기기... 6 2.2.3 수지주입기기... 6 2.2.4 압력측정기기... 6 2.3 실험수행... 7 2.3.1 실험기구설치... 7 2.3.2 실험수행... 8 CHAPTER 3... 9 3.1 유량의변화에따른섬유다발의변형... 9 iii

3.1.1 섬유다발의변형및영향... 10 CHAPTER 4... 13 REFERENCES... 14 초록... 26 iv

List of Tables and Figures Tables Table 1. Owens Coring 社유리섬유사양 Table 2. 유량에따른다공도, 체적비율, 면적계산 Table 3. 유량에따른투과성계수 Figures Figure 1. 유량에따른투과성계수변화 Figure 2. Owens Corning 단방향유리섬유 Figure 3. 몰드 ( 주형 ) 상단부 Figure 4. 몰드 ( 주형 ) 측면 / 촬영기기설치부위 Figure 5. Video Micro Scope(VMS) Figure 6. Universal Testing Machine(UTM) Figure 7. 압력측정기기 Figure 8. 실험기구설치 Figure 9. 유량 0mm 3 /s의섬유다발측면모습 Figure 10. 유량 50mm 3 /s의섬유다발측면모습 Figure 11. 유량 100mm 3 /s의섬유다발측면모습 v

Figure 12. 유량 0mm 3 /s의섬유다발측면모습 Figure 13. 유량 50mm 3 /s의섬유다발측면모습 Figure 14. 유량 100mm 3 /s의섬유다발측면모습 Figure 15. [ 가정 1] 기존연구의섬유다발모식도 Figure 16. [ 가정 2] 본연구의섬유다발모식도 ( 낮은유량 ) Figure 17. [ 가정 2] 본연구의섬유다발모식도 ( 높은유량 ) Figure 18. 유량에따른섬유다발단면적넓이비교 Figure 19. 유량에따른투과성계수 Figure 20. 유량에따른단면적과투과성계수의변화 vi

List of Nomenclature u : velocity, volume averaged velocity p : pressure, volume averaged pressure K : permeability μ : viscosity ε : porosity h : height k ij : Kozeny coefficient V f : Volume fraction vii

CHAPTER 1 서론 1. 1. 복합재료 (Composite Materials) 복합재료는통상적으로강화재인유리, 탄소, 붕소따위로만들어진섬유강화재부분과모재인열가소성, 열경화성, 세라믹따위의수지의결합으로구성이된다. 강하지만취성을지닌섬유와약하지만인성을지닌수지의결합으로각각이달성할수없는높은기계적성질을달성하며강성과탄성이매우뛰어난재료가된다. 강화재인섬유는기계적하중을견뎌내고섬유를감싸고있는모재인수지는형태를유지함과동시에섬유외부의하중을섬유로옮겨주는역할을한다. 하중은주로섬유에의해유지되고실제복합재료의기계적물성은섬유의특성과체적비율에따라결정된다. 날이갈수록그특징과장점때문에산업계에널리사용되고있으며앞으로더많은사용이기대되는재료이다. 1

1.2. 액상주입성형 (Liquid Composite Molding, LCM) 복합재료의필요성은오랜시간매우강조되었고다양한제작방법들이개발되었다. 복합재료의제조공정에는크게액상주입성형 (Liquid Composite Molding, LCM) 과 Autoclave, Pultrusion, Filament winding, Compression Molding 등이있다. 그중여러종류의제조공정중복잡한형상을만드는데 LCM 공정이적합하다. 무엇보다공정시간이다른방법들에비해짧은편이며, 기능면에있어서도비용이저렴하기때문에점차각광받고있다. 특히경제성그리고상대적으로간단한제작기자재등의이점을가지고있다. 액상주입성형 (LCM) 에는 Resin Transfer Molding(RTM), Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI) 등이있다. 액상주입성형공정의과정을살펴보면섬유매트를몰드 ( 주형 ) 에깔고덮개를덮는다. 그리고열경화성수지를주형내에주입한후경화를시키면복합재료가만들어지게된다. 현재액상주입성형이당면한과제는최적수지주입속도이다.[1] 1.3. 연구목적 기존연구 <Figure 1> 에서확인할수있듯이투과성계수 (K) 는유량 (Q) 에 비례해서증가하게된다. 그렇기때문에섬유다발과유량간에어떤 상관관계가있기때문에투과성계수가증가하게되는지연구가필요하다. 2

[2] Darcy s law에의하면투과성계수 (K) 는일정유량 (Q) 과점도 ( ) 에서압력구배에따라달라지게된다. Carman-Kozeny 모델에서기공의형상과실증적경험에의한값인 Kozeny 상수 (k ij ) 와섬유의지름 (d f ), 섬유다발내의체적비율 (V f ) 정도에의해투과성계수가정해진다. 투과성계수는 Carman- Kozeny 모델에의해계산될수있으며, 섬유다발의물질적특성에의해결정이되게된다. 유량과투과성계수의관계식은다음과같다. [3] [4] 여기서 K 는투과성계수로아래와같이정의된다. (1) (2) 3

CHAPTER 2 재료및실험방법 2.1 재료 2.1.1 엔진오일 실험에사용된유체는 GS칼텍스社에서만든 Kixx PAO 5W40 엔진오일로화학적안정성때문에선정하였다. 상온에서엔진오일의점도는 0.114 Pa s이다. 엔진오일의밀도는 74.4g/ml이고표면장력은 0.03N/m이다. 이엔진오일이수지를대신하여 UTM기에의해몰드로주입된다. 2.1.2 유리섬유 Owens Corning 社에서제작된너비 (W) 58mm(2.3inch), 두께 (T) 0.53mm 단방향유리섬유를사용하였다. <Figure 2> 그리고유리섬유에관한 4

자세한사항은 <Table 1> 에나타내었다. 2.2 실험기기 2.2.1 LCM 공정기기 <Figure 3> 에서와같이길이 (L) 420mm, 높이 (H) 2mm, 폭 (W) 59mm인몰드틀을알루미늄으로제작하고덮개는투명한아크릴로제작을하였다. 그리고 < Figure 4> 에서볼수있듯이몰드의우측촬영이가능하도록알루미늄몰드의측면을없애고대신유리판을집어넣어카메라를통한측면단층촬영이가능하게제작하였다. 몰드상, 하판에일정한압력을가하여유격이생기지않게하기위해컴프레서를연결하여지속적으로일정한압력을가해주었다. LCM 공정기기는반복적으로사용이되고제조공정에있어균일함을유지하기위해몇회에걸쳐수정하고새로이제작이되었으며, 위사이즈몰드내에서유리섬유로의수지주입이가장균일하게이루어짐을확인할수있었다. 5

2.2.2 촬영기기 섬유다발단면촬영에사용된기기는Video Micro Scope(Sometech 社, USA) 이다. 아래사진 <Figure 5> 은해당기기의렌즈부분으로서사용된렌즈는 100배를확대할수있는렌즈로서 Working Distance(W.D.) 는 17~20mm 이다. 본기기는사진촬영과동영상촬영이동시에가능하다그리고촬영된사진의길이와면적을계산할수있다. 2.2.3 수지주입기기 <Figure 6> 에보이는기기는 Universal Testing Machine (LR 50K, LLOYD instrument 社, UK) 로서실험에는 compression 모드를통해수지를 0, 50, 100, 200, 400 mm 3 /s 이와같이순으로일정한유량을주입하는데사용하였다. 수지주입기기와몰드는튜브로연결을하였고몰드주입구부분에밸브를장착하여개폐를할수있게하였다. 2.2.4 압력측정기기 <Figure 7> 에서보여지는압력변환기 (Sensys 社 ) 4 개를설치하여 투과성계수 (K) 계산을위한압력을측정하였다. 압력변환기는수지의 선단이압력변환기센서에닿는지여부에따라확인이되며, 주입공정중 6

유동선단의압력을측정하는데도이용되었다. 압력센서의위치는 140mm, 90mm, 140mm 간격으로유동의방향을따라 4 개를설치하여측정하였다. [5] 2.3 실험수행 2.3.1 실험기구설치 실험수행은아래 <Figure 8> 에서와같이먼저알루미늄으로제작된몰드하단부와아크릴로제작된상단부사이에오일링을깔고상, 하단부를볼트를이용해압착시킨다. 다음으로측면촬영을하기위해몰드의한쪽면에또오일링을깔고유리판을넣은후 22개의볼트로몰드와유리판을압착시킨다. 수지주입구는 UTM에설치된수지주입펌프와연결하고그사이에는개폐식밸브를설치한다. 몰드의사이즈는 420mm * 59mm * 2mm이다. 알루미늄하단부와아크릴상단부의두께는각각 50mm이며, 수지주입시압력에변형이생기지않는다. VMS는유리판이있는몰드의측면에밖에설치한다. 몰드내부에유격이발생하면안되기때문에컴프레서가연결된구조물속에몰드를넣어일정한압력으로몰드를압착한상태로실험이진행된다. 7

2.3.2 실험수행 VMS에의해촬영이될부분을수성사인펜으로색칠을한유리섬유 4장을몰드에나란히적층하고오일링을배열한후, 아크릴상단부를압착시키고측면에유리판을압착시킨다. 유리섬유 4장을깔았을때의몰드내에서의체적비율 (V f ) 은 34.96% 가된다. 유량은 0, 50, 100, 200, 400 mm 3 /s 순으로주입하고이때주의할점은 50mm 3 /s로주입을할때몰드내부가수지로포화 (saturated) 되어야한다는점이다. 이후유량을증가시켰을때도일정시간포화가될때까지유량을유지한후그다음유량으로증가시켜야한다. 그리고실험이진행되는과정각유량별섬유다발의측면변형사진을 VMS로사진, 동영상촬영을실시간으로진행하고이때몰드내의압력이압력변환기를통해측정된다. 그리고이렇게측정이된압력데이터는주입과정중유량에따른투과성계수를구하는데이용된다. 8

CHAPTER 3 실험결과및논의 3.1 유량의변화에따른섬유다발의변형 유량이 0, 50, 100, 200 mm 3 /s 순으로증가함에따라섬유다발의모양이 변형되었다. <Figure 9> 은유량이 0mm 3 /s로수지가주입전섬유다발만존재하는상태이다. <Figure 10> 은유량 50mm 3 /s로포화 (Saturated) 가된상태에서촬영한섬유다발의형태이다. <Figure 11> 은유량 100mm 3 /s 일때, 부풀어진섬유다발의형태이다. <Figure 12>, <Figure 13>, <Figure 14> 도각각 <Figure 9>, <Figure 10>, <Figure 11> 과동일한실험조건에서촬영된섬유다발의단면들이다. 유량이 0mm 3 /s 일때에비해유량이 50mm 3 /s, 100mm 3 /s 인경우, 섬유다발 끝부분단면의넓이가각각 40.7%, 85.6% 가량증가함을확인하였다. 9

VMS 를통해섬유다발과유로의거리와면적의수치를얻고사각형을 가정하여단순화하여각각의값을구한후다음식들을통해투과성계수를 구한다. (2) (3) (4) Carman-Kozeny Equation 과 Hagen-Poiseuille equation(for rectangular) 을사용하여 50mm 3 /s, 100mm 3 /s 에서투과성계수를계산하였을 때, 각각 K 50 = 7.75 * 10-6 mm 2, K 100 = 1.45 * 10-5 mm 2 이된다. [6] [7] 3.1.1 섬유다발의변형및영향 기존연구에서알수없었던섬유다발이적층된형태와그형태에수지 유동이영향을주는모습을단면을관찰함으로써파악할수있었다. <Figure 15> 는가정되었던섬유다발의적층형태이다. 하지만실제로 10

관찰된적층형태는낮은유량의경우, <Figure 16>, 높은유량의경우, <Figure 17> 의적층형태에가깝다. 특히섬유다발의체적비율 (V f ) 과 압력이높아질수록 <Figure 16> 가깝게된다. 이사실은섬유다발과섬유다발사이 (inter tow region) 의투과성뿐만 아니라, 섬유다발자체의변형과그에따른투과성의변화가전체 투과성계수변화에영향을미칠수있음을의미하는것으로볼수있다. <Table 2> 의자료를토대로유량에따른투과성계수를계산해본결과 섬유다발부분의투과성계수는각각 K f50 = 4.7 * 10-6 mm 2, K f100 = 1.15 * 10-5 mm 2 이된다. 유량이 50mm 3 /s인경우와 100mm 3 /s인경우, 섬유다발 부분과섬유다발사이 (inter tow region) 의투과성계수를모두고려하여 계산했을때, 각각 K 50 = 7.88 * 10-6 mm 2, K 100 = 1.448 * 10-5 mm 2 이되었다. < Table 3> 섬유다발의변형이일어나면서수지이동을방해할것이기때문에투과성계수가낮아지지않을까예상하였으나, 섬유다발이격자형태로적층이되고실제유동은 <Figure 15> 가아닌 <Figure 16>, <Figure 17> 과유사하게진행되기때문에투과성계수에결정적인영향을미치는것을확인하기위해서는변형된섬유다발자체의투과성과섬유다발과섬유다발사이의투과성모두를고려해야한다. 11

본연구를통해대형 LCM 공정의중요한변수인투과성계수에섬유다발의 변형이영향을주는것을확인할수있었다. <Figure 18> 에서확인할수있듯이유량이 50mm 3 /s에서 100mm 3 /s으로증가를함에따라섬유다발의단면적은약 17% 증가하였다. 수지가주입되지않는상태에비해유량이 100mm 3 /s일때의단면적은약 74.5% 증가함을확인할수있었다. <Figure 19> 에서볼수있듯이유량이 50mm 3 /s 에서 100mm 3 /s 으로 2 배 증가함에따라투과성계수는 20% 가량증가하였다. 유량이증가하며단면적이변화하게되고그결과투과성계수가변하는것을확인하였다. 그리고압력측정기를통해입력된압력값을토대로투과성계수를계산하였을때, 유량이 2배증가하였을때약 5.6% 의증가가있었다. 이는몰드내전체의투과성계수의증가로서섬유다발단면부분의투과성계수증가보다는작은값이지만증가하는경향성을보인것으로볼수있다. <Figure 20> 12

CHAPTER 4 결론 본연구를통해액상성형공정중수지주입유량에따라섬유다발의변형이발생함을관찰할수있었다. 또한투과성계수의변화는섬유다발의변형에의해발생하는것을확인할수있었다. 기존섬유다발의적층모델과달리격자형태로적층되는섬유다발은변형이일어남에따라 <Figure 16> [ 가정 2] 에서와같이부피가팽창하게된다. 이결과섬유다발내의투과성계수는유량의증가에다라증가하게된다. 하지만섬유다발과섬유다발사이의간격은감소하게됨에따라투과성계수가감소하게된다. 본연구를통해유량의증가에섬유다발내의투과성계수증가효과가섬유다발사이의투과성계수의감소효과보다크게나타나는경향을확인할수있었다. 이는유량이증가함에따라투과성계수가비례하여증가하는경향을뒷받침할수있는의미있는결과이다. 본연구는섬유다발의끝단을관찰하였기때문에오차범위내의차이가발생하였다. 본연구에이어추가적으로실제공정과같은섬유다발의높은체적비율 (Vf) 에서섬유다발의변형에관한연구가이어진다면 LCM 공정이향상될수있을것이다. 13

References [1] Stephen W. Tsai and Thomas. H. Hahn, Introduction to composite Materials, Technomic pub., 1980 [2] J.W. Jung and W.I. Lee, Numerical and experimental study on unsaturated flow behavior and void minimization in liquid composite molding, Ph.D Thesis of Seoul National University, Korea, 62, 2011 [3] J.N. Reddy and D.K. Gartling, The Finite Element Methond in Heat Transfer and Fluid Dynamics, CRC, 1994 [4] F.A.L. Dullien, porous Media : Flluid Transport and Pore Structure, Academic Press, 1979 [5] J.W. Jung and W.I. Lee, Numerical and experimental study on unsaturated flow behavior and void minimization in liquid composite molding, Ph.D Thesis of Seoul National University, Korea, 36, 2011 [6] Xiaoming Chen, Thanasis D, On the variability of the Kozeny constant for saturated flow across unidirectional disordered fiber arrays, Composites: Part A 37 (2006) 836 846 [7] S. Prentner, D.M. Allen, L. Larcombe, S. Marson, K. Jenkins and M. Saumer, Effects of Channel Surface Finish on Blood Flow in Microfluidic Devices, Microsystem Technologies, January 2010. 14

Q&Ksat 4.8e-9 4.6e-9 4.4e-9 4.2e-9 4.0e-9 Ksat(m 2 ) 3.8e-9 3.6e-9 3.4e-9 3.2e-9 3.0e-9 2.8e-9 2.6e-9 0 100 200 300 400 500 Q(mm 3 /s) Figure 1. 유량에따른투과성계수변화 Figure 2. Owens Corning 단방향유리섬유 15

Figure 3. 몰드 ( 주형 ) 상단부 Figure 4. 몰드 ( 주형 ) 측면 / 촬영기기설치부위 16

Figure 5. Video Micro Scope(VMS) Figure 6. Universal Testing Machine(UTM) 17

Figure 7. 압력측정기기 Figure 8. 실험기구설치 18

Figure 9. 유량 0mm 3 /s Figure 10. 유량 50mm 3 /s 19

Figure 11. 유량 100mm 3 /s Figure 12. 유량 0mm 3 /s 20

Figure 13. 유량 50mm 3 /s Figure 14. 유량 100mm 3 /s 21

Figure 15. [ 가정 1] 기존연구의섬유다발모식도 Figure 16. [ 가정 2] 본연구의섬유다발모식도 ( 낮은유량 ) Figure 17. [ 가정 2] 본연구의섬유다발모식도 ( 높은유량 ) 22

Figure 18. 유량에따른섬유다발단면적넓이비교 Figure 19. 유량에따른투과성계수 23

Figure 20. 유량에따른단면적과투과성계수의변화 ( 빨간색 : 실험값, 파란색 : 계산값 ) 24

Table 1. Owens Coring 社유리섬유사양 Volume per unit tow(m³) 1.212 10-5 Volume per unit tow 4.5 10-6 (experimental, m³) Total weight(nominal, g/m²) 542.2 (±30) Thickness (m) 0.53 10-3 Mass per unit tow(g) 12.4 Table 2. 유량에따른다공도, 체적비율, 면적계산 (<Figure 9, 10, 11> 2 차원가정 ) Q 0mm 3 /s 50mm 3 /s 100mm 3 /s ε 0.53 0.66 0.75 V f 0.47 0.34 0.25 A(μm 2 ) 9.84* 10 5 1.39 * 10 6 1.82* 10 6 Table 3. 유량에따른투과성계수 (<Figure 9, 10, 11> 2 차원가정 ) Q 50mm 3 /s 100mm 3 /s K fiber( mm 2 ) 4.7 * 10-6 1.15 * 10-5 K non-fiber (mm 2 ) 1.36 * 10-3 6.81 * 10-4 K total (mm 2 ) 7.75 * 10-6 1.45 * 10-5 25

액상주입성형공정중섬유다발의변형에대한연구 서울대학교대학원 기계항공공학부 최재웅 초 록 액상주입성형공정 (LCM) 은제조공정상의이점과경제적이점으로인해복합재료제조산업에서각광을받고있고, 기존의공정을대체해나가고있다. 하지만수지주입공정에있어유량과투과성에관한연구가더수행될필요가있다. 투과성계수는수지주입공정과충진시간을이해하는중요한파라미터이기때문이다. Darcy s law에따르면투과성계수는유량과유량의변화에따른섬유다발의형상변화에따라변화가일어나게된다. 따라서본연구에서는섬유다발의형태와수지주입압력의변화에따른유량이투과성에영향을미칠것이라예상하며실험을수행하였다. 실제LCM 공정과유사한조건의실험기구를제작하여공정진행중측면에서섬유다발의변화를관찰하였으며, 유량이증가함에따라섬유다발의형상이변화하였고결과적으로투과성계수가증가함을확인할수있었다. 26

주요어 : 투과성계수, 섬유다발, 액상주입성형 학번 : 2010-20724 27