[논문자료] 점탄성을 고려한 L-형상 복합재료 성형시 열변형 해석

출처: 픽사베이

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탄소 섬유 강화복합재료(Carbon fiber reinforced composite material)는 우수한 비강성과 낮은 밀도, 적층 배열 설계에 따라 원하는 성능의 구조물을 설계할 수 있어 다양한 분야 에서 연구하고 있습니다.

복합재료를 사용하는 제품은 주로 오토클레이브(Autoclave vacuum molding) 공정으로제작되며, 오토클레이브 공정으로 제품으로 성형할 경우 잔류응력(Residual stress)으로 인한 제품의 결함이나 열 변형이 발생합니다.

열 변형의 원인은 수지의 경화 중 발생하는 화학수축(Chemical shrinkage), 섬유와 수지의 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion) 차이로 인해 복합재료 성형 과정에서 잔류응력이 발생하고 스프링 인(Spring-in), 뒤틀림(Warpage)과 같은 열 변형이 일어납니다.

논문 출처 : https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202025551105736

본 연구는 오토클레이브 성형에서 발생하는 잔류응력과 잔류응력으로 인해 발생하는 열 변형을 분석하기 위한 유한 요소 해석 기법을 ABAQUS 서브루틴으로 제작하여 검증하였습니다. 기존의 2-D 점탄성 모델에서 다양한 형상의 열 변형을 분석하기 위해 3-D 점탄성 모델을 제작하고 선행연구과 비교하여 그 결과를 검증하였으며, 또한 검증된 해석 기법을 사용하여 L-형상 구조를 해석하고 선행 연구와 비교하였다고 합니다.

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복합재성형 오토클레이브

Prepreg를 여러 겹으로 원하는 형상의 몰드에 적층한 후 진공을 유지하기 위해 진공백으로 제품 전체를 포장하여 기체 자압부와 차단하는 공정을 진행합니다. 내부 진공을 유지하게 되면 내부에 있는 수지로부터 발생되는 휘발성분을 제거할 수 있으며 여러 겹의 Prepreg를 접합할 때에도 기포가 발생되지 않아 치밀하게 접합된 제품을 얻을 수 있습니다. 오토클레이브 복합재성형은 등방향 압력을 가하고 가벼운 소재를 통해 금형 제작이 가능해 복잡한 형상의 제품을 제작하는데도 용이합니다.

 

이러한 장점으로 인해 항공기 복합재 부품이나 고품질이 요구되는 우주항공용 복합재료에 주로 사용되며 교통산업, 선박, 해양산업, 토목, 건축 등 다양한 산업에서도 활용이 가능합니다. 당사에서 제작되는 복합재성형 오토클레이브는 다양하고 복잡한 모양의 복합재 성형을 수행할 수 있는 설비로 제작되었습니다. 제픔의 성형 효율을 높히기 위해 소재의 냉각과 가열처리, 진공처리가 가능하게 구성하였으며 내부 온도 유지와 압력 제어로 정밀 공정 수행이 가능합니다.

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또한 미국 기계기술자협회 압력용기 인증인 ASME 규격에 적합한 설계와 제작, 한국가스안전공사와 산업안전관리공단의 인증을 통해 안전하게 제작되어 사용자의 편의는 물론 안전까지 고려하였습니다.

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