하이브리드 적층공법을 활용한 PA6-장섬유복합소재 압축성형 공정 최적화 :Process Optimization of Compression Molded Long Fiber Reinforced Thermoplastic Carbon/PA6 Using Hybrid Laminates

유건현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유건현 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 조종두

발행연도: 2020

저작권: 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

하이브리드 적층공법을 활용한 PA6-장섬유복합소재 압축성형 공정 최적화

유건현 기계공학과 2020.01 학위논문

2019

PA6 기반 CFRP-LFT 하이브리드 압축성형에 따른 공정특성 분석

유건현 , 이환주 , 최현석 외 3명 금형가공 심포지엄 2019.12 학술대회자료

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최근, 자동차 산업은 소비자 요구에 따라, 편의장비 탑재 비중을 엔트리급 모델(Entry Model)까지 확장하면서, 중량 가중으로 인한 경량화 부품 개발이 요구되고 있다. 이에, 장섬유복합소재(Long Fiber Reinforced Thermoplastic, LFT)는 열가소성 수지 채용에 따른 성형성 및 장섬유를 통한 비강도 확보로, 자동차 경량화 부품 개발에 점차 확대되고 있는 추세이다. 특히, 전용모듈이 채용된 LFT-D 압축성형 공법은 타 공정대비 성형면적의 제한이 적어, 시트 백 프레임(Seat Back Frame), 프런트 엔드 모듈(Front End Module) 등 대형부품 성형을 통한 경량화 효과를 높이고 있다. 그런데, 공정특성에 따라 중간재가 요구되며, 이를 혼합(Compounding)하는 과정에서 국부적인 전단응력으로 인한 섬유 손상은 성형품 내 잔존 섬유길이를 줄여 물성 저하라는 문제를 야기하고 있다. 따라서, 최근에는 하이브리드 접합기술을 적용한 연속섬유 보강으로 구조적 강성확보에 주력하고 있다. 성형방식은 주로 LFT 형상 성형을 기초로, 부분적 CFRTP 보강이 이루어지며, 생산단가에 따라 적정비율을 산출한다. 하지만, 대부분 생산성 문제로, 전처리가 생략된 열간 접합으로서 계면 간 접합강도 확보가 쉽지 않으며, 특히 내열성이 높은 PA6 기재 간 열간 접합은, 열원에 따른 강도 편차 등 공정구성의 난이도가 높아 상용화에 문제가 있다.
따라서, 본 연구에서는 물성개선을 위한 CFRTP-LFT 간 열간 접합 중간재 및 하이브리드 공법 설계를 선행한 후, 공정변수별 최적화를 수행한다. 먼저, 기성품 LFT-펠렛(Pellet)을 판재로 압출 후, 적층방식 중간재를 설계해 공정 접근성을 향상시킨다. 그리고, 압축성형 공정변수별 기계적 강도 분석을 통해 중간재 설계에 따른 물성 특성 확보한다. 또한, 초기 섬유배향에 따른 성형품 내 변형제어를 위해 유동패턴과 평면도의 상관관계를 도출하여, 장섬유의 유동 특성 및 적정 성형변수를 확보한다. 최종적으로, CFRTP-LFT 동시 가열 및 성형 개념을 적용하여 접합강도 평가에 따라 최적 공정조건을 도출하며, 접합단면 관찰을 통한 원인분석 및 기존 상용화 공법 대비 접합강도 개선 수준을 확인한다.

Recently, The automobile industry has been required to develop light-weight components. Because, convenience equipment is also being applied to entry models according to consumer demand. Accordingly, Long Fiber Reinforced Thermoplastic (LFT) is gradually expanding in the development of light-weight parts for automobiles by securing formability and specific strength because of long fibers and thermoplastic resins. In particular, the LFT-D compression molding method dedicated module is smaller limitation of molding area than other molding processes, Thus it is raise a light-weight effect by molding large parts such as seat back frames and front end modules. However, intermediate materials called charge occurred to fiber damage due to local shear stress in the compounding process. Thus, The reduction of remaining fiber length in the molded components cause a problem of deterioration of mechanical properties. Therefore, in recent years, the focus has been on securing structural rigidity by continuous fiber reinforcement using hybrid technology. Molding method is mainly based on LFT shape molding, partial CFRTP reinforcement, the appropriate ratio is calculated according to the production cost. However, due to most productivity problems, it is not easy to secure the bonding strength between interfaces as thermal bonding method without any pre-treatment.
Therefore, In this study, prior to the design of CFRTP-LFT thermal bonding intermediates and hybrid bonding process for physical properties improvement, optimization by process variables is performed. First, the ready-made LFT-pellet is extruded into a plate, and then a laminated intermediate material called charge is designed to improve process accessibility. And, through the mechanical strength analysis for each compression molding variables, the physical properties according to the charge design is secured. In addition, the correlation analysis between the flow pattern and flatness on surface is derived for the deformation control according to the initial fiber orientation, to ensure the flow characteristics and the appropriate molding parameters of the LFT. Finally, by applying the CFRTP-LFT simultaneous heating and molding concept, the optimum process conditions are derived according to the bonding strength evaluation, and the cause analysis through the observation of the bonding section is confirmed and the level of improvement in the bonding strength is compared with the conventional process

#장섬유복합소재 #LFT #CFRP #하이브리드 공법 #압축성형

제 1 장. 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 및 내용 4
제 2 장. 이 론 6
2.1 복합재료 6
2.1.1 복합재료 개요 6
2.1.2 복합재료 성형기술 7
2.1.2.1 열경화성 복합재료 성형기술 7
2.1.2.2 열가소성 복합재료 성형기술 9
2.2 장섬유강화 열가소성 플라스틱(LFT) 11
2.2.1 LFT 개요 11
2.2.2 LFT 성형기술 12
2.2.2.1 LFT-D 압축성형 기술 12
2.2.2.2 LFT-G 사출성형 기술 12
2.2.2.3 E-LFT 계면접합 기술 13
2.2.3 LFT 물성 영향 인자 13
제 3 장. 본 론 22
3.1 LFT 중간재 설계 및 기계적 물성특성 22
3.1.1 실험개요 22
3.1.2 실험장비 23
3.1.3 실험재료 23
3.1.4 기초물성 평가 24
3.1.4.1 공정변수별 압축성형 및 인장시험 24
3.1.4.2 공정변수별 압축성형 및 굴곡시험 24
3.1.5 실험결과 25
3.2 LFT 유동특성 및 변형제어 39
3.2.1 실험개요 39
3.2.2 유동특성 및 변형거동 분석 39
3.2.2.1 적층변수에 따른 변형특성 평가 39
3.2.2.2 적층변수에 따른 유동패턴 평가 39
3.2.2.3 공정변수에 따른 유동패턴 평가 40
3.2.3 실험결과 41
3.3 CFRTP-LFT HYBRID 공정설계 및 최적화 51
3.3.1 실험개요 51
3.3.2 W-LFT 접합공정 및 주요 인자 분석 51
3.3.3 CFRTP-LFT HYBRID 공정특성 분석 52
3.3.3.1 공정설계 및 특징 52
3.3.3.2 공정변수에 따른 접합강도 평가 52
3.3.3.3 공정변수에 따른 접합단면 분석 53
3.3.4 실험결과 53
제 4 장. 결 론 70
제 5 장. 참고문헌 72

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