코어테크 R&D 프로젝트 매니저 쩡환창(曾煥錩) 박사
섬유 강화 열가소성 복합재료(FRT)는 차량의 중량을 줄이고 연료 효율을 개선하기 위해 자동차 및 항공우주산업에서 자주 사용된다. FRT 성형 방법에는 신속하며 자동화된 압축 성형 및 사출 성형 기술이 포함되는데, 섬유와 수지를 금형 캐비티로 보내게 된다. 섬유 강화 플라스틱의 비등방성 유동 행위는 주로 섬유의 배향 상태에 따라 결정되는데, 실제 압축 성형된 유리-매트 열가소성 플라스틱(GMTs)의 경우, 섬유 배향에 의해 발생하는 비등방성 유동은 원판 모양의 제품을 타원형으로 압착시킨다 (그림 1)[1]. 일반적인 상황에서 순수한 수지의 사출 성형 중 용융 선단은 매끄럽고, 자유 표면이 밖으로 확장된다 (그림 2)[2]. 장섬유/단섬유가 포함된 용융물의 섬유 농도가 높으면 일부 특이하고 불규칙한 유동 특성이 생성되는 것은 이미 알려져 있다. (금형 벽면의 유동이 빨라지는 현상)
CoreTech System (Moldex3D)는 미국 퍼듀 대학교와의 연구 협력 과정에서 퍼듀 대학교 복합재료 제조 및 시뮬레이션 센터의 Dr. Favaloro 및 Prof. Pipes가 제시한 IISO (informed-isotropic) 점성이론을 CoreTech System (Moldex3D)는 시뮬레이션 소프트웨어에 적용했다. Moldex3D 사출 성형 및 압축 성형을 통한 비등방성 유동 시뮬레이션은 매우 중요하다. 최근 Moldex3D IISO 모델은 미국 특허를 획득했을 뿐 아니라 [3, 4] , 과학 저널에도 발표되었다 [5, 6].
Moldex3D 시뮬레이션에서, 압축 성형 시스템 내 최초의 섬유 배향 분포는 X축 단방향이고 (그림 3), 재료는 폴리 프로필렌(200°C)에 25%의 긴 유리섬유(종횡비 L/D=360)를 더한 것이며, 최종 유동선단은 원래의 원형에서 타원형으로 분명하게 변형되었다. 또한 50wt% 짧은 유리섬유(종횡비 L/D=20)의 Polyamide66을 적용한 시뮬레이션 결과는 유동선단이 측면을 따라 더 빠른 속도로 전진하는 것으로 나타난다 (그림 5).
현재까지는 최첨단 CFD소프트웨어를 사용해 섬유 배향으로 인한 비등방성 유동 행위를 시뮬레이션하는 것은 큰 도전이기 때문에 IISO점성이론은 비등방성 유동을 파악하는 데 매우 핵심적인 기술이다. Moldex3D 현재 버전의 섬유 커플링 분석 기술은 사출 및 압축 성형 산업에 널리 응용되어 섬유 복합재의 제조를 예측하는 데 도움이 될 수 있을 것이다.
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