시트 복합 재료의 압축 프로세스를 파악할 수 있는 혁신적 2단계 시뮬레이션

편집 : 코어테크 기술지원부 엔지니어 왕즈양(王志揚)


Customer Profile

2008년 설립된 Toyota 북미 연구센터는 하이브리드 자동차용 전자제품, 차세대 마그네슘 배터리, 자율 주행 자동차 등의 핵심 기술 연구에 주력하고 있다. (출처)

개요

현재 시중에는 시트 복합 재료 압축 성형을 분석하는 상용 소프트웨어가 부족하다. 북미 TOYOTA연구센터(TRINA) 팀의 목표는 불연속 장섬유 시트로 구성된 CFRP 복합 제품의 유동 및 변형 행위를 시뮬레이션 분석할 수 있는 새로운 설계 방법을   개발하였다. 본 사례에서 TRINA팀은 시트 압축 성형을 시뮬레이션 할 수 있는 혁신적인 CAE방법을 개발했다. 두 단계로 구분되는 이 혁신적인 방법은 LS-DYNA와 Moldex3D를 결합하여 드레이핑 과정 중의 탄성 가소성 구조 거동 및 압축 과정 중의 플라스틱 유동을 포착함으로써, TRINA팀에 더 정확한 섬유 배향 및 변형 시뮬레이션 기능을 제공한다.


문제점

  • 시트 복합 재료의 압축 성형을 분석할 실용적인 상용 소프트웨어의 부족

  • 표준 구조 또는 압축 성형 소프트웨어가 처리할 수 없는 시트 복합 재료의 드레이핑 성형 과정


솔루션

TRINA엔지니어는 두 단계의 방법을 이용해 압축 성형 시뮬레이션을 수행했다. 먼저, LS-DYNA를 이용해 시트 복합 재료의 드레이핑 공정을 시뮬레이션한 후, 드레이핑 형상을 Moldex3D 압축 성형 시뮬레이션에서 평가한다.


효과

  • 지금까지 없던 2단계 CAE 시뮬레이션 방법을 통해 업계에 시트 복합 재료의 드레이핑 및 압축에 대한 시뮬레이션 기능 제공.

  • 정확한 섬유 배향 예측 능력

  • 제품 개발 일정 가속화 및 비용 절감


사례 연구


본 사례에서 북미 Toyota연구센터(TRINA)는 탄소 섬유를 함유한 열 가소성 시트 몰드 화합물(SMC)에 대해 연구를 진행했다. 이 시트는 불연속 장섬유로 구성되며, 시트는 압축 성형 프로세스가 종료된 후 원래의 장섬유 구조를 유지하기가 더 쉽기 때문에, TRINA연구원이 선호한다. 본 프로세스에는 다음의 4단계가 포함된다 (그림 1)

단계 1 : 35% 탄소 섬유를 함유한 PA6시트를 용융 온도까지 가열한다.

단계 2 : 가열된 시트를 저압 방식으로 캐비티에 드레이프한다.

        즉 드레이핑 공정을 진행한다.

단계 3 : 시트를 캐비티 속으로 압축하고, 응고될 때까지 고압으로 압축한다.

딘계 4 : 응고된 플라스틱 부품을 몰드에서 이젝트하고 공기 속에서 냉각시킨다.

그림 1 시트 플라스틱 재료의 압축 성형 프로세스

시트의 압축 성형 프로세스에는 항상 드레이핑과 압축 공정이 수반된다. 드레이핑 공정은 플라스틱 탄성 구조 거동과 연관되고, 압축 성형 프로세스는 유동 행위와 연관된다. 시뮬레이션에서 이 두 가지 행위의 상호작용을 동시에 고려해야 하는 것은 큰 도전이 될 수 있다. 그러나 Moldex3D와 구조 분석 소프트웨어를 통합시키면 이 두 가지 행위를 완벽하게 시뮬레이션할 수 있다. 이 시뮬레이션 과정은 유한 요소 분석 소프트웨어인 LS-DYNA로 드레이핑 과정을 시뮬레이션하는 첫 번째 단계와 Moldex3D가 유동 및 변형 분석을 수행하는 두 번째 단계로 구분된다 (그림 2).

그림 2 시트 압축 성형의 시뮬레이션 방법

TRINA는 자동차 산업의 경량화 요구사항에 기반하여 3캐비티 플라스틱 제품을 설계했으며(그림 3), 측정되어 Moldex3D로 가져온 재료 특성은 그림 4와 같다.

그림 3 본 사례의 제품

그림 4 제품에서 측정된 재료 특성을 Moldex3D로 가져오기

TRINA팀은 변형 및 섬유 배향의 시뮬레이션 결과와 실제 실험의 차이를 더 비교하고자 했습니다. LS-DYNA 시뮬레이션에서, 압축 영역 중의 드레이핑 스트로크 거리는 60%, 80% 및 100%에서 중지되며, 또한 이 시점의 데이터를 Moldex3D에 입력하는 프리프레그 경계 조건으로 사용한다. 시뮬레이션 결과, 드레이핑 거리가 80%에서 중지될 때, 실험 데이터와 매우 일치하는 것으로 나타났기 때문에 (그림 5), 후속 분석이 이 조건에서 수행될 수 있다.

그림 5 스트로크 거리 효과 검증

TRINA팀은 변형, 섬유 배향 및 서로 다른 스트로크 거리 효과를 비교했으며, 이 세가지 시뮬레이션 결과는 실제 실험과 차이가 있다. 변형 비교 결과는 그림 6과 같으며, 제품의 위치 A를 측정점으로 사용한다. 서로 다른 몰드 온도에서 변형 예측은 실험 결과와 오차가 8% 이내이다. 또한 Moldex3D 시뮬레이션 및 실험 결과, 모두 몰드 온도가 높아지면 변형량도 증가하는 것으로 나타났다.

그림 6 변형 결과 검증

섬유 배향 부분에서는, TRINA팀은 그림 7(a)와 같이 A, B, C 3개 위치를 기준점으로 선택했다. 표준화된 두께에서, 단층 촬영 및 체적 그래픽 분석법을 통한 측정 결과로 Moldex3D시뮬레이션과 비교하였으며, 그 결과는 그림 7 (b)(c)(d)와 같다. 전반적으로, Moldex3D의 예측 결과와 실험 데이터의 차이는 15% 미만이다.

그림 7 섬유 배향 검증

결과

Moldex3D와 기타 구조 분석 소프트웨어의 기능을 통합함으로써, TRINA는 이 첨단 2단계식 시뮬레이션 방법을 사용해 불연속 장섬유 시트 플라스틱의 압축 성형 프로세스 과정의 행위를 예측하였고, 실제 상황과 오차가 매우 적은 분석 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 시뮬레이션 역량을 통해 TRINA는 자동차 산업을 위한 경량화 및 고강도의 복합 재료 제품에 대한 수요를 더욱 충족시킬 수 있게 되었다.

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