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복합소재들의 제조공정과 vartm의 제조공정
- 기계 제작법 과제 #1학번 2015290014학과 기계공학과이름 박희원제출일 4/131. 복합소재 제조 공정을 조사하고, 각 제조 공정 별 공정 방법, 특징, 활용 분야 등을 제시하시오.복합소재(Composite Material)란 종류가 다른 재료를 짝지우는 것으로서, 단독의 재료로는 얻을 수 없는 특성을 지닌 소재이다. 미세구조는 일정하지 않으며 상이 두 가지 이상인 다상(multiphase)의 상태이다. 복합소재에 들어가는 특정 재료는 비싸기 때문에 이러한 비용을 줄이기 위해 복합소재 제조 공정은 중요하다.복합소재 제조공정은 플라스틱 복합재료와, 그 외에 복합재료에 따라 공정방식이 다르다.1-1 플라스틱 복합소재플라스틱 복합소재의 공정들은 다음과 같다.1) 압축성형 소재를 두 개의 금형 사이에 놓고 압력을 가한다.소재로는 고분자, 섬유, 첨가재로 구성된 점성이 있고 끈끈한 분말, 혹은 밀가루 반죽과 유사한 경화되지 않은 열경화성 플라스틱이 사용된다. 통나무 모양으로 성형한 후 원하는 형상으로 잘라서 사용한다. 섬유의 길이는 3~50mm 정도이며 최대 75mm가 사용되기도 한다. 이 공정을 통한 제품은 엔진 커버, 자동차 라이트 덮개, 전자제품 부품으로 사용된다.2) 진공백 (vacuum-bag molding)는 프리프레그를 금형에 놓고 원하는 형상으로 성형한다. 원하는 형상과 양호한 접착력을 얻기 위하여 진공백을 금형위에 놓고 진공으로 만들어 필요한 압력을 생성한다. 경화는 상온이나 오븐 내에서 수행된다. 진공백의 장점은 균등한 압력, 수지함유량을 조절 할 수 있으며 형태를 조정할 수 있고 효율적인 합판을 만든다.3) 압력백 (pressure-bag molding)은 진공백 성형에서 파생되었다. 공정방법은 유연한 백을 수지와 강화섬유 혼합물 위에 놓고 200~400kpa의 압력을 가하여 성형을 수행한다. 압력백의 장점은 수지가 들어가기 애매한 곳을 압력으로 밀어넣어 곳곳에 스며들게 하여 완성도 있게 한다.4) 인발은 균일한 단면을 가지는 막대, 프로파일,제품은 원하는 길이로 자른다. 골프채, 스키 폴, 핸드레일, 사다리 등의 구조용 부품들이 인발에 의해 생산된다.5) 접촉성형이 공정에서는 한 개의 금형만이 사용된다.습식 공정으로 성형을 진행하면서 강화재가 수지에 함침된다. 접촉성형은 표면적 대 두께의 비율이 큰 겹판제품을 만드는 데 사용된다. 대표 제품으로 보트, 자동차 패널, 욕조 등이 있다.5-1 가장 간단한 방법은 수작업 레이업이 있는데 이는 소재를 순서대로 놓고 액체 단량체를 솔질한 후에 롤러를 이용하여 성형하며 최종 제품의 방향성을 조절할 수 있다.5-2 분사방식으로 적층하는 분사레이업은 수지와 단섬유가 금형 위로 분사된다. 단섬유는 임의의 방향성을 가진다.수작업, 분사방식 모두 상대적으로 속도가 느리고, 인건비가 많이 들며, 마무리 공정에 시간과 노동력이 필요하며 사용할 수 있는 소재의 범위도 제한적이다. 하지만 공정이 단순하고 금형비가 비싸지 않은 장점이 있다.6) 전이/사출성형 압축성형과 사출성형, 전이성형 공정을 통합한 형태의 자동화된 공정이며 양호한 표면품질, 치수안정성, 우수한 기계적 물성과 자동화 공정 및 낮은 비용이 통합된 공정이다.7) 필라멘트 감기 이 공정에서는 복합재료 구조를 만들기 위하여 수지와 섬유가 경화되면서 결합된다. 파이프, 저장탱크 그리고 항공우주 부품 등과 같은 축대칭 제품과 비축대칭 제품도 이 공정을 통해 생산할 수 있다. 이 공정으로 만들어진 제품은 높은 강화구조를 가지고 있어 매우 강하다.8) 펄포밍 이 공정은 단면이 균일하지 않은 연속적인 강화 제품을 생산하는데 이용된다. 고분자 용조를 통과한 재료는 양쪽 금형 사잉에서 고정되어 최종 형상으로 경화된다. 유리섬유로 강화된 해머의혼잡이나 곡선의 자동차 겹판스프링이 이 공정으로 생산된다.2-1 금속 복합재료금속 복합재료는 금속결정을 가지고 있으며 이러한 형태들로는 알루미늄, 마그네슘 그리고 티타늄 등이있다. 대표적인 섬유조직들로는 탄소와 탄화규소가 있다. PMC제품 보다 온도에 강하고 높은 밀도를 가진다.[2-1-1고 인건비가 낮으며 대량 생산 시 경제적이지만, 초기 비용이 높다.2) Squeeze Casting Infiltration은 주형 안에 기존에 형성된 금속을 두고 액상 상태의 금속을 두고 윗부분 몰드로 찍어 눌러 액상상태의 금속을 기존 금속 안으로 침투시켜 복합소재로 만든다. 이 방식은 작고 단순한 부품을 생산할 때 사용된다.3) Gas pressure Infiltration은 주형 안에 기존에 형성된 금속을 두고 액상 상태의 금속을 두고 밀폐시킨 다음 가스(N2)로 압력을 주어 액상상태의 금속을 기존 금속 안으로 침투시켜 복합소재로 만든다. 크기가 큰 부품의 경우 이 공정을 이용하며, 다른 기계적인 힘을 이용하는 것과 달리 Gas pressure Infiltration은 소재의 손상이 작다.[2-1-2 고상공정]고상공정은 냉간 혹은 열간 등압성형 등 분말야금 기술을 이용하며 섬유가 제품에 골고루 분포하기 위해서는 적절한 혼합 공정이 매우 중요하다. 이에 대한 사례중 하나는 코발트 모재를 이용하여 텅스텐 카바이드 공구와 금형을 제조하는 것이다.1) 확산 접합(Diffusion Bonding)은 포일 형태에 있는 금속과 긴 섬유 형태의 상이 쌓여지고 점점 오르는 온도에서 압축되어지는 공정이다. 끝났을 때의 형태는 다층구조의 형태를 갖게되며 주로 단순한 형태의(판, 튜브) 제품을 생산 할 때 사용된다.2) 소결(sintering)은 금속 복합의 파우더를 특정한 형태의 상과 추후에 소결, 소형화 시키기 위한 짧은 섬유들을 결합시키는 공정이다. 이 공정은 소결화 되지 않은 작은 파우더 부분을 높은 온도지만 금속이 녹지 않을 온도에서 가열하는 것에 의해 발생하는 파우더 입자의 합동체를 수반한다.3) Hot Pressing Fabrication of Metal Matrix Composites은 고온 압축에 의한 단일 방향성의 소결화에 적용된다. 이 공정은 다이에 혼합된 파우더를 두고 위, 아래 펀치로 압력을 가함과 동시에 고온의 다이에 의해서 화학적 변화를 일으켜 복합재(Chemical Vapor Infiltration)방식은 세라믹 복합소재 구조에 대한 공정이다. 이 공정에서 반응물질 가스가 등온다공층인 물질에 분사되어 퇴적물을 만든다. 퇴적된 소재는 섬유 표면위로 화학적 반응이 일어난다. CVI의 장점은 상대적으로 낮은 온도의 침윤으로 소재의 손상이 작으며 높은 순도의 구조들이 형성되지만, 공정속도가 느리고 생산비용이 높다.2) Liquid Silicon Infiltration(LSI)은 reactive melt infiltration기술 형태의 공정이다. 이 공정에서 세라믹구조는 형성되었던 물질을 강화시키는 다공층으로 투입되어지는 액체금속과 액체를 둘러싸고 있는 물질과 화학적 상호작용을 이룬다. LSI의 장점은 비용이 낮고, 짧은 생산시간과 높은 열전도도와 전자도를 갖지만, 높은 온도에서 섬유가 손상될 위험이 있으며 기계적 특성이 낮다.(강도, 탄성계수)2. 복합소재 제조공정 VARTM (vacuum assisted resin transfer molding) 공정에 대한 절차를 상세히 기술하시오.(그림. 도식으로 나타낸 VARTM)step 1 )경화 작용을 하기 전 보이지 않는 공기방울, 공동을 없앤 표면을 완벽하게 만들기 위해 건조된 타월로 주형판을 부드럽게 닦아낸다.step 2 )밀폐하기위한 테이프를 주형 주변에 붙인다. step3.매듭을 지어 묶고, 튀어나온 바느질을 잘라라step 3) reinforcement(강화재)를 주형 위에 층층이 올려놓고 주형보다 작은 크기로 제단한다.step 4 ) reinforcement(강화재)를 주형 그 자리에 잡아두기 위해 강화재에 테이프를 붙인다.step 5) peel-ply의 층을 강화재 위에 올려놓고 주형보다 작은 크기에 맞게 제단하고 고정시키기위해테이프를 붙인다.step6 ) 수지가 제품 내부로 흐르고, 분포할 수 있도록 하는 침투 매쉬를 자르고 peel-ply층 위로 고정 시켜라. 배출구 튜브를 준비한다. * 매쉬: 그물형태의 가닥 - 에폭시가 신속히 층을 이동하게 하게하기 때문에 진공백을 주형 보다 조금 크게 제단한다.step 10 ) 잘라낸 진공백 필름을 step2에서 진행했었던 테이프에 붙인다.( 이때 틈이 없게 잘 붙인다.)step 11 ) resin을 투입하기 위한 통로로 pvc호스를 적당한 길이로 자르고 커넥터에 연결할 부분에 테이프로 감싸 커넥터 부분에 틈이 없게 한다. 그리고 resin 커넥터에 연결한다.step 12 ) 진공펌프를 이용하기 위한 통로로 pvc호스를 적당한 길이로 자르고 커넥터에 연결할 부분에 테이프로 감싸 커넥터 부분에 틈이 없게 한다. 그리고 진공펌프 커넥터에 연결한다.step 13 ) resin이 진공 펌프에 직접적으로 들어가는 것을 방지하기위해 진공펌프 전에 catch pot을 설치한다.step 14 ) 진공펌프와 catch pot을 제품에 연결된 커넥터와 연결한다.step 15 ) 제품 내부를 진공상태로 만들기 위해 resin 투입구 쪽을 집어 닫아놓고 진공펌프를 가동시키면서 진공백 주변에 틈이 있는지 다시 확인한다.step 16 ) 약 15분간 제품과 진공펌프를 연결하는 커넥터를 clamp를 이용해 물어 잠그고 제품 내부의 진공펌프의 스위치를 끄고 진공백의 밀봉상태를 확인한다.step 17) 에폭시 침투 resin과 그것을 경화시키는 제품을 정확한 비율로 섞는다. 그리고 섞인 resin이가 내부에 가스,기포가 없어지도록 약 10분정도 둔다. (resin의 가스와 기포는 제품의 기공을 유발함.)step 18 ) resin의 출구는 클립으로 집어 놓고 resin이 들은 통에는 조임쇠를 이용하여 resin의 투입 속도를 조절해둔다.step 19 ) resin 출구를 풀어 침투하도록 한다.step 20 ) resin이 주형 끝부분까지 이르었을때, resin 출구와 진공을 만들고 있는 펌프 튜브를 집어 막는다.step 21 ) 진공펌프를 끄고 제품이 완전히 회복될때까지 내버려둔다.(회복시간 24시간)step 22 ) 진공백을 제거하고 제품을 주형에서 떼어낸다. 강화재에 붙은 peel-ply와 p 22
- 공학/기술| 2017.04.13| 7페이지| 1,000원| 조회(458)
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