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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.6 pp.133-138
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.6.133

Compression Molding Analysis of LFT-D System for Vehicle Trailing Arm

Bo-Gyu Park Korea Textile Machinery Convergence Research Institute
Jin Woo Jung Dongshin
Han-Kyu Jung Korea Textile Machinery Convergence Research Institute
Si-Woo Park Korea Textile Machinery Convergence Research Institute
Dong Soo Ha Hwashin precision co.ltd
Hyen Yel Choi Hwashin precision co.ltd
Corresponding Author : bgpark@kotmi.re.kr+82-53-819-3150 +82-53-819-3119
20170817 20171013 20171213

Abstract

Recently, CFRP composites are widely used as lightweight materials have with excellent mechanical properties and can beare widely used in various fields. In general, thermosetting resins are used for CFRP. However, in recent years, studies have been carried out using thermoplastic resins have been actively carried out to overcome the disadvantages of thermosetting resins. The LFT-D system is a molding method in which a fiber is directly cut to a the desired length while being impregnated with a thermoplastic resin to produce a compound and that is then press-molding molded to form the product. In this paper, before the production of the trailing arm, the compression molding analysis was carried out in order to grasp the problems that may occur during production. Through cCompression molding analysis was applied to calculate of the minimum press pressure and to compare and analysis analyze the molding conditions characteristic required to formfor forming the trailing arm.


트레일링 암 생산용 LFT-D 시스템에서의 압축성형 해석

박 보규 한국섬유기계융합연구원
정 진우 동신유압
정 한규 한국섬유기계융합연구원
박 시우 한국섬유기계융합연구원
하 동수 화신정공
최 현열 화신정공

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    최근 경량화 소재로 각광받고 있는 CFRP 복합재 료는 다양한 분야에 활용이 가능하고 그 기계적인 물성이 우수하여 이 분야의 시장 선점을 위한 CFRP 복합재료의 제조 시스템, 응용 제품 및 가공 기술에 대한 다양한 연구를 진행하고 있다[1-7]. CFRP 복합재료의 기지재로는 열경화성 수지와 열 가소성 수지를 이용하는데 열경화성 수지는 경화반 응에 의한 성형 사이클 시간의 증가나 내충격성, 재활용이 불가능한 문제가 있어 최근 열가소성 수 지를 이용한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

    장섬유와 열가소성 수지를 이용한 LFT시스템은 수지와 섬유가 함침된 펠렛을 이용하여 압출 및 프레스 성형을 하는 LFT-G시스템과 섬유를 원하는 길이로 바로 컷팅하면서 동시에 수지와 함침하여 컴파운드를 만든 후 프레스 성형하는 LFT-D 시 스템이 있다. LFT-G방식은 국내에서 인테리어 제 품 생산에 주로 적용되고 있으나 LFT-D 시스템을 이용한 제품 생산은 아직 국내 적용사례가 없다.

    LFT-D 시스템은 압출기를 통해 생산된 컴파운 드를 금형에 삽입하고 이를 압축성형을 통해 제 품을 제작하게 된다[8,9]. 본 논문은 LFT-D 시스템 을 적용하여 자동차 트레일링 암을 제조하기 위한 기초연구로써 LFT 컴파운드를 이용하여 압축 성 형할 때 필요한 성형압력, 냉각, 성형 후 발생가능 한 변형 등에 대한 문제를 유한요소 해석을 통해 사전에 검토하여 제품 개발시간을 단축시키기 위 하여 압축성형 해석을 수행하였다.

    2.압축성형 해석 준비

    Fig. 1은 본 해석에 적용된 자동차용 트레일링 암 모델로 해석에 앞서 해석에 불필요한 부분을 삭제하여 형상을 단순화 하였다.

    압축성형 해석은 일반적인 성형해석과 달리 초 기 충진 형태 및 크기를 결정하여 해석초기 Fig. 2와 같이 충진 대상에 위치시켜 이를 압축하는 형 태로 해석이 수행된다. 해석을 위한 트레일링 암 의 부피는 701.51cm3 이며 초기 충진량은 냉각시 수축을 고려하여 720.8cm3를 초기 충진량으로 설 정하였다. 초기 충진량이 충진대상과 같은 경우 수지의 수축에 의한 미충진이 발생할 수 있다. 충 진 형태는 실제 압출기의 노즐 형태와 동일하게 사각형으로 설정하였다. 압축성형 해석은 상용해 석 프로그램인 Moldflow를 사용하여 수행하였다.

    사출성형 해석을 기준으로 트레일링 암의 성형 에 필요한 형체력을 계산하면 아래의 식과 같이 201ton의 압력이 필요하다. 형체력은 금형의 닫힘 을 유지하기 위한 힘으로 압축성형시 필요한 필요 한 프레스 압력과 같다. 해석에 사용된 소재는 실 제 성형에 사용될 PU수지를 사용하였으며 탄소섬 유의 함량은 50%이다.

    형체력 = 투영면적(cm2)x금형 내 압력(Kgf/cm2)x10-3 = 452.4913(cm2)x445x10-3=201.4ton

    3.압축성형 해석

    압축성형 해석은 Table 1과 같이 금형 온도와 프 레스 압축력의 변화에 영향을 비교하였다. 성형해 석에 중요한 변수 중 하나인 수지온도는 압출기에 서 토출된 직후 180℃정도의 온도를 보여 180℃로 고정하였다. 금형 표면온도는 50℃에서 200℃까지 50도 간격으로 프레스 압축력은 100, 300, 500ton으 로 변경하여 성형해석을 수행하였다. 해석시 냉각 시간은 20초의 자연냉각을 동일하게 적용하였다.

    Fig. 3은 프레스 압축력과 금형 온도의 변화에 따 른 프레스 성형시 충진 패턴 및 충진시간을 보여준 다. 충진 경향만으로 비교하였을 때 프레스 압축력 이 100ton이며 금형온도가 150℃ 이하의 3가지 case 에서 미충진이 발생하였으며 나머지 case는 충진이 완료된 것으로 보인다. 그러나 Fig. 4의 형체력 변 화를 기준으로 분석하면 프레스 압력이 300ton인 경우 금형온도 150℃이하에서 최대 형체력이 300ton으로 최대 프레스 하중과 동일한 하중이 필 요함을 확인하였다.

    최대 압력과 형체력이 동일한 경우 성형하는 수 지의 온도 및 금형의 온도에 따른 영향을 많이 받 기 때문에 미성형이 발생할 가능성이 높다. 금형의 온도가 200℃인 경우 최대 형체력이 유지되는 것을 볼 수 있다. 이때 형체력은 급격이 감소하게 되어 300ton 프레스에서 충분히 성형이 가능하다. 안정적 으로 LFT 압축성형을 하기 위히서 금형 온도가 150℃ 이하의 경우 최소 400ton 이상의 프레스가 필요할 것으로 판단된다.

    Fig. 5는 섬유배향 결과를 나타낸 것으로 유동방향 과 섬유배향 방향이 비교적 잘 일치함을 확인가능 하다. 금형온도가 200℃에서 좌측 홀 부위의 섬유 배향이 개선되는 경향을 보인다.

    그러나 제품 전체를 기준으로 보면 금형온도나 프레스 압력은 PU수지에 포함된 탄소섬유의 배향 에 큰 영향을 미치지 않는다.

    성형 중 발생하는 weld-line의 경우 수지의 유동 이 겹치는 부분에서 전체 case에서 동일한 위치에 서 발생하였으며 결과는 Fig. 6에 나타내었다.

    Fig. 7 및 Table 2는 성형완료 후 변형을 정리하여 나타낸 것이다. 금형온도의 차이에 따라 성형 후 변형이 감소하는 경향을 보이나 정상적으로 성형이 되는 경우 차이는 미미한 수준으로 나타났다. 최대 변형이 일어나는 위치는 동일하였다.

    3.냉각 해석

    압축성형 해석을 통해 트레일링암을 성형하기 위 한 압력, 성형 후 변화량, 결함 발생 위치 등의 해 석을 수행하였다. 압축성형의 경우 20초간의 자연 냉각을 동일하게 적용하여 해석을 수행하였다. 냉 각해석은 압축해석 결과 가장 안정적으로 성형이 가능할 것으로 보이는 case2-4, case3-3, case3-4 3가 지 경우에 대하여 해석을 수행하였다. Fig. 8은 냉 각해석에 사용된 유한요소 모델을 나타내었다. 냉 각 유로는 트레일링암의 가로로 5개를 양쪽으로 배 열하였으며 입구 냉각수 온도는 25℃로 동일하게 설정하였다.

    Fig. 9는 3가지 case에 대하여 냉각 유무에 따른 충진 패턴, 충진 시간, 형체력, 변형을 비교하여 나 타내었다. 충진시간의 경우 최대 0.7초 증가로 냉각 에 의한 영향이 없다고 볼 수 있다. 형체력의 경우 냉각의 영향을 가장 크게 받으며, case2-4의 경우 100ton에 가까운 증가량을 보인다.

    성형 후 변형은 금형온도가 200℃인 경우 0.5mm 정도의 감소로 가장 큰 효과를 보인다. 상대적으로 금형온도가 낮은 150℃의 경우 0.2mm 정도로 냉각 에 의한 효과가 감소한다. 따라서 압축성형시 냉각 은 금형온도가 낮은 경우 큰 효과를 기대하기 어렵 다

    4.결 론

    본 논문은 LFT-D 시스템을 이용하여 자동차 트 레일링 암을 제조하기 위해서 트레일링 암 금형에 대한 압축성형 유한요소해석을 수행하였고 다음의 결과를 얻었다.

    • 1. 트레일링 암의 성형을 위해서 최소 400ton이상 의 프레스가 필요하다.

    • 2. 성형 후 변형은 초기 금형 온도가 낮을수록 감 소하며 성형 후 변형은 1.5mm로 예상된다.

    • 3. 냉각을 추가하는 경우 성형에 필요한 프레스 압력이 증가하며, 금형온도가 높을수록 압력 증 가폭이 크다.

    • 4. 냉각시 성형후 변형이 감소하나 150℃이하의 금형온도에서는 그 효과를 기대하기 어렵다.

    후 기

    본 과제는 신성장 동력 장비 경쟁력 강화사업 (과제번호:10050990) 의 지원으로 진행되었으며, 이 에 관계자 여러분께 감사를 드립니다.

    Figure

    KSMPE-16-133_F1.gif
    3D-mode and Simplify model of T-ARM
    KSMPE-16-133_F2.gif
    Preparation for compression molding analysis
    KSMPE-16-133_F3.gif
    Changes in filling patterns depending on compression load and mold temperature
    KSMPE-16-133_F4.gif
    Changes in clamping forces depending on compression load and mold temperature
    KSMPE-16-133_F5.gif
    Changes in fiber orientations depending on compression load and mold temperature
    KSMPE-16-133_F6.gif
    Prediction of Weld Line
    KSMPE-16-133_F7.gif
    Deformation after compression molding
    KSMPE-16-133_F8.gif
    Cooling analysis model
    KSMPE-16-133_F9a.gif
    Comparison of the results of cooling analysis (case 2-4)
    KSMPE-16-133_F9b.gif
    Comparison of the results of cooling analysis (case 3-3)
    KSMPE-16-133_F9c.gif
    Comparison of the results of cooling analysis (case 3-4)

    Table

    Analysis condition for compression molding analysis
    Deformation after compression molding depending on compression load and mold temperature

    Reference

    1. LabatutV. MayersJ. GreeneT. (2015) Discontinuous LFT composites for Structural aerospace applications. , JET Composites Magazine, ; pp.38-40
    2. MichaelS. (2008) LFT - development status and perspectives. , Reinforced Plastics, Vol.52 ; pp.32-39
    3. ParkC.K. KanC.D. (2012) ?oInvestigation of opportunities for lightweight vehicles using advanced plastics and composites, ?? NHTSA Report no. , DOTHS, Vol.811 (692) ; pp.14-15
    4. MarkarianJ. (2007) Long fibre reinforced thermoplastics continue growth in automotive. , Plast. Addit. Compd., Vol.9 ; pp.20-22
    5. WonS.J. LiC.P. (2017) The Exit Hole Burr Generation of CFRP with Ultrasonic Vibration. , J. Korean Soc. Manuf. Process Eng., Vol.16 (1) ; pp.134-140
    6. ParkK.M. (2017) A Study on the Removal of CFRP Machining Defects by Various Tool Geometries. , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.16 (4) ; pp.16-23
    7. LeeS.T. ParkS.G. ChoiH.W. (2017) CFRP Laser Joining Computer Simulation in a Parallel Kinematic Machine. , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.16 (1) ; pp.77-82
    8. KrauseW. HenningF. TrösterS. GeigerO. EyererP. (2003) LFT-D-A Process Technology for Large Scale Production of Fiber Reinforced Thermoplastic Components. , Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol.16 (4) ; pp.289-302
    9. HenningF. EmstH. BrA1/4sselR. (2005) LFTs for automotive applications. , Reinforced Plastics, Vol.49 (2) ; pp.24-33