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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.5 pp.157-165
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.5.157

Performance and Feasibility Evaluation of Straight-Type Mixing Head in High-Pressure Resin Transfer Molding Process of Carbon Fiber Reinforced Composite Material

Beom Jeong Han*,**, Yong Chai Jeong**, Ki Ha Hwang*, Myung Chang Kang*#
*Graduate school of convergence science, Pusan National University, Pusan 46241, Korea
**DUTKOREA Co., Ltd, 32, Dasan-ro 208-32, Saha-gu, Pusan 49485, Korea
Corresponding Author : kangmc@pusan.ac.kr+82-51-510-2361, +82-51-510-7396
20171007 20171008 20171016

Abstract

The high-pressure resin transfer molding (HP-RTM) technology has been commercialized for fast production of fiber reinforced composite materials. The high-pressure mixing head was one of the most core component of the HP-RTM process. In this study, a mixing head was systematically designed, manufactured and evaluated. This mixing head was composed of a nozzle, a mixing chamber, a cleaning piston part, and an internal mold release part. In actual, a straight-type structure was newly designed instead of the conventional L-type structure for improving the maximum mixing pressure and mixing ratio precision. The performance of mixing head was showed maximum mixing pressure of 15.22MPa and mixing ratio precision of 0.12%. CFRP molding experiments were successfully obtained a 6~11 laminating carbon sheet using HP-RTM presses and specimen molds.


탄소 섬유강화 복합소재의 고압 수지이송 성형공정에서 직선형 믹싱헤드의 성능 및 유용성 평가

한 범정*,**, 정 용채**, 황 기하*, 강 명창*#
*부산대학교 융합학부
**(주)디유티코리아

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    R0005055

    © 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 들어 지구 온난화와 자원 고갈로 환경에 대한 중요성이 커지면서 자동차, 항공 산업분야에 서도 친환경 및 경량화를 위한 기술개발이 주요 이슈가 되고 있다[1-2]. 이러한 경량화를 위해서 전 세계적으로 관심이 증대되고 있는 탄소 섬유강화 복합소재(Carbon fiber reinforced composite material)는 람보르기니나 페라리 등 고성능 스포츠카에서 무 게절감을 위해 주로 적용되고 있다. BMW 등 일 부 업체에서 고급 차종의 차체 부품에 양산을 시 작하였으며, 닛산 등 일본의 자동차 회사에서도 양산을 위해 활발하게 연구하고 있다[3-7].

    탄소 섬유강화 복합소재를 이용한 부품개발을 위해 고압 수지이송 성형(HP-RTM : High-pressure resin transfer molding)공정 등과 같이 고속 제조공 정 기술 및 성형 특성평가에 대한 연구는 많이 진 행되고 있다[8]. Fig. 1은 탄소 섬유강화 복합소재 의 고속 생산을 위한 고압 수지이송 성형공정도이 다. Fig. 1(a)에서 프리폼을 하부 금형에 배치한 후 부분적으로 금형을 닫고 금형 표면과 섬유 프리폼 사이에 약 2mm 이하의 작은 간격을 유지한다. Fig. 1(b)에서 고압 믹싱헤드(Mixing head)로 수지 (Resin)와 경화제(Harder)를 혼합하여 금형에 주입 하고, 혼합액은 프리폼 상부로 유동하고 부분 함 침된다. Fig. 1(c)는 필요한 양의 수지가 주입 완료 되면 금형을 완전히 닫고 압착한다. 마지막으로 Fig. 1(d)에서 부품은 수지가 경화된 후 금형이 열리고 경화된 RTM 부품이 제거되는 과정을 나타내고 있다[9].

    이러한 탄소 섬유강화 복합소재용 고속 생산장 비의 성능 확보를 위해 Fig. 1(b)에서 설명하고 있 는 주요 핵심부품인 고압 믹싱헤드의 관련 기술 개발이 더욱 요구되고 있다. Lee와 Kim[10]은 인몰 드 코팅용 믹싱헤드에서 혼합특성을 연구하였고, Teixeira[11]등은 반응사출공정용 믹싱헤드에 대하여 흐름특성을 연구하였다. 또한, 고압 믹싱헤드는 다 양한 금형에 장착되기 위해서는 단순한 구조의 소 형 형상이 요구된다. 기존 L형 구조는 별도의 혼 합실 실린더가 요구되어 형상이 복잡한데 비하여, 직선형 구조는 단순한 믹싱헤드를 설계할 수 있는 장점을 가지고 있다. Hamidreza[12]등은 직선형 고 압 믹싱헤드 설계모델을 이용하여 혼합 효율의 최 적화를 위한 전산 유동해석을 진행하여, 노즐에서 분사되는 제트의 속도가 높은 경우 믹싱 효율이 증대되는 결과를 제시하였다.

    한편, 기존에는 성형 완성품의 탈형을 위해서 금형 공정에서 별도의 수작업 및 자동화 공정으로 외부 이형제를 투입하는 공정개선이 요구되었다. 효율적인 생산을 위해 내부 이형제 수지가 개발되 어 있으며[13] , 고압 믹싱헤드의 또 다른 구조측면 에서는 내부 이형제 첨가를 위한 정적 믹서 구조 및 이형제 투입 모듈의 개발이 필요하다.

    따라서, 본 연구에서는 탄소 섬유강화 복합소재 의 고속 생산을 위한 고압 수지이송 성형공정에서 내부 이형제 모듈이 장착된 직선형 고압 믹싱헤드 를 새로이 설계 및 제작하였다. 그리고 개발된 고 압 믹싱헤드의 최대 믹싱 압력 크기에 의한 안정 성 평가 및 믹싱 비율 정밀도 평가에 따른 성형 품질 정도를 조사하였다. 또한, SGL사의 HPT® 300 C45과 HPT® 300 C090 두 종류의 탄소 섬유 시트 6 ~ 11층을 X,Y 양방향 강성을 위해 교차 적층하여 그 단면 두께 변화에 따른 압축정도를 조사하여 고압 믹싱헤드의 유용성을 제시하고자 한다.

    2.내부 이형제 모듈을 가진 직선형 고압 믹싱헤드 설계 및 제작

    Fig. 2는 기존의 L형 믹싱헤드와 새로이 제안한 직선형 믹싱헤드의 구조를 나타내고 있다. Fig. 2 (a)는 L형 믹싱헤드 구조로 혼합액의 On/Off 제 어를 위하여 혼합실 피스톤(Mixing chamber piston)과 클리링 피스톤(Cleaning piston)이 구성 된다. Fig. 2(b)는 직선형 믹싱헤드 구조이며 별도 의 믹싱 챔버 피스톤(Mixing chamber piston)부를 구성하지 않고 클리닝 피스톤만으로 혼합액의 On/Off 제어할 수 있는 구조를 나타내고 있다. 따 라서, 직선형은 L형보다 단순한 소형 구조로 설계 할 수 있는 이점을 가지고 있다. L형 구조는 혼합 실의 충돌 지점에서 흐름이 시작하여 아웃렛 파이 프로 굴절하여 직선형 보다 믹싱효율이 증대되지 만[15] 복합소재 고속생산을 위해서는 단순한 소형 구조를 위해 직선형 믹싱헤드를 설계하였다.

    Fig. 3은 본 연구에서 제안한 직선형 고압 믹싱 헤드의 기본 작동원리를 나타내고 있다. 믹싱헤드 하우징에 수지 및 경화제를 공급하기 위한 입력구 (In)와 순환하기 위한 출력구(Out)가 구성된다. 각 용액은 노즐(Nozzle)을 통하여 분사한다. Fig. 3(a) 에서 클리닝 피스톤이 전진하여 수지 및 경화제는 각 노즐에서 분사되지만 클리닝 피스톤에 가공된 홈을 통하여 다시 탱크로 순환되는 상태를 나타내 고 있다. Fig. 3(b)는 혼합 및 주입 상태로 클리닝 피스톤이 후진하여 수지 및 경화제가 노즐에서 분 사된다. 분사된 용액은 혼합실 내에서 충돌되고, 혼합되어 출구로 금형에 주입된다.

    또한, 내부 이형제(Internal release agent) 주입을 위해 수지 배관라인에 수지와 내부이형제의 혼합 을 위하여 Fig. 3(a)에 나타낸 것처럼 정적 믹서 (Static mixer) 및 내부 이형제 흐름을 제어하기 위 한 체크 밸브(Check valve)를 구성하였다. Fig. 4는 최종 설계 및 제작된 직선형 믹싱헤드를 보여준 다.

    3.실험 장치 및 방법

    3.1.직선형 고압 믹싱헤드의 성능 평가

    Fig. 5(a)는 고압 공급장치(High-pressure supply unit)이며, 수지 및 경화제의 각 탱크와 정량 펌프 (Metering pump, Pressure Range : ~ 25MPa) 및 모 터(Motor) 등으로 구성된다. 온풍장치(Heating air device)를 구성하여 수지 및 경화제 탱크의 온도를 70~80도로 유지한다. 유압공급장치(Hydraulic unit) 는 믹싱헤드의 클리닝 피스톤의 작동 유압을 공급 하도록 구성된다. 고압 믹싱헤드는 공급 장치에 연결되어 금형에 장착되고 수지와 경화제의 혼합 물을 주입한다.

    Fig. 5(b)와 같이 고압 공급장치에 구성된 미터 링 펌프를 구동하여 탱크의 용액을 믹싱헤드에 공 급된다. 믹싱헤드에 공급된 용액은 노즐에서 분사 되고 클리닝 피스톤이 후진하면 각 용액은 금형에 주입된다. 고압 공급장치와 믹싱헤드의 연결 배관 라인에 압력 게이지(SENSYS, SC–2100), 압력센서 (SENSYS, PTA, Range: 0~500MPa)를 설치하여 최 대 믹싱 압력(MPa)을 측정하였다. Fig. 5(c)와 같이 수지와 경화제를 압력의 반복성을 확인하기 위하 여 총 5회 최대 믹싱압력 실험을 진행하였다.

    믹싱비율 정밀도평가를 위하여 수지와 경화제의 토출된 유량(g/sec)은 각 용액을 10초간 분사하여 정밀 저울(CAS, XE-600)로 측정하였다. 믹싱비율 정밀도의 반복성을 확인하기 위하여 총 5회의 유 량 측정실험을 진행하였다. 측정된 수지와 경화제 의 유량으로 수지 대비 경화제의 믹싱비율을 계산 하여 믹싱비율 정밀도를 평가하였다.

    3.2.직선형 고압 믹싱헤드의 탄소 섬유강 화 복합소재 유용성 평가

    직선형 믹싱헤드의 유용성을 알아보기 위하여 탄소 섬유강화 복합소재에 프레스 성형 실험을 수 행하였다. Fig. 6(a)와 같이 200톤 성형 프레스 (Mold press, DUTKOREA, HP-RTMP200)에 상부금 형(Upper mold) 및 하부금형(Lower mold)을 장착 하였다. 상부금형에는 믹싱헤드를 장착하고, 믹싱 헤드는 고압 공급장치에 연결하였다. 하부 금형에 카본 시트를 배치하였다. 그리고 상하부 금형을 수지의 주입공간을 위해 상하부 금형을 2mm 간 격으로 유지하고, 고압 믹싱헤드를 통하여 에폭시 수지 및 경화제의 혼합물을 주입하였다. 주입이 완료된 후 금형을 완전히 닫고, 5분간 경화시킨 후 시편을 금형에서 탈형하였다.

    탄소 섬유강화 복합소재의 고압 믹싱헤드의 유용 성을 알아보기 위하여 Fig. 7(a)와 같이 하부 금형에 탄소 섬유시트를 적층하였다. 이때 사용된 탄소 섬 유시트는 Fig. 7(b)와 같이 SGL사의 HPT® 300 C45 (섬유방향: ±45°)와 HPT® 300 C090(섬유방향: 0° 90°)를 시편 금형에 맞게 재단 후 0°90°/ ±45°로 X,Y 양방향 강성을 위해 교차 적층하였다.

    Table 1은 고압 수지이송 성형공정에 적합한 고 속경화 수지인 에폭시 수지(KER -9610, Kumho petrochemical)와 경화제(KCA9610, Kumho petrochemical)이며, 성형 공정 실험에 사용하였다. 앞서 설명한 두 종류의 탄소 섬유시트를 금형 성 형 공간의 두께가 2.7~3.2mm이므로 6장 ~ 11장을 적층하여 그 단면 두께의 변화에 따른 압축정도를 확인하였다. 적층 단면사진은 고배율 현미경 (VHX500, Keyence Corp., Japan)을 이용하여 두께 방향(X-Z 평면)으로 50배 확대하여 측정하였다.

    4.실험 결과 및 고찰

    4.1.최대 믹싱 압력 및 믹싱비율 정밀도 평가

    2015년 Composite world 잡지에서 보고한 바에 의하면, 저압 성형공정은 1.0~2.0MPa에서 수지를 혼합하여 주입하고 표준 공정시간은 30~60분이다. 고압 수지이송 성형공정은 믹싱헤드에서 최대 15.0MPa 및 금형에서 3.0MPa에서 12.0MPa까지를 의미하며, 표준 공정시간은 10분 미만이라고 정의 하고 있다[16].

    Fig. 8은 최대 믹싱압력에 대한 총 5회 실험 결 과를 나타내고 있다. 수지(A)는 15.17~15.23 MPa의 값을 보였고, 그 값들의 평균은 15.20 MPa이다. 경 화제(B)는 15.17 ~ 15.32 MPa의 값을 보였고, 그 값 들의 평균은 15.25 MPa이다. 각 각의 측정값에 대한 분포를 알아보기 위하여 표준 편차를 구한 결 과 수지 0.024 MPa 및 경화제 0.062 MPa을 확인하 여 안정적인 15 MPa 이상 최대 믹싱압력의 크기가 거 의 균 일 한 값 을 가 짐 을 알 수 가 있 었 다 .

    또한 믹싱헤드에서 유체 믹싱 효율에 영향을 미 치는 인자는 유체의 온도, 점도, 레이놀즈 수, 노 즐 형상 및 압력 등 매우 다양하다[17-19]. 본 연구 의 관점에서는 최대 믹싱압력을 15MPa 이상을 확 보함으로써 탄소 섬유강화 복합소재 성형시에 수 지 및 경화의 믹싱 효율이 증대되어 품질 향상이 가능할 것이라 생각된다.

    Fig. 9(a)는 수지 및 경화제의 유량 측정 결과이 다. 수지 유량은 25.37 ~ 25.42 g/sec, 경화제 유량 은 20.05 ~ 20.07 g/sec로 측정되었다. 용액의 믹싱 비율은 측정된 유량으로 경화제(B)/수지(A)의 비율 을 계산하였다. Fig. 9(b)는 계산된 믹싱비율을 나 타내고 있으며 최대 79.38%, 최소 78.95%, 평균 79.07%이다. 믹싱 비율의 평균 대비 오차는 최대 0.31%, 최소 –0.16%, 절대 평균 0.12%를 가지며, 그리고 그 값들로부터 표준편차는 0.19%로 거의 균일한 값을 가짐을 알 수 있었다. 이러한 결과로 부터, 탄소 섬유강화 복합소재의 성형공정에 있어 서 매우 안정적인 최종 성형품질이 얻어질 것으로 충분히 예상할 수 있다.

    4.2.탄소 섬유강화 복합소재의 적층 성형 평가

    탄소 섬유시트 6~11장을 X,Y 양방향 강성을 위 해 교차 적층하였고, 개발된 직선형 고압 믹싱헤 드로 에폭시 수지(KER–9610)와 경화제(KCA-9610) 를 믹싱 주입하여 탄소 섬유강화 복합소재의 성형 가능성을 확인하였다. Fig. 10은 적층 수에 따른 섬유 강화 복합소재 성형 완성품과 단면 사진이 다. 단면 사진에서 6장 적층시 두께 2.70mm에서 11장 적층시 두께 3.10mm 로 증가하였다. Fig. 11은 Fig. 10에 측정된 각 적층수별 두께를 적층 수로 나누어 한 층의 평균두께(Average thickness of the one ply)를 조사하였다.

    적층수가 증가할 수록 한 층의 평균 두께가 감소 함으로 섬유시트 압축이 증가하는 것을 확인할 수 있으며 시편의 강도가 증가할 것으로 예상된다[20]. 강도시험 및 공정조건 관련내용은 향후 추가 연구 결과를 보고할 예정이다.

    5.결 론

    본 연구에서는 내부 이형제 모듈, 노즐, 혼합실, 클리닝 피스톤부로 구성된 직선형 고압 믹싱헤드 에 대한 성능 평가를 진행하여 다음과 같은 주요 결과를 얻었다.

    • 1. 탄소 섬유강화 복합소재의 고속 수지이송 성형 공정의 특성을 고려하여, 내부 이형제 모듈과 직선형 고압 믹싱헤드를 단순한 소형구조로 새 로이 설계 및 제작하였다.

    • 2. 최대 믹싱압력의 평균값은 수지가 15.20 MPa 그리고 경화제 15.25 MPa을 보였다. 표준 편차 는 수지 0.024 MPa 및 경화제 0.062 MPa로서, 안정적인 최대 믹싱압력 분포를 가짐을 알 수 가 있었다.

    • 3. 믹싱 비율은 각 용액의 유량을 측정하여 경화 제(B)/수지(A)의 비율을 계산한 결과로 최대 79.38%, 최소 78.95%, 평균 79.07%이다. 믹싱 비율 정밀도는 평균 0.12%를 가지며, 표준편차 는 0.19%로 거의 균일한 값을 가짐을 알 수 있 었다.

    • 4. 탄소섬유시트 6~11장을 적층한 결과, 적층두께 는 2.70 ~ 3.10mm로 적층수가 증가할수록 전 체 두께는 증가하고, 한 층의 평균 두께가 감 소함으로써 섬유시트의 압축이 증가하는 것을 알 수 있었고, 이는 인장강도 증가효과로 나타 날 것으로 예측할 수 있다.

    후 기

    이 연구는 산업통상자원부 지역특화(주력) 산업 육성사업의 지원을 받아 수행된 것이며, 지원에 대해 진심으로 감사드립니다. (R0005055)

    Figure

    KSMPE-16-157_F1.gif
    Schematic process drawings of high-pressure resin transfer molding method[14]
    KSMPE-16-157_F2.gif
    Structure comparison of L-type and straight mixing head
    KSMPE-16-157_F3.gif
    Concept design and operating principle of a high-pressure straight mixing head
    KSMPE-16-157_F4.gif
    Design drawing and finished product of mixing head
    KSMPE-16-157_F5.gif
    Experimental apparatus for maximum pressure and mixing ratio precision of mixing head
    KSMPE-16-157_F6.gif
    Experimental apparatus of high-pressure resin transfer molding process for manufacturing carbon fiber reinforced composite material
    KSMPE-16-157_F7.gif
    Carbon sheet with 6-ply cross-lamination C45 and C090 on lower mold
    KSMPE-16-157_F8.gif
    Measurement results of maximum mixing pressure for resin and hardener of mixing head using pressure sensor
    KSMPE-16-157_F9.gif
    Evaluation of mixing ratio precision for resin and hardener of mixing head by flow rate measurement
    KSMPE-16-157_F10.gif
    CFRP molded product and cross-section fabricated by laminated quantity
    KSMPE-16-157_F11.gif
    Average thickness of the one ply by laminated quantity

    Table

    Material property of epoxy resin and hardener

    Reference

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