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[기술특집]열가소성 불연속 CFRP를 이용한 프레스 성형

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[첨단 헬로티]


타니구치 코우키 (谷口 洸紀)   金澤대학 대학원
요네야마 타케시 (米山 猛), 타츠노 다이치 (立野 大地)   金澤대학
마루모 코지 (丸茂 康二)   群馬정공(주)


1. 서론


CFRP는 항공기나 풍력발전 블레이드 등에 사용되고 있는데, 자동차 등의 운송기기 경량화에 의한 에너지 절감, 환경 부하 저감을 위해 CFRP의 양산 성형이 요구되고 있다. 열가소성 수지를 모재로 한 열가소성 CFRP는 가열에 의해 변형이 생기므로 양산 성형용 재료로서 기대되고 있다.


탄소섬유는 연속 섬유 그대로 사용하는 것이 가장 강도가 높은데, 연속 섬유 그대로는 복잡한 형상에 대한 성형이 곤란하기 때문에 일정한 정도의 길이로 자른 불연속 섬유를 이용한 CFRP가 여러 가지 형상으로 성형할 수 있는 양산 성형재로서 주목받고 있다. 이 글에서는 불연속 섬유 CFRP를 이용한 프레스 성형의 방법을 개발했으므로 소개한다.

 


2. 성형 재료와 성형 금형


열가소성 수지 나일론6(PA6)을 함침시킨 한 방향 탄소섬유 시트(UD 시트)에서 그림 1과 같이 섬유 길이가 30mm가 되도록 컷을 넣고 섬유 방향을 45°씩 변경해 적층 압착한 플레이트를 성형에 사용하는 재료로 했다. 이 재료를 UD 컷 의사 등방적층 플레이트라고 부른다. 이 플레이트에서 성형에 필요한 체적에 맞춘 재료를 잘라냈다.


성형품은 그림 2에 나타낸 직경 63mm, 높이 58mm의 컵 형상으로 했다. 성형 방법을 그림 3에 나타냈다. 성형 재료를 280℃로 가열한 후, 금형 내에 삽입해 펀치를 내리고 컵 형상으로 성형한다. 컵 형상 성형에 사출성형이 아니라, 프레스 성형을 이용하는 것은 성형 시에 탄소섬유를 가급적 파단시키지 않기 위해서이다.

 

 
사출성형에서는 스크류로 수지를 공급할 때에 섬유가 파단되어 짧아져 버린다. 이 금형과 같은 성형법이라면 탄소섬유를 파단하지 않고 성형할 수 있으므로 성형 중의 섬유 파단에 의한 강도 저하를 방지하는 것을 기대할 수 있다.

 


금형에는 히터가 내장되어 있으며, 160℃ 혹은 180℃로 가열한 후 성형하고 펀치 하사점에 도달한 직후에 히터의 전원을 꺼서 냉각이 이루어지게 했다.


금형의 바닥부에는 이젝터핀이 다이쿠션에 지지되고 있는데, 이것은 성형품 취출 기능뿐만 아니라 성형 후의 재료가 열수축하는 것에 맞춰 재료에 가압을 계속하는 역할을 하고 있다. PA6의 경우 고화하는 온도는 약 190℃으로, 고화 시에 체적 수축이 일어난다.


펀치를 정지한 채로는 재료가 수축해 성형품의 형상 정도가 떨어질 우려가 있다. 그래서 다이쿠션에 의한 가압이나 펀치 측의 가압을 유지함으로써 성형 수축을 보상하면서 냉각․고화를 하게 할 수 있다.


3. 성형품과 성형 후의 조직

 


성형품의 예를 그림 4에 나타냈다. 직물 연속 섬유나 UD 칩재를 성형한 표면과는 다른 표면으로 되어 있다. 컵의 바닥면에서 측면에 걸친 성형품의 단면 조직을 그림 5에 나타냈다.

 


단면을 컷하고, 연마해 관찰한 것이다. 하얗게 보이는 것이 탄소섬유이고, 검게 보이는 것이 수지이다. 하얀 부분이 타원형으로 보이는 곳은 주로 섬유 다발의 가로 단면이 보이고 있는 곳이고, 줄기가 보이는 곳은 탄소섬유의 섬유 방향이 보이고 있는 곳이다. 성형품의 표면을 따라 섬유가 배향하고 있는 것처럼 판단된다. 한편 내부에서는 섬유의 기복이 관찰된다.


4. 맺음말


UD 시트에서 섬유 길이를 30mm로 컷해 의사 등방으로 섬유 방향을 배치한 소재를 제작, 이 소재를 가열해 단조 방식으로 프레스 성형해 컵 형상의 성형품을 제작했다. 이 방법에 의해 복잡한 형상의 부품을 섬유 길이를 짧게 자르지 않는 불연속 탄소섬유로 성형할 수 있다.


소재의 단계에서 섬유가 등방적으로 치밀하게 배향되어 있으므로 성형 시에 섬유가 들어가거나 하는 일이 없도록 성형 방법을 고안하면, 성형 후에도 치밀하게 섬유가 배향된 경량이며 강도가 높은 부재의 제작이 가능하다고 생각한다.



















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