편집 : 코어테크 기술지원부 엔지니어　왕즈양(王志揚)

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 방법을개발하였다. 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.