근래 들어 long fiber가 자동차, 소비재 및 산업제 제품에 다양하게 사용되고 있다. 유리나 탄소 섬유를 플라스틱에 첨가하여 사용함으로써 큰 무게 증가 없이 열적, 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱에서 섬유의 길이와 기계적 특성에 대한 양적인 관계가 그림 1에 나타나 있다. 섬유의 길이가 늘어나게 되면 강도와 충격 특성들이 급격히 증가하게 된다.
하지만, 섬유에 관련된 물성 증진은 섬유 배향에 더 크게 좌우된다. 예를 들어 충진 중 수지 흐름에 의해 우선적으로 배향된 섬유 때문에 전단 흐름은 비등방성 특징을 갖게 된다. 이상적으로는 섬유의 배향자체가 흐름의 수직 방향보다는 흐름 방향으로 배향될 때 더 강하고 견고한 특성을 갖게 된다. 반면 어떤 경우에서는 임의의 섬유 배향이 불균일한 변형과 수축을 방지하는데 효과적이기도 하다. 사출품의 정확한 성능, 금형 및 부품 설계 공정 조건의 선택 등을 결정하기 위해 섬유 배향이 정확하게 예측되어야 한다. 이 문제에 대한 Conference Paper 에 소개된 기술 논문에 상세한 섬유 배향 시뮬레이션에 대한 검증을 확인할 수 있다.
그림 1. 섬유 길이 증가에 따른 복합 재료 물성 증가
Source: Plasticomp
Moldex3D의 새로운 버전인 R11에서는 열가소성 복합 수지의 short fiber 및 long fiber의 배향을 예측하는 새로운 솔루션을 제공한다. Folgar-Tucker 모델을 기초로 하는 이방성 회전 확산(ARD : anisotropy rotary diffusion) 기법을 사용하는 전통적인 섬유 배향 모델을 통해 섬유 배향을 비교적 정확하게 예측할 수 있었다. 그러지만 이 ARD 기법은 5개의 매개변수나 필요로 하고 계산 방법도 효율적이지 않다. Moldex3D의 R11에서는 한층 개선된 이방성 회전 확산(iARD: Improved Anisotropic Rotary Diffusion) 기법을 개발했다.(미국 특허 출원) Retarding Principal Rate(RPR) 모델을 개선한 iADR 모델은 다음과 같은 장점을 통해 더 정확하고 빠른 섬유 배향을 예측, 계산한다.
- 적은 변수, 사용자는 단지 3개의 iARD-RPR 모델 변수만을 입력한다.
- 계산 속도가 향상되어 4차 배향 tensor에 대해 속도가 50% 이상 빨라졌다.
- 실험을 통한 입력 조건이 불필요하고, 단지 등방적인 분포만으로도 훌륭한 예측 결과를 얻을 수 있다.
- 매트릭스 구조, 섬유 유연성, 그리고 흐름을 고려한 long fiber 배향의 중요한 특성을 예측한다.
- 제품 두께에 따른 long fiber 분포와 탄성계수 분포를 더 정확하게 계산한다.
Moldex3D의 정확도는 그림 2에 표시된 것과 같이 중앙부위에 위치한 디스크형 게이트 모델을 통해 쉽게 확인할 수 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 중앙부에서의 불규칙한 배향에 비해 벽 부근에서는 높은 배향성을 나타나고 있으며 이는 A11값이 큰 것으로 표시되고 있다.
기존의 모델에서는 이런 중요한 패턴을 예측하기에는 부족한 면이 있었다.
기존의 ARD 모델(점선)과 비교해 실제 실험치에 근접한 결과를 보여주고 있다.
Moldex3D의 최근 기술인 short/long fiber 배향 예측 모듈을 통해 설계자나 제조자 모두 더 안정된 제품 관리가 가능해질 것이다. 더 많은 정보와 예제는 웹사이트 www.moldex3d.com 에서 확인할 수 있다.