Ref. Tseng H-C, Chang R-Y, Hsu C-H. Numerical predictions of fiber orientation and mechanical properties for injection-molded long-carbon-fiber thermoplastic composites. Polymer Composites 2017, First Published, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pc.24403/abstract                                                                         
                                                                                                                                                                                                     증환창 박사

장섬유 강화 열가소성 복합재료(LCFRT)는 제품 안전과 내용성에 대한 요구사항을 충족시키고, 탄소섬유의 기계적 특성도 천연섬유보다 강하기 때문에, 보통 경량화 자동차 재료로 사용된다. 실질적으로 사출 성형된 섬유 제품에서는 피층, 핵심층 등과 같은 전형적인 층상 구조를 볼 수 있다. 장섬유의 비 등방성 섬유 배향은 완제품의 기계적 성질에 영향을 주지만, 장섬유 및 섬유 농도가 높은 제품을 처리할 때 비 등방성 섬유 배향 예측 방법은 하나의 큰 도전이다. 지금까지 시뮬레이션 방식으로 다양한 섬유 복합재료의 섬유 배향 변화를 연구한 사례는 그리 많지 않다.

본 사례는 폴리 프로필렌(PP)과 폴리 아미드 6,6(PA66)의 고분자 폴리머에 대한 연구이며, 사용한 원료는 50wt% LCF/PP와 50% LCF/PA66을 포함한 장섬유 강화 열가소성 복합재료이다. 그림 1은 에지 게이트 몰드가 필링한 PNNL판상 제품이며, 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL)가 설계한 178mm x 178mm x 3.175mm 사이즈이다. 이전 방식과는 달리 플라스틱 사출 CAE소프트웨어 Moldex 3D를 통한 혁신적 섬유 배향 이론 모델 iARD-RPR 모형은 단지 3개 파라미터만 있으면 사출 성형 프로세스 중의 섬유 배향을 정확하게 예측할 수 있다. 그림 2는 해당 제품 중간 구역(B구역, 평판의 중간) 두께 방향의 섬유 배향 분포로서, 시뮬레이션 예측과 실험 결과에 나타난 데이터가 상당히 일치한다는 것을 알 수 있다.

그림 1. 본 사례의 PNNL판 기하학, 및 3개 측정 구역

그림 2. 동일한 탄소섬유 농도 50wt%를 갖는 서로 다른 기초 플라스틱 PA66과 PP의 비교에서 섬유 배향 분포의 차이. 점은 실험 데이터이고, 선은 예측값이다.

복합재료의 성질 분석 시뮬레이션 소프트웨어 Digimat-MF(MSC Software와 e-Xstream engineering)는 마이크로역학 모델 Mori-Tanaka모델을 통해 섬유 강화 열가소성 복합재료의 기계적 성질을 계산하고, 우리는 예측한 섬유 배향 정보에 근거하여 Digimat-MF를 활용해 유동 방향의 영의 계수 E₁을 얻는다. 그림 3은 표준화 제품 두께의 영의 계수 분배이며, 비교를 통해 50wt% LCF/PA66 > 50wt% LCF/PP임을 알 수 있다. 평균 두께 계수 E₁값과 실험 결과는 표 1과 같다. 전반적으로, 예측한 E₁결과의 정확도는 여전히 우수하다. 그러나 마찬가지로 섬유 농도 50wt% LCFs를 첨가하면, PA66의 강화 효과가 PP보다 더 좋다는 것을 알 수 있다(그림 4).

그림 3. 동일한 탄소섬유 농도 50wt%를 갖는 서로 다른 기초 플라스틱 PA66과 PP의 비교에서 유동 방향의 영의 계수 분포의 차이.

^aTaken from Web Page of PlastiComp Technical Data Sheet.

표 1. 평균 배향과 평균 계수의 예측과 실험 데이터 비교

그림 4. 서로 다른 섬유 복합재료의 계수 예측 및 순수 PP, 순수 PA66의 실험 데이터 비교 바 차트

전체적으로 현재 자동차용의 장섬유 강화 열가소성 복합재료 섬유 배향은 이미 Moldex3D섬유 배향 예측 결과와 Digimat-MF를 통합함으로써 정확한 예측을 얻을 수 있고, 그 구조의 강도를 확보할 수 있게 되었다. 고품질의 기하학적 복잡한 플라스틱 제품을 설계하려면, 유동 방향의 변화, 리브 설계의 유무, 및 두께와 구멍의 변화 등이 관련되기 때문에, 가장 적합한 파라미터 조합을 어떻게 결정해서 최상의 섬유 배향을 얻을지가 앞으로의 연구에서 큰 관건이다.

증환창 박사 연구개발부, 프로크램 매니저 코어텍 시스템(Moldex3D) 대만 교통대학교 응용화학  박사. 폴리머 유동학, 고분자 복합재료 가공 및 분자 시뮬레이션을 전공하였다. 새로운 이론적 모델 “Method and Computer Readable Media for Determining Orientation of Fibers in a Fluid”는 미국에서 특허를 받았으며 선도적인 고분자 유변학 저널인 Journal of Rheology® 2016 에 기재되었다.  (논문: An Objective Tensor to Predict Anisotropic Fiber Orientation in Concentrated Suspensions)