미국 에너지부는 최근 연구를 통해, 복잡한 복합소재의 기하학적 미세구조는 실험방식을 통해 관찰하기가 어렵기 때문에 자동차 산업의 경량화 원료인 열가소성 탄소섬유 복합소재의 성형과정을 예측하기 위해서 시뮬레이션 툴을 이용하는 것이 매우 중요한 부분이 되었다고 밝혔다. 현재 섬유 강화 플라스틱(FRP)은 안전 및 내구성 충족을 만족시키거나 제품의 기계적, 구조적 성능을 개선하기 위하여 광범위하게 사용되고 있다.

FRP제품의 이방성 섬유배향이 제품의 기계성질에 미치는 영향은 복합소재 연구분야에서 줄곧 중요한 이슈가 되어왔다. 사출 제품의 이방성 섬유배향을 관찰한 결과에서 대부분의 경우 전형적인 층상구조는 피층, 셸 구역, 중심 구역으로 나타난다. 장섬유의 이방성 섬유배향을 정확히 예측하는 것도 큰 도전 과제로 꼽힌다.

Moldex3D의 R&D 프로젝트 매니저인 증환창(曾煥錩) 박사는 <객관적 텐서를 통한 현탁액 농축 중 이방성 섬유배향 예측>이라는 논문에서, 섬유배향 이론 모델(iARD-RPR)의 객관성 문제를 심도있게 연구하여 새 객관적 iARD 텐서를 제시함으로써 재질-프레임-무관성 즉 유클리드 객관성의 유변학 법칙에 부합하며 재료의 본질은 좌표와 무관하다는 것을 증명했다. 비객관적 텐서로 논술 시 이방성 섬유배향 거동은 좌표에 따라 달라지기 때문에 객관적 문제를 초래할 수 있다. 더욱 주목할 점은 iARD-RPR 모델은 3개의 파라미터만 필요하다는 것이다. 본 이론 모델은 비교적 적은 파라미터로 높은 정확도를 유지하면서 실제와 잘 부합하므로 실용성을 배가 시킬 수 있다.

앞선 Moldex3D R13 버전에서 이미 섬유배향에 대한 탁월한 예측기능을 제공하여 사용자는 피층과 셸층에서 정확한 섬유배향 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 한가지 아쉬웠던 부분은 핵심 구역의 예측값에 여전히 오차가 있다는 것이었다(그림1). 최신 버전 Moldex3D R14는 iARD-RPR 과학 모델 도입 후 섬유배향 예측 정확도를 현저히 높여, 피층, 셸층에서 핵심 부분까지의 특성패턴을 충실하게 보여 주게 되었다(그림2).

그림1. Moldex3D R13의 섬유배향 분포 예측

그림2. Moldex3D R14의 섬유배향 분포 예측

Moldex3D R14 Advanced 3D 사출금형 해석 소프트웨어는 최첨단 iARD-RPR 과학 이론 모델을 접목시켜 복잡한 3D 기하학적 모형 중 섬유배향 특성을 명확하게 분석하여 정확한 예측 결과를 제공한다. iARD-RPR 섬유배향 모형으로 각 공정 파라미터의 최적화를 이룰 수 있으며, 나아가 보다 복잡한 형상을 갖는 섬유강화 플라스틱 제품의 제조에도 실제 적용될 수 있다. 또한 3D 섬유배향을 통한 정확한 예측 결과로 제품의 변형(휨) 및 구조 분석에도 진일보할 수 있게 되었다.