3D-Printing CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) 시편에 대한 초음파 피로시험

Abstract

국 문 요 약

1983년에 처음 개발된 3D Printing 기술은 다양한 인쇄기술이 존재하지만, 현재 가장 대중적인 3D Printing 기술은 FDM(Fused Deposition Modeling)방식이다. 이러한 3D Printing은 시간과 비용절감 등의 이점으로 다양한 산업분야에 진출하게 되었고, Printing 기술의 발전으로 높은 기계적 특성을 요구하는 산업현장에 필요한 복합재료의 출력이 가능하게 되었다. 복합재료는 광범위한 분야에 쓰이는 반면, 특성을 얻기 위한 높은 수준의 압력과 계면결합 등의 특수한 조건이 요구되어 제작이 쉽지 않다. 이 중 ‘CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)’는 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성을 갖고 있는데, 이러한 CFRP 복합재료도 3D Printing 기술의 발달로 제작이 용이하게 되었다. CFRP 복합재료를 3D Printing으로 제작이 가능해지면서 2D/3D 설계, 적층, 가열, 경화, 탈형, 조립 등 매우 복잡하고 긴 과정을 거치지 않고 산업현장에서 CFRP 복합재료를 사용할 수 있는 발판을 마련하였다. 하지만, 산업현장에서 종래의 기계재료들을 대체하여 3D Printing CFRP 복합재료를 바로 적용할만한 기계적 특성에 대한 연구가 현저히 부족하기 때문에 지속적인 추가연구가 필요하다. 특히, 피로수명의 경우 사용자의 안전과 밀접하게 연관되어 있기 때문에 매우 중요한 부분으로 여겨진다. 이러한 피로수명의 평가에는 인장압축식, 회전 굽힘식 등 여러 가지 피로시험법이 존재하는데, 타 시험법 대비 단 시간에 고 주기의 피로시험이 가능한 초음파 피로시험법도 존재한다. 이에 본 연구에서는 3D Printing을 이용하여 제작한 CFRP 복합재료의 고주기 피로수명을 평가하기 위해 초음파 피로시험법을 이용하였다. 초음파 피로시험법은 20 kHz의 초음파 공진을 이용하기 때문에 시험을 위해서 재료의 공진주파수를 측정하고 동탄성계수를 도출하여 특정한 시편을 설계하였다. 3D Printing CFRP 시편은 Markforged社에서 제작한 X7 장비를 이용하였다. 공진주파수는 LDV(Laser Doppler Vibrometer), PZT, DSA(Dynamic Signal Analyzer) 등을 이용한 시스템을 통해 공진주파수를 측정하였다. 초음파 피로시험을 위한 시편의 설계변수를 설정하고 수식을 이용해 값을 선정하여 설계된 시편을 출력하였다. 3D Printing으로 제작한 CFRP를 초음파 피로시험한 선행연구가 없어 발생할 수 있는 여러 변수들을 고려해야했다. 또한, 초음파 피로시험은 20 kHz의 고 주파수 진동을 이용하기 때문에 시험 시 열이 발생하는데, 기지재(Matrix phase)가 열에 취약하여 낮은 출력부터 서서히 진행하였다. 초음파 피로시험을 통해 3D-Printing CFRP의 피로수명에 대한 결과를 제시하고 시편의 피로 파괴된 파단면을 SEM을 통해 분석하였다. 본 연구는 초음파 피로시험을 이용하여 3D-Printing CFRP 피로수명에 대한 결과를 제시함으로써 3D–Printing CFRP 복합재료가 기존 재료의 대체재로서의 역할을 할 수 있는지에 대한 초기연구가 될 수 있을 것이다.