3D 프린팅된 CFRP 시편의 섬유 방향에 따른 기계적 특성의 예측 및 측정

Abstract

3D 프린팅 공정은 전통적인 절삭에 의한 기계가공 방식과 다른 형태로 적층제조로 불리며 많은 관심과 연구가 진행되고 있다. 3D 프린팅 공정은 3차원의 CAD 모델을 2차원 층으로 분절화하고 Layer by Layer의 적층 방법으로 가공하는 방법이다. 그중 대표적인 3D 프린팅 기술인 Fused deposition modeling (FDM)은 폴리머 필라멘트를 압출, 압착하여 일정한 두께 단위로 높은 정확도로 부품을 적층할 수 있다. 이는 자유로운 디자인, 소비자 맞춤 생산을 가능하게 하는 장점으로 다양한 분야에 적용되고 있다. 주로 PLA, ABS 소재를 사용하며 사용재료의 강성한계와 내부 결함으로 인하여 높은 하중을 견디는 부품의 제조에는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 Carbon, Glass, Kevlar fiber를 사용하는 복합재료 연구가 진행되고 있다. 대표적인 복합재인 Carbon fiber reinforced plastic (CFRP)는 높은 비강성과 비강도의 장점으로 경량구조재로 주목받고 있다. 하지만 3D 프린팅을 이용한 CFRP 제조는 내부의 공극 문제와 섬유 방향에 따른 강도, 강성 및 피로 수명에 대한 정확한 평가가 부족하여 광범위한 산업적 적용이 제한된다. 본 논문에서는 섬유 방향에 따른 기계적 특성을 예측하기 위해 Tan-Cheng 파괴 이론을 사용하였으며 피로 수명을 측정하기 위해 초음파 피로시험을 진행하였다. 이방성 재료의 성능 측정 시 섬유 방향, 부피 분율 등 공정조건 변화에 따라서 시험 규격에 맞는 시편을 제작해야 하며 이는 시간과 비용이 크게 필요하다. Tan-Cheng 파괴 이론은 다른 인장 강도 예측이론들과 달리 전단 강도에 대한 측정 없이 인장 강도만으로 높은 정확도의 예측이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 Tan-Cheng 파괴 이론을 사용하여 강도 함수를 계산하였으며. 섬유 방향에 따른 인장시험 결과와 비교하여 검증하였다. 피로 수명 측정 시 기존의 피로 시험기로 측정할 경우 오랜 기간의 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 시편을 20 kHz로 공진시켜서 단시간에 수명을 평가하는 초음파 피로시험으로 CFRP 시편의 피로 특성을 분석하였으며. Claude Bathias와 Paul C. Paris가 제안한 최대 응력 진폭식을 기반으로 초음파 피로시험 시편을 정밀 설계하였다. 초음파 피로시험 이전에 시편 설계를 검증하기 위하여 FEM 해석을 진행하였으며 ANSYS composite preppost (ACP)로 CFRP 시편을 Carbon fiber의 방향에 따라서 모델링하고, Modal 및 Harmonic response 해석을 통하여 20 kHz에서 시편의 길이 방향 인장 압축 Mode로 진동하는지를 검증하였다. 이후 검증된 시편을 3D 프린팅으로 제작하여 ~ 영역까지 피로 수명을 측정하였다. 마지막으로 각 피로 하중과 수명에 따른 파단의 양상을 분석하고, 파단면의 특징을 현미경으로 관찰하여 수명연계 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 Tan-Cheng 파괴 이론과 초음파 피로시험을 통해 3D 프린팅으로 제작된 CFRP의 섬유 방향에 따른 기계적 특성에 대해 예측과 측정을 진행하였다. 이러한 연구 내용을 바탕으로 산업 분야에 확대 적용이 될 것으로 보이며, Carbon fiber뿐만 아닌 Glass, Kevlar fiber를 사용하는 섬유 강화 복합재료에도 확대 적용이 가능할 것으로 기대된다.