사출/압축 공정을 이용한 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱(CFRTP) 성형품 제작에 관한 연구 :A study on the fabrication of injection/compression molded carbon fiber reinforced thermoplastic(CFRTP) products

정의철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정의철 (단국대학교, 단국대학교 일반대학원)

지도교수: 윤경환, 이성희

발행연도: 2016

저작권: 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

사출성형용 열가소성 펠렛을 이용한 탄소섬유 복합소재 제작에 관한 연구

정의철 , 윤경환 , 김종선 외 1명 소성·가공 2016.12 학술저널

사출/압축 공정을 이용한 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱(CFRTP) 성형품 제작에 관한 연구

정의철 기계공학과 2016.01 학위논문

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최근 에너지고갈과 환경문제가 대두됨에 따른 연비 및 이산화탄소 규제 강화로 인하여 경량화, 친환경 소재에 대한 소재 개발이 필요해졌다. 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)은 탄소섬유와 플라스틱이 서로 결합된 경량화 복합소재중 하나로써 모재(matrix)의 종류에 따라 열경화성 탄소섬유강화 플라스틱(CFRSP)과 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱(CFRTP)으로 구분할 수 있는데, 비강도와 비강성이 우수하여 금속대체 경량화 소재로 각광받고 있으며 제조방법과 강도 평가에 대한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱의 경우 경화시간이 필요하지 않아 열경화성 탄소섬유강화 플라스틱 보다 높은 생산성을 지닐 수 있으나, 모재의 높은 용융온도와 점도로 인하여 탄소섬유에 모재를 함침시키기 어렵다는 단접을 지니고 있어 이를 극복하기 위한 방식에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
본 논문에서는 기존의 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱의 제조방법과는 다르게
사출/압축 공정을 이용하여 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱을 제작하는 과정에 대한 연구를 진행하였으며, 사출/압축 공정에 복합재료 성형을 적용시키기 이전에 모재의 함침 여부의 판단과 열가소성 탄소섬유강화 플라스틱의 기본 물성 데이터를 얻기 위하여 유압프레스를 이용하여 압축 성형실험 테스트를 진행하였다.
유압프레스 성형실험 결과를 토대로 사출/압축용 금형을 설계하고 성형품을 제작하였으며, 성형품의 표면과 단면에 대한 SEM 측정과 인장시험을 통하여 복합소재 내부의 모재의 함침률을 파악하였다. 사출/압축 성형실험 결과, 높은 금형온도에서 성형된 유압프레스 성형품과는 다르게 사출/압축 공정을 이용하여 제작한 성형품은 금형 벽면에서 생기는 수지의 고화층(frozen layer)에 의하여 함침률이 충분하지 못하였으며, 이를 개선하기 위하여 insert, over molding 공정을 추가 적용하였다. 사출/압축 공정을 이용하여 탄소섬유강화 플라스틱 성형품을 제작할 경우 유압프레스 성형품과 비슷한 수준의 인장강도를 갖는 성형품을 더 빠른 공정으로 제작할 수 있다는 가능성을 확인하였으나, insert, over molding 공정이 가지는 한계를 개선하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

Recently, as the issues on energy consumption and environment become important, development of lightweight and eco-friendly materials is required because of the regulations of fuel efficiency and carbon dioxide emissions.
CFRP(carbon fiber reinforced plastic) is a combined material of carbon fiber and plastic and classified with CFRSP(carbon fiber reinforced thermosetting plastic) and CFRTP(carbon fiber reinforced thermoplastic) according to the matrix resin. CFRP is getting highlighted as an alternative materials for metal due to its high specific strength and stiffness. Especially, CFRTP has higher productivity than CFRSP because it does not require extra curing time, but it is difficult to impregnate reinforcement with thermoplastic matrix because of high melting temperature and viscosity. So, there have been many researches to find solutions of these problems.
In the present paper, CFRTP products were fabricated by injection/compression molding process which is different from conventional methods. As a pretest, CFRTP products were fabricated by hydraulic press forming process to understand the behavior of impregnation and to obtain basic mechanical properties.
On the basis of the results of hydraulic press forming process, the injection/ compression mold was designed and CFRTP products were fabricated by injection/compression molding process. The impregnation rate of CFRTP product was estimated with SEM measurement of the surface and cross section and tensile strength test. In the injection/compression molding test, the impregnation was insufficient near the surface of mold wall because of the generation of frozen layer. Insert/over molding was conducted sequentially to increase the impregnation of matrix. As a result of insert/over molding, the tensile strength of final was almost similar to the specimen of hydraulic press test.
Finally, injection/compression molding was found to be the useful process for manufacturing of CFRTP faster than conventional methods. However, insert/over molding process had a limitation, additional studies are needed to overcome this problems.

1. 서 론 1
2. 이론적 배경 3
2.1 복합소재 3
2.2 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic : CFRP) 3
2.2.1 탄소섬유(Carbon Fiber) 4
2.2.2 CFRP의 종류 10
2.2.3 CFRP의 개발동향 12
2.2.3 CFRP의 가공방법 15
2.3 사출 성형(Conventional Injection Molding : CIM) 20
2.3.1 사출성형기의 구조 21
2.3.2 사출성형공정 22
2.4 사출/압축 성형(Injection/Compression Molding : ICM) 24
3. 유압프레스를 이용한 선행실험 26
3.1 실험목적 26
3.2 실험장치 26
3.2.1 유압프레스 장비 26
3.2.2 프레스 금형구조 28
3.2.3 사용재료 28
3.3 성형실험 및 실험결과 31
3.3.1 모재의 종류에 따른 성형 및 인장강도 측정결과 31
3.3.2 삽입된 패브릭 시트 수에 따른 성형품의 인장강도 측정 36
4. 사출성형을 이용한 성형실험 39
4.1 실험목적 39
4.2 실험장치 40
4.2.1 사출/압축 성형기 40
4.2.2 사출/압축 금형구조 41
4.2.3 사용재료 42
4.3 성형실험 및 실험결과 42
4.3.1 패브릭 시트 2장을 삽입한 사출/압축 복합재료 성형실험 42
4.3.2 사출/압축 공정 성형품의 인장강도 측정 46
4.3.3 사출/압축 공정 성형품의 강도개선 49
5. 결 론 55
References 55
Abstract 60

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