인발성형은 일정하고 단순한 단면 형상의 CFRP (Carbon Fiber Reinfor ced plastic)을 연속적으로 생산할 수 있는 최적의 공정기술로 다른 복합 재료 생산 및 가공법에 비해 적은 투자비용으로 비교적 높은 자동화율을 갖는다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 탄소섬유에 레진과 경화제를 혼합 후 탄소섬유에 함침 시켜 상온 및 고온 경화시켜 제품을 생산시킨 다. 탄소섬유(carbon fiber)는 철보다 약 70% 가벼우나 10배의 강도, 3배의 탄성률, 내구성·내충격성·내열성·내마모성 등이 우수하다. 또한 경량화이슈에 따라 수요가 증가하고 있고, 스포츠레저 분야에 적용 확대되고 있다[4],[5]. 표준 인발성형 공정은 혼합된 액상 수지를 개방형 함침장치(ope n bath)에 충분히 넣어 놓은 후 섬유를 통과시켜 수지를 함침 시킨다. 이방식은 혼합액 관리의 용이성, 생산 현장 규제의 강화에 따른 환경문제및 수지의 독성으로 인한 안전사고 위험에 노출되어 있어 경화 직전에 레진과 경화제가 투입 후 탄소섬유에 분사하여 함침 시키는 밀폐형 함침장 치로 대체할 수 있을 것으로 보인다.
본 논문에서는 국내 기술로 제작한 밀폐형 함침장치를 이용한 CFRP b ar 인발성형 시스템을 최적화하기 위하여 수지의 점도시험, DSC수지 특성시험, 인발시스템 및 섬유투입 시스템을 개선하여 디스플레이 이송카세트 내부 원장을 받쳐주는데 사용되는 bar용 복합소재를 생산 하는데 최적의 물성을 갖는 제품을 생산할 수 있도록 섬유투입 및 인발공정을 최적화하였다. 수지의 점도는 섬유사이로 함침 될 때 중요한 물성으로 CFRP bar양산화 기준 속도인 600mm/min으로 인발 시 최저 함침점도는 368mPa.s 가 필요하였고, 수지온도 40℃로 투입 시 점도는 220.4mPa.s로 최저 함침점도보다 낮은 점도를 갖는 수지가 투입되어 함침율을 높일 수 있었다.
DSC를 활용하여 수지의 결정화 시작온도 69.5℃, 결정화 온도 109.0℃, 및 결정화를 위한 투입 열량 352.0 J/g로 매트릭스 수지의 특성을 분석하였다.유압실린더로 인발시스템을 개선하여 양산화 기준속도 CFRP bar를 안정적으로 인발가능 하도록 시스템을 구축하였으며, 인발 시 불량 문제점으로 나타날 수 있는 슬립, 클램프로 인한 찍힘, 스크래치 등에 대해 개
선하였다. 로빙섬유를 크릴(creel)에 장착한 후 섬유인발 시 일정한 장력을 유지하며 제품의 기본형상을 잡아주는 섬유 가이드로 투입되는데, 섬유 가이드를 홀 타공판에서 롤러가이드로 변경하여 섬유를 개섬(spreadin g)시켰다. 24k tow는 7mm의 폭을 갖으나 이론적으로 34.7mm까지 개섬된 섬유를 투입시킬 수 있었으며, 투입 폭을 넓힘으로 인하여 투입두께를 줄일 수 있어 함침 율을 높일 수 있었다.
탄소섬유 매트릭스 에폭시 수지의 점도 분석을 진행하여 수지 투입온도에 대하여 연구하였으며, DSC분석을 통하여 사용되는 수지의 특성을 확인하여 섬유 투입공정 및 인발 시스템을 개선할 수 있었다. 연구된 결과와 시스템의 성능 개선을 통해 밀폐형 함침장치를 활용한 CFRP bar 인발 생산시스템을 최적화하였다. 최적화시킨 밀폐형 함침장치를 이용한 인발성형 시스템에서 생산된 CFRP bar를 이용하여 성능에 대한 시험을 진행한 결과 기존공정(공정#1)에서 생산된 CFRP bar보다 최적화 공정(공정 #3)에서생산 된 CFRP bar는 단면 void 98.7%, 표면 조도 75.5%, 처짐 34.9% 및 굽힘 강도 70%가 개선된 CFRP bar를 생산할 수 있었다.

Pultrusion is an optimal process technology that can continuously pro duce CFRP (Carbon Fiber Reinforced plastic) with a constant and simp le cross-sectional shape, and it is relatively highly automated with low investment cost compared to other composite material production and p rocessing methods. In carbon fiber reinforced plastic (CFRP), a resin a nd a curing agent are mixed with carbon fiber, and then the carbon fi ber is impregnated and cured at room temperature and high temperatur e to produce a product.
Carbon fiber is about 70% lighter than iron, but has 10 times the str ength, 3 times the elastic modulus, and excellent durability, impact resi stance, heat resistance, and abrasion resistance. In addition, the deman d is increasing due to the issue of weight reduction, and the application is expanding to the sports and leisure field.
In a standard pultrusion step, the mixed liquid resin is sufficiently pl aced in an open impregnation device and then passed through fibers to impregnate the resin. This method is exposed to the risk of safety acc idents due to the ease of mixed liquid management, environmental pro blems due to the tightening of production site regulations, and the toxi city of resin. It seems that it can be replaced with a closed impregnati on device that injects and impregnates carbon fiber.
In this paper, in order to optimize the CFRP bar pultrusion molding system using the sealed impregnation device manufactured by domestic technology, the resin viscosity test, DSC resin property test, pultrusion system and fiber input system have been improved. The carbon fiber i nput and pultrusion processes have been optimized so that products wi th the optimum physical characteristics for producing composite materi als for bars can be produced.
The viscosity of the resin is an important physical property during fi ber impregnation, and the minimum impregnation viscosity at the time of pultrusion is 368 mPa.s At 600 mm/min, which is the CFRP bar m ass production standard rate. the viscosity at the time of impregnation at a resin temperature of 40 °C. is 220.4 mPa.s It was possible to incr ease the impregnation rate by input a resin having a viscosity lower t han the minimum impregnation viscosity.
Using DSC, the characteristics of the matrix resin were analyzed at a crystallization start temperature of 69.5 °C., a crystallization temperat ure of 109.0 °C., and a properties of the matrix resin were analyzed wi th an input heat amount of 352.0 J/g.
The pultrusion system has been improved with a hydraulic cylinder,and the system has been constructed so that the CFRP bar with a ref erence speed of mass production can be pulled out stably. Improvemen ts have been made in terms of slip, dents, and scratches caused by cl amps, which may appear as defects during pultrusion.
After the roving fiber is installed on the creel, it is fed as a fiber g uide that maintains a certain tension and holds the basic shape of the product when pultrusion the fiber.
The fiber guide was changed from a hole plate to a roller guide to s preading the fiber.
Although 24k tow has a width of 7mm, it was possible to theoretical ly feed opened fibers up to 34.7mm through fiber opening.
The viscosity of the carbon fiber matrix epoxy resin was analyzed t o study the resin input temperature, and the characteristics of the resi n used were confirmed through DSC analysis.
In addition, it was possible to improve the fiber input process and th e pultrusion system. Through the research results and system perform ance improvement, the CFRP bar pultrusion production system using a closed impregnation device was optimized.
As a result of testing the performance using the CFRP bar produced in the pultrusion molding system using the optimized sealed impregnati on device, the CFRP bar produced in the optimization process (Process #3) was higher than the CFRP bar produced in the existing process (P rocess #1) than the CFRP bar was able to produce a CFRP bar with i mproved cross-section void of 98.7%, surface roughness of 75.5%, defl ection of 34.9% and flexural strength of 70%.