정확한 RTM 시뮬레이션을 위한 섬유 매트 투과성 특성화

코어테크 재료과학 연구센터 부서 책임자 왕즈웨이(王智偉)

제품의 품질을 향상시키기 위해 산업계에서는 더 가볍고, 더 견고하고, 더 효율적인 제품을 제조하고자 많은 노력을 기울이고 있습니다. 지난 10년 동안 섬유 강화 플라스틱 (FRP)은 높은 기계적 강도와 경량화 특성으로 인해, 3C, 자동차, 조선, 항공우주 및 풍력발전 제품에 널리 활용되었습니다. 수지 이송 성형 (RTM)은 현재 가장 주목받고 있는 신기술로, 액체 복합재료 성형 (LCM)의 일종인 RTM 은 복잡한 형상의 대형 부품을 생산하기에 적합하고, 높은 기계적 강도, 엄격한 치수 공차 및 외관 등의 요구사항을 충족시킬 수 있기 때문에 산업에 널리 활용되고 있습니다. 또한, RTM 은 저렴한 장비, 폐쇄형 금형 공정, 낮은 사출 압력, 기계적 특성에 대한 용이한 제어, 금속 인서트 및 부착물의 통합, 복잡한 대형 부품의 생산 및 낮은 인건비 등으로 인하여 가장 효율적이고 경제적인 공정 중 하나입니다.

그러나, RTM 산업은 아직 몇 가지 풀어야 할 문제를 갖고 있습니다. 예를 들어, 사출 중에 섬유 부피가 큰 영역은 수지의 유동에 매우 큰 영향을 미치기 때문에 수지의 유동성을 정확하게 예측하기 어려운 문제점이 있습니다. 따라서, RTM 의 현장 작업자는 이러한 영향을 정확하게 파악할 수 없고, 인젝션 프로세스 종료 전에 부품이 완전히 포화한 상태에 도달했는지 관찰 및 검증할 수 없습니다. 제품이 100% 함침 되지 않은 경우, 드라이 스팟이나 기포 등의 결함이 발생하며, 이러한 제품은 폐기하고 드라이 스팟이 없는 RTM 제품을 성공적으로 제조할 때까지 사출 형상을 변경해가며 완벽한 제품을 만들기 위하여 수많은 노력이 필요합니다. 만약 이러한 시행착오가 대형 구조의 RTM 제품 (예: 유틸리티 그레이드 터빈 블레이드)을 제조할 때 발생한다면 생산 비용이 대폭 상승할 것입니다.

하지만, 효과적인 CAE 시뮬레이션 기술을 이용하면 복잡한 구조의 RTM 제품의 유동을 예측하고 시행착오를 없앨 수 있습니다. 현재 섬유재료 제조업체, 몰드 제조업체 등을 포함해 RTM 제품에 대한 시장의 수요 및 잠재적인 고객은 상당히 많지만, RTM 시뮬레이션의 분석 소프트웨어는 여전히 매우 부족합니다. 섬유 매트의 투과성은 RTM CAE 시뮬레이션 품질에 영향을 미치는 핵심 매개변수의 하나로, 다공성 매체(예: 섬유 직물)의 특성을 의미하는 동시에 유체인 액체 또는 기체가 매체를 통과하는 능력을 나타내는 지표이기도 합니다. 높은 투과성은 유체가 매체를 신속하게 통과할 수 있음을 의미합니다. 진공 보조 수지 이송 성형 (VARTM)과 같은 전통적인 측정 방법을 사용하는 경우, 진공 백으로 개방형 몰드를 밀봉해서 진공 환경으로 만들어야 하는데, 이 과정은 시간과 비용이 많이 필요할 뿐 아니라 인적 오류가 발생하기 쉽습니다.

이를 고려하여, Moldex3D 재료과학 연구센터는 복합재료의 측정 기능을 향상시키기 위해 EASYPERM (그림 1)을 도입하였습니다. 2015년 JEC 혁신상 (JEC Invention Award)을 수상한 EASYPERM은 섬유 직물의 투과성 측정 기기로, 압력 센서를 통해 제품 여러 위치의 국부 압력을 측정하고, 내부 평면 및 외부 평면의 투과성을 특성화합니다. 섬유 직물 투과성은 유속과 국부 압력의 평형을 맞추고 다르시 (Darcy)의 법칙을 적용하여 값을 얻습니다. 본 연구에서는 시뮬레이션 도구의 신뢰성을 검증하기 위해 투과성 측정 과정의 비평형 단계에서 오일 충전 거동을 시뮬레이션하였으며, 이 단계에서 시스템은 아직 평형 상태에 도달하지 않았고 국부 압력이 때때로 증가하였습니다.

그림 1 (a) EASYPERM, (b) 인젝션 몰드, (c) 데이터 수집 및 분석 인터페이스

압력 센서 (그림 2)를 통해 시간에 따른 국부 압력의 변화를 관찰할 수 있고, 유동 선단 도달 시간을 파악할 수 있습니다.

유동 선단이 감지 지점에 도달하면, 국부 압력이 0에서 증가하기 시작합니다. 이어서 교차 검증을 위해, Moldex3D RTM 모듈에서 EASYPERM 캐비티를 복제하고, 시뮬레이션 시에 실험과 동일한 인젝션 설정을 사용했습니다. 이 검증 사례에서는 시뮬레이션과 실험 결과 중에 발생하는 선단의 도달 시간과 압력의 증가 경향을 비교하였습니다. 그림 3 (a)에서 시뮬레이션의 유동 선단이 실험 결과와 매우 유사한 것으로 나타나므로, Moldex3D RTM 솔버의 정확도가 매우 높다는 것을 알 수 있습니다. (그림 4 및 표 1).

그림 2. 캐비티의 내부 평면 형상과 압력 감지 지점의 위치 (△는 원래 위치의 압력 감지 지점, ○은 평면 내 다른 부위의 압력 감지 지점)

그림 3.　실제 주입 조건에 따른 시뮬레이션 설정: (a) 입구 및 압력 감지센서 위치, (b) 유동 선단 시간

그림 4. EASYPERM 실험 데이터와 시뮬레이션 결과는 매우 유사하며 모두 유동 선단이 감지 노드에 도달했을 때, 압력이 0에서 증가하기 시작하는 것으로 나타났습니다.

RTM 시뮬레이션에서 섬유 매트 투과성과 같은 재료 특성이 시뮬레이션 정확도에 매우 큰 영향을 미칩니다. 기존의 VARTM측정에서 투과성 데이터의 정확도와 신뢰성은 모두 실험실 연구원에 의해 크게 좌우되기 때문에, 이 문제를 개선해 복합재료의 시뮬레이션에 대한 산업계의 요구사항을 충족시키고자 Moldex3D는 재료 측정 기능을 특별히 확장하였고 EASYPERM을 도입하여 사용하고 있습니다.