고급 3D CAE기술을 사용하여, RTM공정 거동을 가시화하고 최적화하다

RTM(Resin transfer molding)공정은 오늘날 복합제품 제조에서 가용한 가장 일반적인 공정 중의 하나로서, 이 공정으로 생산시간 단축과 고강도 FRP부품을 생산할 수 있다. 또한, 풍력터빈 블레이드나 항공기 부품의 제조 시 FRP 파트의 구조적 성질을 한층 강화하기 위하여 중심재질과 함께 샌드위치 구조의, 다층 섬유 매트가 괄목할 만한 설계가 되어 왔다.

그래서, 우리는 다음과 같은 연구로 RTM 공정으로 샌드위치 구조설계를 사용하는 데 있어 포괄적인 이해를 얻고자 하였다.

전통적인 2D/2.5D 시뮬레이션 도구는 부품의 실 형상을 온전히 획득하는데 제약이 따르고, 두께 방향에서 재질의 성질에 차이가 있기도 하다. 따라서, 2D/2.5D 시뮬레이션 결과의 정확도는 손상될 수 밖에 없다. 따라서, 실 3차원 수치해석도구를 구축하여, 해석하고자 하는 부품의 형상 수치를 완전히 얻어 내었고, 모든 종류의 섬유 조성에 적절한 금형에서 레진 유동을 관찰할 수 있었다.

visualize-resin-transfer-molding-behavior-using-advanced-3d-cae-technology-1그림 1. 풍력터빈 블레이드의 샌드위치 구조설계

그림1에서 보듯이, 본 풍력터빈 블레이드의 샌드위치 구조설계는 중심재질과 표피재질을 갖는 다층 섬유 매트 설계이다. 상응하는 재질파라미터는 아래 표1에 수록되어 있다. 본 사례에서, 두께 1.24mm 인 직조물을 중심재질의 상부와 하부에 위치하였다. 입구는 구조물의 중앙에 설계되고, 전체 블레이드를 통과하도록 하였다. 레진은 중앙의 입구로 유동하여 블레이드의 양측까지 유동한다. SWANCOR 2502-A/B를 사출유체로 1기압 정압으로 적용하였다.

    직조물(Fabric) 중심(Core)  
 
두께[mm]
1.24 25  
  K11[m2] 1.80E-11 5.61E-11  
  K22[m2] 1.23E-11 1.97E-10  
  K33[m2] 3.27E-12 1.97E-10  
  ϕ 0.44 0.11  
표 1. 중심 및 표피 재질 파라미터

그림 2와 3은 풍력터빈 블레이드에 대한 샌드위치 구조설계를 Moldex3D로 3D 시뮬레이션 한 결과이다. 그림2는 차등곡율 형상값과 재질 파라미터를 포함하는 비등온 3D유동해석을 나타낸다. 그림3은 두께 방향에서 부품의 슬라이스 단면별 3D 유동해석을 나타낸다. 직조부에서 보다 중심부에서 레진유동이 더 빠른 것이 관찰된다. 이것은 중심재질의 고침투율과 저기공성에 기인되며, 그 결과 중심부에서 더 빠른 유동현상이 발생된다.

visualize-resin-transfer-molding-behavior-using-advanced-3d-cae-technology-2그림 2. Moldex3D 3D시뮬레이션: 풍력터빈 블레이드를 위한 샌드위치 구조설계에 있어,
충진 단계 말단에서의 유동선단(flow front time)
visualize-resin-transfer-molding-behavior-using-advanced-3d-cae-technology-3그림 3. 두께 방향으로 부품 슬라이스 단면별 3D 유동해석 결과

또한, 다음의 시뮬레이션 결과로 전통적인 2D 시뮬레이션이 평면 상에서만 유동거동이 고려된다는 것을 명확히 알 수 있다. 곡율 형상값이 제대로 획득될 수 없고 2D 시뮬레이션 계산으로만 반영된다. 두께 방향에서의 유동거동에 대한 변수는 2D/2.5D 시뮬레이션에서와 동일하게 취급된다. 이로써 궁극적으로 실 성형시나리오와 비교 시 그 결과에서 상당한 모순이 발생된다. 이는 이종 재질의 침투성과 기공성의 영향이 고려되지 않았기 때문이다.

visualize-resin-transfer-molding-behavior-using-advanced-3d-cae-technology-4그림 4. 균일(2D)조건과 비등방성(3D)조건 간, 두께방향에서의 유동선단 결과의 비교

결론적으로, 위 비교결과로부터, 실 유동거동에 대해 두께 방향에서 이종 재질 성질과 특성의 영향을 명확히 이해할 수 있었다. 그 결과, 3D시뮬레이션만으로 복잡한 형상 설계를 완전히 얻을 수 있었고, 실제로 RTM공정에서 다층 섬유 설계구조는 매우 복잡한 물질의 상호교환 미케니즘을 반영하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이종 기공성 재질이 RTM 제품의 생산에 어떻게 영향을 끼치는 지를 고려할 필요가 있다는 것도 인지하게 되었다. 모든 방향에서 상이한 유동 파라미터를 포함하는 고급 3D 시뮬레이션을 사용하여 금형 내 유동거동을 가시화할 수 있었고, 이로써 나아가 RTM공정을 개선하고 최적할 수 있었다.


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