폴리프로필렌이 함침된 유리섬유 강화 복합재를 적용한 부품 성형 조건에 따른 물성 영향

Abstract

자동차 부품 개발에 있어 연료 사용 효율을 향상시키기 위해 경량화는 가장 우선시 되는 목표 중 하나이다. 이를 위해 금속 재료가 적용된 내구재에 복합재를 적용하고자 하는 노력이 꾸준히 있어 왔다. 그러나 열경화성 복합재는 재활용이 원활하지 않고 제조 원가가 높아 적용이 배제되어 왔다. 열가소성 복합재의 경우 단섬유 강화 복합재는 하중 지지 성능에서, 연속 섬유 강화 복합재는 부품 생산 효율에서 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 재활용이 가능하고 다양한 형상 구현 및 하중 지지 성능도 향상시키기 위해 열가소성 폴리프로필렌 수지를 함침시킨 유리 연속 섬유 강화 복합재 테이프를 합사하여 하중 지지 역할을 하는 토우 구조체를 만들어 삽입하고 외측은 유리 단섬유 강화 복합재를 사출 충전하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법으로 소형 차량용 범퍼 빔을 설계하여 중앙부 진자 충격에 대한 유한 요소 해석을 통해 토우 구조체가 파손을 지연시키고 충격 에너지 흡수를 증가시키는 효과를 예측 해 보았다. 하중 지지 기능을 담당하는 토우 구조체의 성형 온도, 성형 속도, 투입되는 유리 연속 섬유 강화 폴리프로필렌 테이프 수와 유리 섬유 함량 변화에 따라 굴곡 물성을 평가하였다. 이에 토우 구조체는 유리 연속 섬유 강화 복합재 테이프 합사 공정에서 생성된 기공 함량에 따라 성능에 큰 영향을 받으며, 기공 함량이 3 부피% 를 초과할 때 굴곡 강도 저하가 되는 것을 확인하였다. 그러나 투입되는 복합재 테이프 수와 가공 온도를 조절할 경우, 유사한 인발 공정과 비교하여 약 60배 빠른 1.0 m/s 의 가공 속도에서도 굴곡 강도가 유지되는 것을 확인하였다. 최종 부품은 토우 구조체와 외측에 사출 충전된 유리 단섬유 강화 복합재 사이에 형성된 접착 계면에서 결함이 발생하게 된다. 완전 요인 실험계획법을 적용하여 사출 공정 인자 변화에 따른 접착 계면 특성을 분석하여 수축 보상 압력 유지 시간, 충전 단섬유 복합재의 용융 온도, 수축 보상 압력의 순서로 접착 강도에 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 마지막으로 토우 구조체를 삽입하고 유리 단섬유 강화 폴리프로필렌 복합재가 외측에 충전된 막대 형태의 시편을 제작하여 인장 및 굴곡 시험을 통해 하중 지지와 에너지 흡수 성능이 향상됨을 확인하였다.