나. Orifice gate의 위치가 다른 금형
2. Orifice 위치에 따른 첨가제 정렬 분석
Figure 2-13. Results of flow visualization experiment captured at 0.5 s intervals in channel 2-1
Figure 2-14. Results of flow visualization experiment captured at 0.5 s intervals in channel 2-2
Fig. 2-14은 orifice gate가 하단에 위치했던 channel 2-2의 유동가시화 이미지이다.
Orifice gate를 지나는 첨가제는 방사선으로 퍼져나가는 channel 2-1와 유사한 경향 을 보여주고 있다. 첨가제가 orifice gate를 통과할 때 channel의 중앙으로 이동하며, x > 1.5 mm에서 유동방향으로 정렬 이동한다. channel 2-1 첨가제 정렬에서도 유사 한 경향을 보여주고 있다. orifice에 위치에 따른 첨가물 정렬의 차이는 첨가제 A의 경향으로 확인할 수 있다. Fig. 2-14 첨가제 A의 경우 첨가제가 channel 중앙에서 상단부로 이동하는데 이때 첨가제는 x > 0.5 mm 영역에서 유동 방향과 거의 평행 하게 정렬하는 것을 볼 수 있다. 반대로 channel 2-1에서는 유사한 위치에 있는 첨 가제 A의 경우 x = 1.5 mm에서도 첨가제 정렬이 유동방향에 대하 30 °로 정렬된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 2-15은 orifice 위치에 따른 금형 내부의 첨가물 정렬을 정량적으로 확인하기 위해 유동 방향 길이(x)에 따른 첨가물의 평균 각도를 계산한 그래프이다. Channel 2-1, 2-2의 유동가시화 영상에서 추출한 중복되지 않는 이미지를 50개 추출하고 2500개의 첨가제를 분석하였다. Channel 2-2의 평균 첨가제 정렬은 orifice gate를 지 나고 잠깐 유동방향과 수직하게 정렬되면서 이동하기에 x = 0.7 mm까지 channel 2-1보다 15 ~ 20 ° 높은 것을 확인할 수 있다. 또한 channel 상단의 첨가제들은 유 동방향(0.7 mm < x)으로 이동함에 따라 빠르게 유동방향으로 정렬되기 때문에 channel 2-2의 첨가제 정렬은 channel 2-1보다 작은 것을 확인할 수 있다.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0
10 20 30 40 50
Channel 2-1 Channel 2-2
│θ│ (degree º)
x - Location (mm)
Figure 2-15. Average fiber angle according to flow direction length for each channel.
본 연구에서는 첨가제 정렬과 shear rate의 상관관계를 확인하고자 하였다. 그래서 앞선 유동가시화 실험 결과에서 channel 위치에 따라 분석한 첨가제 정렬과 CFD simulation으로 해석한 extension rate, shear rate의 비율인 rate ratio를 비교하였다.
Fig. 2-14, 2-15의 (a)는 유동가시화 이미지에서 획득한 channel 내부의 첨가제 정렬 을 scatter graph이며, (b)는 CFD simulation으로 해석한 shear rate을 scatter graph로 그린 그림이다. 유동가시화 이미지와 같이 channel 내부의 첨가제 정렬 분포는 50°
이상의 각도로 중앙영역에서 첨가제가 수직으로 정렬하고 상부 및 하부 벽에서는 유동 방향으로 평행하게 정렬하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 channel 2-1, 2-2에서 흔하게 확인할 수 있다. 이를 orifice gate 위치 관점으로 보면 channel 2-2에서 50° 이상의 첨가제 정렬은 channel 중심보다는 하단 벽면에 치우쳐서 정렬 되고 있다. 그렇기에 channel 하부에 가까운 섬유의 이동은 channel 2-1보다 빠르게 유동 방향으로 정렬하는 것을 볼 수 있다. 이는 Fig. 2-13의 유동방향 길이(x)에 따 른 첨가제 정렬에서 확인할 수 있다.
CFD simulation에서 획득한 shear rate으로 계산된 rate ratio는 channel에서의 첨가 제 정렬 분포와 비교할 수 있다. orifice gate의 영역 주변(x < 1 mm)에서는 rate ratio와 50 °이상의 첨가제 정렬은 유사한 경향을 보여주고 있다. 이는 channel 2-1 과 channel 2-2 모두에서 관찰 되었으며, 첨가제 정렬은 유동에 수직방향(v)와 유동 의 수직 방향인 y에서의 extension rate()이 큰 상관관계가 있음을 보여주고 있 다.
Orifice gate를 지나고 channel이 영역에서 위아래로 급격히 확장될 때 extension rate이 높아지는 것을 알 수 있다. Orifice gate 내부에서는 첨가제가 유동방향과 평 행하게 channel로 진입하지만, channel이 orifice로 인해 급격하게 확장될 때 첨가제 는 extension rate에 의해 급격한 첨가제 정렬의 변화를 보이는 것으로 간주되고 있 다. 하지만 유동 방향으로 첨가제가 유동할수록 extension rate은 무시할 수 있으며 오직 shear rate만 첨가제 정렬에 영향을 주고 있다. 그러나 orifice gate를 지나고 channel이 확장될 때 extension rate(최대 70 s–1)에 비해 x > 1 mm 이후에는 channel 중심의 shear rate는 매우 낮아진다(~2 s–1). 이는 첨가제가 유동 방향에 따라 평행하 게 정렬되는 이유이다.
Trebbin 등(2013)은 extension rate과 shear rate의 비인 rate ratio가 첨가제 정렬에 영향을 주는 요인으로 보여주는 있지만, 본 연구에서 channel 내부의 첨가물의 정렬 방향을 결정하는 지표로서 rate ratio는 효과적이지 않을 것으로 생각되고 있다. [27]
오히려 extension rate과 shear rate의 크기가 첨가물 정렬에 큰 영향을 미치는 것으 로 간주되었다. 즉, extension rate은 첨가제가 유동 방향에 수직으로 회전하게 하였 으며 shear rate은 첨가제가 유동 방향에 평행하게 회전하게 하였다. Shear rate, extension rate의 크기가 증가함에 따라 첨가제의 회전 각속도가 증가하고 shear rate, extension rate가 감소함에 따라 첨가제 정렬의 변동도 점차 감소하였다. Orifice 위치 에 따른 차이와 관련하여, 전체적으로 유동가시화를 통해 분석한 첨가제 정렬과 rate ratio은 유사하지만 channel 2-2의 채널 중심에서 상단까지의 영역에서 shear rate 이 지배하는 흐름이 관찰되었다. 결과적으로, 섬유는 일반적으로 이 지역의 흐름과 평행했다. 반대로, 아래에서 위로 이어지는 영역에서 확장 속도가 높은 영역은 channel 2-1(0.5mm < x < 1mm)의 영역보다 크다. 이로 인해 이 절의 채널 1의 평균 각도가 일시적으로 높은 것으로 간주된다. 따라서 첨가물의 무작위 정렬이 필요한
시료의 경우 orifice gate를 channel 중앙에 배치하는 것이 유리하다. 평면 내 방향 정렬이 필요한 물체인 경우 orifice를 중단이 아닌 하단 또는 상단에 배치하는 것이 더 큰 효과를 볼 수 있다.
Figure 2-16. (a) Fiber angle. (b) Ratio of extension and shear rate according to channel 2-1 position.
Figure 2-17. (a) Fiber angle. (b) Ratio of extension and shear rate according to channel 2-2 position.
제 3장 적층 가공을 모사한 nozzle 내부 유동가시화 실험 및 첨가제 정렬 분석
제1절 유동가시화 실험 준비 및 방법
FFF 압출 출력 과정 중에 섬유 형태의 첨가제가 혼합된 고분자 복합소재의 첨가 제 정렬을 관찰하기 위한 유동가시화 실험을 설계에 다음 사항을 먼저 고려하였다. nozzle 내부 orifice 형상에 따른 첨가제 정렬, 유동가시화 실험 관찰 영역과 fluid resin 선정에 대하여 각각 요소들을 고려하여 실험을 설계하였다. 먼저 본 연구의 주된 목적은 FFF 방법으로 제조되는 고분자 복합소재의 출력물 through-layer 물성 향상이다. 일반적으로 fig 3-1(a)에 제시된 바와 같이 첨가제의 대부분은 raster 방향 에 정렬하게 되지만 extrusion nozzle 내부에 orifice 구조를 삽입하여 raster 방향에 수직되는 첨가제 정렬을 증가시켰다. [47] 이는 앞선 사출 금형 내부에 orifice를 삽 입할 경우 첨가제 정렬이 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 3-1. Schematic of extruding process of polymer composite with fiber-type additive in FFF: (a) overall process and (b) flow field inside the nozzle.
유동가시화 실험은 주로 extrusion nozzle 내부와 압출될 때를 주요 대상으로 관찰 하였다. 앞서 introduction에서 언급한 바와 같이, FDM 방식의 폴리머 복합소재 내 부 첨가제 정렬은 대부분 nozzle channel 내부에서 shear에 의해 결정될 것으로 예상 하고 있다. 구체적으로는 nozzle 내부에서 첨가제들은 orifice 구조, nozzle 벽면의 no-slip condition과 액상 고분자 복합소재의 높은 유속 및 점성 등의 요인 때문에 급격하게 변화하는 shear stress에 영향을 받아 회전하게 된다. 하지만 일단 nozzle 밖으로 압출된 이후에는 extruded filament와 공기의 경계면은 자유표면으로 shear stress는 0에 가깝게 된다. extruded filament 내부의 shear stress는 bed나 layer와 접촉 때문에 90 °로 굽혀지는 경우를 제외하면, 첨가제 정렬이 nozzle에서 압출된 이후로 는 변화하지 않게 된다. 이런 현상을 유동가시화 실험을 통해 검증되었다. 그렇기 에 extrusion nozzle과 nozzle에서 압출된 직후까지를 실험의 관찰 대상으로 하였다.
첨가제 정렬과 유동장과의 연관성을 분석하기 위하여, 실험에 사용된 nozzle 내부 와 동일한 형상에서 유동장을 CFD simulation을 통하여 계산하였다. CFD simulation 해석에서 액상 고분자 복합소재는 single-phase로 가정하였고, orifice가 삽입된 nozzle 내부 channel과 nozzle에서 압출될 때 filament 내부 유동장을 유동가시화 실 험으로 구한 첨가제 정렬 변화와 비교 분석하였다. CFD를 통하여 계산된 filament 내부 유동장에서 filament 진행 방향의 속도(u)와 진행 방향에 수직되는 속도(v)의 각각 gradient 성분인 shear rate과 extensional rate에 따른 통계적인 첨가제 정렬 각 도 사이 연관성을 고찰하였다. 참고로 FFF 과정 중 filament 내부 shear와 extensional rate의 도식은 Fig. 3-1 (b)에 표시하였다.
FFF 방법으로 extrusion되는 액상 고분자 복합소재를 모사하기 위한 polymer resin 으로, 높은 점도를 가진 base와 curing agent가 혼합된 Sylgard 186와 탄소섬유 혼합 물을 선택하였다. PDMS가 FFF 방법에 적용된 사례가 있긴 하지만 자주 사용되는 소재는 아닙니다. [35] 하지만 본 연구에서의 목적은 extrusion 과정 중, 액상 고분자 복합소재 첨가제 정렬을 시각적으로 볼 수 있는 투명한 base fluid resin 조건인 PDMS가 선정되었다. 시중에서 구할 수 있는 acrylic filament 등의 경우, 완벽하게 투명하지 않는 원인 등 때문에 유동가시화 실험이 불가능했으며, PDMS 소재만이 유일하게 내부 함유한 첨가제 정렬을 유동가시화를 통해 관찰할 수 있었다. 본 연 구에서 선정된 Sylgard 186의 경우 soft lithography 공정에 범용적으로 사용되는
Sylgard 184 대비 점도가 20배가 되는 66.7 Pa.s의 점도를 가지고 있다. [36] 또한
~150℃ 이상으로 유지되는 heating bed 위에 extrusion 될 경우, 거의 순간적으로 cure되어 형상을 유지한 상태로 응고되는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 이유 때 문에 불가피하게 본 논문에서는 PDMS를 fluid resin으로 사용하게 되었다. 하지만 실제 FFF 공정의 extruded filament와 매우 유사한 유동 조건을 구사하였다고 판단 하고 있다.
첨가제로는 볼밀링된 carbon fiber를 사용했으며, 0.07 wt.%(0.04 vol.%)로 액상 PDMS에 혼합되었다. 본 연구에서 유동가시화 실험을 진행한 질량비는 일반적으로 많은 연구에서 보고 되는 적층가공된 고분자 복합소재의 첨가제 농도 대비 현저히 낮은 것을 볼 수 있다. 하지만 앞서 문단에서도 언급되었듯이, 유동가시화를 통한 첨가제 정렬을 시각적으로 관찰하기 위해서는 첨가제 간의 중첩이 최소화될 필요 성과 같은 제약 때문에 0.07 wt.% 농도가 선정되었다. 0.07 wt.% 이상에서는 개별 적인 탄소섬유를 이미지 상에서 분류하는 것이 힘들어 졌다. 복합소재 내부의 volume fraction와 첨가제의 aspect ratio의 관계에 따라 state가 결정되는데 본 연구에 서는 복합소재의 농도에서는 첨가제와 첨가제 사이 interaction이 첨가제 정렬에 영 향을 미치지 않는 dilute state이다. [37] 하지만 산업적으로 사용되는 고분자 복합소 재의 첨가제 농도는 1% 이상으로, 본 연구에서 사용한 농도가 아닌 높은 농도에서 는 semi-concentrated, concetrated의 영역일 수 있기 때문에 유동장에 따른 첨가제 정 렬 현상에 추가로 additive-additive 와 additive-wall의 interaction도 중요 요인으로 알 려져 있다. Orifice 등을 금형 내부에 삽입하여 갑자기 channel이 확장되는 유동에서 수직으로 정렬되는 첨가제들을 분석한 다른 연구 사례를 비교해볼 때, 첨가제 농도 가 0.1 wt.% 경우와 30%인 경우, 전반적으로 첨가제 정렬은 동일한 경향을 보인 바 있다. [23, 38] 이 두 연구사례를 통하여 볼 때, 본 연구에서 수행한 dilute state 에서의 첨가제 정렬에 대한 결과를 통해 유동가시화를 할 수 없는 높은 농도에서 의 확장되는 channel에서의 첨가제 정렬 현상에 더 깊은 이해를 할 수 있을 것으로 사료된다.
FFF 과정 중 첨가제 정렬을 분석하기 위한 실험장치는 extrusion nozzle channel, 유동가시화 광학장치와 polymer composite로 구분할 수 있다. Fig. 3-2 (a)는 FFF 공 정을 모사하고 유동가시화를 할 수 있는 실험장치 사진이다. 본 연구에서 복합소재
는 150℃로 유지되는 x, y 모터 조절 스테이지 위에 extrusion 되었다. PDMS와 carbon fiber가 혼합된 복합소재는 orifice가 삽입된 nozzle channel에서 압출되는 모 습은 Fig. 3-2 (b)에 표시하였다.
Figure 3-2. Experimental set-up for flow visualization: (a) overall set-up, (b) extrusion process and (c) cross-section of nozzles.
1. Orifice 금형
일반적인 FFF 공정에서의 nozzle은 원기둥 형태의 channel이지만 본 연구에서는 여기 다양한 두께의 orifice를 삽입하여 가공하였다. Orifice의 형상은 먼저 수행한 injection molding을 모사한 선행연구의 금형 channel를 참고하여 제작되었다. [khoa]
Fig. 3-3 (a) ~ (c)에는 본 실험에 사용한 extrusion nozzle의 내부 channel를 나타내었 다. 금형은 총 6개의 부속으로 이루어져 있다. Orifice channel를 형성하기 위해서 돌출되고 좌우 대칭인 모양의 Al insert를 사이에 두고, 위아래와 앞뒷면에 각각 Al 지지대와 투명한 acrylic 가시창이 조립되었으며, 전체 금형 부품은 총 12개의 볼트 및 너트로 조립되어 하나의 유로 블록을 형성하였다. Orifice 부분을 제외한 channel 의 단면은 길이가 21 mm, 폭과 높이가 각각 2와 3 mm인 직사각형이며, extruded filament가 압출될 수 있는 압출부는 두께 1 mm의 Al 지지대에는 중앙에 1 mm 직 경의 원형 구멍이 뚫려 있다. Fig. 3-3 (a), (b)는 내부 orifice의 폭이 0.2와 0.5 mm인 Al insert이다. Fig. 3-3 (c)은 orifice 없는 channel을 모사하였으며, orifice 폭 0.5 mm 를 상하 뒤집어서 사용하였다. 마지막으로 orifice가 없는 일반 FFF nozzle (직경 1 mm)도 실험하였으며, 이는 Fig. 3-3 (d)에 나타냈다. 금형에 대한 자세한 치수는 Table 3-1로 정리하였다.
Figure 3-3. Schematic diagrams of the extrusion nozzle channels with various orifice thicknesses: (a) 0.2 mm orifice, (b) 0.5 mm orifice, (c) no orifice and (d)
actual nozzle.
Table 3-1. Specification of orifice channel. mold with various orifice size channel (a)
Mold size 30 (W) × 20 (H) × 3 (D) [mm3] Orifice channel size 0.2 (H) × 3 (D) [mm2] Expanded channel size 2.0 (H) × 3 (D) [mm2]
channel (b)
Mold size 30 (W) × 20 (H) × 3 (D) [mm3] Orifice channel size 0.5 (H) × 3 (D) [mm2] Expanded channel size 2.0 (H) × 3 (D) [mm2]
channel (c)
Mold size 30 (W) × 20 (H) × 3 (D) [mm3] Expanded channel size 2.0 (H) × 3 (D) [mm2]
channel (d)
Flow channel diameter 1.0 [mm]
2. 액상 복합소재
Fig. 3-4는 높은 점도를 가진 PDMS Sylgard 186을 본 연구에서 polymer matrix로 사용하였으며, base와 curing agent를 10:1로 혼합하였다. 첨가제로는 Fig. 2-5 (b)에서 사용된 볼밀링 처리가 된 carbon fiber를 선정하였으며, rod 형상으로 직경은 0.007 mm이다. 유동가시화 실험을 통하여 분석된 총 23,000개의 carbon fiber의 평균길이 는 0.088 mm이고 표준편차는 0.024 mm로 계산되었다. 보다 균일한 길이의 carbon fiber를 사용하기 위해 60 um 크기를 가지는 mesh를 이용하여 carbon fiber powder를 2회 이상 거른 후 PDMS와 혼합하였다. 이때 복합소재는 carbon fiber와 PDMS가 0.07 wt.%로 혼합하였다. 0.07 wt%의 경우 유동가시화 이미지에서 첨가제끼리 겹침 이 없으면서 이미지에 많은 첨가제를 촬영하기 위해 여러 번의 시행착오로 도출된 농도이다. 첨가제를 혼합하는 방법으로는 간단하게 손으로 섞고 있으며 액상 복합 소재에는 많은 기포가 포함되어 있다. 기포를 제거하기 위하여 액상 복합소재를 원