저작자표시

(1)

저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게

l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다:

l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다.

저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.

Disclaimer

저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.

비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.

변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

(2)

2022 년 2 월 석 사 학 위 논 문

탄소섬유 함유 PDMS의 적층가공에 따른 첨가제 정렬 분석

조선대학교 대학원

기 계 공 학 과

정 도 인

(3)

탄소섬유 함유 PDMS의 적층가공에 따른 첨가제 정렬 분석

Analysis of additive alignment of carbon fiber and PDMS depending on additive manufacturing method

2022년 2월 25일

조선대학교 대학원

기 계 공 학 과

정 도 인

(4)

탄소섬유 함유 PDMS의 적층가공에 따른 첨가제 정렬 분석

지도교수 오 동 욱

이 논문을 공학석사학위신청 논문으로 제출함

2021년 10월

조선대학교 대학원

기 계 공 학 과

정 도 인

(5)

정도인의 석사학위논문을 인준함

위원 장 조 선대학 교 교수 조 홍 현 印 위 원 조 선대학 교 교수 오 동 욱 印 위 원 조 선대학 교 교수 박 정 수 印

2021년 12월

조선대학교 대학원

(6)

CONTENTS ··· Ⅰ LIST OF FIGURES ··· Ⅴ LIST OF TABLES ··· Ⅻ DEFINITIONS & NOMENCLATURE ··· ⅩⅣ ABSTRACT ··· ⅩⅤ

제 1장 서론

¹

제1절 연구 배경 1

1. 고분자 복합 소재

1

2. 첨가제 정렬

²

3. 적층 가공

³

제2절 연구 동향, 구성 및 목표 4

1. 연구 동향

⁴

2. 연구 구성 및 목표

¹²

제 2장 사출 성형을 모사한 금형 내부 유동가시화 실

험 및 첨가제 정렬 분석

13

(7)

제1절 첨가제 정렬 이론 ¹³ 제2절 유동가시화 실험 준비 및 방법 15

1. Orifice 금형

¹⁶

2. 액상 복합소재

19

3. 주사기 펌프

21

4. 광학 장치

²²

제3절 CFD simulation 24

1. 해석 모델링

24

2. 해석 결과

²⁴

제4절 실험 결과 및 고찰 ²⁶

1. 수력직경에 따른 첨가제 정렬 분석

26

2. Orifice 위치에 따른 첨가제 정렬 분석

30

제 3장 적층 가공을 모사한 nozzle 내부 유동가시화

실험 및 첨가제 정렬 분석

36

제1절 유동가시화 실험 준비 및 방법 36

1. Orifice 금형

40

(8)

2. 액상 복합소재

42

3. 주사기 펌프

44

4. 광학 장치

45

제2절 CFD simulation 46

1. 해석 모델링

46

2. 해석 결과

47

제3절 실험 결과 및 고찰 50

1. 유동가시화 실험

50

2. CFD simulation

59

제 4장 첨가제와 복합소재 물성의 상관관계

⁶⁹

제1절 열전도도 측정 69

1. 샘플 제작 및 측정방법

69

2. 첨가제 농도

72

3. 첨가제 정렬

⁷³

제2절 인장강도 측정 ⁷⁵

1. 샘플 제작 및 측정방법

75

(9)

2. 첨가제 농도

77

3. 첨가제 정렬

78

제 5장 결론

⁸¹

REFERENCES

⁸³

(10)

LIST OF FIGURES

Figure 1-1. Summary of the electrical, mechanical, percolation content and maximum content of various dimensional carbon nanofiller reinforced polymer composites. - Yichao(2018) 5 Figure 1-2. (a) Thermal conductivity of PLA and PLA composites. (b)

Thermal IR image (a) PLA; (b) 30% PLA; (c) 40% PLA; (d)

40% T-PLA. - Zelalem(2019) 6

Figure 1-3. (a) Tensile test stress–strain curves of the resin and its composites. (b) Normalized stress–strain curves of the

composites. - Allaoui(2002) 6

Figure 1-4. Flexural modulus and flexural strength of (a) room temperature and (b) refrigerated composite samples. The percentage

improvement with respect to the reference is mentioned on the

top of the bar. - Smrutisikh(2014) 7

Figure 1-5. (a) Results obtained from the rheological analysis of the

ABS-BT composites. (b) The rheological behavior of composites with BT loadings of 40, 45 and 50 vol%. - bilal(2018). 8 Figure 1-6. (A−E) SEM images of cross section of the second - to

sixth-time extruded D-ABS(37.5%) filament. (F) Apparent void area of the second- to sixth-time extruded filaments. -

Sidra(2019) 8

(11)

Figure 1-7. (a) Experimental thermal conductivity (average of three measurements for each composite) of neat epoxy, epoxy/GNS composites (1 vol.% GNSs), and epoxy/ GNS–Fe

3

O

4

composites (1 vol.% GNSs) in parallel/ perpendicular magneticalignment direction. (b) Schematic for the heat transfer direction and

composite structure. - Yan(2014) 10

Figure 2-1. The two angles describing a single fiber orientation. - Martinie

(2011) 13

Figure 2-2. Changes in the alignment of a fiber additive in a velocity field, and the resulting shear deformation of a typical fiber

additive. 14

Figure 2-3. (a) Schematic of injection molding using polymer composite.

(b) additive alignment in mold channel. 15 Figure 2-4. Overall illustration of the flow visualization experimental setup.

16 Figure 2-5. Overall view of the experimental setup. A) Three mould

channels with various hydraulic diameters. magnified image of the orifice channel. B) Mold with two Al blocks and two

transparent acrylic panels. 17

Figure 2-6. Overall view of the experimental setup. Two mould channels

with various entrance. 18

Figure 2-7. (a) PDMS sylgard 184. (b) Carbon fiber. 20

(12)

Figure 2-8. Syringe pump. (KDScientific, KDS-410) 21 Figure 2-9. (a) 2x magnification lens (Mitutoyo corp, M plan apo 2x). (b)

High speed camera. (Phantom, MIRO C110) 22 Figure 2-10. Comparison of shear rate distribution at y=0 mm of the

orifice in the flow direction. Plots are shown for four different

number of mesh elements. 25

Figure 2-11. Images of the flow visualization experiment for three channel thicknesses and angle calculations for fibers in the center, between the center and the wall, and near the wall. 27 Figure 2-12. Variation of the angle of fibers depending on the direction of

flow. (1) Average angle of fibers in the overall channel thickness direction; (2) average angle of fibers near the

channel. wall (2/11 area of the channel. thickness); (3) average angle of fibers between the channel. wall and the center (2/11 area of the channel. thickness); (4) average angle of fibers in the channel. center (3/11 area of the channel thickness).channels with various hydraulic diameters. Magnified image of the

orifice channel. 29

Figure 2-13. Results of flow visualization experiment captured at 0.5 s

intervals in channel 2-1. 31

Figure 2-14. Results of flow visualization experiment captured at 0.5 s

intervals in channel 2-2. 31

(13)

Figure 2-15. Average fiber angle according to flow direction length for

each channel. 33

Figure 2-16. (a) Fiber angle and (b) Ratio of extension and shear rate

according to channel 2-1 position. 35

Figure 2-17. (a) Fiber angle and (b) Ratio of extension and shear rate

according to channel 2-2 position. 35

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. 36

Figure 3-2. Experimental set-up for flow visualization: (a) overall set-up, (b) extrusion process and (c) cross-section of nozzles. 39 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. 41

Figure 3-4. PDMS sylgard 186. 43

Figure 3-5. Measured relationship between the viscosity and shear rate of carbon fiber (0.07% wt.) and uncured PDMS mixture.

Experimental results are presented as circles and solid line represents best fit by the Carreau model. 48 Figure 3-6 Schematic of the geometry for computational fluid dynamics

(CFD) simulations for 4 cases of 0.2 mm orifice,0.5 mm

(14)

orifice, no orifice and actual nozzle. 48 Figure 3-7. Comparison of velocity distribution at y=0.2 mm downstream

of the orifice in the flow direction. Plots are shown for three

different number of mesh elements. 49

Figure 3-8. Comparison of extruder outlet velocity calculated by flow

visualization and CFD. 49

Figure 3-9. Images of the flow visualization inside of the extrusion nozzle, depending on the inner nozzle configuration for a flow rate of

0.2 mL/min. 51.

Figure 3-10. Images of the flow visualization outside of the extrusion nozzle, depending on the inner nozzle configuration for a flow

rate of 0.2 mL/min. 52.

Figure 3-11. Comparison of alignment angle inside the extruded filament at the nozzle outlet and after deposited on the bed for 0.2 mm orifice for a flow rate of 0.2 mL/min: (a) flow visualization image and (b) calculated alignment angles at lines A (nozzle outlet) and A′ (after bending 90° on the bed surface). 54 Figure 3-12. Scatter plot of alignment angle of fibers travelling inner and

outer nozzle depending on inner nozzle configuration: (a) 0.2 mm orifice, (b) 0.5 mm orifice, (c) no orifice and (d) actual nozzle. Flow rate of the filament is fixed to 0.2 mL/min in all

cases. 56

Figure 3-13. Averaged angle of fibers calculated at 0 mm ≤ y ≤ 1.5

(15)

mm where y=0 is the nozzle outlet and y-axis represents the direction of filament extrusion. Angle of fibers is depicted along x-axis where x=0 is the centre of the extruded filament depending on inner nozzle configuration having (a) 0.2 mm orifice, (b) 0.5 mm orifice, (c) no orifice and (d) actual

nozzle. 58

Figure 3-14. CFD calculation of Rate ratio depending on the nozzle

channel. configuration for flow rate of 0.2 mL/min. 61 Figure 3-15 Comparison of fiber alignment according to working fluid in

0.2 mm orifice nozzle. 61

Figure 3-16.

C

omparison of fiber alignment in 0.2 mm orifice nozzle and injection molding channel. 0.2 mm orifice, (a) flow visualization images and (b) rate ratio calculated by CFD.

63 Figure 3-17. Sequential images of flow visualization of fiber alignment

inside nozzle channel with 0.2 mm orifice for flow rate of 0.2

mL/min. 65

Figure 3-17. Reconstructed image showing evolution of alignment of 5 representative fibers travelling channel center and surrounding

regions. 66

Figure 3-19. Average alignment angle of fibers along the extrusion direction after the filament is extruded from the nozzle for different nozzle configurations at flow rate of 0.2 mL/min. 67 Figure 4-1. (a) Polymer composites samples depending on Fox 50. (b)

Schematic of additive alignment inside polymer composites. 70

(16)

Figure 4-2. (a) Picture of the experimental setup based on one dimensional steady state heat flux for measurement of thermal conductivity of additively manufactured composites;

(b) Schematic of the key thermal resistances involved in this

measurement. - Parajapati(2018) 71

Figure 4-3. The thermal conductivity of the PDMS + carbon fiber

depending on additive concentration. 73 Figure 4-4. The thermal conductivity of the PDMS + carbon fiber

depending on embedded orifice. 74

Figure 4-5. (a) Polymer composites samples depending on type C of ASTM D412. (b) Schematic of additive alignment inside

polymer composites. 75

Figure 4-6. Universal testiong machine (Instron, 3360 Series 3367) 76 Figure 4-7. The tensile strength of the PDMS + carbon fiber depending

on additive concentration. 78

Figure 4-8. The strain–stress relationship of the PDMS + carbon fiber

depending on embedded orifice 79

(17)

LIST OF TABLES

Table 1-1. Summary of mechanical and thermal properties. 4 Table 2-1. Specification of orifice channel mold with various entrance size.

17 Table 2-2. Specification of orifice channel mold with various entrance. 19 Table 2-3. Specification of PDMS, carbon fiber. 20

Table 2-4. Specification of syringe pump. 21

Table 2-5. Specification of lens, high speed camera. 23 Table 3-1. Specification of orifice channel. mold with various orifice size.

42 Table 3-2. Specification of PDMS, carbon fiber. 43

Table 3-3. Specification of Syringe pump. 44

Table 3-4. Specification of high speed camera. 45 Table 4-1. Specification of Polymer composites. 69 Table 4-2. Specification of thermal conductivity meters. 70 Table 4-3. Specification of polymer composites with various concentration.

71

(18)

Table 4-4. Specification of high polymer composites with various

concentration and orifice channels. 72

Table 4-5. Specification of Polymer composites. 75 Table 4-6. Specification of universal testing machine. 76 Table 4-7. Specification of Polymer composites with various concentration.

77 Table 4-8. Specification of high speed camera with various concentration

and orifice channels. 79

(19)

Nomenclature

 Shear stress[Pa]

 Viscosity [kg/m ㆍ s]

 Density [kg/㎥]

 Shear rate [1/s]

 Extension rate[1/s]

 Time constant



_

Zero-shear viscosity [kg/m ㆍ s]



_∞

Infinite-shear viscosity [kg/m ㆍ s]

 Power-law index

(20)

ABSTRACT

Analysis of additive alignment of carbon fiber and PDMS depending on additive manufacturing method

DO-IN JEONG

Advisor : Prof. DONG-WOOK OH, Ph.D.

Department of Mechanical Engineering Graduate School of Chosun University

Polymer composites are made by mixing various additives of nano / micro-scale inside the polymer matrix, and are produced by methods such as FFF, injection-molding, and etc.

with excellent mechanical properties such as corrosion resistance, elasticity, lightness, and easy to manufacture. However, due to the limitations of low properties, it is being used limitedly, and various studies are being conducted to improve the physical properties. An understanding of additive alignment is required to improve the properties of composite materials. In general, the flow of suspension inside mold results in additive alignment, and in the direction of alignment, the effect of improving the properties can be confirmed by cutting the product. However, during the composite production manufacture, it is difficult to intuitively understand the effect of the flow field inside the mold on additive alignment.

The paper first performed a flow visualization analysis and CFD analysis of the polymer composite material in a channel inserting an orifice that mimiced the injection molding process. Flow visualization experiments were performed inside molds with orifice of various shapes. Additive alignment angles according to the mold position were analyzed using a composite material that mixed carbon fiber with a diameter of 7um and a length of 77um

(21)

in polydimethylsiloxane (PDMS). The analyzed additive alignment angle was compared to the flow field calculated inside the channel with the same shape as the flow visualization experiment with CFD analysis. The orifice inserted inside the mold increases the shear rate, extension rate inside the channel, which has been shown to improve the angle in the direction in which the additive is perpendicular to the flow.

Orifice has a significant effect on changes in additive alignment and was applied to additive manufacturing methods based on the results. Flow visualization experiments were performed on nozzles with orifice inserted to improve the mass properties in the through-layer direction of the output filament. Unlike injection molding, carbon fiber was mixed in polydimethyloxane (PDMS) at high viscosity to laminate, and additive angles were analyzed for mold interior and extruded. In addition, the analyzed additive alignment angle was CFD analysis for the same shape to observe the flow field change. The inserted orifice made a drastic change to the shear rate, extension rate, and the angle of the additive changed due to its effect, but it showed a different tendency compared to the injection mold cases. In addition, the change in additive alignment in the nozzle has shown to be similar to additive alignment after the extrusion at the nozzle outlet. When an orifice, etc.

is inserted inside the nozzle, the flow field inside the channel changes, and the sudden change in shear / extension rate is considered to be the cause of the perpendicular alignment of additive alignment. In addition, if the additive alignment is controlled inside the nozzle, the additive alignment can be contolled in a desired direction to control and enhance physical properties of an injection molded or a FFF processing products.

(22)

제 1장 서론

제1절 연구 배경

1

. 고분자 복합소재

복합소재는 물리적, 화학적으로 다른 두 개 이상의 matrix resin, 첨가제와 같은 재료가 혼합하여 제작되는 물질로 알려져 있다. 복합소재는 혼합된 재료의 특성이 있을 뿐만 아니라 독자적이고 유용한 구조 및 기능적 특성을 가지는 물질이다. 복 합소재는 항공, 교통, 에너지, 스포츠 등 폭넓은 분야에서 다양하게 적용되고 있다.

그중에서도 고분자 복합소재(polymer matrix composites)에는 polyester, vinyl ester, epoxy, phenolic, polyimide, polyamide, polypropylene, polyether (PEEK) 등의 matrix resin이 일반적으로 사용되고 있다. [1] 폴리머 복합소재는 금속과 비교하여 매우 가 벼우며, 우수한 내부식성, 우수한 피로 저항, 우수한 충격 저항, 간단한 제작공정 등의 우수한 장점과 첨가제를 혼합했기에 기존의 고분자보다 높은 물성을 가지고 있다. 하지만 고분자 복합소재는 금속과 비교하여 기계적 강도, 전기적, 열물성이 취약한 문제점이 야기되고 열적 부품과 같은 일부 산업에서 제한적으로 사용되고 있다. [2, 3]

이러한 낮은 물성으로 인한 문제점을 극복하기 위해서 복합소재와 혼합되는 첨 가제의 정렬에 대한 연구가 활발하게 진행되었다. 대표적인 것으로는 첨가제의 종 류 및 농도, 분산, adhesion, 정렬 관련 연구 등이 있다. 이 중에서도 주로 물성을 향상하게 시키기 위한 방법으로는 물성이 우수하고 다양한 첨가제를 혼합하거나 첨가제의 농도를 높이는 방법이 있다. 고분자 복합소재에 혼합되는 첨가제의 물성 의 성능이 우수할수록 고분자 복합소재의 물성은 향상되고 첨가제의 농도에 비례 하여 물성이 향상되는 것을 확인하였다. 하지만 과도한 첨가제의 함량은 복합소재 의 점도를 증가시키고 이는 제작 공정 과정 중에서 강한 압력을 초래하는 부작용 으로 작용한다. 첨가제 농도로만 물성을 향상한 복합소재의 경우 한계가 명백하기 에 이러한 방법으로 산업 분야에서 요구하는 물성을 도달하기에 어려움이 있다.

(23)

2. 첨가제 정렬

앞서 복합소재의 낮은 물성이 가지는 한계점을 극복하고 산업에서 요구되는 물 성까지 향상하기 위해 다양한 방법들이 언급되었다. 그 중에서도 첨가제 정렬은 복 합소재가 가지는 특징인 이방성이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 복합 소재 물성과 첨가제 정렬과의 관계를 이해하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있 다. 일반적으로 복합소재에 혼합되는 첨가제의 aspect ratio가 극단적으로 높을 경우 물리적, 자연적인 힘으로 제작 과정 중 특정 방향으로 정렬되는 것으로 알려져 있 다. 첨가제가 정렬하는 방향으로는 인장강도, 열전도도 등 기계적, 열적 물성이 많 이 증가하지만, 정렬하는 방향과 수직 방향으로 부하가 작용하는 경우 복합소재의 물성이 미미한 향상을 보여주고 있다. 그렇기에 첨가제 정렬로 인해 제작되는 복합 소재는 방향에 따라 물성이 다른 이방성 물성을 가질 수 있다. 위와 같은 문제 때 문에 첨가제 정렬을 외부에서 부하를 가하여 첨가제 정렬을 제어하려는 연구가 진 행되고 있다.

첨가제를 정렬하는 방법으로는 chemical vapor deposition, magnetic field, electric field, pulling, shear, surface acoustic 등이 있고 이 중에서도 주로 chemical, magnetic field, electric field, shear가 사용되고 있다. [4] Magnetic, electric field 같은 경우 첨 가제에 코팅이나, GNP(graphene nano platelet)와 같은 물질에 혼합해야하는 전처리 과정이 필요할 뿐만 아니라 시험기 내부, 외부에 magnetic, electric field 등과 같은 부하가 필요하기에 장치가 거대해지거나, 정밀함이 요구되고 있다. 전단장(shear)에 서의 첨가제 정렬은 금형 내부의 shear가 형성되고 영향을 받아 정렬되기 때문에 금형 사출과 같은 가공 방법에서 볼 수 있는 전형적인 현상이다. 그렇기에 별도의 장치 없이 금형 내부의 구조를 변경하여 전단력을 제어할 수 있다면 첨가제 정렬 에도 영향을 줄 수 있다. 그중에서도 압출 공정은 출력하는 동안 액상 복합소재 내 부 첨가제들은 출력하는 방향으로 첨가제가 정렬하는 경향을 보여주고 있다. 이는 적층 가공에서도 유사하게 적용될 수 있으며 첨가제의 정렬은 nozzle의 직경, 첨가 제 농도 등에 영향을 받고 있다. 하지만 적층가공에서 nozzle 내부의 요인과 첨가제 정렬에 미치는 수직으로의 양적 효과에 대한 연구는 미흡하며 필요한 시점이다.

(24)

3. 적층 가공

적층 가공은 층을 쌓아 올려 형상을 제작하는 (layer-by-layer) 방법으로 최근에 주 목받는 차세대 핵심기술로 주목받고 있다. [5] 적층 가공은 기존의 가공 방법인 절 삭 가공과 비교하여 요구하는 형상만 제작하기에 재료를 절감하는 경제적 효과, 다 양하고 복잡한 형상을 최적화된 설계를 바탕으로 제작하는 시간적 효과 등 다양한 측면에서 긍정적인 효과를 볼 수 있기 때문에 자동차, 의료, 항공과 같은 산업 분 야에서 선호되고 있다. 적층 가공의 대표적인 기술로는 PLA, ABS와 같은 filament 를 nozzle로 압출 시켜 적층하는 방식인 FFF(fused filament fabrication), 액상 수지를 레이저로 경화시키는 SLA(stereo lithography apparatus), 분말 재료를 CO2 Laser를 사 용하여 제작하는 SLS(selective laser sintering)의 방식이 있다. [6, 7] 그중에서 범용 적으로 사용되는 FFF 방법에서는 주로 PLA, ABS와 같은 고분자를 재료로써 사용 하고 있다. 고분자로 제작된 출력물은 경량화, 저비용 등의 장점이 있지만 금속보 다 물리적, 전기적, 열적 특성이 낮은 문제점으로, 이를 극복하기 위해 첨가제를 혼 합하여 복합소재를 사용하는 방법이 거론되고 있다. 또한, 용융 소재를 적층하는 방법의 FFF 방법은 출력되는 방향(raster direction)과 적층되는 방향(build direction)의 물성이 다른 이방성 성질을 가지고 있다. [8] 이는 복합소재의 첨가제 정렬과 매우 유사한 경향으로 출력되는 방향으로는 물성이 크게 향상되지만 적층되는 방향으로 는 물성 향상이 미미한 것을 확인할 수 있다. 그렇기에 적층 가공 방법에 복합소재 를 접합하고 첨가제 정렬을 제어하여 낮은 물성, 이방성에 관한 연구가 진행되고 있다.

(25)

제2절 연구 동향 및 목표

1

. 연구 동향

고분자 복합소재는 금속과 비교하여 물성이 취약한 문제점으로 인해 일부 산업 에서 제한적으로 사용되고 있다. [2, 3] 하지만 혼합하는 첨가제의 종류, 농도, 정렬 에 따라서 복합소재 물성이 향상하는 것으로 알려져 있다. 혼합하는 고분자 수지 및 첨가제에 따라 물성이 향상하는 연구 중에서 일부를 Table 1-1에 정리하였다.

Table 1-1 Summary of mechanical and thermal properties.

Yichao 등(2018)은 각종 폴리머 내부에 CB, CNT, graphene, 3D carbon nanofoam, hybrid carbon nanofiller 등을 혼합할 때 변화하는 기계적, 전기적 특성에 대한 연구 결과를 Fig. 1-1과 같이 정리하였다. [17] Fig. 1-1에서의 수치는 여러 연구 결과에 대한 최댓값이며 기존 물성 대비 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 혼합 하는 첨가제에 따라 점도 향상에 대해 언급하였는데 이는 큰 문제가 된다고 이야 기하였다. Zelalem 등 (2019)는 PLA와 alumina particle을 혼합하여 샘플을 제작하고 열전도도를 측정한 후 직관적인 infrared camera를 통해 관찰하였다. [9] Fig. 1-2는 열전도도 측정 결과로 혼합하는 첨가제에 농도에 따라 비례하여 열전도도가 증가 하며 40% 첨가제 혼합으로 일반적인 PLA와 비교하여 150% 물성 향상을 확인하였 다. Allaoui 등 (2002)은 epoxy 내부에 MWCNT를 혼합하고 농도에 따라 인장강도를

Matrix Additive Property (Enhancement) Refs.

PLA Alumina particle Thermal conductivity (150%) 9 PDMS SiO2-GNP Thermal conductivity (155%) 10

Nylon Graphene Thermal conductivity (93%) 11 ABS Microdiamond Thermal conductivity (550%) 12 Epoxy MWCNT Strength (150%), modulus (320%) 13

PA-6 MWCNT Modulus (61%) 14

Epoxy CNF Strength (41%), modulus (57%) 15 PDMS CNF Strength (500%), modulus (110%) 16

(26)

측정하였다. [13] Fig. 1-3은 MWCNT를 혼합한 epoxy composites의 인장강도를 측정 한 결과로 혼합하는 첨가제의 함량에 따라 증가하는데, 이는 열전도도와 유사한 경 향을 보여주고 있다. 하지만 Fig. 1-3 (b)를 보면 혼합하는 첨가제가 많을수록 향상 되는 효과는 점차 감소하고 이는 Young’s modulus에서도 유사한 경향을 보여주는 것을 확인하였다. Smrutisikh 등 (2014)은 Epoxy 내부에 MWCNT 뿐만 아니라 CNF, FCNT, ACNT를 소량 (0.5 ~ 1 wt.%) 혼합하여 고분자 복합소재를 제작하고 2가지 온도 조건에서 modulus와 strength를 측정하였다. [15] 측정결과는 Fig. 1-4에서 표시 하였고, 각종 첨가제를 혼합할 경우 복합소재 물성은 향상하였다. 그중에서도 냉장 상태에서 제작된 복합소재의 Flexural strength는 상온에서 제작된 복합소재보다 높 은 것을 확인할 수 있었다. 이는 첨가제 농도 외에도 다양한 요인이 복합소재 물성 에 영향을 미치는지 알 수 있었다.

Figure 1-1. Summary of the electrical, mechanical, percolation content and maximum content of various dimensional carbon nanofiller-reinforced polymer

composites. - Yichao(2018)

(27)

Figure 1-2. (a) Thermal conductivity of PLA and PLA composites. (b) Thermal IR image (a) PLA; (b) 30% PLA; (c) 40% PLA; (d) 40% T-PLA. - Zelalem(2019)

Figure 1-3. (a) Tensile test stress–strain curves of the resin and its composites. (b) normalized stress–strain curves of the composites. - Allaoui (2002)

(28)

Figure 1-4. Flexural modulus and flexural strength of (a) room temperature and (b) refrigerated composite samples. The percentage improvement with respect to the

reference is mentioned on the top of the bar. - Smrutisikh (2014)

Bilal 등(2018)은 ABS에 barium titanate를 혼합하여 복합소재를 ASTM-D638로 제 작하고 ultimate tensile strength, flexural strength, viscosity, permittivity을 측정하였다.

[18] 측정결과 barium titante를 35 vol.% 혼합하였을 때 첨가제의 농도에 따라 tensile strength는 54%, flexural strength가 감소하고 permittivity는 278%, viscosity는 Fig. 1-5로 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. Sidra 등(2019)은 ABS에 microdiamond를 혼합하여 filament를 제작하고 이를 출력하여 열전도도, elastic modulus, hydrophilicity 물성을 측정하였다. [12] 측정결과 elastic modulus의 경우 기 존 ABS 대비 41.9%가 향상하였다. Fig. 1-6을 보면 ABS에 microdiamond 37.5 wt.%

를 혼합한 복합소재로 filament를 압출하는 경우 내부에 void, 출력물의 불균일한 지 름 등의 문제를 확인할 수 있었다. 선행 연구로 알 수 있듯이 고분자에 첨가제를 혼합하면 대부분 물성이 향상하는 것을 볼 수 있지만, 점도 상승 및 nozzle로부터 출력되는 복합소재의 손상하는 문제점 등이 야기될 수 있다.

(29)

Figure 1-5. (a) Results obtained from the rheological analysis of the ABS-BT composites. (b) The rheological behavior of composites with BT loadings of 40, 45

and 50 vol%. - bilal (2018)

Figure 1-6. (A−E) SEM images of cross section of the second- to sixth-time extruded D-ABS(37.5%) filament. (F) Apparent void area of the second- to

sixth-time extruded filaments. - Sidra (2019)

(30)

이러한 문제에 비추어 볼 때, viscosity, pressure, void 등과 같은 문제가 적층 가공 을 방해하지 않는 현실적인 농도 내에서 물리적 특성을 향상하기 위해 복합소재에 혼합하는 첨가제를 신중하게 설계해야 하는 필요성이 대두되고 있다. [19, 20]. 그 렇기에 carbon fiber, graphene 등과 같은 재료를 혼합할 때 1차원, 2차원 또는 3차원 에서의 첨가제 정렬을 이해하고 제어하는 연구가 진행되고 있다. Advani 등(1987)은 복합소재 첨가제 정렬에 tensor를 사용해서 정의했다. [21] 사출, 압축 가공에 있어 서 Advani가 정의한 tensor는 다양한 설계 software에 주요 변수로 작용하고 있다.

Bernasconi 등(2008)은 Advani가 설명한 tensor를 바탕으로 설계하고 사출 성형으로 첨가제 정렬이 다른 복합소재를 제작하였다. [22] 그리고 X-ray micro-tomography로 복합소재의 이방성을 연구하였다.

Jeffery(1922)는 점성 유동에서의 타원형태의 첨가제 정렬의 경향을 제안하였다.

[23] 위와 같이 첨가제 정렬을 이해하고 제어하기 위해 다양한 물리적 설계가 적용 됐다면, 이를 시각적으로 확인하기 위해 AFM(atomic forve microscope), SEM(scanning electron micorscop), STM(scanning tunneling microscope)방법으로 사용 하여 출력물의 단면적에 대해서 연구가 수행되었다. [24 - 26] 하지만 위와 같은 시 각적인 방법은 제작이 완료된 복합소재의 첨가제 정렬을 관찰할 수 있지만 제작공 정 중 발생하는 다른 힘을 받거나 첨가제 사이의 영향을 받아 회전하는 복합소재 내부의 첨가제 정렬에 대한 정확한 정보를 볼 수 없는 문제점이 있다. 그렇기에 직 관적으로 첨가제 정렬에 대한 정보를 알 수 있는 유동가시화 기법에 대해 연구가 진행되고 있다. Trebbin 등(2013)은 microchannel가 갈라지거나 분류 될 때 cylindrical micelles가 혼합된 액상용액을 X-ray scattering 방법으로 유동가시화 실험을 진행하 였다. [27] 그 결과 rate ratio가 0.14 이상이 되는 유동 영역에서의 첨가제들은 유동 방향 수직 방향 정렬되는 현상은 관찰하였다.

일반적으로 고분자 복합체의 기계적 특성 및 열전도도와 같은 다양한 물리적 특 성은 첨가제 정렬 방향으로 향상되지만 첨가제 정렬과 수직인 방향으로는 물성이 미미하게 향상되는 것으로 알려져 있다. Yan 등(2014)은 epoxy에 GNS를 혼합하여 열전도도 측정하고 첨가제 정렬을 효과를 입증하기 위해서 Fe3O4를 혼합하고 magnetic field로 정렬하여 열전도도를 측정하였다. [28] 측정결과 첨가제를 정렬하 는 방향으로는 열전도도가 144% 향상됐지만 첨가제 정렬과 수직방향으로 부하를

(31)

가하는 경우 41% 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그렇기에 복합소재 내부의 첨 가제 정렬을 개선하고 제어할 수 있는 연구가 요구되고 있다.

Figure 1-7. (a) Experimental thermal conductivity (average of three measurements for each composite) of neat epoxy, epoxy/GNS composites (1 vol.% GNSs), and epoxy/

GNS–Fe3O4 composites (1 vol.% GNSs) in parallel/ perpendicular magneticalignment direction. (b) Schematic for the heat transfer direction and composite structure. - Yan(2014)

복합소재를 사용하며 가지고 있는 문제점인 낮은 물성, 이방성과 같은 문제를 유 사하게 가지고 있는 가공방법으로는 적층가공 방법 중 FFF가 있다. 적층가공은 이 방성의 문제점을 가지고 있는데, Prajapati 등(2018)은 FFF 방법 중 제작되는 출력물 이 air gap이 복합소재 물성에 영향을 미치는 요인으로 보고 air gap에 따라 물성을

(32)

측정하였다. [29] 측정결과 raster 방향과 build 방향의 열전도도가 다르고 air gap이 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 그렇기에 FFF 가공 중 복합소재를 사용하 여 첨가제 정렬을 제어할 수 있으면 적층가공이 가지는 문제점을 완하할 수 있을 것으로 보고 있다. 그래서 출력된 복합소재의 물리적 특성을 개선에 대한 수많은 연구가 진행되고 있다. Anwer 등(2018)은 고분자 filament에 carbon fiber를 혼합하고 FFF 가공방법으로 다른 각도 출력물을 제작하고 물리적 특성 및 표면 특성을 비교 하였다. [30] Lewicki 등(2018)은 압출 nozzle 내부에 마이크로 유동 채널을 삽입하 여 첨가제의 정렬을 raster 방향과 더욱 평행하게 만드는 것을 제안하였다. [31]

Tekinalp 등(2014)은 압축 성형(compression molding)과 FFF로 출력물을 제조하고 tensile strength, modulus를 비교하였다. [32] 연구결과는 첨가제가 FFF 가공방법이 CM보다 raster 방향으로 정렬 각도가 높은 것을 보여주었다. 또한 FFF 가공방법이 CM으로 제작한 출력물보다 void volume이 더 많을 것을 확인할 수 있었다.

Nagarajan 등(2018)은 PR-48에 strontium ferrite powder를 혼합하여 neodymium 자석으 로 자기장을 형성하여 출력물의 첨가제 정렬을 제어할 수 있음을 보여 주었다.

[23] 복합소재 내부의 첨가제는 다양한 방법으로 정렬할 수 있지만 그 정렬을 분석 하기 위한 방법이 필요로 되고 있다. 원칙적으로, particle imageing velocimetry(PIV) 는 FFF 고분자 matrix 내에서 첨가제 정렬을 시각화하는 데 사용될 수 있지만, 첨 가제 정렬을 분석하는데 있어서 PIV는 연구가 요구되는 시점이다. 최근 연구에서 Heller 등(2019)와 Wang 등(2021)은 적층가공 중 nozzle과 bed사이의 squeeze flow에 의해 첨가제가 정렬되는 것을 확인하였다. [34, 35] Consul 등(2021)은 PTEG에 carbon fiber를 혼합하고 실험과 computational fluid dynamics (CFD)를 통해 nozzle과 bed 사이의 간격, 속도 등이 첨가제 정렬과 복합소재 물성에 미치는 영향을 확인하 였다. [36]

(33)

2

. 연구 구성 및 목표

앞서 많은 연구들은 고분자 복합소재의 필요성을 인지하고 이를 다양한 산업 분 야에서 적용하기 위해서 첨가제의 종류, 농도, 정렬을 조정하여 복합소재의 물성을 향상시키기는 연구가 진행되고 있다. 하지만 첨가제의 종류, 농도는 향상시킬 수 있는 한계점이 존재하므로 첨가제를 정렬시키는 방법이 물성을 향상시킬 수 있는 방법으로 거론되고 있다. 첨가제 정렬을 제어하는 방법으로는 다양한 방법이 거론 됐으며, 본 연구에서는 유동장을 통해 첨가제를 정렬하고 유동가시화 기법을 사용 하여 제조과정에서 액상 복합소재 내부의 첨가제 정렬을 분석하였다. 2장에서는 복 합소재를 제조하는 방법 중 하나인 사출 금형 제작 공정을 모사하였다. 금형 내부 에 orifice를 삽입하여 shear/extension rate에 변화를 주고 유동가시화 기법을 사용하 여 첨가제 정렬을 분석하였다. 또한 orifice가 첨가제 정렬에 미치는 영향을 확인하 기 위해 CFD simulation을 통하여 비교하였으며, orifice의 형상, channel 두께 등 금 형 형상이 첨가제 정렬에 미치는 결과를 정리하였다.

3장에서는 orifice가 삽입된 FFF nozzle에서 다양한 속도로 압출되는 filament 내 부의 첨가제 정렬을 유동가시화 기법으로 분석하였다. orifice가 삽입된 nozzle에서 압출되기 전 첨가제 정렬을 분석하고 압출된 후의 첨가제 정렬을 비교 분석하여 orifice가 첨가제 정렬에 미치는 효과를 검증하였다. 또한 orifice를 삽입하지 않은 nozzle과 비교 분석하였으며, 측정된 실험 분석결과는 CFD simulation 결과와 비교 하였다. 2, 3장을 통해 orifice가 액상 복합소재 내부의 첨가제 정렬에 효과가 있음 을 증명하고 필요에 따라 제어할 수 있음을 보여준다.

4장에서는 유동가시화가 가능한 낮은 농도가 아닌 실제 산업에서 사용되는 농도 를 재현하고 첨가제 정렬의 효과를 입증하기 위해 FFF 방법을 통해 실제 샘플을 제작하였다. 제작된 복합소재는 열전도도와 인장강도를 through-plain, in-plain으로 측정하여 유동가시화가 불가능 했던 고농도 영역에서도 orifice가 첨가제 정렬에 영 향이 있고 낮은 농도에서와 유사하게 정렬되고 있음을 확인하였다.

(34)

제 2장 사출 성형을 모사한 금형 내부 유동가시화 실 험 및 첨가제 정렬 분석

제1절 첨가제 정렬 이론

복합소재 내부의 첨가제의 정렬은 첨가제간의 영향을 받거나 외부의 힘에 의해 정렬될 수 있다. [4] 첨가제 정렬을 변화하는 힘으로는 magnetic filed는 식(2-1), electric field은 식(2-2), shear field은 식(2-3) 등이 있으며, 다음과 같은 식으로 설명 할 수 있다. [37, 38, 23]

 ^^⊥^║ _⊥^cos^^ 식(2-1)

_{} 

__^_^_sin 식(2-2)

tan   cot^

 , tan sin

_

식(2-3)

Suspension 내부의 첨가제 정렬은 Fig. 2-1에 나오는 ,  2가지의 각도로 표현할 수 있다. 의 경우 x-direction 방향을 기준으로 한 각도이며, 는 y-direction을 기준 으로 첨가제와 설정한 각도이다. [39] 또한 Jeffery의 식(2-3)에서는 위 2가지 각도는

 (shear rate)와 관계가 있는 것으로 나타난다.

Figure 2-1. The two angles describing a single fiber orientation. - Martinie(2011)

(35)

Fig. 2-2는 2차원 channel 내부의 첨가제의 유동을 보여주고 있다. 금형에서 유동 하는 suspension은 벽면의 영향을 받아 속도에 변화가 생기고 velocity field를 형성 하게 된다. 생성된 velocity field는 shear stress를 형성한다. Shear stress가 생겨나면 shear rate이 발생하는데 위치에 따라 2차원 channel에서는 extension rate, shear rate으 로 표현 할 수 있다. 앞선 Jeffery의 식에 따르면 첨가제 정렬은 ,  2가지의 각도 로 표현할 수 있으며 이는 shear rate에 영향을 받는 것으로 나타난다. 즉 suspension 이 금형 내부에서 유동할 때 shear stress가 발생하고 shear rate에 영향을 줌으로써 첨가제가 정렬되는 것으로 나타난다.

Figure 2-2. Changes in the alignment of a fiber additive in a velocity field, and the resulting shear deformation of a typical fiber additive

(36)

제2절 유동가시화 실험 준비 및 방법

Fig. 2-3는 일반적인 사출성형 공정과정과 복합소재 내부의 첨가제의 배열을 보여 주는 개략도이다. 용융된 복합소재는 hopper를 통해 barrel 내부로 공급되고 있다.

공급된 복합소재는 가열되어 screw로 nozzle 밖으로 밀려가는데, nozzle로 나온 복합 소재는 금형 내부 orifice를 통과된다. 금형 내부 용융된 복합소재는 다시 경화되고 경화된 복합소재는 금형에서 탈형이 되면 제품이 생성되는 과정이다. 이때 orifice를 지난 복합소재, 제작된 제품 내부의 첨가제 배열은 사출성형 제조 조건, 성형과정, 금형 모양, 재료 등에 의해 영향을 받게 된다. 그렇기 때문에 첨가제 정열을 제어 하기 위해서는 위와 같은 첨가제 정렬에 영향을 주는 요인에 대한 연구가 필요한 시점이다.

Figure 2-3. (a) Schematic of injection molding using polymer composite. (b) additive alignment in mold channel.

본 연구에서는 사출 가공을 모사하고 두께가 다른 orifice을 삽입한 금형 내부로 사출되는 탄소섬유가 혼합된 복합소재가 성형될 때 내부 탄소섬유의 정렬을 유동 가시화로 관찰하였다. 탄소섬유 정열을 확인하기 위해 유동가시화 이미지 촬영 실 험에 사용한 시험기는 Fig. 2-4와 같으며 다른 조건의 금형, 액상 복합소재, 주사기 펌프, 광학장치로 구성되었다.

(37)

Figure 2-4. Overall illustration of the flow visualization experimental setup.

1. Orifice 금형

가. 수력직경이 다른 금형

사출 공정과정을 모사하기 위해 orifice와 확장부로 구성된 금형을 준비하였다. 좁 은 channel에서 급격하게 확장되는 형태의 orifice는 각각 2 개의 알루미늄 block(상 부와 하부)과 유동가시화 실험을 위해서 관측 창인 2개의 투명 아크릴 판으로 구성 하였다. 본 연구에서는 3가지 다른 수력직경을 가지는 금형을 이용하여 급격하게 확장되는 영역에서의 첨가제 정렬 거동을 관찰하였다. 실험에 사용된 channel들의 너비와 길이는 각각 20 mm, 50 mm로 모두 동일하였다. Orifice의 두께는 3 가지 경우 모두 동일하게 0.2 mm 이나 확장부의 경우 channel의 두께를 0.5, 1.3와 2.0 mm로 변화를 주었다. 실험에 사용된 3가지 다른 금형은 channel 1-1 ~ 1-3으로 Fig.

2-3 (a)에 표시하였다. 금형에 빨간색으로 표기한 부분을 확대한 사진은 오른쪽에 있다. 금형 block은 Fig. 2-5 (b)와 같이 볼트 및 너트를 이용하여 조립되었으며, 전 면부 투명 아크릴 판 안 쪽 1 mm 위치한 평면에서 초점을 맞춘 유동가시화를 획 득하였다. 금형의 자세한 치수는 Table 2-1로 정리하였다.

(38)

Figure 2-5. Overall view of the experimental setup. (a) Three mold channels with various hydraulic diameters. Magnified image of the orifice channel. (b) Mold with

two Al blocks and two transparent acrylic panels.

Table 2-1. Specification of orifice channel mold with various entrance size.

channel 1-1

Mold size 50 (W) × 50 (H) × 20 (D) [mm³] Orifice channel size 0.2 (H) × 20 (D) [mm²] Expanded channel size 2.0 (H) × 20 (D) [mm²]

channel 1-2

Mold size 50 (W) × 20 (D) × 50 (H) [mm³] Orifice channel size 0.2 (H) × 20 (D) [mm²] Expanded channel size 1.3 (H) × 20 (D) [mm²]

channel 1-3

(39)

나. Orifice gate의 위치가 다른 금형

Fig. 2-6와 같이 금형은 orifice gate의 위치가 중앙과 바닥에 있는 서로 다른 2가 지를 준비하였다. 제작된 금형의 channel 2-1은 orifice gate가 중앙에 위치하여 orifice의 두께는 0.2 mm, 확장하는 영역의 두께는 1.2 mm이다. channel 2-2는 orifice gate가 바닥에 위치하여 orifice의 두께는 0.2 확장하는 영역의 두께는 1.3 mm이다.

각 channel의 확장부는 1.2 mm로 설계했지만 제작 공정 중 공차로 인하여 0.1 mm 차이가 발생하였다. 제작된 금형은 알루미늄으로 orifice gate부터 최대 20 mm channel 길이까지 측정할 수 있다. 깊이의 경우 20 mm로 제작했으며 채널 내부에 서 유동하는 탄소섬유의 배열을 관찰하기 위해서 LED조명을 백라이트로 사용하고 금형 양 옆에 두께 2mm의 투명 아크릴판을 볼트와 너트를 사용하여 금형과 조립 하였다. 금형의 자세한 치수는 Table 2-2로 정리하였다.

Figure 2-6. Overall view of the experimental setup. Two mold channels with various entrance.

(40)

channel 2-1

channel 2-2

Mold size 50 (W) × 20 (D) × 50 (H) [mm³] Orifice channel size 0.2 (H) × 20 (D) [mm²] Expanded channel size 1.3 (H) × 20 (D) [mm²] Table 2-2. Specification of orifice channel mold with various entrance location.

2. 액상 복합소재

사출 금형 공정을 모사하고 금형에서 유동하고 있는 복합소재 내부의 탄소섬유 를 분석하기 위해서 사용한 액상 열가소성 복합소재는 Fig. 2-7와 같이 준비하였다.

복합소재는 탄소섬유를 유동가시화하기 위해서 투명한 PDMS(DOW Corning의 SYLGARD 184)를 사용했으며 경화를 위해 curing agent를 10:1의 중량비로 혼합하 였다. 혼합된 PDMS는 탄소섬유와 0.05 wt.%의 중량비의 복합소재로 제작되었다.

이때 탄소섬유는 0.007 mm의 지름을 가진 원기둥으로 첨가제 접촉으로 인한 영향 을 줄이기 위해서 평균 길이 0.006 mm로 볼밀링하고 0.006 mm mesh를 사용하여 밀링으로 분쇄되지 않은 긴 섬유를 걸러냈다. 혼합된 복합소재 및 첨가제의 정보는 Table 2-3에 자세히 정리하였다. [33] 혼합된 복합소재 용액은 1 Torr 진공 펌프를 사용하여 탈기 후 사출을 위해 주사기에 주입하였다.

(41)

Figure 2-7. (a) PDMS sylgard 184. (b) Carbon fiber.

Sylgard 184

Viscosity 3500 [cP]

Specific gravity 1.03

Color Clear

Carbon fiber

Diameter 0.007 [mm]

Length 0.088 [mm]

Average aspect ratio 12.59

Polymer composite

Concentration 0.05 wt.%

Table 2-3. Specification of PDMS, carbon fiber

(42)

3. 주사기 펌프

액상 복합소재가 충전된 50 mL 주사기는 Fig. 2-8와 같은 주사기펌프 (KDScientific, KDS-410)에 조립하고 Polystyrene 튜브 내부로 용액이 이송되어 금형 으로 사출됩니다. 금형에서 사출되는 액상 복합소재는 channel 내부를 완벽하게 채 우기 위해서 아래에서 위로 올라가는 방향인 중력의 반대 방향으로 주입하였다. 이 때 주사기펌프의 이송속도는 채널 내부의 확장하는 영역의 Re가 0.001이 되는 channel 1-1 ~ 2-1에서는 2.16 mL/min, channel 2-2는 2.17 mL/min으로 설정하였다.

사용한 금형에 따른 주사기펌프의 이송속도는 Table 2-4에 정리하였다.

Figure 2-8. Syringe pump (KDScientific, KDS-410)

Syringe pump (KDS-410)

Reynolds number 0.001

channel. 1-1 ~ 2-1

Velocity 2.16 [mL/min]

channel. 2-2

Velocity 2.17 [mL/min]

Table 2-4. Specification of syringe pump.

(43)

4. 광학 장치

광학 장치는 Fig. 2-9와 같이 2x objective lens (Mitutoyo, M plan APO 2x), high speed camera (Phantom, MIRO C110), LED pad로 구성되었다. High speed camera는 복합소재가 사출될 때 orifice gate부터 금형 출구까지를 촬영하였다. 또한 아크릴판 의 영향으로 생성되는 shearing force의 영향을 받지 않는 첨가제를 분석하기 위해 서 아크릴판부터 금형 내부로 1 mm 들어간 지점에서 유동가시화 실험을 하였다.

본 연구에서의 유동가시화 이미지는 high speed camera를 사용하여 1280x840의 해 상도의 영상을 촬영하였으며, 촬영하는 속도는 60 FPS로 영상마다 4100장의 영상 을 획득하였다. 획득한 영상은 이미지로 추출되었다. 이때 금형에서 유동하는 첨가 제가 중복으로 분석되는 것을 방지하기 위해서 이미지 추출 간격을 조정하였다. 추 출한 유동가시화 이미지는 별도의 이미지 처리과정으로 밝기, 명도, 채도 등을 조 절하여 초점이 흐려지거 겹쳐진 첨가제를 제거하였다. 위 작업을 거친 유동가시화 이미지는 matlab을 기반으로 이미지 프로세싱 코드를 사용하여 첨가제의 위치, 길 이, 각도 데이터를 추출하였다. 실험에 사용된 광학장치, 렌즈와 high speed camera 의 사양은 Table 2-5에 정리하였다.

Figure 2-9. (a) 2x magnification lens (Mitutoyo corp, M plan apo 2x). (b) High speed camera (Phantom, MIRO C110)

(44)

M plan apo 2x

NA 0.055

Working distance 34 [mm]

Focal Length 100 [mm]

Focal Depth 5 [um]

Thread Size M26

MIRO C110

Full resolution 1280 × 1024

Frame rate at full resolution 915 [fps]

Minimum exposure 5 [us]

Pixel bit-depth 12 [bit]

Experiment resolution 1280 × 840

Frame rate at experiment resolution 60 [fps]

Table 2-5. Specification of lens, high speed camera.

(45)

제3절 CFD simulation

1. 해석 모델링

본 연구에서는 내부 첨가제 배열과 금형 내부의 유동장의 관계를 분석하기 위하 여 ANSYS Fluent를 사용하였다. 실험 조건에서 Reynolds number값을 0.001로 사용 하였기에 층류로 해석하였다. 하지만 computational fluid dynamics (CFD) 해석에 앞 서 사용한 액상 복합소재가 Newtonian fluid, non-Newtonian fluid 중 하나로 선택할 필요가 있었다. 그래서 연구에서 사용한 액상 복합소재를 Newtonian fluid로 가정하 고 해석하였을 때 shear rate를 측정한 결과 channel 내부에서 최댓값은 170 s^-1이였 다. 탄소섬유를 혼합한 PDMS의 물성을 rheometer를 사용해서 측정한 결과 shear rate이 300 s^-1이상 일 때 non-Newtonian fluid의 경향을 볼 수 있었다. 그렇기에 유동 가시화 실험에 사용한 복합소재를 Newtonian fluid로 보고 해석할 수 있었다.

를 해석하였다. 앞선 Trebbin의 연구에서 Micro-channel 내부를 흐르는 복합소재 내 부의 첨가제의 정렬은 extensional rate ( 

 ), shear rate( 

 )와 관계가 있음을 확인할 수 있다. Extension rate은 2차원 channel 내부의 유동장에서 유동 방향의 수 직인 확장하는 방향에서의 속도장이며, shear rate은 orifice gate를 통과하는 경우 유 동방향의 속도에 대한 확장하는 방향의 속도장이다. Trebbin이 언급한 Extensional rate( )와 Shear rate()의 비율을 rate ratio( _{)로 정의하였다.}

Figure 2-10. Comparison of shear rate distribution at y=0 mm of the orifice in the flow direction. Plots are shown for four different number of mesh elements.

(47)

제4절 실험 결과 및 고찰

1. 수력직경에 따른 첨가제 정렬 분석

금형 내부 channel에서 액상 고분자 matrix와 같이 유동하는 첨가제는 유동장의 속도구배 때문에 생기는 shear rate에 영향을 받기 때문에 정렬의 변화가 발생하는 것으로 알려지고 있다. 본 실험에서는 channel 두께에 따른 shear thinning 현상을 유 동가시화 실험을 통하여 확인하였다. Fig. 2-11 channel 1-1 ~ 1-3의 금형에서 channel을 두께 방향으로 3등분으로 하여 중앙, 중앙-벽면 사이, 벽면 영역에서 유 동하는 3개의 첨가제를 추적해서 각도를 분석한 이미지이다. Fig. 2-11 왼쪽은 channel 두께에 따라 유동가시화 이미지이고, 오른쪽은 channel 내부에 각각 빨간, 초록 및 파란 점선으로 표시된 첨가제들을 추적하고 길이에 따른 정렬 변화를 표 시하였다. Channel 두께가 각각 2, 1.3 mm인 channel 1-1, 1-2의 경우, channel 중심 에서는 첨가제들이 유동의 수직방향으로 정렬되는 현상을 관찰할 수 있다. 하지만 벽면 쪽으로 갈수록 첨가제들이 유동방향에 평행하게 이동하는 것을 확인할 수 있 다. channel 두께가 0.5 mm인 channel 1-3의 경우, 중앙의 일부 첨가제를 제외하면 대부분의 첨가제는 유동방향에 평행하게 정렬되는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 Fig. 2-11 통해 오른쪽에 표시된 첨가제를 추적한 이미지를 확인할 수 있다. Chann el 중심영역에서의 첨가제는 orifice gate에서 통과하자 (x < 0.7 mm) 급격하게 각도 가 증가하여 60 °이상으로 증가하지만 다시 유동방향으로 정렬되는 것을 확인할 수 있었다.

(48)

Figure 2-11. Images of the flow visualization experiment for three channel.

thicknesses and angle calculations for fibers in the center, between the center and the wall, and near the wall.

(49)

Orifice gate를 지나면 유동과 수직방향 속도 성분(v)인 extension rate( 

 )이 급 격하게 증가하고 첨가제들은 extension rate와 첨가제 정렬과 관계에 대한 연구가 있 다. [23] 본 연구에서 수행한 유동가시화 실험에서도 앞에서 언급한 연구와 동일한 현상을 관찰할 수 있었다. Orifice gate와 같이 급격하게 channel이 확장되면 유동 수 직방향의 속도 성분이 증가하게 된다. 그렇기에 x < 0.7 mm 구간에서 첨가제들의 각도가 급격하게 수직으로 정렬하는 것을 관찰할 수 있다. 반면, x > 0.7 mm 구간 에서는 유동 수직방향의 속도 성분이 감소하고 유동방향 속도 성분 (u)만 존재하게 된다. 이 구간에서의 유동장은 Poiseuille flow로 첨가제에 작용하는 전단응력은 x 방향(u) 성분만이 존재하게 된다. 그렇기에 첨가제는 유동방향에 평행하게 정렬되 는 현상을 확인할 수 있다.

Fig. 2-12 (a) - (d)는 channel 1-1 ~ 1-3에서 channel의 두께를 11 등분하고 벽면에 서부터 2/11, 2/11, 3/11의 비율로 영역을 나누고 영역 내부의 첨가제의 각도를 분석 한 결과이다. y위치에 따른 첨가제의 정렬을 평균하고 있다. Fig. 2-12 (a)의 경우 평균 각도가 x < 2 mm까지 증가하지만 유동에 따라 감소하는 경향을 보여주고 있 다. Channel. 1-2, 1-3의 경우에는 channel. 1-1와 비슷하지만 channel 두께가 작아질 수록 첨가제 정렬도 작아지는 것을 볼 수 있었다. Fig. 2-12 (b)는 channel 벽면 영 역의 첨가제 정렬을 평균한 결과를 보여주고 있다. Channel 두께와 상관없이 첨가 제 정렬은 유사한 경향을 보여주고 있다. 이는 벽면 영역은 channel 전반에 가장 큰 유동방향 전단응력이 나타나는 영역으로 대부분의 첨가제는 유동방향에 평행하게 정렬하는 것을 볼 수 있다.

Channel의 중앙부로 갈수록 channel 두께별로 평균 첨가제 정렬이 차이를 보여주 고 있다. channel 중앙과 벽면 사이 영역과 벽면 영역에서 각각의 섬유 각도를 표시 한 Fig. 2-10에서는 channel 두께 별로 뚜렷한 차이를 확인할 수 있다. Channel 두께 가 클수록, 첨가제 정렬은 높았다. 이는 orifice gate의 두께는 일정하지만 channel의 두께가 다르기 때문에 shear rate차이가 발생하는 것으로 생각할 수 있다. 본 실험에 서는 Re수가 0.001로 고정되어있기 때문에 channel 두께가 작아질수록 평균 유동 속도는 반비례하여 증가한다. 유동 속도의 증가는 유동장의 속도구배 증가로 이어 지고 결과적으로 평균 shear rate 증가로 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 즉,

(50)

channel두께가 가장 작은 channel 1-3 내부에서 첨가제들은 channel 1-1의 첨가제대 비 비교하여 평균 4배 크기의 shear rate에 노출되기 때문에 유동방향으로 정렬하 는 것으로 판단할 수 있다.

Figure 2-12. Variation of the angle of fibers depending on the direction of flow.

(1) Average angle of fibers in the overall channel thickness direction; (2) average angle of fibers near the channel wall (2/11 area of the channel thickness); (3) average angle of fibers between the channel wall and the center (2/11 area of the channel thickness); (4) average angle of fibers in the channel center (3/11 area of the channel thickness). channels with various hydraulic diameters.

Magnified image of the orifice channel.

(51)

2. Orifice 위치에 따른 첨가제 정렬 분석

Fig. 2-13, 2-14는 0.5 s 간격으로 기록한 channel 2-1과 channel 2-1의 유동가시화 이미지를 보여주고 있다. 유동가시화 이미지에서 액상 복합소재의 유동방향은 오른 쪽이다. 첨가제 A, B, C는 유동가시화 이미지에서 다른 색상의 점선으로 표시되고 하류로 이동할 때 첨가제 각도의 변화를 추적하고 있다. 추적한 첨가제는 channel 중앙과 벽면부 영역에서의 속도와 정렬을 분석하였다.

Fig. 2-13는 channel 2-1을 촬영한 유동가시화 이미지이다. 금형 내부에 복합소재 는 확장하는 영역으로 사출될 때 orifice gate를 중심으로 방사형으로 퍼져서 나가는 것을 볼 수 있다. 빨간색 선은 첨가제가 정렬하는 경향을 보여주기 위해 도식화한 추세선이다. Fig. 2-11에서 channel 중앙부에서 첨가제의 정렬은 매우 불규칙적이고 시간에 따라 점차 유동 방향에 수렴하지만 벽면부로 가는 첨가제들의 각도는 주입 구에서부터 대부분 유동 방향에 수렴하는 것을 관찰할 수 있다. 이는 첨가제 추적 에서도 확인할 수 있다. Channel 중앙부 첨가제인 A는 0 s에서 1.5 s까지 갈 때 처 음에는 24.8 °에서 64.4 °로 증가했지만 43.4 °, 마지막에서는 32 °로 낮아지는 경향 을 보여주고 있다. 즉 유동에 따라 첨가제는 점차 유동 방향에 수렴하는 모습을 보 여주고 있다. 벽면부에서의 첨가제 정렬 경향은 첨가제 B가 보여주고 있다. 처음 0 s 에서는 12.1 °로 시간이 지남에 따라 14.7 °로 상승하였지만 11.8 °, 6.4 °로 빠르 게 수렴하는 것을 관찰할 수 있다.

(52)

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

(53)

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.