복합재 성형방법 3가지 :
Cocuring Cobonding Secondary Bonding
항공기를 처음 제작할 때는 금속(Metal)을 대부분 사용하였으나
최근 들어서는 상대적으로 가볍고 강한 복합재(Composite)를 많이 사용하고 있습니다. 복합재를 성형하는 3가지 방법에 대해 알아보겠습니다.
1. 일체성형 (Cocuring)
프리프레그 상태, 즉 아직 열과 압력을 가하지 않은(uncured) 복합재 적층판 2개를
동시에 Cure 하는 방식
또는
복합재 적층판 1개와 honeycomb core와 같은 core 종류와 같이 cure하는 방식을 의미합니다.
일체성형은 위 그림에서 보는 것과 같이 접착제(Adhesive)를 넣고 하는 방법도 있고,
양쪽 다 프리프레그(Prepreg) 상태이기 때문에 접착제 없이 Cure 하는 방법도 있습니다.
프리프레그(Prepreg)
탄소섬유나 유리섬유 등의 섬유 강화재에 에폭시 수지와 같은 액상 합성수지를 침투시킨 상태로, 열과 압력을 받으면 기계적, 열적 물성이 뛰어난 복합재 부품(composite part)을 만들 수 있다.
Cocuring 장점
- 별도의 추가 Cure 없이 1번에 작업 가능한 방법이므로 다른 두가지 제작 공법에 비해 경제적인 방법이다.
- 표면 마감처리(surface cleanliness)가 좋다.
2. 동시접착 (Cobonding)
이미 Cure를 한 복합재 적층판 1개와
아직 Cure를 하지 않은 uncured 적층판을 같이 Cure 하는 방법입니다.
한쪽이 이미 Prepreg 상태에서 Cure가 되었기 때문에 두 파트를 연결시키기 위해서는
접착제(Adhesive)가 필수로 첨가됩니다.
Cobonding 장점
- 같이 접합되는 파트의 구조가 복잡할 때, cocuring 방식으로 하려면 복잡한 형태의 비싼 tool이 필요합니다. 하지만 cobonding 방식으로 하게 되면 하나를 먼저 만들고 하기 추가적인 Cure를 하기 때문에 크게 복잡한 tool이 필요하지 않습니다.
3. 이차접착 (Secondary Bonding)
위 그림에서 보시는 것과 같이,
cure 된 파트 2개를 접착하는 방식으로 마찬가지로 접착제(Adhesive)가 필수입니다.
Secondary Bonding 장점
위 그림처럼, Honeycomb Core가 들어가고 그 위에
Adhesive(접착제)와 복합재 적층판(Layer)를 쌓고 동시에 Cure(Cocure) 하게 되면
core cell 안쪽으로 ply가 왜곡되어 빨려들어갈 수 있습니다.
이는 압축강도와 강성을 10~20% 정도 떨어뜨릴 수 있는 위험을 내포하고 있습니다.
그러나 secondary bonding을 통해 미리 각자 cure를 한 후
Adhesive만 추가하여 이차접착을 하게 되면 이를 방지할 수 있습니다.
복합재(Composite part) 성형 시 발생할 수 있는 문제들
1. Disbond(분리 현상)
Disbond(분리) 현상이 발생할 수 있습니다.
이유는 Adhesive(접착제)의 문제일 수도 있겠지만,
대부분의 경우는 Adherent(피접착제, 복합재 파트)의 문제가 많습니다.
1. Adherent의 접착면 오염물질이 깨끗하게 Cleaning 되지 않아 접착제가 제대로 붙지 못함
2. Adherent의 접착면이 평평(flat)하지 않아 아래 구조물과 접착 시 gap(공간, 틈)이 발생하여 해당 부분이 제대로 접착되지 못함
정도의 문제가 있겠습니다.
Disbond는 NDI(비파괴검사, nondestructive inspection)를 통해 확인 가능하며
NDI 검사 중에서도 초음파 검사(ultrasonic inspection)를 통해 확인됩니다.
2. Weak Bond(약한 접착)
약한 접착(weak bond)은 gap이 아니라, Adherent의 오염(contamination)으로 인해 접착제(Adhesive)가 제대로 접착되지 못했을 가능성이 매우 높습니다.
NDI 검사로 확인이 가능하려면, 위의 Disbond의 경우처럼 파트 내부에 빈 공간이 있어야 하는데, Weak bond의 경우는 공간이 따로 생기는 것은 아니기 때문에 NDI 검사로 확인할 수 없고, 단기적으로는 해당 문제를 발견할 수 없다는 것이 문제입니다.
3. Impact(충격으로 인한 결함)
복합재를 성형하는 과정이나 이후 사용되는 과정에서 특정 부위에 충격이 가해져 복합재 구조물(Adherent)과 접착제(Adhesvie)에 손상(Damage)을 입을 수 있습니다.
결함(Defect)의 기준에 속하지 않는 작은 손상은 확인되지 않겠지만,
복합재 층이 깨지면 틈(Crack/Flaws/Voids)이 생기기 때문에 NDI로 확인할 수 있습니다.
Cobonding/Secondary Bonding 시 주의할점/위험요소
1번 Cure한 파트를 포함하여 한 번 더 Cure하는, Re-heating(재가열) 하는 방식이기 때문에 자재손상의 위험이 있습니다.
또한 bonding 되는 면의 cleaning이 충분하게 되지 않아 오염(contamination)이 남아 있는 상태에서 cure를 하게 되면 제대로 된 cure가 안 될 가능성이 있습니다.(Disbond/Weak Bond)
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