FEA를 이용한 CFRP 시뮬레이션의 어려움

하이퍼웍스로 CFRP 시뮬레이션을 진행하다.


알테어 HyperWorks 를 이용한 Solvay 의 CFRP 시뮬레이션 연구 사례입니다.



  FEA (Finite Element Analysis) 를 사용하면 가상 부품에 작용하는 다양한 힘을 시뮬레이션 할 수 있으며, 물리적 소재의 단일 조각을 절단하기 전에 설계를 결정할 수 있고, 이를 통해 많은 시간과 비용을 절약 할 수 있습니다. 하지만 FEA는 우리가 일반적으로 알고 있는 것보다 더 많은 일을 합니다. 예를 들어, 굽힘을 받는 강철 빔과 같은 기본 시나리오는 동일한 굽힘 힘을 받는 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic) 빔보다 시뮬레이션이 쉽습니다. 그 이유는 강철 조각은 비슷한 성질이 있는 반면, CFRP 빔은 적층구성으로 섬유가 서로 각도를 이루어 작동하기 때문입니다. 그것은 이방성 행동, 다공성 및 층 사이의 마찰을 나타내며, 이는 행동을 예측하기 어렵게 만듭니다.

  Solvay 는 열가소성 CFRP 인 Evolite과 열경화성 CFRP 인 SolvaLite를 포함한 다양한 제품을 보유하고 있는 CFRP 제조업체입니다. 이러한 재료의 작동 방식에는 근본적인 차이점이 있으므로 두 가지 유형의 제품에 모두 적합한 단일 규칙의 맞춤형 시뮬레이션과 솔루션이 존재하지 않습니다. 서로 다른 부분이 많기 때문에 이런 솔루션을 위한 수차례의 연구가 필요합니다.

스크린샷 2018-03-02 오후 4.38.06CFRP 자동차 문 (Solvay 이미지 제공)


  그래도 재료, 제조 엔지니어들과 화학자들이 모두 CFRP 제조 시뮬레이션에 대한 연구를 계속하고 있고, 기계적인 관점에서뿐만 아니라 충돌 테스트의 시뮬레이션을 포함한 제조의 모든 단계에서도 연구가 진행되고 있습니다. 이들은 알테어 엔지니어링 솔루션들에 기반을 둔 Troy Mic 를 활용해 목표를 달성하고 있습니다. Solvay 가상 엔지니어링 매니저 인 파비오 브레산 (Fabio Bressan) 은 나노 레벨과 마이크로 스케일 레벨, 그리고 거시적 레벨의 툴링에서의 시뮬레이션을 목표로 하고 있다고 밝혔습니다. 그리고 트림 경화 프로세스를 시뮬레이션하고, 경화 시뮬레이션의 이슈인 멀티 피직스 문제는 시간, 온도 및 점도에 따라 다양하다고 밝혔습니다.

  경화에 영향을 미치는 요소들 사이에서의 동적인 관계는 CFRP의 열가소성과 열경화성 행동의 차이를 구별하는 중요한 쟁점 중 하나입니다.

CFRP 제조 101
  사용 된 소프트웨어의 실제 세부 사항을 조사하기 전에 CFRP 제품과 그 제조 방법을 간략하게 살펴 보겠습니다. 순서는 다음과 같이 진행됩니다.

  1. 프리즘 재료 절단 및 조립
  2. 예비 성형 및 입체 재단
  3. 가압 및 가황 경화 적용
  4. 탈형

  첫 번째 단계는 프리프레그 (prepreg) 재료를 절단하고 더 두꺼운 시트를 만들기 위해 조립하는 것입니다. 프리프레그 재료는 건조한 재료와 달리 탄소 섬유 필라멘트 또는 이미 필라멘트에 함침된 플라스틱 수지 시트로 구성됩니다.

  다음 단계는 시트를 몰드베이스 위로 드래핑하여 그물 형상의 프리폼 요소를 제공하는 것입니다. 이 드래핑 단계는 옳바르게 진행되지 않으면 문제를 일으킬 수 있으며, 이는 알테어의 하이퍼웍스 (HyperWorks) 시뮬레이션 소프트웨어 제품들을 이용해 진행하였습니다. 이 단계는 프리프레그 소재가 옳바르게 드레이프되지 않으면 섬유 방향이 변경되어 최적화되지 않는 부분이 생길 수도 있지만, 하이퍼웍스를 이용해 매트릭스와 섬유가 다음 단계로 통합된 3D 파트를 생성할 수 있었습니다.

스크린샷 2018-03-02 오후 4.38.16드래핑 시뮬레이션 (알테어, CEDREM 이미지 제공)

  프리폼은 압축된 다음, 다른 수지가 부품으로 주입되는 제 2 몰드로 이동된다. 이 단계의 타이밍이 중요합니다. 열경화성 플라스틱 매트릭스이기 때문에 정확한 시간에 압력을 가해 야하며 결과적으로 플라스틱의 점도와상은 돌이킬 수 없게됩니다. 스위트 스폿을 놓치면 하위 표준 부품이 생길 수 있습니다. 그리고 탈형은 마지막 단계입니다. 최종 부품이 경화를 완료하면 금형에서 제거하여 검사 준비가 끝납니다. 시뮬레이션은 금형 배출 핀의 최적 위치를 결정하여 여기서도 도움이됩니다.

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