화학공학소재연구정보센터
Korean Journal of Rheology, Vol.7, No.2, 139-149, August, 1995
수지이동 성형공정의 유동특성에 관한 실험 및 수치모사 연구
Experimental and Numerical Studies on the Flow Characteristics in Resin Transfer Molding Process
초록
실제 복합재료 제조공정에 널리 이용되는 등방성 탄소섬유직조과 에폭시수지에 대해서, 수지의 유동을 일방향으로 근사하여 비정상상태 투과계수와 모세관압을 측정하는 실험을 수행하였고, 적층된 섬유직조의 기공율, 금형 주입압력 그리고 섬유직조의 적층수에 따른 수지유동특성을 분석하였다. 또한 금형 충전과정에 대한 유동가시화 실험을 수행하여 유동선단과 충전시간을 측정하였다. 전체 조업압력에 미치는 모세관압의 영향을 규명하기위해 일정 유입압력에 따른 금형충전과정에 대하여 유한요소/관할부피 방법을 이용한 수치모사를 수행하였다. 함침공정의 수지유동에서 비정상상태 투과계수는 섬유 직조의 기공율에서 급격히 증가하였고, 에폭시수지의 표면장력에 기인한 모세관압은 기공율 감소에 따라 급격히 증가 하였다. 동일한 기공율에서 섬유직조의 적층수가 증가함에 따라 투과계수와 모세관압은 모두 증가하는 경향을 보였다. 또한 실험에서 측정한 모세관압을 고려하여 유동선단과 금형충전시간을 수치모사 방법으로 예측한 결과는 유동가시화 실험에 의한 결과와 잘 일치함을 보였다. 이결과로부터 낮은 압력에서 조업하는 RTM공정에서 모세관압효과는 유동선단과 금형 충전시간을 예측하는데 기여함을 알 수 있다.
A simple apparatus was designed and constructed so that flow would be one-directional and capable of measuring the unsteady-state permeability and the capillary pressure of carbon fiber-epoxy resin system. And the resin flow characteristics were analyzed as a function of the number of woven fabric plies. The experiments was performed for the flow visualization and measurements of flow front and mold filling time. The numerical simulation of the mold filling process was carried out based on the finite element/control volume method. The permeability of a fibrous preform increased rapidly with the porosity, and changed by resin flow direction and alignment of woven fabric. The capillary pressure induced by the surface tension of epoxy resin increased rapidly with the decrease of the porosity. The capillary pressure and permeability of fibrous preform increased with the number of woven fabric plies at the same porosity. The flow front and filling time predicted by numerical simulation taking into account of the capillary pressure were in good agreement with those observed experimentally during impregnation process. The present study carried out by both experiments and numerical analysis has verified the fact that the capillary pressure is required to obtain more accurate predictions of the flow front and filling time in resin flow modeling.
  1. Williams JG, Morris CEM, Ennis BC, Polym. Eng. Sci., 14, 413 (1974) 
  2. Kim YR, McCarthy SP, Fanucci JP, Nolet SC, Koppernaes C, 22nd SAMPE Technical Conference, 16 (1991)
  3. Adams KL, Russel WB, Rebenfeld L, Int. J. Multiph. Flow, 14, 203 (1988) 
  4. Adams KL, Miller B, Rebenfeld L, Polym. Eng. Sci., 26, 1434 (1986) 
  5. Ahn KJ, Seferis JC, Berg JC, Polym. Eng. Sci., 12, 146 (1991)
  6. Lee DH, Kim SW, Lee KJ, Korean J. Rheol., 5(1), 85 (1993)
  7. Coulter JP, Guceri SI, J. Reinforced Plastics and Composites, 7, 200 (1988)
  8. Bruschke MV, Advani SG, Polym. Compos., 11, 398 (1990) 
  9. Wang VW, Ph.D. Dissertation, Cornell University (1985)
  10. Baligar BR, Patankar SV, Numer. Heat Transf., 3, 393 (1980)
  11. Tadmor Z, Broyer E, Gutfinger C, Polym. Eng. Sci., 14, 660 (1974) 
  12. Broyer E, Gutfinger C, Tadmor Z, Trans. Soc. Rheol., 19, 423 (1975) 
  13. Kim SW, Ph.D. Dissertation, Seoul Nat. Univ. Seoul, Korea (1993)