복합소재 부품 설계 및 제조

복합소재 제조는 전통적인 제조와 중요한 차이점이 몇 가지 있습니다. 복합소재 제조는 고분자, 금속, 세라믹, 탄소와 같은 다양한 재료의 층을 사용합니다. 재료 층을 레진 매트릭스에 임베드하여 구체적인 특징을 가진 재료를 만들어내는 것입니다. 반면 전통적인 제조는 대개 하나의 재료를 가지고 형성하거나 자르거나 성형하여 원하는 제품을 만드는 것입니다. 또 다른 차이점에는 재료 성분, 재료 속성, 공정 기법, 설계 유연성, 무게 대비 강도 비율, 비용, 생산 속도 등이 있습니다.

설계에서 복합소재란 구체적인 성능 특징을 달성하기 위해 특징이 뚜렷하게 다른 두 개 이상의 컴포넌트를 결합하여 엔지니어링한 재료입니다. 이러한 컴포넌트에는 일반적으로 강화 단계(예: 섬유 또는 파티클)와 매트릭스(대개 고분자 또는 레진)가 포함됩니다. 복합소재는 무게 대비 강도 비율이 뛰어나고 내부식성이 높으며 기계적 속성을 맞춤화할 수 있다는 특징으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 특징 덕분에 항공우주, 자동차, 에너지, 스포츠 장비 등 다양한 산업에서 빼놓을 수 없는 소재입니다. 디자이너들은 복합소재 재료를 전략적으로 선택하고 배치를 구성함으로써 구조적 무결성을 향상하고 무게를 줄이는 등 현대 엔지니어링과 제품 개발에서 중요한 요구 사항을 충족하도록 맞춤화된 속성을 갖춘 복합소재를 만들 수 있습니다. 복합소재는 디자이너가 혁신과 효율성의 한계를 넘어서는 데 도움이 됩니다.

복합소재 제조는 복합소재 부품을 제조하기 위한 상세한 지침을 정의하는 프로세스입니다. 여기에는 코어, 개별 플랫 플라이 층, 전환, 드레이프, 스플라이스 적용 기능을 생성하는 작업이 포함됩니다. CDMA는 이 모든 기능을 제공할 뿐만 아니라 Creo 설계 환경에 원활하게 통합된 자동 플라이북 생성 기능도 지원합니다. CDMA를 사용하면 재료 속성을 정확하게 제어할 수 있기 때문에 강도와 내구성이 높은 다목적 제품을 만들 수 있습니다.

복합소재 재료를 선택할 때는 구체적인 용도와 필요한 속성을 고려합니다. 예를 들면 강도, 무게, 내구성, 환경 영향 등을 고려하는 것입니다. 복합소재는 다재다능하기 때문에 항공우주 및 자동차부터 건설 및 스포츠 장비까지 다양한 산업에서 유용합니다.

• 탄소 섬유: 강도가 높고 가벼운 재료로, 대부분이 탄소 원자로 만든 얇은 섬유로 이루어져 있습니다. 탄소 섬유를 고분자 매트릭스에 임베드하여 복합소재 재료에 결합합니다. 탄소 섬유 복합소재는 무게 대비 강도 비율이 뛰어나므로 항공우주, 자동차, 스포츠 장비 등 내구성과 낮은 무게를 요구하는 산업에 적합합니다.
• 케블러: 듀퐁(DuPont)에서 개발한 합성 아라미드 섬유로, 강도와 내열성이 뛰어난 것으로 잘 알려져 있습니다. 케블러 섬유는 장력과 내마모성 및 내충격성이 높아야 하는 경우에 주로 사용됩니다. 예를 들면 보호복, 방탄조끼, 장갑, 다양한 보호 장비에 사용됩니다.
• 유리섬유: 고품질의 유리 섬유를 대개 에폭시나 폴리에스터 레진 등의 고분자 매트릭스에 임베드하여 만든 복합소재 재료입니다. 강도가 높으며 가볍고 내부식성이 높다는 점에서 가치가 높습니다. 다재다능하고 비용 효과적이라는 특징 덕분에 유리섬유는 건설, 조선, 자동차 부품 및 다양한 소비자 제품에 주로 사용됩니다.

Creo Simulation 사용자는 설계 단계에서 생성된 복합소재 부품의 질량 특성에 액세스하여 복잡한 부품의 구조를 분석할 수 있습니다. 이 과정에서 각 플라이의 재료 특징과 방향을 고려함으로써 최종 부품이 엔지니어링 요구 사항을 충족하도록 할 수 있습니다. 소프트웨어의 드레이핑 시뮬레이션 기능을 활용하여 플라이 생산 가능성을 분석하고 플라이 플랫 패턴도 생성할 수 있습니다.

복합소재는 특정 요구 사항에 맞춤화할 수 있다는 점 때문에 가치가 높으며, 성능과 무게, 내구성 등의 측면에서 전통적인 재료는 적합성이 부족한 많은 산업에서 다방면에 활용됩니다. ACMA(American Composites Manufacturing Association)에 따르면 복합소재를 가장 많이 사용하는 산업은 풍력 발전(25%), 항공우주(20%), 스포츠 상품/오락(10~12%), 자동차(10~12%), 사출 성형 플라스틱용 조제(5~8%), 압력 용기(5~8%), 건설 및 인프라(5~8%)입니다. 그 외 다른 시장 분야 또한 15%를 차지하며, 활용 사례가 추가로 발견되면서 비율이 늘고 있습니다.

복합소재 제조 공정의 세 가지 유형은 개방형 성형, 폐쇄형 성형, 주조 폴리머 성형으로서 각기 독자적인 이점이 있습니다.

• 개방형 성형은 일반적으로 저렴한 복합재 제조 방법이므로 프로토타입 제작 또는 소규모 생산 실행에 유용합니다. 개방형 성형에서는 수지 및 섬유 보강재가 함유된 복합소재 재료를 금형에 넣은 후, 시간이 지남에 따라 경화되고 단단해지는 환경에 노출시킵니다.
• 폐쇄형 몰딩의 경우, 제조되는 복합재는 일반적으로 진공 백 또는 양면 몰드에 의해 외부 환경과 차단됩니다. 폐쇄형 몰딩을 통해 제조업체는 빠르고 일관되며 표면 마감 상태가 더 우수한 고품질 부품을 만들 수 있습니다. 따라서 폐쇄형 몰딩은 대규모 생산 실행이나 부품의 양면에 매끄러운 마감이 필요한 경우에 적합합니다. Creo CDM/CDMA는 복합소재 레이어에서 솔리드 형상을 정확하게 표현하고 연관 제조 참조 모델을 제작할 수 있어 고급 복합소재 구조 설계에 매우 적합합니다.
• 주조 폴리머 성형에서는 일반적으로 섬유 보강재가 없는 수지와 필러의 혼합물을 금형에 부은 다음 경화되도록 둡니다. 주조 폴리머는 최종 설계에 따라 특정 강도 요구 사항을 충족하도록 설계되며, 모든 크기 또는 모양에 맞게 설계할 수 있습니다.