Editorial Board

탄소섬유가 30 % 포함된 LFT-G社의 PA6-NA-LCF30 소재를 사출성형하여 Fig. 1에 표시된 판 형상을 갖는 중간재를 제작하였다. 제작된 중간재는 180 mm × 260 mm × 5 mm 크기로 280 g의 무게를 갖는다. 열⋅유변 물성 도출을 통해 고온에서 열가소성 폴리머의 부피 감소를 고려하여 백 프레임 성형에 필요한 중간재 개수를 도출하였다. 제작된 중간재의 기계적 물성 특성은 Table 1을 통해 확인할 수 있다. 연속 섬유 수준의 높은 충격강도와 열가소성 수지의 성형성을 겸비한 LFT 복합소재를 적용하여 시트 백 프레임 성형을 수행하였다.

Fig. 1 
PA6-LFT intermediate

LFT 중간재에 함침 되어있는 폴리머는 하중 및 고온 조건에서 비체적이 달라지는 특징을 가지고 있다. 이러한 특성은 금형 내에 중간재의 흐름 및 충진에 영향을 미치는 요소로 작용한다.

Fig. 2(a)는 온도에 따른 PA6 LFT 소재의 PVT 선도로 동일 소재의 온도/하중 조건에서 비체적의 변화를 알 수 있다. LFT 가열은 IR 히터를 이용하여 외부에서 가열 후 프레스에서 성형된다. 이를 고려하였을 때 가열 간 별도의 하중이 LFT 중간재에 작용하지 않는 조건이 적용되어야 한다. PVT 선도 기준 50/100/150 MPa에서 260 ^oC 기준의 비체적 데이터를 기준으로 0 MPa 조건에서 비체적 변화율을 도출하였다. 이를 통해 얻은 상온 25 ^oC 0.8012와 260 ^oC 기준으로 0.9154의 비체적을 확인하였다. 상온 상태와 고온 상태에서의 LFT 중간재의 비체적을 고려하였을 때 고온의 조건 260 ^oC에서 금형의 중공 부피보다 약 1.14배의 소재를 추가로 투입해야 한다는 것을 확인하였다.

Fig. 2 
Measurement of thermal and rheological properties of PA6 polymer impregnated with CF30 wt% LFT (a) PVT diagram according to processing pressure, (b) Viscosity measurement according to temperature

또한 Fig. 2(b)는 소재의 점도를 측정한 것으로 온도에 따른 점성 변화율을 측정하였다. LFT 펠렛에 함침되어 있는 PA6 폴리머의 용융 온도는 230 ^oC 수준으로 산화 및 무게 감소는 300 ^oC 온도 구간에서 발생한다. LFT 소재의 열⋅유변 물성 측정을 통해 종합적으로 점도가 높고 중간재에 손상을 가하지 않는 구간 도출을 통해 270 ^oC 온도 구간에서 가장 낮은 점도 감소를 확인하였다. 이를 통해 프레스 기반의 압축 성형 공정 시 LFT 중간재 투입 개수 선정을 위한 데이터와 폴리머의 흐름성 감소를 최소한으로 하기위한 공정 조건을 도출하였다.

LFT 소재를 이용한 시트 백 프레임 성형 공정을 Fig. 3에 도식화 하였다. IR 히터가 상⋅하부에 장착된 기구 중심에서 가열이 진행되며 LFT 운송 장치를 통해 몰드 내부로 이동 후 프레스를 이용하여 압축⋅충진 성형을 수행한다.

Fig. 3 
LFT seat back frame forming process

시트 백 프레임 성형 금형은 형합 시 중공 중량이 2.03 kg으로 앞 절의 PVT 선도를 통해 부피 감소율을 적용하여 중간재 투입량을 산정하였다. IR 히터를 이용한 중간재의 가열은 외부의 하중이 작용하지 않으므로 Fig. 2(a)의 50~150 MPa 기준으로 추세선을 통해 260 ^oC / 0 MPa의 조건에서 부피 변화량 확인하였다. 금형 중공 체적 1,704,174와 중간재의 체적은 234,000이다. 270 ^oC의 환경에서 감소하는 부피 감소율을 고려하여 최종적으로 7.5개의 중간재 투입량을 도출하였다.

LFT 중간재는 IR 히터를 통해 가열되며 280 ^oC로 약 8분간 가열을 진행하였고 최종적으로 압축⋅충진 성형 이전 중간재의 온도는 270 ^oC 수준이다. 이때 금형의 상형 온도는 145 ^oC, 하형 온도는 155 ^oC로 400 ton 프레스를 통해 압축⋅충진 성형이 수행되었다.

LFT 중간재 배치는 Fig. 4(a)와 같이 수행되었다. 제품 중간재 배치 불균형은 표면의 싱크 마크 등 표면 불량을 발생시킨다. 또한 한곳에 치우친 중간재 배치는 제품 전체의 LFT 소재의 섬유 배향 불량과 뒤틀림이 발생하는 문제가 있다. 특히 LFT 중간재의 빠른 압축 공정은 함침 되어있는 폴리머만 배향되어 내부의 강화 섬유의 배향이 균등하지 않는 문제점이 발생한다. 이는 기계적 물성 저하와 특정 부위에 섬유 뭉침 등 시트 백 프레임 성형품의 품질 불량을 초래한다. 이러한 불량 문제를 해결하기 위해 균등한 중간재 배치가 필수적으로 요구된다. 균등한 중간배 배치를 통해 LFT 시트 백 프레임 성형품을 제작하였으며 Fig. 4(b)를 통해 확인할 수 있다.

Fig. 4 
Seat-back frame molding process (a) Heating LFT prepreg material arrangement in the mold, (b) Seat-back frame compression filling molding result using LFT material

압축⋅충진 성형 공정을 통해 제작된 시트 백 프레임은 취출 온도에 따른 성형품의 뒤틀림, 형상 공차 등 품질 평가를 위해 제작되었다. 제작된 시트 백 프레임은 압축 충진 성형 이후 바로 취출된 급랭 시편과 금형의 형합 상태로 상온까지 냉각 후 취출된 서냉 시편이 제안되었다.

열가소성 PA6 폴리머의 경우 가열을 통해 용융 온도를 지나는 시점에서 점탄성 액체 상태로 금형 형합과 함께 냉각을 통해 점탄성 고체 상태로 상태 변화가 진행된다. 성형 이후 바로 취출 된 시트 백 프레임의 경우 구속 없이 상온에 노출되며 급격한 열 구배로 뒤틀림이 발생할 것으로 판단되었다. 상온에 노출된 성형품의 열 방출로 인해 표면이 먼저 고화가 진행되며 코어는 점탄성 액체 상태로 변형된 표면의 형상대로 냉각과 함께 고화가 진행된다. 성형 이후 냉각 후 취출된 시편의 경우 금형 온도로 인한 냉각과 지속적인 하중으로 인해 성형품 형상의 재현성이 상온 취출 시편보다 안정적일 것으로 판단된다.

급격한 열 구배로 인한 시트 백 프레임 성형품의 형상 재현성을 비교 분석하기 위해 각각의 급랭 시편과 서냉 시편을 각각 제작하여 비교 분석하였다. Fig. 5(a)와 같이 헤드레스트, 등받이, 리클라이너 연결부 등 각각의 성형품은 각기 다른 ①~⑥ 영역의 두께를 비교하였다. 각 영역은 성형 취약 부위인 리브, 굴곡을 포함한 영역으로 30x30 형상을 도출하여 형상의 재현성을 비교하였다. Fig. 5(b)의 그래프 중심은 모델링 수치로 이와 근접할수록 모델링 치수와 유사한 것을 확인 할 수 있다. 각 급랭, 서냉 시편의 두께 정보는 Table 2를 통해 확인할 수 있다. ① 영역의 경우 기존 두께 3 mm 대비 급랭, 서냉 시편이 각각 3.4 mm, 2.8 mm로 +13 %, -7 % 수준의 두께 편차가 확인되었다. 각각의 영역을 설계 치수 기준으로 비교해본 결과 ② 영역의 경우 기존 두께 2 mm 대비 급랭 서냉 시편이 각각 2.5 mm, 2.8 mm로 +25 %, 40 % 수준의 두께 편차가 확인되었다. ③ 영역의 경우 기존 두께 3 mm 대비 급랭 서냉 시편이 각각 2.9 mm, 2.95 mm로 +4 %, + 2 % 두께 편차가 확인되었으며 ④ 영역의 경우 기존 두께 5.5 mm 대비 급랭 서냉 시편이 각각 4.9 mm, 5.15 mm 수준으로 -11 %, -6 % 편차가 확인되었다. ⑤ 영역의 경우 기존 두께 3 mm 대비 두 시편 모두 3.3 mm로 +10 %의 두께 편차가 확인되었다. ⑥ 영역의 경우 기존 두께 3 mm 대비 급랭 서냉 시편이 각각 3.4 mm, 3.25 mm로 +13 %, + 8% 두께 편차를 확인하였다. 급랭 서냉 취출된 두 시편의 시트 백 프레임의 형상 재현성을 비교해본 결과 서냉 시편이 모델링과 유사한 수치를 갖는 것을 확인하였다.

Fig. 5 
Comparison of thickness deviation by location of CTE-mismatch specimen and cooling RT specimen; (a) Derivation of molding vulnerable parts including ribs and bends, (b) Comparison of thickness deviation of molding vulnerable parts of seat back frame

일반적으로 발생하는 뒤틀림은 성형품의 냉각 불균형 및 냉각 시간에 의한 열팽창 불일치 그리고 배향 이방성에 의한 수축률 차이, 최종적으로 취출 불균형에 의해 고화되지 못한 폴리머의 잔류 응력이 뒤틀림의 원인이 된다. 본 공정에서는 이러한 문제를 방지하기 위해 중간재를 제작하고 중간재의 균등한 배치를 통해 불량 요소를 최소화 하였다. 따라서 냉각시간 및 수축 차이가 주요 원인으로 판단되어 바로 취출 시편과 상온 냉각 시편의 3D 스캔을 통해 설계된 제품과 뒤틀림 수준을 비교하였다.

Fig. 6과 같이 급랭 시편의 경우 헤드레스트 영역에서 등고선 5 mm 이상의 종 방향 변형이 관측되어 확인해본 결과 6.4 mm의 처짐이 확인되었다. 형상의 전반적인 뒤틀림은 등받이 부분을 제외한 헤드레스트, 리클라이너 연결부에서 설계와 마이너스 방향의 처짐이 확인되었다. 서냉 시편의 경우 헤드레스트, 리클라이너, 등받이 모든 영역이 5 mm 내에 위치하여 전반적으로 설계 기준에 충족하는 뒤틀림이 확인되었다.

Fig. 6 
Warpage measurement by comparing the shape reproducibility of the manufactured seat-back frame with the modeling file using the 3D scanner

3D 스캔을 통해 바로 취출된 시편과 상온 냉각 시편의 뒤틀림 수준을 확인하였다. 보다 자세한 뒤틀림 수준을 확인하기 위해 Fig. 7과 같이 등고선에서 높은 변형이 관측된 헤드레스트, 등받이, 리클라이너 연결부의 단면을 도면 데이터와 비교하였다.

Fig. 7 
Warpage measurement by position through cross-section division of LFT seat-back frame

급랭 시편과 서냉 시편의 뒤틀림 수준을 비교하기 위해 헤드레스트, 등받이, 리클라이너 연결부 3 포인트의 전단면을 도면과 비교하였다. 높은 변형이 관측된 세 영역은 유사한 플랜지 형상으로 Fig. 8(a)와 같이 좌⋅우측 3포인트 측정을 통해 횡 방향의 뒤틀림을 평가하였다.

Fig. 8 
Warpage analysis through comparison of cross-sections 1, 2, 3 and CTE-mismatch specimens and cooling-RT specimens (a) Overall hat type shape and measurement point (b) Cross-section 1 deviation between CTE-mismatch and cooling-RT specimens Measurement (c) Deviation measurement of cross-section 2 (d) Deviation measurement of cross-section 3

Φ₁은 형상의 끝단을 제어하는 영역으로 형상의 재연성에 큰 영향을 미치지 않는다. Φ₂의 각도는 성형품의 날개 위치와 성형품의 끝단의 높이를 제어하는 요소로 작용한다. Φ₃의 각도는 시트 백 프레임의 전반적인 형상을 좌우하는 요소로 해당 Φ₃의 높은 편차는 비틀림의 주된 원인으로 작용한다. Φ₃의 높은 편차는 Φ₂과 Φ₁이 정상 범위 내에 성형이 이루어져도 형상의 비틀림을 제어할 수 없다.

급랭 시편의 경우 종합적으로 마이너스 종 방향의 처짐을 확인할 수 있으며 Fig. 8(b)를 통해 L_Φ₃과 R_Φ₃ 위치에서 안쪽으로 비틀림이 발생한 것으로 확인되었으며 L_Φ₂, R_Φ₂ 위치에서는 반대로 감소하는 경향이 관측되었다. Fig. 8(c)에서 서냉한 시편의 L_Φ₃과 R_Φ₃는 설계 치수와 유사한 위치에서 관측되나 급랭 시편의 L_Φ₃과 R_Φ₃ 경우 높은 편차로 인해 내측으로 큰 비틀림이 발생한 것을 확인할 수 있다. Fig. 8(d) 경우 반대로 L_Φ₃과 R_Φ₃이 외측으로 비틀림이 발생한 것을 아래의 실험 결과를 통해 확인할 수 있다.

헤드레스트, 등받이, 리클라이너 연결부 각각의 뒤틀림 편차는 서냉 시편이 급랭 시편보다 설계 도면과 유사한 재현성을 갖는 것을 확인하였다. 실험 결과를 통해 취출 온도에 따른 폴리머의 수축 차이가 형상 뒤틀림의 주요 요인 원인으로 판단된다.