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섬유배향각도에 따른 3D 프린팅된 탄소섬유복합재 인장강도 계산
안재훈(J. H. Ahn),민병권(B.-K. Min) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 연구에서는 이방성 및 등방성 재료 파손 이론을 이용하여 3D 프린팅된 탄소섬유복합재의 섬유배향각도에 따라 다른 인장강도를 계산하는 방법을 제안한다. 탄소섬유복합재 3D 프린팅과 관련된 연구는 장기 체공을 위해 부품 경량화가 필수적인 무인항공기 산업에서 활발히 진행되고 있다. 유선형 구조의 무인항공기에 사용되는 3D 프린팅 탄소섬유복합재 부품은 탄소섬유의 배열 방향에 따라 허용응력이 달라지는데 이는 섬유배열과 평행한 응력에 저항이 강하고 수직한 응력에 취약한 섬유강화복합재의 특성을 가지고 있기 때문이다. 기계 구조의 안전계수 및 허용하중은 인장강도와 섬유배향각도 사이의 관계를 수식으로 분석하여 설계한다. 선행 연구에서는 이방성 재료의 변형에너지에 기반한 파손이론을 통해 섬유배향각도에 따른 3D 프린팅된 시료의 인장강도를 계산하였다. 하지만 3D 프린팅된 탄소섬유복합재는 탄소섬유를 외부로부터 보호하기 위한 상하층 폴리머 사이에 섬유 강화된 폴리머층으로 이루어진 샌드위치 구조로 제조된다. 이방성 특징을 갖는 탄소섬유강화층과 등방성 특징을 갖는 폴리머층이 샌드위치 구조를 이루고 있어 한 가지 재료 성질에 대한 파손이론을 적용하여 3D 프린팅된 탄소섬유복합재의 인장강도를 계산하면 이론값과 측정값의 오차가 크게 발생하는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 샌드위치형 이종재료를 이루는 재료층의 방향성을 고려하여 3D 프린팅된 탄소섬유복합재의 인장강도를 계산하는 방법을 제안한다. 이방성 및 등방성 재료 파손 이론을 적용하여 섬유배향각도에 따른 3D 프린팅된 탄소섬유복합재의 인장강도를 계산하였다. 제안한 방법을 검증하기 위해 인장시험을 통해 섬유배향각도에 따른 인장강도를 측정하였으며 계산한 인장강도와 비교하였다.