선박 및 해양구조물 적용을 위한 3D 프린트 복합재료의 다양한 섬유 방향성이 베어링 강도에 미치는 영향 연구 = Study on the effect of different fiber orientations on bearing strength in 3D printed composite materials for ship and marine structure applications

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 국제해사기구에서는 이를 해결하기 위해 온실가스 배출량에 관한 규제를 강화하고 있다. 온실가스 배출량 관련 규제를 만족하기 위한 방법들 중 선박 경량화는 연료 효율을 증가시켜 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있어 고려되는 방안 중 하나이다. 선박 경량화를 위한 방법으로는 복합재료 적용이 고려될 수 있으며, 실제 해양 레저 선박, 특수선 등에 적용되고 있다. 또한, 복합재료 중 3D 프린트 복합재료는 빠르고 쉽게 제작할 수 있어 조선 및 해양뿐만 아니라 항공우주, 건축, 의료 등 다양한 산업에서 최근 활발히 연구되고 있다.
3D 프린트 복합재료를 구조물에 적용하기 위해서는 금속과 복합재료 또는 복합재료 구조물 간의 연결이 필요하다. 3D 프린트 복합재료의 경우 열에 취약하므로 용접은 선호되지 않으며, 주로 접착 또는 기계적 체결이 이루어진다. 접착 체결 방법의 경우, 환경적 영향을 많이 받으며 비교적 낮은 강도를 보이기 때문에 복합재료에서는 주로 기계적 체결이 이루어진다. 복합재료의 기계적 체결은 기하학적 형상과 섬유 방향 등에 영향을 받으며, 이에 따라 강도가 크게 달라진다. 기하학적 형상의 경우 다양한 변숫값들을 이용하여 실험과 해석이 이루어졌으나, 섬유 방향의 경우 특정한 각도에 관한 연구가 주로 이루어졌다. 특히, 3D 프린트 방식 중 융합 필라멘트 제조 방식의 경우 기존 복합재료들과 다른 특성을 가져 섬유 방향에 따른 강도 경향이 기존과 다를 수 있어 추가적인 연구가 필요하다.
이에 본 연구에서는 융합 필라멘트 제조 방식으로 다양한 섬유 방향을 가지는 3D 프린트 복합재료 시편을 제작하고 베어링 강도 실험을 통해 연구를 진행하였다. 시편의 경우 대칭 섬유 방향을 가지는 시편 7종류와 적층 순서가 다른 준등방성 시편 7종류를 제작하였으며, 만능재료시험기를 통해 실험을 진행하였다. 실험 결과를 바탕으로 베어링 응력-변형률 선도를 이용하여 섬유 방향에 따른 베어링 강도 경향을 확인하고, 마이크로 CT 및 현미경을 통해 파손 모드를 분석하였다. 실험 결과, 융합 필라멘트 제조 방식으로 제작된 복합재료는 기존 복합재료와 달리 ±15° 섬유 방향에서 가장 높은 베어링 강도를 보였으며, 이를 기준으로 준등방성 시편을 제작할 시 0° 섬유 방향을 기준으로 한 준등방성 시편과 유사한 베어링 강도를 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the issue of climate change grows more severe, the International Maritime Organization (IMO) has strengthened regulations on greenhouse gas (GHG) emissions to address the problem. Among the methods to comply with GHG emission regulations, ship weight reduction is considered one of the effective solutions, as it enhances fuel efficiency and reduces carbon dioxide emissions. The application of composite materials is a potential approach to achieving ship weight reduction and is already being utilized in marine leisure vessels and specialized ships. In particular, 3D-printed composite materials, due to their ability to be manufactured quickly and easily, have been actively studied not only in the shipbuilding and marine sectors but also in various industries such as aerospace, construction, and medical fields.
To apply 3D-printed composite materials to structures, connections between metals and composites or between composite structures themselves are required. Since 3D-printed composite materials are vulnerable to heat, welding is not preferred, and bonding or mechanical fastening is typically employed. Among these methods, adhesive bonding is less favored in composite materials due to its susceptibility to environmental factors and lower strength, making mechanical fastening the more common approach. The mechanical fastening strength of composites is significantly influenced by factors such as geometric parameters and fiber orientation. While various experimental and analytical studies have been conducted on the effects of geometric parameters, research on fiber orientation has primarily focused on specific angles. In particular, the Fused Filament Fabrication (FFF) method among 3D printing techniques exhibits unique characteristics compared to traditional composites, potentially leading to different trends depending on fiber orientation, highlighting the need for further investigation.
In this study, 3D-printed composite specimens with various fiber orientations were fabricated using the FFF method to investigate their bearing strength. A total of 14 specimens were prepared, including 7 types with symmetric fiber orientations and 7 types with quasi-isotropic fiber orientations. Tests were conducted using a universal testing machine, and the results were analyzed based on bearing stress-strain curves to identify the trends in bearing strength according to fiber orientation. Additionally, failure modes were examined through micro-CT and microscopy analyses. The test results showed that composites fabricated using the FFF method exhibited the highest bearing strength at ±15° fiber orientation, which differed from traditional composites. Additionally, quasi-isotropic specimens designed based on this fiber orientation demonstrated comparable bearing strength to those designed based on the 0° fiber orientation.

목차 (Table of Contents)

• 국문 요약 i
• 목차 ii
• 그림 목차 iv
• 표 목차 vi
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 시편 분석 이론 5
• 1.2.1 베어링 강도 및 베어링 변형률 5
• 1.2.2 손상 에너지 6
• 1.2.3 파손 모드 6
• 제 2 장 3D 프린트 복합재료 실험 시편 제작 8
• 2.1 3D 프린트 복합재료 시편 제작 방식 8
• 2.2 3D 프린트 복합재료 시편 재료 및 치수 10
• 2.3 3D 프린트 복합재료 시편 섬유 방향 12
• 2.3.1 대칭 섬유 방향 시편 13
• 2.3.2 준등방성 시편 14
• 2.4 Eiger Software 를 통한 시편 분석 15
• 2.4.1 섬유 체적 비율 15
• 2.4.2 Eiger Software 및 마이크로 CT 비교 16
• 제 3 장 베어링 강도 및 파손 모드 평가 18
• 3.1 시험 장치 및 조건 18
• 3.2 대칭 섬유 방향 시편 실험 20
• 3.2.1 대칭 섬유 방향 시편 시험 결과 20
• 3.2.2 대칭 섬유 방향 시편 파손 모드 27
• 3.2.3 대칭 섬유 방향 시편 손상 에너지 32
• 3.3 준등방성 시편 실험 33
• 3.3.1 준등방성 시편 시험 결과 33
• 3.3.2 준등방성 시편 파손 모드 37
• 3.3.3 준등방성 시편 손상 에너지 38
• 제 4 장 결론 39
• 참고문헌 41
• Abstract 44