나노탄소 강화 복합재료를 활용한 자동차 부품 사출성형공정 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi-Walled Carbon Nano-Tube), 탄소나노섬유(CNF, Carbon Nano Fiber), 그래핀(Graphene) 등의 나노탄소(Nano Carbon) 소재는 Compound를 통해 기존 엔지니어링 플라스틱의 기계적 물성을 향상시켜 Super Engineering Plastic으로 활용을 가능하게 하므로 미래 자동차용 경량 신소재로 주목받고 있다. 하지만 나노탄소 소재는 그 구조적, 화학적 특성 때문에 기저 수지와의 Compound 가 어려운 측면이 있으며, 적정한 혼련기술 개발을 통해 기저 수지와의 상용성을 개선하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 나일론수지를 베이스 폴리머로 하여 MWCNT, CNF 등의 나노탄소 소재를 강화재로 Compound 한 나노탄소 강화 복합재료를 활용하여 자동차 섀시 모듈 핵심부품인 탑마운트 하우징을 사출성형하기 위한 공정 전반에 대한 최적화 연구를 수행하였다.
우선 나일론수지와 나노탄소의 균질 혼련을 위해 배합비, 배합온도, 건조조건 등 세부공정에 대한 테스트를 진행하였으며, 물성 최적화를 위해 상용화제, 왁스, 결합제 조성을 검토하였다. 혼련된 나노탄소(MWCNT) 강화 복합재료를 실제 사출에 적용하기에 앞서 사출성형성 사전검증을 위한 사출 유동 해석을 수행하였으며, 레올로지 특성평가를 통해 PA6+MWCNT M90 복합재의 유변물성 데이터를 확보하여 물성치 적용 후 Moldflow를 활용하여 전산해석을 추진하였다. 전산해석 수행 결과 나일론 수지+G/F 50% 함량을 적용하는 것과 대비하여 제품 단위에서 유동저항이 67%가량 증대되어 성형성이 저하될 것으로 예상되는 결과를 도출하였으므로, 이를 고려한 사출성형공정 인자의 최적화를 모색하였다. 사출성형해석결과를 반영하여 사출을 위한 러너시스템 및 냉각채널을 구성하여 금형 설계 및 제작을 완료하였으며, 이어서 혼련된 복합재료를 적용한 탑마운트 하우징 시사출을 진행하였다. 시사출 진행 시 제품 표면에Silver Steak 이 발생하여 외관불량 및 물성저하가 우려되는 점을 개선하기 위해 Gas-Vent 배치를 검토하는 등 성형공정 프로세스를 안정화 할 수 있었다. 본 연구를 통해 기존 대비 우수한 강성을 가지면서도 성형품질을 안정화 할 수 있는 탑마운트 하우징 제조기술을 개발하는 결과를 도출하였으며, 나노탄소 강화 복합재료의 자동차 구조용 부품 적용을 확대할 수 있는 계기를 마련하였다.