3D 직조 탄소 섬유 프리폼으로 만들어진 다기능 팽창 및 벌집 복합재

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22593(2022) 이 기사 인용

2016 액세스

1 인용

측정항목 세부정보

3차원(3D) 직조 복합재는 주로 항공우주 및 자동차 분야의 잠재력을 지닌 다양한 산업 부문에서 응용 분야를 찾기 시작했습니다. 3D 직조 직물은 자동화된 복합재 제조에 사용할 수 있는 복잡하고 그물 모양에 가까운 프리폼을 형성하도록 설계될 수 있습니다. 3D 직조 허니콤 패브릭은 양수 및 음수 포아송 비와 같은 완성된 복합재에 추가 기능을 포함하도록 설계되었습니다. 본 연구에서는 복합 구조로 제조될 때 팽창 거동의 효과를 입증하기 위해 다양한 직조 디자인을 사용하여 복잡한 벌집 구조를 만들었습니다. Jacquard UNIVAL 100과 3072 6k 탄소 섬유 토우의 크릴이 장착된 Staubli 3D 직조 시스템을 사용하여 설계된 벌집 구조를 직조했습니다. 단단한 폴리에스터 폼 인서트의 도움으로 3D 직조 직물은 벌집형 및 팽창성 프리폼으로 변환되었습니다. 이러한 프리폼은 에폭시 수지를 사용하여 주입되어 벌집형 및 팽창성 복합 구조 세트를 제조했습니다. 기본 벌집 구조와 비교하여, 개발된 팽창 복합재는 인장 및 압축 시험의 경우 각각 -2.86 및 -0.12의 음의 포아송 비를 나타냄이 입증되었습니다.

다기능 3D 직조 복합재는 점진적인 파손을 통해 에너지를 흡수하는 동시에 파손 시작 이후 점진적인 부하 프로파일 감쇠를 유지하는 능력을 갖추고 있습니다1,2. 결과적으로 충돌이나 충격 하중을 견딜 수 있는 능력이 설계 요구 사항인 상황에서 큰 관심을 끌고 있습니다. 3D 직조 복합재는 다양한 분야, 특히 항공우주 및 자동차 응용 분야에서 응용 분야를 찾기 시작했습니다. 몇몇 OEM 및 Tier 1 제조업체에서는 이러한 구조를 적극적으로 조사하고 있습니다. 항공우주 분야에서는 3D 직조 구조가 이미 팬 블레이드와 팬 케이스에 사용되고 있습니다. 개발은 초기 단계에 있으며 충격 성능을 개선하고 구조물의 무게를 최적화할 수 있는 기회가 많습니다. 자동차, 버스, 기차와 같은 차량에 사용되는 충돌 구조를 정확하게 예측하고 제조를 반복하는 것이 중요합니다. 3D 직조를 사용하여 복합재에 추가 기능을 추가할 수도 있습니다.

3D 직조는 전문적인 활동이며 필요한 연구를 수행할 수 있는 센터가 거의 없습니다. DORNIER 및 STAUBLI와 같은 섬유 제조업체는 3D 직조 기계를 제조하지만 복합재 응용 분야를 위한 3D 직조 직물은 현재 초기 단계에 있습니다. 영국에서는 Sigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons 및 Antich & Sons와 같은 회사가 3D 직조를 활용하기 위한 내부 역량을 개발했지만 공급망 전체에 이러한 기술을 배포하려면 더 많은 R&D가 필요합니다. 최근 셰필드 대학교 AMRC는 격차를 해소하고 산업을 지원하는 데 사용될 3D 직조 기능을 구축했습니다.

3D 직조 프리폼은 고급 복합재 제조 시 다기능성을 입증할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 3D 다기능 구조 중 하나는 업계에서 조사하고 시연해야 하는 보조 기능입니다. 이는 확장 가능한 벌집형 구조3의 형태일 수 있으며, 직조 및 테스트를 통해 충돌, 압축 및 충격과 같은 높은 손상 내성을 갖춘 기능과 잠재적으로 향상된 기계적 성능을 보여줄 수 있습니다. 그림 1은 기하학적 측면에서 팽창 구조를 기존의 벌집 구조와 비교한 내용을 설명합니다. 즉, 장력에 노출된 팽창 재료는 인장력이 가해진 방향으로 치수가 증가합니다. 팽창 구조는 충돌 상황에서 우수한 에너지 흡수와 같은 여러 가지 장점을 가지고 있지만 예측 가능한 동작을 갖는 팽창 구조의 반복 가능한 제조에는 추가 작업이 필요합니다4.