복합재료는 기존 재료와 달리 성능과 구조를 동시에 설계할 수 있는 두 가지 또는 여러 가지 다른 구성으로 구성된 재료이다.단절섬유강화복합소재(SFRC)는 자동차, 건축, 항공우주 등 분야에 널리 응용되며 제조원가가 낮고 충격강도가 높으며 무게가 가볍고 강도와 강도가 높은 장점이 있다.그러나 섬유의 취향, 제조 공정 및 재료의 미세 구조의 복잡한 영향으로 인해 역학적 성능을 예측하는 것은 여전히 도전적입니다.

이 연구는 Thermo Fisher Scientific, Synopsys, 3Dmagination, Waygate Technologies 및 스위스 노스웨스턴 응용 과학 대학 고분자 공학 연구소가 공동으로 수행했습니다.연구진은 마이크로컴퓨터 단층촬영(microCT)과 3차원 이미지 분석, 역학 테스트 및 수치 모델링을 통해 재생 단탄소섬유 강화 폴리이미드11(rCF-PA11) 복합재료를 체계적으로 표징해 지속가능한 제조에서의 잠재력을 모색했다.

01. 샘플 제조

연구는 재생 T700 탄소 섬유 및 바이오 기반 폴리아미드 11 (PA11) 을 기체 재료로 채택했으며 제조 프로세스는 다음과 같습니다.

1. T700 탄소섬유용매분해(solvolysis), 섬유사이즈조정(resizing)

2. PA11과 혼합(15wt.%)

3. 견사 짜기 및 3D 프린팅 성형

그림 1: 재생 탄소 섬유 제조 프로세스 설명도

인쇄는 9T Labs의 Additive Fusion Technology(AFT)를 사용하며, 이 기술은 연속 레이어드 인쇄와 고압 융합을 결합하여 치밀한 구조와 고성능 복합부품을 실현한다.노즐 온도, 압출 속도 및 높이 제어를 통해 탄소 섬유가 균일하게 분포되어 손상되지 않도록 합니다.

그 후 폐쇄된 금형에 가열과 압력을 가하여 융합 처리하여 층간 공극을 제거하고 섬유-기체 인터페이스의 결합력을 높인다.

그림 4: 단섬유 강화 복합재료의 응력 – 응변 곡선

02.역학 성능 테스트

DIN 527-1 표준으로 0 ° 및 90 ° 취향의 시료를 제조하여 실온에서 준정적 스트레칭 테스트를 진행한다.

결과 표시:

• 0 ° 방향 샘플: 강도가 높고 아삭아삭한 단열로 성능은 주로 섬유가 주도한다;

• 90 ° 방향 샘플: 초기 강도가 낮고 비선형이 현저하며 중합체 주도 특징을 나타냅니다.

• 같은 취향의 샘플 간의 차이가 극히 작아 실험 결과가 양호한 중복성을 가지고 있음을 나타낸다.

03.고해상도 CT 스캔

Waygate Technologies Phoenix V⑥tome⑥x M300 시스템을 통해 CT 촬영을 두 번 수행합니다.

• 전체 샘플 스캔: 전체 섬유 분포 분석(7.3µm³ 체소)

• 로컬 고해상도 스캔: 시료 중앙 영역(2µm³ 체소) 주시

그림 5: 3D 재구성 CT 볼륨 및 부분 단면

그림 6: 고해상도 CT 스캔의 볼륨 렌더링 결과

04. 이미지 분할 및 섬유 추적

Thermo Scientific 활용™ Avizo™ 3D Pro 소프트웨어의 XFiber 모듈은 CT 재구성 데이터를 분할하고 섬유 중심선을 추적합니다.이 알고리즘은 템플릿 매칭과 선 추적을 통해 단일 섬유를 추출하여 길이, 취향, 곡률 및 굴곡도를 계산합니다.결국 19만 8천 개 이상의 섬유 데이터를 얻었고, 결과를 유한 메타 모델링을 위해 Ansys로 장량 내보내었습니다.

그림 7: 단일 섬유 분할 및 부분 확대

그림 8: 영역 내 섬유 취향 분포도

그림 9: 시뮬레이션을 위한 취향 장량 데이터 내보내기

미시적 CT 영상과 정확한 추적 알고리즘을 통해 연구자들은 섬유의 취향 분포와 인터페이스 특징을 계량화하여 후속 역학 모델링과 단열 행위 분석에 기초를 다질 수 있다.