Experimental Investigation on Relationship of Winding Process Variables and Mechanical Properties for Filament Wound Composites

필라멘트와인딩 복합재의 기계적 특성과 와인딩시 공정변수와의 관계에 대한 실험적 고찰

The relationship of the winding process variables and the mechanical properties of filament wound composites is investigated experimentally. The winding process variables considered are the fiber tensions and the fiber ends. The filament wound ring specimens are fabricated using 3-axis controlled filament winding machine. Two types of carbon fibers, TZ-507 and IZ-40, are used as reinforcements and epoxy for filament winding is used as resin. During the winding process, the fiber tensions are varied from 0.5kgf to 3.0kgf, and the number of the fiber ends are varied from 1 to 6. The fiber volume fractions and the void contents for the ring specimens are measured through the resin digestion. The mechanical properties of the ring specimens are also evaluated by the split disk test. The test results show that the winding process variables affect the fiber volume fractions and the void contents of the ring specimens, which result in the variation of the tensile properties of the ring specimens. Therefore, suitable winding process variables should be applied to maximize the structural performance and the productivity for filament wound structures.

본 연구에서는 와인딩시 공정조건의 변화가 필라멘트와인딩 복합재의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 와인딩시의 공정변수로는 섬유장력과 섬유엔드수를 고려하였다. 고려한 시편은 필라멘트와인딩 공법으로 제작된 링 시편으로 강화섬유는 TZ-507 탄소섬유와 IZ-40 탄소섬유를 사용하고 수지는 필라멘트와인딩용 에폭시를 사용하였다. 와인딩시 섬유장력은 0.5kgf에서 3.0kgf의 범위에서 변화시켰으며 섬유엔드수는 1엔드에서 6엔드의 범위에 서 변화시켰다. 와인딩시 섬유장력과 섬유엔드수를 변화시킨 링 시편의 섬유체적비와 기공함유율은 황산용해법을 적용하여 측정하였으며 이들 링 시편의 기계적 특성은 스프릿 디스크 시험을 통해 평가하였다. 본 연구의 수행을 통해 얻어진 결과들로 판단하면 와인딩시 섬유 장력과 섬유엔드수는 필라멘트와인딩 복합재의 섬유체적비와 기공함유율을 변화시킬 뿐 아니라 필라멘트 와인딩 복합재의 기계적 특성에도 밀접한 영향을 미친다. 따라서 필라멘트와인딩 복합재의 구조성능을 극대화하고 생산성을 향상시키기 위해서는 최적의 필라멘트 와인딩 공정조건이 적용되어야 한다.