유리 섬유/알루미늄 메시 강화 에폭시 복합재의 지지 강도에 대한 드릴링 공정 매개변수의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12143(2023) 이 기사 인용

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현재 연구에서는 두 가지 다양한 구성을 갖는 순수 GFRP(NG)와 하이브리드 GFRP/알루미늄(Al)-와이어 메쉬의 지지 강도에 대한 드릴링 매개변수 및 박리의 영향을 평가하려고 시도했습니다. 먼저 외부 표면에 Al-메시를 사용했습니다. 시편(AG)과 시편 코어에 Al-mesh가 있는 다른 하나(GA)가 있습니다. 드릴링 절차는 세 가지 다른 팁 각도(90°, 120° 및 135°)와 세 가지 다른 속도 및 이송(1000, 2000 및 3000rpm)을 갖춘 \(\varnothing\) 6mm 초경 트위스트 드릴을 사용하여 수행됩니다. 및 (각각 20, 40 및 60 mm/min). Taguchi 및 ANOVA 분석은 처리 매개변수의 영향을 분석하는 데 사용됩니다. 연구 결과에 따르면 AG 시편은 박리 손상이 가장 적은 것으로 나타났습니다. 최대 지지강도는 NG 실험체를 기준으로 하며, 이는 AG 실험체와 GA 실험체에 비해 각각 9.6%, 8.7% 더 높습니다. 드릴 포인트 각도는 AG 및 GA 시편 모두 베어링 강도에 주요 영향을 미치는 반면 NG 이송 속도는 주요 영향을 미칩니다. 개발된 회귀모델은 평균 예측오차가 3% 미만으로 높은 적합도를 보였다.

최근 몇 년 동안 특히 항공우주 및 항공 산업에서 복합 재료의 사용이 크게 증가했습니다. 이 응용 프로그램은 구조의 무게를 줄일 수 있는 강철 및 알루미늄 합금의 대체 재료에 대한 요구 사항에 중점을 두었습니다1. 이러한 방식으로 금속과 섬유 강화 복합재의 장점을 결합하여 섬유 금속 적층판(FML)으로 알려진 우수한 하이브리드 복합재를 만드는 하이브리드 복합재가 생산되었습니다. 가장 자주 사용되는 금속은 복합재 유형으로 알루미늄2입니다. FML 제품군은 ARALL, CARALL 및 GLARE와 같이 사용되는 강화 섬유가 각각 아라미드, 탄소 섬유 및 유리 섬유의 약어인지에 따라 여러 그룹으로 나눌 수 있습니다3. 금속 합금에 비해 FML의 주요 이점은 균열 성장에 대한 저항력이 더 우수하다는 것입니다. 금속 라미네이트 주변의 섬유와 폴리머가 금속의 균열 발생을 방지하는 힘 압축 메커니즘으로 기능하기 때문에 피로가 발생합니다4. 추가 기능으로는 다양한 복합재 생산 공정을 활용하여 복잡한 형상을 제조할 수 있는 능력, FML 복합재의 강력한 내식성으로 인한 중량 감소 및 유지 관리 비용 절감이 있습니다5,6. 시트 대신 금속 와이어 메쉬를 사용하면 섬유 강화 복합재와 동일한 제조 공정을 사용하여 더 복잡한 구조를 구성하는 것이 가능해집니다. 금속 메쉬의 소성 굴곡 능력은 파손 시작을 연기하고 추가 에너지 흡수체 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 수지와 수지 사이의 계면 상호 작용을 향상시키기 때문에 결합을 개선하고 결합 해제 단점을 제한할 수 있기 때문에 충격 발생 시 바람직할 수 있습니다. 복합 레이어 사이의 결합을 파괴하기 어렵게 만드는 금속 메쉬8. Al 와이어 메쉬를 추가하면 인장 및 굴곡 신율이 각각 최대 54% 및 117% 증가하고 에너지 흡수가 향상됩니다9. 이러한 하이브리드 복합재는 최고 품질의 금속과 FRP를 결합하여 기존 라미네이트에 비해 뛰어난 기계적 성능을 제공합니다. 따라서 군사, 운송, 항공우주, 잠수함 부품 및 기타 장벽 응용 분야를 비롯한 다양한 실용적이고 중요한 응용 분야에 사용될 수 있습니다9,10. 이러한 구조는 다른 방법과 함께 리벳이나 볼트와 같은 기계적 연결을 사용하여 서로 연결됩니다. 구조물을 조립하려면 이러한 조인트에 구멍을 만들어야 했습니다. 구멍 품질, 기하학적 공차 및 재료 두께는 접합 강도에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 가장 중요한 요소는 구멍 생성 과정이나 구멍 품질로, 이는 구멍 경계 주변에 상당한 잔류 응력을 발생시키고 구조적 강도를 감소시킵니다. 더욱이 불량한 구멍 품질은 제조 과정에서 거부되는 부품의 60%를 차지합니다11. FML 복합재의 드릴링은 드릴이 열에 민감한 매트릭스뿐만 아니라 단단하고 마모성 섬유를 포함하는 불균일한 구조를 관통하여 드릴링 공정을 매우 문제하게 만들기 때문에 힘든 작업입니다. 또한, 심각한 침식으로 인해 드릴 비트를 자주 재연삭해야 하기 때문에 드릴링 비용이 높습니다12. 성형 및 펀칭 구멍과 레이저 및 연마 워터 제트를 포함한 혁신적인 비전통적 기술을 포함한 다양한 방법으로 복합 재료를 드릴링하는 것에 대한 수많은 연구가 수행되었지만 드릴링은 여전히 ​​적층 복합 재료에 구멍을 생성하는 가장 일반적이고 간단한 방법입니다. 기존의 드릴링 작업에서는 내부 균열, 라미네이트 간 박리, 열 손상, 공구 마모, 구멍 치수 오류 등 다양한 문제가 발생합니다. 이러한 결함으로 인해 천공된 구멍의 품질이 저하되어 볼트 연결부의 하중 지지 능력이 저하됩니다. 기계적 패스너가 적층 복합재의 지지 강도에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해 다양한 연구가 수행되었습니다. 드릴링 작업으로 인한 잔류 응력, 피로 및 섬유 저하로 인해 구조적 접합에서 자주 발생하는 파손 시작은 이러한 연구에 영감을 줍니다. 적층 사이에 작용하는 힘이 재료의 층간 강도보다 클 때 발생하는 적층 층의 해리로 정의되는 박리(delamination)는 적층 간 파손을 유발하며 일반적으로 복합 드릴링의 주요 손상으로 간주됩니다. 박리는 과도한 하중을 견딜 수 있는 재료의 강도를 감소시키기 때문에 조립 부품이나 볼트 연결에 본질적인 현상입니다16. Drill로 인한 박리인 Peel-up 및 Push-out 박리는 구멍의 입구와 출구에서 모두 나타납니다. Khashiba et al.18에 따르면 Push-out 박리는 Peel-up 박리보다 더 심하다. 드릴 도구 재료 및 형상, 절단 속도, 이송 속도 및 백업 메커니즘과 같은 몇 가지 중요한 측면을 제어하는 ​​것은 복합 라미네이트를 드릴링할 때 박리를 최소화하는 열쇠입니다. 이러한 매개변수는 드릴링된 구멍의 품질과 드릴링 프로세스에 영향을 미칩니다. 19의 연구에 따르면 박리는 공급 속도와 직접적인 관련이 있습니다. Sakthivel et al.20이 입증한 결과에 따르면 공급 속도는 유리 섬유 강화 스테인리스 스틸 메쉬 폴리머 복합재의 드릴링에서 가장 중요한 변수입니다. 이러한 발견은 Jenarthanan et al.21의 연구와 일치했습니다. 낮은 스핀들 속도로 인해 손상이 줄어들지만 낮은 이송 속도로 높은 속도를 사용하면 박리를 완화할 수 있습니다22. 드릴링으로 인한 손상에 대한 공구 형상 및 작동 조건 선택의 영향은 저자에 의해 입증되었으며, 그의 연구에 따르면 팁 각도23가 작고 이송 속도가 낮을수록 박리가 적은 구멍과 관련이 있음을 나타냅니다. 24,25에 따르면 포인트 각도가 작을수록 추력이 감소하여 손상이 낮아집니다. 초경 드릴은 박리와 마모가 적기 때문에 HSS 드릴보다 복합재 드릴링에 가장 적합한 대안으로 간주됩니다26. 드릴링이 불량하면 베어링 강도가 감소하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 19에 따르면 이송속도는 낮은 이송속도와 고속 속도가 베어링 강도를 향상시키기 때문에 베어링에 큰 영향을 미친다. 네트 장력, 전단, 벽개 및 베어링27을 포함하여 기계적으로 고정된 조인트에 의해 다양한 유형의 파손 모드가 생성됩니다. 이러한 파손 메커니즘은 매우 복잡하며 와셔 치수 및 측면 클램핑 힘을 포함한 여러 요인의 영향을 받습니다. Taguchi 통계 방법은 S/N 비율을 사용하여 명시된 표준에서 벗어나는 응답 품질 특성을 측정해야 하는 엔지니어링 최적화 문제에 매우 적합합니다.