우리 대학 스마트항공모빌리티학과 석사과정 김솔미 학생(지도교수 : 김상우)이 탄소섬유 복합재의 열성형 공정 전 단계에서 발생하는 미세한 변형을 정밀하게 예측할 수 있는 시뮬레이션 기법을 개발해, 응용수학 분야 상위 3% SCI급 국제 저널인 <Finite Elements in Analysis and Design>에 논문을 게재했다.

  탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱(CFRTP) 복합재는 철보다 훨씬 가볍고 강도가 높아, 항공기 동체나 자동차 부품 등 경량화가 중요한 산업 분야에서 필수 소재로 떠오르고 있다. 또한 열을 가하면 자유롭게 모양을 만들 수 있고, 기존의 열경화성 복합재에 비해 재활용이 가능해 친환경 소재로도 각광받고 있다.

  그러나 이런 복합재를 실제 제품으로 만들 때는 열을 가해 금형으로 성형하고, 냉각해 모양을 굳히는 과정에서 예상치 못한 문제들이 발생한다. 예를 들어 제품이 미세하게 휘거나 뒤틀리면 비행기나 자동차의 구조물로 사용할 수 없게 되는데, 이런 변형을 방지하기 위해 기존에는 수많은 반복 실험을 거쳐야만 했다. 이는 시간과 비용 소모가 크고 정밀도가 낮다는 한계가 존재했다. 수치해석 기반의 예측 연구도 있었으나, 열성형 공정의 각 단계를 별도의 프로그램으로 해석해 분석이 복잡하고 시간이 오래 걸리는 데다, 계산 효율도 떨어졌다. 

사진설명: 탄소섬유 열가소성 복합재의 성형·유지·탈형 과정에서 발생하는 변형을 예측하는 시뮬레이션 과정.

  이번 연구에서는 이런 문제를 해결하기 위해, 열을 가해 성형하는 단계(성형)부터 모양을 유지하는 단계(유지), 금형에서 제품을 떼어내어 상온으로 냉각시키는 단계(탈형)까지 전체 과정을 하나의 시뮬레이션으로 통합해 분석할 수 있는 ‘열-구조 시뮬레이션 프레임워크’를 개발했다. 특히 열가소성 플라스틱의 냉각 과정에서 내부가 결정 구조로 변하는 현상(결정화)과 이로 인한 재료 강도 변화를 고려해, 제품의 변형을 더 정밀하게 예측할 수 있도록 했다. 

  김솔미 학생은 “본 연구를 통해 CFRTP 복합재의 품질을 향상시키고 설계와 생산 과정에서의 시간과 비용을 절감함으로써, CFRTP 복합재가 산업 현장에 더 널리 적용되는 데 실질적인 기여를 하고 싶다”고 말했다. 또한 “이번 연구를 통해 단순한 논문 작성 기법을 넘어, 연구 진행 방향을 설정하고 결과를 분석하는 과정의 중요성 등 많은 것을 배웠다”며, “이러한 좋은 성과를 거둘 수 있도록 지도해주신 김상우 교수님과 이수용 교수님께 깊은 감사를 드리며, 논문 작성 과정에서 많은 것을 가르쳐준 김동협 연구원에게도 진심으로 감사하다”라고 덧붙였다.

  논문의 교신저자인 김상우 교수는 “열가소성 플라스틱 복합재의 공정 유도 변형을 통합적으로 해석하는 기술은 아직 국내외 연구가 미흡한 분야로, 이번 연구는 CFRTP 복합재의 공정 해석 정확도를 한 단계 끌어올린 성과”라며, “앞으로도 우리 연구실은 다양한 복합재의 열성형 최적화, 제조 자동화 기술, AI 기반 변형 예측 기술 등 미래 항공우주 산업에 필요한 핵심 원천기술 개발에 매진하겠다”고 밝혔다.

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