Modeling and Optimization of Spray-up Molding of Extremely Long Fiber Reinforced Composites

Abstract

Over the past few decades, Liquid Composite Molding (LCM) processes have been taking over conventional manufacturing methods implementing autoclaves. With the advantage of lower manufacturing cost and higher productivity rate, numerous studies regarding various LCM processes have been readily undertaken. Unlike other LCM processes using a continuous fiber as their reinforcement, the Long Fiber Spray-up Molding uses chopped strands of glass or carbon fibers. By increasing the length of chopped fibers by hundreds of times its critical length, the mechanical strength of the composite part can be improved to almost 90% that of the continuous fiber regardless of the type of matrix. In this study, a lab-scale Long Fiber Spray-up Molding apparatus was designed and built. By using long fibers of lengths up to 100 mm, the fabrication process suffered from fiber entanglement causing uneven distribution of fibers across the distance along the perpendicular line of spray. Achieving uniform volume distribution of fibers within the composite part was critical as to achieve superior mechanical properties. The effect of the fiber entanglement was analyzed through various experiments and a computational model was constructed in order to predict the fiber volume distribution of the composite part upon compression molding.

Liquid Composite Molding (LCM) 공정은 복합재료를 생산하는데 있어서 기존 오토클레이브를 이용한 제조 방법을 부분적으로 대체해 왔다. 제조원가가 낮고 생산성이 높다는 장점으로 인해 다양한 LCM 공정에 대한 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 연속 섬유를 보강재로 사용하는 다른 LCM 공정과 달리 Long Fiber Spray-up Molding은 유리 또는 탄소 섬유를 잘게 자른 춉 형태로 복합재료를 성형하게 된다. 절단된 섬유의 길이를 임계 길이의 수백 배까지 늘리면 복합재료의 기계적 강도가 수지의 종류에 관계없이 연속 섬유의 기계적 강도의 90%까지 도달할 수 있다. 본 연구에서는 실험실 스케일의 Long Fiber Spray-up Molding 성형 장치를 설계하고 제작하였다. 최대 100mm 길이의 초장섬유를 사용함으로써 제조 공정에서 섬유 얽힘으로 인해 불균일한 섬유 분포도를 보여주었고 우수한 기계적 특성을 달성하기 위해 섬유의 균일한 분포도를 달성하는 것이 중요하였다. 다양한 실험을 통해 섬유 얽힘의 영향을 분석하였고 압축 성형 시 복합재료의 섬유 분포도를 예측하기 위해 Matlab 통한 모델을 구축하였다.