CF/LMPAEK 열가소성 Blank의 비접촉 유도 가열을 활용한 동시 성형 접합 공정 및 기계적 물성 평가
Evaluation of In-situ consolidation process of CF/LMPAEK thermoplastic blanks and mechanical behavior using non-contact induction heating welding
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초록
본 연구에서는 CF/LMPAEK 열가소성 Blank를 대상으로 성형과 접합을 동시에 수행할 수 있는 In-situ consolidation 기반 유도 가열 용접 공정을 최적화하고, 이를 통해 제작된 링형 시편의 성형성과 접합성을 평가하였다. 유한요소해석(FEM)을 통해 CF/LMPAEK의 유도 가열 용접 공정에 필요한 최적 공정 변수를 도출하였으며, 이를 실제 제작 공정에 반영하여 최적 공정을 구현하였다. 유한요소해석에서 도출된 유도 가열 온도 상승 결과를 실제 공정에서의 온도 분포와 비교하여, 유한요소해석 결과의 공정 적용 가능성을 검증하였다. 또한, 최적 공정으로 CF/LMPAEK 열가소성 Blank 링형 시편을 실제로 제작하여 기계적 시험을 수행하였으며 구조적 안정성을 확인하였다. 추가적으로 결정화도, 체적 분율을 분석하였고, 그 결과 결정화도가 약 23~27%를 유지하여 우수한 성형성을 보인 것으로 평가하였다. 이에 따라 본 연구는 In-situ consolidation 기반의 유도 가열 용접 공정 확립과 이를 통한 열가소성 Blank 구조의 제작 가능성을 검증하였다.
Abstract
In this study, an In-situ consolidation (ISC)-based induction heating welding process was optimized for CF/LMPAEK thermoplastic blanks to enable simultaneous forming and welding. Using this process, ring-shaped specimens were fabricated, and their forming and welding quality were evaluated. Finite element method (FEM) was conducted to determine the optimal process parameters for the induction heating welding of the blanks, and these parameters were implemented in the actual manufacturing process. The temperature increase predicted by the FEM simulations was compared with the temperature distribution observed in the actual process to validate the applicability of the FEM results to manufacturing. Furthermore, the ring specimens were fabricated using the optimized process, and mechanical testing confirmed their structural integrity. Additionally, crystallinity analysis and volume fraction measurement were conducted, demonstrating excellent forming and welding quality. Consequently, this study establishes an In-situ consolidation-based induction heating welding process and highlights its potential for fabricating thermoplastic blank structures.