차량 및 항공기 등의 수송산업을 중심으로 미래 산업에 주로 적용되고 있고 핵심 부품소재로 각광받고 있는 탄소섬유복합재(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)는 초경량 고효율 소재이다. 그러나 복합재 가공으로 인해 발생하는 CFRP 분진은 품질뿐만 아니라 작업 환경까지 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 드릴링 헤드와 워터젯 헤드를 모두 장착한 복합가공헤드를 개발하여 품질 및 작업환경 개선하는 추세이다. CFRP는 일반적인 금속보다 강도는 5-10배 이상이나 밀도는 약 25%이므로 경도가 높아 가공이 어렵고 가공 중에 박리(delamination) 및 미절삭(uncut fibers) 등의 결함이 발생하여 가공생산성이 저하된다. 뿐만 아니라 가공 중에 발생하는 CFRP 분진은 전자기기 및 각종 기기장치 내부에 이동하여 고장 및 화재를 유발하고, 다양한 유해 유기물질을 발생하므로 가공 생산자의 호흡기 및 피부에 악영향을 준다. 따라서 작업환경 개선 및 생산자의 생산능력을 향상시키기 위해 CFRP 가공시스템 개선연구가 활발히 진행되고 있다.

이와 관련하여 Kim 등¹⁾은 복합가공기용 복합헤드의 내부유동 및 성능평가를 computation fluid dynamics (CFD)를 활용하여 분석하였다. 또한 Suh 등²⁾은 CFRP 분진회수의 효율성을 높이기 위해 CFRP 흡입모듈의 내부유동을 CFD를 활용하여 분석하였고, 분진흡입에 적합한 블로워 선정 및 성능평가를 수행하였다.

본 연구에서는 가공 중에 발생하는 CFRP 분진을 효과적으로 회수하기 위해 복합가공기용 복합헤드 유로설계를 수행하였다. 복합헤드 형상변화에 따른 흡입성능 특성은 실험계획법(design of experiment) 중에서 2^k 요인실험(factorial designs)을 적용하여 분석하였고, 복합헤드의 내부유동특성은 CFD를 활용하여 분석하였다. 복합가공기용 복합헤드의 유로설계를 위해 복합헤드 형상을 제어할 수 있는 설계변수를 선정하여 설계변수 변화에 따른 성능변화를 분석하였다. CFRP 분진을 효과적으로 회수하기 위해서는 압력손실이 최소화하는 유로설계가 필요하므로 복합헤드의 내부유동특성을 분석하여 내부 압력손실을 최소화하는 방안을 제시하였다. Fig. 1은 복합가공기용 복합헤드 유로설계 절차를 보여준다.

Fig. 1. 
Design process of composite head for compound pressing machine

기존의 복합가공기용 헤드는 가공기능만 장착되어 있는 드릴링 헤드로 구성되어 있다. 가공 중에 발생하는 CFRP 분진을 효과적으로 제거하기 위해서는 흡입을 통한 분진제거는 제한적이다. 따라서 CFRP 분진을 효과적으로 제거하기 위해서는 세척기능이 추가적으로 헤드에 장착되어야 한다³⁾.

본 연구의 연구대상은 복합가공기용으로 복합헤드는 CFRP 가공기능인 드릴링 헤드와 세척기능인 워터젯 헤드가 구성되어 있는 복합헤드이다. Fig. 2는 복합가공기용 복합헤드 형상을 나타낸 것이다. 복합헤드는 가공 및 세척기능을 가지고 있어 내부유로형상이 매우 복잡하다. 따라서 복합가공기용 복합헤드의 흡입성능을 향상시키기 위해서는 내부유로설계가 필수적이다. 복합가공기용 복합헤드의 내부유로설계를 위해 Fig. 3과 같이 설계변수를 정의하였다. 복합헤드는 드릴링 헤드와 워터젯 헤드로 구성되어 있으므로 시제품 제작을 고려하여 설계변수를 선정하였다. 복합헤드의 유로설계를 위해 설계변수는 복합헤드의 입구부 직경인 D1과 입구 및 출구부 축방향 길이인 L1 및 L2로 정하였다. 또한 출구부 관의 압력손실을 최소화하기 위해 출구부 연결부 형상은 T1으로 정하였다. 이때 T1의 설계변수는 연결부의 종축 및 횡축의 길이를 동일하게 적용하여 직선으로 연결하였다. 선정된 설계변수는 2^k 요인실험 및 CFD를 활용하여 설계변수 변화에 따른 흡입성능 변화를 분석하였다.

Fig. 2. 
Composite head for compound pressing machine

Fig. 3. 
Design variables of composite head

복합헤드의 내부유동해석은 상용 CFD 코드인 ANSYS CFX-17.1을 이용하였다⁴⁾. 복합가공기용 복합헤드 형상은 Solid Works 프로그램을 이용하여 생성하였고, 격자계는 ANSYS ICEM-CFD를 사용하여 비정렬격자계(unstructured grid)로 생성하였다. 수치해석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 복합가공기용 복합헤드의 격자 테스트를 수행하였고 약 230만 개에서 수치해석 결과가 일정하였다. Fig 4(a)는 격자 테스트 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 4. 
Boundary conditions and grid system for the composite head calculation (a) grid test, (b) boundary conditions

복합헤드의 비압축성 난류흐름(turbulent flow) 분석을 위해 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 이용하였다. 난류의 흐름을 분석하기 위해 난류모델(turbulent model)은 유동박리(flow separation)의 예측에 유리한 SST model을 사용하였다^5,6).

Fig. 4(b)는 복합헤드의 경계조건(boundary condition)을 보여준다. 복합가공기용 복합헤드의 입구 부분에 대기압(atmospheric pressure)을 주었고, 출구부에는 질량유량(mass flow rate)을 주었다. 작동유체(working fluid)는 25℃의 공기로 사용하였다.

반응최적화를 통해 도출된 형상의 성능은 CFD를 활용하여 검증하였고, 기존형상 및 2^k 중심형상의 성능과 비교분석하였다.

Fig. 13은 기존형상, 2^k 중심형상 및 최적형상의 저항곡선을 비교한 것이다. Fig. 13을 보면 2^k 요인실험을 통해 저항곡선의 기울기가 감소되었고, 압력손실이 개선되었음을 확인할 수 있다. Fig. 14는 복합헤드 기존형상과 최적형상의 압력손실을 막대그래프로 비교하였고, Table 2는 압력손실을 기존형상 기준으로 백분율로 비교하였다. Fig. 14를 보면 2^k 중심형상 및 최적형상은 기존형상보다 압력손실이 감소되었고 특히 최적형상은 기존형상보다 약 41% 감소되었다.

Fig. 13. 
Comparative analysis of system curves depending on composite head shapes

Fig. 14. 
Comparison of pressure loss

최적설계 된 형상의 압력손실이 개선된 객관적인 검토를 위해 CFD를 활용하여 복합헤드 내부압력분포 및 유동흐름을 분석하였다. Fig. 15는 기존형상 및 최적형상의 내부유동흐름을 비교한 것이다. Fig. 15(a)를 보면 기존형상의 출구부의 내부유동흐름에서 유동박리(separation)가 발생하고 파이프 방향의 유동흐름도 매끄럽지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 15(b)의 최적형상의 내부유동흐름은 파이프 방향으로 매우 부드럽게 흐르므로 기존형상보다 내부유동흐름이 개선된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 15. 
Comparative analysis of streamline on composite head (a) reference model, (b) optimum model

본 연구에서는 복합가공기용 복합헤드의 성능을 분석하기 위해 CFD를 활용하였고, 복합헤드의 설계변수 변화에 따른 성능변화는 실험계획법 중 2^k 요인실험을 이용하여 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

1) 복합가공기용 복합헤드의 내부유로형상은 복잡하여 CFRP 분진 흡입의 한계가 있다. 따라서 복합헤드의 내부유동흐름을 개선하는 형상을 설계하였다.

2) 복합가공기용 복합헤드의 형상을 제어할 수 있는 설계변수를 정의하였고, 형상을 효율적으로 제어할 수 있는 설계변수를 제시하였다.

3) 설계변수 변화에 따를 성능변화를 분석하면 복합헤드 입구부 직경에 대한 영향이 크며, 입구부 직경을 제어하면 효과적으로 성능을 향상시킬 수 있다.

4) 최적설계 된 형상은 기존형상보다 내부유동흐름이 안정적이며, 기존형상 대비 압력손실이 약 41% 감소되었다.