단섬유 강화 고분자의 사출성형시 고분자 수지의 유동에 의하여 섬유배향이 필연적으로 일어나며, 섬유배향에 의한 이방성 (anisotropy)은 최종성형물의 품질과 기계적인 특성 등에 많은 영향을 미친다. 사출공정 중에서 충전과정(filling stage)은 섬유배향에 지배적인 역할을 하므로, 충전과정의 유동장을 정확하게 해석하는 것은 매우 중요하다. 형상이 복잡한 캐비티(cavity)와 다중 캐비티에서는 먼저 충전이 완료되어 현탁액(suspension)이 압축을 받고 있는 영역들이 존재하게 된다. 기존의 방법처럼 사출성형의 충전과정을 비압축성 유동으로 가정하면 정확한 유동장을 계산할 수 없다. 본 연구에서는 충전과정에서 압축성을 고려한 혼합 유한요소법/유한차분법을 이용하여 유동장을 계산하였다. 충전이 완료되는 순간에서, 이차배향텐서에 대한 배향변화방정식을 4차 Runge-Kutta 방법을 이용하여 해석함으로써 3차원 섬유배향장을 예측하였다. 충전시간이 다른 4개의 캐비티를 갖는 금형을 제작하여 충전과정에서 압축성 효과를 고려한 수치해석 결과가 실험과 잘 일치함을 보였다. 또한, 압축성과 비압축성 유동장에서 이론적으로 계산된 섬유배향의 차이를 정성적 및 정량적으로 비교하였다.
The anisotropy caused by the fiber orientation, which is inevitably generated by the flow during injection molding of short fiber reinforced polymers, greatly influences dimensional accuracy, mechanical properties, and other quality of the final product. Since the filling stage of the injection molding process plays a vital role in determining fiber orientation, an accurate analysis of flow field for the filling stage is needed. Unbalanced filling occurs when a complex or a multi-cavity mold is used leading to development of regions where the fiber suspension is under compression. It is impossible to make an accurate calculation of the flow field during filling with the analysis assuming incompressible fluid. A mold with four cavities with different filling times was produced to compare the numerical analysis results with the experimental data. There was a good agreement between the experimental and theoretical results when the compressibility of the polymer melt was considered for the numerical simulation. The fiber orientation states for compressible and incompressible fluids were also compared qualitatively as well as quantitatively in this study.
