In this study, when strand specimens were manufactured using an automatic winding device to obtain uniform strand specimens, analysis and test were conducted to investigate the effect of thermal expansion of the mandrel on strand specimens. Also, necessity of changing materials and mandrel configuration was checked. According to the results, strand specimen received unintended tension that was created by thermal expansion of the mandrel and this unintended tension depended on the curing temperature and position of specimens. Tensile test was conducted to check that initial tension affected on the performance of carbon fiber tow prepreg. All other conditions were fixed and only the initial tension was controlled at 40 N, 60 N, and 80 N. From the results of analysis and test, neither additional tension and tension deviation due to the thermal expansion of the mandrel and the initial tension difference had a significant effect on tensile test results, because carbon fiber had sufficiently high strength compared with tension. Therefore, it was confirmed that the change of the mandrel material and configuration of the automatic winding device was unnecessary.

본 연구에서는 균일한 스트랜드 시편을 얻기 위해 자동 와인딩장치를 이용하여 스트랜드 시편을 제작하는 경우 맨드렐의 열팽창이 스트랜드 시편에 미치는 영향을 조사하고 맨드렐의 재료와 구조 변경의 필요성을 확인하고자 해석과 시험을 진행하였다. 해석은 자동 와인딩장치에 사용되는 맨드렐을 모델링하여 수행되었다. 연구결과에 따르면 맨드렐의 열팽창으로 개별 스트랜드 시편에 의도하지 않은 추가 장력이 발생하며 그 크기는 경화 온도와 스트랜드 시편의 위치에 따라 달라졌다. 또한 초기 장력이 토우 프리프레그의 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 시편을 제작하고 인장시험을 진행하였다. 시편은 다른 조건을 모두 고정시키고 장력만 40, 60, 80 N으로 제어하여 제작하였다. 해석 및 시험 결과 맨드렐의 열팽창으로 인한 추가 장력 및 장력 편차 그리고 초기 장력 차이 모두 인장시험 결과에 큰 영향을 미치지 못하였다. 이는 탄소섬유의 높은 강도에 비해 장력의 크기가 충분히 작기 때문으로 판단된다. 따라서 자동 와인딩 장치의 맨드렐 재료와 구조의 변경은 불필요한 것으로 확인되었다.

Keywords: 복합재료(Composite materials), 탄소섬유 토우 프리프레그(Carbon fiber tow prepreg), 자동 와인딩장치(Automatic winding device), 스트랜드 시편(Strand specimen)