[논문]초경량 금속구조재의 제작을 위한 새로운 방안

강기주; 전계포; 나성준; 주보성; 홍남호

doi:10.3795/ksme-a.2004.28.3.296

초경량 금속구조재의 제작을 위한 새로운 방안
A New Way to Manufacture Ultra Light Metal Structures 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.28 no.3 = no.222, 2004년, pp.296 - 303

강기주 (전남대학교 대학원 기계공학과) , 전계포 (전남대학교 기계시스템공학부) , 나성준 (전남대학교 기계시스템공학부) , 주보성 (전남대학교 기계시스템공학부) , 홍남호 (전남대학교 기계시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the ultra light metal structure with periodic and three dimensional truss elements takes attention because of its multi-functionality and substantial heat resistance. However, the complicated fabrication process leading to high cost has been a major obstacle to wide applications. In this paper, a new idea to construct an ultra light structure with periodic, three dimensional truss using metal wires is presented. To prove the practical validity, a Kagome-like structure was fabricated from stamped wires and punched face sheets. It was assembled by soldering. Through three-point bending and compression tests, the strength was evaluated and compared with the theory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 3차원 카코메트러스를 중간층(core)으로 하는 샌드위치 판재의 새로운 제작법을 제안하였다. 절곡된 금속선을 교차배열하여 카고메트러스를 구성하고 상하 면판(face sheet)을 부착하여 샌드위치 판재를 제작하는 방안을 제시한다.
본 연구에서는 샌드위치 판재의 중간층으로 사용 될 카고메 트러스를 금속선(이하, 철사로 칭함)을 소재로 성형하는 방법을 고안하였다. 먼저 절곡기를 이용하여 Fig.
본 연구에서는 절곡된 금속선을 교차 배열하여 카고메 트러스를 구성하고 상하 면판 (face sheet)을 부착하여 샌드위치 판재를 제작하는 방안을 제시하였다. 제작된 판재에 대한 압축 및 굽힘하중에 대한 강도 및 강성도를 이론적으로 구하고 실제 실험을 수행하였다.

가설 설정

⁽⁶⁾ 또한 같은 연구팀은 섬유처럼 짜여진 철망을 규칙적으로 적층하여 좀더 저렴한 제품을 만들 수 있음을 보여주었다.⁽⁷⁾ 이 방법으로 구성된 격자는 이상적인 트러스 구조를 갖지 못해 강도가 비교적 낮다. 위의 두 방법에서는 접합을 위해서 천이액상(Transient Liquid Phase)브레이징법을 사용한다.

제안 방법

제작된 판재에 대한 압축 및 굽힘하중에 대한 강도 및 강성도를 이론적으로 구하고 실제 실험 결과와 비교하였다. 또한 압축 실험과 3점 굽힘 실험에서의 파손 양상을 관찰하였다.
양단 지지점 간의 거리는 240mm이다. 변위속도 0.02mm/sec로 굽힘 실험을 실시하였고 코어 변형과 전체 굽힘 변형을 관찰하기 위해 3대의 디지털카메라를 설치하여 변위 1mm마다 이미지를 획득하였다. Fig.
5mm 이다. 시편에 하중이 가해지는 접촉점에서의 국부적인 함몰이나 관통을 방지하기 위해 길이 60mm인 오목하게 가공된 블록(block)을 에폭시를 이용하여 시편에 접합하였다. 양단 지지점 간의 거리는 240mm이다.
탄성계수를 측정하기 위해 실험도중에 2회 제하(unloading) 하였다. 시편의 체결은 원형 어댑터(adaptor)에 선재를 감은 후 체결부를 납땜하여 실험 도중에 시편의 미끌림이 방지되도록 하였다. 또한 변위계의 자중에 의한 시편 변형을 감소시키기 위해 변위계를 실로 매달아 별도로 지지하였다.
카고메 트러스중간층 제작에 사용된 금속선재의 인장실험과 완성된 샌드위치 판재 시험편의 압축 및 굽힘 실험은 INSTRON 8800 전기유압식 실험기를 이용하여 수행되었다. 아연도금 구리철사의 인장 실험은 길이 400mm, 반경 0.25mm 시편에 대해 기준길이(gage length)가 25.4mm인 변위 계(extensometer)를 부착하여 0.002mm/sec 변위 제어로 수행하였다. 탄성계수를 측정하기 위해 실험도중에 2회 제하(unloading) 하였다.
본 연구에서는 3차원 카코메트러스를 중간층(core)으로 하는 샌드위치 판재의 새로운 제작법을 제안하였다. 절곡된 금속선을 교차배열하여 카고메트러스를 구성하고 상하 면판(face sheet)을 부착하여 샌드위치 판재를 제작하는 방안을 제시한다. 제작된 판재에 대한 압축 및 굽힘하중에 대한 강도 및 강성도를 이론적으로 구하고 실제 실험 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 절곡된 금속선을 교차 배열하여 카고메 트러스를 구성하고 상하 면판 (face sheet)을 부착하여 샌드위치 판재를 제작하는 방안을 제시하였다. 제작된 판재에 대한 압축 및 굽힘하중에 대한 강도 및 강성도를 이론적으로 구하고 실제 실험을 수행하였다. 이 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
카고메 트러스중간층 제작에 사용된 금속선재의 인장실험과 완성된 샌드위치 판재 시험편의 압축 및 굽힘 실험은 INSTRON 8800 전기유압식 실험기를 이용하여 수행되었다. 아연도금 구리철사의 인장 실험은 길이 400mm, 반경 0.
압축 실험시 그립의 회전을 방지하기 아래쪽 그립을 프레임에 접착하였다. 하중에 따른 트러스 중간층의 변형과 붕괴 과정을 관찰하기 위해 CCD 카메라(Kodak Megaplus Es 1.0)와 디지털카메라 (Nikon Coolpix 990)를 이용하여 변위 0.1mm마다 근접촬영하였다.

대상 데이터

Fig.2에서 설명하였던 이상적인 카고메 샌드위치와는 다르게 본 연구에서 제작된 시험편은 중간층과 양면판의 재료가 각각 구리와 연강으로 다르다. 중간층을 이루는 트러스의 각 요소가 1개의 원통막대(circular strut)가 아닌 2개의 철사로 이루어져 있고 상하면판이 균질판이 아닌 2차원 카고메 형식으로 구멍이 뚫어져있다.
본 시험편의 각 트러스요소는 직경 d=0.5mm, 길이 l=10mm인 철사 2개로 이루어져 있다. 좌굴은 단면 2차모멘트가 작은 방향으로 발생할 것이므로 철사 2개로 조합되어 있어도 세장비는 (l/γ)=1/80으로 철사 1개인 경우와 같다.
3의 철사의 모든 경사진 변의 중간부분)을 약간씩 굽혀서 서로 간섭을 없도록하여야 한다. 본 연구에서는 철사 소재로서 가공과 접합이 용이한 전선용 구리선을 사용하였으며 공정솔더(63Sn37Pb)로 납땜하여 중간층을 조립하였다. 상하면판으로서 균일 철판대신에 2차원 카고메[Fig.
실험에서 얻어진 최대하중은 464N이다. 앞에서 구한 소성좌굴 하중 F_cr= 40N을 식 (9)에 대입하여 최대전단력을 구고 3점굽힘의 경우 전단력은 외부에서 가해진 하중 W의 절반이므로 이론 최 대하중은 391N으로 실험결과에 비해 16%만큼 저평가되었음을 알 수 있다.
압축실험은 길이 122.85mm, 폭 96mm, 두께 18.5mm인 시편을 제작하여 O.Olmm/sec 변위제어로 수행하였다. 위의 시편은 가로(1축방향)와 세 로방향(2축방향)어】 각각 6개, 5개의 단위셀을 갖는다.
Olmm/sec 변위제어로 수행하였다. 위의 시편은 가로(1축방향)와 세 로방향(2축방향)어】 각각 6개, 5개의 단위셀을 갖는다. 압축 실험시 그립의 회전을 방지하기 아래쪽 그립을 프레임에 접착하였다.
5는 제작된 샌드위치판재를 보여주고 있다. 중간증을 구성하는 철사의 직경은 d=5mm이고 상 하면판용 설판 두께는 t_l0.6mm, 면판의 2차원 카고메 트러스요소의 폭은 w=2mm, 전체판 두께 D₁=18.5mm, 중간층 두께 D=17.3mm, 전체 판폭 B=96mm이다.
트리스 구조의 3점 굽힘 실험에 이용된 시편의 전체 크기는 320mm x 96mm x 18.5mm 이다. 시편에 하중이 가해지는 접촉점에서의 국부적인 함몰이나 관통을 방지하기 위해 길이 60mm인 오목하게 가공된 블록(block)을 에폭시를 이용하여 시편에 접합하였다.

데이터처리

절곡된 금속선을 교차배열하여 카고메트러스를 구성하고 상하 면판(face sheet)을 부착하여 샌드위치 판재를 제작하는 방안을 제시한다. 제작된 판재에 대한 압축 및 굽힘하중에 대한 강도 및 강성도를 이론적으로 구하고 실제 실험 결과와 비교하였다. 또한 압축 실험과 3점 굽힘 실험에서의 파손 양상을 관찰하였다.

이론/모형

본 연구에서는 트러스의 각 요소를 결합하는 방법으로서 납땜을 사용하였는데 그 단면이 트러스(구리철사)에 비해서 상대적으로 커서 인장이 작용할 경우에도 쉽게 끊어지지 않는다. 또한 트러스의 파손이 세장비가 큰 철사의 좌굴에 의해서 조기에 발생하므로 압축이나 전단하중이 가해져도 납땜부위가 먼저 파손되는 경우는 발견되지 않았다.
⁽⁷⁾ 이 방법으로 구성된 격자는 이상적인 트러스 구조를 갖지 못해 강도가 비교적 낮다. 위의 두 방법에서는 접합을 위해서 천이액상(Transient Liquid Phase)브레이징법을 사용한다.

성능/효과

(2) 트러스요소의 형상이 이상적인 직선이며 양단이 핀조인트인 것으로 가정하여 압축, 굽힘 시의 강성, 강도를 이론적으로 예측한 결과 실험결과와 비교적 잘 일치하였다.
이것을 식 (5)에 대입하여 이론 압축강도는 #이다. 이론해석 결과가 최대하중을 과도하게 평가함을 알 수 있다. 위 오차의 원인은 Fig.

후속연구

(4) 제조공정을 보다 단순화하여 대량 생산체제를 구축한다면 기존의 제조방법보다 저렴한 비용으로 제조가 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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