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문제 정의
- 본 논문에서는 직물 복합재료의 압축 실험 및 피로 실험을 통해 얻은 전단각의 변화에 따른 강도, 강성 등의 정보를 이용하여 복합재료 내 국부적인 전단변형에 의한 미세 구조의 변화가 재료의 물성에 미치는 영향을 실험적으로 검증하였다. 또한 실험적으로 얻은 재료의 압축거동 결과를 대퇴골에 드레이핑 된 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료 고정판의 재료거동 평가에 적용시키기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 그레이핑 된 고정판의 주요 부분에서 전단각을 측정하였으며, 선행 연구를 통해 얻은 전단각과 주름각의 관계, 전단각에 따른 재료거동 결과를 이용하여, 각 부분에 영계수와 압축강도 및 피로수명을 평가하였다.
- 본 논문에서는 골 간단 부 골절 치료용 고정판의 성형 시 드레이핑 과정 (Draping process)에서 발생하는 재료의 국부적 물성치 변화를 파악하기 위해 재료의 전단 변형량 및 주름각 (Crimp angle)에 따른 재료물성 변화를 고려하여 압축실험 및 압축-압축 피로실험을 수행하였다. 실험을 통해 얻은 압축 및 피로실험 데이터를 이용하여 내퇴골에 드레이핑 된 고정판의 전단변형에 의한 전단각 (Shear angle)을 측정한 후 고정판의 국부적 물성치와 피로 수명을 평가하였다.
- 본 논문에서는 직물 복합재료의 압축 실험 및 피로 실험을 통해 얻은 전단각의 변화에 따른 강도, 강성 등의 정보를 이용하여 복합재료 내 국부적인 전단변형에 의한 미세 구조의 변화가 재료의 물성에 미치는 영향을 실험적으로 검증하였다. 또한 실험적으로 얻은 재료의 압축거동 결과를 대퇴골에 드레이핑 된 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료 고정판의 재료거동 평가에 적용시키기 위한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 드레이핑 후 성형된 고정판의 변형량을 측정하기 위해 고정판의 국부적 위치에 따른 전단각을 측정하였다. 고정판의 위치에 따라 변형량이 다르기 때문에 비교적 형상이 복잡한 곳을 기준으로 전단각을 측정하였다. 전단각의 측정 위치를 Fig.
- 대퇴골에 드레이핑 된 시편을 제작하기 위해 40×150mm2의 면적을 갖는 프리프레그를 [45]10T로 적층한 후 골 표면에 그레이핑 공정을 수행하였다.
- 대퇴골에 프리프레그를 드레이핑 한 후 Fig. 5(b)와 같이 실리콘 재질의 외부 금형에 드레이핑 된 대퇴골을 삽입하여 오토클레이브 진공백 성형법을 이용하여 경화시켰다. 실리콘 외부 금형의 낮은 열전도로 인해 열전달이 효과적으로 발생하지 않는 점을 고려하여 해당 복합재료 (WSN3k)의 정식 성형 공정의 최대 온도 (125℃) 유지시간을 2시간 더 길게 설정하여 성형을 하였다.
- 드레이핑 후 성형된 고정판의 변형량을 측정하기 위해 고정판의 국부적 위치에 따른 전단각을 측정하였다. 고정판의 위치에 따라 변형량이 다르기 때문에 비교적 형상이 복잡한 곳을 기준으로 전단각을 측정하였다.
- 본 실험에서는 재료의 압축실험에 필요한 전단각을 가지도록 사진틀 인장 변형량을 조절하였다.
- 7(b))을 기준으로 주름각을 측정하였다. 시편 단면에서 관찰된 종방향 토우의 굴곡부 10곳을 무작위로 선택하여 주름각을 측정한 후 산술평균하여 전단각과의 상관관계를 Fig 8에 제시하였다. 전단변형 된 시편의 단면 관찰결과 전단각이 증가할수록 주름각이 선형적으로 증가함을 확인하였다.
- 5(b)와 같이 실리콘 재질의 외부 금형에 드레이핑 된 대퇴골을 삽입하여 오토클레이브 진공백 성형법을 이용하여 경화시켰다. 실리콘 외부 금형의 낮은 열전도로 인해 열전달이 효과적으로 발생하지 않는 점을 고려하여 해당 복합재료 (WSN3k)의 정식 성형 공정의 최대 온도 (125℃) 유지시간을 2시간 더 길게 설정하여 성형을 하였다.
- 본 논문에서는 골 간단 부 골절 치료용 고정판의 성형 시 드레이핑 과정 (Draping process)에서 발생하는 재료의 국부적 물성치 변화를 파악하기 위해 재료의 전단 변형량 및 주름각 (Crimp angle)에 따른 재료물성 변화를 고려하여 압축실험 및 압축-압축 피로실험을 수행하였다. 실험을 통해 얻은 압축 및 피로실험 데이터를 이용하여 내퇴골에 드레이핑 된 고정판의 전단변형에 의한 전단각 (Shear angle)을 측정한 후 고정판의 국부적 물성치와 피로 수명을 평가하였다. 본 결과는 복잡한 형상을 가지는 복합재료 고정판의 보다 정확한 해석을 위한 기초 데이터를 제공할 것으로 기대된다.
- 압축-압축 피로실험은 시편을 유압 쐐기 그립에 장착하여 실험하였다. 상/하부 쐐기에는 시편 정렬용 가이드(Alignment guide)가 있어 시편을 하중 방향으로 정렬시켜 장착할 수 있으며, 이때 시편을 잡는 압력은 10MPa이다.
- 이상에서 구한 실험 값과 관련 수식을 바탕으로 고정판의 국부적 위치에 따른 직물 복합재료의 압축방향 물성을 계산하여 아래의 Table 3에 나타내었다. 이 값들을 전단변형을 겪지 않은 기준상태와 비교하였다. 이러한 결과를 통하여 3차원 입체형상을 갖는 구조에서 국부적인 전단 변형의 정도를 Fig.
- 이 값들을 전단변형을 겪지 않은 기준상태와 비교하였다. 이러한 결과를 통하여 3차원 입체형상을 갖는 구조에서 국부적인 전단 변형의 정도를 Fig. 12와 같이 도식화하여 각 부분에서의 압축강도, 강성 등의 물성치의 변화를 시작화하였다. 여기서 제시한 영계수와 압축강도는 고정판의 지지하중 형태 (횡방향 굽힘하중)를 고려하여 모두 대퇴골의 종방향 물성에 한정하였다.
- 또한 실험적으로 얻은 재료의 압축거동 결과를 대퇴골에 드레이핑 된 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료 고정판의 재료거동 평가에 적용시키기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 그레이핑 된 고정판의 주요 부분에서 전단각을 측정하였으며, 선행 연구를 통해 얻은 전단각과 주름각의 관계, 전단각에 따른 재료거동 결과를 이용하여, 각 부분에 영계수와 압축강도 및 피로수명을 평가하였다. 실험 결과, 비교적 형상이 복잡한 대퇴 골두 부분에서 높은 전단각 (최대 11º)을 가집을 알 수 있었으며, 이러한 국부적 재료변형에 따른 영계수 및 압축강도의 변화는 변형이 발생하지 않는 경우에 비해 각각 최대 38.
- 전단각 (Shear angle)을 갖는 시편을 제작하기 위해서 10장의 프리프레그를 290×290 mm2의 크기로 재단하여 45º의 각도로 적층한 뒤 Fig. 2와 같이 적층 된 프리프레그를 사진틀 지그에 고정 시킨 후 만능시험기에 체결하여 인위적으로 전단변형을 부가하였다.
- 전단변형 된 프리프레그는 오토클레이브 진공백 성형법으로 경화 시켰으며, Fig. 2(b)와 같이 전단변형이 균일한 시편 내부를 웨터젯을 이용하여 절취하여 정적 압축 및 피로실험용 시편을 제작하였다. 워터젯 가공 시 발생하는 절단면의 미세한 균열은 낮은 강도에서의 파괴를 유발할 수 있기 때문에 모든 시편은 최종 크기를 얻기 위해 #400의 사포를 사용하여 연마하였다.
- 피로실험은 하중제어방식으로 실시하였으며, 적용된 최소응력과 최대응력의 비(R: minimum stress/ maximum stress)는 5로 설정하였다. 적용 하중의 파중은 사인파이며, 빠른 실험을 위해 장비의 허용 최대 주파수인 8Hz로 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 재료는 평직 탄소섬유/에폭시 프리프레그 (WSN, 3k, SK Chemicals Korea)이며, 재료의 물성은 Table 1과 같다. 탄소섬유/에폭시 복합재료는 골절부 고정용 보철구로서의 생체적합성이 검증되어 생체조직 내부에 이식이 가능하며[9], 비교적 성형이 쉬운 장점을 가지고 있다.
- 2(b)와 같이 전단변형이 균일한 시편 내부를 웨터젯을 이용하여 절취하여 정적 압축 및 피로실험용 시편을 제작하였다. 워터젯 가공 시 발생하는 절단면의 미세한 균열은 낮은 강도에서의 파괴를 유발할 수 있기 때문에 모든 시편은 최종 크기를 얻기 위해 #400의 사포를 사용하여 연마하였다. 압축시편의 모양과 치수는 Fig.
- 피로실험은 하중제어방식으로 실시하였으며, 적용된 최소응력과 최대응력의 비(R: minimum stress/ maximum stress)는 5로 설정하였다. 적용 하중의 파중은 사인파이며, 빠른 실험을 위해 장비의 허용 최대 주파수인 8Hz로 실험을 실시하였다. 시편에 적용하는 하중은 시편의 단면적을 측정한 후 시편의 압축강도와 적용하려는 응력비율 (r: Normalized maximum stress)을 곱하여 결정하였다 (식 (1) 참조).
이론/모형
- 쿠폰 형태의 압축시편은 실험 중 좌굴이 발생할 가능성이 크기 때문에 좌굴방지 압축지그를 사용하여 ASTM D695[11]에 따라 정적 압축실험을 수행하였다. 실험에 사용된 변형률 속도는 1.
성능/효과
- 실험 결과, 비교적 형상이 복잡한 대퇴 골두 부분에서 높은 전단각 (최대 11º)을 가집을 알 수 있었으며, 이러한 국부적 재료변형에 따른 영계수 및 압축강도의 변화는 변형이 발생하지 않는 경우에 비해 각각 최대 38.7%, 3.9% (Position '1' in Fig. 11)로 나타났다.
- 6 참조). 실험결과 영계수의 경우 고전적층판 이론 (CLPT)에 의한 계산 결과와 유사한 결과를 얻음을 확인하였으나, 압축강도의 경우 예측된 강도보다 낮은 강도를 가지는 것을 확인하였으며, 이는 전단변형을 겪은 직물 복합재료의 미세구조 변형에 기인한 것으로 알려져 있다[12].
- 3mm/min이다. 압축 실험 결과 전단각이 커질수록 섬유가 하중방향으로 배열되기 때문에 영계수와 압축강도가 증가하는 것을 확인하였다 (Fig. 6 참조). 실험결과 영계수의 경우 고전적층판 이론 (CLPT)에 의한 계산 결과와 유사한 결과를 얻음을 확인하였으나, 압축강도의 경우 예측된 강도보다 낮은 강도를 가지는 것을 확인하였으며, 이는 전단변형을 겪은 직물 복합재료의 미세구조 변형에 기인한 것으로 알려져 있다[12].
- 시편 단면에서 관찰된 종방향 토우의 굴곡부 10곳을 무작위로 선택하여 주름각을 측정한 후 산술평균하여 전단각과의 상관관계를 Fig 8에 제시하였다. 전단변형 된 시편의 단면 관찰결과 전단각이 증가할수록 주름각이 선형적으로 증가함을 확인하였다.
- 11에 표시하였으며, 각 위치별 전단각은 Table 2에 정리하였다. 측정결과 이중 곡률이 심한 골두부 (A~D, 1~3, a~c in Fig. 11)에 높은 전단각이 집중되어있으며, 상대적으로 형상이 단순한 골간부 (Diaphysis)는 원통형상에 가까운 구조에 의해 전단변형이 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 상기 재료파손 평가절차는 복합재료 고정판이 체내 환경에 장기간 노출될 경우 발생할 수 있는 재료의 물성저하 현상을 고려하지 않은 결과이기 때문에 보다 정확한 피로특성 예측을 위해서는 복합재료의 환경실험 및 그에 따른 재료 물성치 하 실험을 수행하여 보다 정확한 재료물성 데이터베이스를 구축해야 한다. 또한 대상의 특성상 치료기간에 걸쳐 하중조건이 변화함 (치료 초기에는 보행이 거의 어려우며, 치료기간이 진전됨에 따라 정상보행에 근접한 보행이 가능함)에 따른 피로특성의 변화도 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 수술을 받은 환자가 6개월의 치료기간 동안 2Hz의 보행속도로 하루 평균 4시간씩 보행을 하는 경우를 가정하면 골절부는 총 1,296,000 Cycle의 반복하중을 받게 된다. 복합재료 피로 실험의 결과 (Fig. 10)에 따르면 치료기간 중 재료 파손이 일어나지 않기 위해서는 logs S가 2.1을 넘어서는 안 되기 때문에 대퇴골에 드레이핑 된 고정판은 피로응력이 약 100MPa ([45]10T 기준)을 넘지 않으면 골절부의 치료기간 중 고정판의 파손을 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 분석은 복합재료 고정판에 실제로 부가되는 하중에 의한 재료 내 응력분포의 계산을 통해 보다 정밀한 정량 평가가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
- 실험을 통해 얻은 압축 및 피로실험 데이터를 이용하여 내퇴골에 드레이핑 된 고정판의 전단변형에 의한 전단각 (Shear angle)을 측정한 후 고정판의 국부적 물성치와 피로 수명을 평가하였다. 본 결과는 복잡한 형상을 가지는 복합재료 고정판의 보다 정확한 해석을 위한 기초 데이터를 제공할 것으로 기대된다.
- 11)로 나타났다. 비록 강도의 변화는 비교적 미미했으나, 영계수의 변화는 매우 큰 것을 알 수 있었으며, 이러한 정보는 실제 하중상태에 노출된 복합재료 고정판의 정확한 변형거동 및 파손을 예측하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 판단된다. 이러한 국부적 변형에 의한 물성예측 정보는 향후 복잡한 복합재료 구조물의 유한요소해석을 이용한 구조설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 상기 재료파손 평가절차는 복합재료 고정판이 체내 환경에 장기간 노출될 경우 발생할 수 있는 재료의 물성저하 현상을 고려하지 않은 결과이기 때문에 보다 정확한 피로특성 예측을 위해서는 복합재료의 환경실험 및 그에 따른 재료 물성치 하 실험을 수행하여 보다 정확한 재료물성 데이터베이스를 구축해야 한다. 또한 대상의 특성상 치료기간에 걸쳐 하중조건이 변화함 (치료 초기에는 보행이 거의 어려우며, 치료기간이 진전됨에 따라 정상보행에 근접한 보행이 가능함)에 따른 피로특성의 변화도 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 비록 강도의 변화는 비교적 미미했으나, 영계수의 변화는 매우 큰 것을 알 수 있었으며, 이러한 정보는 실제 하중상태에 노출된 복합재료 고정판의 정확한 변형거동 및 파손을 예측하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 판단된다. 이러한 국부적 변형에 의한 물성예측 정보는 향후 복잡한 복합재료 구조물의 유한요소해석을 이용한 구조설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 1을 넘어서는 안 되기 때문에 대퇴골에 드레이핑 된 고정판은 피로응력이 약 100MPa ([45]10T 기준)을 넘지 않으면 골절부의 치료기간 중 고정판의 파손을 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 분석은 복합재료 고정판에 실제로 부가되는 하중에 의한 재료 내 응력분포의 계산을 통해 보다 정밀한 정량 평가가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
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