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문제 정의
- 본 연구에서는 복합재 구조물의 생산 현장에서 Z-피닝 구조물의 제작을 더욱 쉽고 간편하게 하기 위하여 Fig. 1과 같은, ‘Z-피닝 패치‘를 고안하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 이 개념을 적용하여 2차에 걸쳐 단일겹침 전단 접합(single-lap shear joint)시편을 제작하고, 인장시험을 수행하여 Z-피닝에 의한 전단 접합강도의 향상을 점검하였다. 1차 제작에서는 0.3mm 직경의 스테인레스 핀을 사용하였고, 2차 제작에서는 0.5mm 직경의 스테인레스 핀을 사용하였으며, 2차 제작에서는 복합재와의 접합력을 향상시키기 위하여 핀의 표면을 요철형상으로 가공하고, 화학적으로 부식처리를 하였다.
- Figure 1의 개념과 같은 Z-피닝 패치를 제작하는 방법에는 여러 가지 방법들이 가능하겠지만, 본 연구에서는 상부 판(Fig. 1의 32)의 소재를, 제작된 Z-피닝 패치가 사용될 복합소재와 동일한 소재를 사용하여 제작하는 방법을 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 Z-피닝 패치를 제작하여 먼저 카본/에폭시 복합재 단일-겹침 전단 접합시편에 적용하여 성능을 시험할 예정이기 때문에 이와 동일한 특성을 갖는 카본/에폭시 복합소재를 사용하여 제작하는 방법을 개발하였다.
- 또한 복합재 내부의 강화섬유의 파손을 최소화하기 위하여, 진공과 성형압력을 부가하는 시간을 성형온도가 100°C에 도달 되어 수지의 점성이 최소화되는 시점으로 조정하였다.
- 5mm 직경의 핀을 사용하였다. 또한 핀의 표면을 가공하여 요철 형상을 갖도록 Z-피닝 패치를 제작하였다. 이후 핀의 표면을 화학적으로 부식시켜 복합재와의 접합력이 향상되도록 하였다.
- 2의 가이드 플레이트에 작용하는 성형압력만으로 Z-피닝 패치를 복합재 내부로 삽입시키는 것이 용이하지 않게 된다. 본 연구에서는 가이드 플레이트의 상부에 약 3배 정도 더 넓은 플레이트를 위치시켜 패치의 삽입에 더 큰 하중이 부가되도록 함으로써 패치의 삽입이 가능하도록 조치하였다.
- 본 연구에서는 복합재 구조물 제작 현장에서 Z-피닝 기술을 쉽고 간편하게 적용할 수 있도록, 저자에 의하여 고안된 ‘Z-피닝 패치’의 개념을 소개하고, 시제품을 제작하여 단일-겹침 전단 접합 시편에 적용하고, 인장시험을 수행하여 Z-피닝 패치의 성능을 점검하였다.
- 2는 Z-피닝 패치를 적용하여 복합재 구조물을 성형하는 개념을 보여주고 있다. 본 연구에서는 이 개념을 적용하여 2차에 걸쳐 단일겹침 전단 접합(single-lap shear joint)시편을 제작하고, 인장시험을 수행하여 Z-피닝에 의한 전단 접합강도의 향상을 점검하였다. 1차 제작에서는 0.
- 제작된 Z-피닝 패치는 삽입될 핀의 길이(6mm 와 8mm) 및 핀과 핀 사이의 간격(2mm와 3mm) 에 따라 4 종류가 제작되었다. Fig.
- 1의 32)의 소재를, 제작된 Z-피닝 패치가 사용될 복합소재와 동일한 소재를 사용하여 제작하는 방법을 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 Z-피닝 패치를 제작하여 먼저 카본/에폭시 복합재 단일-겹침 전단 접합시편에 적용하여 성능을 시험할 예정이기 때문에 이와 동일한 특성을 갖는 카본/에폭시 복합소재를 사용하여 제작하는 방법을 개발하였다. 단일-겹침 접합시편 제작에 사용된 복합 소재는 SK케미칼의 USN-125B 프리프레그이며, 패치의 상부 판 제작에 사용된 복합 소재는 SK케미칼의 WSN3K 프리프레그이다.
대상 데이터
- 1차 시편 제작을 통하여 Z-피닝의 효과를 확인할 수 없었기에, 2차 시험에서는 1차 시험에 사용된 스테인레스 핀의 재질보다 더 강성이 강한 SUS304-H3/4 재질의 0.5mm 직경의 핀을 사용하였다. 또한 핀의 표면을 가공하여 요철 형상을 갖도록 Z-피닝 패치를 제작하였다.
- 8은 2차로 제작된 시편들에 대한 시험결과를 보여준다. 각 경우에 대하여 8개씩 시편을 제작하고 시험을 수행하였다.
- 즉, 본 연구에서는 Z-피닝 패치를 제작하여 먼저 카본/에폭시 복합재 단일-겹침 전단 접합시편에 적용하여 성능을 시험할 예정이기 때문에 이와 동일한 특성을 갖는 카본/에폭시 복합소재를 사용하여 제작하는 방법을 개발하였다. 단일-겹침 접합시편 제작에 사용된 복합 소재는 SK케미칼의 USN-125B 프리프레그이며, 패치의 상부 판 제작에 사용된 복합 소재는 SK케미칼의 WSN3K 프리프레그이다.
- 제작된 Z-피닝 패치를 사용하여 1차 시편 제작에서와 마찬가지로 단일-겹침 전단 접합 시편을 제작하였으며, 접합부의 두께는 6mm와 8mm 두 가지 경우이며, 핀의 간격은 2mm와 3mm 간격이며, 이 경우에 있어서 핀의 밀도는 각각 2.2%와 4.9%에 해당된다. 핀의 밀도가 4.
- 시편의 중앙 부위에 Z-피닝 패치의 상부 판이 약간 돌출되어 있음을 볼 수 있다. 제작된 시편은 Instron 4467 시험기를 사용하여 인장하중을 부가하고 접합 강도를 측정하였다.
- Figure 9는 시편의 파단된 모습을 보여준다. 첫 번째 사진은 Z-피닝을 하지 않은 6mm/no의 경우이고, 두 번째와 세 번째는 각각 6mm/3mm 와 8mm/2mm의 경우이다. 첫 번째 사진의, Z핀이 없는 경우에는, 접합부의 중간에 위치한 접합면에서 층간분리가 발생하였다.
- Figure 3은 본 연구에서 개발된 Z-피닝 패치의 성형 제작 장치를 보여준다. 패치 제작에 사용된 Z-핀은 0.3mm 직경의 스테인레스 강선이다. 핀의 끝단부는 원활한 삽입을 위하여 뾰족하게 가공하였고, 패치의 상부 판은 상기 프리프레그를 약 1.
성능/효과
- 1차 시편 제작 및 시험을 통하여 Z-피닝의 성능 향상 효과는 확인하지 못하였지만, Z-피닝 패치의 개념을 적용하여 복합재 Z-피닝 구조물의 제작이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 2차 시편 제작과 시험을 통하여, 요철 형상 및 화학적 부식 처리된 0.5mm 직경의 스테인레스 핀을 사용하여 Z-피닝을 시행하였을 때, 약 54∼68%의 접합강도의 향상을 확인할 수 있었다.
- 1차 시험에서는 6가지 경우에 대하여 각 6개의 시편을 제작하고 시험을 수행하였다. Z-피닝을 하지 않은 6mm/no와 8mm/no의 시험결과에서 파단강도의 차이가 매우 크게 나타났으며, 이에 추가적으로 4개 및 6개의 시편을 더 제작하여 시험을 수행하였으며, 파단강도의 차이가 약간 감소하였으나, 그래도 그 차이가 상당히 크게 나타나고 있었다. 이와 같이 Z-피닝을 하지 않은 시편의 강도에서 차이가 매우 크게 나타났기 때문에, Z-피닝의 효과에 대하여 일관성있는 해석이 곤란하였지만, Z-핀의 밀도가 증가할수록 연결부의 접합강도가 감소하는 경향은 접합부의 두께 6mm 시편과 8mm 시편에서 공통으로 나타났다.
- 본 연구에서는 복합재 구조물 제작 현장에서 Z-피닝 기술을 쉽고 간편하게 적용할 수 있도록, 저자에 의하여 고안된 ‘Z-피닝 패치’의 개념을 소개하고, 시제품을 제작하여 단일-겹침 전단 접합 시편에 적용하고, 인장시험을 수행하여 Z-피닝 패치의 성능을 점검하였다. Z-핀과 복합재와의 결합력을 증가시키기 위하여 Z-핀의 표면을 요철 형상으로 가공하고 화학적으로 부식 처리하였으며, 결과적으로 본 연구를 수행한 두 가지단일-겹침 접합 시편의 경우에 접합 강도를 54%및 68% 증가시킬 수 있었다. 이 결과는 접합부의 두께가 6mm, 8mm인 경우이며, 만일 접합부의 두께가 이보다 더 두꺼운 경우에는 Z-피닝에 의한 접합 강도의 향상이 더욱 크게 나타날 것으로 기대되었다.
- 결과를 요약하면, 2mm 간격으로 핀을 삽입한 경우는 핀 밀도 4.9%에 해당하는데 Z-피닝의 효과가 확실하게 나타났으며, 3mm 간격으로 삽입한 경우는 핀 밀도 2.2%에 해당하는데 상대적으로 Z-피닝의 효과가 확실하지 않았다.
- 5mm 직경의 스테인레스 핀을 사용하여 Z-피닝을 시행하였을 때, 약 54∼68%의 접합강도의 향상을 확인할 수 있었다. 또한 시편들의 파단 양태에 대한 관찰을 통하여, 향후 Z-핀을 접합부 시편의 바닥면까지 더 정확히 삽입하는 경우에는 Z-피닝의 효과가 더욱 크게 나타날 것으로 판단할 수 있었다.
- Z-핀과 복합재와의 결합력을 증가시키기 위하여 Z-핀의 표면을 요철 형상으로 가공하고 화학적으로 부식 처리하였으며, 결과적으로 본 연구를 수행한 두 가지단일-겹침 접합 시편의 경우에 접합 강도를 54%및 68% 증가시킬 수 있었다. 이 결과는 접합부의 두께가 6mm, 8mm인 경우이며, 만일 접합부의 두께가 이보다 더 두꺼운 경우에는 Z-피닝에 의한 접합 강도의 향상이 더욱 크게 나타날 것으로 기대되었다.
- Z-피닝을 하지 않은 6mm/no와 8mm/no의 시험결과에서 파단강도의 차이가 매우 크게 나타났으며, 이에 추가적으로 4개 및 6개의 시편을 더 제작하여 시험을 수행하였으며, 파단강도의 차이가 약간 감소하였으나, 그래도 그 차이가 상당히 크게 나타나고 있었다. 이와 같이 Z-피닝을 하지 않은 시편의 강도에서 차이가 매우 크게 나타났기 때문에, Z-피닝의 효과에 대하여 일관성있는 해석이 곤란하였지만, Z-핀의 밀도가 증가할수록 연결부의 접합강도가 감소하는 경향은 접합부의 두께 6mm 시편과 8mm 시편에서 공통으로 나타났다. 이는 Z-피닝으로 인하여 연결부의 접합성능이 오히려 저하된다는 것을 의미하는 것이다.
- 1차 시험결과와는 달리 Z-피닝을 하지 않은 6mm/no의 파단강도와 8mm/no의 파단강도 사이에서 그 차이가 상당히 축소되었다. 접합부의 두께 6mm 시편들에 대하여 Z-피닝의 효과를 구체적으로 살펴보면, 6mm/3mm의 경우에는 6mm/no에 비하여 약 19%의 접합 강도의 향상이 있었고, 6mm/2mm의 경우에는 6mm/no에 비하여 약 54%의 강도 향상을 보였다. 접합부의 두께 8mm 시편들에 대해서는, 8mm/3mm의 경우에는 8mm/no에 비하여 약 2%의 접합 강도의 감소가 나타났고, 8mm/2mm의 경우에는 8mm/no에 비하여 약 68%의 접합강도 향상을 보였다.
- 접합부의 두께 6mm 시편들에 대하여 Z-피닝의 효과를 구체적으로 살펴보면, 6mm/3mm의 경우에는 6mm/no에 비하여 약 19%의 접합 강도의 향상이 있었고, 6mm/2mm의 경우에는 6mm/no에 비하여 약 54%의 강도 향상을 보였다. 접합부의 두께 8mm 시편들에 대해서는, 8mm/3mm의 경우에는 8mm/no에 비하여 약 2%의 접합 강도의 감소가 나타났고, 8mm/2mm의 경우에는 8mm/no에 비하여 약 68%의 접합강도 향상을 보였다.
- 첫 번째 사진은 Z-피닝을 하지 않은 6mm/no의 경우이고, 두 번째와 세 번째는 각각 6mm/3mm 와 8mm/2mm의 경우이다. 첫 번째 사진의, Z핀이 없는 경우에는, 접합부의 중간에 위치한 접합면에서 층간분리가 발생하였다. 삽입되는 핀의 밀도가 상대적으로 낮은, 두 번째 사진의 3mm 간격의 경우에는, 접합면을 중심으로 핀의 이탈이 발생하였다.
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