와이어 직조 Kagome는 와이어로 직조된 Periodic Cellular Metal의 일종으로서 Kagome 구조로 이루어져 있다. 와이어 직조 Kagome는 무게 대비 높은 강도와 강성을 가지면서 대량 생산에도 큰 가능성을 가지는 것으로 알려졌다. 본 연구에서는 ${\alpha}$-cristobalite 구조적 특성을 모사하여 음의 푸아송비를 갖는 새로운 직조 구조체를 개발하였다. 와이어 직조 Kagome를 제작한 후 사면체 단위셀 부분을 강구와Epoxy를 이용하여 채우고, 초기 변형을 주어 시편을 제작하였다. 또한 FEA 시뮬레이션을 통해 제작 가능성을 확인하고, 실제 제작한 구조체를 대상으로 기계적 특성을 연구하였다.
와이어 직조 Kagome는 와이어로 직조된 Periodic Cellular Metal의 일종으로서 Kagome 구조로 이루어져 있다. 와이어 직조 Kagome는 무게 대비 높은 강도와 강성을 가지면서 대량 생산에도 큰 가능성을 가지는 것으로 알려졌다. 본 연구에서는 ${\alpha}$-cristobalite 구조적 특성을 모사하여 음의 푸아송비를 갖는 새로운 직조 구조체를 개발하였다. 와이어 직조 Kagome를 제작한 후 사면체 단위셀 부분을 강구와Epoxy를 이용하여 채우고, 초기 변형을 주어 시편을 제작하였다. 또한 FEA 시뮬레이션을 통해 제작 가능성을 확인하고, 실제 제작한 구조체를 대상으로 기계적 특성을 연구하였다.
Wire-woven Kagome is a kind of Periodic Cellular Metal, which is known to have high strength, stiffness for its weight, and potential for mass production. In this work, we developed a new structure that mimics ${\alpha}$-cristobalite. First, an ordinary wire-woven Kagome was fabricated us...
Wire-woven Kagome is a kind of Periodic Cellular Metal, which is known to have high strength, stiffness for its weight, and potential for mass production. In this work, we developed a new structure that mimics ${\alpha}$-cristobalite. First, an ordinary wire-woven Kagome was fabricated using metallic wires, and the tetrahedral cells were then filled with metal balls and epoxy. The wire-woven Kagome was transformed to have a negative Poisson's ratio by carrying out a specified amount of initial deformation. The fabrication possibility and kinematic behavior were checked by using FEA simulation. Finally, the mechanical properties were measured using compressive tests.
Wire-woven Kagome is a kind of Periodic Cellular Metal, which is known to have high strength, stiffness for its weight, and potential for mass production. In this work, we developed a new structure that mimics ${\alpha}$-cristobalite. First, an ordinary wire-woven Kagome was fabricated using metallic wires, and the tetrahedral cells were then filled with metal balls and epoxy. The wire-woven Kagome was transformed to have a negative Poisson's ratio by carrying out a specified amount of initial deformation. The fabrication possibility and kinematic behavior were checked by using FEA simulation. Finally, the mechanical properties were measured using compressive tests.
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문제 정의
본 연구는 일종의 선행연구로서 Kagome구조체를 변형하여 팽창성 재료를 만들 수 있는지 가능성을 조사하는 것이 목적이었다. 그러나 다공질 재료로서 대표물성을 얻기 위해서는 셀 사이즈가 전체 시편의 크기보다 훨씬 작은 것이 바람직하다.
본 연구에서는 사면체 구조가 채워진 3D Kagome구조체의 형태가 위의 β-cristobalite와 매우 흡사함에 주목하였다.
본 연구에서는 와어어를 직조하여 얻어지는 Kagome트러스 구조체 내부의 사면체를 별도의 고체로 채워 팽창성 재료를 얻는 방법을 제시하였는데 같은 방법을 다른 형태의 직조금속에 적용할 수 있다. 예를 들면 와이어로 8면체 트러스로 구성된 3D 구조체 WBD (wire-woven bulk diamond)를 제조할 수 있다.
연구에서는 와이어 3D Kagome 구조체의 사면체를 별도의 고체로 채우고 형태를 적절히 변환하여 α-cristobalite의 격자구조와 유사한 팽창성 재료를 만드는 방법을 소개하였다. 연성의 알루미늄 와이어와 강구 및 에폭시 수지로 제조된 시편을 대상으로 예비실험을 실시하여 그 타당성을 조사하였다.
제안 방법
여기에 흑색 락카를 스프레이하여 랜덤한 스펙클 무늬를 형성하였다. 각 고무막 정면에 디지털카메라를 설치하여 압축실험과정에서 변형된 이미지를 촬영하였다. 사용된 카메라는 Nikon D5100로서 x-z, y-z plane에 각각 카메라를 두어 초기와 변형률 0.
35을 적용했다. 경계조건은 모델의 상부, 하부 node를 MPC 조건을 이용하여 중심 node에 구속한 후, 상부 중심 node에 z방향으로 변위를 부여했고 하부는 고정하였다. 요소 타입은 사면체 요소(C3D4)를 사용하였다.
먼저 CATIA로 CAD모델을 만든 후 Hypermesh v12로 요소 분할하고 유한요소 해석을 수행하였다. 사면체의 내부도 와이어와 동일한 알루미늄으로 채워진 것으로 설정하였다.
압축 하중이 가해질 때 시편에 발생하는 소성변형이 특정 층에 집중되어 그 층에서만 압착이 발생하는 경향이 있다. 본 연구에서는 소성변형 정도에 따른 시편의 평균적인 거동을 측정하고자 하였으므로, 각 시편의 측면 서로 직교하는 두 방향에서 관찰되는 Fig. 5 하부사진에 보이는 다수의 구멍에 약간 작은 직경의 원형 봉을 삽입하여 국부적인 변형을 억제하였다. 즉, 압축에 따라 변형이 진행되어 봉이 구멍에 끼이게 되면 실험을 정지하고 모든 봉을 보다 작은 직경을 가진 것으로 교체하고 실험을 재개하였다.
5, 1, 5, 10, 15%인 지점에서 각각 촬영을 실시하였다. 시편의 상하부는 면재에 부착되어 변형이 억제되기 때문에 상하 각각 한 층을 제외한 나머지 부분의 평균변형률을 측정하였다.
시험편의 기계적 특성과 팽창성을 측정하기 위하여 압축실험을 실시하였다. 각 시편의 상하면을 평면으로 가공한 후 에폭시로 5 mm 두께의 강판을 부착하였다.
각 시편의 두 측면을 평탄화 한 후에 고무막을 상하방향으로 팽창한 채 부착하였다. 여기에 흑색 락카를 스프레이하여 랜덤한 스펙클 무늬를 형성하였다. 각 고무막 정면에 디지털카메라를 설치하여 압축실험과정에서 변형된 이미지를 촬영하였다.
연구에서는 와이어 3D Kagome 구조체의 사면체를 별도의 고체로 채우고 형태를 적절히 변환하여 α-cristobalite의 격자구조와 유사한 팽창성 재료를 만드는 방법을 소개하였다. 연성의 알루미늄 와이어와 강구 및 에폭시 수지로 제조된 시편을 대상으로 예비실험을 실시하여 그 타당성을 조사하였다. 그 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
11의 왼쪽사진은 압축실험 전의, 오른쪽 사진은 압축실험이 끝난 후 시편의 와이어 교차점을 확대하여 나타낸다. 오른쪽 사진 화살표가 가리키는 부분과 같이, Kagome구조를 구성하는 사면체 꼭지점에 위치한 세 가닥 와이어의 교차점 근처에서 에폭시 수지와 와이어 사이 접합이 부분적으로 분리된 현상을 관찰하였다. 이와 같은 접합부 파손현상은 에폭시 수지의 함침과 경화 후 Fig.
3은 사면체가 채워진 Kagome 구조를 나타낸 것이다. 우하단에 그 단위셀의 형상을 상의 cristobalite 의 단위샐과 비교하였다. 본 연구에서는 사면체 구조가 채워진 3D Kagome구조체의 형태가 위의 β-cristobalite와 매우 흡사함에 주목하였다.
시편의 영계수를 측정하기 위하여 상/하 면재 사이의 변위를 정확하게 측정하여야 한다. 이를 위하여 상/하부 면재의 서로 마주보는 측면에 나이프에지를 설치하고 두 개의 변위계(clip gage)를 부착하여 변위를 측정한 후 평균을 내어 시편의 자체의 부피평균 값을 구하였다. 자세한 이론적근거는 Lee 등의 논문(7)에 나와 있다.
좌우방향 변위장 맨 좌/우단에서의 평균변위의 차이 ∆u를 변위장 전체 폭 ∆x로 나누어 평균변형률 εx를 결정하고, 상하방향 변위장 맨 상/하단에서의 평균변위의 차이 ∆v를 변위장을 전체 폭 ∆y로 나누어 평균변형률 εy를 결정하여 ν= -εx/εy와 같이 Poisson의 비를 계산하였다.
5 하부사진에 보이는 다수의 구멍에 약간 작은 직경의 원형 봉을 삽입하여 국부적인 변형을 억제하였다. 즉, 압축에 따라 변형이 진행되어 봉이 구멍에 끼이게 되면 실험을 정지하고 모든 봉을 보다 작은 직경을 가진 것으로 교체하고 실험을 재개하였다. d = 6.
대상 데이터
각 고무막 정면에 디지털카메라를 설치하여 압축실험과정에서 변형된 이미지를 촬영하였다. 사용된 카메라는 Nikon D5100로서 x-z, y-z plane에 각각 카메라를 두어 초기와 변형률 0.5, 1, 5, 10, 15%인 지점에서 각각 촬영을 실시하였다. 시편의 상하부는 면재에 부착되어 변형이 억제되기 때문에 상하 각각 한 층을 제외한 나머지 부분의 평균변형률을 측정하였다.
변환 전에는 원형에 가까운 형태였던 구멍이 변환 후에는 타원형으로 변화하였음을 알 수 있다. 시험편의 크기는 77.3 mm x 85 mm x 85 mm이다.
사면체의 내부도 와이어와 동일한 알루미늄으로 채워진 것으로 설정하였다. 와이어 물성으로서 별도의 인장실험에서 측정된 항복강도 38 MPa, 영계수 70 GPa, 푸아송비 0.35을 적용했다. 경계조건은 모델의 상부, 하부 node를 MPC 조건을 이용하여 중심 node에 구속한 후, 상부 중심 node에 z방향으로 변위를 부여했고 하부는 고정하였다.
경계조건은 모델의 상부, 하부 node를 MPC 조건을 이용하여 중심 node에 구속한 후, 상부 중심 node에 z방향으로 변위를 부여했고 하부는 고정하였다. 요소 타입은 사면체 요소(C3D4)를 사용하였다. 해석에 사용된 상용 유한요소 해석프로그램은 ABAQUS 6.
98 mm 직경의 순수 알루미늄 1100 와이어 3가닥을 함께 꼬은 다음 풀어내어 나선형으로 성형한다. 피치는 16.2 mm, 나선반경은 0.75 mm 이다. 그 다음 나선형 와이어들을 6방향으로 회전-삽입하여 Fig.
데이터처리
10은 FEA로 예측한 Poisson의 비를 나타낸 것이다. 실험에서와 마찬가지로 면재에 부착된 상하부의 한 층을 제외한 나머지 부분의 평균변형률을 구하여 Poisson비를 계산하였다. 초기의 탄성변형구간을 지나 항복점 근처에서 약 ν = - 0.
이론/모형
시편에서 발생하는 Poisson의 비를 정밀하게 측정하기 위하여 Digital Image Correlation(DIC)법을 적용하였다. 각 시편의 두 측면을 평탄화 한 후에 고무막을 상하방향으로 팽창한 채 부착하였다.
성능/효과
(1) 이 새로운 재료는 압축하중 작용 시 두 방향의 Poisson비를 특정한 결과 항복점 근처에서 최대 ν = -0.11~-0.12의 팽창성을 나타낸 후 감소하는 경향을 나타내었다.
(2) 압축하중 작용 시 알루미늄 와이어와 에폭시 수지 사이의 부분적인 분리가 발생하여 팽창성 저하를 유발하는 것으로 밝혀졌다.
(5) 와이어 형태로 만들 수 있는 어느 소재로도 가능하지만 특히 금속의 경우 신선(drawing)과정을 통하여 쉽게 높은 강도와 낮은 결함을 가진 와이어를 만들 수 있기 때문에 이 Kagome소재로서 적합하다. 따라서 이 기술은 다공질재료를 저렴한 비용으로 대량생산하는 데 적합하며 무게 대비 고강도를 가지는 것으로 알려졌다. 반면에 3D 프린팅이나 주조에서 의하여 제조된 다공질금속은 재료 내에 결함이 존재하여 강도가 낮다.
따라서 이 Kagome구조체에 초기 변형을 가하여 α-cristobalite와 흡사하게 만들어 새로운 타입의 팽창성 구조체를 제조할 수 있을 것으로 기대하였다. 따라서 제조원리에 기초한 구조를 설계하고 FEA를 통해 그 특성을 예측하고, 실험을 통하여 기계적 특성과 Poisson 비를 측정하여 고강도를 가진 팽창성 구조체의 제조 가능성을 입증하였다.
반면에 3D 프린팅이나 주조에서 의하여 제조된 다공질금속은 재료 내에 결함이 존재하여 강도가 낮다. 별도의 연구에서 이 Kagome 구조 내의 작은 사면체형 cell을 별도의 고체로 채워 이 구조체의 주요 파손모드인 트러스 요소의 굽힘이나 좌굴을 근원적으로 억제함으로써 강도를 획기적으로 증가할 수 있음을 발견하였다.(6)
실험 및 FEA에 따르면 본 연구에서 제조한 시편의 팽창성(auxetic property)은 명확히 입증되었다. 단 초기 항복점 이후의 거동이 예상과 다르게 낮은 팽창성을 나타낸 점이 문제이다.
후속연구
따라서 이 Kagome구조체에 초기 변형을 가하여 α-cristobalite와 흡사하게 만들어 새로운 타입의 팽창성 구조체를 제조할 수 있을 것으로 기대하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
팽창성 재료란 무엇인가?
즉, 하중 인가 방향으로의 변형(종변형)에 대한 하중 인가 방향에 수직한 방향으로의 변형(횡변형)은 서로 반대이며, 일반적인 재료의 경우 종변형에 대한 횡변형의 비에 음(-)의 값을 부여하여 정의되는 푸아송 비 (Poisson’s ratio)는 양(+)의 값을 갖는다. 이에 대해, 특정 구조를 갖는 재료의 경우 음(-)의 푸아송 비를 갖는데, 이러한 재료를 소위 팽창성 재료(auxetic material)라 한다. 이러한 팽창성 재료는 분자 구조와 같은 미시적인 수준에서 수 센티미터 단위의 거시적인 수준까지 넓은 범위에서 확인된다.
팽창성 재료 중 키랄구조는 어떠한 형태를 가지는가?
Fig. 1(b)는 키랄구조(chiral structure)를 나타낸 것으로서, 직선 요소가 원형 또는 다각형의 강체 외곽에 나선형으로 배치된 형태를 갖는다. Fig.
팽창성 재료 중 회전구조는 어떠한 형태를 갖는가?
Fig. 1(c)는 회전구조(rotating structure)를 나타낸 것으로서, 다각형의 강체들이 꼭지점에서 서로 연결된 형태를 갖는다. 이와 같은3가지 구조는 매우 높은 공극률을 갖는다공성 구조로서 내부가 비어 있기 때문에 구조재로서 강도는 크게 낮다
참고문헌 (10)
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Alderson, A. and Alderson, K. L., 2007, "Auxetic Materials," Proc. IME Part G: J. Aerospace Engineering, Vol. 221, pp. 565-575.
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Kimizukal H., Ogata, S. and Shibutani, Y., "High-Pressure Elasticity and Auxetic Property of $\alpha$ -Cristobalite," 2005, Materials Transactions, Vol. 46, pp. 1161-1166.
Kang, K.J., 2007 "A Wire-Woven Cellular Metal of Ultra-High Strength," Acta Materialia, Vol. 57, pp. 1865-1874.
Lee, M. G., Yoon, J. W., Han, S. M., Suh, Y. S. and Kang, K.J., 2014, "In-plane Compression Response of Wire-woven," Materials & Design, Vol. 55, pp. 718-726.
Lee, M. G. and Ko, G. D., Song, J. and Kang, K.J., 2012, "Compressive Characteristics of A Wire-woven Cellular Metal," Materials Science & Engineering A, Vol. 539, pp. 185-193.
Hwang, J., Son, J., Zhang, J. Y., Janotti, A., Van de Walle, C. G. and Stemmer, S., 2013, "Structural Origins of the Properties of Rare Earth Nickelate Superlattices," Physical Review B, Vol. 87, 060101(R).
Kang, K. J., Kang, D. S., Cho, S. D., Park, J. W. and Park, J. G., 2015, "Auxetic Structure Based on Wire-woven Metal and Fabrication Method and Appratus of the Same," Korea Patent Pending, Application number 10-2015-0154675.
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