[논문]3D 프린터로 제작한 샌드위치 코어의 저온 환경 특성 연구

안주훈; 최주환; 홍승래; 이창열

doi:10.20910/jase.2019.13.4.18

3D 프린터로 제작한 샌드위치 코어의 저온 환경 특성 연구
Study on Low Temperature Environmental Characteristics of Sandwich Core Made with 3D Printer 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.4, 2019년, pp.18 - 25

안주훈 (조선대학교 항공우주공학과) , 최주환 (조선대학교 항공우주공학과) , 홍승래 (조선대학교 선박해양공학과) , 이창열 (조선대학교 항공우주공학과)

초록
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3D 프린터를 이용한 무인기 제작에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있으나, 저온 환경에서의 구조물 하중특성에 관한 연구는 부족한 상황이다. 본 연구에서는 정상원형그물 구조를 가진 복합재 샌드위치 구조물을 제안하여 온도 조건 변화에 대한 하중특성을 분석하였다. 정상원형그물 구조 및 허니콤 구조는 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 제작하였다. 굽힘 하중 시험은 상온 및 저온 조건에서 수행하였다. 요구되는 온도 조건을 유지하기 위해서 저온 챔버 안에서 하중시험을 수행하였다. 시험 결과, 제안된 정상원형 그물 구조는 기존의 허니콤 구조에 비하여 저온에서의 하중 특성이 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Studies on the fabrication of UAV by using 3D printer have been actively carried out. However, research on structural load characteristics in low temperature environment is insufficient. In this study, a composite sandwich structure with ordinary orbs structure was proposed, and the load characteristics for temperature condition changes were analyzed. The ordinary orbs and honeycomb structures were fabricated by using a FDM type 3D printer. The bending load test was carried out at room temperature and low temperature condition. The low temperature condition was classified into four cases. Bending load tests were performed in a low temperature chamber to maintain the required temperature conditions. As a result of the test, it was confirmed that the proposed ordinary orbs structure had better load characteristics at low temperatures than the existing honeycomb structure.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 3D Modeling of Structures with CATIA [(a) : Honeycomb, (b) : Ordinary Orbs]
표 Table 1 Material Properties of ABS-M30
그림 Fig. 2 Schematic Diagrams of Bending Load Test [(a) : Room Temperature Experiment, (b) : Low Temperature Experiment]
그림 Fig. 3 Test Set-up for Bending Load
그림 Fig. 4 Bending Load Tester in the Cold Chamber
그림 Fig. 5 Structures Deformed by Bending Load [(a) : Honeycomb, (b) : Ordinary Orbs]
그림 Fig. 6 Bending Load Test of the Structures
그림 Fig. 7 Bending Load of the Honeycomb Structure at Low Temperature
그림 Fig. 8 Bending Load of the Ordinary Orbs Structure at Low Temperature
표 Table 2 Deformation Shapes of the Structures after Bending Test
그림 Fig. 9 Maximum Load Tendency according to Temperature Conditions

AI 본문요약
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제안 방법

200톤 굽힘 시험기를 이용하여 두 가지 구조물의 굽힘 하중 시험을 진행하였으며, 저온 챔버를 이용하여 항공기 운항 중 최저 외기 온도인 –50 ℃ 이내에서 시험을 진행하였다.
상온 시험과의 비교를 위하여 –30 ℃, -10 ℃, 10 ℃ 세 가지 조건을 추가로 설정하여 총 4가지 온도 조건에서 시험하였다. 구조물의 열전달을 고려하여 챔버 내부 온도를 시험 환경에 맞춘 후 약 20분 동안 구조물을 충분히 냉각시켜 시험을 진행하였다. 상온 굽힘 하중 시험과의 동일한 자간 거리 125 mm, 굽힘 시험기의 작동 속도 2 mm/min의 조건으로 시험하였다.
제안한 형상과 특성을 비교하기 위해서 기존에 사용되는 허니콤 구조를 추가 제작하였다. 굽힘 하중 시험은 상온 환경 및 저온 환경에서 수행하였으며, 저온환경시험은 온도를 네 가지로 구분하여 시험하였다. 두 가지 구조 형태의 코어에 대해 저온 환경에서의 하중과 변형량을 측정하여 제안된 정상원형그물 구조의 샌드위치 코어의 특성을 분석하였다.
굽힘 하중 시험은 상온 환경 및 저온 환경에서 수행하였으며, 저온환경시험은 온도를 네 가지로 구분하여 시험하였다. 두 가지 구조 형태의 코어에 대해 저온 환경에서의 하중과 변형량을 측정하여 제안된 정상원형그물 구조의 샌드위치 코어의 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 무게가 가볍고 강성이 높아 항공기 구조물로 활발한 연구가 진행되고 있는 샌드위치 구조물의 코어를 FDM 방식의 3D프린터를 이용하여 허니콤 구조와 정상원형그물 구조의 두 가지 구조형태를 제작하였다. 본 논문에서 제안한 형태는 거미줄을 형상화한 정상원형그물 구조이다. 허니콤 구조의 무게는 약 76.
본 논문에서는 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 샌드위치 코어를 제작하였다. 제안된 샌드위치 코어의 재질은 ABS이고, 형상은 정상원형그물 구조이다.
본 연구에서는 무게가 가볍고 강성이 높아 항공기 구조물로 활발한 연구가 진행되고 있는 샌드위치 구조물의 코어를 FDM 방식의 3D프린터를 이용하여 허니콤 구조와 정상원형그물 구조의 두 가지 구조형태를 제작하였다. 본 논문에서 제안한 형태는 거미줄을 형상화한 정상원형그물 구조이다.
상온 시험과의 비교를 위하여 –30 ℃, -10 ℃, 10 ℃ 세 가지 조건을 추가로 설정하여 총 4가지 온도 조건에서 시험하였다.
제안된 샌드위치 코어의 재질은 ABS이고, 형상은 정상원형그물 구조이다. 제안한 형상과 특성을 비교하기 위해서 기존에 사용되는 허니콤 구조를 추가 제작하였다. 굽힘 하중 시험은 상온 환경 및 저온 환경에서 수행하였으며, 저온환경시험은 온도를 네 가지로 구분하여 시험하였다.
1(b)는 본 논문에서 제안한 정상원형그물 구조이다. 중앙에 4 mm의 변의 길이를 가진 육각형을 기준으로 4 mm 간격으로 점점 커지는 육각형을 배열하였으며, 해당 육각형의 꼭짓점과 변의 가운데를 가로질러 이어 주는 방식으로 거미줄 형상을 설계하였다. 형상의 두께는 허니콤 구조의 셀 두께와 같도록 1 mm로 설계하였다.
1(a)는 기존 샌드위치 코어로 주로 사용되는 허니콤 구조이다. 허니콤 구조의 육각형 셀의 변의 길이는 4 mm로 설계하였으며, 육각형 셀의 두께는 1 mm로 설계하였다. Fig.

대상 데이터

굽힘 하중 시험은 200톤 굽힘 시험기인 AST-HAP 200TON를 사용하였으며, 시험 개략도는 Fig. 2(a)와 같고, 하중 시험기는 Fig. 3과 같다. 굽힘 시험기의 작동속도는 컴퓨터로 제어되며, 시험기 상단의 로드 셀을 이용하여 구조물에 인가되는 하중을 측정한다.
형상의 두께는 허니콤 구조의 셀 두께와 같도록 1 mm로 설계하였다. 두 구조물의 크기는 가로 225 mm, 세로 60 mm, 높이 20 mm로 같은 크기를 가지도록 제작하였으며, 제작한 시편의 무게는 허니콤 구조는 76.8 g이고 정상원형그물 구조는 77.1 g이었다.
본 연구는 Stratasys 사의 3D프린터를 이용하였으며, 기존 ABS보다 강도가 25~70% 더 높은 ABS-M30을 사용하였다. Stratasys 사에서 제작하고 제공하는 ABS-M30의 물성치는 Table 1과 같다.
저온 굽힘 하중 시험은 상온 굽힘 하중 시험과 같은 200톤 굽힘 하중 시험기를 이용하였으며, 저온 챔버는 –165 ℃까지 사용가능한 RB307 Serises를 사용하였다.
본 논문에서는 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 샌드위치 코어를 제작하였다. 제안된 샌드위치 코어의 재질은 ABS이고, 형상은 정상원형그물 구조이다. 제안한 형상과 특성을 비교하기 위해서 기존에 사용되는 허니콤 구조를 추가 제작하였다.

성능/효과

하지만 허니콤 구조의 경우 취성의 특성이 강해지면서 강도가 가장 약한 부분인 바깥쪽 틀 부분에서 1차 파단이 비교적 빠르게 발생하였으며, 1차 파단이후의 약해진 구조물로 인하여 최대하중이 점점 낮아지는 특성을 보이게 된다. 따라서 상온에서 허니콤 구조가 정상원형그물 구조에 비해 최대하중이 높았으나 낮은 온도가 될수록 정상원형그물 구조의 최대하중이 더 높으며, 정상원형그물 구조가 허니콤 구조에 비해서 최대 약 1.2배 정도 최대하중이 상대적으로 높다. 무인기운용 시 요구되는 최저 온도인 –50 ℃에서는 오차 범위 내 비슷한 측정치를 보이며, 극저온의 환경에서는 셀의 형상보다 재료의 특성이 최대하중에 더 큰 영향을 끼치고 있기 때문이다.
200톤 굽힘 시험기를 이용하여 두 가지 구조물의 굽힘 하중 시험을 진행하였으며, 저온 챔버를 이용하여 항공기 운항 중 최저 외기 온도인 –50 ℃ 이내에서 시험을 진행하였다. 시험 결과, 두 가지 구조물 모두에서 한 번에 파단이 나타나는 것이 아닌 지속적으로 파단이 발생하였으며, 시험 구간 내에서 구조물이 완전히 파단 되지 않고 변형만 된 것을 확인하였다. 저온 시험 결과 –30 ℃ 이후에서 구조물은 완전히 취성 영역으로 넘어가게 되어 최대하중이후 완전히 파단 되었다.
전체적인 최대하중 비교 결과 허니콤 구조의 경우 온도가 낮아질수록 최대하중이 떨어졌으며, 정상원형 그물 구조의 경우 –10 ℃ 이내에서는 최대 하중이 높아지고 –30 ℃ 이후에는 최대하중이 떨어졌다.
이는 일정한 배열의 허니콤 구조로 인해 최대하중에서 한 번에 완전히 파단 되는 것이 아닌 구조물이 지속적으로 하중을 버티고 있기 때문이다. 정상원형그물 구조의 최대하중은 811.6 N 이며, 정상원형그물 구조 또한 허니콤 구조와 비슷한 경향으로 1차 파단인 최대하중이후 하중이 떨어지면서 지속적인 파단이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 정상원형그물 구조의 경우 1차 파단 이후 하중이 급격하게 감소하였다.
상온을 제외한 저온 구간에서는 정상원형그물 구조가 허니콤 구조보다 특성이 좋았고, 무인기운용 시 요구되는 최저 온도에서는 오차 범위 내의 비슷한 특성을 가지고 있었다. 해당 시험을 통해 저온에서의 재료 특성을 확인하였으며, 저온 하중 실험을 통해 낮은 온도에서 정상원형그물 구조가 허니콤 구조에 비해 하중 특성이 우수함을 확인하였다.
실선은 허니콤 구조의 시험결과이며, 점선은 정상원형그물 구조의 시험결과이다. 허니콤 구조의 최대 하중은 852.8 N이며, 1차 파단인 최대하중이후 하중이 떨어지면서 2차, 3차 파단이 지속적으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 일정한 배열의 허니콤 구조로 인해 최대하중에서 한 번에 완전히 파단 되는 것이 아닌 구조물이 지속적으로 하중을 버티고 있기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린터을 이용하는 장점은?	FDM 방식에 사용되는 재료는 옥수수 전분으로 만든 친환경 수지인 PLA (poly lactic acid)와 PLA 보다 비교적 높은 내구성을 가진 ABS (acrylonitrile butadiene styrene)가 있다. 손쉽게 디자인 수정이 가능하고 별도의 금형이 필요하지 않기 때문에 투자비용이 감소하는 등의 이점으로 인하여 3D 프린터를 이용한 다양한 제품 및 건축물 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[3-5].
	ABS의 특성은?	ABS는 “Acrylonitrile”, “Butadiene” 및 “Styrene” 의 혼합으로 제조되며, 인장강도와 내충격성이 강하며 가공성이 우수하여 가전제품의 케이스와 자동차의 내장 마감 패널 등에 사용되고 있는 재료이다. 비교적 낮은 80 ℃ 이내의 금형제작에 적합한 온도를 가지고 있어 3D 프린터 재료로 주로 사용되고 있다.
	강도에 비해 무게가 가벼워 항공분야에 활용될 수 있는 이유는 샌드위치 구조의 어떠한 구성 특징 때문인가?	또한 손상된 샌드위치 구조물의 수리 방안에 대한 연구 등이 진행되어 왔다[6-7]. 샌드위치 구조물의 코어는 육각형의 셀이 규칙적으로 배열되어 있는 허니콤 구조를 주로 사용하고 있다. 허니콤 구조는 종 방향에서 가해지는 압축 하중에 대해 높은 강성을 가지며, 압축에 의한 소성 변형을 통하여 에너지를 흡수하는 특징을 가지고 있다[8]. 하지만 허니콤 구조의 형상과 에너지 흡수를 고려한 해석에 어려움이 있으며, 이를 해결하기 위한 이론적 연구 및 허니콤 구조의 특성을 더 높이고, 이를 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다 [9-13].

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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