Lattice-based sandwich structures are being widely investigated to meet increasing demands for lightweight components. In the recent research works, lattice-based open cell structures have exhibited higher specific strength compared to closed cell structures, such as a honeycomb structure. Generally, a kagome structure is more effective than other lattice structures for compression and bending. In this study, a Pyramidal Kagome (PK) structure was developed based on the conventional kagome structure. The PK structure was fabricated with three steps: manufacturing of a flat mesh by the injection molding process, forming of the pyramidal shape, and adhesion of two pyramidal structures. The material used for the PK structure was polypropylene (PP). The fabrication time was significantly reduced by employing the injection molding process compared with the conventional wire woven method. Furthermore, mechanical characteristics of the PK structure were examined by three-point bending and drop-weight impact tests. The test results were compared with PP core based commercial honeycomb structures.
Moreover, the cross-sections of the strut of PK structure were developed to strengthen the sandwich structure. The tubular shape, semi-circular shape, and conventional flat rectangular shape in cross-section were investigated as the cross-section of the strut of the PK structure. From the modeling design, the cross-sectional areas were all the same as 0.6 mm2, while the geometrical moment of inertia of the semi-circular cross-section (SCC) was 4.4 times as high as that of the flat rectangular cross-section (FRC). The mechanical properties were investigated by the three-point bending and compression tests, and the results were compared with the flat rectangular cross-section (FRC)-based PK sandwich structure.
After the cross-section of the strut of the PK structure was developed, a design widow was investigated from the analysis. The failure modes of the composite PK sandwich structure were different with other metal-based truss sandwich structure because of its high elastic deformation characteristics of polymer. The failure modes of composite PK sandwich structure were thus investigated in this study. The bending deformation modes of the composite sandwich structure were investigated according to the ratio of bending stiffness of the face sheet to the shear stiffness of inner cores, and relative gap distance between PK structures. The failure modes according to the parametric value were defined. The defined failure modes of PK sandwich structure were categorized as the deformation window.
Conventionally, sandwich structures have been fabricated as plane panels, which was a limitation when they were applied to the curved components. In this study, a bendable structure that can be applied to the curved surface was developed based on the PK structure. A bending zone for the adaption to the curved surface was designed between the neighboring PK structures. The effect of the bending zone was also considered. The dimension of the bending zone area was designed considering the parametric value from the deformation window. The SCC-PK sandwich structure was applied to the bending zone and the bendable SCC-PK structure was fabricated using the injection molding process. The final bendable SCC-PK sandwich structure was tested by the three-point bending test. The results were compared with the conventional FRC-PK sandwich structure and the conventional PET foam sandwich structure.
국내외 산업계에서 가장 큰 이슈 중 하나는 부품 소재의 경량화이다. 특히 이송기기에 적용되는 부품들의 경량화를 통해 화석 연료를 절감하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다. 샌드위치 구조는 하중을 지지하기 위한 효율적인 구조로 이루어져 있어 가벼운 무게임에도 불구하고 높은 강도와 강성을 보이는 구조이다.
본 연구에서는 최근 문제가 되고 있는 경량문제에 대한 하나의 대안으로써 복합소재 샌드위치 구조를 제안하였다. 기존에 가장 강도 및 강성이 좋은 구조인 카고메 구조를 설계하되 향후 양산에 적용하기 위하여 양산이 가능한 카고메 구조를 제작하고자 하였다. 기존의 카고메 구조는 상/하 비대칭 형상으로 존재하기 때문에 굽힘에서 모멘트가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하고자 피라미달 형상을 상/하로 배열하여 접착하는 피라미달 카고메 구조를 제안하였다. 제안된 구조의 내부 코어 절곡 각도, 외판재의 재질에 대한 변수를 분석하여 최적의 변수로 피라미달 카고메 구조를 설계 하였다.
또한, 구조의 강성을 향상시키기 위하여 구조 단면에 대한 연구를 수행하였다. 기존의 직사각 단면을 가지는 피라미달 카고메 구조를 반원형의 단면으로 설계하여 기존 구조 대비 2 배 이상의 굽힘 강도와 강성을 확보할 수 있었다. 또한 이러한 반원형 피라미달 카고메 구조를 설계함에 있어서 변수에 따른 굽힘 모드를 해석으로 검증하고 이를 표로 작성하였다. 굽힘에서 크게 작용하는 변수인 외판재의 굽힘 강성과, 내부 구조의 전단 강성의 비 그리고 피라미달 카고메 구조의 사이 거리를 변수로 하여 이 변수들에 대한 복합소재 샌드위치 판재의 굽힘 모드를 영역으로 제안하였다. 이를 통해 향후의 설계에 있어서는 최적의 설계를 이 표를 토대로 할 수 있다.
대부분의 샌드위치 판재는 평판재로 제작이 되어서 곡면이 있는 부품으로 적용하기가 매우 어렵다. 본 연구에서는 내부 구조가 굽힘이 가능하도록 밴딩존을 설계하엿는데 이는 앞의 연구에서 최적 값으로 도출된 피라미달 카고메 사이의 거리를 바탕으로 설계되었다. 밴딩존을 설계함으로써 상/하부에 걸리는 인장/압축 변형을 내부 구조가 허용할 수 있었고 이로 인해 기존의 트러스 구조 대비 1/40 배 이상의 낮은 곡률 반경에도 적응이 가능하도록 설계하였다. 이 때의 외판재는 오토클레이브 장치를 통해 미리 곡면형으로 제작을 해 두었고 내부구조는 이 곡면형 GFRP 외판재에 적응시켜 접착을 하였다. 이렇게 제작된 굽힘 가능한 샌드위치 판재는 기존의 샌드위치 구조와 비교하기 위하여 대표적인 샌드위치 구조인 허니컴 샌드위치, PET 폼 샌드위치 구조와 굽힘 하중, 충격 하중에 있어서 비교하였다. 트러스 구조로써 내부 유체의 순환이 가능하고 내부 전선 등의 이동 통로가 될 수 있는 기존의 장점과 더불어 강성 설계가 된 반원 단면의 피라미달 카고메 구조는 강성과 강도에 있어서도 허니컴, 폼 샌드위치 대비 동등한 수준을 보이는 것을 확인하였다.
따라서 설계된 피라미달 카고메 복합 샌드위치 구조는 곡면에 적응될 수 있는 구조로써 산업계에 응용 범위를 크게 확장시킬 수 있는 계기가 될 수 있을 것으로 기대된다.
