Demands for lightweight material have been increasing as the price of energy soared. A promising candidate is high strength polymer material, but previous research works mainly focused on molecular design (e.g. engineering plastics) or fabrication of composite material. (e.g. fiber-reinforced plastics). In this work, structured polymer sandwich panel (especially, Pyramidal Kagome sandwich panels) is proposed for the first time, and its mechanical properties were evaluated by FE (Finite Element) analysis and experiments.
It turned out that properly designed polymer sandwich panels made of common polymer such as PP (polypropylene) or PVC (polyvinyl chloride) showed specific bending stiffness higher than 0.7t solid steel plate (which is used for roof of automobiles). Especially, structured cores combined with face sheets with composite material such as GFRP (Glass Fiber-Reinforced Plastic) or CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Plastic) showed superior mechanical properties, weighing much less than steel plate.
Results obtained from FE analysis were verified with experiments with Pyramidal Kagome core made of PVC which was combined with face sheets with different thickness (0.3 mm and 0.6 mm) and face sheets with different materials including PS (polystyrene), PVC and GFRP. Results of these examples are analyzed and presented in this work.
에너지 가격 상승 및 탄소 배출 규제의 강화로 인해 고강도 경량화 소재에 대한 연구가 활발히 진행되는 가운데, 고강도 폴리머 소재의 연구는 대부분 엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic) 등 분자 설계에 대한 연구나 섬유 강화 플라스틱 (Fiber-reinforced plastic) 등 복합 재료에 대한 연구에 집중되어 왔다. 이에 본 연구에서는 고분자 제품의 개발에 있어 재료 설계의 관점에서 벗어나, 고분자를 소재로 역학적 구조를 설계함으로써 우수한 기계적 물성을 달성하고자 하였다. 동시에 고분자 소재의 뛰어난 가공성을 활용하여 기존에 대량 생산이 불가능하였던 구조를 대량 생산하는 것을 도모함으로써 산업적 적용을 기대할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 피라미드형 카고메 구조를 심부 구조로 활용한 샌드위치 판재와 그에 대한 응용 구조에 대해 구조적 변수를 도출하고, 그에 따른 물성을 유한요소법 (FEM, Finite Element Method)을 통한 시뮬레이션과 실험을 통하여 평가하였다. 유한요소법을 활용한 시뮬레이션을 통하여, 폴리프로필렌이나 폴리비닐클로라이드와 같은 범용 폴리머 소재로 샌드위치 판재를 제작하였을 때 0.7mm 강판을 상회하는 비(比)굽힘강성을 보이며, 외판재를 범용 폴리머 소재가 아닌 복합 소재로 구성할 경우 굽힘강성 측면에서도 0.7mm 강판에 비해 우수한 특성을 가짐을 제시하였으며, 이러한 결과를 실험을 통하여 검증하였다.
실험에서는 폴리비닐클로라이드로 제작된 피라미드형 카고메를 심부 구조로 활용하여 외판재 두께(0.3 mm/ 0.6 mm)와 외판재 소재(폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 유리 섬유 강화 플라스틱)를 달리 하였을 때의 3점굽힘 특성을 비교하였으며, 우수한 굽힘강성 및 비굽힘강성을 갖는 것을 확인하였다.
일련의 결과를 통하여, 기존의 소재적 접근에서 벗어나 폴리머의 구조 설계를 통하여 제작된 제품의 가능성을 검증할 수 있었으며 이를 통하여 새로운 제품 영역으로써의 산업적 기여를 도모하였다.
