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Microscale Adhesive Wear Prediction of Expanded Polystyrene Foam on Coated Galvanized Steel Sheets

  • 강성예 (Seongye Kang, 서강대학교 일반대학원)

초록

In product packaging, expanded polystyrene (EPS) foam, known for excellent shock absorption and low density, encounters sliding interactions during loading and transportation, potentially leading to surface wear. However, predicting wear in EPS foam remains understudied. Computational methods like Molecular Dynamics (MD) and Discrete Element Method (DEM) have limited predictive capability due to computational loads and size restrictions in achievable model dimensions. To address this, we propose a Finite Element Method (FEM) model for predicting micro-scale adhesive wear height of expanded polystyrene foam adhered to coated galvanized steel sheets. The FEM predicts adhesive heights through wear depths in the EPS foam, which are computed employing the Archard wear model, utilizing the experimentally determined friction coefficient, surface hardness, and the wear coefficient derived via reverse engineering techniques. Sliding wear tests between coated galvanized steel and EPS foam were conducted to determine the wear coefficient and subsequent tape tests isolated strongly adhered regions. SEM-EDS analysis confirmed the presence of adhered expanded polystyrene foam on the coated galvanized steel. This model was validated by comparing the measured and predicted adhesion heights through impact and harmonic tests. The harmonic tests showed an average adhesive height error of 0.14 μm (<0.54 μm cutoff), with a non-significant p-value of 0.18 (p > 0.05) between experimental and predicted heights, which demonstrates no statistically significant difference between the experimental and predicted adhesion heights. Additionally, in impact tests, the model's predictions showed a maximum adhesive prediction of 5nm, akin to the absence of adhesion observed in experiments, strengthens the model's credibility.

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초록

플라스틱 폼재는 충격 흡수가 뛰어나고 낮은 밀도를 가지며 성형이 쉬워 제품 패키징에서 많이 사용된다. 제품 표면과 직접 접촉하며 적재 및 운송 환경에 노출되며 상대적인 슬라이딩이 발생하여 제품 표면에 마모가 발생할 수 있지만 플라스틱 폼재의 마모 예측 연구는 부족한 상황이다. 또한 접착 예측을 위해서는 현재 Molecular Dynamics Simulation 및 Discrete Element Method와 같은 계산 부하가 높고 시뮬레이션 대상이나 모델의 크기 및 형상이 제한적인 해석 기법이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 유한요소법을 통한 발포 폴리스티렌 폼(Expended Polystyrene foam, EPS foam)의 마이크로 단위의 접착 마모 높이 예측 모델을 제안하였다. 유한요소법에서 접착 높이는 발포 폴리스티렌 폼의 마모 깊이를 통해 예측되며, 노드별 마모 깊이는 실험을 통해 측정된 마찰 계수 및 표면 경도, 역공학 기법을 통해 결정되는 마모 계수를 통해 Archard wear model을 기반으로 계산되었다. 마모 계수 결정을 위하여 용융 아연 도금 강판과 발포 폴리스티렌 폼간 슬라이딩 마모 실험이 수행되었으며, 강하게 접착된 접착부만을 측정하기 위해 테이프 시험(tape test)이 수행되었다. 용융 아연 도금 강판 표면에 접착된 접착부 영역의 원소 분포를 분석하기 위해 SEM-EDS 분석을 수행하였고 발포 폴리스티렌 폼이 접착되었음을 확인하였다. 이 모델은 충격성 가진 및 조화 가진을 통한 측정된 마모량과 예측된 마모량을 비교함으로서 검증하였다. 조화 가진에서 접착 높이 cutoff 기준인 0.54 μm보다 작은 평균 접착 높이 간 0.14 μm 오차를 보이며, p=0.18으로 p>0.05를 만족함으로서 실험 접착 높이와 예측된 접착 높이 간 통계적으로 유의미한 차이가 없음을 입증하였고, 충격성 가진에서 실험에서 접착 미발생과 유사한 최대 5 nm 접착 예측 결과를 통해 모델을 검증하였다.

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목차

1. Introduction 1
2. Adhesion wear of expanded polystyrene foam 4
2.1. Materials 4
2.2. Sliding wear test 5
2.3. Tape test 8
2.4. Adhesion height measurement 9
2.5. SEM-EDS analysis 13
3. Prediction of expanded polystyrene foam adhesion 17
3.1. Adhesion height prediction model development 17
3.2. Surface hardness test 18
3.3. Friction coefficient test 21
3.4. Sliding wear test numerical model development·24
3.5. Wear coefficient determination 27
4. Validation of adhesive wear prediction model 30
4.1. Experimental setup 30
4.1.1. Harmonic vibration wear test 30
4.1.2. Impact wear test 31
4.2. Numerical model development 33
4.2.1. Harmonic vibration wear test 33
4.2.2. Impact wear test 33
4.3. Results and discussion 35
4.3.1. Harmonic vibration wear test 35
4.3.2. Impact wear test 36
5. Conclusion 37
6. References 39

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