KR100700211B1 - 금속판을 이용한 3차원 트러스 중간층을 가진 샌드위치 판재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속판을 소재로 3차원 트러스구조를 갖는 다공질 경량구조재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 금속판에 일정한 패턴으로 절단선을 낸 후 직각방향으로 인장하여 확장금속망(expanded metal)으로 만들고 이것을 주기적인 삼각파 형태로 절곡하여 연속적인 3차원 트러스를 만든다. 이것을 중간층으로, 상하에 얇은 판을 부착하여 샌드위치 판재를 제조할 수 있다. 가벼우면서도 기계적인 강도와 강성도가 높으며, 내부의 빈 공간을 유체의 통로, 저장, 열전달, 배선 등의 용도로 활용할 수 있다. 내부의 빈 공간을 수지나 금속 등 고체로 채워 트러스의 좌굴을 억제함으로써 강도를 높일 수도 있다.

트러스구조, 옥테트트러스, 카고메트러스, 샌드위치판재, 확장금속망

Description

금속판을 이용한 3차원 트러스 중간층을 가진 샌드위치 판재의 제조방법 {A Method to Manufacture Three Dimensional Truss Cored Sandwich Panels by Using Metal Sheets}

도 1은 3차원 옥테트 트러스 구조 1개 층의 입체도,

도 2는 3차원 카고메 트러스 구조 1개 층의 입체도,

도 3은 도 1의 옥테트 트러스 구조의 상/하 면을 단순면판으로 대체한 샌드위치 판재의 형상,

도 4는 도 2의 카고메 트러스 구조의 상/하 면을 단순면판으로 대체한 샌드위치 판재의 형상,

도 5는 금속판을 프레스로 천공한 후 절곡하여 옥테트 트러스를 만드는 공정,

도 6은 2축 직조된 철망을 적층하고 상/하에 면판을 부착하여 샌드위치 판재를 만드는 공정,

도 7은 피라미드 트러스 샌드위치 판재를 만드는 공정,

도 8은 유사 카고메 트러스 중간층을 제조하기 위해 금속판에 절단선을 낸 형태,

도 9는 도 8의 금속판을 좌우로 잡아 당겨 만든 확장금속망,

도 10은 도 9의 확장금속망을 프레스로 절곡을 반복하여 삼각파 형태로 만드는 공정,

도 11은 도 10의 구조물을 구성하는 삼지창 형태의 트러스 요소 중 가운데 것을 굽혀 만들어진 유사 카고메 트러스 중간층의 형태,

도 12는 금속판으로부터 유사 카고메 트러스 중간층을 만드는 과정에 도 8의 점선 부분의 형태변화를 확대하여 나타냄,

도 13은 도 11의 유사 카고메 트러스 중간층의 투영도,

도 14는 도 11의 유사 카고메 트러스 중간층의 상/하에 삼각형 격자 면판과 단순면판이 부착된 샌드위치 판재,

도 15는 도 14 좌측의 삼각형 격자 면판을 절단선을 낸 금속판을 확장하여 만드는 공정,

도 16은 도 14의 샌드위치 판재를 적층하여 만들어진 다층구조의 덩어리(bulk) 경량구조체,

도 17은 우측의 유사 카고메 트러스의 형태를 좌측의 카고메 트러스와 비교한 것이다.

본 발명은 다공질의 중간층을 가진 경량 샌드위치 판재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 다공질 중간층으로 스티로폼과 같은 발포성재료와 하니컴과 같은 격자형소재, 유리섬유와 같은 섬유류 등이 사용되고 있다. 보다 높은 강도와 내열성, 가공성이 요구되는 기계구조용으로는 중간층 소재로서 금속을 채용하는 경우가 있다. 대표적인 다공질 금속으로 발포금속(metal foam)을 들 수 있다. 금속이 액체 또는 반고체인 상태에서 내부에 기포를 발생시키거나 (폐쇄형), 스폰지와 같은 개방형 발포수지를 주형으로 주조하는 방법이 (개방형) 사용되고 있으나 강도, 강성도와 같은 기계적 성질이 크게 뛰어나지 못하고, 수요가 많은 개방형 발포금속은 가격이 비싸서 인공위성이나 항공분야를 제외하고 거의 실용화되지 못하고 있다. 이와 다른 다공질 금속으로 금속 하니컴을 들 수 있다. 기계적 강도는 우수한 반면에 경제성과 가공성이 불리하며 내부공간을 활용할 수 없다.

최근 새로운 다공질 중간층 소재로서 주기적인 트러스구조가 소개되고 있다. 정밀한 계산을 통해 최적의 강도 및 강성도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 하니컴에 버금가는 기계적 물성을 가지면서 내부가 개방되어 공간을 활용할 수 있는 이점이 있다. 이상적인 트러스구조로서 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스를 들 수 있다. (R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241) 트러스의 각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성도면에서 우수하다. 21세기 들어서 옥테트 트러스를 변형한 카고메(Kagome) 트러스가 발표되었다. (S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003. Int. J. of Solids and Structures, Vol. 40, pp. 6989-6998) 도 1과 도 2는 각각 3차원 옥테트와 카고메 트러스의 구조의 1개 층을 나타내고 있다. 카고메 트러스의 중요한 특징 중 하나는 재료의 기계적 물성, 전기적 물성이 등방성(isotropic), 즉 방향에 무관하게 균일하다는 것이다. 또한 트러스 요소의 길이가 옥테트 트러스의 절반이기 때문에 좌굴강도가 높으며 중간의 한점에서 상하로 서로 마주보고 있는 두 정사면체 트러스 중 하나에서 좌굴이 발생한 뒤에도 나머지 한 트러스가 하중을 견딜 수 있으므로 갑작스러운 붕괴가 발생하지 않는다. 도 3과 도 4는 도 1과 도 2의 트러스구조의 상/하면을 단순 면판(face sheet)으로 대체한 샌드위치판재의 형상을 나타내고 있다. 옥테트나 카고메 트러스와는 별도로 널리 사용되는 트러스구조로서 피라미드 트러스가 있다. 단위 무게 당 기계적 강도는 옥테트나 카고메 트러스에 비해 약간 열등하지만 4각형 판재를 만드는데 유리하다.

트러스구조의 다공질 중간층을 갖는 금속 샌드위치 판재의 제작방법으로서 다음 몇 가지 방법이 알려져 있다. 첫째, 수지로 트러스구조를 만들고 이것을 주형으로 금속을 인베스먼트(investment) 주조하여 제조하는 방법이다. (S. Chiras, D.R. Mumm, N. Wicks, A. G. Evans, J.W. Hutchinson, K. Dharmasena, H.N.G. Wadley, S. Fichter, 2002, International Journal of Solids and Structures, Vol. 39, pp.4093-4115) 비용이 많이 들고 연속적인 공정을 적용하기 어려워 대량생산이 어렵다. 또한 주조의 특성상 내부 결함이 발생하기 쉬우며 세장비가 큰 트러스를 제조하기에 불리하다. 둘째, 얇은 판재에 주기적인 구멍을 뚫어 그물 형태로 만들고 이것을 절곡하여 트러스 중간층을 구성한 후 상하에 면판을 부착하는 방법이다. (D.J. Sypeck and H.N.G. Wadley, 2002, Advanced Engineering Materials, Vol. 4, pp. 759-764) 도 5는 이 공정을 나타내고 있다. 구멍을 뚫는 과정에서 재료의 손실이 발생하며 절곡을 통하여 카고메 트러스를 만드는 것이 곤란하다. 셋째, 수직한 두 방향의 와이어로 그물 형태의 철망을 짜고 이것을 적층하고 접합하는 방법이다. (D.J. Sypeck and H.G.N. Wadley, 2001, J. Mater. Res., Vol. 16, pp. 890-897) 도 6은 이 방법을 나타내고 있다. 이 방법은 제조비용을 최소화할 수 있다고 알려져 있으나 옥테트나 카고메 트러스와 같은 이상적인 트러스구조가 아니고 접합할 부분이 너무 많아 비용이나 강도 면에서 불리하다. 넷째, 피라미드 트러스는 정사각형 격자를 가진 철망을 절곡하여 쉽게 만들 수 있다. 도 7은 단순히 2축 직조하여 제조된 철망과 확장금속망(expanded metal)을 대각선 방향으로 주기적인 삼각파 형태로 절곡하여 피라미드 트러스를 만든 후 상하판을 부착하여 샌드위치 판재를 구성하는 과정을 나타내고 있다. 이 방법은 단순하여 적용에 유리하나 제조된 트러스 구조가 피라미드 트러스로서 위에서 언급한 옥테트나 카고메 트러스보다 기계적 성능이 열등하다.

이와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 카고메 트러스와 유사한 형태의 중간층을 갖는, 재료손실이 없고, 대량생산이 가능하면서 기계적 강도와 강성도가 뛰어난 경량 샌드위치 판재를 제조하는 방법을 제시하는 데 있다.

먼저 도 8과 같이 프레스 전단작업, 레이저가공 등의 절단공정을 통하여 금속판(1)에 규칙적인 절단선을 넣는다. 절단선과 직각방향으로 인장력을 가하여 늘여내어 도 9와 같이 철망(확장금속망)(2)을 만든다. 이 철망을 암수 쐐기형 금형 사이에 넣고 프레스 작업을 주기적으로 반복하여 도 10과 같이 삼각파 형태로 절곡한다. 이 구조물을 구성하는 삼지창 형태의 트러스요소(3: 3', 3'', 3''') 중 가운데 것(3'')은 삼각파 꼭지점 근처에서 절단되어 있는데 이것을 반대방향으로 다시 굽혀 삼지창 형태의 트러스를 사면체 경사 모서리(4) 형태로 바꾼다. 도 11은 완성된 트러스 구조물(5)을, 도 12는 도 8에서 점선으로 표시된 부분의 형태변화를 확대하여 보여주고 있다. 도 13은 도 11의 트러스 구조의 평면도, 정면도, 측면도를 나타내고 있다. 도 14는 이 트러스 구조물(5)을 중간층(core)(6)으로 하여 상/하에 면판(face sheet)(7, 9)를 부착하여 완성된 샌드위치 판재를 나타내고 있다. 좌측 그림은 상하 면판이 연속된 정삼각형 격자 형태로 구멍이 뚫어진 것이고 우측 그림은 구멍이 뚫리지 않은 단순 박판인 경우이다. 정삼각형 격자 형태의 상하 면판은 도 15와 같이 확장금속망(9) 공정을 통하여 제조될 수도 있고 레이저 가공이나 프레스에 의한 천공작업으로 제조될 수도 있다. 상하 면판과 중간층(6)의 접합 방법으로서 브레이징, 납땜, 수지접합, 전기저항용접 등을 사용할 수 있다. 도 16과 같이 도 14의 샌드위치 판재 위로 유사 카고메 트러스 중간층(6)을 놓고 다시 그 위에 면판을 적층하는 과정을 반복하여 다층구조의 덩어리(bulk) 경량구조체를 만들 수 있다.

본 발명의 장점은 다음과 같다.

첫째, 대량생산성이 좋다. 금속판에 절단선을 내는 공정에서부터 확장, 절곡을 거쳐 상하 면판과의 접합에 이르기까지 전 공정이 하나의 작업라인을 따라서 이루어질 수 있기 때문이다. 또한, 제작하고자 하는 구조물의 용도와 목적에 따라서 크기나 두께 등의 조건이 달라지면 절단선의 형상, 확장(expansion) 변위, 절곡간격 등만 조절하면 되고 전체적인 제작 공정에 있어서는 크게 변화가 없기 때문에 유연한(flexible) 생산이 가능하다.

둘째, 금속판으로부터 확장 및 절곡을 통해 3차원 구조물을 완성시키는 공정이므로 재료의 손실을 최소화 할 수 있다. 즉 초기 절단선을 내는 공정에서 떼어내는 작은 부분(도 8의 구멍부분)을 제외하고 재료손실이 없기 때문에 경제적이다.

셋째, 기존에 널리 보급되어있는 확장금속망 제조공법과 프레스에 의한 절곡공정, 접합공정을 사용하기 때문에 새로운 기술의 개발이나 설비에 대한 투자를 최소화 할 수 있다.

넷째, 중간층 트러스가 카고메 트러스와 유사한 형태를 가지고 있어 카고메 트러스의 장점인 우수한 기계적 강도 및 붕괴과정의 안정성을 가진다. 도 17은 카고메 트러스와 본 발명품을 비교하여 나타내고 있다. 본 발명품은 카고메 트러스에 비해 힘을 지탱하는 사면체 트러스의 밀도가 4배이며 사면체트러스 중 한변에 해당하는 트러스 요소의 길이가 나머지에 비하여 약간 짧다.

Claims (5)

1. 금속판에 프레스 전단작업과 레이저가공을 포함하는 절단공정을 통하여 규칙적인 천공부와 절단선을 갖는 판(1)을 만드는 공정; 절단선과 직각방향으로 인장력을 가하여 늘여내어 규칙적인 마름모꼴과 한 변의 중심이 분리된 이등변삼각형 무늬를 갖는 확장금속망(2)을 만드는 공정; 이 확장금속망(2)을 암수 쐐기형 금형 사이에 넣고 프레스 작업을 주기적으로 반복하여 삼각파 형태로 절곡하는 공정; 이 구조물을 구성하는 삼지창 형태의 트러스요소(3: 3', 3'', 3''') 중 가운데 트러스요소(3'')를 모두 반대방향으로 다시 굽혀 각 사면체 경사모서리(4)가 되게 하여 3차원 카고메 트러스와 유사한 구조물(5)로 만드는 공정과; 이 구조물(5)을 중간층(core)(6)으로 하여 상부와 하부에 면판(face sheet)을 부착하는 공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 경량 샌드위치 판재 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 상부 면판 위로 유사 카고메 트러스 구조의 중간층(6)를 놓고 다시 그 위에 면판을 적층하는 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 경량 샌드위치 판재 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중간층(6)에 부착할 면판으로 사용하기 위한 확장금속망(9)을 준비하는 공정을 또한 포함하며,

   상기 확장금속망(9)을 준비하는 공정은, 금속판에 프레스 전단작업과 레이저가공을 포함하는 절단공정을 통하여 규칙적인 천공부와 절단선을 갖는 판(8)을 만드는 공정과; 절단선과 직각방향으로 인장력을 가하여 늘여내는 공정을 통하여 한 꼭지점이 분리된 규칙적인 삼각형 무늬를 갖는 확장금속망(9)을 만드는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 경량 샌드위치 판재 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 면판으로서 천공된 판이나 단순판(7)을 사용하는 것을 특징으로 하는 경량 샌드위치 판재 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간층(6)의 내부에 다공질재, 합성수지 및 금속 중에서 선택된 어느 하나를 넣는 것을 특징으로 하는 경량 샌드위치 판재 제조 방법.

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