KR100706375B1 - 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 얇은 금속판을 가장자리부터 톱니형 상/하부칼날로 상/하에서 압축하여 전단 및 확장하는 과정을 반복하되, 상기 상하부칼날의 톱니 피치 1/2만큼 이동하여 전단 및 확장한 다음, 마름모꼴과 삼각형 격자가 조합된 금속망을 압연하여 면을 고르게 평면화하는 확장금속망을 제조함으로써, 기존의 확장금속망의 제조공정과 비교하여 공정이 단순화되므로 궁극적으로 대량 생산을 유도할 수 있는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

샌드위치 판재, 확장금속망, 상/하부칼날, 금속판, 금속판 받침대

Description

트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법{Device for method for manufacturing expanded metal for sandwitch pannel}

도 1은 본 발명에 따른 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망 제조시 사용되는 다이를 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 하부칼날을 나타내는 상세도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망 제조 공정시 상부칼날 및 하부칼날의 배치도,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 제조 공정을 통해 제조되는 확장금속망을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 전단 공정을 통해 완성된 확장금속망을 나타내는 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망의 제조공정 중 압연 공정을 나타내는 도면,

도 7은 본 발명에 따른 최종 공정을 통해 완성된 확장금속망을 나타내는 평면도,

도 8은 종래의 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망 제조공정을 나타내는 공정도,

도 9는 종래의 확장금속망을 절곡하여 피라미드 트러스를 제조하는 공정을 나타내는 도면,

도 10 및 도 11은 종래의 3차원 옥테트 및 카고메 트러스의 구조를 나타내는 도면,

도 12 및 도 13은 도 10 및 도 11의 트러스 구조의 상/하면에 면판을 장착한 도면,

도 14는 종래의 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망 제조공정 및 절곡공정을 나타내는 공정도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 금속판 11 : 상부칼날 지지대

12 : 상부칼날 13 : 하부칼날 지지대

14 : 하부칼날 15 : 금속판 받침대

20 : 확장금속망
t₀ : 금속판 두께
t₁ : 경사변 두께
t₂ : 직선변 두께

본 발명은 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 얇은 금속판을 가장자리부터 톱니형 상/하부칼날로 상/ 하에서 압축하여 전단 및 확장하는 과정을 반복하여, 확장금속망(expanded metal)을 제조하는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에 사용되는 트러스형 초경량 판재에 있어서, 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망(expanded metal)을 제조하는 제조 공정은 얇은 판 형태의 금속을 연속적인 그물망(mesh) 형태로 제작하는 일종의 전단소성 가공 공정으로 이루어진다.

도 8은 통상의 확장금속망을 제작하는 공정을 나타내고 있는 바, 상부에 위치한 톱니 모양의 칼날(110)이 전후로 이동하면서 전단(shearing)을 반복하여 얇은 금속판(100)을 그물망 형태로 만들게 된다.

이렇게 만들어진 확장금속망(200)은 마름모꼴이 사방 연속으로 반복되는 형상인 바, 대각선 방향으로 한줄의 모든 교차점을 볼록하게 절곡(crimping)하고, 그 다음 줄의 교차점을 오목하게 절곡하는 과정을 되풀이하여 교차점을 꼭지점으로 하는 3차원 피라미드 트러스 형태를 만들 수 있다.

한편, 도 9는 이렇게 만들어진 확장금속망(200)을 절곡하여 피라미드 트러스(300)를 제작하는 공정을 나타내는 바, 이 피라미드 트러스(300)의 상/하에 얇은 면판(400)을 부착하여 샌드위치 판재(500)를 만들게 되는 것이다.

이 방법은 이미 2002년 Wadley (Haydn N.G. Wadley, Advanced Engineering Materials, Vol.4, No.10, 726~733, 2002)가 이러한 제조방법을 제안한 바 있으며, 국내에서는 국내특허출원 제10-2004-0041338호에 개시되어 있다.

한편, 이러한 피라미드 트러스보다 이상적인 트러스 구조로서, 도 10에 도시된 바와 같이, 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트 트러스(Octet truss)(R. Buckminster Fuller, 1961, 미국특허출원 제2,986,241호)를 들 수 있다.

각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성도면에서 우수하다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 21세기 들어서 옥테트 트러스를 변형한 카고메 트러스(Kagome truss)(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003.　 Int. J. of Solids and Structures, Vol. 40, pp. 6989-6998)가 발표되었다.

이러한 주기적인 트러스 구조는 상대적으로 넓은 공간을 차지하면서도 기계적 강도가 우수하기 때문에 샌드위치 판재(500)의 중간층(core) 소재로서 유망하다.

도 12와 도 13은 도 10과 도 11의 트러스 구조의 상/하면에 면판(face sheet)(400)을 장착한 샌드위치 판재(500)의 형상을 나타내고 있다.

첨부한 도 14인 국내특허출원 제10-2004-0057553호는 확장금속망(expanded metal)의 제조 공정과 절곡(crimping)공정을 통하여 카고메 트러스와 유사한 구조를 제작하고 있다.

그런데, 마름모꼴 격자를 갖는 종래의 확장금속망(200)을 절곡하는 방법으로는 피라미드 트러스가 만들어지나, 무게 대비, 강도면에서 옥테트나 카고메 트러스에 비해 열등한 문제점이 있다.

따라서, 무게 대비, 강도면에서 우수한 옥테트나 카고메 트러스를 생산하는 방법으로는 주조법, 격자모양으로 천공된 금속판을 절곡하는 방법 등이 제안되어 있으나(H.N.G. Wadley, N. Fleck, A.G. Evans, 2003, Composites Science and Technology, Vol. 63, pp. 2331-2343) 아직까지 대량 생산성이 미흡한 문제점이 있다.

또한, 상기 확장금속망(200)을 이용하여 제조하는 방법은 알려져 있지 않다.

이에, 국내 특허출원 제10-2004-0057553호는 확장금속망(expanded metal)(200)의 제조공정과 절곡(crimping)공정을 통하여 카고메 트러스와 유사한 구조를 제작하는 방법을 제안한 바, 먼저 금속판(100')에 일정한 패턴으로 절단선을 낸 후 직각방향으로 인장하여 확장금속망(expanded metal)(200')을 만드는 제조공정이나, 이 또한 대량 생산성이 좋지 않은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 얇은 금속판을 가장자리부터 톱니형 상/하부칼날로 상/하에서 압축하여 전단 및 확장하는 과정을 반복하되, 상기 상하부칼날의 톱니 피치 1/2만큼 이동하여 전단 및 확장한 다음, 마름모꼴과 삼각형 격자가 조합된 금속망을 압연하여 면을 고르게 평면화하는 확장금속망을 제조함으로써, 기존의 확장금속망의 제조공정과 비교하여 공정이 단순화되므로 궁극적으로 대량 생산을 유도할 수 있는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치는, 금속판이 적층되는 금속판 받침대와;

직사각 기둥의 넓은 면의 한쪽 모서리에 톱니 또는 삼각파(triangular wave)가 음각되어 있는 하부칼날과;

상기 하부칼날의 직상방에 위치하며, 칼날이 하부칼날과 대응하는 쪽에 마주보도록 형성된 하부칼날과 동일 형상인 상부칼날과;

상기 상/하부칼날을 부착한 채 상/하 방향 및 전후 방향으로 이동 가능하도록 형성된 상/하부칼날 지지대를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조방법은, 금속판의 가장자리를 상부칼날 톱니의 음각 밑면과, 하부칼날의 바깥쪽 면을 잇는 A-A'선을 일치시킨 다음, 그 상부칼날을 아래로 움직여 상부칼날의 톱니부분과, 상기 하부칼날의 음각 안쪽 모서리 사이에서 금속판의 가장자리를 전단 및 확장하는 단계와;

상기 금속판의 새로 드러난 단면이 상기 A-A'선을 직선변 두께(t₂)에 해당하는 거리를 초과하는 위치에 오도록 금속판을 전진시키는 단계와;

상기 상/하부칼날을 함께 전방 또는 후방으로 톱니 피치의 1/2만큼 이동시킨 다음, 상기 상부칼날을 아래로 움직여 상기 금속판의 가장자리에서 상기 A-A'선의 바깥부분은 상기 하부칼날의 톱니와 상부칼날의 음각 안쪽 모서리 사이에서 전단되어 두께 t₂의 직선변을 만드는 단계 및 상기 A-A'선의 안쪽부분은 상기 상부칼날의 톱니부분과 하부칼날의 음각 안쪽 모서리 사이에서 금속판을 전단 및 확장하여 두께 t₁의 두번째 경사변의 열(row)로 만드는 단계와;

상기 금속판의 새로 드러난 단면이 선 A-A'와 일치하도록 금속판을 전진시키는 단계와;

상기 상/하부칼날을 함께 원래의 위치로 후방 또는 전방으로 이동시킨 후에 상기 단계를 연속적으로 되풀이하여 두께 t₀의 금속판을 원 소재로 하여 마주보는 삼각형 격자 두 열(row)과 마름모꼴 격자 열이 x-축 방향으로 반복되는 금속망을 제작하는 단계와;

좌우의 삼각형 격자 열과 같은 평면 위에 있지 않고, 마치 계단의 수직면과 같은 형태로 배열되어 있으며, 그 표면이 각변의 두께(경사변 두께(t₁) 또는 경사변 두께(t₁)+직선변 두께(t₂))만큼 계단형태로 굴곡 형성된 직선변을 압연하여 그 면을 고르게 평면화하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 트러스용 샌드위치 판재의 확장금속망 제조시 사용되는 다이를 나타내는 것으로서, 확장금속망 제조용 칼날과 금속판 등의 배치와 좌표 를 나타내는 도면이다.

여기서, 도면 부호 10은 금속판, 11은 상부칼날 지지대, 12는 상부칼날, 13은 하부칼날 지지대, 14는 하부칼날, 15는 금속판 받침대를 나타내고 있다.

상기 상/하부칼날 지지대(11,13)는 각각 칼날을 부착한 채 상/하 방향(y-방향) 및 전후 방향(z-방향)으로 이동 가능하도록 되어 있다.

상기 금속판(10)은 금속판 받침대(15) 위에 수평하게 놓인 채 가장자리 부분이 두 칼날(12,14) 사이에 위치하게 된다.

첨부한 도 2는 하부칼날의 세부형상을 나타내고 있다.

직사각 기둥의 넓은 면의 한쪽 모서리에 톱니 또는 삼각파(triangular wave)가 음각(intaglio)되어 있는 형상으로서, 이 톱니(삼각파)의 깊이가 확장금속망(20)을 이루는 경사변 두께(t₁)가 된다.

상기 상부칼날(12)은 상기 하부칼날(14)의 직상방에 위치하는 바, 칼날이 그 하부칼날(14)과 대응하는 쪽에 마주보도록 형성되어 있다.

이때, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 상부칼날(12)은 금속판(10)이 전진하는 방향의 반대 방향에 칼날이 형성되고, 상기 하부칼날(14)은 금속판(10)이 전진하는 방향과 동일 방향에 칼날이 형성되어 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 상기 금속판(10)의 가장자리를 상기 상부칼날(12) 톱니의 음각 밑면 과, 하부칼날(14)의 바깥쪽 면을 잇는 선 A-A'와 일치시킨 다음, 그 상부칼날(12)을 아래로 움직여 상부칼날(12)의 톱니부분과 하부칼날(14)의 음각 안쪽 모서리 사이에서 금속판(10)의 가장자리를 전단 및 확장하도록 되어 있다(도 3b참조).

이를 통해 도 4a에 도시된 바와 같은 최초의 경사변의 열(row)을 제작하게 된다.

다음으로는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 금속판(10)의 새로 드러난 단면이 선 A-A'를 직선변 두께(t₂)에 해당하는 거리를 초과하는 위치에 오도록 금속판(10)을 x-방향으로 이송하고, 상기 상/하부칼날(12,14)을 함께 전방 또는 후방(z-축의 양 또는 음의 방향)으로 톱니 피치의 1/2만큼 이동시킨 다음, 상기 상부칼날(12)을 아래로 움직여 상기 금속판(10)의 가장자리에서 선 A-A'의 바깥부분은 상기 하부칼날(14)의 톱니와 상부칼날(12)의 음각 안쪽 모서리 사이에서 전단되어 두께 t₂의 직선변으로 만들게 된다.

또한, 선 A-A'의 안쪽부분은 상기 상부칼날(12)의 톱니부분과 하부칼날(14)의 음각 안쪽 모서리 사이에서 금속판(10)을 전단 및 확장하여 두께 t₁의 두번째 경사변의 열(row)로 만들게 된다.

첨부한 도 4b는 이러한 제조 공정 직후에 상부칼날(12)을 위로 들어 올린 후의 형상으로 경사변의 열과 직선변이 만들어진 것을 알 수 있다.

그 다음은 상기 금속판(10)의 새로 드러난 단면이 선 A-A'와 일치하도록 x-방향으로 금속판(10)을 이송하고, 상기 상/하부칼날(12,14)을 함께 원래의 위치로 후방 또는 전방 (z-축의 음 또는 양의 방향)으로 이동시킨 후에 위의 과정, 즉 경사변 만을 만드는 과정과 직선변과 다른 경사변을 함께 만드는 과정을 번갈아 되풀하여 연속적으로 확장금속망(20)을 제작한다.

첨부한 도 5는 이러한 전단 공정을 통해 완성된 확장금속망의 형상을 나타내고 있다.

한편, 두께 t₀의 금속판(10)을 원 소재로 하여 마주보는 삼각형 격자 두 열(row)과 마름모꼴 격자 열이 x-축 방향으로 반복되는 형태이다.

삼각형 격자의 경사변 또는 마름모 격자의 변은 길이와 단면크기(금속판 두께(t₀)×경사변 두께(t₁))가 모두 일정하며, 마주보는 삼각형 격자의 공통 밑변은 전후 방향(z-방향)으로 연속적으로 연결되어 긴 직선을 이루는데 이것의 단면크기는 금속판 두께(t₀ )×직선변 두께(t₂)이다.

여기서, 상기와 같이 직선을 이루는 직선변은, 첨부한 도 14에 도시된 종래 기술(국내특허출원 제10-2004-0057553호)의 직선변과 비교하여 마름모꼴 격자의 대각선의 중심 위치에서 연결되어 있다는 것이 차이점이라 할 수 있다.

또한, 상기 직선변은 좌우의 삼각형 격자 열과 같은 평면 위에 있지 않고, 마치 계단의 수직면과 같은 형태로 배열되어 있으며, 그 표면이 각변의 두께(경사변 두께(t₁) 또는 경사변 두께(t₁)+직선변 두께(t₂))만큼 계단형태로 굴곡되어 있어 이 상태로 절곡하여 샌드위치 판재의 중간층(core) 소재로 사용하기에 문제점이 있으므로 이 문제를 해결하기 위해서 1차로 완성된 확장금속망(20)을 도 6에 도시된 압연기를 이용하여 압연함으로써, 면을 고르게 평면화할 수 있다.

이상의 모든 공정을 거쳐 완성된 최종 확장금속망(20)의 형상은 도 15와 같다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치 및 방법에 의하면, 기존의 확장금속망의 제조공정과 비교하여 공정이 단순화되므로 궁극적으로 대량 생산을 유도할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 금속판이 적층되는 금속판 받침대와;

   직사각 기둥의 넓은 면의 한쪽 모서리에 톱니 또는 삼각파(triangular wave)가 음각되어 있는 하부칼날과;

   상기 하부칼날의 직상방에 위치하며, 칼날이 하부칼날과 대응하는 쪽에 마주보도록 형성된 하부칼날과 동일 형상인 상부칼날과;

   상기 상/하부칼날을 부착한 채 상/하 방향 및 전후 방향으로 이동 가능하도록 형성된 상/하부칼날 지지대를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 상부칼날은 금속판이 전진하는 방향의 반대 방향에 칼날이 형성되고, 상기 하부칼날은 금속판이 전진하는 방향과 동일 방향에 칼날이 형성된 것을 특징으로 하는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조장치.
3. 금속판의 가장자리를 상부칼날 톱니의 음각 밑면과, 하부칼날의 바깥쪽 면을 잇는 A-A'선을 일치시킨 다음, 그 상부칼날을 아래로 움직여 상부칼날의 톱니부분과, 상기 하부칼날의 음각 안쪽 모서리 사이에서 금속판의 가장자리를 전단 및 확장하는 단계와;

   상기 금속판의 새로 드러난 단면이 상기 A-A'선을 직선변 두께(t₂)에 해당하는 거리를 초과하는 위치에 오도록 금속판을 전진시키는 단계와;

   상기 상/하부칼날을 함께 전방 또는 후방으로 톱니 피치의 1/2만큼 이동시킨 다음, 상기 상부칼날을 아래로 움직여 상기 금속판의 가장자리에서 상기 A-A'선의 바깥부분은 상기 하부칼날의 톱니와 상부칼날의 음각 안쪽 모서리 사이에서 전단되어 두께 t₂의 직선변을 만드는 단계 및 상기 A-A'선의 안쪽부분은 상기 상부칼날의 톱니부분과 하부칼날의 음각 안쪽 모서리 사이에서 금속판을 전단 및 확장하여 두께 t₁의 두번째 경사변의 열(row)로 만드는 단계와;

   상기 금속판의 새로 드러난 단면이 선 A-A'와 일치하도록 금속판을 전진시키는 단계와;

   상기 상/하부칼날을 함께 원래의 위치로 후방 또는 전방으로 이동시킨 후에 상기 단계를 연속적으로 되풀이하여 두께 t₀의 금속판을 원 소재로 하여 마주보는 삼각형 격자 두 열(row)과 마름모꼴 격자 열이 x-축 방향으로 반복되는 금속망을 제작하는 단계와;

   좌우의 삼각형 격자 열과 같은 평면 위에 있지 않고, 마치 계단의 수직면과 같은 형태로 배열되어 있으며, 그 표면이 각변의 두께(경사변 두께(t₁) 또는 경사변 두께(t₁)+ 직선변 두께(t₂))만큼 계단형태로 굴곡 형성된 직선변을 압연하여 그 면을 고르게 평면화하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 직선변은 단면크기가 금속판 두께(t₀)×직선변 두께(t₂)이며, 길이와 단면크기(금속판 두께(t₀)×경사변 두께(t₁))가 모두 일정한 삼각형 격자의 경사변 또는 마름모 격자의 변 사이에 위치한 공통 밑변인 전후 방향(z-방향)으로 연속적으로 길게 연결된 긴 직선형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 트러스의 샌드위치 판재용 확장금속망의 제조방법.

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