KR100708483B1 - 연속 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공질 경량 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 형성되는 강도나 강성 등의 기계적 물성이 우수한 3차원 경량 구조체와 이를 저비용/대량으로 생산하는 방법에 관한 것이다. 상기 3차원 다공질 경량 구조체는 이상적인 옥테트 트러스 또는 카고메 트러스와 유사한 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 다공질 경량 구조체는, 필요에 따라 상기 와이어들의 교차점을 용접, 브레이징, 납땜, 액체 또는 스프레이 형태의 접착제 등으로 접합하여 가벼우면서도 기계적으로 강도와 강성도가 높은 구조재로 활용될 수 있다. 또한 구조체 내부의 빈 공간의 전부 또는 일부를 수지나 금속 등으로 채워 3차원 섬유강화형 복합재료로 활용될 수 있다.

Description

연속 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL CELLULAR LIGHT STRUCTURES DIRECTLY WOVEN BY CONTINUOUS WIRES AND THE MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공질 경량 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 이상적인 옥테트 트러스 또는 카고메 트러스 형태와 유사하게 형성되는, 강도나 강성 등의 기계적 물성이 우수한 트러스 형태의 3차원 경량 구조체와 이를 저비용/대량으로 생산하는 방법에 관한 것이다.
종래, 다공질의 경량 구조체와 유사한 재료로서 발포 금속(metal foam)이 있다. 이러한 발포 금속은 액체 또는 반고체인 상태의 금속 내부에 기포를 발생시키키는 방법(폐쇄형)이나, 스폰지와 같은 개방형 발포 수지를 주형으로 하여 주조하는 방법(개방형)에 의해 제조된다. 그러나 발포 금속은 강도, 강성 등의 기계적 물성이 상대적으로 열악하고, 생산 비용이 고가이어서 우주 항공 분야 등의 특수한 분야를 제외하고는 거의 실용화되지 못하고 있다.
상기 발포 금속을 대체하는 소재로서 주기적인 트러스 구조를 갖는 개방형 경량 구조체가 있다. 정밀한 수학적/역학적 계산을 통해 최적의 강도 및 강성도를 갖도록 설계된 트러스 구조를 갖기 때문에 기계적 물성이 우수하다. 트러스 구조의 형태로서 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스가 가장 일반적이다(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241). 트러스의 각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성도 면에서 우수하다. 최근에는, 이러한 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 1을 참조하여 상기 옥테트 트러스(101)와 카고메 트러스(102)를 2차원적으로 비교하면, 상기 옥테트 트러스(101)의 단위셀(101a)과는 달리 상기 카고메 트러스(102)의 단위셀(102a)은 각 면에 정삼각형과 정육각형이 혼재하는 구조이다. 도 2와 도 3은 각각 3차원 옥테트 트러스(201)와 3차원 카고메 트러스(202) 구조의 1개 층을 나타낸 것이다. 상기 3차원 옥테트 트러스(201)의 단위셀(201a)과 3차원 카고메 트러스(202)의 단위셀(202a)을 비교해 볼 때 3차원 카고메 트러스(202)의 중요한 특징 중 하나는, 구조 자체가 등방성(isotropic)이기 때문에 이를 기반으로 한 구조재 또는 기타의 재료의 여러 가지 기계적 물성, 전기적 물성이 방향에 무관하게 균일하다는 점이다.
한편, 트러스 형태의 다공질 경량 구조체의 제조 방법으로서 다음의 몇 가지 방법이 알려져 있다. 첫째, 수지로 트러스 구조를 만들고 이것을 주형으로 하여 금속을 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). 둘째, 얇은 금속판에 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). 이 경우, 2층 이상의 다층구조로 만들 경우 상부 면판 위에 다시 절곡하여 만든 트러스 중간층을 놓고 그 위에 면판을 부착하는 방법을 쓴다. 셋째, 수직한 두 방향의 와이어로 그물 형태의 철망을 짜고 이것을 적층하여 접합하는 방법이다(D.J. Sypeck and H.G.N. Wadley, 2001, J. Mater. Res., Vol. 16, pp. 890-897).
상기 첫째 방법은 제조공정이 복잡하여 비용이 고가이고, 주조성이 우수한 금속의 경우에만 제조가 가능하여 적용범위가 협소하며, 또한 그 결과물은 주조조직의 특성상 결함이 많고 강도가 부족한 경향이 있다. 둘째 방법은 얇은 금속판에 구멍을 뚫는 과정에서 재료의 손실이 많고 한 층의 트러스를 갖는 샌드위치 판재의 경우에는 특별한 문제가 없으나 여러 개의 층을 갖는 구조체를 제조하기 위해서는 판재를 중첩하여 접합할 수밖에 없으므로 접합부가 지나치게 많아져서 접합비용과 강도면에서 불리하다.
한편, 셋째 방법의 경우에서도, 형성된 트러스가 기본적으로 정사면체나 피라미드와 같은 이상적인 형상이 아니기 때문에 기계적인 강도가 열등하고 상기 둘째 방법과 같이 적층해서 접합해야 하기 때문에 접합부가 지나치게 많아져서 접합비용과 강도면에서 불리하다.
도 4는 상기한 셋째 방법을 이용하여 제조된 구조체를 나타낸 것으로 그물 형태의 철망을 중첩하여 제조된 경량 구조체이다. 이러한 방법은 제조비용을 절감할 수 있다고 알려져 있으나 단순히 두 방향의 철사를 섬유를 짜듯이 조합하기 때문에 상술한 3차원 옥테트 트러스(201)나 3차원 카고메 트러스(202)와 같이 기계적 물성 또는 전기적 물성 등이 최적화된 이상적인 구조가 아니고 접합할 부분이 너무 많아 비용이나 강도면에서 불리하다.
한편, 통상의 섬유강화복합재료는 얇은 2차원 판(lamina) 형태로 제작되어 두꺼운 소재가 필요한 경우 적층해서 사용한다. 그러나 이 경우 판의 층과 층사이가 분리되는 현상이 발생하여 강도가 떨어지기 때문에 섬유를 처음부터 3차원으로 직조하고 나중에 수지, 금속 등 기지(matrix)와 복합하는 방법을 사용한다. 도 5는 이러한 3차원 섬유강화복합재료에서 섬유가 직조된 형상을 나타낸다. 섬유 대신에 금속선과 같이 강직성(stiffness)이 큰 소재를 사용하여 도 5와 같은 3차원 직조를 통하여 다공질의 경량 구조체를 만들 수도 있다. 하지만 이 또한 상술한 이상적인 옥테트 또는 카고메 트러스 구조가 아니기 때문에 기계적 강도가 낮고 방향에 따라 물성이 다르게 된다. 이와 같은 이유로 3차원 직조된 섬유로 제작된 복합재료의 기계적 물성도 열악한 실정이다.
기술적 과제
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 형성되는, 강도나 강성 등의 기계적 물성이 우수한 트러스 형태의 3차원 경량 구조체와 이를 저비용/대량으로 생산하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 이러한 3차원 경량 구조체는 그물 형태의 와이어를 단순히 적층하여 접합하는 방식이 아니고 연속 와이어가 3차원으로 직접 직조되는 방식에 의하여 형성되며, 이상적인 옥테트 트러스 또는 카고메 트러스나 카고메 트러스에 매우 유사한 구조를 갖는 것으로서 기계적 물성이나 전기적 물성이 매우 우수한 것을 특징으로 한다.
기술적 해결방법
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어군으로 형성되는 3차원 다공질 경량 구조체로서;
상기 다공질 경량 구조체의 단위셀은,
제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)가 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차하고, 제4 와이어(7)가 제2 와이어(5)와 제3 와이어(6)의 교차점을 교차하고, 제5 와이어(8)가 제1 와이어(4)와 제2 와이어(5)의 교차점을 교차하고, 제6 와이어(9)가 제3 와이어(6)와 제1 와이어(4)의 교차점을 교차하고, 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)가 하나의 기준 교차점을 교차함으로써 형성되는 제1 정사면체와,
상기 제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)와 평행한 일군의 와이어들(4',5',6') 각각이, 상기 기준 교차점을 통과하여 연장되어 있는 상기 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)로부터 선택되는 두개의 와이어들과 교차함으로써 상기 제1 정사면체와 닮은꼴 형태로 형성되어 기준 교차점에서 접하게 되는 제2 정사면체를 포함하여 이루어지고;
상기 단위셀이 3차원 공간상에서 반복적으로 형성됨으로써 트러스 형태의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
(2) 상기 제1 및 제2 정사면체의 꼭지점을 정면으로 하여 바라볼 때, 상기 6방향의 와이어 군 중에서 꼭지점을 형성하는 3방향의 와이어들이 시계방향 또는 반시계방향으로 엇갈려 교차하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체.
(3) 상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체.
(4) 상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1 초과 1:10 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체.
(5) 상기 와이어들은 금속, 세라믹, 합성수지, 섬유강화합성수지 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체.
(6) 상기 와이어들의 교차점들은 액체나 스프레이 형태의 접착제, 브레이징, 납땜, 용접 중 어느 하나로 접착되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재.
(8) 상기 (4) 기재에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 단위셀을 구성하는 제1 정사면체와 제2 정사면체 중 작은 정사면체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재.
(9) 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군으로 이루어지는 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법으로서;
제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)가 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차시키는 단계와,
제4 와이어(7)가 제2 와이어(5)와 제3 와이어(6)의 교차점을 교차시키고, 제5 와이어(8)가 제1 와이어(4)와 제2 와이어(5)의 교차점을 교차시키고, 제6 와이어(9)가 제3 와이어(6)와 제1 와이어(4)의 교차점을 교차시키고, 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)가 하나의 기준 교차점을 교차시킴으로써 제1 정사면체를 형성하는 단계와,
상기 제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)와 평행한 일군의 와이어들(4',5',6') 각각을, 상기 기준 교차점을 통과하여 연장되어 있는 상기 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)로부터 선택되는 두개의 와이어들과 교차시킴으로써 상기 제1 정사면체와 닮은꼴 형태로 형성되어 기준 교차점에서 접하게 되는 제2 정사면체를 형성하는 단계와;
상기한 제1 정사면체와 제2 정사면체로 구성되는 단위셀이 3차원 공간상에서 반복적으로 형성됨으로써 트러스 형태의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(10) 상기 제1 및 제2 정사면체의 꼭지점을 정면으로 하여 바라볼 때, 상기 6방향의 와이어 군 중에서 꼭지점을 형성하는 3방향의 와이어들이 시계방향 또는 반시계방향으로 엇갈려 교차되는 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(11) 상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1인 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(12) 상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1 초과 1:10 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(13) 상기 와이어들은 금속, 세라믹, 합성수지, 섬유강화합성수지 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(14) 상기 와어어들의 교차점을 부착시키는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 상기 와이어들의 교차점들은 액체나 스프레이 형태의 접착제, 브레이징, 납땜, 용접 중 어느 하나로 접착되는 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(15) 상기 (9) 내지 (14) 중 어느 하나에 따라 제조된 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재의 제조 방법.
(16) 상기 (12)에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 단위셀을 구성하는 제1 정사면체와 제2 정사면체 중 작은 정사면체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재의 제조 방법.
(17) 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군으로 이루어지는 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법으로서;
제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)로 이루어진 일군의 와이어 각각이 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차시켜 레이어 층을 형성하는 단계와,
상기 일군의 와이어(4, 5, 6)와 평행한 다른 일군의 와이어(4', 5', 6') 각각을 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차시켜, 상기 제1 레이어 층과 소정의 거리를 두고 평행하게 반복 배치되는 복수의 다른 레이어 층들을 형성하는 단계와,
상기 와이어 5와 6의 교차점 및 와이어 5'와 6'의 교차점에 교차되는 제4 와이어(7)와, 와이어 4와 5의 교차점 및 와이어 4'와 5'의 교차점에 교차되는 제5 와이어(8)와, 와이어 4와 6의 교차점 및 와이어 4'와 6'의 교차점에 교차되는 제6 와이어(9)로 이루어진 또 다른 일군의 와이어(7, 8, 9)를 이용하여, 상기 레이어 층들 사이에서 상기 와이어(7, 8, 9)에 의해 형성되는 기준 교차점에 상호 접하는 한 쌍의 정사면체를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 한 쌍의 정사면체로 구성되는 단위셀이 3차원 공간상에서 반복적으로 형성됨으로써 트러스 형태의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
(18) 상기 6방향의 연속된 와이어 군은 나선형으로 미리 제작된 것을 특징으로 하는 상기 (9)항 또는 (17)항 기재의 3차원 경량 구조체의 제조 방법.
유리한 효과
이상과 같이 본 발명에 따르면, 이상적인 카고메 트러스 또는 옥테트 트러스 형태와 유사하여 기계적 물성이 우수한 3차원 다공질 경량 구조체를 저비용으로 연속적인 공정에 의해 생산할 수 있다.
종래 3차원 구조체를 구성하는 각 층에 해당하는 부분을 먼저 만든 후 차례로 중첩하거나 주조를 하는 방법을 사용할 경우, 생산공정이 비연속적이어서 비용면에서 불리한 것에 대하여, 본 발명은 마치 섬유를 짜듯이 연속 와이어를 직조하는 방법으로 3차원 트러스 형태를 일괄 공정을 통해 연속적으로 생산할 수 있고, 이에 따라 대량생산 및 비용절감에 유리하다.
도 1은 종래의 옥테트 트러스와 카고메 트러스 구조를 2차원적으로 비교하여 나타낸 도면,
도 2는 종래의 3차원 옥테트 트러스의 1개 층에 대한 평면도와 측면도 및 옥테트 트러스의 단위셀에 대한 사시도,
도 3은 종래의 3차원 카고메 트러스의 1개 층에 대한 평면도와 측면도 및 카고메 트러스의 단위셀에 대한 사시도,
도 4는 종래 기술에 따라 그물 형태의 철망을 중첩하여 제조된 경량 구조체 의 사시도,
도 5는 종래 기술에 따라 섬유를 직조하여 제조된 3차원 섬유강화복합재료의 사시도 및 상세 구조도,
도 6은 3방향의 평행한 와이어 군으로 제작된 도 1의 2차원 카고메 트러스에 유사한 구조체의 평면도,
도 7은 도 6의 2차원 구조체를 도 3의 3차원 카고메 트러스와 유사한 구조체로 변환하였을 때 도 6의 A부분에 대응하는 단위셀의 사시도,
도 8은 도 3의 카고메 트러스의 단위셀을 6방향 와이어로 구성한 상태의 사시도,
도 9는 6방향 와이어 군으로 제조된 카고메 트러스 형태의 3차원 다공질 구조체의 사시도,
도 10은 도 9의 구조체를 다른 각도에서 본 형상들의 사시도,
도 11은 도 9의 구조체에서 세방향 와이어 군이 형성하는 정사면체의 꼭지점을 꼭지점 정면에서 바라본 사시도,
도 12는 도 11의 서로 다른 와이어 교차 방식에 따라 형성된 단위셀들의 사시도,
도 13은 도 9의 구조체에서 와이어의 교차점 사이의 길이를 달리하여 형성되는 옥테트 트러스 형태의 3차원 다공질 구조체의 시시도,
도 14는 도 13의 구조체를 구성하는 단위셀의 사시도,
도 15는 본 발명에 따라 와이어로 구성된 3차원 트러스형 다공질 경량 구조 체를 형성하는 순서를 나타낸 흐름도이다.
발명의 실시를 위한 형태
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 6은 3방향의 평행한 와이어 군으로 제작된 2차원 카고메 트러스에 유사한 구조체의 평면도이고, 도 7은 도 6의 2차원 구조체를 도 3의 3차원 카고메 트러스와 유사한 구조체로 변환하였을 때 도 6의 A부분에 대응하는 단위셀의 사시도이고, 도 8은 도 3의 카고메 트러스의 단위셀을 6방향 와이어로 구성한 상태의 사시도이고, 도 9는 6방향 와이어 군으로 제조된 카고메 트러스 형태의 3차원 다공질 구조체의 사시도이고, 도 10은 도 9의 구조체를 다른 각도에서 본 형상들의 사시도이고, 도 11은 도 9의 구조체에서 세방향 와이어 군이 형성하는 정사면체의 꼭지점을 꼭지점 정면에서 바라본 사시도이고, 도 12는 도 11의 서로 다른 와이어 교차 방식에 따라 형성된 단위셀 들의 사시도이고, 도 13은 도 9의 구조체에서 와이어의 교차점 사이의 길이를 달리하여 형성되는 옥테트 트러스 형태의 3차원 다공질 구조체의 사시도이고, 도 14는 도 13의 구조체를 구성하는 단위셀의 사시도이고, 도 15는 본 발명에 따라 와이어로 구성된 3차원 트러스형 다공질 경량 구조체를 형성하는 순서를 나타낸 흐름도이다.
먼저, 본 발명에 따른 3차원 다공질 경량 구조체의 구조에 대하여 설명한다.
도 6은 도 1의 우측에 도시된 2차원 카고메 트러스를 3방향의 와이어 군(1, 2, 3)으로 유사하게 구현한 것이다. 상기 와이어 군(1, 2, 3)을 소재로 3축 직조하여 제조된 2차원 카고메 트러스는 각각의 교차점에서 두선이 60도 또는 120도 방위 각으로 교차하고 있다. 트러스를 구성하는 각 요소들이 연속적인 와이어로 대체되었기 때문에 교차점에서 서로 비껴지나가면서 약간의 곡률이 생기는 것을 제외하고는 이상적인 카고메 트러스와 매우 유사한 구조를 갖는다.
도 7은 도 6의 A로 표시된 부분을 3차원으로 형상화한 것으로서, 서로 마주 보고 있는 정삼각형이 정사면체 형태로 바뀌고 교차점에서는 두 개의 와이어가 아닌 세 개의 와이어가 서로 60도 또는 120도로 교차하고 있다. 이러한 구조는 3차원 공간상에 서로 동일한 각도를 갖도록 배치된 6 방향의 와이어 군(4, 5, 6, 7, 8, 9)으로 구성된다. 상기 6 방향의 와이어 군(4, 5, 6, 7, 8, 9)은, 도 6 및 도 7의 도면에 도시된 바와 같이, 나선형으로 미리 성형된 와이어를 사용할 수 있으며, 나선형 와이어의 진폭과 피치는 트러스 구조물에 대한 조립의 용이성과 함께, 서로 다른 세 방향의 와이어들이 교차점에서 서로 밀착됨으로써 트러스 구조물의 안정성이 확보될 수 있도록 결정되어야 한다. 예컨대, 나선형 와이어의 진폭이 너무 크면 트러스 구조물의 직조과정이 용이하게 수행될 수 있으나 교차점에서 긴밀하게 접촉하지 못함으로써 트러스 구조물이 전체적으로 헐거워질 수 있다. 또한 이러한 측면에서, 상기 나선형 와이어의 피치는 트러스 구조물의 단위셀을 구성하는 정사면체의 한변의 길이의 2배가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 6 방향의 와이어 군(4, 5, 6, 7, 8, 9)으로 구성된 단위셀은 기본적으로 서로 닮은꼴을 이루는 두개의 정사면체가 하나의 꼭지점에서 대칭적으로 마주보는 구조이다. 이러한 단위셀의 구조를 상세히 설명하면 아래와 같다.
와이어 군(4, 5, 6)이 동일 평면(X-Y 평면)상에서 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 형성한다. 와이어 7이 와이어 5와 와이어 6의 교차점을 다시 교차하고, 와이어 8이 와이어 4와 와이어 5의 교차점을 다시 교차하고, 와이어 9가 와이어 6과 와이어 4의 교차점을 다시 교차한다. 이 경우 와이어 군(6, 9, 7)이 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이루고, 와이어 군(4, 8, 9)이 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이루고, 와이어 군(5, 7, 8)이 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이룬다. 이에 따라 6방향의 와이어 군(4, 5, 6, 7, 8, 9)이 하나의 정사면체(제1 정사면체)를 형성하게 된다.
상기 X-Y 평면 위쪽에서 와이어 군(7, 8, 9)이 서로 교차하여 형성하는 제1 정사면체의 꼭지점(기준 꼭지점) 위쪽에 위치하며 와이어 군(4, 5, 6)과 동일 방향을 갖는 다른 와이어 군(4', 5', 6') 중에서 선택되는 각각의 와이어는, 상기 와이어 군(7, 8, 9) 중에서 선택되는 두 개의 와이어와 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이루도록 배치된다. 이에 따라, 와이어 군(4', 5', 6', 7, 8, 9)은 또 다른 정사면체(제2 정사면체)를 형성한다. 결과적으로, 와이어 군(7, 8, 9)에 의해 형성된 교차점을 중심으로 와이어 군(4, 5, 6, 7, 8, 9)에 의해 형성된 정사면체(제1 정사면체)와 와이어 군(4', 5', 6', 7, 8, 9)에 의해 형성된 정사면체(제2 정사면체)가 서로 마주보는 형태의 3차원 다공질 경량 구조체(10)의 단위셀이 형성된다. 이 경우, 상기 제1 정사면체와 제2 정사면체는 서로 닮은꼴이며, 닮음비(길이비)가 1:1이면 카고메 트러스와 유사한 구조체를 형성하고 닮음비가 1:1보다 훨씬 크면 제1 정사면체는 제2 정사면체에 비하여 훨씬 작아 하나의 점으로 간주될 수 있어 옥테트 트러스와 유사한 구조체를 형성하게 된다.
상기 옥테트 트러스와 유사한 다공질 경량 구조체를 형성하는 경우, 상기 작은 정사면체와 큰 정사면체의 닮음비는 1:10 이하인 것이 바람직하다. 닮음비가 1:10을 초과하는 경우, 작은 정사면체를 구성하기 위해 와이어들이 아주 작은 곡률 반경을 갖도록 굽혀져야 하기 때문에 제조상 난점이 있고, 또한 큰 정사면체의 각 모서리을 이루는 와이어들의 종횡비가 지나치게 커져서 좌굴(buckling)이 일어나기 쉽기 때문이다.
계속하여, 상기 단위셀(10)을 3차원의 각 방향으로 복수개 형성하기 위하여 상기한 바와 동일한 방식으로 와이어 군(4, 5, 6, 7, 8, 9)에 의해 형성된 정사면 체의 나머지 꼭지점에서도 서로 마주보는 정사면체가 형성되도록 와이어를 배치함으로써, 상기 단위셀이 3차원 공간에서 반복적으로 조합된 트러스 형태의 다공질 경량 구조체를 형성할 수 있다.
상기와 같은 와이어의 배치를 통해 도 3의 3차원 카고메 트러스의 단위셀을 6방향 와이어로 유사하게 구현할 수 있고, 이를 도 8에 나타내었다.
도 9는 이상의 방법으로 구현된, 와이어를 이용한 3차원 카고메 트러스 집합체를 도시한 것으로서, 도 7 또는 도 8의 단위셀이 반복적으로 조합된 형태로 이루어진 3차원 트러스형 다공질 경량 구조체(11)를 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 카고메 트러스 형태의 3차원 다공질 경량 구조체(11)는 바라보는 방향에 따라 여러 가지의 형상을 나타낸다. 특히 도 10의 맨 아래 그림은 도 6의 2차원 카고메 트러스와 거의 비슷한데 6 방향의 와이어 군 중에서 어느 하나의 와이어를 기준으로 하여 바라본 것이다. 즉, 본 발명에 따른 3차원 다공질 경량 구조체(11)의 구조는 3차원 공간상에 서로 동일한 각도(60도 또는 120도)를 갖는 6개의 와이어의 축 방향에서 바라볼 때, 모두 동일한 형상으로 보인다.
세 개의 와이어가 교차하는 모든 부분은 정사면체의 꼭지점에 해당하는 곳으로 꼭지점의 정면에서 바라보면 도 11과 같은 두 가지 방식으로 와이어가 교차한다. 먼저 첫 번째 그림과 같이 세 와이어가 시계방향으로 서로 겹쳐지는 형상으로 교차하는 방식과 두 번째 그림과 같이 반시계방향으로 서로 겹쳐지는 형상으로 교차하는 방식이다. 와이어가 시계방향으로 서로 겹쳐지는 형상으로 교차하면 도 12 의 첫 번째 그림과 같이 단위 셀을 구성하는 정사면체가 홀쪽한 형상이 되고, 와이어가 반시계방향으로 서로 겹쳐지는 형상으로 교차하면 도 12의 두 번째 그림과 같이 단위셀을 구성하는 정사면체가 볼록한 형상이 된다. 다만, 어느 경우에서나 이상적인 카고메 트러스 또는 후술하는 옥테트 트러스와 유사한 형태의 다공질 경량 구조체가 얻어질 수 있어 바람직하다.
한편, 도 10에 도시된 다공질 경량 구조체는 모든 교차점 사이의 와이어 길이가 동일한 경우인데, 만일 한 사면체의 변에 해당하는 와이어 길이를 아주 짧게 하고 서로 접하는 사면체의 변에 해당하는 와이어는 상대적으로 길게 하면 도 2의 이상적인 옥테트 트러스와 유사한 구조를 얻을 수 있다. 이 경우, 다공질 경량 구조체의 단위셀을 구성하는 두 개의 정사면체의 닮음비는 1:1이 아니다.
도 13은 이러한 옥테트 트러스와 유사한 다공질 경량 구조체(12)를 나타낸다.
도 14는 도 13의 일부를 확대하여 나타낸 것으로서 작은 사면체와 큰 사면체가 서로 마주보는 형상을 나타내고 있다. 와이어의 위치를 고정하기 위해 접합제를 가하면 작은 사면체 내부는 접합제로 채워져 옥테트 트러스 단위셀(13)의 꼭지점 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 15는 와이어로 구성된 3차원 트러스 형태의 다공질 경량 구조체의 형성하는 순서를 나타낸 흐름도로서, 이러한 제조 방법은, 세 개의 와이어(4, 5, 6)가 X- Y 평면상에서 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 형성하는 기본 정삼각형 성형단계와; 와이어 7이 와이어 5와 와이어 6의 교차점을 다시 교차하고, 와이어 8이 상기 와이어 4와 와이어 5의 교차점을 다시 교차하고, 와이어 9가 상기 와이어 6과 와이어 4의 교차점을 다시 교차하며, 세 개의 와이어(6, 9, 7)가 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이루고, 세 개의 와이어(4, 8, 9)가 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이루고, 세 개의 와이어(5, 7, 8)가 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 이룸으로써 정사면체(제1 정사면체)를 형성하게 되는 기본 정사면체 성형단계와; 상기 여섯 개의 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)가 정사면체의 각 모서리에 위치하면서, X-Y평면 위쪽에서 세 개의 와이어(7, 8, 9)가 교차하는 정사면체의 꼭지점 위쪽으로 세 개의 와이어(4, 5, 6) 각각과 동일 방향의 세 개의 와이어(4', 5', 6')를 서로 엇갈리게 교차하여 정삼각형을 형성하는 또 다른 정삼각형의 성형단계와; 세개의 와이어(4', 8, 9), 세 개의 와이어(5', 7, 8), 세 개의 와이어(6', 9, 7) 각각은 서로 엇갈리게 교차하여 각각 정삼각형을 이루고 여섯 개의 와이어(4', 5', 6', 7, 8, 9)가 또 다른 정사면체(제2 정사면체)를 이루게 하는 또 다른 정사면체의 성형단계와; 상기 세 개의 와이어(7, 8, 9)의 교차점을 중심으로 여섯 개의 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)에 의해 형성된 정사면체와 여섯 개의 와이어(4', 5', 6', 7, 8, 9)가 서로 마주보는 형태의 단위셀 성형단계와; 이상과 동일한 방식으로 여섯 개의 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)가 이루는 정사면체의 나머지 꼭지점에서도 서로 마주보는 정사면체가 만들어지도록 와이어를 배치함으로써 상기 단위셀이 복수로 반복하여 형성되도록 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 성형단계를 포함한다. 이 경 우, 상기 제1 정사면체와 제2 정사면체는 서로 닮은꼴이며, 닮음비가 1:1이면 카고메 트러스와 유사한 구조체를 형성하고 닮음비가 1:1보다 훨씬 크면 상술한 바와 같이 옥테트 트러스와 유사한 구조체를 형성하게 된다.
상기와 같이 제조되는 3차원 트러스형 다공질 경량 구조체의 와이어 소재는 특별히 제한되지 않으나 금속, 세라믹, 섬유, 합성수지, 섬유강화합성수지 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 와이어들(4, 5, 6, 4', 5', 6', 7, 8, 9)은 교차점에서 서로 견고히 접착되어 사용될 수 있다. 이 경우, 접착수단은 특별히 한정되지 않으며 액체나 스프레이 형태의 접착제, 브레이징, 납땜, 용접 등의 수단이 이용될 수 있다.
또한, 와이어의 직경이나 다공질 경량 구조체의 크기도 제한되지 않는다. 예컨대, 수십 미터 단위의 철근 등을 사용할 경우 건축물 등의 구조재로도 적용될 수 있다.
반대로, 수 밀리미터 와이어를 이용하여 사용할 경우 복합강화재의 골격으로 응용될 수도 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 기본 골격으로 하여, 구조체의 빈 공간을 액상 또는 반고형의 수지나 금속 등으로 채워 응고시키면 강성과 인성 등이 우수한 복합강화재를 제조할 수 있다. 나아가 도 12에 도시된 옥테트 형태의 3차원 다공질 경량 구조체를 이용하는 경우 단위셀을 이루는 정사면체 중 작은 셀만을 수지 또는 금속으로 채워 복합강화재를 제조할 수도 있다. 이 복합강화재는 완벽한 등방성 재료로서 그 물성이 방향에 무관하게 균일하기 때문에 임의의 형상으로 절단하여 사용할 수 있고, 섬유들이 서로 엇갈려서 간섭하 기 때문에 통상의 복합재료에서 발생하는 층간분리(delamination)나 섬유이탈(pull-out) 등의 손상현상이 발생하지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 구체적 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명을 목적으로 할 뿐이고, 당업자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경과 수정을 가할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 도 6 및 도 15에서 3차원 경량구조체를 제조하는 방법에 있어서, 일군의 와이어 7, 8, 9를 일군의 와이어 4, 5, 6으로 이루어진 평면 레이어 층에 교차시켜 정사면체를 형성시키는 단계에 앞서, 상기 일군의 와이어 4, 5, 6에 평행한 일군의 와이어 4', 5' 6'를 이용하여 상기 일군의 와이어 4, 5, 6으로 이루어진 평면 레이어 층과 소정의 거리를 두고 반복 배치되는 또 다른 복수의 평면 레이어층를 먼저 형성시키는 것도 가능하다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공질 경량 구조체로서;
    상기 다공질 경량 구조체의 단위셀은,
    제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)가 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차하고, 제4 와이어(7)가 제2 와이어(5)와 제3 와이어(6)의 교차점을 교차하고, 제5 와이어(8)가 제1 와이어(4)와 제2 와이어(5)의 교차점을 교차하고, 제6 와이어(9)가 제3 와이어(6)와 제1 와이어(4)의 교차점을 교차하고, 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)가 하나의 기준 교차점을 교차함으로써 형성되는 제1 정사면체와,
    상기 제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)와 평행한 일군의 와이어들(4', 5', 6') 각각이, 상기 기준 교차점을 통과하여 연장되어 있는 상기 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)로부터 선택되는 두개의 와이어들과 교차함으로써 상기 제1 정사면체와 닮은꼴 형태로 형성되어 기준 교차점에서 접하게 되는 제2 정사면체를 포함하여 이루어지고;
    상기 단위셀이 3차원 공간상에서 반복적으로 형성됨으로써 트러스 형태의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 정사면체 및 제2 정사면체의 꼭지점을 정면으로 하여 바라볼 때, 상기 6방향의 와이어 군 중에서 꼭지점을 형성하는 3방향의 와이어들이 시계방향으로 또는 반시계방향으로 엇갈려 교차하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1인 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1 초과 1:10 이하인 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어들은 금속, 세라믹, 합성수지, 섬유강화합성수지 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어들의 교차점들은 액체나 스프레이 형태의 접착제, 브레이징, 납땜, 용접 중 어느 하나로 접착되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재.
  8. 제 4 항에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 단위셀을 구성하는 제1 정사면체와 제2 정사면체 중 작은 정사면체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재.
  9. 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군으로 이루어지는 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법으로서;
    제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)가 동일 평면상에서 교차시켜 정삼각형을 형성하는 단계와,
    제4 와이어(7)가 제2 와이어(5)와 제3 와이어(6)의 교차점을 교차시키고, 제5 와이어(8)가 제1 와이어(4)와 제2 와이어(5)의 교차점을 교차시키고, 제6 와이어(9)가 제3 와이어(6)와 제1 와이어(4)의 교차점을 교차시키고, 제4 와이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)가 하나의 기준 교차점을 교차시킴으로써 제1 정사면체를 형성하는 단계와,
    상기 제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)와 평행한 일군의 와이어들(4',5',6') 각각을, 상기 기준 교차점을 통과하여 연장되어 있는 상기 제4 와 이어(7), 제5 와이어(8) 및 제6 와이어(9)로부터 선택되는 두개의 와이어들과 교차시킴으로써 상기 제1 정사면체와 닮은꼴 형태로 형성되어 기준교차점에서 접하게 되는 제2 정사면체를 형성하는 단계와;
    상기한 제1 정사면체와 제2 정사면체로 구성되는 단위셀이 3차원 공간상에서 반복적으로 형성됨으로써 트러스 형태의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 정사면체의 꼭지점을 정면으로 하여 바라볼 때, 상기 6방향의 와이어 군 중에서 꼭지점을 형성하는 3방향의 와이어들이 시계방향 또는 반시계방향으로 엇갈려 교차되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1인 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 정사면체와 제2 정사면체의 닮은비가 1:1 초과 1:10 이하인 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 와이어들은 금속, 세라믹, 합성수지, 섬유강화합성수지 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 와어어들의 교차점을 부착시키는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 와이어들의 교차점들은 액체나 스프레이 형태의 접착제, 브레이징, 납땜, 용접 중 어느 하나을 이용하여 접착되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따라 제조된 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 따른 3차원 다공질 경량 구조체를 골격으로 하여, 상기 구조체의 단위셀을 구성하는 제1 정사면체와 제2 정사면체 중 작은 정사면체의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채워 형성되는 복합강화재의 제조 방법.
  17. 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군으로 이루어지는 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법으로서;
    제1 와이어(4), 제2 와이어(5) 및 제3 와이어(6)로 이루어진 일군의 와이어 각각이 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차시켜 레이어 층을 형성하는 단계와,
    상기 일군의 와이어(4, 5, 6)와 평행한 다른 일군의 와이어(4', 5', 6') 각각을 동일 평면상에서 정삼각형을 이루도록 교차시켜, 상기 제1 레이어 층과 소정의 거리를 두고 평행하게 반복 배치되는 복수의 다른 레이어 층들을 형성하는 단계와,
    상기 와이어 5와 6의 교차점 및 와이어 5'와 6'의 교차점에 교차되는 제4 와이어(7)와, 와이어 4와 5의 교차점 및 와이어 4'와 5'의 교차점에 교차되는 제5 와이어(8)와, 와이어 4와 6의 교차점 및 와이어 4'와 6'의 교차점에 교차되는 제6 와이어(9)로 이루어진 또 다른 일군의 와이어(7, 8, 9)를 이용하여, 상기 레이어 층들 사이에서 상기 와이어(7, 8, 9)에 의해 형성되는 기준 교차점에 상호 접하는 한 쌍의 정사면체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 한 쌍의 정사면체로 구성되는 단위셀이 3차원 공간상에서 반복적으로 형성됨으로써 트러스 형태의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
  18. 제 9 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 6방향의 연속된 와이어 군은 나선형으로 미리 제작된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.
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