KR100976008B1 - 규칙적인 요철 배열을 갖는 박판으로 구성된 경량 샌드위치판재와 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경량 샌드위치 판재와 그 제조 방법에 관한 것이다. 샌드위치 판재는 특정한 형태의 요철이 규칙적으로 배열된 형상을 갖는 상/하 두 장의 판재 내의 돌출부가 서로 마주 보도록 접합되어 내부에 3차원 공간구조를 갖도록 하는 형태로 제조된다. 종래의 샌드위치 판재는 상/하부 면재(face sheet)와 중간재(core) 등의 세 가지 이상의 부재가 별도로 준비되어 최종적으로 결합되는 공정을 통하여 제조되지만, 본 발명에서는 두 장의 판재에 각각 배열된 돌출부가 중간재 역할을 하며 돌출되지 않고 평면을 유지하는 나머지 부분이 면재의 역할을 하게 되어 단 두 장의 판재로 샌드위치 판재를 구성한다. 금속 박판을 소재로 사용하는 경우, 돌출부는 딥드로잉(deep drawing)이나 엠보싱(embossing)과 같은 박판 성형 기술을 사용하여 가공할 수 있다. 소재인 박판의 재질이나 두께 및 요철부의 크기, 형상, 배열 방법, 배열 밀도를 조절하여 원하는 기계적 성능을 갖도록 설계할 수 있다.
샌드위치 판재, 돌출부, 접합부, 박판 성형 기술

Description

규칙적인 요철 배열을 갖는 박판으로 구성된 경량 샌드위치 판재와 그 제조 방법{LIGHT WEIGHT SANDWICH PANELS COMPOSED OF SHEETS WITH DIMPLE ARRAY AND A MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 다수의 규칙적인 요철을 갖는 박판으로 구성된 경량 샌드위치 판재와 그 제조방법에 관한 것이다.
통상의 샌드위치 판구조물은 상/하 면재(face sheet)와 그 사이에 배치된 중간재(core)로 이루어지는데, 상/하 면재는 강도/밀도가 높은 재료로 구성되고, 중간재(core)는 스티로폼과 같이 밀도가 낮은 다공질 재료나 격자형 소재들로 구성된다.
도 1은 격자형 중간재를 가진 몇 가지 샌드위치 판구조물의 형상을 나타내고 있다. 격자형 중간재나 다공질 재료는 내부가 여러 개의 막힌 방으로 구성되어 있어 공간 활용이 곤란하다.
최근 새로운 중간재 소재로서 주기적인 트러스 구조가 소개되고 있다(H. N. G. Wadley, N. A. Fleck, A. G. Evans, 2003, Composite Science and Technology, Vol.63, pp.2331~2343). 정밀한 계산을 통해 최적의 강도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 허니컴(honeycomb) 격자에 버금가는 기계적 물성을 가지면서 내부가 개방되어 공간을 활용할 수 있는 이점이 있다.
가장 일반적인 트러스 형태는 피라미드(pyramid) 트러스이다. 피라미드 트러스는, 4개의 정삼각형 격자가 경사면을 이루고 정사각형 격자가 아랫(또는 윗)면을 이루도록 구성되어 있어, 사각형 형태의 판구조물을 만들기 유리하다. 다른 트러스 구조로서 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)를 들 수 있다. 이 구조에서는, 각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있다.
21세기에 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 2는 피라미드, 옥테트, 및 카고메 트러스 구조를 각각 중간재로 하고 상/하 면판(face sheet)을 부착한 샌드위치 판재의 형상을 나타내고 있다. 카고메 트러스는 피라미드 트러스와 옥테트 트러스에 비하여 방향에 따른 구조의 강성의 변화가 적고 좌굴에 대한 저항성, 좌굴 후 변형의 안정성, 에너지 흡수능력 등이 우수하다고 알려져 있다.
별도의 샌드위치 판재로서 다수의 규칙적인 요철을 갖는 판(dimpled shell)을 중간재로 이용하고 상/하부에 면재가 부착된 형태가 있다. 내부 중간재로 사용되는 판의 형태로서 계란판(egg-box)(M. Zupan, C. Chen, N. A. Fleck, International Journal of Mechanical Sciences, Vol.45, pp.851~871, 2003)이나 반구형 요철판(성대용 외 5인, 대한 기계학회 논문집, 제30권, 6호, pp.653~661, 2006; 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0100763호) 등이 있다.
도 3은 요철을 갖는 판을 중간재로 갖는 샌드위치 판재의 형상을 나타내고 있다. 이 샌드위치 판재는 중간재를 성형하는 단계에서 박판 성형 기술을 응용함으로써 생산성이 높고 압축 하중 작용 시 변형에 의한 흡수 에너지가 높은 장점이 있다.
이제까지의 샌드위치 판재는 대부분 중간재와 상/하부 면재 등 세 가지 이상의 부재로 구성되어, 중간재와 상부 면재 사이와, 중간재와 하부 면재 사이 등이 접합되어야 하므로 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다. 또한 트러스나 격자형 중간재의 경우 그 생산성이 요철을 갖는 판(dimpled shell) 중간재보다 떨어지는 반면에, 요철을 갖는 판(dimpled shell) 중간재를 갖는 샌드위치 판재는 무게 대비 강도가 트러스나 격자형 중간재를 갖는 샌드위치 판재에 비하여 열등하다.
위와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 특정한 형태의 요철이 규칙적으로 배열된 형상을 갖는 얇은 상/하 두 장의 판이 판 내의 돌출된 부분들이 서로 마주 보도록 접합되어 내부에 3차원 공간 구조를 갖도록 하는 중간재를 갖는 경량 샌드위치 판재와 그 제조 방법을 제시하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 판재에 다수의 규칙적인 돌출부를 가공하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 가공한 2매의 판재를 서로의 돌출부가 마주보게 상하로 배치하는 제2 단계; 및 서로 마주보는 돌출부를 접합하는 제3 단계;를 포함하는 샌드위치 판재 제조방법에 있어서,
상기 제1 단계는, 상기 돌출부가 상부의 첨단이 잘린 삼각뿔대 형상을 가지도록 상기 판재로부터 3면의 경사면을 연장하고, 상기 3면의 경사면의 상단을 수평면으로 연결한 다음 상기 판재와 상기 경사면 및 상기 수평면 사이의 각 경계부에 곡면을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제2 단계는, 마주보는 상기 삼각뿔대 형상의 돌출부가 서로에 대해 180도 회전되어 반전된 배향 관계를 형성하도록 상기 2매의 판재를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(3) (1)에 있어서, 상기 제1 단계에서, 금속으로 이루어진 판재를 딥드로잉 또는 엠보싱 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(4) (1)에 있어서, 상기 제1 단계에서, 플라스틱을 사출 성형하거나, 압출 성형 후에 엠보싱 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(5) (1)에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 돌출부를 격자형 배열 또는 엇갈림 배열의 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(6) (1)에 있어서, 상기 제3 단계에서, 수지 접착, 납땜, 브레이징, 용접, 융착 중에서 선택된 하나의 공정에 의하여 돌출부를 접합하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(7) (3)에 있어서, 상기 제3 단계에서, 점용접 또는 프로젝션 용접에 의하여 돌출부를 접합하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(8) (1)에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 돌출부를 각뿔대 또는 원뿔대 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(9) (1)에 있어서, 상기 제3 단계 후에, 2매의 판재 사이의 공간에 다공성 물질, 유체, 수지, 금속, 세라믹 중에서 선택된 하나를 채우는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
(10) (1)에 기재된 샌드위치 판재 제조 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명은 경량 샌드위치 판재에 대한 것으로 다음과 같은 장점을 가진다.
(1) 종래의 샌드위치 판재는 상/하부 면재(face sheet)와 중간재(core) 등의 3가지 이상의 부재로 이루어져 있고, 상부 면재와 중간재 상부 사이 및 하부 면재 와 중간재 하부 사이 등의 두 평면에서 접합을 하는 공정을 통하여 제작되지만, 본 발명에서는 두 장의 판에 각각 배열된 돌출부가 중간재 역할을 하며 돌출되지 않고 평면을 유지하는 나머지 부분이 면재의 역할을 하게 되어 단 두 장의 판으로 샌드위치 판재를 구성하여 접합은 한 평면 상에서만 이루어지므로 제조 비용이 낮고 공정이 단순하다.
(2) 중간재 역할을 하는 돌출부의 형상을 삼각뿔, 사각뿔 등 용도에 따라 가장 높은 강도를 갖도록 최적 설계하고 돌출부의 크기, 배열 간격 등을 조절함으로써, 원하는 기계적 성능을 갖도록 할 수 있는 설계 유연성이 높다.
(3) 금속판을 소재로 사용하는 경우, 돌출부의 가공에는 박판 성형 기술을 이용하고 돌출부의 접합에는 전기 점용접과 같은 단순하고 잘 확립된 기술을 응용할 수 있으므로 생산 비용이 절감되고 대량 생산이 용이하다.
(4) 돌출부를 이루는 삼각뿔의 모서리가 카고메 트러스의 트러스 요소와 동일하게 하중을 지지하는 역할을 수행하여 방향에 따른 구조의 강성 변화가 적을 뿐 아니라, 좌굴에 대한 저항성, 좌굴 후 변형에 대한 안정성 및 에너지 흡수 능력 등이 매우 우수하다.
이하, 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 구성과 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
<바람직한 실시예>
도 4의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샌드위치 판재(100)의 측면도와 사시도이다. 샌드위치 판재(100)는 상부와 하부에 배치된 2매의 판재(10a, 10b)를 포함하며, 각 판재(10a, 10b)에는 다수의 규칙적인 돌출부(20a, 20b)가 형성되어 있다. 상부와 하부의 판재(10a, 10b)의 돌출부(20a, 20b)는 서로 마주보도록 배치되어 접합되고 접합부(30)를 형성한다.
돌출부(20a, 20b)는 판재(10a, 10b)와 일체형을 이루도록 가공되며, 금속 박판을 소재로 사용하는 경우, 돌출부(20a, 20b)는 딥드로잉(deep drawing)이나 엠보싱(embossing)과 같은 박판 성형 기술을 사용하여 가공할 수 있다. 플라스틱을 소재로 사용하는 경우에는, 압출 성형 직후에 엠보싱 가공을 하여 돌출부(20a, 20b)를 형성할 수 있으며, 샌드위치 판재(100)가 소형이라면, 플라스틱의 사출 성형에 의하여 돌출부(20a, 20b)가 형성된 판재(10a, 10b)를 준비할 수도 있다.
도 4의 실시예에서는, 도 2의 (c)에 도시되어 있는 카고메 트러스를 중간재로 하는 샌드위치 판재와 유사한 구조를 얻기 위하여, 돌출부(20a, 20b)를 대략 삼각뿔대의 형상으로 가공한다.
참고적으로, 도 5에는 본 발명의 돌출부와 카고메 트러스를 비교 도시하였다. 구체적으로, 도 5의 좌측은 본 발명의 돌출부(20a, 20b)가 배향이 반전되어 서로 접합된 형상을 나타내며, 우측은 이러한 돌출부(20a, 20b)에 대응하는 카고메 트러스의 형상을 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실질적으로 하중을 지지하는 본 발명의 돌출부(20a, 20b)를 이루는 삼각뿔의 모서리는 카고메 트러스의 트러스 요소와 유사한 구조로 형성됨으로써 카고메 트러스의 특성, 즉, 방향에 따른 강성 변화의 최소화, 좌굴에 대한 저항성, 좌굴 후 변형에 대한 안정성 및 에너지 흡수 능력 등을 구현할 수 있다.
도 6은 삼각뿔대 형상의 돌출부(20: 20a, 20b)의 일례를 나타낸다. 돌출부(20)는, 판재(10: 10a, 10b)로부터 연장된 3개의 경사면(22)과, 경사면(22)의 상단을 연결하는 수평면(24)을 포함함으로써, 삼각뿔의 상부의 첨단이 잘린 형상을 갖는다. 또한, 판재(10)로부터 경사면(22)이 형성되기 시작하는 경계부 또는 경사면(22)과 수평면(24)의 경계부 등에서의 응력 집중을 방지하거나 돌출부(20)의 가공이 용이하게 이루어질 수 있도록, 경계부에 소정의 곡률을 부여하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 도 6에 도시된 돌출부(20)는 곡면(26, 28)을 또한 포함한다. 물론, 돌출부(20)의 경사면(22)과 경사면(22)이 접하는 경계부도 곡률 처리가 될 수 있다는 점을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
삼각뿔대의 형상으로 가공된 다수의 돌출부(20a, 20b)를 구비한 판재(10a, 10b)를 2매 사용하여 도 4에 예시된 샌드위치 판재(100)를 제조함에 있어서는, 카 고메 트러스를 중간재로 하는 샌드위치 판재와 유사한 구조 및 특성을 구현하기 위하여, 상부에 위치하는 판재(10a)와 하부에 위치하는 판재(10b)를 배치하는 단계에서, 마주보는 삼각뿔대의 돌출부(20a, 20b)가 서로에 대해 180도 회전된 상태가 되도록 한다.
마주보는 돌출부(20a, 20b)가 서로 반전된 배향 관계를 갖는 2매의 판재(10a, 10b)를 수지접착, 납땜, 브레이징, 용접, 융착 등의 접합 공정에 의하여 접합함으로써, 도 4에 도시된 샌드위치 판재(100)를 제조할 수 있다.
일례로, 도 7은 금속 소재의 판재(10a, 10b)를 용접에 의하여 연속 접합하는 공정을 나타낸다. 상측과 하측에서 공급되는 판재(10a, 10b)의 돌출부(20a, 20b)가 마주보며 접촉하는 부분의 외측을 용접 전극(200)으로 차례로 가압 및 통전하여 돌출부(20a, 20b)를 용접함으로써, 접합부(30)가 연속적으로 형성되도록 한다. 도 7의 용접이 이루어지는 부분의 확대도 중에서 좌측의 도면은 점용접 공정을, 우측의 도면은 프로젝션 용접 공정을 나타낸다.
<구성의 변경 실시예>
도 8은 본 발명에 따른 샌드위치 판재에 적용 가능한 돌출부(20: 20a, 20b)의 다른 실시예이다. 도 8(a)의 사각뿔대는 피라미드 트러스와 유사한 형태를 가지며, 사각뿔대와 같은 각뿔대는 압축 또는 특정 방향의 전단 하중에 대하여 원뿔대에 비하여 높은 강성(strength) 또는 강성도(stiffness)를 가진다. 도 8(b)의 원뿔대는 가공이 용이하고 전단하중에 대하여 강도 및 강성도에 방향성이 없다.
도 9는 돌출부(20: 20a, 20b)의 여러 접합 형상을 나타낸다. 도 9(a)는 상부의 판재의 삼각뿔대와 하부의 판재의 삼각뿔대의 배향을 동일하게 하여 접합한 형태이고, 도 9(b)와 (c)는 각각 사각뿔대와 원뿔대의 접합 형상을 나타낸다.
도 10의 (a)와 (b)는 각각 판재(10: 10a, 10b)에 형성된 돌출부(20: 20a, 20b)를 직각 격자형 배열과 엇갈림 배열의 형태로 가공한 실시예의 사시도이다. 돌출부(20)의 배열 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 샌드위치 판재에 요구되는 특성에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
<구성의 추가 실시예>
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 샌드위치 판재(100)를 제조한 후에, 판재의 단열 성능, 소음 및 진동 차단 성능, 기타 기계적 물성 향상 및 기능을 부가할 목적으로 판재(10a, 10b) 사이의 빈 공간에 다공성 물질, 유체, 수지, 금속, 세라믹 중 어느 하나로 채우는 단계를 추가하여, 다기능 고성능의 경량 샌드위치 판재를 제작할 수 있다.
또한, 2매의 판재(10a, 10b)로 구성된 샌드위치 판재상에 별도의 샌드위치 판재를 추가하여 다층 구조의 샌드위치 판재를 제조하거나, 샌드위치 판재의 양면에 단순 평판을 추가하여 매끈한 외관을 갖도록 할 수도 있다. 도 11은 이와 같은 실시예의 단면도이며, 도 11(a)는 돌출부가 가공된 별도의 2매의 판재(10a', 10b')를 추가한 실시예를, 도 11(b)는 단순 평판(50a, 50b)을 추가한 실시예를 나타낸다.
이상으로, 본 발명의 바람직한 실시예, 변경 실시예 및 추가 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 본질적이고 필수적인 특징적 구성을 일탈함이 없이 다양한 변형 형태가 가능함은 물론이다. 예를 들면, 소재인 박판의 재질이나 두께 및 요철부의 크기, 형상, 배열 방법, 배열 밀도를 조절하여 원하는 기계적 성능을 갖도록 설계할 수 있다. 따라서 본 명세서에서 전술한 실시 형태는 예시적인 것일 뿐 제한적인 의미를 갖지는 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 기재된 사항 및 이로부터 파악될 수 있는 모든 변형 실시 형태를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 격자형 중간재를 갖는 종래의 샌드위치 판재의 사시도
도 2의 (a) 내지 (c)는 각각 피라미드, 옥테트 및 카고메 트러스 구조를 중간재로 하고 상하에 면판을 부착한 종래의 샌드위치 판재의 사시도.
도 3의 (a)는 계란판 형상의 요철을 갖는 종래의 중간재의 사시도이고, (b)는 반구형 요철을 갖는 판을 중간재로 하는 종래의 샌드위치 판재의 사시도.
도 4의 (a)는 돌출부를 가진 두 장의 판재를 돌출부끼리 서로 마주 보도록 접합하여 완성한 본 발명에 따른 샌드위치 판재의 측면도이고, (b)는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 돌출부의 접합 형상과 트러스 구조를 비교 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 따라 판재에 형성시킨 돌출부 형상의 일례를 나타내는 사시도.
도 7은 금속 소재의 판재의 돌출부를 연속 접합하기 위한 점용접 또는 프로젝션 용접의 설명도.
도 8의 (a)와 (b)는 돌출부 형상의 다른 예를 나타내는 사시도.
도 9는 (a) 내지 (c)는 돌출부의 여러 접합 형상을 나타내는 사시도.
도 10의 (a)는 본 발명에 따라 다수의 돌출부를 직각 격자형 배열로 가공한 판재의 사시도이고, (b)는 다수의 돌출부를 엇갈림 배열의 형태로 가공한 판재의 사시도.
도 11의 (a)는 2매의 판재로 구성된 샌드위치 판재 상에 별도의 샌드위치 판재를 추가로 적층한 다층 구조 샌드위치 판재의 실시예의 단면도이고, (b)는 본 발명에 따라 제조한 샌드위치 판재의 양면에 단순 평판을 추가하여 매끈한 외관을 갖도록 한 실시예의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10, 10a, 10b: 판재 10a', 10b': 판재
20, 20a, 20b: 돌출부 30: 접합부
50a, 50b: 단순 평판 100: 샌드위치 판재

Claims (10)

  1. 판재에 다수의 규칙적인 돌출부를 가공하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 가공한 2매의 판재를 서로의 돌출부가 마주보게 상하로 배치하는 제2 단계; 및 서로 마주보는 돌출부를 접합하는 제3 단계;를 포함하는 샌드위치 판재 제조방법에 있어서,
    상기 제1 단계는, 상기 돌출부가 상부의 첨단이 잘린 삼각뿔대 형상을 가지도록 상기 판재로부터 3면의 경사면을 연장하고, 상기 3면의 경사면의 상단을 수평면으로 연결한 다음 상기 판재와 상기 경사면 및 상기 수평면 사이의 각 경계부에 곡면을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 단계는, 마주보는 상기 삼각뿔대 형상의 돌출부가 서로에 대해 180도 회전되어 반전된 배향 관계를 형성하도록 상기 2매의 판재를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 금속으로 이루어진 판재를 딥드로잉 또는 엠보싱 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 플라스틱을 사출 성형하거나, 압출 성형 후에 엠보싱 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 돌출부를 격자형 배열 또는 엇갈림 배열의 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 수지 접착, 납땜, 브레이징, 용접, 융착 중에서 선택된 하나의 공정에 의하여 돌출부를 접합하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 점용접 또는 프로젝션 용접에 의하여 돌출부를 접합하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 상기 돌출부를 각뿔대 또는 원뿔대 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계 후에, 2매의 판재 사이의 공간에 다공성 물질, 유체, 수지, 금속, 세라믹 중에서 선택된 하나를 채우는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조 방법.
  10. 제1항에 기재된 샌드위치 판재 제조 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
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