KR101029183B1

KR101029183B1 - 나선형 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그제조 방법

Info

Publication number: KR101029183B1
Application number: KR1020060119233A
Authority: KR
Inventors: 강기주; 이용현
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2011-04-12
Also published as: US20130284858A1; US20100071300A1; KR20060130539A; US8418730B2; WO2008066225A1

Abstract

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 나선형 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 일정한 모양으로 형성되는 강도나 강성 등의 기계적 물성이 우수한 3차원 경량 구조체와 이를 저비용/대량으로 생산하는 방법에 관한 것이다. 상기 3차원 다공질 경량 구조체는 카고메 트러스와 유사한 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법은 상기 제1,2,3,4,5,6축 와이어를 조립하면서 장방형 프레임과 연결 지지봉을 결합한 조립틀을 이용하여 조립하고, 제1,2,3축 와이어를 상기 프레임에 배열 고정시켜 복수의 2차원 카고메 평면을 형성하며, 복수의 프레임을 연결 지지봉으로 연결한 후 제4,5,6축 와이어를 조립하여 3차원 다공질 경량 구조체를 형성하는 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

나선형 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL CELLULAR LIGHT STRUCTURES WEAVING BY HELICAL WIRES AND THE MANUFACTURING METHODOF THE SAME}

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 구조체의 사시도,

도 5는 종래 기술에 따라 섬유를 직조하여 제조된 3차원 섬유강화복합재료의 사시도 및 상세 구조도,

도 5 내지 도 12는 본 발명의 선출원 발명을 설명하기 위한 도면으로서,

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 구조체 로 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 세 방향 와이어 군이 형성하는 정사면체의 꼭지점을 꼭지점 정면에서 바라본 사시도,

도 12는 도 11의 서로 다른 와이어 교차 방식에 따라 형성된 단위셀들의 사시도,

도 13 내지 도 29b는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면으로서,

도 13는 나선형 와이어의 입체사진,

도 14은 복수의 와이어를 나선형으로 형성한 형태를 보인 입체사진,

도 15은 나선형 와이어를 가공하기 위한 트위스팅 머신의 입체사진,

도 16a는 나선형 제1,2,3,4,5,6축 와이어의 입체사진,

도 16b는 나선형 와이어를 조립하기 위한 조립틀을 보인 입체사진,

도 16c는 조립틀의 프레임에 제1,2,3축 와이어를 2차원 카고메 평면을 조립한 형태를 보인 입체사진,

도 16d는 2차원 카고메 평면이 적층된 형태를 보인 입체사진,

도 16e는 2차원 카고메 평면에 제4,5,6축 와이어를 조립한 형태를 보인 입체 사진,

도 16f는 틀을 제거한 후 완성된 3차원 다공질 경량 구조체를 보인 입체사진,

도 17는 제1,2축 와이어를 조립한 형태를 보인 평면도,

도 18은 제3축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도,

도 19는 제1,2,3축 와이어로 조립된 1층의 2차원 카고메 평면 레이어를 보인 평면도,

도 20a, 도 20b는 1층의 레이어가 틀에 조립된 형태를 보인 평면도 및 입체사진,

도 21은 2차원 카고메 평면의 조립방법을 보인 평면도,

도 22a, 도 22b는 2층의 2차원 카고메 평면 레이어를 각각 프레임과 함께 보인 사시도 및 입체사진,

도 22c는 2층의 2차원 카고메 평면 레이어를 각각 프레임을 제거하고 보인 사시도,

도 23a는 3층의 2차원 카고메 평면 레이어를 프레임과 함께 보인 사시도,

도 23b는 3층의 2차원 카고메 평면 레이어를 프레임을 제거하고 보인 사시도,

도 24은 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 제4축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도 및 측면도,

도 25은 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 제5축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도 및 측면도,

도 26은 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 제6축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도 및 측면도,

도 27는 제6축 와이어의 마지막 와이어를 조립하는 모습을 보인 사시도,

도 28은 제6축 와이어의 마지막 와이어를 조립하는 모습을 와이어 진행방향에서 보인 사시도,

도 29a은 제1,2,3,4,5,6축 와이어를 조립 완료한 최종 모습을 보인 사시도,

도 29b 와 도 29c는 제1,2,3,4,5,6축 와이어를 조립 완료한 최종 모습을 각각 보인 입체사진,

도 30는 본 발명의 선출원 발명에 따라 와이어로 구성된 3차원 트러스형 다공질 경량 구조체를 형성하는 순서를 나타낸 흐름도,

도 31은 본 발명의 일 실시예에 따라 와이어로 구성된 3차원 다공질 경량 구조체를 형성하는 순서를 나타내는 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

4,5,6,7,8,9 : 제1,2,3,4,5,6축 와이어 20 : 조립틀

21 : 프레임 22 : 연결 지지봉

본 발명은 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공질 경량 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 이상적인 카고메 트러스 형태와 유사한 구조를 가지며 강도나 강성 등의 기계적 물성이 크게 향상된 3차원 경량 구조체 및 이를 저비용/대량으로 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.

종래, 다공질의 경량 구조체와 유사한 재료로서 발포 금속(metal foam)이 있다. 이러한 발포 금속은 액체 또는 반고체인상태의 금속 내부에 기포를 발생시키는 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 2차원적 으로 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 EngineeringMaterials, 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 수 밖에 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 불리한 것이다.

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 떨어 지기 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.

위와 같은 문제점을 감안하여 본 발명자는 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 이상적인 카고메 트러스 또는 옥테트 트러스 형태와 유사한 일정한 모양으로 형성되는 3차원 다공질 경량 구조체와 그 제조 방법을 개발하였고, 이에 관한 내용을 선출원하여 특허 공개번호 제10-2006-0095968호에 공개되어 있다.

이와 같은 본 발명자의 선출원 발명에 의해 제조되는 3차원 다공질 경량 구조체는 기계적 물성이 우수하고, 연속 공정에 의해 저비용으로 대량 생산할 수 있는 등, 종래에 비하여 여러 가지 이점을 갖는 것이나, 이후 3차원 다공질 경량 구조체의 강성 및 강도와 관련된 기계적 물성과 직조방법에 있어서의 고효율/저비용/양산성을 더욱 보완 개선하여 본 발명에 도달하게 되었다.

상술한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 나선형 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 복수의 2차원 카고메 평면을 형성하고 상기 각 2차원 카고메 평면을 이루는 제1,2,3축의 나선형 와이어에 제4,5,6축의 나선형 와이어를 조립함으로써 연속 공정에 의해 일정한 모양으로 쉽게 제조할 수 있으며, 와이어 상호간의 밀착된 구조를 실현하여 강도나 강성 등의 기계적 물성이 더욱 우수하게 되는 트러스 형태의 3차원 경량 구조체와 이를 저비용/대량으로 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 이러한 3차원 경량 구조체는 그물 형태의 와이어를 단순히 짜서 접합하는 방식이 아니고, 나선형 와이어를 이용하여 연속 공정으로 3차원으로 직접 직조되는 방식에 의하여 형성되며, 이상적인 카고메 트러스나 카고메 트러스에 매우 유사한 구조를 갖는 것으로서 기계적 물성이나 전기적 물성이 매우 우수한 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 제1,2,3,4,5,6축 와이어를 3차원으로 적층하여 형성된 3차원 다공질 경량 구조체에 있어서, 상기 제1,2,3,4,5,6축 와이어가 나선형으로 형성되고, 상기 나선형의 제1,2,3축 와이어가 조립되어 복수의 2차원 카고메 평면이 형성되며, 상기 각 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 나선형의 제4,5,6축 와이어가 조립되어 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.

(2) 상기 제1,2,3축 와이어가 조립되어 아래로부터 A층, B층, C층의 2차원 카고메 평면이 형성되고, 각 층의 와이어가 각각 좌우로, 상하로 위치 차이를 두고 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.

(3) 상기 각 층의 와이어가 소정의 거리를 두고 각각 좌우로 lx, 상하로 ly의 위치 차이를 두고 배열되어 2차원 카고메 평면을 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.

(4) 상기 A층, B층, C층의 2차원 카고메 평면이 소정의 간격을 두고 A, B, C, A, B, C.....형으로 반복적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.

(5) 나선형의 제1,2,3,4,5,6축 와이어를 형성하는 나선형 와이어의 가공단계와;

나선형 와이어의 제1,2,3축 와이어를 조립틀의 프레임에 조립하여 복수의 2차원 카고메 평면을 형성하는 2차원 카고메 평면의 형성단계와;

상기 각 프레임을 연결 지지봉으로 연결하여 적층하는 프레임의 적층단계와;

상기 각 프레임의 제1,2,3축 와이어에 제4,5,6축 와이어를 연결하여 3차원 다공질 경량 구조체를 형성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.

이하, 본 발명의 기술내용을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 본 발명자가 선출원한 발명(공개번호 제10-2006-0095968호)의 내용을 도면 도 6 내지 도 14와 도 30를 참조하여 먼저 설명한 후, 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

먼저, 3차원 다공질 경량 구조체의 구조에 대하여 설명하면, 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 카 고메 트러스는 각각의 교차점에서 두선이 60도 또는 120도 방위각으로 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)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 정 사면체)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.

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 정사면체의 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, 3차원 다공질 경량 구조체(11)의 구조는 3차원공간상에 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 12의 첫 번째 그림과 같이 단위셀을 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 경량구조체가 얻어질 수 있어 바람직하다.

다음으로, 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

도 30는 선출원 발명에 따라 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 다시교차하고, 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; 세 개의 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 경우, 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.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부된 도면 도 13 내지 도 29b, 그리고 도 31을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 13는 나선형 와이어의 입체사진이고, 도 14은 트위스팅 머신에 의해 복수의 와이어가 함께 꼬여진 형태를 보인 입체사진이고, 도 15은 나선형 와이어를 가공하기 위한 트위스팅 머신의 입체사진을 각각 보인 것이다.

또한 도 16a는 나선형 제1,2,3,4,5,6축 와이어의 입체사진이고, 도 16b는 나선형 와이어를 조립하기 위한 조립틀을 보인 입체사진이고, 도 16c는 조립틀의 프레임에 제1,2,3축 와이어를 2차원 카고메 평면을 조립한 형태를 보인 입체사진이고, 도 16d는 2차원 카고메 평면이 적층된 형태를 보인 입체사진이고, 도 16e는 2차원 카고메 평면에 제4,5,6축 와이어를 조립한 형태를 보인 입체사진이고, 도 16f는 틀을 제거한 후 완성된 3차원 다공질 경량 구조체를 보인 입체사진이다.

또한, 도 17은 제1축 와이어를 배열한 후에 제2축 와이어를 중첩하여 배치한 평면도이고, 도 18은 제3축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도이고, 도 19은 제1,2,3축 와이어로 조립된 1층의 2차원 카고메 평면 레이어를 보인 평면도이고, 도 20a, 도 20b는 1층의 레이어가 틀에 조립된 형태를 보인 평면도 및 입체사진이고, 도 21a는 2차원 카고메 평면의 조립방법을 보인 평면도이고, 도 22a, 도 22b는 2층의 2차원 카고메 평면 레이어를 각각 프레임과 함께 보인 사시도 및 입체사진이 고, 도 22c는 2층의 2차원 카고메 평면 레이어를 각각 프레임을 제거하고 보인 사시도이고, 도 23a는 3층의 2차원 카고메 평면 레이어를 프레임과 함께 보인 사시도이고, 도 23b는 3층의 2차원 카고메 평면 레이어를 프레임을 제거하고 보인 사시도이고, 도 24은 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 제4축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도 및 측면도이고, 도 25은 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 제5축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도 및 측면도이고, 도 26은 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어에 제6축 와이어를 조립하는 모습을 보인 평면도 및 측면도이고, 도 27는 제6축 와이어의 마지막 와이어를 조립하는 모습을 보인 사시도이고, 도 28은 제6축 와이어의 마지막 와이어를 조립하는 모습을 와이어 진행방향에서 보인 사시도이고, 도 29a, 및 도 29b, 도 29c는 제1,2,3,4,5,6축 와이어를 조립 완료한 최종 모습을 보인 사시도 및 입체사진을 각각 보인 것이다.

그리고, 도 31은 본 발명의 다른 실시예에 의해 3차원 다공질 경량 구조체를 형성하는 과정을 보인 흐름도이다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 다공질 경량 구조체는 도 13와 같이 나선형으로 가공된 와이어를 와이어(1, 2, 3, 4,5,6, 4',5',6', 7, 8, 9 )로 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 이상적인 카고메 트러스 또는 이와 유사한 3차원 경량구조체를 구성하기 위한 상기 6 방향의 와이어 군은, 나선형으로 미리 성형되며, 후술하는 바와 같이 이러한 나선형 와이어의 진폭과 피치는 트러스 구조물에 대한 조립의 용이성과 함께, 서로 다른 세 방향의 와이어들이 교차점에서 서로 밀착됨으로써 트러스 구조물의 안정성이 확보될 수 있도록 결정되 어야 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 한 변의 길이의 2배가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 나선형 와이어는 도 15과 같이 트위스팅 머신을 이용하여 도 14과 같이 복수의 와이어를 나선형으로 꼬아 형성하며, 나선형 와이어의 피치(P)는 제조하고자 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 규격에 따라 조절하여 형성될 수 있다.

다만, 이러한 방법은 트위스팅 머신의 양쪽에 지그를 장착하고 2개 내지 4개의 와이어의 양단부를 양쪽 지그에 물려 고정한 후, 기계를 작동시켜 와이어를 꼬아 나선형 와이어를 형성한다. 또한, 이 방법은 나선형 와이어를 쉽게 만들 수 있으나 벌크 카고메를 만드는 기계에 적용하기에는 메커니즘이 복잡하고 불연속적이라는 한계를 가지고 있다.

선택적으로, 이러한 방법 이외에도 나선형 와이어 절곡기를 이용하여 가공하는 방법, 나선형 홈이 있는 봉에 와이어를 감아 형성하는 방법이 있으나 각각 장, 단점이 있으며, 구조가 간단하고, 작업이 간편하며, 연속 공정에 적합한 장치를 더 개발하여야 할 필요성이 있다.

상기 트위스팅 머신을 이용하여 도 16a와 같이 나선형 와이어를 가공한 후에는 나선형 와이어를 이용하여 2차원 카고메 평면을 만들며, 도 16b와 같이 장방형 프레임(21)과 연결 지지봉(22)을 결합한 틀(20)을 이용한다.

이때에는 제1축 와이어(4)와 제2축 와이어(5)가 배치된 후, 제3축 와이어(6)가 제1, 2축 와이어(4),(5) 사이로 회전하면서 삽입되며, 이 과정이 이루어지기 위해서는 제1축 와이어(4)와 제2축 와이어(5)가 고정되어 있어야 하므로 틀의 역할이 중요하다.

또한 2차원 카고메 평면을 형성한 후, 제4축 와이어(7)를 2차원 카고메 평면 사이에 끼어 넣고 제5축 와이어(8)와 제6축 와이어(9)를 제3축 와이어(6)와 같이 회전시키면서 삽입시켜야 하므로 2차원 카고메 평면의 고정을 위해 틀이 필요한 것이다.

도 16c는 프레임(21)에 제1축 와이어(4)와 제2축 와이어(5)를 배치하고, 제3축 와이어(6)를 회전시키면서 삽입하여 형성된 2차원 카고메 평면이 도시되어 있다.

도 16d에는 2차원 카고메 평면이 적층된 형태가 도시되어 있다.

도 16e에는 적층된 2차원 카고메 평면에 제4,5,6축 와이어(7, 8, 9)를 끼어 넣은 형태가 도시되어 있다.

도 16f는 틀을 제거한 후 완성된 3차원 다공질 경량 구조체가 도시되어 있다.

이하, 나선형 와이어를 틀(20)을 이용하여 직조함으로써 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 17와 같이 제1축 와이어(4)가 먼저 배열된 다음 제2축 와이어(5)가 배열되어 마름모형을 이루도록 연속으로 배열된다.

이어서 도 18과 같이 제1, 2축 와이어(4),(5) 사이에 제3축 와이어(6)를 회전하면서 삽입시킴으로써 한 층의 2차원 카고메 레이어가 형성된다.

도 19은 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)로 형성된 1층의 레이어를 보인 것이다.

도 17 내지 도 18에서는 설명의 편의상 틀(20)을 제거하고 도시하였으나, 상기 1층의 레이어는 도 20a, 도 20b와 같이 틀(20)에 형성된다.

도 21은 2차원 카고메 평면을 A층, B층, C층으로 형성할 때에 와이어의 배치 위치를 표시한 것으로 층의 구성은 A, B, C 프레임(21)에 와이어를 각각 좌우로 lx, 상하로 ly의 위치 차이를 두고 각각 사각형 또는 필요에 따라 다른 형태로 배열한다.

이러한 방법으로 틀(20)의 프레임(21)에 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)를 배열하면서 2개 층의 높이를 일정간격(

)으로 배열하여 도 22a, 도 22b와 같은 형태를 만든다.

도 23a, 도 23b는 3개 층이 일정간격(

)을 주고 상하로 배열한 모습이다.

위와 같이 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)를 배열한 후에는 제4축 와이어(7)를 도 24의 정면도 및 측면도와 같이 조립하고, 제1,2,3, 4축 와이어(4, 5, 6),(7) 사이로 제5축 와이어(8)를 도 25의 정면도 및 측면도와 같이 조립하며, 제1,2,3, 4, 5축 와이어(4, 5, 6),(7),(8)의 사이로 제6축 와이어(9)를 회전하면서 전진시킴으 로써 도 26의 정면도 및 측면도와 같이 조립한다.

도 27는 제6축 와이어(9)의 마지막 와이어를 조립하는 모습을 보인 사시도이고, 도 28은 마지막 와이어를 조립하는 모습을 와이어 진행방향에서 보인 모습이다.

도 29a, 도 29b는 제1,2,3,4,5,6축 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)를 조립 완료한 최종 모습이다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법은 나선형의 제1,2,3,4,5,6축 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)를 형성하는 나선형 와이어의 가공단계와; 나선형 와이어의 제1,2,3,4,5,6축 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)를 조립틀(20)의 프레임(21)에 조립하여 복수의 2차원 카고메 평면을 형성하는 2차원 카고메 평면의 형성단계와; 상기 각 프레임(21)을 연결 지지봉(22)으로 연결하여 적층하는 프레임의 적층단계와; 상기 각 프레임(21)의 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)에 제4,5,6축 와이어(7, 8, 9)를 연결하여 3차원 다공질 경량 구조체를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

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 섬유강화형 복합재료의 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 섬유강화형 복합재료를 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 섬유강화형 복합재료를 제조할 수도 있다. 이 섬유강화형 복합재료는 완벽한 등방성 재료로서 그 물성이 방향에 무관하게 균일하기 때문에 임의의 형상으로 절단하여 사용할 수 있고, 섬유들이 서로 엇갈려서 간섭하기 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. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해되어야 한다.

연속 와이어를 이용한 3차원 경량 구조체 및 그 제조방법에 있어서, 본 발명 에 따른 3차원 다공질 경량 구조체는 나선형으로 가공된 제1,2,3축 와이어를 프레임에 조립하여 복수의 2차원 카고메 평면을 형성하고, 상기 각 프레임의 2차원 카고메 평면을 이루는 와이어에 나선형의 제4,5,6축 와이어를 조립하여 3차원 다공질 경량 구조체를 제조함으로써 연속 와이어로 구성된 3차원 다공질 경량 구조체의 제작을 용이하게 수행할 수 있으며, 이에 따라 저비용으로 대량생산이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 3차원 다공질 경량 구조체는 연속 와이어가 나선형으로 제작됨으로써 의도하는 트러스 구조에 손상을 가하지 않으면서도 와이어 상호간의 밀착성능을 향상시킴으로써 그 자체로서 별도의 용접, 브레이징, 납땜, 액체 등의 후공정 없이도 소망하는 기계적 물성이 유지될 수 있다.

Claims

제1,2,3,4,5,6축 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)를 3차원으로 적층하여 형성된 3차원 다공질 경량 구조체에 있어서, 상기 제1,2,3,4,5,6축 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)가 나선형으로 형성되고, 상기 나선형의 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)가 조립되어 복수의 2차원 카고메 평면이 형성되며, 상기 각 2차원 카고메 평면의 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)에 나선형의 제4,5,6축 와이어(7, 8, 9)가 조립되어 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
제 1 항에 있어서, 상기 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)가 조립되어 아래로부터 A층, B층, C층의 2차원 카고메 평면이 형성되고, 각 층의 와이어가 각각 좌우로, 상하로 위치 차이를 두고 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
제 2 항에 있어서, 상기 각 층의 와이어가 각각 좌우로 lx, 상하로 ly의 위치 차이를 두고 배열되어 2차원 카고메 평면을 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
제 2 항에 있어서, 상기 A층, B층, C층의 2차원 카고메 평면이
만큼의 간격을 두고 A, B, C, A, B, C.....식으로 반복적으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체.
나선형의 제1,2,3,4,5,6축 와이어(4, 5, 6, 7, 8, 9)를 형성하는 나선형 와이어의 가공단계와;

나선형 와이어의 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)를 조립틀(20)의 프레임(21)에 조립하여 복수의 2차원 카고메 평면을 형성하는 2차원 카고메 평면의 형성단계와;

상기 각 프레임(21)의 제1,2,3축 와이어(4, 5, 6)에 제4,5,6축 와이어(7, 8, 9)를 삽입하여 3차원 다공질 경량 구조체를 형성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법.