KR101118141B1 - 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 곡면성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정형 건축물의 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면으로 이루어진 된 외부패널을 성형 제작하는데 있어서 종래의 성형방식이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서,

- 성형부재(M)를 성형 전체과정동안 하부에서 지지하는 하부 목적형태 금형부(10)와, 그리고 상기 하부 목적형태 금형부(10)와 짝을 이루며 상부에 설치된 가압수단에 의해서 성형부재(M)를 가압하는 상부 목적형태 금형부(20)를 가공하는 제 a 단계와;

- 상기 가공된 하부 목적형태 금형부(10) 상에 성형부재(M)를 배치하고, 상기 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)를 성형작업을 위해서 서로 고정시키는 제 b 단계와;

- 하부 목적형태 금형부(10) 상에 고정된 성형부재(M)가 이송수단에 의해서 이동되어질 때, 본 성형가공 이전에 예열수단에 의해서 예비적으로 미리 예열하는 제 c 단계와;

- 예열수단에 의해서 미리 예열된 하부 목적형태 금형부 상에 고정된 성형부재(M)를 열손실이 발생하지 않도록 예열수단 및 가열수단과 연속적으로 연결된 열손실 방지수단을 통과시키도록 하는 제 d 단계와;

- 예비가열된 성형부재(M)를 본 성형가공 하기 위하여 상부 목적형태 금형부의 위치로 이동되어질 때, 가열수단에 의해서 성형부재(M)와 상부 목적형태 금형부를 가열하는 제 e 단계와;

- 가열된 성형부재(M)를 성형가공하기 위하여 가압수단에 의해서 상부 목적형태 금형부를 가압함으로써, 상부 목적형태 금형부와 하부 목적형태 금형부가 서로 맞물리도록 하는 제 f 단계와;

- 성형이 완료된 성형부재(M)를 냉각수단을 이용하여 냉각시킨 후, 냉각이 완료된 성형부재(M)를 하부 목적형태 금형부로부터 가공하여 분리하는 제 g 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법을 제공함으로써, 종래의 성형방법에 비해서 우수한 품질의 소량이며 다양한 형상을 가지고 있는 외피패널을 저렴한 비용으로도 신속하게 생산할 수 있도록 하는 것이다.

Description

비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 곡면성형방법{METHOD FOR FORMING DOUBLE CURVED OUTSIDE PANEL OF ATYPICAL BUILDING STRUCTURE}

본 발명은 비정형 건축물의 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면으로 이루어진 된 외부패널을 제작하기 위한 곡면성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하부 목적형태 금형부, 상부 목적형태 금형부, 예열수단, 열보전 수단, 가열수단 및 이송수단 그리고 냉각수단으로 이루어지는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 곡면성형장치 및 곡면성형방법을 이용하여, 금형제작비를 낮추어 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면 외부패널 제품의 생산단가를 낮출 수 있으며, 성형공정을 단순화하면서도 우수한 품질을 유지하고 신속하며 저렴한 비용으로 비정형 건축물의 소량이며 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면으로 이루어진 된 외부패널을 제작하는 곡면성형방법을 제공하는 것에 관한 것이다.

일반적으로 비정형 건축물이란 기존의 사각형 형태로 된 정형화된 건축물의 형태에서 벗어나 기울어지거나 좁아지거나 뒤틀려지거나 이중으로 휘어지는 등 자 유로운 곡면으로 이루어진 형태의 최근의 건축물을 말한다. 최근 세계적으로 이러한 비정형 건축물의 수가 크게 증가하고 있는 추세인데, 이는 비정형 건축물의 문화적, 기술적 상징성, 건설 IT(Information Technology) 기술의 발전과 BIM(Building Information Modeling) 기술의 도입, 그리고 시공기술의 발전에 크게 기인하고 있다. 아래의 <표 1>에 도시된 바와 같이, 이러한 비정형 건축물의 비율은 전세계적으로 꾸준히 증가하는 추세에 있는데, 1990년대 초반에는 약 10% 이었던 비정형 건축물의 비율이 2000년 후반에 들어서는 약 25%로 크게 증가한 것을 알 수 있고, 향후 이러한 비정형 건축물의 비율은 점점 더 증가할 것으로 예상된다. 도 1 및 도 2는 2010년 우리나라 동대문 지역에 완공될 예정인 비정형 건축물인 동대문 디자인 플라자(Dongdaemun Design Plaza & Park) 모습을 도시한 사시도이다.

<표 1> 비정형 건축물의 전세계적 비율

그러나, 지금까지 비정형 건축물은 설계상 어려움과 제작 및 시공상의 높은 공사비용 등으로 실제로 지어지기는 어려웠다. 비정형 건축물의 설계 및 시공은 그 비정형 때문에 여러 가지 어려움이 있는데, 그 중 특히 기술적으로나 경제성 면에서 가장 문제점이 많은 부분이 비정형 건축물의 외장패널(외피, skin) 부분이다. 비정형 건축물의 다양한 곡률과 반지름을 가진 외장패널(skin)을 시공하기 위해서는 커다란 하나의 외피를 여러개의 작은 패널(panel)로 나누는 작업(이러한 작업을 패널화(panelization)라고 한다)이 필요한데, 이러한 비정형 건축물의 외피 패널의 경우 반복성이 거의 없어 대량생산이 어렵고, 패널 형태의 복잡성으로 인해 제작에 예상보다 훨씬 많은 비용이 드는 문제가 있다.

즉 일반적인 정형 건축물의 정형화된 외피 패널은 일정한 형태로 이루어지기 때문에 동일한 형상으로 대량생산이 가능하므로 시공비용이 크게 문제되지 않지만, 비정형 건축물의 외피 패널은 서로 다른 반지름과 곡률을 가진 다양한 형태로 이루어지기 때문에 대량생산이 불가능하고, 이에 따라서 그 제작 및 시공비용이 크게 증가되며, 제품품질이 열악하다는 문제점이 있었다.

비정형 건축물 외장패널(skin)의 이러한 근본적인 문제점을 해결하기 위해서, 종래의 비정형 건축물의 대표적인 일례인 프랭크 게리의 디즈니 콘서트 홀의 경우, 제작이 상대적으로 용이한 일방향(一方向) 곡면을 사용하고 제작이 어려운 복곡면의 사용을 회피함으로써 복곡면으로 인해서 발생하는 제작 및 비용상의 문제점을 원천적으로 배제하는 방식으로 설계 및 시공되었는데, 이러한 방법은 종래의 통상적으로 비정형 건축물의 시공에 가장 많이 사용되는 방법이었다.

그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 우리나라의 동대문에 세워질 동대문 디자인 플라자와 같은 경우는, 종래의 비정형 건축물인 디즈니 콘서트 홀의 경우와는 달리, 이중곡면으로 된 패널(복곡판, 復曲板, double-curved panel)이 전체 외피의 40% 이상을 차지하고 있어서 외피(skin)의 생산기술적인 측면과 경제적인 비용면에서 보았을 때, 지금까지의 비정형 건축물 중에서도 가장 어려운 건축물 중의 하나이다. 이와 같이 복곡판이 40% 이상을 차지하고 있는 경우, 곡면패널을 줄이기 위해서 외피모델을 분할하여도 상당한 수의 두방향 곡면패널이 여전히 존재하고, 이들은 각기 다른 모서리 길이와 반지름을 가지는 복잡한 기하학적 형태를 가지고 있기 때문에 제작시간과 제작비용이 상당히 증가한다는 문제점이 있다.

도 3은 동대문 디자인 플라자의 외장패널을 제작 및 시공을 위하여 작은 단위 패널로 나누는 패널화(panelization) 시킨 모델을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 동대문 디자인 플라자는 실시설계 단계에서는 전체 외피패널의 60% 이상이 곡면 패널로 이루어지는데, 패널화 과정을 통해서도 14,000여개의 패널로 분할되었으며, 특히 컨벤션에서 박물관으로 이어지는 다리 부분에서는 곡률의 변화가 더욱 심한 패널로 분할되었다.

만일 자동차와 같이 하나의 형틀을 수백만번 사용한다면, 고가의 형틀을 제작하여 대량생산을 하는 것이 경제적인 측면에서 합리적이지만, 비정형 건축물의 경우 동일한 형태의 외피 패널이 반복적으로 사용되는 경우가 거의 없어 자동차 기술과 같이 고가의 형틀을 제작하는 것은 경제성이 없다. 또한 일방향 곡면 패널은 주로 롤러압연 등의 방법을 이용하여 대부분의 형태가 비교적 정교하게 제작이 가능하다. 그러나, 비정형 건축물의 복곡면과 같은 두방향 곡면(two-way curved surface)은 비록 유압 프레스를 이용한 수작업에 의한 성형이 가능하지만, 이러한 성형 방식은 주로 조형물을 만드는 데 사용되는 방식으로서 다양한 형태를 제약 없이 만들 수는 있지만, 제작시간이 너무 많이 소요되고 고가이기 때문에 공사기간과 공사비용이 중요한 요소인 비정형 건축물에 적용하기에는 곤란하다는 치명적인 문제점이 있다.

현재 비정형 건축물의 외피 패널의 제작에 대한 문제점을 해결하기 위해 시도되는 특수한 가공방법으로서, 다음에서 간략하게 설명하는 바와 같이 (i) 하이드로 포밍(Hydro Forming), (ii) 다이리스 포밍(Dieless Forming), (iii) 익스플로시브 포밍(Explosive Forming) 그리고 (iv) 다중포스트 하이드로 포밍(Multiple Post Hydroforming)이라는 가공방법이 있다.

(i) 하이드로 포밍(Hydro Forming) 방식

제작방식: 컴퓨터 모델에서 직접 기하학 정보를 받아서, 스틸(steel)이나 폴리아미드(polyamide) 재질등으로 만든 형틀에 금속판을 대고 수압으로 밀어내서 제작하는 방식으로서, 금형은 기계에 들어갈 때 고정역할을 하는 마더(mother)금형과 형상을 만드는데 필요한 인서트(insert)금형의 두가지 종류가 필요하며, 패널의 치수가 동일할 경우 동일한 마더금형을 사용할 수 있다.

특징: 1개 성형시 5분정도가 소요되며 금형교환은 3~4시간 정도가 소요되며, 제작비용을 줄이기 위해서는 동일한 타입의 패널수를 늘려야만 하고, 제작비용은 1600mm X 1200mm 기준으로 마더금형은 1억 5천만원, 인서트 금형은 3500만원이며, 금형 교환비는 1회당 80만원이 소요된다.

(ii) 다이리스 포밍(Dieless Forming) 방식

제작방식: 소재는 플레이트(plate)에 고정되고, 단부는 라운드 처리가 되어 있는 무빙툴(moving tool)과 테이블(table)이 CNC 제어를 통해서 상호작용하여 움직이면서 가공을 하고, z축 방향으로 고정플레이트와 무빙툴이 아주 느린 속도로 하강하면서 가공한다.

특징: 별도의 tooling 과정이 필요없고, 3차원 데이터를 CNC(Computer Numerical Control)로 보내어 가공한다.

(iii) 익스플로시브 포밍(Explosive Forming) 방식

제작방식: 하이드로 포밍의 일종으로서 물속에서 폭약을 터트려 물속에서 수압을 발생시키는 방식으로서, 금형이 한쪽만 필요하고, 철판에 구멍이 있는 경우 적용이 불가능하다는 단점이 있다.

(iv) 다중포스트 하이드로 포밍(Multiple Post Hydroforming)

제작방식: 데이터에서 직접 기하학 정보를 받아서 컴퓨터로 제어해가며, 여러 개의 포스트(post)로 이루어진 가변형 형틀에 금속판을 대고 수압으로 밀어내서 만드는 방식이다.

그러나, 상기와 같은 특수한 가공방법도 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면으로 된 패널이 전체 외피의 상당부분을 차지하고 있는 최근의 비정형 건축물에 적용하기에는 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 복곡면이 건축물의 전체 외장패널(skin)의 40% 이상을 차지하고 있고, 외피를 구성하는 패널이 각기 다른 모서리 길이와 반지름을 가지고 있어서 대량생산이 불가능한 외장패널(skin) 패널인 경우 높은 제작비용과 긴 제작시간의 문제점을 여전히 내포하고 있으며,

(2) 한번에 하나의 고가인 형틀이 필요하므로, 각기 다른 반지름값과 곡률을 가지고 있는 비정형 건축물의 소량이며 다양한 외장패널에는 비용상 적용이 불가능하다는 문제점이 있고,

(3) 저렴한 비용으로 신속하게 비정형 건축물의 외장패널과 같은 소량이며 다양한 형태의 2차 곡면을 생성하기에는 어려움이 있다.

이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 2009년 6월 22일자로 특허출원된 제10-2009-55350호는, 복수개의 원판형 가압롤러로 이루어진 상부 가변형 가압장치를 이용하여 알루미늄 판재를 성형가공하는 알루미늄 판재의 3차원적 곡면 성형장치를 개시하고 있다.

그러나 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 종래의 기술은 복수개의 원판형 가압롤러를 이용하여 알루미늄 판재를 3차원적으로 성형가공하는데, 이때 가압장치로 사용되는 복수개의 원판형 가압롤러는 그 자중(self load)에 의해서만 알루미늄 판재를 성형가공하기 때문에 이중곡면 외장패널의 두께가 일정하지 못하고 두께편차가 심하게 발생한다는 문제점이 있으며, 원판형 가압롤러는 상하방향의 1방향으로만 이동할 수 있기 때문에 이중곡면 외장패널의 곡률변화가 심한 곳에서는 좌우방향으로 이동될 수 없어서 성형가공 시에 성형부재에 주름이 발생한다는 치명적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 비정형 건축물의 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면으로 이루어진 된 외부패널을 성형 제작하는데 있어서 종래의 성형방식이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서,

(1) 성형부재(M)를 성형 전체과정동안 하부에서 지지하는 하부 목적형태 금형부(10)와, 그리고 상기 하부 목적형태 금형부(10)와 짝을 이루며 상부에 설치된 가압수단에 의해서 성형부재(M)를 가압하는 상부 목적형태 금형부(20)를 가공하는 제 a 단계와;

(2) 상기 가공된 하부 목적형태 금형부(10) 상에 성형부재(M)를 배치하고, 상기 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)를 성형작업을 위해서 서로 고정시키는 제 b 단계와;

(3) 하부 목적형태 금형부(10) 상에 고정된 성형부재(M)가 이송수단에 의해서 이동되어질 때, 본 성형가공 이전에 예열수단에 의해서 예비적으로 미리 예열하는 제 c 단계와;

(4) 예열수단에 의해서 미리 예열된 하부 목적형태 금형부 상에 고정된 성형부재(M)를 열손실이 발생하지 않도록 예열수단 및 가열수단과 연속적으로 연결된 열손실 방지수단을 통과시키도록 하는 제 d 단계와;

(5) 예비가열된 성형부재(M)를 본 성형가공 하기 위하여 상부 목적형태 금형부의 위치로 이동되어질 때, 가열수단에 의해서 성형부재(M)와 상부 목적형태 금형부를 가열하는 제 e 단계와;

(6) 가열된 성형부재(M)를 성형가공하기 위하여 가압수단에 의해서 상부 목적형태 금형부를 가압함으로써, 상부 목적형태 금형부와 하부 목적형태 금형부가 서로 맞물리도록 하는 제 f 단계와;

(7) 성형이 완료된 성형부재(M)를 냉각수단을 이용하여 냉각시킨 후, 냉각이 완료된 성형부재(M)를 하부 목적형태 금형부로부터 가공하여 분리하는 제 g 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법을 제공함으로써, 종래의 성형방법에 비해서 우수한 품질의 소량이며 다양한 형상을 가지고 있는 외피패널을 저렴한 비용으로도 신속하게 생산할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 높은 제작단가와 오랜 제조시간으로 인하여 종래의 특수가공방법으로도 제작에 상당한 어려움이 있었던, 이중곡면으로 된 패널이 전체 외피의 상당부분을 차지하고 있는 최근의 비정형 건축물의 소량이며 다양한 형상을 가지고 있는 외피 패널의 제작에 있어서, 금형제작비를 줄여서 제품의 생산단가를 낮추면서도 정밀한 성형가공이 가능하다는 장점이 있으며, 비정형 건축물의 이중곡면 성형공정을 단순화하면서도 생산효율을 획기적으로 높이는 효과가 있고, 나아가 본 발명은 알루미늄 판재 이외에도 유리, 인조대리석, 폴리카보네이트 등 다양한 건축재료로 된 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널 생산에도 적용될 수 있다는 장점이 있으며, 이로 인해 설계자는 창작의 제약없이 자유롭게 전세계적으로 그 비율이 점점 더 증가하고 있는 비정형 건축물을 설계할 수 있고, 시공업자는 공사비용의 걱정없이 저렴하게 비정형 건축물을 건설할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 선호적인 실시예와 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 5는 각각 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널을 제작하기 위한 곡면성형장치의 분해사시도를 나타내고 있다. 상기 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 곡면성형장치는 소량이며 다양한 곡률과 반지름으로 이루어진 비정형 건축물의 외장패널을 제작하는데 사용되는 성형장치에 관한 것으로서, 기본적으로 하부 목적형태 금형부(10), 상부 목적형태 금형부(20), 예열수단(30), 열손실 방지수단(40), 가열수단(50), 이송수단(60) 그리고 냉각수단으로 이루어진다.

상기 본 발명에 따른 기본적인 구성요소에 대해서 보다 상세하게 설명한다. 도 6은 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 이중곡면 성형장치의 상하부 목적형태 금형부를 도시한 사시도를 도시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 하부 목적형태 금형부(10)는 성형 전체과정동안 성형부재(M)를 하부에서 지지하며, 비정형 건축물의 외장판넬 전면, 즉 도장 또는 코팅으로 비정형 건축물의 외부에 노출될 부분의 형상을 책임지는 금형부이다. 상기 하부 목적형태 금형부(10)의 중앙부에는 성형부재(M)의 이중곡면 목적형태와 동일한 이중곡면 형상으로 가공된 가압 수용부(11)와, 각각의 코너부에는 성형부재(M)의 두께를 조절하고 상부 목적형태 금형부를 정확한 위치로 가이딩하기 위한 가이딩용 돌출탭(12)이 구성되어진다.

또한 본 발명의 상부 목적형태 금형부(20)는 상기 하부 목적형태 금형부(10)와 짝을 이루며 상부에 설치된 가압수단에 의해서 성형부재(M)를 가압하게 되는 금형부이며, 비정형 건축물의 외장판넬의 후면의 형상이 되는 금형부이다. 상부 목적형태 금형부(20)의 중앙부에는 상기 하부 목적형태 금형부의 가압 수용부(11)의 이중곡면 형상과 동일한 이중곡면 형상으로 가공된 가압 돌출부(21)와, 각 코너부에는 상기 하부 목적형태의 금형부의 가이딩용 돌출탭(12)이 수용되어지는 가이딩용 수용홈(22)으로 이루어지는 상부 목적형태 금형부(20)로 이루어진다. 따라서 하부 목적형태 금형부(10)의 중앙부에 형성된 가압 수용부(11)는 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널의 형상과 같이 이중곡면으로 형성된 오목한 형상으로 되며, 상부 목적형태 금형부(20)의 중앙부에 형성된 가압 돌출부(21)는 상기 가압 수용부(11)와 짝을 이루게 되도록 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널의 형상과 같이 이중곡면으로 형성된 볼록한 형상이 된다.

본 발명에 따른 하부 목적형태 금형부(10) 및 상부 목적형태 금형부(20)는 1400mm X 1800mm, 두께 200mm 내지 300mm의 ALC 경량 패널을 CNC(Computer Numerical Control) 라우터를 이용하여 성형하고자 하는 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면 외장패널의 형상으로 가공되는 것이 선호된다. 그러나 동일한 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 다른 방법과 다른 재료의 사용을 제한하는 것은 아 니다. 또한 본 발명에 따른 상,하부 목적형태 금형부(10,20)와 성형판재(M)는 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널의 실제크기보다 각각의 면이 50mm 내지 150mm 정도, 선호적으로는 100mm 정도 더 길게 준비되어지는 것이 선호된다. 예를 들어, 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널의 크기가 가로 1200mm X 세로 1600mm로 이루어진다면, 하부 목적형태 금형부(10)와 성형부재(M)와 상부 목적형태 금형부(20)는 각각의 면이 100mm 정도 더 길게 된 가로 1400mm X 세로 1800mm로 준비되어짐으로써, 하부 목적형태 금형부(10) 상에서 성형부재(M)가 정확하게 지지되어질 수 있도록 한다. 이때 성형부재(M)는 사용되는 부재보다 더 높은 용융점을 가진 재료로 된 고정핀을 이용하여 고정되어진다.

또한 본 발명의 다른 선호적인 실시예에 따르면, 상기 하부 목적형태 금형부(10)는 성형이 완료된 성형부재(M)의 절단 및 가공이 용이하도록, 중앙부에 가공된 가압 수용부(11)의 둘레부 상에 연속적으로 커팅홈(cutting line, 13)이 추가적으로 형성되어질 수 있다. 상기 커팅홈(13)은 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널의 정확한 크기에 맞추어서 형성되어진다. 따라서, 상부 목적형태 금형부에 의해서 설계자가 요구하는 곡률과 반지름을 가진 비정형 건축물의 이중곡면 외장패널로 성형가공 되어진 이후에, 외장패널의 정확한 크기에 맞추어서 형성된 커팅홈(13)을 따라서 각각의 면이 100mm 정도 더 길게 준비되었던 이중곡면 외장패널을 절단가공 함으로써 성형이후의 가공공정을 더욱 간단하고 용이하게 할 수 있다. 상기 하부 목적형태 금형부(10)는 이후 운송공정 및 보관공정 등에서 성형된 성형부재(M)에 대한 받침대로 사용되어 이중곡면으로 된 외장패널의 형태를 유지하고 패널의 변형을 막는 역할을 할 수도 있다.

한편 종래의 성형장치의 문제점은 자중(self load)에 의해서 가압되는 복수개의 원판형 가압롤러를 이용하여 알루미늄 판재를 성형가공하기 때문에 성형부재(M)가 균일한 두께로 압착가공되지 않으며 가압수단에 의한 가압력이 편중되어 작용한다는 문제점이 있었다. 본 발명에 따른 이중곡면 외부패널 제작을 위한 곡면성형장치는 상기 하부 목적형태 금형부(10)와 상부 목적형태 금형부(20)의 측면에는 압력게이지를 추가적으로 설치함으로써 성형부재(M)가 균일한 두께로 압착가공되는 것을 외부에서 수치적으로 확인할 수 있으며, 상부 목적형태 금형부(20)의 상부에 설치된 가압수단이 편중된 가압력을 발생시키지 않도록 가압수단의 각각의 코너부에 보조 가압수단이 추가적으로 설치되어질 수 있다. 즉 성형부재(M)가 하부 목적형태 금형부 위에 고정핀을 이용하여 고정되어져서 본 성형가공 위치로 이송되어지면, 하부 목적형 금형부(10)와 고정된 성형부재(M) 위로 가압수단에 결합된 상부 목적형 금형부(20)가 서서히 내려와 가온가압 성형공정을 진행하게 되며, 이때 상하부 목적형 금형부의 좌우측에 설치된 압력게이지를 통해서 두께를 조절할 수 있다. 본 발명의 선호적인 실시예에 따르면, 상기 가압수단은 약 70 내지 120㎏/㎠의 압력으로 성형부재(M)를 가압한다. 도 7은 상기와 같은 본 발명의 전체적인 구성을 도시하고 있다.

또한 본 발명의 선호적인 실시예에 따르면, 상기 하부 목적형태 금형부(10)의 가이딩용 돌출탭(12)은 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22) 속으로 삽입됨으로써 상부 목적형태 금형부가 하부 목적형태 금형부로 가이딩되어 서로 맞물림 되어 성형부재가 정확하게 성형가공될 수 있도록 한다. 상기 하부 목적형태 금형부의 가이딩용 돌출탭(12)과 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22)은 사각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어지는 것이 선호되지만, 다른 목적과 기능을 달성할 수 있는 다른 형상의 사용을 배제하는 것은 아니다.

또한 본 발명의 또 다른 선호적인 실시예에 따르면, 성형부재(M)의 두께는 상기 하부 목적형태 금형부(10)의 가이딩용 돌출탭(12)이 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22) 속으로 수용되어질 때 형성되는 내부공간에 의해서 형성되어질 수도 있다. 즉, 하부 목적형태 금형부의 가이딩용 돌출탭(12)이 정확하게 가이딩 되어 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22) 속으로 완전히 수용되어지면 하부 목적형태 금형부의 면과 상부 목적형태 금형부의 면이 완전히 밀착하게 되는데, 이때 상기 하부 목적형태 금형부(10)의 가이딩용 돌출탭(12)과 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22)이 형성하는 내부공간은 하부 목적형태 금형부(10)의 가압 수용부(11)와 상부 목적형태 금형부(20)의 가압 돌출부(21)가 형성하게 되는 공간이 되고, 이 공간 속에서 성형부재(M)가 성형가공 되어 균일한 두께를 형성할 수 있다. 본 발명의 선호적인 실시예에 따르면 상기 하부 목적형태 금형부(10)의 가이딩용 돌출탭(12)이 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22) 속으로 수용되어질 때 형성되는 내부공간은 100mm 내지 150mm의 높이로 되는 것이 선호되지만, 동일한 목적과 기능을 달성할 수 있는 범위 내에서 다른 높이의 사용을 배제하는 것은 아니다.

다음으로 본 발명에 따른 예열수단(30)과 열손실 방지수단(40) 그리고 가열수단(50)에 대해서 설명하면, 본 발명은 성형되는 재료가 고체상태와 액체상태로 공존하고 있는 반응고(소성)상태에서, 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 비정형 건축물의 외장패널 간단하고 용이하게 성형가공할 수 있도록 하는 것이다. 따라서 전체적인 성형공정 동안 성형재료가 급격하게 가열되지 않도록 하고, 성형 전체과정 동안 흡수한 열이 손실되지 않도록 하는 것이 무엇보다 중요하다.

본 발명의 선호적인 실시예에 따르면, 하부 목적형태 금형부(10) 상에 성형부재(M)가 고정되어져서 다음에서 설명하게 될 이송수단에 의해서 이송되어지면, 상부 목적형태 금형부(20)에 의해서 본 성형가공 되기 이전에 예열수단(30)에 의해서 이중곡면으로 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)를 1차적으로 미리 예비가열한다. 상기 예비가열은 본 가열온도에 도달하기 이전에 성형부재(M) 및 하부 목적형태 금형부(10)에 급격한 열충격이 가해지지 않도록 미리 예비적으로 가열하는 것으로서 본 가열온도의 약 40%정도로 가열되어지는 것이 선호되는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 예열수단(30)에 의한 가열온도는 200℃ 내지 300℃로 이루어지는 것이 선호된다.

상기 예열수단에 의해서 예비적으로 가열된 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)는 열손실을 방지하기 위하여 예열수단 및 가열수단과 연속적으로 연결된 열손실 방지수단(40)을 통과하여 이송되어진다. 상기 열손실 방지수단(40)을 통과하여 본 성형가공되는 위치로 이송된 성형부재(M) 및 하부 목적형태 금형부(10)는 가열수단(50)에 의해서 가열되어 반용융(반응고, 소성) 상태에 도달하게 되며, 상부 목적형태 금형부(20)에 의해서 성형가공되어진다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 가열수단(50)에 의한 본 가열온도는 650℃ 내지 665℃로 이루어지는 것이 선호되지만, 동일한 목적과 기능을 달성할 수 있다면 다른 성형재료의 다른 온도 범위에 있는 소성온도의 사용을 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 선호적인 실시예에 따른 예열수단(30) 및 가열수단(50)은 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 고주파 유도가열 코일을 이용하여 성형부재(M) 및 하부 목적형태 금형부(10)를 예비가열 및 본 가열하거나, 전기로 또는 가스로를 이용하여 성형부재(M) 및 하부 목적형태 금형부(10)를 예비가열 및 본 가열할 수도 있지만, 본 발명의 동일한 목적을 달성할 수 있는 다른 가열수단도 사용되어질 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 구성요소인 이송수단(60)은 성형부재(M)를 성형전체 과정동안 이동시키게 되는데, 즉 성형부재(M)가 하부 목적형태 금형부(10) 상에 고정장착 되어지고, 상기 예열수단(30) 및 열보전수단(40) 그리고 가열수단(50)에 의해서 가열되어 반용융상태로 된 후 상부 목적형태 금형부(20)에 의해서 설계자가 원하는 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면 외부패널로 성형되어지고, 냉각수단에 의해서 냉각되어진 후 성형부재(M)가 하부 목적형태 금형부에서 가공되어 분리되어질 때까지 성형 전체 과정에 걸쳐서 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)를 이동시키게 된다. 비록 본 발명의 선호적인 실시예에 따르면 이송벨트의 사용이 선호되지만, 동일한 목적을 달성할 수 있는 다른 수단도 사용되어질 수 있다.

본 발명의 다른 구성요소인 냉각수단은 반용융상태의 온도범위에서 상부 목적형태 금형부가 하부 목적형태 금형부 속으로 가온가압 됨으로써 설계자가 요구하는 다양한 이중곡면 형태로 성형부재(M)를 냉각시키기 위한 수단이다. 상기 냉각수단은 성형부재(M)를 물분사 노즐터널을 통과시킴으로써 냉각시키도록 하는 수냉식 방식이 사용되어질 수도 있고, 필요에 따라서 공랭식 또는 강제냉각방식이 사용되어질 수도 있다.

본 발명의 선호적인 실시예에 따르면, 상부 목적형태 금형부(20)의 가압에 의해서 성형부재(M)가 설계자가 요구하는 형태로 성형되어진 이후에 성형부재(M)는 상부 목적형태 금형부(20)가 탈거되고 하부 목적형태 금형부(10) 속에 안착된 상태로 냉각수단으로 이송되어질 수도 있지만, 다른 형태의 이중곡면 외부패널의 후속 제작공정을 신속하게 할 수 있도록 상부 목적형태 금형부(20)가 하부 목적형태 금형부(10)에 안착된 상태로 동시에 냉각장치로 이송되어질 수도 있다.

본 발명의 다른 선호적인 실시예에 따르면, 상부 목적형태 금형부(20)의 가압 돌출부(21)에 의해서 성형부재(M)가 가압되어질 때, 상기 성형부재(M)의 표면 상에 가압흔적이 발생하지 않도록 성형부재(M)의 상부 표면상에 탄소섬유직물이 추가로 제공되어질 수도 있다. 본 발명의 또 다른 선호적인 실시예에 따르면, 상기 하부 목적형태 금형부(10)는 성형부재(M)의 이중곡면 목적형태와 동일한 형상으로 중앙부에 가공된 오목한 형상의 가압 수용부로만 이루어지며, 상부 목적형태 금형부(20)는 상기 하부 목적형태 금형부의 가압 수용부의 이중곡면 형상과 동일한 형상으로 중앙부에 가공된 볼록한 형상의 가압 돌출부로만 이루어져서 비정형 건축물의 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면 외부패널을 제작할 수 있다. 또한 본 발명의 선호적인 실시예에 따르면, 비정형 건축물의 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면 외부패널은 알루미늄으로 제작되는 것이 선호되지만, 인조대리석, 유리, 폴리카보네이트, 스테인레스 또는 스틸 중에서 선택된 재료를 이용하여 제작되어질 수도 있다.

도 8 내지 도 13은 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 비정형 건축물의 이중곡면으로 된 외부패널을 제작하기 위한 이중곡면 성형방법의 각 단계들을 순차적으로 도시하고 있다.

도 8에서 도시된 바와 같이, 성형부재(M)를 성형전체 과정동안 하부에서 지지하며 성형부재(M)와 함께 이송되어질 하부 목적형태 금형부(10)와, 성형부재(M)를 가압성형하게 되는 상부 목적형태 금형부(20)는 예를 들어 ALC 경량 패널을 CNC(Computer Numerical Control) 라우터를 이용하여 성형하고자 하는 이중곡면 외부패널(복곡판, 復曲板, double-curved panel)의 형상과 동일한 형상으로 가공되어진다(제 a 단계).

다음으로 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 선호적인 실시예에 따르면 가공되어진 하부 목적형태 금형부(10) 상에 성형하고자 하는 성형부재(M)를 모서리 중 한 부분을 지정하여 고정시키는데, 네 모서리 모두를 고정시키면 성형가공시에 발생하는 인장력으로 인하여 성형가공시에 성형부재(M)가 찢어지는 문제점이 발생할 수 있기 때문에 모서리 중 한 부분만 고정시키고 나머지 부분은 고정시키지 않는다(제 b 단계). 다만 동일한 목적과 기능을 달성할 수 있는 범위 내에서 네 모서리 중 2부분만 고정한다던지 모서리 부분 대신에 측면부분을 고정하는 것도 고려할 수 있다. 한편, 성형부재(M)가 하부 목적형태 금형부 상에 고정되도록 놓여진 후 이송수단(60)에 의해서 이동됨으로써 성형작업이 시작되어진다. 이때 성형부재(M) 상에 탄소섬유 직물을 덮어줌으로써, 차후 상부 목적형태 금형부에 의해서 발생할 수 있는 가압 흔적이 성형부재(M) 상에 발생되지 않도록 방지할 수도 있다.

또한 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 목적형태 금형부(10)와 성형부재(M)는 이송수단(60)에 의해 이동되어져서 예열수단(30)에 도달하게 되면, 본 가열시에 성형부재(M) 및 하부 목적형태 금형부(10)에 급격한 열충격이 가해지지 않도록 미리 예비적으로 가열하게 된다(제 c 단계). 앞서 살펴본 바와 같이, 상기 예비가열 온도는 본 가열온도의 약 40%정도로 가열되어지는 것이 선호되는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 예열수단(30)에 의한 예열온도는 200℃ 내지 300℃로 이루어진다. 도 10에 도시된 바와 같이 상기 예열수단에 의해서 미리 예열된 하부 목적형태 금형부 상에 고정된 성형부재(M)는 예열수단 및 가열수단과 연속적으로 연결된 열손실 방지수단을 통과하고(제 d 단계), 도 11에 도시된 바와 같이 본 성형가공 하기 위하여 상부 목적형태 금형부의 위치로 이동되어져서 가열수단에 의해서 성형부재(M)와 상부 목적형태 금형부를 동시에 가열하여 성형부재가 반용융(반응고, 소성)상태에 도달하도록 한다(제 e 단계). 본 발명의 선호적인 일 실시예에 따르면, 상기 가열수단(50)에 의한 가열온도는 650℃ 내지 665℃로 이루어지는 것이 선호된다.

다음으로 도 12에 도시된 바와 같이, 상부 목적형태 금형부를 하부 목적형태 금형부 속으로 맞물리도록 가압함으로써 반용융상태에 있는 성형부재(M)가 설계자가 요구하는 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면 외부패널로 성형되어진다(제 f 단계). 다음으로 도 13에 도시된 바와 같이 성형이 완료된 성형부재(M)를 냉각수단을 이용하여 냉각시킨 후, 냉각이 완료된 성형부재(M)를 하부 목적형태 금형부로부 터 가공하여 분리시킴으로써, 설계자가 원하는 다양한 곡률과 반지름으로 된 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널이 제작되어진다(제 g 단계). 도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 이중곡면 성형장치에 의하여 성형가공된 다양한 곡률과 반지름을 가진 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널의 모습을 도시하고 있다.

상기에서 기술된 구성과 효과를 가진 본 발명은 다양한 방법으로 변형이 가능하며, 상기에서 기술된 내용은 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형과 수정이 가능하며, 본 발명이 속한 분야의 당업자에게 자명한 변형은 다음의 특허청구범위 내에 포함되어진다.

도 1 및 도 2는 2010년 완공예정인 우리나라 비정형 건축물 특징적인 실례인 동대문 디자인 플라자의 모습을 도시한 사시도

도 3은 상기 동대문 디자인 플라자의 이중곡면 외장패널을 제작 및 시공을 위하여 작은 단위 패널로 나누는 패널화(panelization)된 모델을 도시한 모습

도 4는 종래의 기술에 따른 롤러형 가압장치를 이용한 성형장치의 사시도

도 5는 본 발명에 따른 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널을 제작하기 위한 곡면성형장치의 분해사시도

도 6은 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 이중곡면 성형장치의 상하부 목적형태 금형부를 도시한 사시도

도 7은 본 발명의 선호적인 일 실시예에 따른 이중곡면 성형장치의 측면도

도 8은 내지 도 13은 본 발명의 따른 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널을 제작하기 위한 각 단계별 공정을 도시한 모습

도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 이중곡면 성형장치에 의하여 성형가공된 다양한 곡률과 반지름을 가진 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널을 도시한 모습

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 하부 목적형태 금형부 11 : 가압 수용부

12 : 가이딩용 돌출탭 13 : 커팅 홈(cutting line)

20 : 상부 목적형태 금형부 21 : 가압 돌출부

22 : 가이딩용 수용홈 30 : 예열수단

40 : 열손실 방지수단 50 : 가열수단

60 : 이송수단 M : 성형 부재

Claims (12)

1. 비정형 건축물의 소량이지만 다양한 곡률과 반지름을 가진 이중곡면으로 이루어진 외부패널을 제작하기 위한 이중곡면 성형방법에 있어서,

   - 성형부재(M)를 성형 전체과정동안 하부에서 지지하는 하부 목적형태 금형부(10)와, 그리고 상기 하부 목적형태 금형부(10)와 짝을 이루며 상부에 설치된 가압수단에 의해서 성형부재(M)를 가압하는 상부 목적형태 금형부(20)를 가공하는 제 a 단계와;

   - 상기 가공된 하부 목적형태 금형부(10) 상에 성형부재(M)를 배치하고, 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)를 성형작업을 위해서 서로 고정시키는 제 b 단계와;

   - 하부 목적형태 금형부(10) 상에 고정된 성형부재(M)가 이송수단에 의해서 이동되어질 때, 본 성형가공 이전에 예열수단에 의해서 예비적으로 미리 예열하는 제 c 단계와;

   - 예열수단에 의해서 미리 예열된 하부 목적형태 금형부 상에 고정된 성형부재(M)를 열손실이 발생하지 않도록 예열수단 및 가열수단과 연속적으로 연결된 열손실 방지수단을 통과시키도록 하는 제 d 단계와;

   - 예비가열된 성형부재(M)를 본 성형가공 하기 위하여 상부 목적형태 금형부의 위치로 이동되어질 때, 가열수단에 의해서 성형부재(M)와 상부 목적형태 금형부를 가열하는 제 e 단계와;

   - 가열된 성형부재(M)를 성형가공하기 위하여 가압수단에 의해서 상부 목적형태 금형부를 가압함으로써, 상부 목적형태 금형부와 하부 목적형태 금형부가 서로 맞물리도록 하는 제 f 단계와;

   - 성형이 완료된 성형부재(M)를 냉각수단을 이용하여 냉각시킨 후, 냉각이 완료된 성형부재(M)를 하부 목적형태 금형부로부터 가공하여 분리하는 제 g 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 a 단계의 하부 목적형태 금형부(10) 또는/및 상부 목적형태 금형부(20)는 ALC 경량패널을 CNC(Computer Numerical Control) 라우터를 이용하여 성형하고자 하는 이중곡면 판재의 형상으로 가공되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 c 단계와 제 e 단계의 예열수단(30) 또는/및 가열수단(50)은 고주파유도 가열코일 또는 가스로 가열방식 또는 전기로 가열방식 중에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
4. 제 3 항에 있어서, 상기 예열수단(30)에 의한 예열온도는 200℃ 내지 300℃로 이루어지며, 상기 가열수단(50)에 의한 가열온도는 650℃ 내지 665℃로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
5. 제 1 항에 있어서, 하부 목적형태 금형부는 상부 목적형태 금형부를 정확한 위치로 가이딩하기 위한 가이딩용 돌출탭(12)을 포함하며, 상부 목적형태 금형부는 상기 하부 목적형태의 금형부의 가이딩용 돌출탭(12)이 수용되어지는 가이딩용 수용홈(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
6. 제 5 항에 있어서, 상기 하부 목적형태 금형부(10)의 가이딩용 돌출탭(12) 및 상부 목적형태 금형부(20)의 가이딩용 수용홈(22)은 사각형 또는 사다리꼴 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 g 단계의 하부 목적형태 금형부(10)는 성형부재(M)의 절단 및 가공이 용이하도록, 중앙부에 가공된 가압 수용부(11)의 둘레부 상에 연속적으로 커팅홈(13)이 추가적으로 형성되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
8. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 목적형태 금형부(10) 및 상부 목적형태 금형 부(20)의 측면에는 성형부재가 균일한 두께로 압착가공되는 것을 확인할 수 있도록, 압력 게이지가 추가적으로 설치되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
9. 제 8 항에 있어서, 상기 상부 목적형태 금형부(20)의 상부에 설치된 가압수단은 가압력이 편중되지 않도록, 가압수단의 각 코너부에 보조 가압수단이 추가적으로 설치되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 g 단계의 냉각수단은 이중곡면으로 성형이 완료된 성형부재(M)를 냉각시키기 위하여 노즐을 이용한 수냉식 방식 또는 공냉식 방식 중에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
11. 제 10 항에 있어서, 이중곡면으로 성형된 성형부재(M)와 하부 목적형태 금형부(10)를 상부 목적형태 금형부(20)와 함께 냉각수단으로 이송시켜 동시에 냉각하는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 이중곡면으로 성형가공되는 성형부재(M)는 알루미늄 또는 인조대리석 또는 유리 또는 폴리카보네이트 또는 스테인레스 또는 스틸 중에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 비정형 건축물의 이중곡면 외부패널 제작을 위한 성형방법

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