KR101564571B1 - 피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법 - Google Patents

피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 면재와의 넓은 접착면을 갖는 피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 격자형 메쉬를 면 기반으로 성형하여 연속 및 대량 생산을 가능하도록 하고, 이와 같이 생산된 피라미드 트러스 구조체의 피라미드의 꼭지 부분을 상하로 연결함으로써 피라미드형 카고메 구조를 형성하며, 이를 통해 우수한 기계적 강성을 부여함과 동시에 상하 면재와의 넓은 접착면을 확보함으로써 접착이 용이하고 접착 후의 안정성이 우수하게 된다.
또한 기존 피라미드형 샌드위치 판재의 생산성 저하 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 폴리머 사출 공정을 통한 초기 메쉬형 평판재 대량 생산 및 롤링 공정을 통하여 연속 성형 공정을 제시하며, 카고메 구조를 제작시 성형공정과 접합 공정의 분리로 인한 제작 공정의 복잡함을 해결하고자 성형 공정과 접합공정이 동시에 진행하는 제작 공정을 제시한다.

Description

피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법{PYRAMIDAL KAGOME STRUCTURE AND ITS FABRICATING METHOD}
본 발명은 피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 면재와의 넓은 접착면을 갖는 피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 기존의 피라미드 형상의 경우, 중앙부재의 단면형상이 정사각형이나 원통형의 형상을 가짐으로 인해 접착면적이 판재형(단면형상이 직사각형)인 경우에 비해 적으며, 샌드위치 판재의 전단강도도 피라미드형상으로 제작시 동일한 단면적 대비 판재형(단면형상이 직사각형)인 것이 기존 정사각형이나 원통형에 비해 우수하게 나온다. 이에 우수한 전단강도와 접착면적을 가지는 샌드위치 판재를 제작하기 위한 형상을 제안하고 이를 대량 생산 및 효율적으로 생산할 수 있는 제작 공정을 제안한다.
최근 에너지 절감에 대한 필요성이 대두되면서 교통, 건축 등 주요 산업 분야에서 경량화 소재의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이중 주기적인 트러스구조를 이용한 샌드위치 판재는 소재의 경량화를 달성하는 데 있어 매우 유망한 소재로 평가되고 있으며, 정밀한 계산을 통해 높은 비강도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 우수한 기계적 물성을 가지면서 하니컴 등 폐쇄형 구조(closed cell)와는 달리 내부가 개방되어 공간을 유체의 통로나 열전달 공간, 전선 등의 외부 요소를 내장할 수 있는 공간으로 활용할 수 있는 이점이 있다.
발포 소재의 경우 액체 또는 반고체인 상태에서 내부에 기포를 발생시키거나 (폐쇄형), 스폰지와 같은 개방형 발포수지를 주형으로 주조하는 방법이 (개방형) 사용되고 있으나 발포 위치나 기공의 크기를 개별적으로 통제하는 것은 불가능하며 통계적인 접근만이 가능하여 기계적으로 설계된 역학 구조를 구현하기 어렵다.
도 1은 종래 등록 특허 10-1207472 호에서 제시한 피라미드 카코메 구조물 형상이며, 도 2는 종래 등록 특허 10-1158088 호의 사면체 다층 구조물이다. 도 2a는 단일 구조체를 동일방향으로 적층한 옥텟-트러스(octet-truss) 구조 형상, 도 2b는 역방향으로 적층하여 제작한 카고메 트러스 구조물 형상이다.
도 1에서와 같이 종래 특허(등록 번호 10-1207472)의 피라미드 카고메 구조는 대형 선박이나 대형 건축 구조물에 적용하기 위해 제안한 카고메 구조로써 내부 구조체를 상하 외판과 용접 및 다양한 접합 방법으로 결합하여 제작하며, 조립이 가능한 형태의 단위 구조체를 가지고 단위 구조체 배치영역을 제어하여 기계적 특성을 제어 할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 제작 시간이 오래 걸리고 대량 생산이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다.
도 2는 종래 특허(등록 번호 10-1158088)에서 제시한 사면체의 형상의 단위 구조체를 적층하여 구조적으로 가장 안전한 구조 중 하나인 옥텟-트러스 구조와 카고메 구조를 형성할 수 있다는 것을 보여 준다. 도 2a는 단일 구조체를 동일방향으로 적층한 옥텟-트러스 구조 형상이고, 도 2b는 역방향으로 적층하여 제작한 카고메 트러스 구조물 형상이다. 이를 통해 무게 대비 강성 및 강도가 높은 구조를 제작할 수 있는 장점을 가진다. 또한 금속 스트립(strip)을 성형한 후 적층하여 결합함으로써 소재의 손실 없이 구조 형상을 제작할 수 있다는 장점을 가지지만, 단위 형상 구조가 복잡한 사면체의 일부로써 성형 금형 제작시 어려움이 있다는 점과 접합시 3개의 단위 스트립(strip) 소재가 적층하여 결합해야 됨으로써 제작이 용이하지 않다는 것을 알 수 있다.
한편, 대한민국 공개특허 10-2006-0130539, 10-2009-0092152 등에서 제시되는 기존의 카고메 구조의 경우 금속 와이어를 직조하여 구조를 제작하므로 자동화가 어렵고 생산 속도가 느린 단점이 있다. 또한 와이어의 단면이 접착면으로 이용되므로 면재와의 결합이 용이하지 못하며, 넓은 접촉 면적을 확보하고자 하는 경우 중간 재료의 삽입 등 추가적인 공정이 요구되는 문제점이 있다.
KR 10-1207472 B1 KR 10-1158088 B1 KR 10-2006-0130539 A KR 10-2009-0092152 A
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 격자형 메쉬를 면 기반으로 성형하여 연속 및 대량 생산을 가능하도록 하고, 이와 같이 생산된 피라미드 트러스 구조체의 피라미드의 꼭지 부분을 상하로 연결함으로써 피라미드형 카고메 구조를 형성하며, 이를 통해 우수한 기계적 강성을 부여함과 동시에 상하 면재와의 넓은 접착면을 확보함으로써 접착이 용이하고 접착 후의 안정성이 우수하도록 하는데 그 목적이 있다.
또한 기존 피라미드형 샌드위치 판재의 생산성 저하 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 폴리머 사출 공정을 통한 초기 메쉬형 평판재 대량 생산 및 롤링 공정을 통하여 연속 성형 공정을 제시하며, 카고메 구조를 제작시 성형공정과 접합 공정의 분리로 인한 제작 공정의 복잡함을 해결하고자 성형 공정과 접합공정이 동시에 진행하는 제작 공정을 제시하는데 다른 목적이 있다.
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본 발명의 다른 측면에 따르면, 밑면이 다각형 형상을 가지는 뿔 형태(이하 '피라미드 형' 또는 '피라미드 형상'이라 한다)의 카고메 구조물의 제작방법은, (a) 평면 형상의 소재에, 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리를 수행하는 단계; (b) 상기 평면 형상의 소재를 다수의 피라미드 형상으로 성형하여 제1 피라미드 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 단계(a) 및 단계(b)의 방법으로 제2 피라미드 구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체에서, 각 피라미드 형상의 꼭지 부분을 서로 접합시키는 단계를 포함하고, 상기 단계(a)에서 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리가 수행된 평면 형상의 소재(이하 '예비처리 평판재'라 한다)에, 상기 단계(b) 및 단계(c)에서 상기 제1 피라미드 구조체 및 상기 제2 피라미드 구조체를 형성하는 방법은, (bc1) 피라미드 형상으로의 성형을 위한 상부 금형과 피라미드 형상으로의 성형을 위한 중앙 금형 사이 공간에 제1 피라미드 구조체 형성을 위한 제1 예비처리 평판재를 위치시키는 단계; (bc2) 상기 중앙 금형과 피라미드 형상으로의 성형을 위한 하부 금형 사이 공간에 제2 피라미드 구조체 형성을 위한 제2 예비처리 평판재를 위치시키는 단계; (bc3) 상기 상부 금형은, 상기 중앙 금형 방향으로 상기 제1 예비처리 평판재에 압력을 가하여 제1 피라미드 구조체를 형성하고, 이와 동시에 상기 하부 금형은, 상기 중앙 금형 방향으로 상기 제2 예비처리 평판재에 압력을 가하여 제2 피라미드 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 단계(d)는, 상기 단계(bc3)에서 동시 성형을 통해 형성된 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분을 즉시 서로 접합시킴으로써 이루어진다.
상기 단계(a)의 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리는, 평판재에 다수의 격자형 메쉬를 형성하거나, 또는 평판재에 슬릿팅이나 절단으로 피라미드 형상으로의 성형가이드 라인을 형성하는 것일 수 있다.
상기 제1 피라미드 구조체 및 상기 제2 피라미드 구조체는, 피라미드 형상으로 절곡 성형된 부분 및, 면재와의 접촉을 위해 절곡 성형되지 않은 면을 구비할 수 있다.
상기 단계(d) 이후, (e) 상기 제1 피라미드 구조체와 제2 피라미드 구조체의 접합된 구조물(이하 '접합 구조물'이라 한다)을 하나 이상 더 형성하는 단계; 및 (f) 상기 형성된 2 이상의 접합 구조물을 2층 이상으로 접합하여 다층의 구조물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(d) 이후, 상기 제1 피라미드 구조체의 바닥면 및 상기 제2 피라미드 구조체의 바닥면에, 면재를 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 피라미드 형상의 밑면을 이루는 다각형 형상은, 삼각형, 사각형, 오각형 및 육각형 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 피라미드 구조체 또는 상기 제2 피라미드 구조체에서, 상기 다수의 피라미드 형상은, 뿔 부분이 밑면을 기준으로 모두 같은 방향으로 돌출되도록 형성되거나, 또는, 밑면의 변이 서로 인접한 피라미드 형상의 뿔 부분이, 밑면을 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다.
상기 단계(a)에서 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리가 수행된 평면 형상의 소재에, 상기 단계(b) 또는 단계(c)에서 상기 제1 피라미드 구조체 또는 상기 제2 피라미드 구조체를 형성하는 방법은, 피라미드 성형을 위한 금형의 역할을 하는 롤러로 하여금 상기 격자형 메쉬에 일정한 방향으로 압력을 가해나감으로써 이루어지는 것일 수 있다.
상기 단계(bc3)에서 동시 성형을 통해 형성된 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분에 대하여, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 각각에 포함된 열원 장치에 의해 열이 가해짐으로써 상기 맞닿은 꼭지 부분이 서로 접합되는 것일 수 있다.
상기 단계(bc3)에서 동시 성형을 통해 형성된 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분에 대하여, 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 각각에 의하여 기계적 결합 방법으로 상기 맞닿은 꼭지 부분이 서로 접합되는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 격자형 메쉬를 면 기반으로 성형하여 연속 및 대량 생산을 가능하도록 하고, 이와 같이 생산된 피라미드 트러스 구조체의 피라미드의 꼭지 부분을 상하로 연결함으로써 피라미드형 카고메 구조를 형성하며, 이를 통해 우수한 기계적 강성을 부여함과 동시에 상하 면재와의 넓은 접착면을 확보함으로써 접착이 용이하고 접착 후의 안정성이 우수하게 되는 효과가 있다. 또한 동일 단면적으로 기존 정사각형 및 원형을 가지는 기존의 피라미드 형상보다 우수한 전단강도를 가진다.
또한 기존 피라미드형 샌드위치 판재의 생산성 저하 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 폴리머 사출 공정을 통한 초기 메쉬형 평판재 대량 생산 및 롤링 공정을 통하여 연속 성형 공정을 제시하며, 카고메 구조를 제작시 성형공정과 접합 공정의 분리로 인한 제작 공정의 복잡함을 해결하고자 성형 공정과 접합공정이 동시에 진행하는 제작 공정을 제시하는 효과가 있다.
도 1은 종래 피라미드 카코메 구조물 형상을 도시한 도면.
도 2는 종래 사면체 다층 구조물을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른, 판재를 이용하여 제작한 피라미드형 단위 트러스 모듈 형상을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른, 제시된 피라미드형 카고메 트러스를 양산하는 방법의 한 예로써 롤러를 이용한 메쉬 성형 공정의 일 실시예를 도시한 도면.
도 5는 단위 메쉬 형상으로부터 피라미드형 카고메 구조체가 제작되는 과정을 도식적으로 나타낸 도면.
도 6은 도 5에서 제시되는 방법을 이용하여 피라미드 트러스 구조체 모듈을 제작하는 방법을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 피라미드 카고메 어레이 구조물을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에서 제안한 방법으로 샌드위치 판재를 제작 시, 내부 지지부재의 단면형상을 성형하여 구조의 기계적 강도를 증가시킨 단위 구조 형상을 나타내는 도면.
도 9는 메쉬 형상의 평판재가 아닌 단일 평판재(슬릿팅이나 절단으로 성형가이드 라인이 형성된 소재)를 롤 성형하여 연속적으로 단위구조체를 제작하는 개념도.
도 10은 2개의 피라미드 구조체의 성형 및 접합을 동시에 수행하기 위한 금형 장치 구조 및 이에 설치되는 격자형 메쉬 평판재를 도시한 도면.
도 11은 도 10의 금형 장치를 이용하여 2개의 격자형 메쉬 평판재를 피라미드 구조체로 성형하고 접합하는 과정을 설명하기 위한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3 내지 도 9에 도시된 도면은, 편의상 밑면이 사각형인 피라미드 형상을 그 실시예로서 도시하였다. 그러나 본 발명의 피라미드 형상은 밑면이 사각형에 한정되는 것은 아니며, 삼각형, 오각형, 육각형 등의 밑면 형상을 가질 수도 있다. 또한 이에 따라 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명하는 이하의 설명에서도, '피라미드 형상'이라 표현된 경우에 밑면이 사각형인 경우만을 한정하는 것이 아니며, 밑면이 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형 형상을 가지는 뿔 형태의 형상을 통칭하여 편의상 '피라미드 형상'이라 칭하기로 한다. 즉, 본 발명의 '피라미드 형 카고메 구조물'은, 그 밑면 형상이 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형 형상을 가지는 뿔 형태의 형상, 즉, 피라미드 형상의 카고메 구조물을 의미하는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른, 판재를 이용하여 제작한 피라미드형 단위 트러스 모듈 형상을 도시한 도면이다.
도 3a와 3b는 성형 전의 격자형 폴리머 메쉬(mesh)(31)와 그 폴리머 메쉬(31)를 피라미드 형태로 성형하기 위한 금형(32)을 나타내며, 도 3c는 금형의 면을 따라 피라미드 형태로 성형된 카고메 트러스 구조체(11)를 나타낸다. 격자형 메쉬(31)는 블랭킹, 압출 등의 공정으로 형성될 수 있다.
연성 소재 및 열가소성 소재를 이용하여 소재로 구성된 격자형 메쉬(31)의 격자점에 프레스 또는 롤러 등의 수단을 이용하여 압력 및 열을 가함으로써 절곡 구조를 형성하여 피라미드형 트러스 구조를 제작한다. 피라미드형 트러스 구조를 제작하는 데 있어, 격자점을 하나씩 걸러 절곡 구조를 형성한다. 즉 도면을 참조하면, 격자형 메쉬(31)에서 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째 등 가로 홀수 번째 격자선(33) 및 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째 등 세로 홀수 번째 격자선(34)은 성형되지 않은 채로 평평한 메쉬 구조, 즉 바닥면을 형성한다(100). 두 번째, 네 번째 등 가로 짝수 번째 격자선(35) 및 두 번째, 네 번째 등 세로 짝수 번째 격자선(36)은 성형되어 피라미드형 트러스 구조의 멤버를 형성하게 된다(100). 이를 통해 평평한 메쉬 구조, 즉 바닥면의 면적이 넓게 됨으로써, 외판재와의 접착 면적을 넓혀 전단에 강한 샌드위치 판재를 제작하게 된다.
성형되지 않은 홀수 번째 격자선(33,34)은 기존 격자형 메쉬(31)의 평면 위에 있으며, 샌드위치 판재의 제작 시 면재(미도시)와의 접착면으로 작용한다. 이에 따라 일반적인 피라미드 트러스의 꼭지 부분(37)과는 달리 면재와의 넓은 접착 면적을 확보할 수 있어 접착이 용이하고 접착 후의 안정성이 우수하다.
피라미드 트러스의 소재로써 경량화 금속 소재, 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic), 섬유강화 복합 재료 등을 활용함으로써 더욱 높은 강도를 달성할 수 있으며, 면판의 소재로서 금속이나 합판 등 목재류, 섬유강화 복합재료 등의 균질판, 혹은 내부가 비어있거나 격자형 중간층을 가진 샌드위치 판재를 쓸 수 있다.
이러한 피라미드형 단위 트러스 모듈 형상에서 다수의 피라미드 형상은, 도 3a, 3b, 3c에 도시된 바와 같이 뿔 부분이 밑면을 기준으로 모두 같은 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다.
그러나 도 3d에서와 같이, 밑면의 변이 서로 인접한 피라미드 형상의 뿔 부분이, 밑면을 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출되도록 형성될 수도 있다. 즉, 도 3d의 그림은, 밑면이 사각형인 피라미드 형상으로서 뿔 부분이 앞으로 돌출한 피라미드 형상을 파란색, 뿔 부분이 뒤로 돌출한 피라미드 형상을 흰색으로 간략히 표현한 것이다. 물론 전술한 바와 같이 피라미드 형상의 밑면의 모양은 사각형으로 한정되는 것이 아니며, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등 다양한 다각형이 될 수 있다.
도 4는 이와 같은 도 3의 피라미드형 카고메 구조체(100)를 양산하는 방법의 한 예로써 롤러를 이용한 메쉬 성형 공정의 일 실시예를 도시한 도면이다. 즉 격자형 메쉬(42, 도 3의 31)에 대하여 피라미드 성형을 하기 위한 금형(도 3의 32)의 역할을 하는 롤러(41)가 화살표 방향(44)으로 격자형 메쉬(42)에 압력을 가해 나감으로써 피라미드 형상으로 성형된 피라미드형 카고메 구조체(43, 도 3의 100)을 형성해 나가는 것이다.
도 5는 한 쌍의 단위 격자형 메쉬 형상(51)으로부터 접합된 피라미드형 카고메 구조체(52)가 제작되는 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
제작된 한 쌍의 피라미드 트러스(51)의 꼭지 부분을 상하로 접착(54)하여 대칭적인 구조를 형성하는 동시에 상하부 면재(미도시)와의 접촉면 모두에 넓은 접착 면적(55)을 확보한다.
도 6은 도 5에서 제시되는 방법을 이용하여 피라미드 트러스 구조체 모듈을 제작하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6a는 두 개의 피라미드형 트러스 어레이를 화살표 방향으로 맞붙여서 피라미드형 카고메 구조체를 제작하는 것을 나타내며, 도 6b는 이렇게 제작된 피라미드형 카고메 구조체의 단위 형상을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 피라미드 카고메 어레이 구조물을 나타내는 도면이다.
도 7a는 도 6과 같이 제작된 피라미드 카고메 어레이를 나타내며, 도 7b는 이러한 어레이가 여러 층으로 적층되어 형성된 구조물이다.
피라미드 카고메 어레이 구조물은 열린 구조를 가지므로 중간층 트러스 사이의 빈 공간을 유체의 통로, 저장, 열전달, 배선 등의 용도로 활용할 수 있다. 예를 들어 내부의 빈 공간을 합성수지나 콘크리트 등 고체로 채워 트러스의 좌굴을 억제함으로써 강도를 높이거나, 기능재를 충진함으로써 차음 성능과 단열 성능을 높이는 등의 강화가 가능하다.
또한 단일층 피라미드 구조는 재료의 성형성 등에 의한 제약으로 높은 종횡비를 갖도록 성형하는 데 한계가 있지만 복수 개의 피라미드 카고메 어레이로 이루어진 코어는 이러한 제약을 극복하고 쉽게 적층이 가능하여 높은 굽힘 강성을 갖는 구조의 제작이 가능하다.
일반적으로 샌드위치 판재는 단면의 2차 관성모멘트(second moment of inertia)가 매우 큰 샌드위치 구조로서 상/하부의 면판에 걸리는 인장과 압축으로 굽힘 모멘트의 대부분을 지지하고 중간층은 이상적인 3차원 트러스로 전단력만을 담당하기 때문에 높은 비강도와 비강성을 가지므로 같은 하중을 받는 다른 구조물에 비하여 매우 가볍다. 따라서 상하부 외판재의 거리가 멀어질수록 샌드위치 판재의 2차 관성모멘트가 커지므로 외판재 사이에 삽입되는 코어의 높이를 증가시키는 것이 구조 강성 개선 및 경량화에 유리하다.
도 8은 본 발명에서 제안한 방법으로 샌드위치 판재를 제작 시, 내부 지지부재의 단면형상을 성형하여 구조의 기계적 강도를 증가시킨 단위 구조 형상을 나타내는 도면이다.
도 8a, 8b, 8c 각각에서 점선의 박스 내에 도시한 성형된 단면 형상은, 화살표(81) 방향으로 바라본 방향의 형상을 나타낸다.
도 9는 메쉬 형상의 평판재가 아닌 단일 평판재, 즉 슬릿팅(91)이나 절단으로 성형가이드 라인이 형성된 소재를 롤 성형하여 연속적으로 단위구조체를 제작하는 개념도이다.
도 9a는 롤 성형 전 단일 평판재의 형상이며, 도 9b는 롤 성형 후 단위 구조체를 나타낸다. 이와 같은 성형 방법의 일 실시예로서 도 4와 같이 롤러를 사용할 수도 있으며, 이와 같은 도 9b의 구조물도 도 5 및 도 6과 같이 꼭지 부분을 접합한 형태로 구성할 수 있고, 도 7b와 같이 적층 구조로 형성할 수도 있다.
도 9b의 구조물도, 격자형 메쉬가 아닌 단일 평판재를 성형한 것이지만, 성형 형태에서 역시 피라미드 형 구조물이라 할 수 있다. 도 9b의 구조물의 경우, 메쉬형이 아닌 슬릿팅 형태로 하여 소비되는 소재를 줄이면서, 기존 피라미드 중간부재 이외의 슬릿팅 후 남은 소재가 부재에 추가되어 메쉬형에 비해 단위구조체의 내부 면적을 넓혀서 피라미드 구조 강도가 증가하는 효과를 보여준다.
도 10은 2개의 피라미드 구조체의 성형 및 접합을 동시에 수행하기 위한 금형 장치 구조 및 이에 설치되는 격자형 메쉬 평판재를 도시한 도면이고, 도 11은 도 10의 금형 장치를 이용하여 2개의 격자형 메쉬 평판재(103,105)를 피라미드 구조체로 성형하고 접합하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 도면에서는 피라미드 구조체의 성형을 위하여 예비처리된 평판재로서 격자형 메쉬를 이용한 실시예를 도시하였으나, 이외에도 평판재에 슬릿팅이나 절단으로 피라미드 형상으로의 성형가이드 라인을 형성한 소재 등 다양한 형태의 소재가 사용될 수 있다. 이와 같이 피라미드 구조체의 성형을 위하여 다양한 형태로 예비처리된 평판재를 통칭하여 이하에서는 '예비처리 평판재(103,105)'라 칭하기로 한다
이와 같은 예비처리 평판재(103,105)에, 제1 피라미드 구조체, 제2 피라미드 구조체를 형성하는 방법에는, 도 4를 통하여 예시한 바와 같이, 피라미드 성형을 위한 금형의 역할을 하는 롤러로 하여금 상기 격자형 메쉬에 일정한 방향으로 압력을 가해나가는 방법이 있다.
본 도면(도 10, 도 11)에서는 예비처리 평판재(103,105)에, 금형 장치를 이용하여 동시에 성형 및 접합이 이루어지게 하는 실시예를 도시하였다.
즉, 피라미드 형상으로의 성형을 위한 상부 금형(101)과 피라미드 형상으로의 성형을 위한 중앙 금형(104) 사이 공간에 제1 피라미드 구조체 형성을 위한 제1 예비처리 평판재(103)를 위치시키고, 또한 상기 중앙 금형(104)과 피라미드 형상으로의 성형을 위한 하부 금형(106) 사이 공간에 제2 피라미드 구조체 형성을 위한 제2 예비처리 평판재(105)를 위치시킨다. 상기 상부 금형(101) 및 하부 금형(106)은 각각 제1 예비처리 평판재(103) 및 제2 예비처리 평판재(105)에 압력을 가한다. 즉, 상기 상부 금형(101)은, 상기 중앙 금형(104) 방향으로 상기 제1 예비처리 평판재(103)에 압력을 가하여 제1 피라미드 구조체를 형성하고, 이와 동시에 상기 하부 금형(106)은, 상기 중앙 금형(104) 방향으로 상기 제2 예비처리 평판재(105)에 압력을 가하여 제2 피라미드 구조체를 형성하게 된다. 도 10의 10(a)와 도 11의 윗 도면(1101)은 압력을 가하기 전 배치상태를 도시한 도면이고, 도 10의 10(b)와 도 11의 아랫 도면(1102)은 압력을 가하여 압착된 상태를 도시한 도면이다.
이와 같이 압착됨으로써 동시 성형을 통해 형성된 제1 피라미드 구조체와 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분을, 압착된 상태에서 즉시 서로 접합시킨다. 접합시키는 방법에는 열원을 이용하는 방법과 기계적인 접합 방법이 있다.
열원을 이용하는 경우에는 도시된 바와 같이 상부 금형(101) 및 하부 금형(106)에, 열을 가하는 열원 장치(102)를 구비할 수 있다. 이러한 열원 장치에는 일 실시예로서 유도가열기를 이용한 국부적인 열을 가해주는 장치 또는 마찰열을 발생시키는 초음파 가진자를 구비한 열원 장치에 의해 열이 가해짐으로써 상기 맞닿은 꼭지 부분이 서로 접합되게 된다.
기계적인 접합 방법에는 일 실시예로서 클린칭(Clinching)또는 리벳을 이용하여 제1 피라미드 구조체와 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분을 결합시키는 방법이 있다.
예를 들면, 폴리머의 경우에는 열 및 초음파 가진을 통해 접합을 함으로써, 금속의 경우 기계적인 접합 방법인 클린칭(clinching)또는 리벳을 이용함으로써 성형과 접합을 동시에 하는 것이 바람직할 수 있으나, 반드시 그와 같이 제한되지는 않는다.
도 10 및 도 11의 우측 하단 도면(107)은, 전술한 바와 같은 방법으로 제1 예비처리 평판재(103)가 피라미드 성형된 제1 피라미드 구조체 및, 제2 예비처리 평판재(105)가 피라미드 성형된 제2 피라미드 구조체가 그 피라미드 형상의 꼭지 부분에서 접합된 형태를 나타낸다.
31: 성형 전의 폴리머 메쉬 2 x 2 어레이
32: 폴리머 메쉬 성형용 주형
33: 격자형 메쉬의 비성형 가로 격자선
34: 격자형 메쉬의 비성형 세로 격자선
35: 격자형 메쉬의 피라미드 형으로 성형되는 가로 격자선
36: 격자형 메쉬의 피라미드 형으로 성형되는 세로 격자선
37: 성형된 피라미드 트러스의 꼭지 부분
100: 성형된 피라미드 트러스 2 x 2 어레이
41: 폴리머 메쉬 성형 롤러
42: 성형 전의대면적 폴리머 메쉬
43: 성형된 대면적 피라미드 트러스 어레이
44: 폴리머 메쉬 성형 롤러의 진행방향
51: 성형 전의 폴리머 메쉬 단위체
52: 피라미드 형으로의 성형 후 접합된 피라미드 카고메 단위체
53: 폴리머 메쉬 단위체의 피라미드 형으로의 절곡 방향
54: 접합된 두개의 피라미드 트러스의 꼭지 부분
55: 피라미드 트러스에서 상하부 면재와의 접착면
91: 피라미드 형상으로의 성형을 위한 단일 평판재의 슬릿팅
101: 상부 금형
102: 국부 열원 장치
103: 제1 예비처리 평판재
104: 중앙 금형
105: 제2 예비처리 평판재
106: 하부 금형
107: 제1 피라미드 구조체 및 제2 피라미드 구조체의 접합된 형태

Claims (19)

  1. 삭제
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  9. 밑면이 다각형 형상을 가지는 뿔 형태(이하 '피라미드 형' 또는 '피라미드 형상'이라 한다)의 카고메 구조물의 제작방법으로서,
    (a) 평면 형상의 소재에, 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리를 수행하는 단계;
    (b) 상기 평면 형상의 소재를 다수의 피라미드 형상으로 성형하여 제1 피라미드 구조체를 형성하는 단계;
    (c) 상기 단계(a) 및 단계(b)의 방법으로 제2 피라미드 구조체를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체에서, 각 피라미드 형상의 꼭지 부분을 서로 접합시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계(a)에서 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리가 수행된 평면 형상의 소재(이하 '예비처리 평판재'라 한다)에, 상기 단계(b) 및 단계(c)에서 상기 제1 피라미드 구조체 및 상기 제2 피라미드 구조체를 형성하는 방법은,
    (bc1) 피라미드 형상으로의 성형을 위한 상부 금형과 피라미드 형상으로의 성형을 위한 중앙 금형 사이 공간에 제1 피라미드 구조체 형성을 위한 제1 예비처리 평판재를 위치시키는 단계;
    (bc2) 상기 중앙 금형과 피라미드 형상으로의 성형을 위한 하부 금형 사이 공간에 제2 피라미드 구조체 형성을 위한 제2 예비처리 평판재를 위치시키는 단계;
    (bc3) 상기 상부 금형은, 상기 중앙 금형 방향으로 상기 제1 예비처리 평판재에 압력을 가하여 제1 피라미드 구조체를 형성하고, 이와 동시에 상기 하부 금형은, 상기 중앙 금형 방향으로 상기 제2 예비처리 평판재에 압력을 가하여 제2 피라미드 구조체를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 단계(d)는,
    상기 단계(bc3)에서 동시 성형을 통해 형성된 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분을 즉시 서로 접합시키는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(a)의 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리는,
    평판재에 다수의 격자형 메쉬를 형성하거나, 또는
    평판재에 슬릿팅이나 절단으로 피라미드 형상으로의 성형가이드 라인을 형성하는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 피라미드 구조체 및 상기 제2 피라미드 구조체는,
    피라미드 형상으로 절곡 성형된 부분 및, 면재와의 접촉을 위해 절곡 성형되지 않은 면을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(d) 이후,
    (e) 상기 제1 피라미드 구조체와 제2 피라미드 구조체의 접합된 구조물(이하 '접합 구조물'이라 한다)을 하나 이상 더 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 형성된 2 이상의 접합 구조물을 2층 이상으로 접합하여 다층의 구조물을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(d) 이후,
    상기 제1 피라미드 구조체의 바닥면 및 상기 제2 피라미드 구조체의 바닥면에, 면재를 접합하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 피라미드 형상의 밑면을 이루는 다각형 형상은,
    삼각형, 사각형, 오각형 및 육각형 중 어느 하나인 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 피라미드 구조체 또는 상기 제2 피라미드 구조체에서,
    상기 다수의 피라미드 형상은, 뿔 부분이 밑면을 기준으로 모두 같은 방향으로 돌출되도록 형성되거나, 또는,
    밑면의 변이 서로 인접한 피라미드 형상의 뿔 부분이, 밑면을 기준으로 서로 반대 방향으로 돌출되도록 형성되는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(a)에서 피라미드 형상으로의 성형을 위한 처리가 수행된 평면 형상의 소재에, 상기 단계(b) 또는 단계(c)에서 상기 제1 피라미드 구조체 또는 상기 제2 피라미드 구조체를 형성하는 방법은,
    피라미드 성형을 위한 금형의 역할을 하는 롤러로 하여금 상기 격자형 메쉬에 일정한 방향으로 압력을 가해나감으로써 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  17. 삭제
  18. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(bc3)에서 동시 성형을 통해 형성된 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분에 대하여,
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 각각에 포함된 열원 장치에 의해 열이 가해짐으로써 상기 맞닿은 꼭지 부분이 서로 접합되는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
  19. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계(bc3)에서 동시 성형을 통해 형성된 상기 제1 피라미드 구조체와 상기 제2 피라미드 구조체의 각 피라미드 형상이 맞닿은 꼭지 부분에 대하여,
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형 각각에 의하여 기계적 결합 방법으로 상기 맞닿은 꼭지 부분이 서로 접합되는 것
    을 특징으로 하는 피라미드 형 카고메 구조물의 제작방법.
KR1020140087775A 2013-07-11 2014-07-11 피라미드형 카고메 구조체 및 그 제작 방법 KR101564571B1 (ko)

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