KR101888335B1 - 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치 및 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치와 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법에 관한 것으로 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 특수한 형태의 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치 및 이를 이용한 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법을 제공함으로써, 3D 형상의 입면 패턴이 구현된 다양한 형태의 고품질 비정형 콘크리트 내외장재를 편리하게 제작하는 등 비정형 건축에서 요구되는 다양한 디자인을 경제적으로 구현하여 비정형 건축발전에 크게 기여할 수 있도록 하여 주고자 함에 그 목적을 둔 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치는 기본적으로 상하로 이동가능한 다수개의 액츄에이터(110)를 구비하여 액츄에이터(110) 상면에 놓여진 멤브레인시트(10)를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는 멀티포인트머신(100)과,
상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 멤브레인시트(10) 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료(20)를 적층하는 3D프린터(200)와,
상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 3D프린터(200)에 의해 멤브레인시트(10) 상면에 적층된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드(30)를 완성하기 위한 CNC 밀링머신(300)과,
상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 CNC 밀링머신(300)으로 정밀가공되어 설계된 3차원 형상의 입면패턴을 완성한 몰드(30) 내부로 콘크리트(40)를 분사하여 충전시켜주는 콘크리트타설장치(400)를 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있는 것이다.
그러는 한편, 본 발명의 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법은 기본적으로 비정형 콘크리트 내외장재를 제작함에 있어서,
멀티포인트머신(100)에 구비된 다수개의 액츄에이터(110) 상면에 멤브레인시트(10)를 안착시킨 후 액츄에이터(110)를 상하로 이동시켜 멤브레인시트(10)를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는 단계(A)와;
상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치된 3D프린터(200)를 이용하여 비정형 형태로 변형된 멤브레인시트(10) 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료(20)를 적층하는 단계(B)와;
상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치된 CNC 밀링머신(300)을 이용하여 3D프린터(200)에 의해 멤브레인시트(10) 상면에 적층된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드(30)를 완성하는 단계(C)와;
상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치된 콘크리트타설장치(400)를 이용하여 CNC 밀링머신(300)에 의해 정밀가공되어 설계된 3차원 형상의 입면패턴을 완성한 몰드(30) 내부로 콘크리트(40)를 분사하여 충전한 다음 양생시키는 단계(D)와;
상기 몰드(30) 내부에 충진된 콘크리트(40)가 양생되면 몰드(30)로 부터 분리시켜 3차원 형상의 입면패턴이 완성한 비정형 콘크리트 내외장재(50)를 얻는 단계(E)를 포함하여 제조됨을 특징으로 한다.

Description

비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치 및 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법{Robotic-based Fusion Shape Molding Mold Production Equipment for Production of Small Amounts of Irregular Internal and External Materials and Mold Making Process for Irregular Internal and External Materials}

본 발명은 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치와 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비정형 건축에서 요구되는 다양한 디자인을 경제적으로 구현할 수 있도록 특수한 형태로 제작되는 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작시스템 및 이를 이용한 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법에 관한 것이다.

최근에는 건축물의 상징성에 따른 수요와 기술력의 발전으로 설계자 및 발주자의 예술적 창작요구에 따른 다양한 디자인의 비정형 건축물이 점점 많아 지고 있는 추세이다.

비정형 건축물이란 직육면체 형태에서 벗어나 기울어지거나 휘어지는 등 다양한 형상 및 곡률을 갖는 곡면으로 이루어진 건축물을 말한다.

그런데 비정형 건축물의 경우 다양한 형상 및 곡률을 갖는 내외장재를 제작하기 위해서는 서로 다른 형상의 거푸집을 매번 새로 제작해야 하기 때문에, 거푸집 제작 시간이 많이 소요되고 제작 비용도 많이 드는 문제점이 있다.

이에 비정형 내외장재를 제작하는 방법에 대해 살펴본다.

먼저, 도 1과 같이 멀티플 포스트 프레스 성형기(Multiple Post Press Machine)를 사용하는 경우에는 성형이 가능한 재료가 연신율이 높아야 하므로 알루미늄, 징크, 황동과 같은 금속재료로 한정되는 것은 물론, 콘크리트와 같은 재료를 이용한 성형은 불가하며,

금속재료의 특성상 3차원 형상의 입면 패턴 가공을 하기 위해서는 초고가의 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

그리고 도 2와 같이 우드 폼(Wooden from)을 사용하는 경우에는 2방향 곡면의 경우 단면 형상을 구현하기 위해 CNC 가공이 들어가고, 단면 형상위에 붙일 곡면 합판은 목수의 수작업으로 붙여야 하며, 타카핀(shuttering)등의 사용으로 표면품질이 낮아지며,

3차원 형상의 입면 패턴은 합판을 수작업해야 하므로 대규모 공사의 다양한 패턴제작은 사실상 불가 하며, 거푸집 제작기간이 길어지는 문제점이 있었다.

그리고, 도 3과 같이 스틸 폼(Steel Form)을 사용하는 경우에는 2방향 곡면의 스틸 성형은 초고가이며, 모듈 형상의 경우 전용성이 좋다는 장점이 있지만 모듈화 되지 않는 비정형 공사에서는 공사비가 기하급수적으로 증가되는 관계로 적정공사비 책정이 어려우며, 3차원 형상의 입면 패턴은 스틸을 성형해야 하기 때문에 거의 불가능하며, 이또한 거푸집 제작기간이 길어지는 문제점이 있었다.

또한, 도 4와 같이 CNC 밀링(CNC Milling)을 사용하는 경우에는 EPS폼을 CNC 밀링 할 경우 가공속도는 빠르나 폐기물이 상당량 발생하며, 패널의 종류가 4000장일 경우 4000개의 몰드를 깍아내야 하며, 몰드를 보관하지 못할 경우 몰드자체가 폐기물이 되며, 유지보수를 위해 재사용을 하려면 다시 제작해야 하여야 문제점이 있었다.

또한, 도 5와 같이 3D Prining을 사용하는 경우에는 가장 문제점은 적층 제조의 가장 근본적인 한계인 단층현상이 발생하며, 실지로 한층의 높이가 낮을수록 표면품질은 좋아지기는 하나 한층의 적층높이가 낮을수록 더 많은 층을 적층하여야 하므로 가공시간은 그만큼 더 소요되기 때문에 온전히 3D프린팅을 이용하여 서로 다른 형상의 거푸집을 대량으로 가공하기 위해서는 시간과 품질 중 하나는 포기하여야 하는 문제점이 있었다.

그러는 한편, 도 6과 같이 플렉시블 몰드(Flexible Mould)를 사용하는 경우에는 이는 단순히 프리폼(Freeform) 곡면 형상의 구현은 가능하나 3D형상의 입면 패턴이나 브라켓홈 디테일 가공은 불가능한 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반문제점을 감안하여 안출한 것으로,

비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 특수한 형태의 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치 및 이를 이용한 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법을 제공함으로써,

3D 형상의 입면 패턴이 구현된 다양한 형태의 고품질 비정형 콘크리트 내외장재를 편리하게 제작하는 등 비정형 건축에서 요구되는 다양한 디자인을 경제적으로 구현하여 비정형 건축발전에 크게 기여할 수 있도록 하여 주고자 함에 그 목적을 둔 것이다.

상기 해결하고자 하는 과제에 기재된 목적을 달성하기 위한 수단인 본 발명의 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치는 기본적으로 상하로 이동가능한 다수개의 액츄에이터를 구비하여 액츄에이터 상면에 놓여진 멤브레인시트를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는 멀티포인트머신과,

상기 멀티포인트머신의 일측에 설치되어 멤브레인시트 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료를 적층하는 3D프린터와,

상기 멀티포인트머신의 일측에 설치되어 3D프린터에 의해 멤브레인시트 상면에 적층된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드를 완성하기 위한 CNC 밀링머신과,

상기 멀티포인트머신의 일측에 설치되어 CNC 밀링머신으로 정밀가공되어 설계된 3차원 형상의 입면패턴을 완성한 몰드 내부로 콘크리트를 분사하여 충전시켜주는 콘크리트타설장치를 포함하여 이루어진다.

그러는 한편, 본 발명의 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작방법은 기본적으로 멀티포인트머신에 구비된 다수개의 액츄에이터 상면에 멤브레인시트를 안착시킨 후 액츄에이터를 상하로 이동시켜 멤브레인시트를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는 단계(A)와;

상기 멀티포인트머신의 일측에 설치된 3D프린터를 이용하여 비정형 형태로 변형된 멤브레인시트 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료를 적층하는 단계(B)와;

상기 멀티포인트머신의 일측에 설치된 CNC 밀링머신를 이용하여 3D프린터에 의해 멤브레인시트 상면에 적층된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드를 완성하는 단계(C)와;

상기 멀티포인트머신의 일측에 설치된 콘크리트타설장치를 이용하여 CNC 밀링머신에 의해 정밀가공되어 설계된 3차원 형상의 입면패턴을 완성한 몰드 내부로 콘크리트를 분사하여 충전한다음 양생시키는 단계(D)와;

상기 몰드 내부에 충진된 콘크리트가 양생되면 몰드로부터 콘크리트를 분리시켜 3차원 형상의 입면패턴이 완성한 비정형 콘크리트 내외장재를 얻는 단계(E)를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치 및 이 제작장치를 이용하는 본 발명의 비정형 내외장재 성형용 몰드 제작 방법은 기존의 제작 장치들 및 이들을 이용한 기존의 제작 방법들과는 달리 비정형 내외장재를 간편하고, 빠르며, 완벽하게 제작할 수 있어서 경제적이며 제조 공기를 혁신적으로 단축시킬 수 있다.

또한, 형상 구현 자유도가 매우 높고 표면조도가 좋다.

또한, 멤브레인시트와 3D프린팅 성형재료를 값싸고 재활용이 가능한 재료들을 사용하는 것이어서 재사용이 용이하고 폐기물 발생량이 적다.

또한, 단일장치를 이용하여 제작하는 것이어서 여러 장치를 개별구입할 필요가 없으므로 구입비용이 적게 든다.

그리고 무엇보다도 소량 다품종의 생산까지도 매우 용이하다.

따라서, 결과적으로 본 발명은 건축디자인의 한계를 극복할 수 있고, 건설 폐기물 감소로 환경파괴를 예방 할 수 있으며, 비정형 건축물의 품질을 향상시켜 주며, 제조공기의 단축과 비정형 내외장재의 유지보수 생산이 가능하며, 제조기술의 건축산업화를 꾀할 수 있는 등의 여러 가지 효과가 복합적으로 작용하는 것이어서 비정형 건축발전에 크게 기여할 수 있는 매우 획기적인 발명임이 분명하다.

도 1 내지 도 6은 종래 일반적인 비정형 내외장재를 제작하는 방법에 관한 것으로서,
도 1은 멀티플 포스트 프레스 성형기(Multiple Post Press Machine)를 사용하는 상태도.
도 2는 우드 폼(Wooden from)을 사용하는 상태도.
도 3은 스틸 폼(Steel Form)을 사용하는 상태도.
도 4는 CNC 밀링(CNC Milling)을 사용하는 상태도.
도 5는 3D Prining을 사용하는 상태도.
도 6은 플렉시블 몰드(Flexible Mould)를 사용하는 상태도.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치를 나타낸 도면으로서,
도 7은 사시도.
도 8은 측면도
도 9 내지 도 13은 본 발명의 제작장치의 사용 상태를 나타낸 도면으로서,
도 9는 멀티포인트머신을 이용하여 멤브레인시트를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는 단계를 보인 도면.
도 10은 3D프린터를 이용하여 멤브레인시트 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료를 적층하는 단계를 보인 도면.
도 11은 CNC 밀링머신을 이용하여 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 몰드를 완성하는 단계를 보인 도면.
도 12는 콘크리트타설장치를 이용하여 몰드 내부로 콘크리트를 분사하는 단계를 보인 도면.
도 13은 콘크리트 양생후 몰드로 부터 분리시켜 3차원 형상의 입면패턴이 완성한 비정형 콘크리트 내외장재를 얻는 단계를 보인 도면.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부도면 도 7 내지 도 13에 의거 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소 또는 공지 방법에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

본 발명의 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치는, 기본적으로 멀티포인트머신(100)과, 3D프린터(200)와, CNC 밀링머신(300)과, 콘크리트타설장치(400)를 복합적으로 연계설치하여 이루어진 것이다.

먼저 멀티포인트머신(100)은 이동가능한 다수개의 액츄에이터(110)를 구비하여 액츄에이터(110) 상면에 놓여진 멤브레인시트(10)를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는데 사용된다.

그리고 3D프린터(200)는 상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되는 것으로 멤브레인시트(10) 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 왁스와 같은 성형재료(20)를 적층하는데 사용된다.

또한, CNC 밀링머신(300)은 상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되는 것으로 3D프린터(200)를 이용하여 멤브레인시트(10) 상면에 성형된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드(30)를 완성하는데 사용된다.

그러는 한편, 콘크리트타설장치(400)는 상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 CNC 밀링머신(300)을 이용하여 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드(30) 내부로 콘크리트(40)를 분사하여 충전시켜주는데 사용되는 것이다.

이번에는 상기한 본 발명의 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치를 이용하여 비정형 내외장재 성형용 몰드를 제작하는 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 비정형 내외장재 성형용 몰드를 제작하는 방법은 단계(A) 내지 단계(E)를 포함하여 이루어진다.

먼저 단계(A)에서는 멀티포인트머신(100)에 구비된 다수개의 액츄에이터(110) 상면에 멤브레인시트(10)를 안착시킨 후 액츄에이터(110)를 상하로 이동시켜 멤브레인시트(10)를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주게 된다.(도 9 참조)

여기서 상기 멤브레인시트(10)는 상면에 적층되는 성형재료(20)의 종류에 따라 비교적 고온(약 50~70℃ 정도)에도 손상되지 않으며, 방수성능 및 신축성이 좋아 늘었다 줄었다를 반복할 수 있는 재질로서 예컨데 폴리프로필렌(Polypropylene) 또는 폴리우레탄(Plastics urethane) 계열로 이루어진 합성고분자 시트를 사용하는 것이 이상적이다.

그리고 상기 멤브레인시트(10) 상면에 먼저 평평한 왁스판을 설치하고 가열하여 멤브레인시트(10)와 동시에 성형할 수 있는 것은 물론, 또는 멤브레인시트(10)를 성형하고 왁스를 녹여 멤브레인시트(10) 상면에 적당히 펴발라서 형성시켜줄 수도 있다.

그리고 단계(B)에서는 상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치된 3D프린터(200)를 이용하여 비정형 형태로 변형된 멤브레인시트(10) 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료(20)를 적층하게 된다.(도 10 참조)

여기서 상기 성형재료(20)는 녹여서 재활용이 가능한 왁스(Wax)를 사용한다.

그리고 단계(C)에서는 상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치된 CNC 밀링머신(300)을 이용하여 3D프린터(200)에 의해 멤브레인시트(10) 상면에 적층된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하여 설계된 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드(30)를 완성하게 된다.(도 11 참조)

그리고 단계(D)에서는 상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치된 콘크리트타설장치(400)를 이용하여 CNC 밀링머신(300)에 의해 정밀가공되어 설계된 3차원 형상의 입면패턴을 완성한 몰드(30) 내부로 콘크리트(40)를 분사하여 충전한 다음 양생시킨다.(도 12 참조)

그리고 단계(E)에서는 상기 몰드(30) 내부에 충진된 콘크리트(40)가 양생되면 몰드(30)로 부터 분리시켜 3차원 형상의 입면패턴이 완성한 비정형 콘크리트 내외장재(50)를 얻게 된다.(도 13 참조)

상기와 같은 본 발명의 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치 및 이 제작장치를 이용하는 본 발명의 비정형 내외장재 성형용 몰드를 제작하는 방법은, 기존의 제작 장치들 및 이들을 이용한 기존의 제작 방법들과는 달리 비정형 내외장재(50)를 간편하고, 빠르며, 완벽하게 제작할 수 있어서 경제적이며 제조 공기를 혁신적으로 단축시킬 수 있는 것은 물론,

형상 구현 자유도가 매우 높고 표면조도가 좋으며,

멤브레인시트(10)와 3D프린팅 성형재료(20)를 값싸고 재활용이 가능한 재료들을 사용하는 것이어서 재사용이 용이하고 폐기물 발생량이 적으며,

단일장치를 이용하여 제작하는 것이어서 여러 장치를 개별구입할 필요가 없으므로 구입비용이 적게 든다.

그리고 무엇보다도 소량 다품종의 생산까지도 매우 용이하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 일 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이 일 실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 멤브레인시트 20: 성형재료
30: 몰드 40: 콘크리트
50: 비정형 내외장재
100: 멀티포인트머신 110: 액츄에이터
200: 3D프린터 300: CNC 밀링머신
400: 콘크리트타설장치

Claims (4)

1. 비정형 콘크리트 내외장재 제작장치에 있어서,
   상하로 이동가능한 다수개의 액츄에이터(110)를 구비하여 액츄에이터(110) 상면에 놓이는 멤브레인시트(10)를 설계된 비정형 형태로 변형시켜 주는 멀티포인트머신(100)과,
   상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 멤브레인시트(10) 상면에 3차원 형상의 입면패턴을 형성하기 위해 성형재료(20)를 적층 할 수 있도록 3차원 형상의 입면패턴을 따라 이동하기 위하여 다관절 형태로 이루어지는 3D프린터(200)와,
   상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 3D프린터(200)에 의해 멤브레인시트(10) 상면에 적층된 3차원 형상의 입면패턴의 표면을 정밀가공하기 위하여 3차원 형상의 입면패턴이 완성된 몰드(30)의 형상에 맞게 이동할 수 있도록 다관절 형태로 이루어져 3차원 형상의 입면패턴을 따라 이동하는 CNC 밀링머신(300)과,
   상기 멀티포인트머신(100)의 일측에 설치되어 CNC 밀링머신(300)으로 정밀가공되어 설계된 3차원 형상의 입면패턴을 완성한 몰드(30) 내부로 콘크리트(40)를 분사하여 충전시켜주는 콘크리트타설장치(400)를 포함하여 이루어지는 비정형 내외장재의 소량 다품종 생산을 위한 로보틱 기반의 융합형 형상변형몰드 제작장치.
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