KR102302179B1 - 3d 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 상기 제1레이어 상측에 알루미늄 제2분말을 도포하는 제2분말도포단계; 레이저로 상기 제2분말 일부를 용융시켜 제2간격 이격된 복수 개의 제2플레이트를 포함하는 제2레이어를 형성하되, 상기 복수 개의 제2플레이트는 각각 상기 복수 개의 제1플레이트의 상기 제1간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 제2레이어 형성단계; 상기 제2레이어 상측에 알루미늄 제3분말을 도포하는 제3분말도포단계; 및 레이저로 상기 제3분말 일부를 용융시켜 제3간격 이격된 복수 개의 제3플레이트를 포함하는 제3레이어를 형성하되, 상기 복수 개의 제3플레이트는 각각 상기 복수 개의 제2플레이트의 상기 제2간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 제3레이어 형성단계;를 포함하는 3D 프린팅 공정과, 상기 제1레이어, 제2레이어 및 제3레이어의 적층된 방향으로 인장력을 가해서 셀을 형성하는 셀 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법을 제공한다.

Description

3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR ALUMINUM HONEYCOMB USINS 3D PRINTING}

본 발명은 3D프린팅을 활용한 허니컴 제조방법으로, 구체적으로는 PBF(Powder Bed Fusion)방식의 3D 프린팅 기술을 활용하여 알루미늄 쉬트를 소정 두께로 적층 프린팅하고 이를 수직방향으로 확장하여 허니컴을 제조하는 기술에 관한 것이다.

허니컴 구조의 패널 등은 단면이 연속된 육각형 셀의 형상을 이루는 형상으로 다단으로 상하 적층한 형상이며, 허니컴 구조는 현재 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 그 중 하나로 충격을 흡수하는 부위에서 충격흡수판으로 사용되고 있다.

이러한 허니컴 중에서 알루미늄 포일로 제조되는 모습을 도시한 것이 도 1이다. 도 1을 보면, 롤에서 알루미늄 포일이 인출되어 나오면서 상하에 배치되고 표면에 요철홈이 형성된 롤러 사이를 지나면서 상하로 굴곡된 형상의 주름진 쉬트가 되는데, 이러한 주름진 쉬트를 상하로 결합여 적층하면 도 2와 같은 일정 두께와 폭과 높이를 가진 허니컴 구조물이 된다. 도 2에서 충격 흡수를 위한 구조로 사용되는 경우, 두께 T 방향이 충격이 가해지는 방향이다.

도 3은 허니컴 구조물을 충격흡수를 위해 사용하는 경우의 충격량을 보여주는 것으로 실제 실험에서 얻어진 응력-변형률선도이며, 충격 초기 충격량이 크게 작용하는 것을 알 수 있다. 그런데, 도 2의 T 방향으로 충격을 받게 되면, 도 3의 그래프에서 알 수 있듯이, 초반에 하중이 크게 걸리므로 가능한한 초기 충격을 완화시킬 필요가 있다.

그런데, 종래와 같은 방식인, 알루미늄 쉬트를 롤러 사이로 통과시켜 주름을 형성하고 이들을 결합하는 기존의 허니컴 제조방법은 다음과 같은 문제가 있었다.

알루미늄 쉬트는 제조사가 제공하는 강성과 두께만을 사용하여야 하므로 이를 이용하여 제조되는 허니컴 구조는 강성과 두께 변경이 곤란하여 다양한 요구조건에 맞는 최적화된 충격 구조물을 설계하기가 곤란한 문제가 있었다.

또한, 종래 방법은 주름진 알루미늄 쉬트가 결합되는 부위에서 쉬트 두께가 2배가 되므로 충격흡수라는 효과는 동일하게 발휘하면서도 중량이 증가하는 문제가 있었는데, 특히 이러한 중량 증가는 항공우주용 부품으로서 충격 흡수에 사용되는 허니컴 구조에서는 가능한 피하는 것이 좋다.

즉, 도 2의 그림을 참조하여 충격 흡수 구조를 보면, 도 2에서 T 방향으로 충격하중이 작용하도록 허니컴 구조를 배치하게 되는데, 종래 방식으로 제조된 허니컴 구조는 충격량이 작용하는 방향과 무관한 W방향으로 결합부위 두께가 2배로 증가하여 중량이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은 허니컴 구조에서 충격 충격방향으로 작용하는 초기 충격량이 크게 걸리는 것을 완화시킬 수 있는 허니컴 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 허니컴 구조의 쉬트가 결합되는 부위에서 쉬트 두께가 2배가 되어 이 부분의 중량이 증가하는 문제를 해결하는 수단을 제공하는 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 알루미늄 쉬트의 두께와 전체 레이어의 두께를 자유롭게 변경하는 것이 가능하며, 원하는 강성과 두께를 가진 허니컴에서 요구되는 두께를 자유롭게 변경할 수 있는 기술을 제공하기 위함이다.

본 발명은, 상기 제1레이어 상측에 알루미늄 제2분말을 도포하는 제2분말도포단계; 레이저로 상기 제2분말 일부를 용융시켜 제2간격 이격된 복수 개의 제2플레이트를 포함하는 제2레이어를 형성하되, 상기 복수 개의 제2플레이트는 각각 상기 복수 개의 제1플레이트의 상기 제1간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 제2레이어 형성단계; 상기 제2레이어 상측에 알루미늄 제3분말을 도포하는 제3분말도포단계; 및 레이저로 상기 제3분말 일부를 용융시켜 제3간격 이격된 복수 개의 제3플레이트를 포함하는 제3레이어를 형성하되, 상기 복수 개의 제3플레이트는 각각 상기 복수 개의 제2플레이트의 상기 제2간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 제3레이어 형성단계;를 포함하는 3D 프린팅 공정과, 상기 제1레이어, 제2레이어 및 제3레이어의 적층된 방향으로 인장력을 가해서 셀을 형성하는 셀 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법을 제공한다.

상기 복수 개의 제1플레이트 각각의 양단은, 상층에 적층되는 상기 복수 개의 제2플레이트 중 어느 하나의 양단과 레이저를 이용하여 결합된다.

본 발명은, 상기 허니컴 구조체의 셀의 길이방향이면서 충격이 작용하는 방향을 T방향이라고 하고, 상기 T방향에 수직한 두 방향을 각각 L방향과 W방향이라고 하면, T-W 평면에서 보아, 제1레이어, 제2레이어, 제3레이어에서 상하로 적층된 플레이트의 T방향의 폭은 T방향에 수직한 방향으로 갈수록 점진적으로 감소하거나 또는 증가하게 형성된다.

T-W 평면에서 보아, 제1레이어, 제2레이어, 제3레이어에서 상하로 적층된 플레이트의 모서리는, 3D프린팅 공정 중 레이저에 의해 용융되어 녹아서 서로 붙는 결합부위(도10의 X)와 서로 연결되지 않고 이격되는 분리부위(도 10의 Y)가 상하로 교번되어 나타나는 것이 좋다.

또한, 본 발명은 허니컴 제조방법으로 제조된 달 착륙선용 충격흡수재를 제공한다.

본 발명은 상기 구조에 의해서, 초기 충격량이 크게 걸리는 것을 완화시킬 수 있는 허니컴 구조가 가능한 효과가 발생하며, 그리고, 충격량이 작용하는 방향과 무관한 방향인 상하 적층방향인 결합부위의 두께가 2배로 증가하여 중량이 증가하는 문제를 해결함으로써, 동일 하중으로서 충격 흡수를 극대화한 허니컴 구조가 가능한 효과가 발휘된다.

본 발명은 이러한 충력 흡수량 대비 부품의 중량을 감소시킴으로써 인공위성 부품으로서 하중문제를 해소하는 유리한 효과가 발휘된다.

도 1과 도 2는 종래기술에 따른 허니컴 제조방법과 제조된 허니컴이며,
도 3은 종래 허니컴 구조의 충격흡수부재의 응력-변형률 선도이며,
도 4는 일반적인 금속 분말 3D프린팅 공정의 일 예이며,
도 5a는 본 발명에 따른 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법에 따라 허니컴 구조가 제조되는 모습이며,
도 5b는 도 5a의 일부 구성의 사시도이며,
도 6 내지 도 8는 3D프린터로 적층된 레이어를 균일한 인장력으로 펼치는 과정이며,
도 9는 본 발명에 따른 3D 프린팅을 활용하여 제조된 알루미늄 허니컴 구조체의 사시도이며,
도 10은 도 9에서 보이는 허니컴 구조체를 특정 방향에서 바라본 단면 모습이며,
도 11은 본 발명에 따라 제조된 허니컴 구조를 적용한 달착륙선 모형도이며,
도 12는 도 11의 달 착륙선의 다리에 적용되어 착륙선의 착륙 전후 충격량을 흡수한 허니컴 구조체의 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 5a는 본 발명에 따른 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법에 따라 허니컴 구조가 제조되는 모습이며, 도 5b는 도 5a의 일부 구성의 사시도이며, 도 6 내지 도 8는 3D프린터로 적층된 레이어를 펼치는 과정이며, 도 9는 본 발명에 따른 3D 프린팅을 활용하여 제조된 알루미늄 허니컴 구조체의 사시도이며, 도 10은 도 9에서 보이는 허니컴 구조체를 특정 방향에서 바라본 단면 모습이다.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

일반적으로 3D프린팅 기술은 분말, 액체, 와이어, 펠렛 등 다양한 형태의 물질을 한 층 한 층 쌓아올려 3차원 입체구조를 갖는 제품을 제조하는 기술로서, 기존의 제조가공 기술로서는 구현할 수 없는 복잡한 형상의 부품도 손쉽게 제조할 수 있어 최근 새로운 가공기술로 전 세계적 각광을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 기존의 주조, 단조, 용접, 압출 등과 같은 전통적인 가공기술에 비해 제품개발에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 절삭가공 시 발생하는 칩이 형성되지 않으므로 원료소재의 손실을 저감할 수 있고, 소비자가 요구하는 형상 및 기능의 수요를 충족시킬 수 있어 기존 제조업의 패러다임을 바꿀 혁신적 기술로 인식되어 지고 있다.

최근, 3D프린터 시장이 최근에는 우주항공, 의료, 자동차, 기계, 건축, 완구, 패션 등 다양한 산업에서도 사용이 되고 있다. 3D프린팅 기술과 산업이 커짐에 따라 소재에 대한 시장 형성 또한 기대되고 있다. 그리고, 3D프린팅 기술 중 하나인 PBF(Powder Bed Fusion) 방식의 금속 3D 프린팅에서는 대략 10∼45 ㎛ 크기의 구형의 분말을 이용하여 프린팅을 하고 있다.

도 4는 일반적인 금속 분말 3D프린팅 공정의 일 예이며, 금속분발(M)을 도포한 후 레이저(L)로 프린팅하는 일반적인 공정이다. 본 발명은 금속분말 중 알루미늄 분말을 원재료로 하여, 상기 금속분말에 레이저를 조사하여 알루미늄 쉬트를 형성하는 기술이며 상하 적층된 쉬트를 형성한다.

본 발명에 따른 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법은, 크게 보아 1) PBF 3D 프린팅 공정으로 알루미늄 쉬트(sheet)를 적층 형성하는 3D프린팅 공정과 2) 적층된 인쇄 구조물을 상하방향으로 인장력을 가하여 내부 공간인 셀을 형성하는 셀 형성공정으로 이루어진다.

도 5a는 3D프린팅 공정을 도시한 것으로, 금속(알루미늄) 분말을 이용하여 3D 프린터를 사용하여 적층하는 방법을 나타내며, 제1레이어, 제2레이어.....제N레이어가 순차적으로 적층되는 것을 개념적으로 도시한 것이다. 최근의 금속 3D 프린터 기술을 활용하면, 최소 두께가 0.02mm이므로 상당히 얇은 알루미늄 포일로 허니컴을 제작하는 효과를 볼 수 있다. 그리고, 복수 개의 층으로 적층된 레이어층면에 수직방향으로 힘을 주어서 팽창시켜 내부에 셀 공간을 형성하면서 6각형 허니컴을 완성하게 된다. 3D프린티이 제조과정 중 레이어 층 별로 빈 공간(도 5a의 S)은 용융되지 않은 순수 금속 분말로 채워지며 프린팅이 끝난 후 팽창시키면 분말은 자연적으로 떨어져 배출되는 구조이다. 도 5b는 이해를 돕기 위해 제1레이어와 제2레이어만을 사시도 형식으로 도시한 것이다.

3D프린팅 공정을 구체적으로 보면, 3D 프린팅 장치의 베드에 알루미늄 금속분말을 도포하게 되는데 이를 제1분말도포단계라고 하며, 이때 도포되는 분말을 제1분말이라고 편의상 부른다.

그리고, 프린터 장치의 레이저로 상기 제1분말 일부를 용융시켜 제1레이어(L1)를 형성한는데, 제1레이어(L1)를 이루는 제1플레이트는 서로 이격된 제1-1플레이트(1-1), 제1-2플레이트(1-2), 제1-3플레이트(1-3)...제1-N플레이트(1-N)으로 이루어지고, 이들 사이 이격된 간격을 제1간격이라고 한다. 제1레이어를 이루는 플레이트 전체를 제1플레이트(P1)라고 하기도 한다. 이러한 호칭은, 제2레이어..제N레이어도 동일하다.

그리고, 상기 제1레이어 상측에 알루미늄 제2분말을 도포하는 제2분말도포단계와 레이저로 상기 제2분말 일부를 용융시켜 제2간격 이격된 복수 개의 제2플레이트를 포함하는 제2레이어를 형성하는 단계를 이룬다. 상기 제2플레이트 역시, 제2간격으로 이격된 제2-1플레이트, 제2-2플레이트, 제2-3플레이트...제2-N플레이트로 이루어진다. 이때, 상기 복수 개의 제2플레이트는 각각 상기 복수 개의 제1플레이트의 상기 제1간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 것이 특징이다. 즉, 제1레이어의 제1플레이트 사이 이격된 공간의 상층에 제2레이어의 제2플레이트가 형성되는 것이다.

그리고, 상기 제2레이어 상측에 알루미늄 제3분말을 도포하는 제3분말도포단계 및 레이저로 상기 제3분말 일부를 용융시켜 제3간격 이격된 복수 개의 제3플레이트를 포함하는 제3레이어를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 복수 개의 제3플레이트는 각각 상기 복수 개의 제2플레이트의 상기 제2간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 형성된다.

3D 프린팅 공정은, 이러한 공정을 필요한 횟수만큼 복수 회 거쳐서 상기 제1레이어, 제2레이어, 제3레이어...제N레이어의의 적층 레이어 구조를 형성한다. 그리고, 상하로 적층되는 플레이트 각각의 양단은, 상층 및 하층에 적층되는 상기 플레이트의 양단과 레이저를 이용하여 결합된다.

그리고, 셀 형성공정은, 상기 제1레이어, 제2레이어, 제3레이어...제N레이어의 적층된 방향(플레이트에 수직한 방향)으로 인장력을 가해서 셀을 형성하는 공정이다(도 7 내지 도 8 참조). 이때 상하면에서 수직방향으로 균일한 힘을 가하는 방법으로서 상하면에 패널(A)를 배치하고 패널과 허니컴 구조체 사이에 접착제를 이용하여 접착한 상태에서 상기 상하에 배치된 패널(A)을 상하로 당기면 전체적으로 균일하게 펼쳐지게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 3D 프린팅을 활용하여 제조된 알루미늄 허니컴 구조체의 사시도이며, 도 10은 도 9에서 보이는 허니컴 구조체를 특정 방향에서 바라본 단면 모습이다.

본 발명에서 제조된 허니컴 구조체를 도 9에서 도시하고 있으며, 편의상 방향을 도면에서 보아 전후방향을 T방향이라 하고, 좌우 길이방향을 L방향, 그리고 상하폭방향을 W방향이라고 한다. 즉, T방향은 허니컴 구조체에서 단면 육각형상인 셀의 길이방향이 T방향이며, T방향에 수직한 두 방향이 각각 L방향과 W방향이 된다.

이때, 허니컴 구조체가 적용된 경우(예를 들면, 달 착륙선 다리)에 충격이 작용하는 방향은 T방향으로 되도록 허니컴 구조체를 배치한다.

도 10은 도 9에서의 T-W평면에서의 모습이며, 그림에서 보아 좌우 방향이 T 방향이며, 따라서 T방향이 충격이 작용하는 방향이다. 그런데, 본 발명에서는 T-W평면에서 보아, 제1레이어, 제2레이어.....제N레이어가 순차적으로 적층되는 경우, 상기 상하로 적층된 플레이트의 폭이 T방향에 수직한 방향으로 갈수록 점진적으로 감소하거나 또는 증가하도록 형성된다. 그 결과 상하로 적층된 플레이트들의 결합부를 연결한 선이 소정의 각도(도 10의 θ)를 이루도록 한다.

이렇게 구성하는 이유는 T방향으로 충격을 받는 경우 좌굴이 쉽게 발생하도록 함으로써 쉽게 주저 앉도록 지그재그로 제작한 것이며, 도 3의 그래프에서 설명한 종래기술의 문제점을 해결한 것이다. 즉, T방향의 폭을 상하방향으로 상이하게 구성하여 좌굴이 쉽게 일어나게 하여 초기 충격량이 크게 걸리는 것을 완화시킨 것이다.

그리고, 이러한 상하 폭을 상이하게 줌으로써, 도 10의 상세도에서 보이듯이, 상하로 적층된 플레이트들의 모서리가 레이저에 의해 용융되어 녹아서 서로 붙는 결합부위(도 10의 X)와 서로 연결되지 않고 이격되는 분리부위(도 10의 Y)가 상하로 교번되어 나타난다. 이를 통해, 위에서 설명한 좌굴에 따른 충격완화 효과는 더욱 커지게 된다.

도 11은 본 발명에 따라 제조된 허니컴 구조를 적용한 달착륙선 모형도이며, 도 12는 도 11의 달 착륙선에 적용되어 착륙선의 착률 전후 충격량을 흡수한 허니컴 구조체의 모습이다. 도면을 보면, 착률시의 충격에 의해 허니컴 구조체의 T방향 두께가 대폭 감소한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 장점은 아래와 같다.

알루미늄 쉬트의 두께와 전체 레이어의 두께를 자유롭게 변경이 가능하며, 원하는 강성과 두께를 가진 허니컴을 얻을 수 있도록 두께 등을 자유롭게 변경할 수 있고, 따라서 소량 구매시 대단히 유리한 방식이다.

충격흡수를 위하여 사용하는 기존의 허니컴은 충돌 초기에 충격량이 커서(도 3 참조) 3D 프린터를 사용하여 이것을 좀더 완화시키기 위한 제조 방법을 고안하였다.

본 발명은 상기 구조에 의해서, 충격량이 작용하는 방향과 무관한 방향인 상하 적층방향인 결합부위의 두께가 2배로 증가하여 중량이 증가하는 문제를 해결함으로써, 항공우주 부품으로서 하중 감량에 유리한 효과가 발휘된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (5)

1. 알루미늄 제1분말을 도포하는 제1분말도포단계;
   상기 제1분말 일부에 레이저를 가하여, 제1간격 이격된 복수 개의 제1플레이트를 포함하는 제1레이어를 형성하는 제1레이어 형성단계;
   상기 제1레이어 상측에 알루미늄 제2분말을 도포하는 제2분말도포단계;
   상기 제2분말 일부에 레이저를 가하여, 제2간격 이격된 복수 개의 제2플레이트를 포함하는 제2레이어를 형성하되, 상기 복수 개의 제2플레이트는 각각 상기 복수 개의 제1플레이트의 상기 제1간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 제2레이어 형성단계;
   상기 제2레이어 상측에 알루미늄 제3분말을 도포하는 제3분말도포단계; 및
   상기 제3분말 일부에 레이저를 가하여, 용융시켜 제3간격 이격된 복수 개의 제3플레이트를 포함하는 제3레이어를 형성하되, 상기 복수 개의 제3플레이트는 각각 상기 복수 개의 제2플레이트의 상기 제2간격이 형성하는 공간의 직상부에 형성되는 제3레이어 형성단계;를 포함하는 3D 프린팅 공정과,
   상기 제1레이어, 제2레이어 및 제3레이어의 적층된 방향으로 인장력을 가해서 셀을 형성하는 셀 형성공정을 포함하여 허니컴 구조체를 제조하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 제1플레이트 각각의 양단은, 상층에 적층되는 상기 복수 개의 제2플레이트 중 어느 하나의 양단과 레이저를 이용하여 결합되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 허니컴 구조체의 셀의 길이방향이면서 충격이 작용하는 방향을 T방향이라고 하고, 상기 T방향에 수직한 두 방향을 각각 L방향과 W방향이라고 하면,
   T-W 평면에서 보아, 제1레이어, 제2레이어, 제3레이어에서 상하로 적층된 플레이트의 T방향의 폭은 T방향에 수직한 방향으로 갈수록 점진적으로 감소하거나 또는 증가하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   T-W 평면에서 보아, 제1레이어, 제2레이어, 제3레이어에서 상하로 적층된 플레이트의 모서리는, 3D프린팅 공정 중 레이저에 의해 용융되어 녹아서 서로 붙는 결합부위(X)와 서로 연결되지 않고 이격되는 분리부위(Y)가 상하로 교번되어 나타나는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 활용한 알루미늄 허니컴 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항의 허니컴 제조방법으로 제조된 항공우주용 충격흡수재.
   

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