KR102642208B1 - 강도가 보강된 일체형 경량화 구조물 및 이의 제조 방법 - Google Patents

강도가 보강된 일체형 경량화 구조물 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본원은 한 쌍의 외부 판재 및 상기 외부 판재 사이에 형성된 내부코어를 포함하는 일체형 구조체; 및 상기 일체형 구조체에 삽입되는 보강재를 포함하고, 상기 외부 판재 및/또는 상기 내부코어는 소정의 형상을 가진 틈을 포함하며, 상기 틈에 하나 이상의 보강재가 삽입된 것인, 일체형 경량화 구조물에 대한 것이다.

Description

강도가 보강된 일체형 경량화 구조물 및 이의 제조 방법 {INTEGRATED LIGHTWEIGHT STRUCTURE WITH REINFORCED STRENGTH AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본원은 강도가 보강된 일체형 경량화 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 환경오염 문제가 확산됨에 따라 선진국을 중심으로 환경 규제를 강화하고 있고 운송기계의 연비향상에 대한 요구가 꾸준히 증가하고 있다. 이에 세계적으로 운송기계를 비롯한 여러 분야에 있어 기계의 무게를 줄여 연비를 향상시키고자 경량화 구조물에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 또한 최근에 미래형 자동차를 위하여 3D 프린팅(3D printing), 적층 가공(additive manufacturing) 등의 적층형 제작 방식을 이용하여 경량화 차체를 만들려는 시도가 계속 되고 있다.
이러한 적층형 경량화 구조물중 가장 많이 사용되는 구조물은 샌드위치 패널이라고 불리는 구조물이다. 샌드위치 패널은 양측 표면에 두 개의 판재가 있고, 판재사이에 내부코어가 위치한 구조를 가지고 있으며, 외부 판재는 외부와의 인터페이스(interface)를 담당하고, 내부코어는 구조물로서의 역할을 담당한다. 내부코어는 밀도가 꽉 차지 않는 허니컴, 피라미드, 옥테트, 카고메 구조 등의 형태를 가지고 있어 밀도가 꽉 차있는 구조에 비해 경량화가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 밀도가 너무 낮으면 강도에 문제가 발생할 수 있어, 산업 및 학계에서는 낮은 밀도로 높은 강도를 가지는 최적화된 내부코어 구조를 찾기 위해 많은 노력을 기울였고, 그 결과 많은 수의 코어구조가 존재한다.
그러나, 다양한 종류의 코어구조가 존재함에도 불구하고 복잡한 코어구조는 제작에 어려움이 있어 실제 산업현장에 적용하기에는 한계가 있으며, 굽힘변형 등의 상황에서는 내부코어보다 외부 판재에 더 많은 응력이 가해지기 때문에 설계된 내부코어가 큰 역할을 하지 못하는 경우가 존재한다.
따라서, 산업현장에서 사용하기 용이하면서도 굽힘변형 등의 상황에서 응력이 많이 가해지는 부분이 보강된 경량화 구조물이 요구되는 실정이다.
본원의 참조가 될 수 있는 기술인 대한민국 등록특허 제10-2054580호는 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템에 관한 특허이다. 상기 특허에서는 경량화 구조를 제조하기 위하여 위상최적설계 및 3D 프린팅을 이용하고 있으나, 굽힙응력 등의 상황에서 실제로 응력이 가해지는 부분을 보강하는 것에 대해서는 언급하고 있지 않다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 내부코어의 설계를 복잡하게 변경하지 않으면서 이종재료를 이용하여 응력이 많이 가해지는 주응력방향으로 구조물이 보강된 일체형 경량화 구조물을 제공한다.
또한, 이종재료를 이용하여 구조물을 보강할 때 추가적인 접착공정 없이 물리적 결합으로 강도를 충분히 보강하는 상기 일체형 경량화 구조물의 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 일체형 경량화 구조물을 포함하는 건축 자재를 제공한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 한 쌍의 외부 판재 및 상기 외부 판재 사이에 형성된 내부코어를 포함하는 일체형 구조체; 및 상기 일체형 구조체에 삽입되는 보강재를 포함하고, 상기 외부 판재 및/또는 상기 내부코어는 소정의 형상을 가진 틈을 포함하며, 상기 틈에 하나 이상의 보강재가 삽입된 것인, 일체형 경량화 구조물을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재에만 형성되고, 상기 외부 판재와 수평으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재 및 상기 내부코어 모두에 형성되어 상기 외부 판재 및 상기 내부코어를 관통하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈에 상기 보강재가 삽입되어 상기 외부 판재 및/또는 상기 내부코어가 상기 보강재와 물리적으로 결합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 보강재는 보강용 판재, 와이어, 봉재, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 보강재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 보강재는 철(Fe)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소정의 형상은 직육면체, 정육면체, 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 형상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 내부코어는 허니컴(honeycomb), 피라미드(pyramid), 옥테트(octet), 카고메(Kagome), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 구조체는 상기 외부 판재 및 상기 내부코어가 동일한 소재로서 일체형으로 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은, 3D 프린팅을 통해 일체형 구조체를 제조하는 단계; 및 상기 일체형 구조체에 보강재를 삽입하는 단계를 포함하는, 일체형 경량화 구조물의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 구조체는 한 쌍의 외부 판재 및 상기 외부 판재 사이에 형성된 내부코어를 포함하고, 상기 외부 판재 및/또는 상기 내부코어는 소정의 형상을 가진 틈을 포함하며, 상기 틈에 하나 이상의 보강재가 삽입되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재에만 형성되고, 상기 외부 판재와 수평으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재 및 상기 내부코어 모두에 형성되어 상기 외부 판재 및 상기 내부코어를 관통하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈에 상기 보강재가 삽입되어 상기 외부 판재 및/또는 상기 내부코어가 상기 보강재와 물리적으로 결합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 일체형 경량화 구조물을 포함하는, 건축 자재를 제공한다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
종래의 경량화 구조물에서 접착공정을 통해 외부 판재와 내부코어를 적층하던 것과는 달리, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물은 3D 프린팅을 통해 제조되기 때문에 접착공정없이 외부 판재와 내부코어가 적층된 일체형 구조체를 제조할 수 있다.
또한, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물은 보강재를 삽입하는 간단한 방법을 통해 코어설계를 복잡하게 변경하지 않고도 굽힘변형, 압축변형 등에 대항하여 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물은 3D 프린팅을 이용하여 일체형 구조체를 제조할 때 상기 일체형 구조체에 틈을 포함하도록 제작을 하고, 상기 틈에 보강재를 삽입하는 간단한 방법을 통해 추가적인 접착공정 없이 물리적인 결합으로 일체형 경량화 구조물의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물의 외부 판재와 수평한 방향으로 형성된 틈에 보강재가 삽입될 경우 기계적 강도가 향상될 수 있고, 외부 판재 및 내부 코어를 수직으로 관통하여 형성된 틈에 보강재가 삽입될 경우 기계적 강도의 향상뿐 아니라 외부 판재 및 내부코어 사이의 접착이 집중응력에 의해 저하되는 현상을 방지할 수 있다.또한, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물은 제조 과정에서 일체형 구조체에 존재하는 틈을 금속판재, 탄소섬유판재, 철 와이어, 복합재료 와이어, 봉재 등 각각의 보강재와 동일한 형상을 갖도록 제조할 수 있으며, 이에 따라 다양한 보강재를 형태 및 종류에 상관없이 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물은 제조 과정에서 일체형 구조체에 틈이 형성되는 부분을 선택하여 제조할 수 있으며, 이에 따라 응력이 많이 가해지는 부분에 틈을 형성하여 보강재를 삽입함으로써 상황에 맞게 다양한 방식으로 경량화 구조물의 강도를 보완하여 제조할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체의 모식도이며, (B)는 분해도이다.
도 2 는 굽힘변형 상황에서 구조물에 가해지는 응력분포를 나타낸 모식도이다.
도 3 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체에 보강재를 삽입하는 과정의 모식도이며, (B)는 보강재가 삽입된 일체형 경량화 구조물의 모식도이다.
도 4 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체에 보강재를 삽입하는 과정의 모식도이며, (B)는 보강재가 삽입된 일체형 경량화 구조물의 모식도이다.
도 5 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체에 보강재를 삽입하는 과정의 모식도이고, (B)는 보강재가 삽입된 일체형 경량화 구조물의 모식도이며, (C)는 보강재가 삽입된 내부코어의 평면도이다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 일체형 경량화 구조물의 제조 방법의 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하, 본원의 일체형 구조물 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은 한 쌍의 외부 판재(110) 및 상기 외부 판재(110) 사이에 형성된 내부코어(120)를 포함하는 일체형 구조체(100); 및 상기 일체형 구조체(100)에 삽입되는 보강재(200)를 포함하고, 상기 외부 판재(110) 및/또는 상기 내부코어(120)는 소정의 형상을 가진 틈을 포함하며, 상기 틈에 하나 이상의 보강재(200)가 삽입된 것인, 일체형 경량화 구조물(1)을 제공한다.
종래의 경량화 구조물에서 접착공정을 통해 외부 판재(110)와 내부코어(120)를 적층하던 것과는 달리, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 3D 프린팅을 통해 제조되기 때문에 접착공정없이 외부 판재(110)와 내부코어(120)가 적층된 일체형 구조체(100)를 제조할 수 있다.
본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 보강재(200)를 삽입하는 간단한 방법을 통해 코어설계를 복잡하게 변경하지 않고도 굽힘변형, 압축변형 등에 대항하여 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 3D 프린팅을 이용하여 일체형 구조체(100)를 제조할 때 상기 일체형 구조체(100)에 틈을 포함하도록 제작을 하고, 상기 틈에 보강재(200)를 삽입하는 간단한 방법을 통해 추가적인 접착공정 없이 물리적인 결합으로 일체형 경량화 구조물(1)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 외부 판재와(110) 수평한 방향으로 형성된 틈에 보강재(200)가 삽입될 경우 기계적 강도가 향상될 수 있고, 외부 판재(110) 및 내부 코어(120)를 수직으로 관통하여 형성된 틈에 보강재(200)가 삽입될 경우 기계적 강도의 향상뿐 아니라 외부 판재(110) 및 내부코어(120) 사이의 접착이 집중응력에 의해 저하되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 제조 과정에서 일체형 구조체(100)에 존재하는 틈을 금속판재, 탄소섬유판재, 철 와이어, 복합재료 와이어, 봉재 등 각각의 보강재(200)와 동일한 형상을 갖도록 제조할 수 있으며, 이에 따라 다양한 보강재(200)를 형태 및 종류에 상관없이 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 제조 과정에서 일체형 구조체(100)에 틈이 형성되는 부분을 선택하여 제조할 수 있으며, 이에 따라 응력이 많이 가해지는 부분에 틈을 형성하여 보강재(200)를 삽입함으로써 상황에 맞게 다양한 방식으로 강도를 보완하여 제조할 수 있다.
도 1 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체(100)의 모식도이며, (B)는 분해도이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 구조체(100)는 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120)가 동일한 소재로서 일체형으로 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래의 경량화 구조물에서 접착공정을 통해 외부 판재(110)와 내부코어(120)를 적층하던 것과는 달리, 본원에 따른 경량화 구조물은 3D 프린팅을 통해 제조되기 때문에 접착공정없이 외부 판재(110)와 내부코어(120)가 적층된 일체형 구조체(100)를 제조할 수 있다.
상기 일체형 구조체(100)는 소정의 형상을 가진 틈을 포함하고 있으며, 상기 틈에 보강재(200)를 삽입하여 경량화 구조물의 기계적 강도를 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 상기 보강재(200)가 삽입되는 위치를 조절함으로써 외부 판재(110) 및 내부코어(120) 사이의 탈락현상을 방지할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소정의 형상은 직육면체, 정육면체, 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 형상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 제조 과정에서 일체형 구조체(100)에 존재하는 틈을 삽일될 보강재(200)와 동일한 형상을 갖도록 제조할 수 있으며, 이에 따라 다양한 보강재(200)를 형태 및 종류에 상관없이 선택하여 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 보강재(200)는 보강용 판재, 와이어, 봉재, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 보강재(200)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 한 쌍의 외부 판재(110) 중 일측에는 판재의 형태를 가지는 보강재(200)가 도 3에 도시된 바와 같이 외부 판재(110)와 수평되게 삽입되어 결합될 수 있고, 한 쌍의 외부 판재(110) 중 타측에는 와이어 형태를 가지는 보강재(200)가 도 4에 도시된 바와 같이 외부 판재(110)와 수평되게 삽입되어 결합될 수 있다. 그리고, 이에 더해, 봉재의 형태를 가지는 보강재(200)가 도 5에 도시된 바와 같이 외부 판재(110)와 내부코어(120)를 수직방향으로 관통하여 결합될 수도 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 보강재(200)는 철(Fe)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 내부코어(120)는 허니컴(honeycomb), 피라미드(pyramid), 옥테트(octet), 카고메(Kagome), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재(110)에만 형성되고, 상기 외부 판재(110)와 수평으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2 는 굽힘변형 상황에서 구조물에 가해지는 응력분포를 나타낸 모식도이다.
굽힘 변형 상황에서의 굽힘 응력(σ)은 굽힘을 유발하는 힘인 굽힘 모멘트(M)와 변형이 일어나지 않는 중립면으로부터 떨어진 거리(y)에 비례하며, 관성모멘트(I)에 반비례한다. 이를 식으로 간단히 나타내면 하기 식 1 과 같다.
[식 1]
도 2 를 참조하면, 굽힘 모멘트(M)가 작용하는 경우 중립면을 기준으로 한쪽에 압축 응력이 반대쪽에 인장 응력이 작용하며, 높이방향의 양 끝단에서 최대 응력(σ )을 받는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 경량화 구조물의 굽힘 응력에 대한 강도를 향상시키기 위해서는 가장 많은 응력을 받는 부분인 외부 판재(110)를 보완해야한다.
도 3 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 과정의 모식도이며, (B)는 보강재(200)가 삽입된 일체형 경량화 구조물(1)의 모식도이다. 구체적으로, 틈이 외부 판재(110)에만 수평으로 형성되고 상기 틈이 직사각형 형상을 가지는 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 경우를 나타낸 것이다.
도 3 의 (A)를 참조하면, 외부 판재(110)에 상기 외부 판재(110)와 수평으로 형성된 틈이 존재하는 것을 확인할 수 있고, 상기 틈에 보강재(200)로 보강용 판재를 삽입하는 것을 확인할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈에 상기 보강재(200)가 삽입되어 상기 외부 판재(110) 및/또는 상기 내부코어(120)가 상기 보강재(200)와 물리적으로 결합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3 의 (B)를 참조하면, 보강재(200)가 삽입된 일체형 경량화 구조물(1)은 추가적인 접착공정 없이 외부 판재(110)와 보강재(200)가 물리적 결합을 형성하는 것만으로 강도가 향상된 것이고, 삽입된 보강용 판재는 굽힙 변형 시 상기 외부 판재(110)에 가해지는 압축, 인장 응력을 보완해 주며, 보강 방법이 간단하고 복잡한 코어 설계가 필요 없어 다양한 산업현장에 쉽게 사용될 수 있다.
도 4 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 과정의 모식도이며, (B)는 보강재(200)가 삽입된 일체형 경량화 구조물(1)의 모식도이다. 구체적으로, 틈이 외부 판재(110)에만 수평으로 형성되고 일정 간격으로 다수개가 형성된 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 경우를 나타낸 것이다.
도 4 를 참조하면, 외부 판재(110)에 일정 간격으로 형성된 다수개의 틈이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 상기 틈에 와이어가 삽입되어 일체형 경량화 구조물(1)을 보강하는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 무게와 재료를 줄이면서 효과적으로 굽힘 변형에 저항할 수 있으며, 용도에 따라서 와이어의 삽입 간격과 굵기 등을 변경하여 성능을 개선할 수 있다. 이러한 보강은 추가적인 접착 공정 없이 단순히 만들어진 구멍에 와이어를 끼워맞춤으로써 이루어지는 것이기 때문에 강도를 보완하거나 추가적인 굽힘에 대한 보강이 필요한 경우 손쉽게 적용할 수 있다.
도 4 에서는 가로방향으로의 보강을 예시적으로 도시하고 있으나, 일체형 구조체(100)의 외부 판재(110)를 두껍게 제작한 후, 각각의 외부 판재(110)를 상부 및 하부로 나누어, 상부에는 가로방향(제1방향)으로 와이어(제1보강재)를 수평되게 삽입하고, 하부는 세로방향(제2방향)으로 와이어(제2보강재)를 수평되게 삽입하여 제1보강재인 와이어와 제2보강재인 와이어를 교차시킴으로써 가로방향 및 세로방향 모두 보강할 수 있다. 또한, 외부 판재(110)에 결합되는 제1보강재, 제2보강재와 함께, 도 5에 도시된 바와 같이 외부 판재(110)와 내부코어(120) 모두를 수직방향(제3방향)으로 관통하게 배치되는 봉재(제3보강재)가 더 결합될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120) 모두에 형성되어 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120)를 관통하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5 의 (A)는 본원의 일 구현예에 따른 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 과정의 모식도이고, (B)는 보강재(200)가 삽입된 일체형 경량화 구조물(1)의 모식도이며, (C)는 보강재(200)가 삽입된 내부코어(120)의 평면도이다. 구체적으로, 도 5 는 외부 판재(110) 및 내부코어(120)를 관통하는 틈이 형성된 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 경우를 나타낸 것이다.
도 5 의 (A) 를 참조하면, 외부 판재(110) 및 내부코어(120)를 관통하는 틈에 보강재(200)로서 봉재가 삽입되는 것을 확인할 수 있으며, 도 5 의 (B)를 참조하면, 봉재가 삽입된 일체형 경량화 구조물(1)을 확인할 수 있다. 이러한 방식으로 보강이된 경우 상하 방향의 하중 조건 시 압축 강도가 향상될 수 있으며, 봉재가 삽입되는 위치나 봉재의 종류, 개수 또는 굵기 등을 조절함으로써 보다 효율적으로 압축에 대한 강성을 증대시킬 수 있다.
도 5 의 (C)를 참조하면, 내부코어(120)는 다공성 구조를 가지고 있으며, 내부코어(120)의 골조를 이루는 코어부와, 코어부의 사이에 비어있게 형성되는 중공부를 포함할 수 있다. 이때 코어부는 틈을 형성가능한 두께를 가지며, 상기 틈은 빈 공간이 아닌 구조가 존재하는 부분을, 즉 중공부가 아닌 코어부를 관통하여 형성되어 상기 틈에 보강재(200)가 삽입되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 틈은 외부 판재(110) 및 내부코어(120)를 관통하여 형성될 수 있다. 보강재(200)는 틈에 삽입되어 외부 판재(110) 및 내부 코어(120)를 수직방향으로 관통할 수 있고, 외부 판재(110)와 코어부 간의 연결부를 보강할 수 있다.
또한, 본원의 제 2 측면은, 3D 프린팅을 통해 일체형 구조체(100)를 제조하는 단계; 및 상기 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입하는 단계를 포함하는, 일체형 경량화 구조물(1)의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 제조 방법의 순서도이다.
먼저, 3D 프린팅을 통해 일체형 구조체(100)를 제조한다 (S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 일체형 구조체(100)는 한 쌍의 외부 판재(110) 및 상기 외부 판재(110) 사이에 형성된 내부코어(120)를 포함하고, 상기 외부 판재(110) 및/또는 상기 내부코어(120)는 소정의 형상을 가진 틈을 포함하며, 상기 틈에 하나 이상의 보강재(200)가 삽입되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 일체형 구조체(100)는 3D 프린팅을 통해 제작되므로, 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120)가 동일한 소재로서 일체형으로 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120)를 적층하기 위해 따로 접착공정을 수행하지 않아도 되므로, 전체적인 공정이 단축될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재(110)에만 형성되고, 상기 외부 판재(110)와 수평으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈은 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120) 모두에 형성되어 상기 외부 판재(110) 및 상기 내부코어(120)를 관통하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 제조 방법은 제조 과정에서 일체형 구조체(100)에 존재하는 틈을 금속판재, 탄소섬유판재, 철 와이어, 복합재료 와이어, 봉재 등 각각의 보강재(200)와 동일한 형상을 갖도록 제조할 수 있으며, 이에 따라 다양한 보강재(200)를 형태 및 종류에 상관없이 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 제조 방법은 제조 과정에서 일체형 구조체(100)에 틈이 형성되는 부분을 선택하여 제조할 수 있으며, 이에 따라 응력이 많이 가해지는 부분에 틈을 형성하여 보강재(200)를 삽입함으로써 상황에 맞게 다양한 방식으로 일체형 경량화 구조물(1)의 강도를 보완하여 제조할 수 있다.
이어서, 일체형 구조체(100)에 보강재(200)를 삽입한다 (S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 틈에 상기 보강재(200)가 삽입되어 상기 외부 판재(110) 및/또는 상기 내부코어(120)가 상기 보강재(200)와 물리적으로 결합하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)의 제조 방법은 상기 틈에 보강재(200)를 삽입하는 간단한 방법을 통해 코어설계를 복잡하게 변경하지 않고도 굽힘변형, 압축변형 등에 대항하여 기계적 강도를 향상시킬 수 있으며, 추가적인 접착공정 없이 물리적인 결합으로 일체형 경량화 구조물(1)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 일체형 경량화 구조물(1)을 포함하는, 건축 자재를 제공한다.
본원의 제 3 측면에 따른 건축 자재에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원에 따른 일체형 경량화 구조물(1)은 조립형 건축물의 건축에 사용될 수 있을 뿐 아니라, 선박, 항공기, 차량 등의 운송 기계의 몸체에 적용되어 운송 기계의 무게를 낮춤으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1] 일체형 경량화 구조물의 제조
먼저, 경량화 변수와 내부코어의 종류를 선정하여 외부 판재와 내부코어로 이루어진 다공성 구조 CAD 모델을 생성하였다. 이때, 삽입될 보강재의 종류, 크기 및 삽입 방향을 선정하여 이를 초기 모델로 구현할 수 있다.
이어서, 해당 결과를 3D 프린팅하기 위해 STL 포맷으로 변환한 후, STL포맷을 이용하여 3D 프린팅을 수행하여 일체형 구조체를 제조하였다.
이어서, 제조된 일체형 구조체 내에 형성된 틈에 상기 기계적 강도가 강한 철(Fe)소재의 와이어, 판재, 경화된 판재형 탄소섬유 등의 보강재를 삽입하는 물리적인 결합방법을 통해 일체형 경량화 구조물을 제조하였다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 일체형 경량화 구조물의 이미지이다. 구체적으로, 도 7 의 (A)는 원기둥 형상을 가진 틈이 외부 판재에만 수평으로 형성되고, 상기 틈에 보강재로서 와이어가 삽입된 일체형 경량화 구조물의 이미지이며, (B)는 직육면체 형상을 가진 틈이 외부 판재에만 수평으로 형성되고, 상기 틈에 보강재로서 보강용 판재가 삽입된 일체형 경량화 구조물의 이미지이다.
[실험예 1] 기계적 강도 비교
기존의 경량화 구조물과의 기계적 강도를 비교하기 위한 실험을 수행하였다. 실험은 3점 굽힘실험을 이용하여 힘과 변위 거동을 통해 진행하였다.
도 8 의 (A)는 본원의 일 실험예에 따른 유한요소해석 프로그램(ABAQUS)에서 3점 굽힘실험을 통해 변형된 결과이며, (B)는 (A)의 변형된 결과로부터 얻은 힘과 변위 그래프이다.
도 8 을 참조하면, 예시적으로 진행한 수평방향의 보강을 통해 같은 변위대비 힘이 더 크게 작용해야하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 변형에 저항하는 강성이 증가하였고, 강도 역시 증가한 것을 의미한다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 일체형 경량화 구조물
100: 일체형 구조체
110: 외부 판재
120: 내부코어
200: 보강재

Claims (15)

  1. 3D 프린팅가능한 제1소재로 이루어지고, 한 쌍의 외부 판재와, 상기 외부 판재의 사이에 형성된 내부코어가 일체로 형성되는 일체형 구조체;
    상기 일체형 구조체 상에 형성되는 틈; 및
    상기 일체형 구조체의 강성을 보강가능한 제2소재로 이루어지고, 상기 틈에 삽입되는 보강재;를 포함하고,
    상기 보강재는,
    상기 외부 판재의 일측부에 제1방향으로 삽입되어 상기 일체형 구조체와 물리적으로 결합되는 제1보강재; 및
    상기 외부 판재의 타측부에 상기 제1보강재와 교차되는 제2방향으로 삽입되어 상기 일체형 구조체와 물리적으로 결합되는 제2보강재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 판재는 상부와 하부로 구분가능한 두께로 형성되어 수평방향으로 배치되고,
    상기 상부에는 상기 제1보강재가 삽입되어, 상기 수평방향 중 상기 제1방향에 대한 강성을 보강하고,
    상기 하부에는 상기 제2보강재가 삽입되어, 상기 수평방향 중 상기 제2방향에 대한 강성을 보강하는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재는, 제3방향으로 삽입되는 제3보강재;를 더 포함하고,
    상기 제3보강재는 상기 외부 판재 및 상기 내부코어 모두를 관통하게 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물.
  4. 3D 프린팅가능한 제1소재로 이루어지고, 한 쌍의 외부 판재와, 상기 외부 판재의 사이에 형성된 내부코어가 일체로 형성되는 일체형 구조체;
    상기 일체형 구조체 상에 상기 외부 판재 및 상기 내부코어 모두를 관통하는 수직방향으로 연장되게 형성되는 틈; 및
    상기 일체형 구조체의 강성을 보강가능한 제2소재로 이루어지고, 상기 틈에 삽입되는 보강재;를 포함하고,
    상기 내부코어는,
    상기 제1소재로 이루어지고, 상기 틈을 형성가능한 두께를 가지는 코어부; 및
    상기 코어부의 사이에 비어있게 형성되는 중공부;를 포함하며,
    상기 틈은 상기 내부코어 중 상기 코어부 상에 형성되고, 상기 보강재는 상기 외부 판재와 상기 코어부 간의 연결부를 보강하는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재는 보강용 판재, 와이어, 봉재, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 보강재를 포함하는 것인,
    일체형 경량화 구조물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보강재는 철(Fe)을 포함하는 것인,
    일체형 경량화 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 틈은 직육면체, 정육면체, 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부코어는 허니컴(honeycomb), 피라미드(pyramid), 옥테트(octet), 카고메(Kagome), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 구조를 가지는 것인,
    일체형 경량화 구조물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 일체형 구조체는 상기 외부 판재 및 상기 내부코어가 동일한 소재로서 일체형으로 제조된 것인,
    일체형 경량화 구조물.
  10. 3D 프린팅을 통해 제1소재로 일체형 구조체를 제조하는 단계; 및
    상기 일체형 구조체의 강성을 보강가능한 제2소재로 이루어진 보강재를 상기 일체형 구조체에 삽입하는 단계;를 포함하고,
    상기 일체형 구조체는 한 쌍의 외부 판재와 상기 외부 판재 사이에 형성된 내부코어를 포함하고, 상기 일체형 구조체 상에는 상기 보강재를 삽입가능한 틈이 형성되며,
    상기 보강재는,
    상기 외부 판재의 일측부에 제1방향으로 삽입되어 상기 일체형 구조체와 물리적으로 결합되는 제1보강재; 및
    상기 외부 판재의 타측부에 상기 제1보강재와 교차되는 제2방향으로 삽입되어 상기 일체형 구조체와 물리적으로 결합되는 제2보강재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 외부 판재는 상부와 하부로 구분가능한 두께로 형성되어 수평방향으로 배치되고,
    상기 상부에는 상기 제1보강재가 삽입되어, 상기 수평방향 중 상기 제1방향에 대한 강성을 보강하고,
    상기 하부에는 상기 제2보강재가 삽입되어, 상기 수평방향 중 상기 제2방향에 대한 강성을 보강하는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 보강재는, 제3방향으로 삽입되는 제3보강재;를 더 포함하고,
    상기 제3보강재는 상기 외부 판재 및 상기 내부코어 모두를 관통하게 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물의 제조 방법.
  14. 3D 프린팅을 통해 제1소재로 일체형 구조체를 제조하는 단계; 및
    상기 일체형 구조체의 강성을 보강가능한 제2소재로 이루어진 보강재를 상기 일체형 구조체에 삽입하는 단계;를 포함하고,
    상기 일체형 구조체는 한 쌍의 외부 판재와 상기 외부 판재 사이에 형성된 내부코어를 포함하고, 상기 일체형 구조체 상에는 상기 보강재를 삽입가능한 틈이 형성되며,
    상기 내부코어는,
    상기 제1소재로 이루어지고, 상기 틈을 형성가능한 두께를 가지는 코어부; 및
    상기 코어부의 사이에 비어있게 형성되는 중공부;를 포함하며,
    상기 틈은 상기 내부코어 중 상기 코어부 상에 형성되고, 상기 보강재는 상기 외부 판재와 상기 코어부 간의 연결부를 보강하는 것을 특징으로 하는 일체형 경량화 구조물의 제조방법.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 일체형 경량화 구조물을 포함하는, 건축 자재.
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