KR20060048047A

KR20060048047A - 곡면 허니컴 구조체 제조방법

Info

Publication number: KR20060048047A
Application number: KR1020050042485A
Authority: KR
Inventors: 박기호
Original assignee: 박기호
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2006-05-18
Also published as: MX2007004886A; CN101052486A; EP1807229A1; WO2006049406A1; KR100628850B1; AU2005301542A1; RU2007118530A; US20080075917A1; RU2367537C2; CA2586626A1; BRPI0516924A; JP2008518818A; EP1807229A4

Abstract

본 발명은 경량자재로 쓰이는 허니컴 구조체(Honeycomb Structural)를 평판이 아닌 곡면판 형태로 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 금속평판 또는 플라스틱평판을 가지고 곡면 허니컴 구조체를 만들기 위해서 프레스 또는 진공성형용 금형을 제작하고, 이 제작된 금형을 이용하여 평판을 원하는 곡면판으로 성형하고 또, 성형된 곡면판을 육각셀 상판(8)과 하판(10)으로 성형한다. 이렇게 성형된 두 육각셀판(8, 10)을 맞겹쳐주고 그 양면에 일치되는 곡면 표면판재(12, 14)를 접착시켜 주어서 원하는 곡면 허니컴 구조체를 만든다.

허니컴, 허니컴 제조방법, 곡면 허니컴, 굴곡 허니컴, 유선형 허니컴, 하니컴, 하니콤, 허니콤, 벌집구조

Description

곡면 허니컴 구조체 제조방법{A method of producing curved honeycomb structural}

도 1은 곡면 허니컴 구조체의 구성도,

도 2는 평판을 곡면판으로 성형하는 방법의 실시 예 표시도,

도 3a, 도 3b, 도 3c는 성형될 육각기둥들의 위치 표시도,

도 4는 육각셀 상판과 하판을 성형하는 방법의 실시 예 표시도,

도 5a, 도 5b는 성형된 육각셀 상판과 하판 입체도,

도 6은 성형된 육각셀 상판과 하판을 겹쳐서 만든 허니컴 블록 입체도,

도 7은 도 6의 허니컴 블록에 양면에 표면판재를 붙인 곡면 허니컴 구조체 입체도,

도 8a는 도 3c의 육각기둥들의 위치 대신 변형된 육각기둥들의 위치 예 표시도,

도 8b는 도 3c의 육각기둥들의 위치 대신 변형된 팔각기둥들의 위치 예 표시도,

도 8c는 도 3c의 육각기둥들의 위치 대신 사각기둥들의 위치 예 표시도,

도 8d는 도 3c의 육각기둥들의 위치 대신 팔각기둥들의 위치 예 표시도,

도 8e는 도 3c의 육각기둥들의 위치 대신 원기둥들의 위치 예 표시도,

도 8f는 도 3c의 육각기둥들의 위치 대신 조합된 다각기둥들의 위치 예 표시도,

도 9a, 도 9b는 도 5a, 도 5b의 성형된 육각셀 상판과 하판에 구멍을 뚫은 예 표시도,

도 9c는 도 9a, 도 9b를 겹쳐서 만든 구멍 뚫린 허니컴 블록 입체도,

도 10a, 도 11a는 프레스 가공 전 육각셀판에 미리 절단선(구멍) 가공한 예의 평면도,

도 10b, 도 11b는 도 10a, 도 11a를 프레스 가공으로 육각셀판을 완성한 평면도,

도 12는 프레스 가공 전 육각셀판에 두 겹으로 절단선을 가공한 예의 평면도

＜도면의 주요부분에 대한 부호 설명＞

2. 금속이나 플라스틱의 평판 4. 곡면 상판

6. 곡면 하판 8. 육각셀 상판

10. 육각셀 하판 12. 표면판재 상판

14. 표면판재 하판 16. 곡면상판(4)에 성형될 육각기둥들의 위치

18. 곡면 하판(6)에 성형될 육각기둥들의 위치

20. 육각셀 상·하판을 겹쳤을때 자연히 생긴 육각기둥들의 위치

22. 육각기둥 24. 평판을 곡면판으로 성형하는 금형

26. 곡면판을 육각셀 상판으로 성형하는 금형

28. 곡면판을 육각셀 하판으로 성형하는 금형

30. 육각셀판 성형 후 뚫은 구멍

32. 육각셀판 성형 전 가공한 절단선 또는 구멍

34. 육각셀판에서 육각기둥이 성형될 위치

36. 성형 전 미리 가공된 육각셀판

36'. 가공 후 육각셀판 38. 프레스에 의하여 성형된 육각기둥

40. 프레스에 의해서 늘어난 절단선 또는 구멍

본 발명은 복합재료 소재 중 경량자재인 허니컴 구조체를 평판이 아닌 곡면판 형태로 제조하는 방법에 관한 것이다.

21세기의 3대 산업으로 전망되고 있는 복합재료의 소재 중 초경량 소재인 허니컴 구조체, 특히 허니컴 샌드위치 구조체는 무게비 강도 측면에서 여타 재료와 비교가 되지 않을 정도로 매우 뛰어난 특성을 가지고 있으며, 항공 및 우주 산업, 조선 산업, 자동차 산업, 건축 산업, 전자부품 및 레저 스포츠 산업에 이르기 까지 견고하고 가벼운 재질을 필요로 하는 산업분야에 널리 쓰이고 있다.

일반적으로 허니컴 구조체는 미국특허 제 2,518,164 호 'Apparatus for producing composite sheet material', 일명 'Corrugation' 방법과 미국특허 제 2,983,640 호'Method of making honeycomb', 일명 'Expansion' 방법으로 허니컴 코어를 정방형의 블록으로 만들고 필요한 형태로 절단해 사용되고 있다. 그러나 정방 형의 허니컴 코어를 수평으로 절단하여 평판 허니컴 구조체를 만들기는 용이하나 원하는 모양의 곡면으로 잘라서 곡면 허니컴 구조체를 만들기는 난이하다.

곡면 허니컴 구조체를 만드는 방법 중에는, 평판형태의 허니컴 구조체를 물리적으로 굽히거나 절단 또는 접합을 시켜서 필요한 곡면을 만들기도 한다. 미국특허 제6,272,897B1 호의 'Method of forming honeycomb panels into compound curved shapes'를 보면 허니컴 샌드위치 패널을 일정한 모양의 금형(Cast)에 올려놓고 프레스기(Press Machine)로 눌러 굽힘으로서 곡면형태의 허니컴을 제조하도록 하고 있다. 그러나 이 경우 프레스기로 눌러 가공할 때에 샌드위치 패널의 표면판재(Face Sheet)가 찢어지게 됨으로 이를 보안하기 위하여 가공 후 새로운 표면판재를 찢어진 부분에 덮어 보강해야하는 문제점이 있다. 또 프레스기로 눌러 가공하게 되면 눌려진 부분의 육각셀들이 찌그러지거나 늘어나게 됨으로 그만큼 구조체의 강도가 약해진다. 다른 예로 미국특허 제 5,126,183 호 'Curved paneling includiug honeycomb core material having crimps in one edge'를 보면 허니컴 샌드위치 구조체를 만드는 전 단계인 허니컴 코어(Honeycomb Core)를 만드는 과정에서 한쪽면에 주름을 주어 다른 쪽 면과의 길이를 달리하는 방법으로 곡면 허니컴 코어를 만들도록 하고 있다. 그러나 이 경우에도 코어(Core) 굽힐 수 있는 방향이 한 방향으로 한정 되어져 있어 다양한 형태의 부품을 만들어 낼 수 없는 문제점을 안고 있다.

미국의 최대 허니컴 제조회사인 Hexcel사나, Cellbond사, 또는 유럽의 EURO-Composite사 등을 보면 허니컴 구조체를 이용한 부품을 만들 때, 아직까지 많은 부 분을 숙련된 기술자의 수작업에 의존하여 자르고, 굽히고, 깎아내고, 접착하는 등의 방법으로 부품을 만들고 있기 때문에 생산속도가 느리고 부품 가격도 높다. 또, 허니컴 코어를 자르고 가공할 때에 부품으로 만들어 지지 않는 자재의 잔여 부분이 많음으로 제공되는 자재에 비례하여 제품 생산율이 낮은 것도 부품 단가를 높이는 원인이 된다.

본 발명은 다음의 두 방법을 인용하였다. 국내실용신안등록 제 0350066호 '허니컴(Honeycomb) 제조방법'과 제 0354808 호 '허니컴 페널'에 제시된 허니컴 제조 방법 즉, 금속평판이나 플라스틱 평판을 가지고 프레스성형 또는 진공성형을 이용하여 육각기등들이 성형된 육각셀판 둘을 만들고 그 판들을 겹쳐 접착하고 또 표면판재를 양면에 붙여서 허니컴 구조물을 만드는 방법을 인용하였고 더욱 발전 시켜서, 이들 발명에는 제시되어 있지 않은 곡면형태의 허니컴 구조체를 만든다.

이에, 본 발명은, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 용도에 맞게 금형을 제작하여 원하는 곡면 허니컴 구조체를 만들었다. 즉 금속 또는 플라스틱의 평판으로 금형을 통해 곡면판 둘(4, 6)을 성형하고 각 곡면판(4, 6)에 일정한 간격으로 육각기둥들(22)이 돌출되도록 각각 금형(26, 28)을 제작하여 프레스기 또는 진공성형기를 이용해 곡면육각셀 상판(8)과 하판(10)을 성형한다. 이 두 곡면 육각셀판(8, 10)을 육각기둥들(22)이 돌출된 방향으로 서로 겹쳐주고 접착시켜 주어서 원하는 곡면 허니컴 구조체를 만든다.

본 발명에 따른 곡면 허니컴의 제조 방법은, 금속 또는 플라스틱 재질의 두 평판을 금형(24)을 통해 곡면판(4, 6)으로 만드는 과정과 이렇게 성형된 두 곡면판(4, 6)을 금형(26, 28)을 통해 프레스 또는 진공성형기로 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 만드는 과정과 이렇게 만들어진 상판(8)과 하판(10)을 결합하고 접착하여 허니컴 블록을 만드는 과정, 그리고 그 블록 양면에 일치하는 곡면 표면판재(12, 14)를 붙이는 과정을 통하여 곡면 허니컴 구조체를 만드는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명에 따른 곡면 허니컴 구조체 만드는 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 곡면 허니컴의 전체 구성도로서 가장 위쪽부터 표면판재 상판(12), 육각셀 상판(8), 육각셀 하판(10), 그리고 표면판재 하판(14)으로 구성 되어지며 이 판들이 모두 결합되면 도 7과 같은 곡면 허니컴 구조체를 형성하게 된다. 이때 두 육각셀판(8, 10) 사이의 접합면과 또, 육각셀판(8, 10)과 표면판재(12, 14) 사이의 접합면에 접착제를 도포하거나 용융물질을 삽입시켜 접착시키거나 이 판들을 열접착을 통하여 접착시킨다.

도 2는 금속 또는 플라스틱 재질의 평판을 가지고 원하는 곡면판(4, 6)을 만드는 최초의 공정단계의 한 예를 도형화 한 것으로서, 평판의 재질에 따라 금형을 통해 적합한 공정 즉, 프레스성형이나 진공성형 등을 택한다.

도 3은 도 2에서 제작된 곡면판(4, 6)에 성형되어 돌출될 육각기둥(22)들의 위치를 표시하는 것으로서 도 3a는 육각셀 상판(8)의 육각기둥들(22) 위치를 표시한 것이고, 도 3b는 육각셀 하판(10)의 육각기둥들(22) 위치를 표시한 것이다. 도 3c에서 보는 바와 같이 육각셀 상판(8)과 하판(10)이 결합되었을 때에 육각기둥(22)들이 모두 연이여 지게 되어 벌집 구조를 형성한다.

도 2에서 만들어진 곡면판(4, 6)을 도 3에서 제시된 위치에 따라 육각기둥들(22)이 돌출된 육각셀 상판(8)과 하판(10)으로 성형하기 위해 각각의 금형(26, 28)을 제작하고 이렇게 제작된 금형(26, 28)을 통하여 도 5a와 도 5b같이 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 성형한다.

도 4는 상기의 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 성형하는 방법의 한 예를 보여주고 있다.

육각셀 상판(8)과 하판(10)을 결합시킬 때 육각기둥(22) 외부표면에 접착제를 도포하거나 또는 용융물질을 삽입하고, 육각셀 상판(8)의 육각기둥(22)들이 육각셀 하판(10)의 육각기둥(22)들 사이로 끼워져 들어가서 서로 맞물려 모든 기둥들(22)이 연이여 지도록 접착시켜서 도 6과 같은 허니컴 블록을 만든다. 상기한 접착제 및 용융물질을 사용하지 않을 경우에는, 육각셀판(8, 10)들을 먼저 결합 시킨 후에 열접착을 통하여 접착 시킬 수 있다.

도 7에서는, 상술한 허니컴 블록의 양면에 접착제를 도포하거나 용융물질을 삽입, 또는 열접착을 통하여 각종재질의 표면판재(12, 14)를 접착시킨 허니컴 구조체를 보여주고 있다. 종래의 방법은 허니컴 코어와 표면판재(12, 14)의 접착 부분이 선과 면의 접착으로 이루어지기 때문에 접촉 면적이 적어 접착강도가 약하고, 그러므로 박리현상이 쉽게 일어날 수 있다. 그러나 도6의 허니컴 블록과 표면판재(12, 14)는 접착부분이 면과 면의 접착으로 이루어져 접착강도가 커서 물리적 힘을 받았을 때 손상이 비교적 적다.

도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d, 도 8e에서는 도 3c에서 육각기둥들의 위치를 대신하여 여러 각기둥들 및 원기둥들의 위치를 보여준다. 이 위치대로 금형을 제작하여 곡면 셀판을 만들고 결합하여 곡면 허니컴 구조체를 만들 수 있다. 또 도 8f에서와 같이 비대칭 다각기둥이나 하나 이상의 여러 모양의 기둥들, 예를 들면 사각기둥과 팔각기둥의 조합이나, 원기둥, 팔각기둥, 사각기둥 등의 조합으로 만들어진 곡면 셀판을 만들어 구조체를 만들 수 있다. 곡면 상판과 하판의 기둥들은 서로 다른 크기와 모양을 가질 수 있고, 같은 곡면판 상에도 여러 가지 다른 모양과 크기의 기둥들이 성형되어, 상판과 하판의 기둥들이 맞물려 형성되는 구조체를 만드는 방법을 포함한다.

도 9a, 도 9b는 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 성형한 후에 각각의 육각셀 위치에 구멍(30)을 뚫어준 예를 보여주는 것으로 이렇게 하면 접착 할 때 접착제가 접착표면에 수평으로만 붙지 않고 각 구멍(30) 단면에 수직으로도 접착되어 접착력이 향상 되고 중량도 낮아지는 효과가 있다. 또, 구멍(30)이 뚫림으로써 수지 또는 접착제의 고임 현상을 일부 해소 할 수 있다.

도 10a, 도 11a, 도 12는 금속판으로 프레스를 이용하여 육각셀판을 성형 할 때, 성형성을 높이기 위하여 미리 절단선(32)이나 구멍(32)을 만들어 놓은 것을 나타낸 도면이다. 일반적으로 금속판에 프레스를 통하여 여러 개의 육각기둥(22)을 세우는 일은 쉽지 않다. 또 육각기둥을 깊게 찍어내는 것은 더욱 어렵다. 그래서 절단선(32) 또는 구멍(32)을 만들어 줌으로써 딥드로잉 효과를 얻어 프레스 가공 시 육각기둥들(22)을 좀 더 깊게 성형 할 수 있다. 또 도 12와 같이 절단선을 지그재그 형식으로 두 겹 이상 만들어 주면, 성형 할 때 지그재그로 연결된 부분이 펴지면서 테두리 부분이 성형하는 쪽으로 더 많이 딸려 들어가게 됨으로 신축율이 낮은 금속에 사용 가능하다. 도 10b, 도 11b는 도 10a와 도 11a에서 육각기둥들을 프레스로 가공하면 어떠한 모양으로 절단선 및 구멍들이 늘어나서 육각셀판이 형성 되는지 보여주는 예 이다. 절단선 및 구멍들은 금속의 신축율에 따라 그 모양과 크기를 달리하여 제작 할 수 있다.

또, 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 만들 때에는, 필요에 따라서 활용 가능한 다양한 재질을 사용할 수 있고, 재질에 따른 적합한 가공방법들, 즉 사출성형, SMC(Sheet Molding Compound), BMC(Bulk Molding Compound), 펄프몰딩(Pulp molding), RIM(Reaction Injection Molding), RTM(Resin Transfer Molding) 등의 성형방법을 사용하여 도 5a와 도 5b 같은 육각셀판을 만들고 결합시켜 허니컴 구조체를 만들 수 있다. 육각셀판을 만드는 또 다른 방법으로는, 신축성이 뛰어난 직물 또는 부직물을 수지에 함침 시키고, 도 5a와 도 5b 같은 육각셀판의 형상이 나오도록 틀에 넣고 눌러서 굳히는 방법을 사용하여 구조체를 만들 수 있다.

본 발명은 곡면 허니컴 구조체를 금형을 사용함으로써 보다 간단하게 만드는 방법을 제시하였다. 자동차 외형과 같은 유선형 구조물 들을 평면판으로 만들어진 허니컴 구조 체를 사용하여 만들 경우, 곡면으로 가공하여 적용하기가 매우 곤란하고 대량 생산하기가 힘들었으나 본 고안으로 인해 가볍고 튼튼하고 곡면의 형태의 부품들을 대량생산은 물론이고 생산 단가도 낮추게 되었다.

Claims

금속평판 또는 플라스틱 평판을 가지고 프레스성형, 또는 진공성형을 이용하여 곡면판(4, 6)을 만드는 과정과; 이 곡면판(4, 6)을 제작된 금형(26, 28)위에 올려놓고 프레스성형, 또는 진공성형을 사용하여 육각기둥들(22)이 일정한 간격으로 돌출되어 있는 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 만드는 과정과; 이 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 겹쳐줄 때, 육각셀 상판(8)에 있는 육각기둥들(22)이 육각셀 하판(10)에 있는 육각기둥(22)들 사이로 끼여져 들어가서 맞물려 모든 육각기둥들(22)이 연이어 지게 되어서 육각셀 상판(8)과 하판(10)이 결합되는 과정과; 육각셀 상판과 하판의 견고한 결합을 위해 두 판이 결합되기 전에 육각기둥 외부 표면에 접착제를 도포하거나, 용융물질을 삽입하는 과정 또는 결합 후 열접착을 이용하는 과정과; 결합된 블록의 양면에 표면판재(12, 14)를 접착제, 용융물질, 또는 열접착 방법을 사용하여 붙이는 과정을 통하여 곡면 허니컴 구조체를 만드는 방법.
청구항 1에서 육각기둥(22)들이 돌출된 육각셀 상판(8)과 하판(10) 대신, 삼각기둥, 사각기둥, 팔각기둥 등의 다각기둥이나 원기둥 등이 성형된 셀판을 이용하여 구조체를 만들거나 한 가지 이상의 모양 또는 크기로 성형된 기둥들의 조합으로 구성된 셀판을 이용하여 구조체를 만드는 방법.
청구항 1에서 육각기둥(22)들이 돌출된 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 만들 때, 사출, SMC, BMC, 펄프몰딩, RIM, RTM등의 성형하는 재질에 따른 적합한 가공방법으로 셀판을 성형하고 구조체를 만드는 방법.
청구항 1에서 육각기둥들(22)이 성형된 육각셀 상판(8)과 하판(10)에 각각의 육각셀 위치에 원모양이나 육각형 사각형 삼각형 등의 구멍을 뚫어 주는 것.
청구항 1에서 금속판을 프레스로 가공할 때, 프레스 가공에 도움이 용이하도록 육각셀 상판(8)과 하판(10)을 성형하기 전에, 각각의 육각셀 주위에 구멍이나 절단선을 만들어 주는 것.