3차원 격자 트러스 구조체 직조에 이용되는 면내 와이어 배열장치 및 이를 이용한 트러스 구조체 제조방법

3차원 격자 트러스 구조체 직조에 이용되는 면내 와이어 배열장치 및 이를 이용한 트러스 구조체 제조방법{ARRAYING APPRATUS OF IN-PLANE WIRES USED IN WEAVING A THREE-DIMENSIONAL LATTICE TRUSS STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD OF TRUSS STRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 3차원 격자 트러스 구조체 직조에 이용되는 와이어 배열장치에 관한 것으로, 특히 유연성 와이어를 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 직조하는 과정에서 해당 유연성 와이어 중 씨실(weft)에 대응되는 면내 와이어를 배열하는 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 면내 와이어 배열장치를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 경량 구조재로 발포 금속(metal foam)이 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 이러한 발포 금속을 대체하는 소재로서 도 1에 도시된 카고메(Kagome) 트러스 구조체와 같은 3차원 격자 트러스 형태의 개방형 경량 구조체가 개발되고 있다 (S.Hyun, AMKarlsson, S.Torquato, AGEvans, 2003. Int. J. of Solids and Structures, Vol.40, pp.6989~6998).

본 발명자들은 이러한 3차원 격자 트러스 구조체를 제조하는 방법 및 장치와 관련하여, 대한민국 특허 제0708483호, 제1029183호, 제0944326호 및 제1114153호에서 와이어를 이용하여 미리 제조된 xy 2차원 카고메 트러스와 유사한 개체를 z 방향으로 일정한 간격으로 배치한 상태에서, xy 평면 바깥으로부터 즉 면외 방향(out-of-plane)으로부터 또 다른 와이어 군을 삽입하는 방식으로 제조되는 3차원 격자 트러스 구조체에 대해 개시한 바 있다. 그러나, 상기한 선행 특허들에 따라 제조되는 3차원 격자 트러스 구조체는 구조체의 가장자리 형상이 z 방향 층별로 일정하지 않아 미관상 좋지 않고 기계적 강도가 떨어질 뿐만 아니라, 그 단위셀에 관한 도 2를 참조할 때, 동일 평면에 배치되는 3 방향의 면내(in-plane) 와이어(34)를 3 방향의 면외 와이어(32)와 동시에 교차시켜 조립하기가 현실적으로 곤란하고, 면내에서 즉 xy 면에서 2차원 카고메 트러스와 유사한 개체를 형성하여야 하는 제약이 있기 때문에, 연속적인 공정으로 3차원 격자 트러스 구조체를 구현하기 어려운 문제가 있다.

이에 본 발명자들은 대한민국 특허 제1495474호에서 도 3의 단위셀에 대한 인식에 기초하여 특히 유연성 와이어를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체를 연속적인 공정으로 구현하고자 하였다. 구체적으로, 도 3에 따른 단위셀에서는, 2 방향의 면내 와이어(34)와 4방향의 면외 와이어(32)가 존재하고, 2방향의 면내 와이어(34)는 동일 평면에서 교차하지 않으며, 면내 와이어(34) 1개와 면외 와이어(32) 2개가 서로 교차한다. 이러한 형태의 단위셀은, 도 2와 달리 면내 와이어의 개수가 줄어들고 또한 서로 교차하지 않아, 유연성 와이어를 이용하여 면외 방향과 면내 방향에서 동시에 조립 내지 직조하기에 용이하다. 상기 대한민국 특허 제1495474호는 복수의 면외 와이어를 평행하게 배열하여 상호간에 교차부를 형성한 후, 면외 와이어의 교차부 사이로 면내 와이어를 삽입하여 밀착시키는 과정을 사이클 과정으로 수행하되, 삽입된 면내 와이어 상호간에 상하 방향으로 일정 거리 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원 격자 트러스 구조체 제조방법과 이와 관련되는 기본적인 장치 개념에 대해 개시하고 있다.

한편 본 발명자들은 상기 대한민국 특허 제1495474호가 개시하고 있는 기본적인 공정 및 장치 개념에 기초하여 대한민국 특허 제1599510호에서 복수의 면외 와이어 상호간에 교차부를 형성하기 위한 구체적인 기구적 설계로서 면외 와이어 배열장치에 대해 개시한 바 있으나, 상기 대한민국 특허 제1495474호에 따른 유연성 와이어를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체에 대한 연속적인 제조 공정을 대량생산에 적합한 기계장치로 완전하게 구현하기 위해서는 대한민국 특허 제1599510호의 면외 와이어 배열장치와 더불어 면내 와이어를 삽입하여 3차원 격자 트러스 구조체를 직조하고 이것을 저장하는 과정에서 요구되는 장치가 필요하며, 현재까지 이에 대한 구체적인 기구적인 설계는 유보되어 있다.

본 발명은, 특히 유연성 와이어를 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 연속적으로 직조하는 과정에서 면내 와이어를 삽입하고 직조된 3차원 격자 트러스 단위 구조체를 저장할 수 있는 면내 와이어 배열장치 및 이를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기 대한민국 특허 제1495474호에 따른 유연성 와이어를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체에 대한 연속적인 공정을 대량생산에 적합한 기계장치를 구현하기 위하여 예컨대 대한민국 특허 제1599510호의 면외 와이어 배열장치에 더불어 이용될 수 있는 면내 와이어 배열장치를 개발하는 과정에서, 유연성 와이어로 이루어진 3차원 격자 트러스 구조체를 직조하는 과정에서는 물론 직조한 후에도 그 기하학적 형상을 유지할 필요성이 있음을 지견하고, 이를 위해 면외 와이어에 대한 교차부 형성 공정 및 면내 와이어를 삽입하는 공정에 수반하여 필러(filler)를 도입한 후, 저장 유닛을 이용하여 직조된 3차원 격자 트러스 구조체와 상기 필러를 일체로 하여 저장하는 방식에 착안하여 이에 관한 기구적 설계를 더욱 구체화함으로써 본 발명에 이� ��게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.

(1) 일방향으로 평행하게 배열된 유연성 면외 와이어의 교차부 사이로 유연성 면내 와이어를 삽입하여 일정한 간격으로 말착시키는 과정을 반복적으로 수행하는 면내 와이어 배열장치로서, 상기 면외 와이어의 교차부 사이로 면내 와이어를 2 이상의 방향에서 교대로 삽입하는 면내 와이어 삽입 유닛과; 상기 2 이상의 방향에서 삽입된 면내 와이어 그룹 상호간에 면외 방향으로 일정한 간격을 유지하기 위한 복수의 스포크가 구비된 필러를 삽입하는 필러 인서터; 상기 면외 와이어와 면내 와이어로 직조된 3차원 격자 구조체를 상기 필러와 일체로 수용하는 저장 유닛을 포함하는 면내 와이어 배열장치.

(2) 상기 면내 와이어 삽입 유닛은, 상기 면외 와이어 사이에 터널을 형성하는 셰딩 유닛; 및 상기 터널을 따라 왕복하여 면내 와이어를 삽입하는 셔틀 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 면내 와이어 배열장치.

(3) 상기 셰딩 유닛은, 면내 방향에서 소정 간격으로 평행하게 배열되고, 편심된 헤드가 구비된 복수의 로드; 상기 복수의 로드 각각을 장착하고 면내 방향에서 슬라이딩 가능한 슬라이더; 및 상기 슬라이더에 구비되어 상기 복수의 로드를 동시에 회전시키기 위한 구동 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)의 면내 와이어 배열장치.

(4) 상기 셔틀 유닛은, 상기 면내 와이어를 운반하는 셔틀; 및 상기 면외 와이어 다발의 외곽에 제공되어 상기 셔틀의 왕복 동작을 안내하는 셔틀 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)의 면내 와이어 배열장치.

(5) 상기 면내 와이어 삽입 유닛과 상기 필러 인서터가 장착되는 턴테이블을 더 포함하고, 상기 턴테이블은 면내 와이어의 삽입 방향에 따라 소정 각도로 회전되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 면내 와이어 배열장치.

(6) 상기 저장 유닛은, 프레임 컨테이너; 상기 프레임 컨테이너의 내측 경계를 따라 일정한 간격으로 배치 고정되는 복수의 울타리 기둥; 및 상기 프레임 컨테이너 상부에 제공되어 상기 필러를 하강시키기 위한 회수 유닛;을 포함하고, 상기 필러의 스포크는 상기 울타리 기둥 사이로 삽입되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 면내 와이어 배열장치.

(7) 상기 회수 유닛은, 상기 울타리 기둥의 상단이 고정되는 지지 프레임; 및 지지 프레임에 대칭형으로 제공되는 복수의 스파이럴 로드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 면내 와이어 배열장치.

(8) 상기 회수 유닛은, 하방향으로 이동된 필러의 상방향 이동을 억제하기 위한 스프링 후크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면내 와이어 배열장치.

(9) 상기 울타리 기둥의 상부 직경이 하부 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 면내 와이어 배열장치.

(10) 상기 프레임 컨테이너와 복수의 울타리 기둥은, 상기 면외 와이어와 면내 와이어로 직조된 3차원 격자 구조체를 상기 필러와 일체로 수용한 상태로 분리되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 면내 와이어 배열장치.

(11) 상기 필러는, 면외 방향에서 소정 간격으로 평행하게 배치된 복수의 스포크(spoke)가 일방이 개방된 외측 프레임 내측에 고정된 구조인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 면내 와이어 배열장치.

(12) 일방향으로 평행하게 배열된 유연성 면외 와이어의 교차부 형성 공정과 상기 면외 와이어의 교차부 사이로 면내 와이어를 삽입하여 밀착시키는 공정이 xy 평면상 2 이상의 방향에서 순차적으로 사이클로 수행되되, 상기 면외 와이어의 교차부 형성 공정 전 단계에서 상기 2 이상의 방향에서 삽입된 면내 와이어 그룹 상호간에 면외 방향으로 일정한 간격을 유지하기 위해 복수의 스포크가 구비된 필러를 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 격자 트러스 구조체 제조방법.

(13) 상기 필러는, 면외 방향에서 소정 간격으로 평행하게 배치된 복수의 스포크가 일방이 개방된 외측 프레임 내측에 고정된 구조인 것을 특징으로 하는 상기 (12)의 3차원 격자 트러스 구조체 제조방법.

본 발명에 따른 면내 와이어 배열장치는, 일방향으로 배열된 면외 와이어에 대한 면내 와이어의 삽입과정 및 직조된 3차원 격자 트러스 단위 구조체의 저장 과정을 동시 연속적으로 수행함으로써, 예컨대 대한민국 제1599510호와 같은 면외 와이어 배열장치에 함께 이용되는 경우 대한민국 특허 제1495474호에 따른 유연성 와이어를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체의 연속적인 제조 공정를 대량생산에 적합하게 구현할 수 있다.

도 1은, 종래 3차원 카고메 트러스 구조체의 사시도.
도 2는, 종래 기술에 따라 제조된 카고메 트러스 구조체와 유사한 3차원 격자 트러스 구조체를 구성하는 단위셀의 사시도.
도 3은, 본 발명이 적용되는 3차원 격자 트러스 구조체의 단위셀에 대한 사시도.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 격자 트러스 구조체 직조 장치의 사시도.
도 5는, 도 4의 직조 장치로부터 분리하여 도시된 면내 와이어 배열장치의 사시도.
도 6은, 본 발명의 실시예에 따라 면내 와이어 삽입 유닛 중 셰딩 유닛의 상세 구조 및 동작 도면.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따른 면내 와이어 삽입 유닛 중 셔틀 유닛의 상세 구조 및 동작 도면.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따른 필러의 구조 및 사용 상태도.
도 9는, 본 발명의 실시예에 따라 저장 유닛 중 프레임 컨테이너와 펜싱로드의 조립 상태도.
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 회수 유닛의 구조도.
도 11은, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 격자 트러스 구조체 제조과정의 플로우차트.
도 12는, 본 발명의 실시예에 따라 저장 유닛의 프레임 컨테이너와 울타리 기둥 결합체에 필러와 3차원 격자 트러스 구조체 결합체가 일체로 수용되어 분리된 상태를 나타내는 사시도.
도 13은, 본 발명의 실시예에 따라 3차원 격자 트러스 구조체의 추출 과정에 관한 공정 개념도.
도 14는, 본 발명의 실시예에 따른 직조장치의 제품 사진.
도 15는, 본 발명의 실시예에 따른 직조장치를 이용해 제조된 3차원 격자 트러스 구조체의 제품 사진.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 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 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저, 본 발명에 따른 면내 와이어 배열장치 및 이를 포함하는 전체 직조 장치의 구조에 대해 설명한다. 도 4은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 격자 트러스 구조체 직조 장치(1)의 사시도를 나타낸다. 도 5는 도 4의 직조 장치(1)에서 분리하여 도시된 면내 와이어 배열장치(10)의 사시도를 나타낸다. 이하의 도면 도시 및 설명에서, 3차원 직교 좌표계에서 xy 평면을 “면내”로, z 축을 포함하는 평면을 “면외”로 하여 설명한다.

도 4를 참조할 때, 상기 직조 장치(1)는 상기한 대한민국 특허 제1495474호가 개시하고 있는 바와 같이 복수의 면외 와이어를 평행하게 배열하여 상호간에 교차부를 형성하는 공정과, 면외 와이어의 교차부 사이로 면내 와이어를 삽입하여 밀착시키는 공정을 사이클 과정으로 수행한다. 실시예에서, 전자의 공정은 대한민국 특허 제1599510호가 개시하고 있는 면외 와이어 배열장치(도 4의 20)에 의해 수행되는 것을 예정하며, 후자의 공정은 본 발명에 따른 면내 와이어 배열장치(도 4의 10, 도 5)에 의해 각각 수행된다. 한편, 본 발명에 따른 면내 와이어 배열장치(10)가 3차원 격자 트러스 구조체의 전체적인 직조 과정 중에서 동작하는 내용을 이해하는 것과 관련하여, 상기 대한민국 특허 제1495474호 및 대한민국 특허 제1599510호가 개시하고 있는 내용은 본 발명에서 일체로 참조될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 직조 장치(1)의 상부 영역에는 면외 와이어 배열장치(20)가 위치한다. 면외 와이어(32)의 일단은 면외 와이어 배열장치(20)에 고정되어 자유단을 형성하고, 이 경우 면외 와이어(32)의 일단이 자유단을 형성한다는 의미는 그 일단이 면내 방향에서 위치가 변경될 수 있음을 의미한다. 면외 와이어(32)의 반대편 타단은 직조 장치(1)의 최하단 영역에 고정되어 고정단을 형성한다. 면외 와이어(32)의 고정단은 도면에 도시되지 않은 면내 방향과 평행한 플레이트에 격자 배열을 이루며 고정되는 형태일 수 있으며, 이 경우 상기 플레이트 자체는 면외 와이어(32)에 의해 공중에 자유롭게 떠 있고 직조과정의 진행에 따라 면외 와이어(32)에 의해 이끌려 상방향으로 순차적으로 상승될 수 있다.

상기 직조 장치(1)의 중간 영역 및 하부 영역에는 본 발명의 실시예에 따른 면내 와이어 배열장치(20)가 배치된다. 상기 면내 와이어 배열장치(20)는 면내 와이어 삽입 유닛(100), 필러 인서터(200) 및 저장 유닛(300)을 기본 구성으로 포함하고, 상기 면내 와이어 삽입 유닛(100)과 필러 인서터(200)가 장착되는 턴테이블(400)을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 턴테이블(400)은 면내 와이어(34)와 후술하는 필러(filler; 500)의 삽입 방향에 따라 소정 각도 회전할 수 있다. 실시예에서 면내 와이어(34) 및 필러(500)의 삽입 방향은 2 방향을 예정하였고, 턴테이블(500)은 면내에서 90도 단위에서 왕복 회전하는 것을 예정하였다. 도면에 도시되지 않았지만, 턴테이블(500)은 모터와 같은 구동수단에 의해 회전될 수 있다. 면외 와이어(32)는 삽입 유닛(100)과 필러 인서터(200)가 배치된 직조장치(1)의 중간 영역을 경유하여 하부 영역에 배치된 저장 유닛(300)의 내측 하단에 고정된다. 이하, 면내 와이어 배열장치(20)를 구성하는 면내 와이어 삽입 유닛(100), 필러 인서터(200), 저장 유닛(300) 및 턴테이블(400)의 구체적인 기구적 설계 및 그 동작 내용에 대해 상세히 설명한다.

상기 면내 와이어 삽입 유닛(100)은 도 5에 도시된 바와 같이 셰딩 유닛(110)과 셔틀 유닛(120)을 포함한다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 셰딩 유닛(110)과 셔틀 유닛(120)의 상세 구조 및 동작 도면을 나타낸다.

도 6을 참조할 때, 셰딩 유닛(110)은 면내 와이어(34)가 면외 와이어(32)의 교차부의 양 측면에서 교대로 삽입될 수 있도록 면외 와이어(32) 교차부 부근에 터널(shed)을 형성하는 역할을 한다.

도 6의 (a)는 셰딩 유닛(110)의 전체 구조를 나타낸다. 이러한 셰딩 유닛(110)에 대한 구체적인 기구적 설계는, 면내 방향에서 소정 간격으로 평행하게 배열되고, 편심된 헤드(114)가 구비된 복수의 로드(112); 상기 복수의 로드(112) 각각을 장착하고 면내 방향에서 슬라이딩 가능한 슬라이더(116); 및 상기 슬라이더(116)에 구비되어 상기 복수의 로드를 동시에 회전시키기 위한 구동 수단(118);을 포함하는 것으로 예시하였다. 이 경우, 상기 슬라이더(116)는 턴테이블(400)에 슬라이딩 가능하게 장착되며, 직조영역 외곽에서 슬라이더(116)를 평행하게 이동시킴으로써 복수의 원형 로드(112) 각각을 면외 와이어(32)의 교차부 부근으로 삽입될 위치에 정확히 정렬시킨 후, 직조영역 측으로 슬라이더(116)를 레일(119)을 따라 평행하게 이동시킴으로써 복수의 원형 로드(112) 각각을 면외 와이어(32)의 교차부 측면 측으로 삽입하게 된다. 이러한 슬라이더(116)의 평행 이동은 모터 등(도면 미도시)에 의해 수행될 수 있다.

도 6의 (b)는 편심된 헤드(114)가 구비된 원형 로드(112)가 면내 와이어(34)가 배치될 위치로 삽입되는 형태를 나타낸다. 상기 복수의 원형 로드(112)는 모터와 같은 구동 수단(118)에 의해 동시에 회전하게 되고, 원형 로드(112)의 단부 측에 제공되는 편심된 헤드(114)의 회전 동작에 의해 원형 로드(112)는 반피치 마다 면외 와이어(32)의 교차부 부근 양 측면에서 교대로 통과하게 된다. 즉, 구동 수단(118)에 의한 원형 로드(112) 및 그 단부에 구비된 편심된 헤드(114)의 회전 동작에 수반하여, 슬라이더(116)를 레일(119)을 따라 평행하게 이동시킴으로써 복수의 원형 로드(112) 각각은 면외 와이어(32) 교차부 측면에서 교대로 삽입된다. 이러한 복수의 원형 로드(112)는 면외 와이어(32) 사이로 삽입된 상태에서 후술하는 셔틀 유닛(120)의 면내 방향 이동을 가이드하게 된다. 터널을 통한 면내 와이어(34)의 삽입 과정이 완료되면, 슬라이더(116)를 레일(119)을 따라 직조영역 밖으로 평행이동시킴으로써 면외 와이어(32) 교차부 사이에 삽입된 원형 로드(112)는 원위치로 복귀된다.

도 7을 참조할 때, 상기 셔틀 유닛(120)은 셰딩 유닛(110)에 의해 형성된 터널을 통해 면내 와이어(34)를 삽입하는 역할을 한다. 상기 셔틀 유닛(120)에 대한 구체적인 기구적 설계는, 상기 면내 와이어(34)를 운반하는 셔틀(122); 및 상기 면외 와이어(32) 다발의 외곽에 제공되어 면내 방향에서 상기 셔틀(122)의 왕복 동작을 안내하는 셔틀 가이드(124);를 포함하는 것으로 예시하였다. 상기 셔틀(122)은 가이드 봉(1221)과 스풀(1222)로 구성되며, 스풀(1222)에는 유연성 면내 와이어(34)가 권취되는 형태이다. 상기 셔틀 가이드(124)는 장착 프레임(1241)과 가이드 프레임(1242)으로 구성되며, 턴테이블(400)에 고정된 장착 프레임(1241)의 상면에서 가이드 프레임(1242)이 면내 와이어(34)가 삽입될 피치 단위로 순차적으로 슬라이딩되는 구조이다. 즉, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 가이드 프레임(1242)이 피치 단위로 순차적으로 슬라이딩하여 소정 위치에 멈춘 상태에서, 셔틀(122)의 가이드 봉(1221)은 셔틀 가이드(124)의 가이드 프레임(1242) 하단에 제공되는 가이드 홀(1242a)에 삽입 지지되어 상기 셰딩 유닛(1110)에 의해 형성된 터널 사이로 왕복 슬라이딩하게 되고, 이러한 과정이 반복적으로 수행됨으로써 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 스풀(1222)에 권취된 유연성 면내 와이어(34)가 풀리면서 면외 와이어(32)의 교차부 양 측면에서 지그재그 형태로 삽입되는 방식으로 동작한다. 이 경우 셔틀(122)의 하단은 직조 영역 안팎에서 면외 와이어(32) 교차부로 삽입된 셰딩 유닛(110)의 원형 로드(112)에 지지 안내되어 이동된다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 셔틀(122)의 왕복 슬라이딩 및 가이드 프레임(1242)의 선형모터 (linear motor)나 공압실린더에 의해 수행될 수 있다.

한편 상술한 바와 같이, 유연성 와이어로 이루어진 3차원 격자 트러스 구조체를 직조하는 과정은 물론 직조한 후에 그 기하학적 형상을 유지할 필요성이 있고, 이를 위해 상기한 면외 와이어(32)에 대한 교차부 형성 공정 및 면내 와이어(34)를 삽입하는 공정에 수반하여 필러(filler)라는 공정 도구가 상기 필러 인서터(200)에 의해 도입된다. 도 8은 이러한 필러(500)의 구조 및 사용상태도를 나타낸다.

도 8의 (a)를 참조할 때, 상기 필러(500)는 면외 방향에서 소정 간격으로 평행하게 배치된 복수의 스포크(spoke; 510)가 일방이 개방된 외측 프레임(520) 내측에 고정된 구조이다. 도 8 (b)에 도시된 바와 같이 필러 인서터(200)에 의해 필러(500)를 도입한 후 면외 와이어(32)를 교차시키면, 필러(500)의 스포크(510)은 면외 와이어(32)의 교차부 하부에 위치한다. 이 상태에서 면내 와이어 삽입 유닛(100)을 이용하여 면내 와이어(34)를 스포크(510)의 길이 방향으로 평행하게 삽입시킨다. 이 경우, 상술한 바와 같이 면내 와이어(34)는 면외 와이어(32)의 교차부 양 측면에서 교대로 삽입되는 형태이다. 실시예에서, 필러(500) 및 면내 와이어(34)의 삽입은 면내에서 x 및 y 2방향에서 교대로 이루어지고 이에 따라 필러(500)가 유연성 와이어로 직조된 3차원 격자 트러스 구조체의 공간 사이에 삽입되어 적층되고 3차원 격자 트러스 구조체는 필러(500)와 함께 그 기하학적 구조를 유지할 수 있게 된다. 이 경우, 스포크(50)의 간격은 3차원 격자 트러스 구조체의 면내 방향 피치 간격에 따라 결정되고, 외측 프레임(520)의 두께 또는 높이는 3차원 격자 트러스 구조체의 면외 방향 피치 간격에 따라 결정될 수 있다.

상기 필러 인서터(200)는 도 5에 도시된 바와 같이 턴테이이블(400)에 고정된 프레임 형태로 제공되며, 상기 면내 와이어 삽입 유닛(100)에 대해 직각방향으로 배치된다. 필러 인서터(200)와 면내 와이어 삽입 유닛(100)의 배치 각도는 면내 와이어(34)의 삽입 방향 개수에 따라 결정되며, 실시예에서는 2방향 삽입을 예정하여 직각방향으로 배치된 형태로 예시되었다. 필러(500) 삽입 후 면내 와이어(34) 삽입 전단계에서, 삽입된 필러(500)는 후술하는 저장 유닛(300)을 구성하는 회수 유닛(330)에 의해 3차원 격자 트러스 구조체의 면외 방향 반 피치만큼 하방향으로 이동하고, 턴테이블(500)을 회전시켜 면내 와이어 삽입 유닛(100)을 필러(500)의 스포크(510) 길이 방향으로 정렬시킨 후 면내 와이어(34)를 삽입하게 된다. 이러한 과정은 방향을 바꾸어 교대로 수행되며, 상기 면내 와이어 삽입 유닛(100)과 필러 인서터(200)가 턴테이블(400)에 일체로 장착된 기구적 설계에 의해 더욱 효과적으로 수행될 수 있다. 필러 인서터(200)에 의한 필러(500)의 공급은 도면에 도시되지 않는 피딩 수단(feeding element)에 단위 공정에 따라 순차적으로 이루어질 수 있다.

상기 저장 유닛(300)은 면내 와이어 삽입 유닛(100) 및 필러 인서터(200)의 동작에 의해 형성된 필러(500)와 3차원 격자 트러스 구조체의 단위 결합체를 하방향으로 순차적으로 이동시키면서 저장하는 역할을 한다. 이러한 저장 유닛(300)에 대한 구체적인 기구적 설계는, 도 5에 도시된 바와 같이, 프레임 컨테이너(310), 복수의 울타리 기둥(320) 및 회수 유닛(330)을 포함하는 것으로 예시하였다.

상기 프레임 컨테이너(310)와 복수의 울타리 기둥(320)은, 필러(500)와 3차원 격자 트러스 구조체의 결합체를 일체로 수용하는 역할을 하며, 상기 필러(500)의 스포크(510)는 상기 울타리 기둥(320) 사이로 삽입됨으로써 후술하는 바와 같이 필러(500)와 3차원 격자 트러스 구조체의 결합체가 일체로 견고히 지지 수용된다. 또한 프레임 컨테이너(310)와 복수의 울타리 기둥(320)은, 후술하는 바와 같이 직조된 3차원 격자 구조체와 이를 지지하는 필러를 일체로 수용한 상태로 분리될 수 있다.

상기 울타리 기둥(320)은 도 5에 도시된 바와 같이 측부가 개방된 상기 프레임 컨테이너(310)의 내측 경계를 따라 일정한 간격으로 배치되어 프레임 컨테이너(310)의 사각형 하부 플레이트에 일단이 고정된다. 울타리 기둥(320)의 반대측 타단은 회수 유닛(330)을 구성하는 사각형 지지 프레임(332)에 끼워져 조립된다. 실시예에서, 울타리 기둥(320)의 배치 간격은 직조되는 3차원 격자 트러스 구조체의 면내 방향 피치의 1/2로 구성하였으며, 이에 따라 면내 와이어 삽입 유닛(100)을 이용하여 면내 와이어(34)를 지그재그 형태로 삽입하는 과정에서 면내 와이어(34)는 두개의 울타리 기둥(320) 밖에서 반회전 감기는 형태가 된다.

한편 울타리 기둥(320)은, 도 9에 도시된 바와 같이 상부 직경은 하부 직경보다 작은 긴 월뿔 형상인 것이 바람직하다. 조립된 상태에서 직경이 작은 울타리 기둥(320)의 상부는, 도 10에 도시된 바와 같이 회수 유닛(330)의 지지 프레임(332)과 턴테이블(400) 사이의 영역에 위치하고, 이 영역 A는 상기한 면내 와이어 삽입 유닛(100)에 의한 면내 와이어의 삽입 과정과 필러 인서터(200)에 의한 필러(500)의 삽입 과정이 수행되는 영역으로 기능한다. 이 경우 울타리 기둥(320)의 상부 직경을 상대적으로 작게 함으로써 이러한 면내 와이어(34)의 삽입 과정이나 필러(500)의 삽입 과정은 울타리 기둥(320)에 의해 간섭되지 않고 원활하게 수행될 수 있다. 반대로 울타리 기둥(320)의 하부는 직경이 상대적으로 크기 때문에 그 사이에서 필러(500)의 스포크(510)가 유격 없이 삽입 지지되기 때문에 직조된 3차원 격자 구조체와 이를 지지하는 필러(400) 일체가 보다 견고하게 수용 지지될 수 있다. 또한 울타리 기둥(320)의 상부에서 하부로 테이퍼진 형상이기 때문에 면내 와이어(34) 삽입 전단계에서 삽입된 필러(500)가 부드럽게 안내되어 하방향으로 이동될 수 있다.

상기 회수 유닛(330)은 앞 공정을 통해 형성된 필러(500)와 3차원 격자 구조체의 단위 결합체를 하방으로 순차적으로 이동시키는 역할을 한다. 도 10을 참조할 때, 상기 회수 유닛(330)은 지지 프레임(332)과 스파이럴 로드(334)를 포함하여 구성되고, 선택적으로 스프링 후크(336)를 더 포함할 수 있다.

상기 지지 프레임(332)은 사각 형상이고 그 내부로는 면외 방향으로 배열된 일군의 면외 와이어(32) 다발이 통과된다. 지지 프레임(332)은 상술한 바와 같이 울타리 기둥(320)의 상단을 고정함과 동시에, 네개의 코너 각각에서 스파이럴 로드(334)를 장착한다. 상기 네개의 스파이럴 로드(334)가 하방으로 동시에 가압됨으로써 필러(500)는 직조된 3차원 격자 트러스 단위 구조체와 함께 상기 울타리 기둥(320)를 따라 하방으로 이동된다. 특히 이 과정에서, 면내 와이어(34)는 울타리 기둥(320)의 외곽 부분에 감겨진 상태에서 작은 직경의 울타리 기둥(320)의 상부에서 큰 직경의 울타리 기둥(320)의 하부로 강제로 밀려 내려오면서 팽팽하게 당겨져 양호한 텐션을 가지게 되고, 면내 와이어(34)는 필러(500) 및 울타리 기둥(320)에 의해 각각 지지된다. 하방향으로 이동된 필러(500)는 면외 와이어(32)의 텐션에 의해 울타리 기둥(320)에 지지된 상태로 저장 유닛(300) 내부에 수용된다. 또한 하방향으로 이동된 필러(500)는 면외 와이어(32)의 텐션에 의해 직조 과정 중 의도하기 않게 상방향으로 이동될 수 있는 데 이는 스프링 후크(336)에 의해 방지된다. 도면에 도시되어 있지 않지만 스파이럴 로드(334)의 구동은 공압 실린더 등을 이용하여 수행될 수 있다.

다음으로, 상기한 면내 와이어 배열장치(10) 및 이를 포함한 전체 직조 장치(1)의 동작 내용을 설명한다.

도 11은 도 11은, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 격자 트러스 구조체 제조과정의 플로우차트를 나타낸다. 기본적으로 면외 와이어의 교차부 형성 공정(S20, S50)과, 면외 와이어의 교차부 사이로 면내 와이어를 삽입하여 밀착시키는 공정(S30, S60)이 x 및 y 방향에서 교대로 사이이클로 이루어지며, 이러한 면외 와이어의 교차부 형성(S20, S40)의 전단계에서 필러를 삽입하는 공정(S10, S40)이 수행된다. 다만 전체 사이클 과정에서, 이러한 필러 삽입 공정 은 면외 와이어의 교차부 형성 공정과 면내 와이어의 삽입 밀착 공정 사이에 수행되는 것으로도 이해될 수 있다. 이러한 직조광정은 도 4의 직조장치(1)를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 면외 와이어의 교차부 형성 공정(S20, S50)은 면외 와이어 배열장치(도 4의 20)에 의해, 상기 면내 와이어의 삽입 밀착시키는 공정(S30, S60) 및 필러를 삽입하는 공정(S10, S40)은 상기 면내 와이어 배열장치(10)에 의해 각각 수행될 수 있다.

구체적으로 먼저, 필러 인서터(200)에 의해 면외 와이어(32) 사이로 필러(500)를 x 방향으로 삽입하고 회수 유닛(330)의 스라이럴 로드(334)를 동작시켜 필러(500)를 하강시킨다(S10). 이 경우, 하방향으로 이동된 필러(500)는 면외 와이어(32)의 텐션에 의해 펜싱 로드(320)에 지지된 상태로 저장 유닛(300) 내부에 수용되는 한편, 하방향으로 이동된 필러(500)는 면외 와이어(32)의 텐션으로 상방향으로 이동 압력을 받지만 이는 스프링 후크(336)에 의해 방지된다. 다음으로, 면외 와이어 배열장치(20)를 이용하여 면외 와이어(32)의 자유단을 x-방향으로 이동하여 교차부를 형성한다(S20). 다음으로, 셰딩 유닛(110) 편심된 헤드(114) 회전시키면서 x 방향에서 원형 로드(112)가 면외 와이어(32)의 교차부의 양 측면에서 교대로 통과하게 하여 터널을 형성하고, 셔틀 유닛(120)의 가이드 프레임(1242)를 피치 단위로 이동시키면서 셔틀(122)이 원형 로드(112)에 의해 형성된 터널을 따라 왕복 이동시키면서 스풀(1222)에 권취된 면내 와이어(34)를 면외 와이어(32)의 교차부 사이에 삽입시킨 후, 셰딩 유닛(110)의 원형 로드(112)를 빼낸다(S30). 다음으로, 턴테이블(400)을 이용하여 면내 와이어 삽입 유닛(100) 및 필러 인서터(200)의 방향을 90도 회전시킨 후, 상기 공정 S10, S20, S30 각각에 대응되는 공정 S40, S50, S60을 y 방향에 대해 수행한다(S40, S50, S60). 전체적인 직조 과정은 이상의 S10 내지 60과정을 반복적으로 수행함으로써 이루어지며, 직조가 완료된 3차원 격자 트러스 구조체(30)는 필러(500)와 함께 저장 유닛(300)에 순차적으로 적층되어 수용된다.

한편, 도 12는 저장 유닛(300) 중 상기 프레임 컨테이너(310)와 울타리 기둥(320)의 결합체에 상술한 필러(500)와 3차원 격자 트러스 구조체가 일체로 수용된 상태로 분리된 상태를 나타낸다. 한편, 3차원 격자 트러스 구조체는 유연성 와이어로 제조되기 때문에, 필러(500)와 울타리 기둥(320)와 같은 외부 지지 요소가 없으면 그 기하학적 형태가 유지되지 않는다. 따라서 외부 지지 요소 없이 자체적으로 그 기하학적 형태가 유지된 3차원 격자 트러스 구조체를 얻기 위해서는, 3차원 격자 트러스 구조체를 분리하기 전에 유연성 와이어 자체에 대한 강성를 부여하는 선행 작업이 필요하다. 예컨대, 도 12의 상태에서 3차원 격자 트러스 구조체를 구성하는 유연성 와이어에 대해 선택적으로 에폭시와 같은 경화물질을 함침시켜 강성을 부여하고, 도 13에 도시된 바와 같이 필러(500), 울타리 기둥(320) 및 프레임 컨테이너(310)과 같은 외부 지지 요소를 제거하는 방식일 수 있다. 구체적으로, 프레임 컨테이너(310)의 프레임 요소를 제거하고(도 13의 (a)), 2 방향에서 삽입된 필러(500)를 면내 방향으로 인출하여 제거한 후(도 13의 (b)), 울타리 기둥(320)로부터 강성이 부여된 3차원 격자 트러스 구조체를 면외 방향으로 인출하는 방식일 수 있다(도 13의 (c) 및 (d)). 한편, 직조된 3차원 격자 트러스 구조체의 와이어에 대한 함침 처리 후 분리를 용이하게 하기 위해서는, 직조 전에 직조장치의 부품 요소에 대해 비점착 스프레이(non-stick spray)를 분무하는 등의 표면 처리를 수행할 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 면내 와이어 배열장치(10)와 대한민국 특허 1599510호의 면외 와이어 배열장치를 조합하여 실제로 구현된 직조 장치에 대한 전체 및 부분 확대된 제품 사진을 나타내고, 도 15는 이러한 직조 장치를 통해 유연성 와이어를 이용하여 제조된 후 경화처리된 카코메 형상의 3차원 격자 트러스 구조체의 제품 사진을 나타낸다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 면내 와이어 배열장치(10)는, 일방향으로 배열된 면외 와이어(32)에 대한 면내 와이어(34)의 삽입과정과 직조된 3차원 격자 트러스 단위 90-구조체의 저장 과정을 동시 연속적으로 수행함으로써, 예컨대 대한민국 제1599510호의 면외 와이어 배열장치(10)에 함께 이용되는 경우 대한민국 특허 제1495474호에 따른 유연성 와이어를 이용한 3차원 격자 트러스 구조체의 연속적인 제조 공정를 대량생산에 적합하게 효과적으로 구현할 수 있다.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다.

예컨대, 실시예에서는 카고메 트러스와 유사한 직조 구조체를 대상으로 동일 평면에서 교차하지 않는 2 방향 면내 와이어의 삽입을 예시하였으나, 직조 구조체의 기하학적 구조에 따라 면내 와이어가 동일 평면에서 교차하지 않는 한 2 이상의 방향에서 삽입되는 것도 가능하다. 이 경우, 필러 인서터(200)와 면내 와이어 삽입 유닛(100)의 배치 각도와, 턴테이블(400)의 회전 각도는 면내 와이어의 삽입 방향 개수에 따라 결정됨은 물론이고, 예컨대 3방향 면내 와이어 삽입을 예정하는 경우 60도의 배치 및 회전 각도로 할 수 있다.

한편, 실시예에서는 본 발명에 따른 면외 와이어 배열장치(10)가 대한민국 특허 제1599510호가 개시하고 있는 면외 와이어 배열장치(도 4의 20)에 결합되어 직조 장치(1)를 구성하는 것을 예시하였으나, 상술한 바와 같이 대한민국 특허 제1599510호는 본 발명에 따른 면외 와이어 배열장치(20)가 3차원 격자 트러스 구조체 직조 과정에서 동작하는 내용을 설명하기 위해 예시한 것에 불과하며, 본 발명에 따른 면내 와이어 배열장치(10)는 대한민국 특허 제1599510호의 면외 와이어 배열장치 외에 복수의 면외 와이어를 평행하게 배열하여 상호간에 교차부를 형성하는 공정을 수행할 수 있는 다른 형태의 면외 와이어 배열장치에도 적용될 수 있음은 물론이다.

따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.

10: 면내 와이어 배열장치
100: 면내 와이어 삽입 유닛
110: 셰딩 유닛 112: 로드
114: 헤드 116: 슬라이더
118: 구동수단
119: 레일
120: 셔틀 유닛
122: 셔틀
1221: 가이드봉
1222: 스풀
124: 셔틀 가이드
1241: 장착 프레임
1242: 가이드 프레임
1242a: 가이드 홀
200: 필러 인서터
300: 저장 유닛
310: 프레임 컨테이너 320: 울타리 기둥
330: 회수 유닛
332: 지지 프레임 334: 스파이럴 로드
336: 스프링 후크
400: 턴테이블
500: 필러
510: 스포크 520: 외측 프레임
20: 면외 와이어 배열장치
30: 3차원 격자 트러스 구조체
32: 면외 와이어 34: 면내 와이어