와이어를 이용한 3차원 다공질 경량 구조재의 구성방법과 그 연속적인 생산방법 {A Method of Construction of Three Dimensional Cellular Light Materials and the Continuous Manufacture}
본 발명은 다공질의 가벼우며 강도와 강성도가 높은 구조재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 공학의 여러 분야에서 본 발명과 같은 효과적인 구조물을 제공하려는 노력은 계속되어 왔다. 그 예로서 발포금속(metal foam)을 들 수 있다. 금속이 액체 또는 반고체인 상태에서 내부에 기포를 발생시키거나, 스폰지와 같은 개방형 발포수지를 주형으로 하여 주조하는 방법이 사용되고 있으나 가격에 비하여 강도, 강성도와 같은 기계적 물성이 열등하여 널리 활용되고 있지 않다. 발포금속을 대체하는 소재로서 주기적인 트러스 구조를 갖는 개방형 경량 구조재가 있다. 정밀한 계산을 통해 최적의 강도 및 강성도를 갖도록 설계된 트러스 구조를 하고 있기 때문에 기계적 물성이 우수하다. 가장 단순하고 효과적인 3차원 트러스는 6개의 요소가 정사면체의 형태로 결합된 것이다. 이 트러스를 단위 셀(unit cell)로 연속적인 조합을 통하여 큰 구조물을 만들 수 있다. 이러한 트러스 구조의 형태로서 정사면체와 정 팔면체가 조합된 형태의 옥테트 트러스가 가장 일반적이다. 도 1은 단층(single layer) 옥테트 트러스의 형태를 단위 셀과 함께 나타내고 있다. 트러스구조를 갖는 다공질 경량 구조재의 제작방법으로서 다음 몇 가지 방법이 알려져 있다. (참고문헌 : HHG Wadley 등 저, "Fabrication and structural performance of periodic cellular metal sandwich structure", Composite Science Technology, Vol.63, pp.2331-2343, 2003) 첫째, 수지로 트러스구조를 만들고 이것을 주형으로 금속을 주조하여 제조하는 방법이다. 둘째, 얇은 판재에 주기적인 구멍을 뚫어 그물 형태로 만들고 이것을 절곡하여 트러스 중간층을 구성한 후 상하에 면판을 부착하는 방법이다. 2층 이상의 다층구조로 만들 경우 상부 면판 위에 다시 절곡하여 만든 트러스 중간층을 놓고 그 위에 면판을 부착하는 방법을 쓴다. 셋째, 수직한 두 방향의 와이어로 그물 형태의 철망을 짜고 이것을 적층하고 접합하는 방법이다. 도 2는 셋째 방법을 나타내고 있다. 이 방법은 제조비용을 최소화할 수 있다고 알려져 있으나 단순히 두 방향의 철사를 천을 짜는 것처럼 조합했기 때문에 위에서 언급했던 옥테트나 카고메 트러스와 같은 이상적인 구조가 아니고 접합할 부분이 너무 많아 비용이나 강도면에서 불리하다. 한국 특허 출원번호 10-2003-0078507 에서는 6방향의 와이어를 3차원 직조하여 옥테트 트러스와 유사한 트러스구조를 구성하는 방법을 제시한 바 있다. 도 3은 그 형태를 나타내고 있다. 피아노선이나 섬유강화복합재료와 같이 고강도 소재를 와이어 형태로 입수하는 것이 용이하므로 높은 강도를 갖는 3차원 트러스 경량 구조재를 제조하는 방법으로 유망하다. 그러나 아직까지는 이 구조의 생산에 필요한 6축 3차원 직기가 개발되어 있지 않아 대량생산이 현실화되기 어렵다. 또한 각각의 와이어가 직조되면서 굴곡되기 때문에 이상적인 직선 트러스요소보다는 강도 면에서 불리하다. 미국 특허 5076330(특허일자 1991.12.31)은 공간 상에서 서로 일정한 각도를 갖는 4방향의 섬유강화수지 막대기를 서로 교차하며 적층하여 3차원 복합재료를 만드는 방법을 제시한 바 있다. 이 방법에서는 막대기를 굽히지 않은 채로 단순히 일정한 순서에 따라 적층하기 때문에 강도 면에서 유리하며 생산 장치도 비교적 간단하다. 그러나 이 방법은 내부에 빈공간이 없는 3차원 섬유강화복합재료를 만들기 위한 것으로 다공질 경량 구조재를 생산하는 데 사용될 수 없다. 또한 제품의 각 구성 요소가 옥테트 트러스와 같은 이상적인 구조를 이루지 않으므로 옥테트 트러스만큼의 강도 및 강성도를 갖지 못한다. 통상 섬유강화복합재료는 얇은 2차원 판(lamina) 형태로 제작되어 두꺼운 소재가 필요한 경우 적층해서 사용한다. 그러나 이 경우 층과 층사이가 분리되는 현상이 발생하여 강도가 떨어지기 때문에 섬유를 처음부터 3차원으로 직조하고 나중에 수지, 금속 등 기지(matrix)과 복합하는 방법을 사용한다. 도 4는 3차원 직조된 섬유를 나타내고 있다. 섬유 대신에 금속선과 같이 강직성(stiffness)이 큰 재료를 사용하여 3차원 직조를 통하여 다공질의 경량 구조재를 만들 수도 있다. 하지만 위에서 언급한 이상적인 트러스 구조가 아니기 때문에 기계적 강도가 낮고 방향에 따라 물성이 다르게 된다. 또한 같은 이유로 3차원 직조된 섬유로 제작된 복합재료의 기계적 물성이 나쁘다.
이상적인 경량 구조재는 단위 무게 당 강도 및 강성도 (비강도 및 비강성)가 크고 이를 제조하는 장치가 간단하고 원재료의 손실이 없어 생산단가가 낮은 것이다. 본 발명은 이러한 경량 구조재를 제작하는 방안으로서 와이어를 평면상에서 3방향, 공간상에서 6방향으로 일정 순서로 적층하여 3차원 트러스를 구성한 후 각 교차점을 접합하여 다공질 경량 구조재를 완성한다. 이를 통하여 이상적인 옥테트 트러스에 가까운 구조재를 적은 비용으로 대량 생산할 수 있다. 또한 내부의 빈 공간을 수지 또는 금속으로 채움으로써 기존 제품보다 강도가 월등히 높고 방향에 관계없이 물성이 거의 일정한 준등방성(quasi-isotropic) 3차원 섬유 강화 복합재료를 만들 수도 있다.
본 발명은 다층(Multi Layer, Bulk) 옥테트 트러스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 도 5는 이상적인 다층 옥테트 트러스의 입체도이다. 정확한 형상을 설명하기 위해서 직교좌표축을 함께 표시하였다. z 축은 맨 아래 평면상의 빗금친 마름모꼴을 전후로 종단하는 대각선 방향의 트러스 요소와 평행이다. x 축은 그 마르모꼴을 좌우로 횡단하는 대각선 a-a'과 평행하다. y 축은 xz평면에 수직이다. 도 6, 7, 8은 도 5의 물체를 각각 z 축, x 축, y 축에서 바라본 투영도이다. 도 9는 옥테트 트러스를 이루는 정사면체를 나타내고 있다. 본 발명에서는 와이어를 굽히지 않고 단순히 반복적인 적층을 통하여 위와 유사한 준(quasi) 옥테트 트러스를 제조할 수 있음을 제시한다. 적층 과정을 자세히 설명하면 다음과 같다. 도 10은 도 5의 xz 평면에 해당하는 판(plate)을 나타낸 것이다. 이 판은 그림에 각각 (10), (20), (30)으로 표기된, 서로 60도 또는 120도로 교차하는 세 방향의 와이어군(평행한 와이어 무리)으로 구성되어 있다. 도 11은 이러한 판 4개가 평행하게 적층된 것을 나타내고 있는데 맨 위층으로부터 판 A, 판 B, 판 C 순으로 표기한다. 도 12는 이것을 y 축에서 바라본 것으로, 도 10과 비교해 보면 판 A, B, C는 모두 (10), (20), (30)의 와이어군으로 구성되어 있다는 점은 같지만 각 판을 이루는 와이어가 평면상에서 삼각형 각 변 길이의 1/3 만큼 씩 평행하게 이동되어 판 A, B, C 다음에 다시 판 A가 반복됨을 알 수 있다. 도 13은 도 11에 판 A, B, C를 관통하는 4번째 방향인 (40) 와이어군이 추가로 투입된 형상이다. 각 판 내의 (10), (20), (30) 와이어군은 정사면체의 밑면의 세변 방향으로 배열된데 반해 (40) 와이어군은 판과 54.7도를 이루는 정사면체의 세 경사변 중 한 방향이다. 도 14는 도 12를 x 축에서 바라본 것이다. 같은 요령으로 나머지 두개의 경사변 방향으로 (50), (60) 와이어군을 투입하면 도 15와 같은 준(quasi)옥테트 트러스의 형상이 된다. 도 16, 17, 18는 각각 도 15의 준옥테트 트러스를 x 축, z 축, y 축에서 바라본 투영도이다. 도 19는 준옥테트 트러스를 이루는 준정사면체를 나타내고 있다. 와이어군(40), (50), (60)의 투입 순서를 바꾸어도 위와 유사한 준옥테트 트러스를 구성할 수 있다. 이 경우 와이어가 교차하는 부분의 형상이 다소 달라진다. 도 15부터 도 19까지의 준옥테트 트러스를 각각 도 5부터 도 9까지의 이상적인 옥테트 트러스와 비교해보면 세 와이어가 교차하는 부분을 제외하고 전체적인 형상이 매우 유사함을 알 수 있다. 적층 후에 각 와이어 교차점을 액체나 스프레이 형태의 수지접합, 브레이징, 납땜, 용접 등의 방법으로 고정하며 완성한다. 와이어의 소재로서 금속, 섬유, 합성수지, 섬유강화합성수지 등이 사용될 수 있다. 와이어의 굵기와 트러스 요소의 길이에 따라 작게는 수 1/10 밀리미터에서 크게는 수십 미터의 구조물을 만들 수 있다. 도 20은 이상의 제작과정을 구체적으로 실현하여 연속적으로 준 옥테트 트러스를 육각기둥 형태로 제작할 수 있는 기계장치의 예이다. 기계장치를 지지해 주는 구조물과 동력전달 및 제어 장치 등은 생략하였다. 도 21~23은 도 20을 각각 z 축, x 축, y 축에서 본 투영도이다. 전체 제작과정은 크게 과정 1과 과정 2로 구분한다. 과정 1은 와이어군(10), (20), (30)을 투입하여 판 A, B, C를 만드는 과정이고, 과정 2는 와이어군(40), (50), (60)을 투입하는 과정이다. 과정1에 해당하는 기계 장치들은 도 20의 아래 부분에 있는 것으로 와이어군(10)의 삽입장치 어셈블리(110), 와이어군(20)의 삽입장치 어셈블리(120)과 와이어군(30)의 삽입장치 어셈블리(130)로 구성되어 있고 서로 120도 간격으로 배치되어 있다. 과정 2에 해당하는 기계장치들은 도 20의 윗부분에 있는 것으로 와이어군(40)의 삽입장치 어셈블리(140), 와이어군(50)의 삽입장치 어셈블리(150), 와이어군(60)의 삽입장치 어셈블리(160)로 구성되어 있고 서로 120도 간격으로 배치되어 있다. 도 24는 판 A, B, C에 속하는 와이어들의 양끝을 지지하는 테두리 역할을 하는 판 홀더(100)와 와이어군(10)의 삽입장치 어셈블리(110)의 대략적인 입체도를 나타내고 있다. 이것은 와이어를 삽입하는 장치와 외부에서 와이어를 그곳까지 공급해주는 장치로 구성되어 있다. 도 25는 와이어를 삽입하는 장치를 보다 상세히 y 축에서 본 투영도, 도 26은 도 25의 단면도에 와이어를 절단하고 공급하는 장치를 추가한 구체적인 예를 나타낸 것으로 와이어 가이드(111), 푸시로드 가이드(112), 와이어 푸시로드 어셈블리(113), 와이어 푸시로드(114), 와이어 저장소(115), 저장된 와이어(116), 와이어 절단 홀더(117), 와이어 절단기(118), 와이어 공급장치(119), 아직 절단되지 않은 와이어(0)로 구성되어 있다. 먼저 판 A를 만들기 위해 판 A의 홀더(100)이 하부로부터 공급되면 와이어 가이드(111)는 푸시로드 가이드(112)에 의해 홀더(100)에 가까이 접근하게 되고, 와이어 푸시로드(114)에 의해 홀더(100)의 테두리에 뚫어진 구멍을 통하여 와이어군(10)이 위치해야 할 자리에 삽입된다. 삽입 후 푸시로드(114)가 제 위치로 돌아가게 되면 저장소(115)에 저장되어 있는 와이어가 가이드(111)의 제 위치에 자중에 의하여 위치하게 된다. 이는 마치 총알이 탄창에서 약실로 장전되는 것과 유사하다. 이와 동시에 아직 절단되지 않은 와이어(0)가 공급장치(119)에 의해 절단 홀더(117)로 삽입된 후 절단기(118)에 의해 적당한 길이로 절단되고, 새로 절단 홀더(117)에 삽입되는 와이어에 의해 저장소(115)에 밀어 넣어져 저장된다. 이와 같은 방법으로, 와이어군의 적층순서대로 와이어군(20)의 삽입장치 어셈블리(120)와 와이어군(30)의 삽입장치 어셈블리(130)가 작동되어 판 A가 완성된다. 도 27은 판 홀더(100)와 세 와이어 삽입장치의 배치 형상을 나타낸 것이다. 각 와이어 삽입장치는 서로 간섭되지 않도록 판 홀더로부터 일정한 거리만큼 떨어져 있다. 완성된 판 A 및 홀더(100)는 h만큼 위쪽(y 축 방향)으로 이송되고 판 B를 위한 새로운 홀더가 하부에서 공급된다. 판의 상하 이송거리 h는 도 19의 트러스를 이루는 정사면체의 높이로서 평판 내 평행한 와이어 사이의 간격 w의 0.943배이다. 판 B를 만드는 과정은 판 A에서와 같으나, 도 12에 나타낸 바와 같이 와이어군이 삽입되는 위치가 와이어 사이 간격 w의 1/3 만큼 평행 이동되어야 한다. 완성된 판 B 및 홀더는 h만큼 위쪽으로 이송되고 다시 판 C를 위한 새로운 홀더가 하부에서 공급된다. 마찬가지로 판 C의 와이어군이 삽입되는 위치가 다시 w의 1/3 만큼 평행 이동되어야 한다. 이와 같은 과정이 반복되어 판 A, B, C, A... 순으로 제작되고 판 사이거리 h를 유지하면서 순차적으로 상부로 이송된다. 과정 l에 의해서 제작되어 적층된 판들의 높이 H가 판의 지름 W의 1.141배이상이 되면 경사진 와이어군(40), (50), (60)을 투입하는 과정 2가 시작된다. 도 28은 도 20의 상부에 있는 경사진 와이어 삽입장치 어셈블리(140)를 y 축에서 바라본 투영도이고 도 29는 이것의 단면도에 와이어 절단 및 공급장치를 추가한 것이다. 먼저 와이어 삽입장치 어셈블리(140)로부터 와이어 푸시로드(143)에 의해 와이어군(40)이 삽입된다. 와이어군(40)은 상부의 판 홀더(100)의 테두리 구멍을 통하여 들어가, 미리 만들어진 판 내의 와이어 교차점들을 경사지게 기대면서 미끄러져 그 끝이 최대 H 만큼 아래 위치한 판 홀더의 반대편 테두리에 꽂히게 된다. 와이군(40)이 삽입된 후 푸시로드(143)가 제 위치로 돌아가게 되면 와이어 저장소(144)에 저장되어 있는 와이어가 자중에 의하여 내려와 가이드(141)에 위치하게 된다. 이와 동시에 아직 절단되지 않은 와이어(0)가 공급장치(148)에 의해 절단 홀더(146)로 적당한 길이만큼 삽입된 후 절단기(148)에 의해 절단되고, 다시 절단 홀더(146)에 새로 삽입되는 와이어에 의해 저장소(144)에 밀어 넣어져 저장된다. 이와 같은 방법으로 적층되는 순서에 맞게 와이어군(50) 삽입장치 어셈블리(150)와 와이어군(60) 삽입장치 어셈블리(160)가 작동된다. 그후 이송장치에 의해 판A 및 홀더(100)가 높이 h만큼 상부로 이송되면 판 B 및 홀더(100)가 올라오게 되고 다시 위의 과정 2를 거쳐 경사진 와이어군(40), (50), (60)가 삽입된다. 동시에 장치 하부에서는 과정 1이 진행된다. 이와 같이 하부에서 새로운 판 및 홀더(100)가 올라올 때마다 과정 1과 2가 계속적으로 반복된다. 판 홀더(100)의 형상은 육각형에만 국한되지 않고 필요에 따라 달라질 수 있으며 경사진 와이어군의 투입순서도 (40), (50), (60)뿐만 아니라 (50), (40), (60) 등과 같이 필요에 따라 바뀔 수 있다.
본 발명은 다공질 경량구조재를 연속적인 공정으로 생산하는 것을 가능하게 한다. 기존의 제조법들이 각층에 해당하는 부분을 먼저 만든 후 차례로 적층하여 접착하거나 주조를 하는 방법을 사용하여 생산공정이 비연속적이므로 비용 면에서 불리하다. 와이어를 3차원으로 직조하는 방법의 경우 와이어가 굴곡되어 강도가 저하되지만 본 발명에서는 와이어를 굽히지 않고 적층하는 것만으로 3차원 트러스 형태를 일관 공정을 통하여 연속적으로 생산하는 것을 가능하게 하므로 대량생산과 저비용을 실현할 수 있게 한다. 또 이상적인 옥테트와 유사한 구조를 가지므로 강도와 강성도 면에서 우수하다. 완성된 3차원 트러스 구조물의 빈공간에 수지나 금속을 채워 3차원 섬유 강화 복합재료를 만들 수 있다. 이 복합재는 준등방성 재료로서 그 물성이 방향에 무관하게 거의 균일하기 때문에 금속등과 같이 임의의 형상으로 절단하여 사용할 수 있다.
도 1은 단층 옥테트 트러스와 단위셀의 형상 도 2는 2차원 직조된 철망을 적층한 후 접합하여 제조된 다공질구조재의 형상 도 3은 와이어를 3차원 직조하여 재조된 다공질구조재의 형상 도 4는 3차원 직조된 섬유의 예 도 5는 이상적인 옥테트 트러스의 입체도 도 6은 도 5를 z 축에서 본 투영도 도 7는 도 5를 x 축에서 본 투영도 도 8은 도 5를 y 축에서 본 투영도 도 9는 도 5의 이상적인 옥테트를 구성하는 정사면체 도 10은 서로 60도 또는 120도로 교차하는 세 방향의 와이어군(10), (20), (30)이 적층되어 이루는 판을 zx 평면상에 놓은 형상 도 11은 도 10의 판과 유사한 4개의 판이 일정간격으로 y 축 방향으로 적층된 형상 도 12는 도 11을 y 축에서 본 투영도 도 13은 도 11에 판들을 관통하는 와이어군(40)이 추가된 형상 도 14는 도13을 z 축에서 본 투영도 도 15는 서로 60도 또는 120도로 교차하는 6 방향의 와이어군(10)~(60)이 적층되어 형성된 준 옥테트 트러스 형상 도 16은 도 15를 z 축에서 본 투영도 도 17은 도 15의 x 축에서 본 투영도 도 18은 도 15의 y 축에서 본 투영도 도 19는 도 15의 준 옥테트 트러스를 구성하는 준 정사면체의 형상 도 20은 준 옥테트 트러스를 제작하는 기계장치의 입체도 도 21은 도 20을 z 축에서 본 투영도 도 22는 도 20을 x 축에서 본 투영도 도 23은 도 20을 y 축에서 본 투영도 도 24는 판 A, B, C에 속하는 와이어들의 양끝을 지지하는 판홀더(100)과 와이어 삽입장치 어셈블리(110)의 일부를 나타내는 입체도 도 25는 도 24에 와이어 삽입장치의 상세도를 추가한 것을 y 축에서 본 투영도 도 26은 도 25의 FF' 단면도에 와이어 절단, 공급장치를 추가한 것 도 27은 판홀더(100)과 세 와이어 삽입장치 어셈블리 (110), (120), (130)의 배치 형상을 y축에서 본 투영도 도 28은 도 20의 와이어군(40)의 삽입장치 어셈블리 (140)을 y 축에서 본 투영도 도 29는 도 28의 GG' 단면도에 와이어 절단, 공급장치를 추가한 것 |
