KR101029170B1 - 내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부의 빈 공간에 다면체 또는 구형의 충진재가 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 강도는 높으나 큰 부피로 제조되기 곤란한 금속, 세라믹, 합성수지 등의 충진재를 트러스 구조체의 빈 공간에 충진함으로써 압축이나 전단 하중 시 발생하기 쉬운 트러스 요소의 좌굴을 방지하여 높은 강도와 변형 에너지 흡수력을 가지는 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

트러스 구조, 주기적인 다공질 재료, 충진재

Description

내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF TRUSS TYPE PERIODIC CELLULAR MATERIALS HAVING POLYHEDRONS OR SPHERES IN THEIR INTERNAL VACANCIES}

본 발명은 다공질 재료와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 트러스 구조체의 내부 빈 공간에 다면체 또는 구형의 충진재가 충진된 것을 특징으로 하는 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법에 관한 것이다.

다공질 재료는 내부에 형성된 다수의 작은 빈 공간으로 인해 가벼우면서도 상대적으로 높은 강도를 가지는 재료이다. 이와 같은 다공질 재료 중에서 내부 빈 공간의 크기, 형태, 및 배치가 균일한 재료를 주기적인 다공질 재료(Periodic Cellular Materials)라고 한다.

최근, 새로운 중간재 소재로서 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료가 소개되고 있다(H. N. G. Wadley, N. A. Fleck, A. G. Evans, 2003, Composite Science and Technology, Vol.63, pp.2331~2343).

트러스 구조는 정밀한 계산을 통하여 최적의 강도를 갖도록 설계되어 허니 컴(honeycomb) 격자에 버금가는 기계적 물성을 가지는 외에도, 내부가 개방되어 공간의 활용이 유리하다는 장점을 가지고 있다.

도 1은 피라미드, 옥테트, 및 카고메 트러스의 단층 구조를 도시하기 위한 도면이다. 이하에서는 도 1을 참조하여 트러스 구조의 종류에 대하여 설명한다.

피라미드(pyramid) 트러스는 가장 일반적인 트러스 구조이다. 구체적으로, 피라미드 트러스는, 4개의 정삼각형 격자가 하나의 꼭지점을 중심으로 경사면을 이루고 1개의 정사각형 격자가 밑면 또는 윗면을 이루어 구성됨으로써, 사각형 형태의 판구조물 제조에 유리한 장점을 가진다.

또한, 옥테트(Octet) 트러스는 정사면체와 정팔면체가 조합된 구조로서, 각 트러스 요소는 서로 정삼각형을 이루고 있다(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241).

계속하여, 21세기에 들어서는 카고메(Kagome) 트러스가 발표(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003, Int J. of Solids and structures, Vol.40, pp.6989-6998)되었는데, 이는 옥테트 트러스를 변형한 것으로, 피라미드 트러스와 옥테트 트러스에 비하여 방향에 따른 구조의 강성 변화가 적고, 좌굴에 대한 저항성, 좌굴 후 변형의 안정성, 에너지 흡수 능력 등이 특히 우수한 것으로 알려져 있다.

한편, 최근에는 피아노선과 같이 대량생산, 가공, 및 고강도의 실현이 용이한 와이어를 소재로 하여 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제작하는 방법이 제안되고 있다. 이에 관해서는, 등록특허 제566729호, 제633657호, 제700212호, 제 767186호, 특허출원 제2006-0119233호 등에 구체적으로 개시되어 있다. 도 2 내지 도 6에는 상기 특허 및 특허출원에 따른 방법으로 제작된 주기적인 다공질 재료가 도시되어 있다. 이 경우, 섬유강화수지(Fiber Reinforced Plastic) 복합재료를 소재로 하는 와이어를 이용한다면 더욱 가벼운 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제작할 수 있을 것이다.

이상과 같은 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료에 압축이나 전단(shear)과 같은 하중이 작용하게 되면, 트러스 요소의 좌굴에 의해 다공질 재료가 파손되는 경우가 많다. 특히, 트러스 요소의 세장비가 높거나 와이어의 소재가 피아노선과 같은 고강도 금속 또는 복합재료에 사용되는 고강도 섬유 또는 섬유강화수지일 경우에는 탄성좌굴이 발생하기 쉽다. 이와 같이 탄성좌굴이 발생하면, 주기적인 다공질 재료의 강도가 급격히 감소하는 경향이 있어 구조재로서 필요한 안정성이 현저히 떨어지고 변형 에너지 흡수량도 적어진다는 문제점이 있다.

그리고 세라믹이나 일부 고강도 금속은 큰 부피로 제조, 가공하는 것이 어려워 구조재로서의 활용에 한계가 있다. 따라서 이러한 재료들은 소결(sintering)을 통하여 비교적 작은 크기로 활용될 수 밖에 없다. 예컨대, 구조용 판재와 같이 상대적으로 대형 구조물의 형태가 필요한 경우에는 벽돌, 모르타르에서와 같이 접착재로 접합, 적층하거나, 섬유강화합성수지(FRP), 복합재판, 금속판 등을 표면에 부착하는 방법으로 보강하여 사용한다. 그러나 이와 같은 방식으로 제조된 구조물은 충격하중에 취약하고, 일단 파손이 개시된 후에는 빠른 속도로 최종 파괴에 이른다는 단점이 있다.

또한, 최근에는 스티로폼 구의 표면에 금속분말을 분사코팅(spray coating)하여 가열한 후, 스티로폼 구를 연소시킴으로써 내부가 빈 금속구를 만드는 공정이 개발된 바 있다. 이를 MHS(Metal Hollow Sphere)라고 하는데, 다수의 MHS를 수지로 접합하거나 열과 압력을 가하여 서로 접합시킴으로써 일종의 다공질 금속을 제조할 수 있다(K.M. Hurysz, J.L. Clark, A.R. Nagle, C.U. Hardwicke, K.J. Lee, J.K. Cochran et al., Steel and titanium hollow sphere foams. In: A. Evans, D. Schwartz, D. Shih and H. Wadley, Editors, Porous and cellular materials for structural applicationsMRS Proceedings vol. 521, Materials Research Society, Pittsburgh, PA (1998), pp. 191203). 이와 같이 MHS로 제조된 다공질 금속은 기존의 발포금속보다 강도 및 변형 에너지 흡수 면에서 우수하지만, 내부공간이 닫혀 있어 그 활용에 제한이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여 구조적인 안정성 및 변형에 의한 에너지 흡수력이 증가된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법의 요지는 다음과 같다.

(3) 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제조하는 방법으로서,

삭제

삭제

삭제

와이어를 직조 또는 교차 배치하여 다수의 구멍을 가지는 그물 형태의 2차원 평면을 형성하는 단계;

상기 2차원 평면에 형성된 다수의 구멍 중 적어도 일부에 다면체 또는 구형 의 충진재를 배치하는 단계;

상기 다면체 또는 구형의 충진재가 배치된 2차원 평면을 복수의 층으로 적층하는 단계;

상기 복수의 층으로 적층된 2차원 평면을 면외 방향으로 삽입되는 와이어로 엮어 3차원 트러스 구조체를 형성하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.

(4) 상기 트러스 구조체를 형성한 후에, 상기 다면체 또는 구형의 충진재와 와이어를 각각 또는 서로 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 기재의 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.

(5) 상기 구형의 충진재는,

내부가 빈 금속구(Metal Hollow Sphere: MHS)인 것을 특징으로 하는 상기 (3) 기재의 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법에 따르면, 압축 또는 전단 하중시 트러스 요소의 좌굴을 억제하고, 좌굴 발생 후에도 급격한 강도 저하를 억제함으로써 구조재로서의 안정성을 향상시키고 변형에 의한 에너지 흡수량을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 경량화가 가능하여 판재와 같은 구조용 부재로 서 활용될 수 있으며, 이미 확립된 접합기술을 사용하여 제작됨으로써 생산 비용이 절감되고 대량생산이 용이한 장점이 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도면에서는 명세서 전체를 통하여 유사한 구성에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료에 대하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 구조를 도시하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료는 트러스 구조체(10)와 충진재(30)로 구성된다.

트러스 구조체(10)는 와이어(20)의 교차 또는 직조 방식에 의해 형성되고, 이와 같은 트러스 구조체(10)의 내부에 형성된 다수의 빈 공간에 충진재(30)가 위치하여 충진된다.

상기 와이어(20)는 충진재(30)를 서로 엮어 줌으로써 충진재(30)가 특정의 위치에서 이탈되지 않도록 하는 기능을 한다.

상기 충진재(30)는 가해질 충격하중을 고려하여 금속, 세라믹, 합성수지 등으로 제조될 수 있다. 또한, 충진재(30)는 상기 트러스 구조체(10)에 형성된 빈 공간에 따라 구형으로 형성된다. 이 경우, 본 실시예에서는 구형의 충진재를 예시하 였으나, 충진재의 형상이 구형에 한정되는 것은 아니며 빈 공간의 형태에 따라 다면체로 하는 것도 가능하다. 이에 대해서는 후술하도록 한다.

상기와 같은 소재와 형상으로 제조된 충진재(30)는 요구되는 강도에 따라 트러스 구조체(10)에 형성된 다수의 빈 공간 중 일부 또는 전체에 충진될 수 있다.

계속하여, 이하에서는 본 발명에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 다양한 실시예에 대하여 설명한다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 구조를 도시하기 위한 도면이다.

도 8에는 서로 수직한 3방향의 직선 와이어(21)로 구성된 육면체 트러스 구조체(11)에 육면체 충진재(31)가 충진된 주기적인 다공질 재료의 구조가 도시되어 있다. 이와 같이 트러스 구조체에 충진되는 충진재가 다면체인 경우에는, 도 8의 우측에 도시된 바와 같이, 충진재(31)의 모서리 부분에 와이어(21)의 외주면에 대응되는 형상의 홈(34)을 형성함으로써 각 충진재(31)가 와이어(21)의 간섭없이 인접하는 충진재(31)와 최대한 밀착될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 도 9에는 연속된 직선 와이어(22)로 구성된 유사 옥테트 트러스 구조체(12)에 구형 충진재(32)가 충진된 주기적인 다공질 재료의 구조가 도시되어 있다.

계속하여, 도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 피라미드 트러스 구조체(13)에 피라미드형 충진재(33)와 사면체 충진재(33')가 충진된 주기적인 다공질 재료의 구조가 도시되어 있다. 여기서는 설명의 편의를 위해 1층의 구조만을 도시 하였다. 본 실시예의 경우에도 도 8의 실시예와 유사하게 구형이 아닌 다면체의 충진재(33, 33')가 사용되므로, 충진재(33, 33')의 모서리에 와이어(23)의 형상에 대응하는 홈(34)을 형성함으로써 충진재(33, 33')가 서로 밀착되도록 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료는 트러스 구조체와 충진재로 구성됨으로써, 각 부재의 장점을 모두 취할 수 있다. 예컨대, 탄소섬유, 피아노선 등을 와이어로 사용하여 트러스 구조체를 형성하였을 경우에는, 와이어의 인장에 강한 특성과 트러스 구조체의 빈 공간에 충진되는 충진재의 높은 압축강도 특성을 동시에 가지는 이상적인 물성의 다공질 재료를 만들 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료에 대하여 설명하였다.

이하에서는 상기와 같은 본 발명에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제조하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법은, 와이어를 직조 또는 교차 배치하여 다수의 구멍을 가지는 그물 형태의 2차원 평면을 형성하는 단계, 상기 2차원 평면에 형성된 다수의 구멍 중 적어도 일부에 다면체 또는 구형의 충진재를 배치하는 단계, 상기 다면체 또는 구형의 충진재가 배치된 2차원 평면을 복수의 층으로 적층하는 단계, 상기 복수의 층으로 적층된 2차원 평면을 와이어로 엮어 3차원 트러스 구조체를 형성하는 단계로 구성된다.

또한, 본 발명은 트러스 구조체의 형성 후, 수지접합, 브레이징, 납땜, 용접 등의 방법으로 상기 다면체 또는 구형의 충진재와 와이어를 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 충진재로서 내부가 빈 금속구(Metal Hollow Sphere: MHS)를 사용하면 보다 가볍고, 강도 및 변형 에너지의 흡수력도 향상된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 얻을 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법은 다양한 형태로 실시될 수 있는 바, 이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 11 내지 도 14은 각각 도 7 내지 도 10의 실시예에 따른 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 도시하기 위한 도면이다.

먼저, 도 11을 참고할 때, 면내(in-plane)에 3 방향의 나선형 와이어(20)를 직조하여 2차원 카고메 트러스 구조를 형성하고, 2차원 카고메 트러스 구조에 형성된 다수의 육각형 구멍에 구형의 충진재(30)를 위치시켜 배치한 다음, 이를 복수의 층으로 적층하고 면외(out-of-plane)의 세 방향으로 나선형 와이어(20)를 회전 삽입하면 3차원 카고메 트러스 형태와 유사한 구조체(10)를 형성할 수 있다.

도 12에는 본 발명의 다른 실시예로서, 면내에 2방향의 평행한 와이어(21)를 서로 수직하게 배열하고, 그 위에 다수의 육면체 충진재(31)을 배치한 다음, 면외의 수직 방향으로 제3 와이어(21')를 삽입함으로써 다공질 구조체(11)를 형성하는 방법이 예시되어 있다. 이 경우에는 와이어들(21, 21')이 서로를 구속하지 않으므 로 다공질 구조체(11)의 외부에 별도의 지지 프레임(도면 미도시)을 이용하여 와이어(21, 21')의 위치를 고정할 필요가 있다.

계속하여, 도 13에는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다.

구체적으로, 도 13을 참고할 때, 면내의 세 방향의 직선 와이어(22)가 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖도록 교차하여 중첩한 후, 이에 따라 형성된 다수의 삼각형 구멍에 구형의 충진재(32)를 배치하고, 이를 복수의 층으로 적층하여 다시 면외의 3 방향으로 직선 와이어(22)를 삽입함으로써 3차원 옥테트 트러스와 유사한 구조체(12)를 형성할 수 있다.

여기서 다수의 삼각형 구멍에 구형의 충진재(32)를 배치할 때에는, 충진재(32)의 부피를 고려하여 모든 구멍에 배치하지 않고, 충진재(32)가 충진된 구멍의 인접하는 구멍은 빈 공간으로 두는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시예의 경우에도 와이어들(22)이 고정되어 있지 않으므로 도 12의 실시예와 동일하게 별도의 지지 프레임(도면 미도시)을 이용하여 와이어(22)의 위치를 고정시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 14는 피라미드형 충진재 및 사면체 충진재를 이용하여 다공질 구조체를 형성하는 방법을 도시하고 있다. 먼저, 평판(40) 위에 소정의 간격을 유지하면서 피라미드형 충진재(33)를 배치한 후, 다수의 피라미드형 충진재(33) 사이에 형성된 공간에 사면체 충진재(33')를 배치한다. 계속하여 충진재(33, 33')가 배치된 평판 위에 피라미드 트러스 구조를 위치시키고, 사면체 충진재(33')와 피라미드형 충진재(33)를 차례로 배치한 다음, 그 위에 별도의 평판(41)을 배치하면 다공질 구조체(13)를 얻을 수 있다.

이상 설명한 도 11 내지 도 14의 실시예에 따라 다공질 구조체를 형성한 후에는, 전술한 바와 같이, 최종적으로 와이어, 트러스 구조체, 충진재, 평판 등을 서로 접합하여 고정시킬 수 있다. 구체적으로, 충진재가, 융점이 높은 세라믹이거나, 와이어 또는 트러스 구조를 구성하는 금속보다 높은 융점을 가지는 금속인 경우에는 브레이징을 사용할 수 있다. 이외에도 와이어, 트러스 구조, 충진재의 소재 또는 용도에 따라 수지접합이나 납땜, 용접 등의 방법을 사용하는 것도 가능하다.

이상으로 본 발명에 따른 내부 공간이 다면체 또는 구형의 재료로 충진된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료와 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 사항으로부터 파악될 수 있는 모든 변형예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 피라미드, 옥테트, 및 카고메 트러스의 단층 구조를 도시하기 위한 도면,

도 2 내지 도 6은 와이어를 소재로 하여 제작된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 도시하기 위한 도면,

도 7 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 구조를 도시하기 위한 도면,

도 11 내지 도 14는 각각 도 7 내지 도 10의 실시예에 따른 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 도시하기 위한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 설명

10, 11, 12, 13 : 트러스 구조체 20, 21, 22, 23 : 와이어

30, 31, 32, 33, 33' : 충진재 34 : 홈

40, 41 : 평판

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 와이어를 직조 또는 교차 배치하여 다수의 구멍을 가지는 그물 형태의 2차원 평면을 형성하는 단계;

   상기 2차원 평면에 형성된 다수의 구멍 중 적어도 일부에 다면체 또는 구형의 충진재를 배치하는 단계;

   상기 다면체 또는 구형의 충진재가 배치된 2차원 평면을 복수의 층으로 적층하는 단계;

   상기 복수의 층으로 적층된 2차원 평면을 면외 방향으로 삽입되는 와이어로 엮어 3차원 트러스 구조체를 형성하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 트러스 구조체를 형성한 후에, 상기 다면체 또는 구형의 충진재와 와이어를 각각 또는 서로 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 구형의 충진재는,

   내부가 빈 금속구(Metal Hollow Sphere: MHS)인 것을 특징으로 하는 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.

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