KR20140094050A - Thin sandwich panel for press forming and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박판 샌드위치 판재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 차체 등 충분한 강도 및 강성 뿐만 아니라 프레스 성형이 가능한 구조체의 소재로 적용될 수 있는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin plate sandwich plate material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a thin plate sandwich plate material for press molding which can be applied not only to a sufficient strength and rigidity such as an automobile body but also to a press- will be.
최근 자동차 경량화를 위하여 경금속, 복합재료 및 초고강도 강재의 사용이 증가하고 있다. 그러나, 이러한 신소재들은 강성도(stiffness) 측면에서 현저한 약점을 가진다. 즉, 무게대비 강도(strength)는 기존 압연 강판보다 우수한 반면에 강성도는 오히려 낮아져서 자동차의 전체적인 동적, 정적 안정성(stability)에 악영향을 끼치게 된다. 이에 대한 대안으로서 샌드위치 판재의 사용이 고려될 수 있다. 자동차 구조체로서 샌드위치 판재가 가져야 할 조건은 충분한 강도 및 강성 뿐만 아니라 기존의 제조공정, 즉, 프레스 성형 및 점용접(spot welding)을 적용할 수 있어야 한다는 것이다.Recently, the use of light metals, composites, and ultra high strength steels has been increasing to lighten automobiles. However, these new materials have a significant weakness in terms of stiffness. That is, the weight-to-weight strength is superior to that of the conventional rolled steel sheet, but the stiffness is lowered, which adversely affects the overall dynamic and static stability of the vehicle. As an alternative to this, the use of a sandwich plate may be considered. Sandwich plates as automobile structures must have sufficient strength and rigidity as well as the ability to apply existing manufacturing processes, such as press forming and spot welding.
캠브리지(Cambridge) 대학 연구진과 볼보(Volvo) 자동차는 두 장의 100㎛ 두께의 스테인리스강 박판 사이에 직경 25㎛, 길이 1㎜의 수 많은 스테인리스강 필라멘트가 자기장과 정전기의 작용하에 수직에 가깝게 배열된 상태에서 에폭시 수지로 고정된 형태의 박판 샌드위치 판재를 제시한 바 있다(미국등록특허 제6,764,772호 참조). 총 두께는 1㎜ 정도로서 가볍고도 강도가 높으며 프레스 성형과 점용접이 가능한 것으로 보고(Markaki, A.E., Westgate, S.A., Clyne, T.W., 2002, in: Ghosh, T.S., Sanders, T.D., Clark, A.K. (Eds.), Proceedings of 3 rd Global Symposium on Materials Processing and Manufacturing, TMS Meeting, Seattle, WA, pp. 15)되었으며, 굽힘강성과 계면분리현상에 대해서도 연구된 바 있다(Markaki, A.E., Clyne, T.W., 2003, "echanics of thin ultra-light stainless steel sandwich sheet material: Part Ⅰ. Stiffness," Acta Materialia, Vol. 51, pp.1341-1350.; Markaki, A.E., Clyne, T.W., 2003, "echanics of thin ultra-light stainless steel sandwich sheet material: Part Ⅱ. Resistance to delamination,?Acta Materialia, Vol. 51, pp.1341-1357). 그러나, 심재를 구성하는 스테인리스강 필라멘트가 불규칙적으로 분포하기 때문에 무게대비 강도와 강성도가 충분히 높지 않다는 문제가 있어 아직까지 실제적으로 활용된 실적이 없다.Cambridge University researchers and Volvo cars have found that a number of stainless steel filaments 25 μm in diameter and 1 mm in length are arranged vertically close to each other under the influence of magnetic fields and static electricity between two sheets of 100 μm thick stainless steel sheets (See U.S. Patent No. 6,764,772). As shown in Fig. A total thickness of about 1 mm is considered to be light and high in strength and can be press-formed and spot welded (Markaki, AE, Westgate, SA, Clyne, TW, 2002, in: Ghosh, TS, Sanders, .),Proceedings of 3 rd Global Symposium on Materials Processing and Manufacturing, TMS Meeting, Seattle, WA, pp. 15), and bending stiffness and interface separation phenomena have been studied (Markaki, A.E., Clyne, T.W., 2003, "echanics of thin ultra-light stainless steel sandwich sheet material: Part I. Stiffness,Acta Materialia, Vol. 51, pp. 1361-1350; Markaki, A. E., Clyne, T.W., 2003, "Echanics of thin ultra-light stainless steel sandwich sheet material: Part II. Resistance to delamination ,?Acta Materialia, Vol. 51, pp.1341-1357). However, since the stainless steel filaments constituting the core material are irregularly distributed, there is a problem that the strength and stiffness are not sufficiently high compared to the weight.
이보다 먼저 독일의 아헨(Aachen) 공대에서는 단순 철망의 양면에 박판을 전기저항 용접으로 부착한 연강재 박판 샌드위치 그리드 시트(Grid Sheet)를 개발한 바 있다(미국등록특허 제4,759,994호 참조). 그러나, 저렴한 생산비와 높은 성능에도 불구하고, 프레스 성형성이 다소 미흡하고, 제조과정에서 심재의 철망이 표면에 요철 자국을 남기기 때문에 미관이 중요시되는 자동차용 소재로서 널리 활용되지 못하고 있다. 또한, 벤츠(Benz)사에서는 일부 고급 승용차의 후면판과 고온용 터빈의 덮개(housing)로서 사용에 대해 보고하고 있다(http;//www.isf.rwth-aachen.de/index.php?id=39&L=1; El-Magd, E., Gebhard, J., Stuhrmann, J., 2007, "Simulation of the creep behaviour of P92 sandwich structures at 650℃ with loading transverse to the intermediate layer," Computational Materials Science, Vol. 39, pp.446-452)First of all, the Aachen University of Technology has developed a steel sheet laminate sandwich grid sheet (Patent No. 4,759,994) in which a thin plate is attached to both sides of a simple wire net by electric resistance welding. However, in spite of its low production cost and high performance, the press formability is somewhat insufficient, and the wire mesh of the core material leaves a surface irregularity on the surface in the manufacturing process, so that it is not widely utilized as a material for automobiles in which the beauty is important. In addition, Benz reports on the use of the rear panel of some luxury passenger cars as a housing for high temperature turbines (http: //www.isf.rwth-aachen.de/index.php?id = 39 & L = 1; El -Magd, E., Gebhard, J., Stuhrmann, J., 2007, "Simulation of the creep behaviour of P92 sandwich structures at 650 ℃ with loading transverse to the intermediate layer," Computational Materials Science , Vol. 39, pp.446-452)
본 발명은 자동차 차체 등 충분한 강도 및 강성 뿐만 아니라 기존의 프레스 성형이 가능한 구조체의 소재로 적용될 수 있으며, 대량생산성이 우수하면서도 제조비용이 저렴한 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a thin plate sandwich plate for press molding which can be applied not only to a sufficient strength and rigidity such as an automobile body, but also to a material of a structure capable of conventional press forming, and which has high mass productivity and low manufacturing cost.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 주기적인 구멍이 형성된 평판 금속망으로 이루어진 심재; 및 상기 심재의 상면 및 하면에 각각 접착 형성된 금속성 면재;를 포함하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 제공한다.As a means for solving the above-mentioned technical problems, the present invention provides a core material comprising a flat metal net formed with periodic holes; And a metallic face plate adhered to upper and lower surfaces of the core member, respectively.
또한, 상기 금속망은 압연으로 평탄화된 확장금속망인 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 제공한다.Further, the present invention provides a thin plate sandwich plate for press forming, wherein the metal net is an expanded metal net that is flattened by rolling.
또한, 상기 확장금속망 및 상기 금속성 면재는 알루미늄 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속판으로 제조된 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 제공한다.Also, the expanded metal net and the metallic face plate are made of a metal plate containing aluminum or a magnesium alloy.
또한, 상기 심재 두께는 300~2000㎛, 상기 금속성 면재 두께는 50~500㎛ 및 상기 샌드위치 판재 두께는 500~2500㎛인 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 제공한다.The thickness of the core material is 300 to 2000 占 퐉, the thickness of the metallic face plate is 50 to 500 占 퐉, and the thickness of the sandwich plate is 500 to 2500 占 퐉.
또한, 상기 샌드위치 판재는 자동차 차체용 또는 자동차 배출구 주변의 열해 차단용 판재로 사용되는 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 제공한다.Also, the sandwich plate material is used as a heat-shielding plate material for an automobile body or around an outlet of a car, and provides a thin plate sandwich plate for press molding.
상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, (a) 주기적인 구멍이 형성된 확장금속망을 압연으로 평탄화하여 심재를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 심재의 상면 및 하면에 금속성 면재를 접착시키는 단계;를 포함하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: (a) planarizing an expanded metal net having a periodic hole by rolling to form a core; And (b) adhering a metallic face material to the upper and lower surfaces of the core material. The present invention also provides a method for manufacturing a thin plate sandwich plate for press molding.
또한, 상기 접착은 수지 도포, 납땜, 브레이징, 용접 및 용융도금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조방법을 제공한다.Also, the adhesion is performed by one of the methods selected from the group consisting of resin coating, brazing, brazing, welding, and hot-dip coating. The present invention also provides a method of manufacturing a thin plate sandwich plate for press molding.
또한, 상기 수지 도포를 이용한 접착은, (b1) 에폭시 수지가 도포된 심재의 상면 및 하면에 상기 금속성 면재를 배치시키는 단계; (b2) 상기 심재 내부의 공기를 제거하면서 상기 심재 및 상기 금속성 면재를 밀착시키는 단계; 및 (b3) 상기 샌드위치 판재를 가열하여 경화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조방법을 제공한다.(B1) disposing the metallic face material on the upper and lower surfaces of the core material coated with the epoxy resin; (b2) adhering the core material and the metallic face material while removing air inside the core material; And (b3) heating and curing the sandwich plate material. The present invention also provides a method of manufacturing a thin plate sandwich plate for press forming.
본 발명은 구멍이 형성된 평판 금속망을 심재로 사용하여 동일한 무게를 갖는 균질 강판으로 제조된 판재에 비해 강도 뿐만 아니라 강성이 월등히 향상되면서도 프레스 성형이 가능한 박판 샌드위치 판재를 제공할 수 있다.The present invention can provide a thin plate sandwich plate which can be press-formed while significantly improving rigidity as well as strength as compared with a plate made of a homogeneous steel sheet having the same weight by using a flat metal net having a hole as a core.
또한, 높은 강도를 갖는 고가의 재료가 아닌 연강과 같이 염가의 재료를 사용할 수 있어 저렴한 비용으로 가공성이 우수한 박판 샌드위치 판재를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to use an inexpensive material such as mild steel instead of an expensive material having a high strength, thereby providing a thin plate sandwich plate excellent in workability at low cost.
또한, 샌드위치 판재에 내부공간이 존재하여 열이나 소음, 진동 등의 차단에 유리한 박판 샌드위치 판재를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a thin plate sandwich plate having an internal space in the sandwich plate, which is advantageous in blocking heat, noise, vibration and the like.
또한, 심재로 확장금속망을 채용할 경우 재료의 손실 없이 강도 및 강성이 우수하며, 종래 확립된 확장금속망 제조공정을 그대로 활용할 수 있는 박판 샌드위치 판재 제조방법을 제공할 수 있다.In addition, when the expanded metal net is adopted as the core material, it is possible to provide a method for manufacturing a thin plate sandwich plate material which is excellent in strength and rigidity without loss of material and can utilize the established expanded metal net manufacturing process as it is.
또한, 금속망의 평탄화 및 판재 접착이라는 단순한 공정을 통해 경제성이 높고, 미려한 표면을 구현할 수 있는 박판 샌드위치 판재 제조방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a method for manufacturing a thin plate sandwich plate material which can realize a high-quality and beautiful surface through a simple process of flattening a metal net and adhering a plate material.
도 1은 본 발명에 따른 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 모식적으로 나타낸 사시도(a) 및 수직단면도(b),
도 2는 본 발명의 심재로 적용될 수 있는 확장금속망 제조과정을 예시적으로 설명하는 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재가 적용될 수 있는 자동차 차체를 설명하는 그림,
도 4는 본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재를 열해 차단용 판재로 응용할 경우 고온에서 내부 공기팽창에 따른 면재 분리현상을 방지하기 위한 방법을 설명하는 사진,
도 5는 본 발명에 따른 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조과정을 설명하는 모식도 및 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 박판 샌드위치 판재 샘플을 나타낸 사진(a), 수직단면을 확대하여 나타낸 사진(b) 및 수직단면의 SEM(주사식 전자현미경) 사진(c),
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 박판 샌드위치 판재 샘플에 사용된 확장금속망을 직상방에서 바라본 사진,
도 8은 도 7의 확장금속망에 대해 단순한 띠 형태의 모델로 이상화하여 나타낸 모식도(a) 및 이상화된 심재를 갖는 샌드위치 판재의 단면 형상을 나타낸 모식도(b),
도 9는 도 8(b)에서 점선으로 표시된 이상화된 심재를 갖는 샌드위치 판재가 굽힘 모멘트의 작용으로 변형된 형상을 나타낸 모식도,
도 10은 본 발명의 시험예에 따른 인장실험에 사용된 시편 형상을 나타낸 단면모식도,
도 11은 본 발명의 시험예에 따른 인장실험에서 얻어진 스테인리스강 면재의 응력-변형률 곡선을 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 시험예에 따른 삼점굽힘 실험 결과 얻어진 하중-변위 곡선을 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명의 시험예에 따른 삼점굽힘 실험 전후의 시편 형상을 나타낸 사진.1 is a perspective view (a) and a vertical sectional view (b) schematically showing a thin plate sandwich plate for press forming according to the present invention,
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an exemplary process for manufacturing an expanded metal net applicable as a core material of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a view for explaining an automobile body to which the thin plate sandwich plate for press molding according to the present invention can be applied,
4 is a photograph for explaining a method for preventing a face material separation phenomenon due to internal air expansion at a high temperature when the thin plate sandwich plate according to the present invention is applied as a plate for heat shielding,
5 is a schematic view illustrating a process of manufacturing a thin plate sandwich plate for press forming according to the present invention,
FIG. 6 is a photograph (a) showing a sample of a thin plate sandwich plate produced according to an embodiment of the present invention, a photograph (b) showing an enlarged vertical section and a SEM (scanning electron microscope)
FIG. 7 is a photograph of an extended metal net used in a sample of a thin plate sandwich plate produced according to an embodiment of the present invention,
FIG. 8 is a schematic diagram (a) showing idealized simple model of the extended metal network of FIG. 7 and a schematic view (b) showing the sectional shape of the sandwich plate having idealized core,
FIG. 9 is a schematic view showing a shape in which a sandwich plate material having idealized core shown by a dotted line in FIG. 8 (b) is deformed by the action of a bending moment,
10 is a cross-sectional view showing a specimen shape used in a tensile test according to a test example of the present invention,
11 is a graph showing a stress-strain curve of a stainless steel flange obtained in a tensile test according to a test example of the present invention,
12 is a graph showing load-displacement curves obtained as a result of three-point bending test according to the test example of the present invention,
13 is a photograph showing a specimen shape before and after the three-point bending test according to the test example of the present invention.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 도시된 세부구성의 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 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 있음을 의미한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to clearly explain the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification, and the directions of the detailed configurations are illustrated with reference to the drawings. Also, throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements, unless specifically stated otherwise.
자동차 차체 등 충분한 강도 및 강성 뿐만 아니라 기존의 프레스 성형이 가능한 구조체의 소재로 적용될 수 있는 새로운 박판 샌드위치 판재가 충족해야 할 조건으로는, 기존 프레스 성형공정을 그대로 사용할 수 있도록 두께가 1~2㎜ 정도이어야 하고, 둘째, 대량생산성이 우수해야 하고, 무게대비 강도가 높아야 하고, 제조비용이 저렴해야 한다.In addition to sufficient strength and rigidity such as automobile body, the new laminate sandwich plate which can be applied to the structure of the existing press-forming structure is required to have a thickness of 1 to 2 mm Second, it should be excellent in mass productivity, high in weight-to-weight, and low in manufacturing cost.
본 발명자들은 이와 같은 조건을 만족하는 샌드위치 판재를 개발하고자 예의 연구를 거듭한 결과, 스테인리스강과 같은 박판 금속성 면재(face sheet)와 알루미늄 금속판 등으로 제조된 주기적인 구멍이 형성된 평판 금속망을 에폭시 수지 등의 접착 수단을 이용하여 접착시킴으로써 제조되는 박판 샌드위치 판재가 상기 조건들을 만족시키는 것은 물론, 제조공정이 간단하여 대량생산에 유리하고, 이미 확립된 공정을 활용하므로 투자비용이 최소화되며 스테인리스 강판은 연강판으로 대체 가능하여 재료비용도 저렴하고, 재료 선정에 따라 판재 두께 조절이 쉬우며, 알루미늄 또는 마그네슘 합금 소재의 확장금속망의 경우에는 소재 자체도 경금속이면서 내부에 빈 공간이 많아 강도의 희생을 최소화하면서 경량화에 유리하고, 심재가 작고 일정한 사각형 또는 마름모꼴이 사방으로 반복된 형상을 가지므로 위치 또는 방향에 따른 물성 차이가 적어 차체의 복잡한 굴곡 성형에도 유리한 것을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.The inventors of the present invention have made intensive studies to develop a sandwich plate satisfying such conditions. As a result, it has been found that a flat metal net having a periodic hole formed of a thin sheet metal face sheet such as stainless steel and an aluminum metal plate, The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a stainless steel sheet, , It is easy to control the thickness of plate according to the material selection. In case of expanded metal net made of aluminum or magnesium alloy, since the material itself is light metal and has plenty of voids inside, It is advantageous for weight saving, and the core is small and constant square Or a diamond-shape, because of the repeated shape in every direction led to the invention have physical properties differ according to the position or direction of the note to check on the beneficial for complex bending of the molded body.
도 1은 본 발명에 따른 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재를 모식적으로 나타낸 사시도(a) 및 수직단면도(b)이다.1 is a perspective view (a) and a vertical sectional view (b) schematically showing a thin plate sandwich plate for press forming according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 주기적인 구멍이 형성된 평판 금속망으로 이루어진 심재(110); 및 상기 심재(110)의 상면 및 하면에 각각 접착 형성된 금속성 면재(120);를 포함하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재(100)를 개시한다.As shown in FIG. 1, the present invention includes a
본 발명에서 상기 금속망은 평판형의 금속판에 주기적인 구멍, 예컨대, 사각형, 마름모꼴, 육각형 등 일정한 형상의 구멍이 형성된 것이라면, 그 형성 방법에 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 얇은 판재에 주기적인 구멍이 형성되도록 천공하여 그물 형태로 형성시킬 수 있고, 재료 손실을 없애기 위해 천공 대신 확장금속망 공정을 이용할 수도 있다.In the present invention, the metal net is not particularly limited as long as it has periodic holes, for example, rectangular holes, diamond holes, and hexagonal holes formed in a flat metal plate. For example, it may be formed in a net form by perforating a periodic hole in a thin plate, and an expanded metal net process may be used instead of a perforation to eliminate material loss.
도 2는 본 발명의 심재로 적용될 수 있는 확장금속망 제조과정을 예시적으로 설명하는 모식도이다.2 is a schematic diagram illustrating an exemplary process for manufacturing an expanded metal net applicable to the core of the present invention.
본 발명의 심재(110)로 적용될 수 있는 확장금속망 제조는 먼저, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 얇은 금속판(1)을 지지대(platform)(2) 위에서 그 가장자리 쪽으로 조금씩 평행하게 이송하는 과정과, 좁은 띠 형태로 가장자리에 노출된 금속판(1)을 톱니형 절단날(3)과 일자형 절단날 사이에서 전단 및 인장하여 금속망으로 확장하는 과정을 반복하고, 이후, 압연(4) 등을 통해 확장금속망을 평탄화시켜 수행될 수 있다. 또한, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 얇은 평판(5)에 레이저 커팅, 방전 와이어 커팅 등을 이용하여 규칙적인 절단선(6)을 형성한 후 양쪽으로 확장하는 방법으로도 수행될 수 있다.The manufacturing of the expanded metal net applicable to the
상기 확장금속망의 소재로 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 본질적으로 알루미늄 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속판을 이용하여 제조된 것일 수 있다.The material of the expanded metal net is not particularly limited, but it may preferably be made of a metal plate essentially consisting of aluminum or a magnesium alloy.
본 발명에서 상기 금속성 면재(120)는 상기 심재(100)의 상면 및 하면에 각각 접착 형성되며, 제조되는 샌드위치 판재(100)의 적용 측면에 따라 다양한 소재가 선택될 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재(100)를 자동차 차체(도 3 참조)용 또는 자동차의 배출구 주변의 열해 차단용 판재로 사용하고자 할 경우 상기 금속성 면재(120)는 본질적으로 알루미늄 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속판으로 제조된 것을 선택하여 경량화와 강도 및 강성을 동시에 만족시킬 수 있다.In the present invention, the
여기서, 상기 열해 차단용 판재로 응용할 경우 내부 공간에 공기가 팽창하여 접착부 분리 현상이 발생할 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재를 열해 차단용 판재로 응용할 경우 고온에서 내부 공기팽창에 따른 면재 분리현상을 방지하기 위한 방법을 설명하는 사진이다.Here, in the case of the application as the heat shielding plate material, the air may expand into the inner space, and the separation of the adhesive portion may occur. 4 is a photograph for explaining a method for preventing a face material separation phenomenon due to internal air expansion at a high temperature when the thin plate sandwich plate according to the present invention is applied as a plate for heat shielding.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재(100)를 열해 차단용 판재로 응용 시 상기 심재와 상기 금속성 면재의 접합 전 또는 접합 후에 확장금속망의 빈 공간에 위치한 면재 부분에 작은 구멍(7)을 뚫어 공기 유통이 가능하게 하거나(a), 오목하게 눌러(b) 빈 공간의 공기 잔류량을 최소화함으로써 고온에서 내부 공기팽창에 따른 면재 분리현상을 방지할 수 있다.4, when the thin
본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재(100)는 상기 자동차 차체용 또는 열해 차단용 판재로 적용 및 프레스 성형이 용이하도록 상기 심재 두께는 300~2000㎛, 바람직하게는 500~900㎛, 상기 금속성 면재 두께는 50~500㎛, 바람직하게는 100~300㎛ 및 상기 샌드위치 판재의 총 두께는 500~2500㎛, 바람직하게는 800~1200㎛ 범위에서 제조되도록 할 수 있다.The thickness of the core material is 300 to 2000 탆, preferably 500 to 900 탆, and the thickness of the metallic face material is 100 to 200 탆, for easy application and press molding of the thin
도 5는 본 발명에 따른 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조과정을 설명하는 모식도 및 사진이다.5 is a schematic view illustrating a process for manufacturing a thin plate sandwich plate for press forming according to the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재는 기본적으로 (a) 주기적인 구멍이 형성된 확장금속망(111)을 평탄화하여 심재(110)를 형성하는 단계(ⓐ); 및 (b) 상기 심재(110)의 상면 및 하면에 금속성 면재(120)를 접착시키는 단계(ⓑ~ⓓ);를 거쳐 제조된다.Referring to FIG. 5, the plate sandwich plate for press forming according to the present invention basically comprises the steps of (a) forming a
상기 (a) 단계에서 상기 금속망(111)은 전술한 바와 같이, 금속판에 주기적인 구멍, 예컨대, 사각형, 마름모꼴, 육각형 등 일정한 형상의 구멍이 형성된 것이라면, 그 형성 방법에 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 얇은 판재에 주기적인 구멍이 형성되도록 천공하여 그물 형태로 형성시킬 수 있고, 재료 손실을 없애기 위해 천공 대신 확장금속망 공정(도 2 참조)을 이용할 수도 있다. In the step (a), as described above, if the
상기 확장금속망 공정을 이용할 경우 상기 평탄화는 상기 확장금속망(111)에 대해 롤링(rolling) 등 압연(4)을 통해 수행될 수 있다. 이때, 상기 확장금속망(111)은 알루미늄 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속판을 이용할 수 있으며, 상기 압연 시 평탄화되는 확장금속망의 두께가 300~2000㎛, 바람직하게는 500~900㎛가 되도록 조절할 수 있다.When the extended metal mesh process is used, the planarization may be performed by rolling or rolling 4 on the expanded
상기 (b) 단계는 상기 평탄화된 금속망(110)의 상면 및 하면에 금속성 면재(120)를 접착시키는 공정으로, 상기 금속성 면재(120)는 전술한 바와 같이 제조되는 샌드위치 판재(100)의 적용 측면에 따라 다양한 소재를 선택하여 접착시킬 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재(100)를 자동차 차체(도 3 참조)용 또는 자동차의 배출구 주변의 열해 차단용 판재로 사용하고자 할 경우 상기 금속성 면재(120)는 본질적으로 알루미늄 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속판으로 제조된 것으로 접착시킬 수 있다.The step (b) is a step of adhering the
상기 접착은 수지 도포, 납땜, 브레이징, 용접, 용융도금 등 다양한 방법으로 수행될 수 있으나, 수지 도포의 경우 에폭시 수지를 이용하여 간단한 방법으로 수행될 수 있다. 물론, 아연, 알루미늄 등을 이용한 용용도금과 같은 방법을 이용할 경우, 수지 접착 시 발생할 수도 있는 접착력 부족이나 충격강도 부족을 보강할 수 있고, 내부식성을 향상시킬 수 있다.The bonding can be carried out by various methods such as resin coating, brazing, brazing, welding, and hot dip coating, but in the case of resin coating, it can be carried out by a simple method using an epoxy resin. Of course, when a method such as galvanizing using zinc or aluminum is used, it is possible to reinforce the insufficient adhesive force or the lack of impact strength which may be caused when the resin is adhered, and the corrosion resistance can be improved.
상기 에폭시 수지를 이용하는 방법은 상기 심재의 평탄 부위에 에폭시 수지를 도포(ⓑ)하여 수행될 수 있다. 예컨대, 고무롤러(8)에 에폭시 수지를 적당량 바른 후 롤링하여 수행될 수 있으며, 이때, 상기 심재(110)의 구멍 부분에 수지가 채워지지 않도록 하는 것이 바람직하다.The method using the epoxy resin may be performed by applying an epoxy resin to the flat part of the core material (b). For example, it may be performed by applying an appropriate amount of epoxy resin to the
이후, 에폭시 수지가 도포된 심재(110) 양면에 면재(120)를 배치(ⓒ)시키고 진공로를 사용하여 심재(110) 내부에 있는 공기를 제거하면서 면재(120) 및 심재(110)를 밀착시고 진공 시 흘러나온 에폭시 수지를 제거한 후 진공 전기로(9)에서 가열(ⓓ)하여 접착시킬 수 있다.
Thereafter, the
실시예Example
먼저, 300㎛ 두께의 스테인리스강판(SUS304)(이하의 실시예에서는 실험의 편의를 위해 스테인리스강판을 사용하였으나, 실제 적용 시 알루미늄 또는 마그네슘 합금 등 경량 및 경제적인 소재를 사용할 수 있음은 물론이다.) 두 장과 700㎛ 두께의 압연된 알루미늄(AL1100) 확장금속망을 각각 80㎜×300㎜ 크기로 시편을 재단하였다. 이후, 아세톤으로 시편 표면의 미세 먼지나 불순물을 제거하고, 고무롤러를 이용하여 에폭시 수지(E206S, Konish사)를 확장금속망 표면에만 도포한 후 상하부에 면재를 맞대고 고정시켰다. 이때, 확장금속망의 빈 공간이 채워지지 않도록 에폭시 수지의 사용량을 최소화하였다. 이후, 시편을 밀폐된 챔버에 넣어 진공(-1㎫)을 가하여 에폭시 수지 내의 기포를 제거하였다. 이 과정에서 심재 내의 공기도 빠지면서 면재와 심재가 밀착된다. 진공 시 양 옆으로 흘러나온 에폭시 수지를 제거한 후 전기오븐(OV-12, JEIOTECH사)에서 120℃에서 2시간 동안 가열하여 에폭시 수지를 경화시켜 박판 샌드위치 판재 샘플을 제작하였다.First, a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 300 mu m (stainless steel plate is used for the convenience of experiment in the following examples, but it is needless to say that lightweight and economical materials such as aluminum or magnesium alloy can be used in practical application). The specimens were cut into two pieces and a rolled aluminum (AL1100) expanded metal net having a thickness of 700 mu m, each having a size of 80 mm x 300 mm. Then, fine dust or impurities on the surface of the specimen were removed with acetone, and an epoxy resin (E206S, Konish Co.) was applied only on the surface of the expanded metal net using a rubber roller, and then the face plate was fixed to the upper and lower portions. At this time, the amount of epoxy resin used is minimized so that the empty space of the expanded metal net is not filled. Thereafter, the specimen was placed in a closed chamber and vacuum (-1 MPa) was applied to remove air bubbles in the epoxy resin. In this process, the air inside the core is also released and the face and core are closely contacted. After removing the epoxy resin flowing on both sides of the vacuum, the epoxy resin was cured by heating in an electric oven (OV-12, JEIOTECH) at 120 ° C for 2 hours to prepare a thin plate sandwich plate sample.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 박판 샌드위치 판재 샘플을 나타낸 사진(a), 수직단면을 확대하여 나타낸 사진(b) 및 수직단면의 SEM(주사식 전자현미경) 사진(c)이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 박판 샌드위치 판재 샘플에 사용된 확장금속망을 직상방에서 바라본 사진이다.FIG. 6 is a photograph (a) showing a sample of a thin plate sandwich plate manufactured according to the embodiment of the present invention, a photograph (b) showing an enlarged vertical section and a SEM (scanning electron microscope) FIG. 7 is a photograph of an expanded metal net used in a sample of a thin plate sandwich plate produced according to an embodiment of the present invention, viewed from above.
도 6에 나타낸 바와 같이, 면재 및 심재를 접착시키는 에폭시 수지(도 6(c)에서 회색으로 나타난 부분)가 면재와의 접촉부에만 존재하고 검은색으로 나타난 내부 빈 공간에는 존재하지 않음을 알 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 본 발명에서 사용된 확장금속망의 상하 면재와 접촉하는 부분은 충분히 평탄화되어 있음을 알 수 있고, 노란색 점선으로 나타낸 사각형의 단위셀을 대상으로 면적을 계산한 결과 확장금속망 심재에서 약 60%의 빈 공간(porosity)이 존재함을 알 수 있었다. 도 7에서 x축은 확장금속망의 길이 방향을 나타내고 있다.
As shown in Fig. 6, it can be seen that the epoxy resin (the portion indicated by gray in Fig. 6 (c)) which adheres the face plate and the core material exists only in the contact portion with the face plate and does not exist in the inner blank space indicated by black . Referring to FIG. 7, it can be seen that the portion of the expanded metal net used in the present invention, which is in contact with the upper and lower face plates, is sufficiently planarized. As a result of calculating an area of a rectangular unit cell indicated by a yellow dashed line, It was found that about 60% porosity exists in the core of the metal net. In FIG. 7, the x-axis shows the longitudinal direction of the expanded metal net.
면재항복Foam yield 및 And 접착부Adhesive portion 분리에 대한 For separation 파괴모드Destruction mode 이론 theory
상기 실시예에 따라 제작된 박판 샌드위치 판재 샘플에 대한 하기 시험에 앞서 면재항복 및 접착부 분리에 대한 파괴모드 이론에 대해 설명하기로 한다.The failure mode theory for the yielding of the flake and the separation of the bond portion will be described prior to the following test for the thin plate sandwich plate sample produced according to the above embodiment.
굽힘하중을 받는 샌드위치 판재는 면재항복(face sheet yielding), 면재좌굴(face sheet buckling), 심재전단(core shear), 압입(indentation) 등의 여러 가지 파괴모드를 가진다(Ashby, M.F., Evans, A.G., Fleck, N.A., Gibson, L.J., Hutchison, J.W., Wadley, H.N.G., 2000, Metal foams : a design guide. Butterworth Heinemann, Bostion). 상기 실시예에 따른 박판 샌드위치 판재 샘플의 경우 심재의 공극률(porosity)이 하니컴이나 발포재보다 훨씬 낮아 압축강도나 전단강도가 아주 높을 것이 명백하므로 심재전단과 압입의 가능성은 무시할 수 있다. 또한, 확장금속망 심재가 유한한 폭을 가진 선의 형태로 면재에 부착되므로 면재가 심재 구멍 위치에서 오목과 볼록이 반복되는 형태로 좌굴(buckling or wrinkling)(Wicks, N., Hutchinson, J.W., 2001, "Optimal truss plates," International Journal of Solids and Structures, Vol. 38, pp.5165-5183)이 발생하기도 어렵다. 반면에 면재와 심재 사이가 에폭시 수지로 접합되어 접착부 분리(face sheet debonding)가 발생할 우려가 있으므로 이하의 시험예에서는 면재항복 및 접착부 분리 등 두 가지 파괴모드에 대한 강도를 예측하였다.Sandwich plates subjected to bending loads have various failure modes such as face sheet yielding, face sheet buckling, core shear, indentation, etc. (Ashby, MF, Evans, AG , Fleck, NA, Gibson, LJ, Hutchison, JW, Wadley, HNG, 2000, Metal foams : a design guide . Butterworth Heinemann, Bostion). The porosity of the core material is much lower than that of the honeycomb or foamed material, so that the compressive strength and the shear strength are very high, so that the possibility of core material shearing and indentation is negligible. In addition, buckling or wrinkling (Wicks, N., Hutchinson, JW, 2001) is applied to the buckling of buckling and convexity of the face plate in the position of the core hole because the expanded metal core is attached to the face plate in the form of a line having a finite width. , "Optimal truss plates," International Journal of Solids and Structures , Vol. 38, pp.5165-5183). On the other hand, face sheet debonding may occur because the face material and the core material are bonded with epoxy resin. Therefore, in the following test examples, the strengths of two failure modes, such as face material yield and adhesive part separation, are predicted.
도 8은 도 7의 확장금속망에 대해 단순한 띠 형태의 모델로 이상화하여 나타낸 모식도(a) 및 이상화된 심재를 갖는 샌드위치 판재의 단면 형상을 나타낸 모식도(b)이고, 도 9는 도 8(b)에서 점선으로 표시된 이상화된 심재를 갖는 샌드위치 판재가 굽힘 모멘트의 작용으로 변형된 형상을 나타낸 모식도이다.Fig. 8 is a schematic diagram (a) showing idealized simple model of the extended metal net in Fig. 7 and a schematic diagram (b) showing a sectional shape of the sandwich plate having idealized core material, Fig. 9 is a cross- Is a schematic view showing a shape in which a sandwich plate having an idealized core shown by a dotted line is deformed by the action of a bending moment.
도 8에 도시된 바와 같이, 먼저 계산의 편의를 위하여 도 7의 복잡한 심재 형상을 단순한 띠 형태의 모델로 이상화하였고, 도 8에서 c는 이상화된 심재의 폭으로 앞서 계산한 바에 따라 c=(1-0.6)b=0.4b이다.As shown in FIG. 8, for convenience of calculation, the complex core shape of FIG. 7 is idealized as a simple band-shaped model. In FIG. 8, c represents the width of the idealized core, and c = -0.6) b = 0.4b.
도 9에서 먼저, 심재와 면재가 다른 재료이므로 굽힘하중 작용 시 곡률반경(ρ)과 모멘트(M)의 관계는 하기 수학식 1과 같다.In FIG. 9, since the core material and the face material are different materials, the relationship between the radius of curvature (rho) and the moment (M) upon bending load operation is expressed by the following equation (1).
수학식 1에서 E는 재료의 영(Young) 계수, I는 단면 2차 모멘트이며, 아래첨자 1 및 2는 각각 한쪽 면재 및 심재를 나타낸다. 따라서, I1, I2는 하기 수학식 2와 같다.In the equation (1), E is the Young's modulus of the material, I is the moment of inertia of the cross section, and
강성도(stiffness, P/δ)는 하기 수학식 3과 같이 표현된다.The stiffness (P / delta) is expressed by the following equation (3).
수학식 3에서 s는 양단 지지점 사이 거리(span), P는 작용 하중, δ는 하중 작용 지점에서의 변위이며, N은 심재 폭 방향에 존재하는 단위셀의 개수이다. 면재에 작용하는 x-방향 최대 수직응력(σmax)과 면재와 심재 사이 접합부에 걸리는 전단응력(τint)은 하기 수학식 4 및 수학식 5와 같다.In the equation (3), s is the distance between the two end supports (span), P is the acting load, δ is the displacement at the load acting point, and N is the number of unit cells existing in the core width direction. The maximum x-direction normal stress (σ max ) acting on the face plate and the shear stress (τ int ) applied to the joint between the face plate and the core are given by the following equations (4) and (5).
수학식 5에서 V는 단면에 작용하는 전단력(shear force)이고, Q는 한쪽 면재 단면의 단면 1차 모멘트로서 하기 수학식 6과 같다.V is the shear force acting on the cross section, and Q is the first moment of the cross section of one face section, as shown in
수학식 4 및 수학식 5에서 외력에 의하여 좌우되는 것은 각각 M 및 V로서 삼점굽힘의 경우 중심에 작용하는 하중 P와 하기 수학식 7과 같은 관계를 가진다.In the equations (4) and (5), M and V, which depend on the external force, have a relation as shown in Equation (7) with the load P acting on the center in the case of three-
수학식 4 또는 수학식 5의 응력이 각각 면재의 항복강도 또는 면재-심재 접합부의 전단강도와 같으면 샌드위치 판재가 파괴된다. 이때, 더 낮은 하중 P 값을 갖는 것이 실제 파괴모드로 간주된다.If the stresses in Equations (4) and (5) are equal to the yield strength of the flange or the shear strength of the flange-core joint, respectively, the sandwich plate is broken. At this time, having a lower load P value is regarded as an actual failure mode.
수학식 1 내지 7에 변수 값 b=9, c=3.6, h=1.3, h1=0.7, t=0.3(이상, 단위는 ㎜) 및 N=80/9를 대입하면 하기 수학식 8 내지 11로 나타낼 수 있다.Substituting the variable values b = 9, c = 3.6, h = 1.3, h1 = 0.7, t = 0.3 (or more in units of mm) and N = 80/9 in equations (1) to .
수학식 10 및 수학식 11에 각각 하기 시험예에 따른 인장실험에서 구한 면재의 항복강도와 면재-심재 접합강도를 대입하면 두 파괴모드에 대응하는 하중을 구할 수 있다.
The load corresponding to the two failure modes can be obtained by substituting the yield strength and the face material-core joint strength of the face material obtained from the tensile test according to the following test examples in the equations (10) and (11).
시험예Test Example
실시예에 따라 제작된 박판 샌드위치 판재 샘플에 대하여 먼저, 면재의 항복강도를 측정하기 위한 인장실험을 실시하였다. 면재로 사용된 0.3㎜ 두께의 스테인리스강(SUS304) 판재를 개뼈형(dog bone type)으로 레이저 커팅한 후 커팅부위 열영향부를 줄(file)로 제거하였다(도 10(a) 참조). 다음, 면재-심재 접합강도를 측정하기 위한 인장실험을 실시하였다. 심재로 사용된 학장금속망 소재인 0.7㎜ 두께의 알루미늄 박판과 면재로 사용된 0.3㎜ 두께의 스테인리스강(SUS304) 박판을 각각 10㎜ 폭의 띠 형태로 재단한 다음 알루미늄 띠와 스테인리스강 띠의 한쪽 끝을 5㎜ 정도 서로 중첩(single lap-joint)하여 샌드위치 판재 샘플 제작 시와 동일한 에폭시 수지 접착 방법으로 접착하였다(도 10(b) 참조). 도 10은 상기 두 가지 실험에 사용된 시편의 형상을 나타내고 있다.First, a tensile test was conducted to measure the yield strength of the face plate of the thin plate sandwich plate sample produced according to the embodiment. A 0.3 mm thick stainless steel (SUS304) plate used as a face plate was laser cut into a dog bone type, and the heat affected portion of the cutting portion was removed by a file (see Fig. 10 (a)). Next, a tensile test was performed to measure the face-to-core bond strength. The 0.7 mm thick aluminum foil used as the core material and the 0.3 mm thick stainless steel (SUS304) foil used as the face plate were cut into strips each having a width of 10 mm, and then one side of the aluminum strip and one side of the stainless steel strip The ends were bonded to each other by a single lap-joint of about 5 mm and bonded by the same epoxy resin bonding method as in the case of producing the sandwich plate sample (see FIG. 10 (b)). Fig. 10 shows the shape of the specimen used in the above two experiments.
이후, 샌드위치 판재에 대한 삼점굽힙(3-point bending) 실험을 실시하였다. 삼점굽힙 실험에서는 하부의 양 지지점 사이의 거리를 조절하면서 하중-변위 곡선을 기록하여 강도, 강성도 및 변형 한계를 평가하고자 하였다.A three-point bending test was then performed on the sandwich plate. In the three-point bending test, the load-displacement curves were recorded while adjusting the distance between the lower supporting points to evaluate the strength, stiffness and deformation limit.
도 11은 본 발명의 시험예에 따른 인장실험에서 얻어진 스테인리스강 면재의 응력-변형률 곡선을 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing a stress-strain curve of a stainless steel flange obtained in a tensile test according to a test example of the present invention.
도 11에 나타낸 바와 같이, 면재 인장 실험 결과 스테인리스강 면재의 0.2% 오프셋 항복강도는 763±20㎫이다. 스테인리스강의 항복강도가 매우 높은 편으로 박판으로 냉간압연되면서 스테인리스강 특유의 가공경화가 심하게 발생한 데 그 원인이 있는 것으로 보인다.As shown in Fig. 11, the 0.2% offset yield strength of the stainless steel face plate as a result of the face material tensile test is 763 ± 20 MPa. The yield strength of stainless steel is very high, which seems to be caused by the severe hardening of stainless steels due to the cold rolling of thin plates.
또한, 세 차례의 실험에서 측정된 접합부의 전단강도는 15±4㎫로 나타났다. 이는 제조사(Konish)에서 제공하는 규격 상의 에폭시 자체 전단강도(6~7㎫)의 2배 이상으로 실시예에 따른 접착제가 스테인리스강 및 알루미늄과 화학적 친화력이 높음을 나타내고 있다.The shear strength of the joints measured in three experiments was 15 ± 4 MPa. This is more than twice the epoxy self-shearing strength (6 to 7 MPa) of the standard provided by the manufacturer (Konish), indicating that the adhesives according to the examples have high chemical affinity with stainless steel and aluminum.
도 12는 본 발명의 시험예에 따른 삼점굽힘 실험 결과 얻어진 하중-변위 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명의 시험예에 따른 삼점굽힘 실험 전후의 시편 형상을 나타낸 사진이다. 도 12에서는 샌드위치 판재 하부의 양 지지점 사이의 거리 s를 s=200㎜, 100㎜로 다르게 하여 실험한 결과와, 여기에 상기 수학식 9에 따른 이론 기울기도 함께 나타내었다.FIG. 12 is a graph showing a load-displacement curve obtained from a three-point bending test according to the test example of the present invention, and FIG. 13 is a photograph showing a test piece shape before and after the three-point bending test according to the test example of the present invention. In FIG. 12, the experimental results are shown in which the distance s between the two support points under the sandwich plate is s = 200 mm and 100 mm, and the theoretical slope according to Equation (9) is also shown here.
도 12를 참조하면, 실험에서 최대 변위를 δ=17㎜ 정도 까지 하중을 가하였는데 s=200㎜인 경우에는 거의 완벽한 선형 거동을 나타낸 것을 알 수 있다. 반면에 s=100㎜인 경우에는 P=0.55kN에서 면재항복에 따른 비선형 거동이 최초로 관찰되었으며, P=1.04kN에서 면재-심재 간 접합부 분리가 일어나면서 일시적으로 하중이 급락하는 것이 관찰되었다. 초기 항복(Initial Yielding) 하중과 접합부 분리(Face-Core Seperation) 하중은 도 12의 하중-변위 곡선에 수평 점선으로 표시하였다. 도 13에서는 변형된 시편의 오른쪽 부위에서 면재-심재 간 분리가 발생(원으로 표시된 부분)한 것을 나타내고 있다.Referring to FIG. 12, in the experiment, the maximum displacement was applied up to about δ = 17 mm, and when s = 200 mm, almost perfect linear behavior was shown. On the other hand, for s = 100 mm, the nonlinear behavior was first observed at P = 0.55 kN due to facet yielding, and the load momentarily decreased as P = 1.04 kN separation occurred between facings and core. The Initial Yielding load and the Face-Core Seperation load are plotted in a horizontal dotted line in the load-displacement curve of FIG. FIG. 13 shows that the face material-core material separation occurs at the right portion of the deformed specimen (the portion marked with a circle).
한편, 상기 수학식 9에 따르면 각각 s=200㎜, 100㎜인 경우 강성도는 P/δ=0.0152, 0.1217kN/㎜로서, 도 12의 실험에서 얻어진 하중-변위 곡선의 초기 기울기보다 약 5% 정도 큰 예측값을 주는 것을 확인할 수 있다.According to Equation (9), the stiffness P / δ is 0.0152 and 0.1217 kN / mm when s = 200 mm and 100 mm, respectively, and is about 5% It can be confirmed that a large predicted value is given.
또한, 도 11에 나타낸 스테인리스강 면재의 항복강도 763㎫과 s=200㎜ 또는 s=100㎜를 상기 수학식 10의 최대 수직응력(σmax)에 대입하면 면재항복이 발생하는 하중 예측값은 P=0.58kN 또는 P=0.29kN이다. s=200㎜의 경우에는 실제로 가해진 하중의 최대값이 0.25kN 미만으로 이론 항복점보다 훨씬 낮아 전혀 소성변형이 발생할 수 없었음을 알 수 있다. 이는 측정된 하중-변위 곡선이 완벽한 선형이었다는 사실에서도 증명된다. s=100㎜의 경우에는 측정된 항복하중 P=0.57kN과 이론 예측치가 일치하고 있다.When the yield strength of the stainless steel face plate shown in Fig. 11 and the s = 200 mm or s = 100 mm are substituted for the maximum normal stress ( max ) in Equation (10), the load predicted value at which the face material yield occurs is P = 0.58 kN or P = 0.29 kN. In the case of s = 200 mm, the maximum value of the applied load is less than 0.25 kN, which is much lower than the theoretical yield point, so that plastic deformation can not occur at all. This is also evidenced by the fact that the measured load-displacement curves were perfectly linear. For s = 100 mm, the theoretical predicted value agrees with the measured yield load P = 0.57 kN.
또한, 면재-심재 접합부의 전단강도는 실험결과 측정된 15㎫을 상기 수학식 11의 전단응력(τint)에 대입하면 면재-심재 접착부 분리가 발생하는 하중의 예측값은 지지점 사이 거리 s에 무관하게 P=1.01kN이다. 측정된 접착부 분리 하중 P=1.04kN과 이론 예측치가 잘 일치함을 알 수 있다.In addition, the shear strength of the face-to-core joint is obtained by substituting the measured 15 MPa into the shear stress τ int of Equation (11), regardless of the distance s between the supports P = 1.01 kN. It can be seen that the theoretical predicted value agrees well with the measured separation load P = 1.04kN.
이상의 결과로부터 삼점굽힘 실험에서 관찰된 샌드위치 판재의 강성도, 강도가 단순한 재료역학에 기반한 이론 예측치와 잘 일치함을 알 수 있다. 이는 굽힘하중이 작용할 때 샌드위치를 구성하는 세 요소인 스테인리스강 면재, 알루미늄 확장금속망 심재 및 에폭시 수지 접착제가 예상한대로 거동을 하였다는 것을 의미한다. 특히, 에폭시 수지의 완벽한 접착과 점탄성 거동의 절대 부재를 주목할 만하다. 본 발명의 실시예에서 사용된 에폭시 수지(E206S, Konishi사)는 초저점도(704mPa·s)를 갖는 것으로, 원래 콘크리트에 발생하는 균열 보수용으로 개발된 것으로서, 본 발명의 실시예에서 면재와 심재 사이에 최소량으로 밀착시키려는 의도에서 사용되었는데 성공적인 결과를 나타낸 것이다.From the above results, it can be seen that the stiffness and strength of the sandwich plate observed in the three - point bending test agree well with the theoretical predictions based on simple material dynamics. This means that the three elements of the sandwich when the bending load acts are the stainless steel face plate, the aluminum expanded metal core core and the epoxy resin adhesive behave as expected. Particularly, it is noteworthy that the epoxy resin is completely bonded and the viscoelastic behavior is absolutely absent. The epoxy resin (E206S, Konishi Co.) used in the embodiment of the present invention has an ultra-low viscosity (704 mPa · s) and was originally developed for repairing cracks occurring in concrete. In the embodiment of the present invention, It has been used in intent to bring a minimum amount of adhesion between core materials, which is a successful result.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 도 7의 복잡한 형상의 심재를 도 8과 같이 단순하게 이상화하여 이론해를 구하였으나, 상기 시험예에 따른 실험 결과와 상당히 잘 일치하였다. 이와 같이 해석 대상을 과도하게 이상화하였음에도 비교적 정밀한 예측 결과를 주는 원인은 다음과 같은 두 가지 이유를 들 수 있다. 첫째, 심재의 형상이 상기 수학식 1 내지 5의 굽힘강성에 영향을 미칠 수 있다. 그런데, 본 발명에서 취한 심재 형상의 이상화는 면재와의 접촉면적은 등가하되 굽힘에 따른 길이 방향으로의 변형에 대한 저항을 극대화한 것임에도 불구하고 심재의 굽힘강성이 E2I2=7.2kN·㎟으로 면재의 굽힘강성 2E1I1=278kN·㎟에 비하면 거의 1/40에 불과하여 심재의 형상 변화가 전체의 강성에 미치는 영향이 미미하다. 둘째, 심재의 형상이 상기 수학식 5의 전단응력에 영향을 미칠 수 있으나, 전단응력에 의한 접합부 분리가 심재의 형상 중 접착부 면적에만 의존한다고 가정한다면 접합부 면적이 같게 유지되는 상기 심재 형상 이상화가 타당한 것으로 간주될 수 있다.As described above, in the present invention, the core of the complex shape shown in FIG. 7 is simply idealized as shown in FIG. 8 to obtain a theoretical solution, which is in good agreement with the experimental result according to the test example. In this way, the cause of relatively accurate prediction results even though the object is excessively idealized is as follows. First, the shape of the core material may affect the bending stiffnesses of the equations (1) to (5). However, even though the idealization of the core shape taken in the present invention maximizes the resistance against deformation in the longitudinal direction due to the bending, the bending stiffness of the core material is equal to E 2 I 2 = 7.2 kN · ㎟, the bending stiffness of the face plate is only about 1/40 of that of 2E 1 I 1 = 278 kN · ㎟, so that the effect of the shape change of the core material on the total stiffness is insignificant. Second, assuming that the shape of the core material may affect the shear stress of Equation (5), but assuming that the splice separation due to the shear stress depends only on the area of the bonding portion of the core material, the core material idealization . ≪ / RTI >
한편, 상기 시험예에 따른 샌드위치 판재의 굽힘과정에서 일정시간 간격을 두고 시편의 형상을 디지털 카메라로 촬영하였는데 상부 지그와의 접촉부 부근의 시편 곡률로부터 변형률을 측정할 수 있었다. 항복하중과 접착부 분리 하중에서 곡률반경은 각각 ρ=119㎜, 64㎜로서, 상기 수학식 8에 의한 예측치 ρ=156㎜, 97.5㎜와 비교하면 항복하중에서는 상당한 오차가 있다. 이는 상기 수학식 8이 순수 굽힘 하의 탄성변형을 전제로 유도되었기 때문이다. 즉, 순수 굽힘 하중 하에서는 위치에 무관하게 동일한 곡률반경을 갖게 변형되지만, 삼점굽힘 하중 하에서는 위치에 따라 다르게 되어 하중 작용점에 변형이 집중되기 때문에 곡률반경이 이론보다 작아지게 된다. 특히, 항복이 발생한 후에는 소성경첩(plastic hinge)이 생성되어 다른 부분은 거의 변형되지 않은 채 하중 작용점에만 변형이 집중된다. 하기 수학식 12를 이용하여 실험에서 얻은 곡률반경으로부터 최대 변형률을 계산하면, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 판재는 항복하중에서 최대 변형률은 εx, max=0.54%이고, 접착부 분리 하중에서 εx, max=1%로서, 면재에서 항복에 도달한 후 면재 분리까지 εx, max=0.46%까지의 상당한 추가 변형이 가능함을 뜻한다.Meanwhile, in the bending process of the sandwich plate according to the above test example, the shape of the test piece was photographed with a digital camera at a predetermined time interval, and the strain was measured from the test piece curvature near the contact portion with the upper jig. The radius of curvature at the yield load and the separation load of the adhesive portion are ρ = 119 mm and 64 mm, respectively. Compared with the predicted values ρ = 156 mm and 97.5 mm according to Equation (8), there is a considerable error in the yield load. This is because the equation (8) is derived on the assumption of elastic deformation under pure bending. In other words, under a pure bending load, it is deformed to have the same radius of curvature regardless of its position. However, under a three point bending load, the radius of curvature becomes smaller than the theoretical value because the deformation is concentrated at the load point. Especially, after the yielding, a plastic hinge is generated and the other part is hardly deformed and the deformation concentrates only at the load point. The maximum strain of the sandwich plate according to the embodiment of the present invention is ε x, max = 0.54% at yield load, and ε x , max = 1%, which means that considerable additional deformation up to ε x, max = 0.46% is possible, from yielding to flange separation in the face plate.
본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재는 프레스 성형 가능성을 목적으로 개발된 것이므로, 강도와 강성도 뿐만 아니라 소성변형의 용이성에도 주의를 기울여야 한다. 본 발명의 실시예에서 사용한 면재는 냉간압연 과정에서 고도로 가공경화가 되어 항복강도가 763㎫에 이른다. 만일 항복강도가 200~400㎫의 연강을 면재로 사용한다면 접합부 분리가 일어나기 전에 훨씬 높은 수준의 소성변형이 가능할 것으로 기대된다. 즉, 복잡하고 정교한 3차원 프레스 성형이 가능해진다는 의미이다. 반면에 강도는 면재의 항복강도에 비례하여 감소하게 되므로 설계 시 요구조건에 맞게 최적 항복강도를 취할 필요가 있다.Since the thin plate sandwich plate according to the present invention is developed for the possibility of press forming, care must be taken not only in strength and stiffness but also in ease of plastic deformation. The face plate used in the embodiment of the present invention has a high work hardening in the cold rolling process, resulting in a yield strength of 763 MPa. If a softened steel with a yield strength of 200 to 400 MPa is used as the face plate, a much higher level of plastic deformation is expected before the splice separation takes place. That is, it means that complex and elaborate three-dimensional press forming becomes possible. On the other hand, since the strength decreases in proportion to the yield strength of the face plate, it is necessary to take the optimum yield strength to meet the design requirements.
또한, 본 발명에 따른 박판 샌드위치 판재의 공학적 타당성을 검토하기 위한 별도의 방법으로서, 면재와 동일한 재료로 만들어진 균질 판재(Solid Panel)와 비교하는 방법이 있다. 두 판재의 무게가 같도록 균질 판재의 두께가 선택되었다면 상기 이론식에 의하여 굽힘하중 하에서 강도 및 강성도 비는 하기 표 1과 같다.As another method for examining the engineering feasibility of the thin plate sandwich plate according to the present invention, there is a method of comparing with a solid panel made of the same material as the face plate. If the thickness of the homogeneous sheet is chosen so that the weight of the two plates is the same, the ratio of strength and stiffness under the bending load according to the above formula is as shown in Table 1 below.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박판 샌드위치 판재(Sandwich Panel)의 두께(Thickness)가 1.88배인 반면에 항복하중(Yield Load)은 3배, 강성도(Stiffness)는 5배 이상으로 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 이는 굳이 초고강도 강판을 사용하지 않더라도 샌드위치 판재로 제작하면 강도가 충분하여, 이 경우 앞서 언급한 논리로 정교한 프레스 성형성도 동시에 확보할 수 있다는 의미가 된다.
As shown in Table 1, the Thickness of the thin plate sandwich panel according to the embodiment of the present invention is 1.88 times, while the Yield Load is 3 times and the Stiffness is 5 times or more Much higher. This means that even if an ultra-high strength steel sheet is not used, the strength of the sandwich sheet is sufficient. In this case, it is possible to secure precise press formability at the same time with the aforementioned logic.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Accordingly, the scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the foregoing detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning, range, and equivalence of the claims are included in the scope of the present invention Should be interpreted.
100: 박판 샌드위치 판재 110: 심재
111: 확장금속망 120: 면재100: laminate sandwich plate 110: core material
111: Expanded metal mesh 120: Face plate
Claims (8)
상기 심재의 상면 및 하면에 각각 접착 형성된 금속성 면재;
를 포함하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재.A core composed of a periodic apertured flat metal net; And
A metallic face material adhered to upper and lower surfaces of the core material, respectively;
Wherein the plate sandwich plate is a plate-shaped sandwich plate.
상기 금속망은 압연으로 평탄화된 확장금속망인 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재.The method according to claim 1,
Wherein the metal net is an expanded metal net that is flattened by rolling.
상기 확장금속망 및 상기 금속성 면재는 알루미늄 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속판으로 제조된 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재.3. The method of claim 2,
Wherein the expanded metal net and the metallic face plate are made of a metal plate comprising aluminum or a magnesium alloy.
상기 심재 두께는 300~2000㎛, 상기 금속성 면재 두께는 50~500㎛ 및 상기 샌드위치 판재 두께는 500~2500㎛인 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재.The method according to claim 1,
Wherein the core material thickness is 300 to 2000 占 퐉, the metallic face material thickness is 50 to 500 占 퐉 and the sandwich plate thickness is 500 to 2500 占 퐉.
상기 샌드위치 판재는 자동차 차체용 또는 자동차 배출구 주변의 열해 차단용 판재로 사용되는 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재.The method according to claim 1,
Wherein the sandwich plate material is used as a heat-shielding plate material for an automobile body or an automobile exhaust port.
(b) 상기 심재의 상면 및 하면에 금속성 면재를 접착시키는 단계;
를 포함하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조방법.(a) planarizing an expanded metal net with periodic apertures by rolling to form a core; And
(b) attaching a metallic face material to upper and lower surfaces of the core material;
Wherein the step of forming the thin plate sandwich plate comprises the steps of:
상기 접착은 수지 도포, 납땜, 브레이징, 용접 및 용융도금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the bonding is performed by one of the methods selected from the group consisting of resin coating, brazing, brazing, welding, and hot-dip coating.
(b1) 에폭시 수지가 도포된 심재의 상면 및 하면에 상기 금속성 면재를 배치시키는 단계;
(b2) 상기 심재 내부의 공기를 제거하면서 상기 심재 및 상기 금속성 면재를 밀착시키는 단계; 및
(b3) 상기 샌드위치 판재를 가열하여 경화하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형용 박판 샌드위치 판재 제조방법.
8. The method according to claim 7, wherein the resin-
(b1) disposing the metallic face material on upper and lower surfaces of a core material coated with an epoxy resin;
(b2) adhering the core material and the metallic face material while removing air inside the core material; And
(b3) heating and curing the sandwich plate material;
The method of manufacturing a thin plate sandwich plate for press forming according to claim 1,
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