Metallic materials with regular pyramidal structures are ultra light-weight, high-stiffness, and high-strength materials with multi-functionalities. The productive fabrication method and design method should be developed in order for these materials to be applied to industrial areas. Firstly, in order to fabricate 3-D structures efficiently, Layered Manufacturing Method (LMM) which is composed of three steps, including crimping process, stacking process and bonding process using rapid infrared brazing, is proposed. The joining time is drastically reduced by employing infrared brazing of which heating rate and cooling rate are faster than those of conventional resistance heating. By controlling the initial cooling rate slowly, the bonding strength is improved up to the level of strength by conventional vacuum brazing. The observation of infrared brazing specimens by optical microscope and SEM shows no defect on joining sections. Secondly, analytic optimization is presented for the design of the structures. Newly defined design parameters including the length of flat portion at the pyramidal apex and the number of layers are considered in the optimization, so that the characteristics of optimal light-weight are investigated. Optimal design parameters and minimized weight of single-layered and bi-layered structures are analytically calculated. As a result, the length of flat portion found to be an important factor from light-weight viewpoint. As the number of layers increases, optimal minimum weight decreases. It has been shown from 3-point-bending and FE analysis that analytic estimations are in good agreement with under the tested conditions considering appropriate failure mode , center depression.
정규 피라미드형 구조를 가지는 금속 소재는 다기능성과 함께 초경량, 비강성,비강도가 높은 소재이다. 산업분야에 사용되기 위해서는 생산성있는 제작방식과 설계기법이 개발되어야 한다.
첫째로 3차원 구조를 효율적으로 제작하기위해서, 절곡,적층,적외선브레이징접합의 3단계로 이루어진 적층 제작방식을 제안하였다. 기존의 전기저항발열방식에 비하여 빠른 승온,냉각의 적외선 브레이징 방법을 이용함으로써 접합시간을 현저하게 줄일 수 있었다. 초기 냉각 속도를 제어함으로써 기존 진공 브레이징과 유사한 접합강도를 얻을 수 있었다. 적외선 브레이징을 이용한 시편을 광학, 주사전자현미경으로 관찰하였을 때도 접합계면에서 결함이 발생하지 않았다.
둘째, 구조 설계를 위한 이론적 최적화를 실시하였다. 새롭게 정의한 피라미드 상단의 접합을 위한 평탄부와 적층수를 고려한 최적화를 진행하여, 최적화된 최소무게의 특성을 파악하였다. 1층,2층 구조의 최소 무게와 최적 설계 변수를 이론적으로 계산하였으며 결과적으로 새롭게 정의한 평탄부는 경량관점에 주요한 인자임을 발견하였다. 또한 적층수가 늘어날 수록 최소 무게는 감소하였다. 적합한 파손모드는 중앙함몰을 고려한 새로운 이론적 예측이 3점 굽힘 실험과 동일한 유한요소 해석 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
