KR100735115B1

KR100735115B1 - 메탈젯 유닛

Info

Publication number: KR100735115B1
Application number: KR1020060037765A
Authority: KR
Inventors: 이택민; 김동수; 김광영; 강태구; 양정순; 최병오; 조정대; 윤소남; 함영복; 김충환
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-07-06

Abstract

본 발명은, 용융금속을 생성하며 하부에 노즐이 형성되어 있는 용융로와, 상기 용융로로 금속분말 재료를 공급하는 재료공급부와; 상기 용융로 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되며 상기 노즐을 향해 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 갖는 엑츄에이터와, 상기 엑츄에이터를 미세 진동시키는 발진부와, 상기 엑츄에이터의 상부에 마련되어 상기 플런저와 상기 노즐과의 간극을 조절하는 간극조절수단과; 상기 용융로 내부의 압력을 소정의 설정압력으로 유지시키는 압력조절수단을 포함하는 메탈젯 유닛에 관한 것으로서, 상기 노즐은 상기 플런저가 상하 슬라이딩 가능하게 수용되는 플런저이동부와, 상기 플런저이동부의 저부 중앙에 하향 단차지게 형성되는 용융금속가압부와, 상기 용융금속가압부의 저부 중앙에 외부를 향해 형성된 오리피스를 가지며; 상기 플런저는 하부에 상기 용융금속가압부와 오리피스에 대응하는 형상으로 단차지게 돌출되며 하단이 평면으로 형성된 토출가압부를 갖는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여, 플런저와 노즐의 오리피스간 간극과 용융로 내부의 압력을 정밀하게 조절할 수 있어 용융 금속의 토출을 정밀하게 제어되는 메탈젯 유닛이 제공된다.

또한, 용융금속의 토출을 정밀하게 제어하여 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도가 향상되는 메탈젯 유닛이 제공된다.

메탈 젯, 용융금속, 노즐, 오리피스, 엑츄에이터, 젯팅

Description

메탈젯 유닛{Metal-jet unit}

도 1은 종래 메탈젯 유닛의 구성도,

도 2 및 도 3은 도 1의 노즐 영역 확대도,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 메탈젯 유닛의 구성도,

도 6 및 도 7은 도 4 및 도 5의 노즐 영역 확대도,

도 8 및 도 9는 도 4 및 도 5의 다른 형태의 노즐 영역 확대도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 용융로 17 : 노즐

20 : 재료공급부 30 : 엑츄에이터

31 : 플런저 40 : 발진부

41 : 간극조절수단 50 : 압력조절수단

본 발명은, 메탈젯 유닛에 관한 것이다.

메탈젯 유닛은 잉크젯 프린터의 원리로부터 발달된 것으로서, 용융된 금속 재료를 초미세 액체방울 형태로 적하시켜 3차원 구조체 등의 임의 형상물을 성형할 수 있다.

이 메탈젯 유닛의 응용분야는 고도의 정밀성을 요구하는 초미세 반도체 회로나 초미세 PCB 회로 제작 및 나노 삼차원 부품이나 형상물 제작 등의 분야를 꼽을 수 있다.

이러한 메탈젯 유닛의 종래 구성이 도 1에 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 종래 메탈젯 유닛(101)은 용융금속(111)을 생성하며 하부에 노즐(113)이 형성되어 있는 용융로(110)와, 용융로(110) 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되어 용융금속(111)을 토출 시키는 엑츄에이터(120)와, 엑츄에이터(120)를 미세 진동시키는 발진부(130)와, 용융로(110) 내부를 소정의 압력으로 유지시키는 압력조절기(140)을 구비하고 있다.

이와 같은 구성의 종래 메탈젯 유닛(101)은 발진부(130)의 구동에 의해 용융로(110) 내에서 엑츄에이터(120)가 상하 방향으로 미세 진폭 운동하면, 엑츄에이터(120) 하부에 마련된 플런저(121)가 노즐(113)의 오리피스(115)를 향해 용융로(110) 내의 용융금속(111)을 반복적으로 가압 함으로써, 용융금속(111)이 노즐(113)의 오리피스(115)를 통해 하나의 도트씩 액체방울 형태로 토출 되어 기판(160) 상에 적하 된다.

그리고, 이러한 과정은 제어컴퓨터(미도시)에 의해 용융금속(111)의 토출속도 및 적하 위치 등이 제어됨으로써, 미세한 임의의 3차원 형상물이나 초미세 회로 등을 형성하게 된다.

그런데, 이러한 종래 메탈젯 유닛에 있어서는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플런저의 구조가 단순히 플랫형 형상을 가지고 있고, 노즐의 오리피스로부터 소정의 간극을 유지하는 상태에서 상하 운동하도록 되어 있기 때문에, 플런저와 오리피스 간의 간극 설정이 정밀하게 조절되지 못하면 용융금속의 토출 불량을 초래하는 문제점이 있었다. 즉, 플런저와 오리피스의 간극이 클 경우 용융금속의 과다 토출이 이루어지고, 플런저와 오리피스의 간극이 작을 경우에는 용융금속이 원활하게 토출되지 못하는 문제점이 발생한다.

또한, 종래 메탈젯 유닛은 용융로 내부의 압력을 유지시키는 압력조절기로서, 비교적 압력변동이 심한 진공펌프 또는 압축기를 이용하기 때문에, 용융로 내부의 압력을 정밀하게 유지하지 못하는 문제점이 있었다.

이에 의해, 용융금속의 토출량 및 토출속도 등의 제어가 정밀하게 이루어지지 못하여 성형물의 불량을 초래하는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 플런저와 노즐의 오리피스간 간극과 용융로 내부의 압력을 정밀하게 조절할 수 있도록 하여 용융 금속의 토출을 정밀하게 제어할 수 있는 메탈젯 유닛을 제공하는 것이다.

또한, 용융금속의 토출을 정밀하게 제어하여 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도를 향상시킬 수 있는 메탈젯 유닛을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 용융금속을 생성하며 하부에 노즐이 형성되어 있는 용융로와, 상기 용융로로 금속분말 재료를 공급하는 재료공급부와; 상기 용융로 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되며 상기 노즐을 향해 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 갖는 엑츄에이터와, 상기 엑츄에이터를 미세 진동시키는 발진부와, 상기 엑츄에이터의 상부에 마련되어 상기 플런저와 상기 노즐과의 간극을 조절하는 간극조절수단과; 상기 용융로 내부의 압력을 소정의 설정압력으로 유지시키는 압력조절수단을 포함하는 메탈젯 유닛에 있어서, 상기 노즐은 상기 플런저가 상하 슬라이딩 가능하게 수용되는 플런저이동부와, 상기 플런저이동부의 저부 중앙에 하향 단차지게 형성되는 용융금속가압부와, 상기 용융금속가압부의 저부 중앙에 외부를 향해 형성된 오리피스를 가지며; 상기 플런저는 하부에 상기 용융금속가압부와 오리피스에 대응하는 형상으로 단차지게 돌출되며 하단이 평면으로 형성된 토출가압부를 갖는 것을 특징으로 하는 메탈젯 유닛에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 플런저의 둘레에는 둘레방향을 따라 적어도 하나의 용융금속유동홈이 상하 방향으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 간극조절수단은 상기 엑츄에이터와 연결되며 둘레면에 나사산이 형성되어 있는 가변축과, 상기 가면축과 체결되는 노브를 갖는 것이 효과적이다.

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이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 메탈젯 유닛의 구성도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 메탈젯 유닛(1)은 용융금속(11)을 생성하는 용융로(10)와, 용융로(10) 내에 금속재료를 공급하는 재료공급부(20)와, 용융로(10) 내에 용융금속(11)을 외부로 토출시키는 엑츄에이터(30)와, 엑츄에이터(30)를 미세 진동시키는 발진부(40)와, 용융로(10) 내부 압력을 소정의 설정압력으로 유지시키는 압력조절수단(50)을 포함한다.

용융로(10)에는 다양한 금속 재료의 용융점에 대응할 수 있도록 비교적 고온영역의 온도로 용융로(10) 내부를 가열할 수 있는 가열히터(13)가 설치되어 있다. 이때, 가열히터(13)의 둘레는 외부와의 단열처리를 위해 내화재로 둘러싸여진다. 그리고, 용융로(10)의 일측 상부에는 재료공급부(20)로부터 금속재료가 공급되는 재료공급구(15)가 형성되어 있으며, 용융로(10)의 하부에는 용융금속(11)의 토출을 위한 오리피스(18)를 갖는 노즐(17)이 설치되어 있다.

재료공급부(20)는 용융로(10) 일측 상부영역에 마련되어 금속분말재료를 수용하는 재료공급통(21)과, 재료공급통(21)으로부터 용융로(10)의 재료공급구(15)로 연결된 재료공급관(23)과, 재료공급관(23) 상에 마련되는 재료투입밸브(25)로 구성된다.

엑츄에이터(30)는 그 하단부에 노즐(17)의 오리피스(18)를 향해 용융금속(11)을 가압하는 플런저(31)를 가지고 용융로(10) 내에 상하 운동 가능하게 설치된다. 이 엑츄에이터(30)는 후술할 발진부(40)에 의해 상하 진폭 운동함으로써, 플런저(31)가 용융금속(11)을 가압하여 노즐(17)의 오리피스(18)를 통해 외부로 토출시킨다. 이때, 엑츄에이터(30)는 용융로(10) 내의 용융금속(11) 보다 높은 용융점을 갖는 세라믹 등의 재질로 제작함으로써 열변형 되지 않는다.

발진부(40)는 용융로(10)의 상부에 설치되며 발진부(40) 내부에는 전원 공급에 의해 상하 진폭 운동하는 압전소자(미도시)가 엑츄에이터(30)와 연결되도록 설치되어 있다. 엑츄에이터(30)는 압전소자(미도시)의 진폭운동에 연동하여 상하 진 폭 운동하게 된다.

일반적인 압전소자(미도시)는 비교적 고온에서는 동작되지 않는 특성을 가지고 있으므로, 용융로(10)로부터의 고열이 전도되지 않도록 압전소자와 용융로(10) 사이에는 단열장치가 마련된다.

아울러 발진부(40)에는 엑츄에이터(30)의 플런저(31)와 노즐(17)과의 간극을 미세하게 조절할 수 있는 간극조절수단(41)이 마련된다.

간극조절수단(41)의 일 예로서 압전소자의 상부에 압전소자와 연결된 가변축(43)을 마련하고 상기 가변축(43)의 둘레에 나사산(43a)을 형성하여 그 나사산(43a)에 노브(45)를 체결함으로서 구현할 수 있다.

이때, 나사산(43a)의 규격은 노브(45)를 회전시키면 1/1000의 범위까지 가변축(43)이 승하강될 수 있는 정도의 규격이면 족하며, 가변축(43)의 높이 조절에 의해 압전소자의 높이가 조절되면 압전소자에 결합된 엑츄에이터(30)의 높이도 상하로 조절됨으로써 플런저(31)와 노즐(17)과의 간극을 조절할 수 있게 된다.

압력조절수단(50)은 메탈젯 유닛(1)의 용융로(10) 내부 압력을 소정의 설정압력으로 유지시키는 압력조절장치(51)와, 메탈젯 유닛(1)의 용융로(10) 내부 압력을 감지하는 압력감지기(59)를 포함한다.

그리고, 압력조절장치(51)는 용융로(10) 내부에 소정을 압력을 부여하는 공압실린더(53)와, 공압실린더(53)를 구동시키는 서보모터(55)로 이루어지는 것이 바 람직하다. 공압실린더(53)의 토출측에는 용융로(10) 내부와 연결된 공압관(53b)이 결합되어 있으며, 공압실린더(53)의 피스톤(53a)은 그 중심축이 이송스크류(57) 방식의 결합구조로 서보모터(55)의 회전축과 연결되어 있다. 이에 따라, 서보모터(55)가 정역 회전하면 공압실린더(53)의 피스톤(53a)이 실린더 내부에서 길이 방향으로 왕복 운동하게 된다. 이때, 서보모터(55)의 회전량에 대한 피스톤(53a)의 이동거리(압력조절치)는 메탈젯 유닛(1)의 규격에 따라서 적절하게 조절될 수 있다.

압력감지기(59)는 공압실린더(53)의 토출측과 용융로(10) 내부를 연결하는 공압관(53b)의 일 영역에 설치되어 용융로(10) 내부의 압력을 감지한다. 이 압력감지기(59)는 감지된 압력값을 신호화하여 제어부로 전달하는 것으로서, 디지털압력센서나 디지털압력계를 이용할 수 있다.

이러한 압력조절수단(50)은 압력감지기(59)에서 감지된 압력값에 기초하여 용융로(10) 내부의 압력이 설정압력으로 유지되도록 압력조절장치(51)의 구동이 제어되는데, 이러한 제어는 메탈젯 유닛(1)의 전체 구동을 제어하는 제어컴퓨터(60)에 미리 프로그래밍 되어 있는 것이 바람직하다.

즉, 제어컴퓨터(60)는 압력감지기(59)에서 감지된 용융로(10)의 내부 압력을 전달 받아 미리 설정된 용융로(10)의 설정 압력과 비교하고, 감지된 압력이 설정압력에 비해 낮거나 높으면, 감지되는 압력이 설정압력과 동일해지도록 서보모터(55)를 구동시켜서 공압실린더(53)를 작동시키거나, 감지된 압력이 설정압력과 동일하면 서보모터(55)의 구동을 정지하여 공압실린더(53)를 작동 중지함으로써, 용융 로(10) 내부의 압력을 설정압력으로 정밀하게 제어하는 것이다.

한편, 용융로(10) 하부에 마련되어 있는 노즐(17)과 이에 대응하는 엑츄에이터(30)의 플런저(31)는 도 6 및 도 7의 노즐(17) 영역 확대도에 도시된 바와 같이, 노즐(17)의 내경부가 중앙의 오리피스(18)를 향해 하향 경사지게 형성되어 있고, 엑츄에이터(30) 하단부의 플런저(31) 역시 노즐(17) 내경부의 형상에 대응하도록 중심을 향해 하방으로 경사진 하향 원뿔 형상으로 형성되어 있는 구조로 마련될 수 있다.

이러한 구조는 플런저(31)가 하향 가압 작용을 할 때, 가압력이 플런저(31)와 오리피스(18)의 중심을 향하도록 하기 위한 것으로서, 종래 플랫형 구조의 플런저(31) 및 노즐(17) 구조에 비해 용융금속(11)의 정밀한 토출이 가능하다.

특히, 노즐(17)과 플런저(31)의 또 다른 구조는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 노즐(17')의 내측 하부영역은 플런저(31)의 외경에 대응하는 내경을 가지고 플런저(31)가 상하 슬라이딩 가능하게 이동하는 플런저이동부(17a)와, 플런저이동부(17a)의 저부 중앙에 후술할 플런저(31)의 토출가압부(33)의 외경에 대응하는 내경으로 형성되는 용융금속가압부(17b)와, 용융금속가압부(17b)의 중앙 저부에 형성되어 용융금속(11)의 토출구를 형성하는 오리피스(18')가 점진적으로 하향 단차지게 축경되는 형상을 가지고 있으며;

플런저(31')는 노즐(17')의 플런저이동부(17a) 내에서 상하 운동하도록 수용되어 있고, 플런저(31)의 하부에는 노즐(17)의 용융금속가압부(17b)와 오리피 스(18')에 대응하는 형상으로 단차지게 돌출되며 하단이 평면으로 형성되어 용융금속(11)을 가압하는 토출가압부(33)가 형성되어 있는 구조로 마련함으로써, 플런저(31')의 중심 정렬과 플런저(31') 가압력의 방향을 오리피스(18') 중심으로 집중시켜 정밀하고 원할한 용융금속(11)의 토출을 도모할 수 있다.

이때, 플런저(31')의 둘레에는 둘레방향을 따라 소정의 간격을 두고 용융금속유동홈(35)이 상하 방향으로 형성되어 있다. 이 용융금속유동홈(35)은 용융로(10) 내부의 용융금속(11)이 노즐(17')의 용융금속가압부(17b)로 원활하게 공급될 수 있는 경로를 형성한다. 또한, 플런저(31')의 토출가압부(33) 하단은 평면으로 형성되어 있는데, 이는 플런저(31')의 토출가압부(33) 가압력이 오리피스(18)의 중심으로 보다 정확하게 집중되도록 하기 위함이다.

이러한 구성에 의해서, 본 발명에 따른 메탈젯 유닛(1)은 재료공급부(20)로부터 용융로(10)로 공급된 금속분말 재료가 용융로(10)내에서 용융되고, 발진부(40)의 구동에 의해 플런저(31)가 상하 진폭운동하면 용융로(10) 내의 용융금속(11)이 플런저(31)에 의해 가압되어 오리피스(18)를 통해 토출된다.

이때, 용융로(10) 내부의 압력은 압력조절수단(50)에 의해 미리 설정된 설정압력으로 정밀하게 유지되며, 플런저(31)와 노즐(17)의 오리피스(18) 간의 간격은 간극조절수단(41)에 의해 정밀하게 조절된다. 그리고, 플런저(31)의 가압력은 전술한 플런저(31)와 노즐(17)의 구조적 특성에 의해 오리피스(18) 중앙으로 집중됨으로써, 용융금속(11)의 토출량 및 토출속도 등의 제어가 정밀하게 이루어진다. 따 라서, 메탈젯 유닛(1)에 의해 형성되는 3차원 임의형상물의 성형 정밀도 및 완성도가 향상된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 플런저와 노즐의 오리피스간 간극과 용융로 내부의 압력을 정밀하게 조절할 수 있어 용융 금속의 토출을 정밀하게 제어되는 메탈젯 유닛이 제공된다.

Claims

용융금속을 생성하며 하부에 노즐이 형성되어 있는 용융로와, 상기 용융로로 금속분말 재료를 공급하는 재료공급부와; 상기 용융로 내에 상하 미세 진동 가능하게 설치되며 상기 노즐을 향해 상기 용융금속을 가압하는 플런저를 갖는 엑츄에이터와, 상기 엑츄에이터를 미세 진동시키는 발진부와, 상기 엑츄에이터의 상부에 마련되어 상기 플런저와 상기 노즐과의 간극을 조절하는 간극조절수단과; 상기 용융로 내부의 압력을 소정의 설정압력으로 유지시키는 압력조절수단을 포함하는 메탈젯 유닛에 있어서,

상기 노즐은 상기 플런저가 상하 슬라이딩 가능하게 수용되는 플런저이동부와, 상기 플런저이동부의 저부 중앙에 하향 단차지게 형성되는 용융금속가압부와, 상기 용융금속가압부의 저부 중앙에 외부를 향해 형성된 오리피스를 가지며;

상기 플런저는 하부에 상기 용융금속가압부와 오리피스에 대응하는 형상으로 단차지게 돌출되며 하단이 평면으로 형성된 토출가압부를 갖는 것을 특징으로 하는 메탈젯 유닛.
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제1항에 있어서,

상기 플런저의 둘레에는 둘레방향을 따라 적어도 하나의 용융금속유동홈이 상하 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 메탈젯 유닛.
제1항에 있어서,

상기 간극조절수단은 상기 엑츄에이터와 연결되며 둘레면에 나사산이 형성되어 있는 가변축과, 상기 가면축과 체결되는 노브를 갖는 것을 특징으로 하는 메탈젯 유닛.
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