KR20030096336A - 표면 변경 방법 - Google Patents

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KR20030096336A KR10-2003-7014086A KR20037014086A KR20030096336A KR 20030096336 A KR20030096336 A KR 20030096336A KR 20037014086 A KR20037014086 A KR 20037014086A KR 20030096336 A KR20030096336 A KR 20030096336A
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Abstract

본 발명에 따른 소재 상에서 동작하는 방법은, 트래버스방향으로의 소재와 파워 빔 사이의 상대운동을 야기하여, 소재 상의 일련의 장소를 파워 빔에 대해 노출시키는 것이다. 각 장소에서, 파워 빔은 트래버스방향으로 가로지르는 를 갖는 설정된성분을 방법으로 소재에 대해 움직이게 되고, 소재의 재료는 파워 빔에 의해 용해되고 변위되어 공동 또는 구멍을 형성한다.

Description

표면 변경 방법{SURFACE MODIFICATION}
평판 모울드 등에 대한 기계 가공, 연마, 형성 등에 의해 비교적 매끄럽게 만들어진 재료의 표면 거칠기를 증가시키기 위해서 다양한 방법이 사용되고 있다. 이들 거칠게 하는 방법은 그루빙(grooving)이나 크널링(knurling)과 같은 기계적인 수단 또는 에칭과 같은 화학적 수단에 의한 표면 변형을 포함한다.
한편, 재료는 소비재인 용가 와이어(filler wire)를 이용한, 예컨대 아크 용접 수단에 의해 모재(parent material) 표면에 부가된다. 작은 금속 방울이 금속 표면 상에 퇴적되는 일실시예에 있어서는, 이산적인 그리고 규칙적인 방법으로 용해하는 와이어 전극으로부터 용해된 방울이 떨어지도록 전류가 변조되는 소비재를 이용한 전극 가스 금속 아크(GMA) 처리를 사용하게 된다. 이들 방울은, 다른 비교적 매끄러운 모재 표면 상에서 높여진 잔물결(raised dimple)로 사용되거나, 모재와 다른 본체 사이에서 미끄러지는 경향을 감소시키는데 사용된다.
EP-A-0626228은 다른 부재에 결합되는 소재의 표면을 변경하는 방법을 개시하는데, 이 방법은 소재 표면 상의 일련의 장소를 파워 빔에 노출하여, 이에 의해 파워 빔의 영향 아래서 각 장소에서 소재 재료가 용해되고 측면으로 이격되게 하고, 그 다음 고화되게 하므로, 인접한 소재 표면에 대해 높여져서 요각(凹角)의 프로파일을 갖는 응고된 재료의 영역에 의해 둘러싸인 공동을 형성하도록 한다.
본 발명은 다른 재료 또는 본체에 대해서 기계적인 마찰 정도 또는 기계적인 상호잠금 정도를 증가시키기 위해서 또는 소재 내에 구멍을 생성하기 위해서, 예컨대 소재 또는 모재의 표면 지세를 변경 또는 준비하기 위해, 소재 상에서 동작하는 방법에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1h는 요각의 특징부를 갖는 공동의 형성에 있어서의 연속적인 단계를 나타낸 도면,
도 2a 내지 도 2c는 3개의 다른 공동 배열을 나타낸 도면,
도 3은 전자 빔 파워 밀도 분포의 예를 나타낸 도면,
도 4는 방법을 수행하는 개략적인 장치를 나타낸 도면,
도 5는 방법을 수행하는 제2예의 장치의 부분을 나타낸 도면,
도 6은 도 5의 장치를 보다 상세하게 나타낸 도면,
도 7은 비대칭 관통 구멍을 나타낸 도면,
도 8a 내지 도 8e는 백킹 기재를 사용하는 관통 구멍의 형성에 있어서의 연속적인 단계를 나타낸 도면,
도 9a 내지 도 9e는 백킹 기재 없이 관통 구멍의 형성에 있어서의 연속적인 단계를 나타낸 도면,
도 10은 상대적인 빔 운동의 합을 나타낸 도면,
도 11a는 장소의 원형의 전-가열 처리를 나타낸 도면,
도 11b는 인접한 장소의 래스터 전-가열 처리를 나타낸 도면,
도 11c는 인접한 장소의 원형의 후-가열 처리를 나타낸 도면,
도 11d는 장소 사이의 지역의 선형의 전-가열 처리를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제1측면에 따라서, 소재 상에서 동작하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 소자와 트래버스방향(traverse direction)의 파워 빔 사이의 상대운동을 일으켜서 소재 상의 일련의 장소를 노출 빔에 노출하게 하고; 트래버스방향에 대해 가로지르는 성분을 갖는 설정된 방법으로 각 장소에서 파워 빔이 소재에 대해 트래버스방향으로 움직이게 하는 것을 구비하여 이루어지므로, 이에 의해 각 장소에서 소재가 공동 또는 구멍을 형성하도록 파워 빔에 의해 용해되고 변위된다.
본 명세서에서 청구된 진보된 텍스쳐 기술은 이전에 공지된 응용 방법과 기본적으로 다르다. 이 진보된 형태에 있어서, 특히 파워 빔은 정지되는 대신 각 장소에서 설정된 방법으로 움직인다 (조작된다). 파워 빔은, 연속적인 것이 바람직하지만 각 장소를 파워 빔에 노출하도록 펄스화될 수 있다. 각 장소에서의 빔의 전형적인 비교적 작은 고주파수 "2차 편향" 동작은, 각 장소에서 생성된 용해된 재료의 재분배를 현저하게 변경하는데 영향을 준다. 일반적으로, 빔의 운동은 요구된 운동을 선택하는 초기 단계에 의해 설정된다.
본 발명은 소재의 표면에 공동을 형성하거나, 전형적으로는 소재를 통해 확장하는 구멍을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 구멍의 형성은 백킹 기재(backing substrate)와 함께 또는 백킹 재료 없이 수행될 수 있다. 더욱이, 공동이나 구멍이 형성될 때, 설정된 방법으로 빔을 움직이게 하는 단계는, 바람직하게는 공동이나 구멍이 형성된 후 수행된다. 이는 공동 또는 구멍의 형상이 정확하게 결정될 수 있게 한다. 많은 경우에 있어서, 공동/구멍의 직경이 빔의 직경을 초과하는 공동/구멍 형성 동안 조작 단계가 사용될 수도 있다.
2차 편향은, 적어도 하나의 완전한 패턴 반복(적어도 방향 역전)이 각 장소에서 수행되는 그러한 주파수에서 수행되는데, 바람직하게는 정수배의 반복이 각 위치에서 수행된다. 스틸에서의 초당 1000개의 구멍에 대해서, 대략 1000Hz, 2000Hz 또는, 3000Hz의 2차 주파수가 적합하다. 이 경우, 공동은 0.7mm 피치의 ~0.5mm 깊이 및 폭으로 된다. 보다 작은 직경의 공동에 따라 보다 높은 2차주파수가 요구될 수 있고, 재료 특성은 최적의 주파수에 영향을 미친다.
사용된 "2차 편향"은, 원형과 선형 타원 및/또는 단순한 기하학적인 도형 형상 운동을 포함하는 다양한 형태를 취할 수 있는데, 각 운동은 트래버스방향에 대해 가로지르는 적어도 성분을 갖는다. 요구되는 효과를 달성하고, 공동 또는 구멍 형성 프로세스 동안 미세 제어하기 위해서, 2차 편향은 시간적인 또는 공간적인 빔 파워 밀도 분포의 그밖의 적합한 변수(예컨대, 빔 전류의 펄스화 및/또는 빔 포커스 위치를 변화시키는)와 결합될 수도 있다.
일반적으로, 빔 상호작용의 존속기간은 주위 깊게 제어되어, 2차 빔 편향이 각 장소에 일정하게 적용되게 하는데, 즉 2차 및 1차 빔 운동이 서로에 대해 정확하게 상관되어, 텍스쳐 효과가 재생 가능하고 조직적이지 않은 형태로 변화하지 않게한다.
공동 형성의 경우에 있어서, 요각의 프로파일에 따른 높여진 부분 또는 잔물결은, 모재 상에 부딪치는 전자 빔과 같은 (전형적으로 초점이 맞춰진) 파워 빔에 의해 작은 국지화된 지역을 신속하게 용해함으로써 모재로부터 다른 비교적 매끄러운 재료 표면 상에 생성될 수 있다. 높은 파워 밀도의 빔은 일련의 이러한 높여진 잔물결을 생성하기 위해서 신속하게 지점 마다 움직인다. 잔물결을 밀접하게 이격시킴으로써, 어느 정도 연속적인 라인이나 융기(ridge)가 생성될 수 있다. 높여진 재료는 용해된 재료를 용해하거나 변위함으로써 발생하게 되므로, 작은 공동이 모재 내에 남게된다. 높은 파워 밀도의 빔이 인가되므로, 몇몇 재료는 증발에 의해 손실될 수 있다.
사용 시, 공동을 갖춘 소재가 다른 부재에 접착될 때, 공동과 높여진 잔물결 모두는 기계적인 상호잠금에 기여할 수 있다.
또한, 증기 상(相)으로부터 텍스쳐된 재료 표면으로의 응착이 변경되고 강화된다.
요각의 프로파일은 다른 부재로부터 모재를 분리하거나 다른 부재에 걸쳐서 모재를 미끄럼 시키는데 요구되는 기계적인 힘을 더 증가시킨다.
요각의 프로파일은, 예컨대 접착제, 특히 모재에 접합되지 않거나 단지 낮은 강도의 접합만을 하는 접착제를 유지시키는데 유리하다. 한편, 비점착성 재료, 예컨대 낮은 마찰의 폴리머와 모재 표면 사이의 접합 강도는 요각의 프로파일의 상호잠금 특성에 의해 실질적으로 증가될 수 있다.
더욱이, 처리된 표면은 실질적으로 세정되고, 빔의 작용에 의한 작은 오염으로부터 자유롭게 되는데, 이는 소정의 이어지는 접착제를 이용한 접합 동작으로 얻어지는 접합 강도를 증가시킨다.
여기서, 일련의 밀접하게 이격된 잔물결은 어느 정도 연속적인 융기를 형성하고, 이 융기는 바람직하게는 요각의 프로파일을 가질 수도 있다.
접착제의 전체 접합 강도를 증가시키기 위해서, 바람직하게는 자체를 접합하는 전단 응력을 증가시키기 위해서, 접착제가 공동 뿐 아니라 잔물결 상의 요각의 표면으로 들어간다.
바람직하게는, 표면 지세는 현재의 모재를 사용하므로, 어떤 추가적인 재료도 모재 상에 퇴적되지 않는다. 표면 지세의 변화 기술은, 전형적으로 소재 표면의 지역 내에 초점을 맞추는 파워 빔 또는 높은 파워 밀도의 열원의 용해/증기화 능력을 사용하는 것에 의존한다.
바람직하게는, 설정된 방법으로 운동하는 부분은 장소에 인접한 영역이 가열되게 한다. 이러한 영역은 특정한 장소를 둘러싸거나 다른 장소를 구성할 수 있다. 인접한 장소는, 전-형성 또는 후-형성 가열 처리 각각에 영향을 주도록 공동 또는 구멍의 형성 전 후에 가열될 수 있다. 지역에 인접한 소재 표면은 융해점 이하로 또는 이상으로 가열될 수 있다.
장소에서의 설정된 운동의 형태는, 인접한 장소에서의 설정된 동작의 부분의 형태와 유사할 수 있다. 그런데, 전형적으로, 이 운동은 다른 형태를 가질 수 있는데, 예컨대 설정된 운동은 래스터(raster) 형태를 취할 수 있다. 다른 예에 있어서, 공동을 둘러싸는 영역은 빔의 원형 운동에 의해 가열된다. 전형적으로, 설정된 운동의 가열 부분은 장소에서 빔에 의해 소모된 시간의 대략 30%를 점유한다.
인접한 장소의 가열은, 재료의 냉각율을 제어하는데 사용될 수 있고, 소재 표면에 대한 용해된 재료의 개선된 접착을 생성할 수 있는데 장점이 있다. 전-가열은 가로 및 트래버스방향의 빔운동 사이의 양호한 동기화를 달성하게 한다.
전형적으로, 장소는 인접한 장소로부터 변위된 재료가 접촉하도록 이격된다. 또한, 바람직하게는, 인접한 장소로부터의 재료가 용해된 재료이고 이러한 접촉 동안 합체되도록 빔 운동의 타이밍이 제어된다. 이 합체는 보다 큰 범위의 형상 및 사이즈가 요각의 특징부 내에서 달성되게 하는데, 이들 특징부는 돌출된 재료 내에서의 온도(냉각율) 및 표면 장력에 의존한다. 그러므로, 빔의 2차 편향이 재료의 돌출을 제어하는데 사용되는 반면 전/후-가열 처리는 냉각율을 제어하기 위해 채용될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 파워 빔은 전자 빔을 구비하여 이루어진다. 전형적으로, 이 전자 빔은 통상적인 전자총을 사용하는 통상적인 방법으로 생성될 수 있는데, 빔은 본 명세서에 통합된 US-A-5151571호에 개시된 기술과 유사한 기술을 사용하는 컴퓨터 제어 하에서 소재를 가로질러 움직이게 된다. 전형적으로, 빔의 파워 및 운동 속도는 500공동/s 이상, 바람직하게는 580공동/s 이상을 형성하도록 된다. 빔과 소재 사이의 상대속도는 전형적으로 1km/s인 반면, 공동 사이의 전이 시간은 전형적으로 각 공동에 머문 시간의 1/100이다. 전형적으로, 전자 빔의 피크 파워 밀도는 105-107W/mm2이다.
공동은 속도와 사이즈의 변동 범위에 따라서 만들어진다. 가장 느린 속도는 만족스러운 400/s 이하이고, 속도의 실제적인 상한은 없는데, 예컨대 10000/s가 몇몇 재료에서 달성될 수 있고, 그 이상도 확실히 가능하다.
빔의 형상은 중요할 수 있는데, 바람직하게는 빔 환형상 내의 전류는 중심부 내의 전류의 적어도 반이고, 보다 특별하게는 중심 전류와 적어도 등가이다. 환형상의 전류가 중심 전류의 2배, 심지어 3배일 때, 모재 및 요구된 잔물결 타입에 따라서 만족스러운 결과가 얻어진다.
다른 적용에 있어서, 다른 파워 빔, 예컨대 레이저가 사용될 수 있다. 레이저에서는, 소재에 따른 감소된 결합 성능 때문에 전자 빔과 비교해서, 전형적으로 약간 높은 총에너지가 공동 마다 요구된다. 실제 레이저 펄스 존속기간은 전자 빔에서 보다 짧을 수 있고, 대응하는 피크 에너지 밀도는 약간 높을 수 있다. 유사한 사이즈의 공동이 공동 마다 대략 15J을 주는 300W 평균 출력 펄스의 CO2레이저를 사용하여 20/s 의 비율로 생성될 수 있다.
예컨대, mm 내지 10㎛ 미만 정도의 직경/깊이의 범위를 갖는 소정 사이즈의 공동 또는 구멍이 생성될 수도 있다. 각 공동/구멍의 최소 직경은 빔 직경에 의해 결정되지만, 큰 직경은 큰 빔 직경과 적합한 2차 편향을 사용해서 달성될 수 있다. 전형적으로, 구멍 또는 공동은 실질적으로 0.6mm인 최대 직경과 0.6-1mm 범위의 깊이를 갖는다. 바람직한 경우, 공동 또는 구멍 피치는 대략 1mm이다.
상기된 각 공동 또는 구멍의 디멘션(dimension)은 요각의 특징부를 생성하는 재용해된 재료의 침입에 의해 감소하게 된다.
몇몇 경우, 공동 또는 구멍은 실질적으로 유사한 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라 정사각형 또는 밀접하게 채워진 배열로 배열될 수 있다. 그런데, 다양한 사이즈의 공동 또는 구멍이 생성될 수 있어 다른 공동 패턴이 형성되게 할 수 있다.
몇몇 경우, 요각 및 요각이 아닌 특징부를 포함하는 텍스쳐는 블라인드 구멍 보다 관통 구멍의 생성과 결합될 수 있다. 본 발명과 공지된 EB 드릴링 사이의 구별은, 고전적인 EB 드릴링에서와 같이 자체의 완벽한 제거 보다는 몇몇 또는 모든 용해된 재료의 자체적으로 제어된 변위에 따른 처리의 신뢰성에 있다. 이 처리의 제어 및 실행은 2차 빔 편향으로 되어, 재료를 관통하는 빔의 타이밍 및 범위를 제어한다. 관통에 수반하는 재료의 돌출은 정상적인 방법에 있어서는 휘발성 백킹 재료를 사용하여 일어나는데, 요구된 에지 프로파일을 주기 위해서 주변 재료의 제어된 용해 및 변위에 수반된다.
전형적으로, 소재는 파워 빔에 의해 용해되거나 증기화될 수 있는 소정의 금속 또는 그 밖의 재료일 수 있다. 예로서 스틸이 있다. 또한, 도전성은 아니지만 비금속이 처리될 수도 있다. 예컨대, 요각의 특징부가 석영 및 알루미나와 같은 세라믹과, 유리, 폴리머 및, 합성물 내에서 생성될 수 있다. 메커니즘은 동일하며, 폴리머에서는 보다 절약되고, 금속에서는 보다 많은 증기가 발생된다.
본 발명의 제2측면에 따라서, 소재를 다른 부재에 결합시키는 방법은 소재의표면에 하나 이상의 공동을 형성하기 위해서 본 발명의 제1측면에 따른 방법을 사용하여 소재 표면을 준비하는 것과, 다른 부재를 소재의 준비된 표면에 접착시키는 것을 구비하여 구성된다.
이 방법은 다수의 적용에 유용하다. 특히, 다른 부재는 압력이나 열 또는 화학적인 작용의 조합에 의해 선택된 기재 또는 소재의 공동 내로 성공적으로 도입될 수 있는 소정의 폴리머 또는 그 밖의 재료일 수 있다. 예컨대, 그 밖의 부재는 나일론, PTFE, PMMA, 알루미늄 및 그 합금, 석탄산의 수지 및, 마그네슘 및 그 합금 중 하나를 구비하여 구성될 수 있다.
본 발명의 중요한 적용의 예는, 브레이크 패드를 금속 브레이크 패드 백킹에 접착하는 것과, 예컨대 힙 결합(hip joint) 등의 보호 장치(prosthetic device)의 제조를 위해 낮은 마찰의 폴리머를 내부식성 금속에 접합하는 것, 예컨대 충격-흡수 버퍼의 제조를 위해 러버(rubber)를 스틸 또는 그 밖의 금속에 접합하는 것 그리고, 예컨대 경량의 브레이크 디스크의 제조를 위해 알루미늄을 스틸 또는 주철에 접합하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 몇몇 예가 첨부된 도면을 참조로 기재된다.
도 1a 내지 도 1h는 요각의 표면 특징부를 갖는 공동의 형성에 있어서의 연속적인 단계를 나타낸 도면이다. 처음에는, 전자 또는 레이저 빔(1)이 스틸 소재(2)와 같은 기재 상에 부딪친다. 이어서, 증기 충전된 공동(3)이 측면으로, 외측으로 변위되는 용해된 재료(4)와 함께 형성되기 시작한다(도 1b). 더 노출된 후, 보다 용해된 재료(4)가 변위되고, 빔이 편향되어 확장된 용해된 구역(5)을 표면에 형성한다(도 1c). 빔(1)은 더 편향되므로(도 1d), 더 용해된 재료(4)를 변위시켜서 표면에 확장된 용해된 구역을 형성한다. 편향은 도 1e와 도 1f에 나타낸 바와 같은 다양한 형태를 취할 수 있다. 전형적으로, 이 편향은 폐쇄된 궤적을 따라서 다수번 반복될 수 있다.
그 다음, 빔(1)은 제2장소로 이동하고, 2차 공동(3')을 형성하기 시작하므로, 더 용해된 재료(4')를 변위시키게 한다(도 1g). 이 더 용해된 재료(4')는 인접 구역(5) 내의 이전 재료와 겹쳐지고, 그 후 도 1h의 참조부호 6으로 가리켜지는 바와 같이 표면 장력 하에서 의사-구형 프로파일로 고화되어 요각의 특징부(7)를 형성하게 된다.
일반적으로, 각 공동은 유사한 형상 및 형태를 갖고, 공동은 도 2a(정사각형) 또는 도 2b(밀접하게-채워진)로 나타낸 바와 같이 배열될 수 있다. 그런데, 공동은 동일 사이즈로 될 필요는 없고, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 다양한 사이즈는 보다 높은 패턴 밀도를 달성할 수 있게 한다.
전자 빔에 대한 전형적인 파라미터는 다음과 같은데:
스틸의 텍스쳐를 위해서, 140kV 가속 포텐셜의 빔과 42mA 빔 전류와 함께, ~5.8kW의 파워를 제공하므로, 빔은 ~0.4mm의 직경으로 초점이 맞춰지고, 소재 내에서 ~580구멍/s를 만들게 된다. 적합한 편향 주파수의 예가 이하 설명된다. 이 경우, 피크 빔 전력 밀도는 105~107W/mm2로 된다. 각각의 구멍은, ~1.7ms 내의, ~10J 에너지로 만들어지게 된다. 하나의 구멍 위치로부터 다음 위치로의 빔의 전이 시간은, 전형적으로 구멍 위치에 머문 시간의 1/100로, 이 경우 ~17㎲가 된다. 빔은소재 표면에 걸쳐서 ~1km/s의 속도로 진행할 수 있으므로, 표면 용해 또는 그 밖의 손상이 이 스캐닝 속도에서는 없게 됨에 따라, 전이 동안의 파워의 스위치 오프 또는 감소는 필요하지 않게 된다.
스틸에 있어서, 10J로 생성된 공동은, 초기 표면 아래로 ~0.6mm 깊이로 된다. 이 디멘션은 재-용해된 재료의 점유에 의해 각 공동에서 감소되므로, 요각의 특징부를 제공하게 된다. 공동의 피치는, 전형적으로 ~1mm로 된다.
유사한 공동이 레이저로 생성될 수 있는데; 기재와의 감소된 결합 성능에 따라서, 전형적으로 약간 높은 총에너지가 공동 마다 요구된다. 실제 레이저 펄스 존속기간은 전자 빔의 존속기간 보다 짧을 수 있고, 이에 따라 피크 에너지 밀도는 약간 높게 될 수 있다. 작은 사이즈의 공동이, 공동 마다 ~15J을 제공하는 300W 평균 출력 펄스 CO2레이저를 사용해서, 20개/s의 비율로 생산될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 전자 빔(1)을 횡단하는 분포는 5kW 전자 빔에 기초한 도 3에 나타낸 파워 분포와 유사한 형태를 갖는다. 따라서, 중대한 프린지(fringe) 파워 지역은 아니지만, 대략 0.6mm의 직경에서는 중심에서 비교적 높은 피크 파워 밀도가 있게 된다. 중간 정도의 빔 폭은 0.25-0.3mm이다.
전자 빔의 경우, 많은 다양한 타입의 전자 빔 총이 빔을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 전형적인 전자총에 있어서는, 내화성 금속의 캐소드는 10-5내지 10-6mbar의 진공에서 ~2000℃로 가열된다. 30-150kV의 포텐셜은 빔을 중공 애노드를 통해 가속시킨다. 3극 진공관 총에 있어서, 빔 전류는 제3의 "바이어스" 또는"Welnhelt"전극에 의해 제어된다. 다이오드 총에 있어서, 빔 전류는 캐소드만의 온도에 의해 제어된다.
빔은 자기 트랩(magnetic trap;바람직하지 않은 재료의 입장으로부터 총을 보호할 수 있는 장치)과 통합될 수 있는 자기 렌즈 등의 시스템과 고속으로 빔을 조작할 수 있는 편향 코일을 통과할 수 있다. 빔의 작업 환경은, 적어도 10-1mbar, 전형적으로는 5x10-3mbar의 진공일 수 있다. 진공 레벨은 빔 품질과 강도에 영향을 준다.
캐소드는 직접적으로 가열되거나 간접적으로 가열될 수 있다. 직접적으로 가열된 캐소드는 소위 10-100시간 간격에서 교체를 요구하는데, 동작은 달성하기 위해서는, 전형적으로 ~15분 걸리게 된다. 간접적으로 가열된 캐소드는 훨씬 길게 존재하는데, 전형적으로 요구되는 변위 전에 수백 시간 동작된다.
빔 품질은, 소위 슬릿 프로브 장치(slit probe device)의 사용에 의해 실시간으로 모니터될 수 있다. 이 장치는 자동화 시스템으로서의 전자 빔 제어 시스템에 링크될 수 있다.
일실시예에 있어서, 소재는 바이메탈 스트립 등에서의 톱니 블레이드(saw blade)의 제작과 같은 적용에 대해 성공적으로 구축되는 통상적인 공기-진공-공기 시스템을 사용해서 연속적인 스트립으로서 처리될 수 있다.
대안적인 접근은 스트립 재료의 릴(reel)을 개별적으로 처리하는 것으로, 릴(11) 상의 블랭크 재료(10)가 빈 테이크-업 릴(13;take-up real)과 함께 특별히설계된 진공 챔버(12) 내에 위치되게 한다. 이들 릴(11,13)은 재료가 "설정"을 택하지 않으면, 매우 큰 직경으로 필요하게 된다. 예컨대, 7mm 두께 재료에서 0.2% 응력을 주기 위한 최대 순수 굽힘 반경은 1750mm이다. 그러므로, 2.5m의 반경을 갖는 릴은 80mm 폭 스트립의 6ton, 1.4km의 길이까지 유지할 수 있다. 5kW 총(14)과 함께, 1m/min 처리 속도가 가능한데, 이는 이와 같은 릴이 처리를 위해 대략 24시간 걸린다는 것을 의미한다. 그런데, 텍스쳐 속도가 총의 파워에 비례해서 증가하여 10m/min로 처리되면, 이러한 릴은 ~21/2시간 내에 처리되어진다.
그런데, 현재의 실제 생산에 따른 전자 텍스쳐 기술을 통합하는 관점으로부터, 바람직한 루트는 브레이크 패드 백킹 플레이트(PBP)와 같은 개별 소재를 텍스쳐하게 된다. 이를 달성하기 위한 장치의 예가 도 5 및 도 6에 보여진다. 2개의 슈트(20,21;chute)가 나란히 탑재되고(도 6에는 하나만 보여진다), 2개의 PBP가 전자총렬(22)을 향해서 슈트로 공급되어, 모두가 편향 필드 내에 있게 한다. 슈트(20,21)의 출구는 배출 챔버(23) 내에 위치된다. 하나의 PBP가 처리 후 제거되는 동안, 다른 것이 처리된다. 이는, 이용 가능한 빔 파워가 연속적으로 동작됨으로써 완전히 사용될 수 있음을 의미한다. 더욱이, 다른 기술과 달리, 이는 요구될 때만 PBP 각각이 선택적으로 텍스쳐될 수 있게 한다. 이미 구멍을 갖춘 통상적인 PBP의 선택된 영역을 텍스쳐하는 것도 가능하다.
실제, PBP들은 각각의 슈트 내로 연속적으로 적재될 수 있으므로, 슈트의 측벽은 효과적인 진공 실로서 작용하게 된다. 이를 용이하게 하기 위해서, 100번째PBP 마다 블랭크 더미(blank dummy)될 수 있으므로, 진공 실을 유지하기 위해서, "O"링의 도움으로 슈트 디멘션을 정확하게 고정할 수 있다. 참조부호 25, 26으로 나타낸 바와 같은 슈트로부터의 공기 출구가 진공을 유지하기 위해 제공되는데, 이 출구는 진공 펌프(도시생략)에 연결된다.
텍스쳐 후, PBP는 규칙적인 간격으로 비워지게 되는 호퍼(27) 내로 간단히 낙하된다.
준비 표면을 갖춘 소재가 형성되면, 접착제를 사용해서 통상적인 방법으로 다른 부재와 결합할 수 있다. 상기된 설명에서와 같이, 텍스쳐된 표면은 결합력을 상당히 증강하고 강화하고, 실제로 소정 재료가 이전에 결합시킬 수 없었던 접착제를 사용하여 결합될 수 있게 한다.
이제까지 기재된 예는 소재의 표면 내의 블라인드 구멍 또는 공동의 형성을 나타낸다. 본 발명은 관통 구멍을 형성하는데 사용할 수도 있다.
도 7은 소재(32) 내의 비대칭 관통 구멍(30)의 형성을 나타낸다.
도 8은 소재(34)에서의 관통 구멍의 보다 상세한 형성을 나타낸다. 초기에, 전자 또는 레이저 빔(36)은 소재(34) 표면(38) 상에 초점이 맞춰져서, 기재를 관통하고 백킹 재료로 들어가기 시작한다(도 8a). 선택적으로, 빔(36)은 고주파수에서 편향될 수 있어, 비원형, 비-빔-형상의 구멍을 위한 빔을 "형성"하게 된다. 빔(36)이 소재(34)를 관통함에 따라, 액체 금속/기재의 지역(40)이 구멍이 측면을 따라 형성된다.
빔이 백킹 기재(42:전형적으로 실리콘 러버 또는 그 밖의 휘발성 재료로 만들어짐)에 부딪침에 따라, 작은 가스 폭발이 일어나게 되는데, 이는 모든 또는 거의 모든 용해된 재료(40)가 돌출되어 구멍에 대해 예리한 에지를 남기게 한다(도 8b).
그 다음, 빔(36)은 저주파수에서 편향(도 8c)되어 구멍 주변을 용해하고, 신규한/존재하는 용해된 재료(44)를 제어된 형식으로 변위시킨다. 백킹 기재(42)로부터의 또 다른 증기는, 요구되면 금속/기재 흐름을 돕는다.
겹치는 용해된 구역(46)을 생성하여 만곡된 요각의 또는 그 밖의 형상의 구멍을 생성하기 위해서, 인접한 구멍이 유사한 방법으로 형성될 수 있다(도 8d).
한편, 겹쳐지거나 요구되지 않을 수 있는 비대칭 용해 구역(48)이 형성될 수 있다(도 8e). 제어된 빔 편향을 매개로 구멍 비대칭이 발생한다.
도 9는 백킹 층의 사용 없는 관통 구멍 형성을 나타낸다. 따라서, 도 9a에 있어서는, 빔(36)이 소재(34) 상에 부딪쳐서, 그 측면을 따라 용해된 재료(40)를 갖는 구멍(50)을 형성한다. 빔(36)은 매우 높은 주파수에서 편향되어, 구멍을 "형성"한다.
그 다음, 주변 구역(52)에서 용해된 재료(40)를 확장하고, 형성하며, 변위하기 위해서, 빔이 중간 주파수에서 편향된다(도 9b).
더욱이, 겹쳐지지 않는 대칭의 요각 구멍이 유사한 방법으로 형성되거나(도 9c) 또는 대안적으로 구멍이 서로 인접하게 위치되어, 요각의 특징부를 정의하는 겹치는 용해된 지역(54)을 생성하게 한다. 또 다른 대안에 있어서는, 겹치지 않는 비대칭 구멍이 생성될 수 있다(도 9e).
도 8 및 도 9에 나타낸 예에 있어서, 구멍 형성은 대략 1000/s의 비율로 수행될 수 있다. 초기 편향 주파수(도 8a 및 도 9a)는, 전형적으로 100KHz-2MHz 범위 내이지만, 도 8b 및 도 9b에 나타낸 단계에서 사용된 이어지는 "프로파일" 형성 편향 주파수는 1KHz-100KHz 정도로 된다.
몇몇 경우, 전자 또는 레이저 빔(1)은 텍스쳐/천공에 앞서, 그리고 전형적으로 초점이 흐려지는 것에 앞서 영역을 예열하는데 사용될 수 있다. 따라서, 빔은 모든 실질적으로 동시에 수행될 수 있게 하는 이들 태스크(task) 사이에서 시간이 나누워질 수 있다.
도 10은 빔의 다수의 운동의 합계에 의해 소재 내에 어떻게 일련의 공동이 형성될 수 있는 지를 나타낸다. 화살표(100)는 전자총에 대한 소재의 상대운동을 표시한다.
빔은, 실질적으로 선형 경로를 따른 다수의 장소 사이에서 소재를 트래버스한다. 이 트래버스방향 또는 "1차 편향"은 화살표 101에 의해 보여진다. 이 트래버스는 화살표 102에 의해 가리켜지는 바와 같은 동작 내내 반복된다. 만곡된 화살표 103는, 적용될 때 공동이 요구된 형태를 갖게 하는 빔의 궤도 운동(2차 편향)을 가리킨다.
장소 사이의 진행 시간은, 전형적으로 각 장소에서 보낸 시간의 대략 1/100이고, 그러므로 화살표 101로 가리켜지는 운동은 소재(100)의 상대운동 또는 궤도의 2차 편향(103) 보다 신속하게 된다.
상기된 3개의 운동을 합함으로써, 그리고 그들의 상대 주파수를 적절히 제어하는 것으로, 도 10에서 화살표 104로 일반적으로 가리켜지는 소재에 대한 빔의 결합된 운동이 생성된다.
도 11a 내지 도 11d는 전/후 가열 처리로 다양한 2차 편향의 사용을 나타낸다. 도 11a에 있어서는 루프-예열이 보여지는데, 공동 형성에 앞서 빔이 우선 원(105)을 따르게 되는데, 원은 최종 공동의 원주 외측에 놓이게 된다. 그 다음, 빔은 공동을 정확하게 형성하기 위해서 보다 작은 직경의 2개의 원 106, 107 내로 움직인다.
도 11b는 (나중의 공동 형성을 위해) 인접 장소의 부분이 래스터 운동(108)으로 우선 예열되는 래스터 예열을 나타낸다. 그 다음, 실제 장소에서의 공동이 원형 빔 경로(109)를 사용해서 형성된다. 그 다음, 인접 장소의 나머지 부분은 단계에서 또 다른 래스터 운동(110)으로 예열된다.
빔 운동이 매우 신속함에 따라, 현재 경험되는 공동 또는 구멍 형성 다음의 라인 내의 일련의 장소는 예열 처리될 수 있다. 고속 처리는, 예열 처리 후 각 공동/구멍이 형성된 시간에 의해 예열 온도의 작은 손실로 귀결된다.
도 11c는 루프 후-가열 처리에 대한 적합한 2차 편향을 나타낸다. 원(111,112)은 먼저 형성되는 공동을 위한 빔 운동을 가리키는데, 이 운동 후 빔은 편향되어 공동이 초기에 형성된 다른 장소의 원형 경로(113)를 따르게 된다.
도 11d는, 특히 큰 덩어리의 돌출된 재료의 형성에 이득이 되는 예열 처리의 또 다른 예를 나타낸다. 빔은, 우선 라인(114)으로 공동이 형성되는 장소를 향해 움직인다. 이 라인은, 이전의 1차 빔 편향 경로를 정의하는 인접한 장소의 라인으로부터 대부분의 거리동안 연장된다. 소재의 표면은 라인 근방에서 용해된다.
그 다음, 원형 경로(115)를 따르게 되어, 공동의 형성에 영향을 주게 된다. 이것이 적합한 속도로 수행될 때, 이전에 형성된 공동의 라인으로부터 돌출된 재료는 용해된 채로 있게 된다. 그러므로, 공동 그룹으로부터 돌출된 재료는 표면 장력에 의해 유착되어 공동 사이의 틈새 내에 큰 특징부를 발생시키게 된다.
전자 빔을 사용해서 공동을 형성하기 위한 몇몇 다른 예의 상태가 이하 기재된다.
파라미터 예1 예2
재료 스테인리스스틸 316L 알루미늄 합금 AA3004
텍스쳐 타입 중간 깊이 깊다
요각의 특징 Yes Yes
1차-2차 편향 위상 잠금 Yes No
가속 전압(kV) 130 120
빔 전류(mA) 20 29
빔 직경 - 90%전류(mm) 0.3 0.6
압력(mbar) 대략 0.001 대략 0.001
작업 거리-렌즈 폴 피스 갭으로부터(mm) 334 400
1차 편향 패턴 폭(mm) 40 41
1차 반복 당 공동의 수 60 24
1차 편향 반복 주파수(Hz) 40 36
2차 편향 패턴 타입 3중 원 단일 원
2차 편향 패턴 사이즈(mm) 0.33 0.5
2차 편향 반복 주파수(Hz) 2400 5100
소재 공급률(mm/min) 2200 3930
공동 형성률(/second) 2400 864
에너지 입력(Joules/Cavity) 1.03 4.03
영역 커버리지 레이트(mm2/second) 1467 2686

Claims (46)

  1. 소재 상의 일련의 장소를 파워 빔에 노출하도록 소재와 트래버스방향의 파워 빔 사이의 상대운동을 일으키고; 각각의 장소에서, 트래버스방향에 대해 가로지르는 성분을 갖는 설정된 방법으로 파워 빔이 소재에 대해 움직이게 하는 것을 구비하여 이루어져서, 각 장소에서 소재가 파워 빔에 의해 용해되거나 변위되어 공동 또는 구멍을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 소재 상에서 동작하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제어된 설정된 방법으로 빔이 움직이도록 파워 빔의 운동 방법을 초기에 선택하는 것을 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 장소에 구멍이 형성될 때, 구멍은 파워 빔의 공칭 방향에 대해 비대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 장소에 구멍이 형성될 때, 소재는 백킹 기재 상에 위치되고, 파워 빔이 소재 내의 구멍을 통과하여 백킹 기재에 부딪치는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 장소에 구멍이 형성될 때, 설정된 방법으로의 빔 운동이 구멍이 형성되기 전 또는 후에 수행되는 것을 특징으로하는 방법.
  6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 설정된 운동은 원형, 선형, 타원형 및/또는 단순한 기하학적인 도형 형상의 운동과 같은 2차 편향을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 파워 빔은 구멍 또는 공동을 생성하기 위해서 제1주파수에서 편향되고, 그 다음 제2의 다른 주파수에서 편향되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 조작은 파워 빔 밀도 분포의 하나 이상의 시간적이거나 공간적인 변조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 요구되는 에지 프로파일을 달성하기 위해서, 고화된 재료를 용해하고 변위하는 것을 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 장소에서, 소재 재료는 파워 빔의 영향 하에서 용해되고 측면으로 이격된 후, 인접한 소재 표면에 대해 높여진 고화된 재료의 영역에 의해 둘러싸인 공동 또는 구멍을 형성하도록 고화되게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍이 적어도 500/s의 비율로 소재 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 공동 또는 구멍이 적어도 580/s의 비율로 소재 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 빔이 대략 1km/s의 비율로 장소 사이를 움직이는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 장소 사이의 전이 시간이 각 장소에 머문 시간의 대략 1/100인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍이 대략 0.6mm의 최대 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍이 0.6-1mm 범위의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍이 대략 1mm의 피치로 이격된 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 피크 파워 빔 밀도가 105-107W/mm2의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍이 대략 10㎛ 미만의 최대 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍은 대략 2mm 미만의 최대 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍은 모두 실질적으로 동일 사이즈인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍은 사각형 또는 밀접하게 채워진 어레이로 배열된 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 구멍 또는 공동은 요각의 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 빔은 전자 빔 또는 레이저 빔을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 빔의 전류는 빔의 직경을 횡단해서 분포되어, 빔 직경의 1/3과 실질적으로 등가인 측면의 디멘션을 갖는 파워 빔의 중앙 지역을 둘러싸는 파워 빔의 환형상의 전류가 중앙 지역의 전류의 적어도 1/2이도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 환형상의 전류가 중앙 지역의 전류와 적어도 등가인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 환형상의 전류가 중앙 지역 전류의 2배 또는 3배인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 설정된 운동의 부분이 장소에 인접한 영영이 가열되게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 인접한 영역이 장소를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제28항에 있어서, 인접한 영역이 다른 장소를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 공동 또는 구멍이 다른 장소에 형성되기 전, 다른 장소가 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제30항에 있어서, 공동 또는 구멍이 다른 장소에 형성된 후, 다른 장소가 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분의 설정된 운동은 상기 장소에서의 설정된 운동에 대해 다른 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제28항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분의 설정된 운동이 래스터 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 장소는 인접한 장소로부터 변위된 재료가 접촉하도록 이격된 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 인접한 장소의 형성 사이의 시간 주기는 인접한 장소로부터 변위된 재료가 용해되고, 유착되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 공동 또는 구멍의 형성 동안 빔 초점을 변화시키는 것을 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 소재가 금속을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 소재가 브레이크 패드 백킹 플레이트를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 파워 빔이 연속적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 상기 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하는 것에 의존해서 동작되는 것을 특징으로 하는 소재.
  42. 소재의 표면 내에 하나 이상의 공동을 형성하도록 상기 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하여 소재의 표면을 변경하고, 다른 부재를 소재의 미리 준비된 표면에 접착시키는 것을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다른 부재에 소재를 접합하기 위한 방법.
  43. 제42항에 있어서, 다른 부재가 폴리머를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제42항에 있어서, 다른 부재는 나일론, PTFE(polytetrafluoroethylene), PMMA(polymethylmethacrylate), 폴리우레탄, 알루미늄 및 그 합금, 석탄산의 수지 및, 마그네슘 및 그 합금 중 하나로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제42항에 있어서, 다른 부재는 브레이크 패드를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 장소의 재료가 용해되고 변위되어, 소재와 제2재료 사이의 접착을 개선하는 것을 특징으로 하는 방법.
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