KR20050099422A - 3차원 형상의 마이크로 부품 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수십 ~ 수백 마이크론의 미세 앤드밀이 장치된 CNC계열의 초정밀 가공기에 의해 판형 지그의 상면에 수 개의 마이크로 폴을 절삭가공하는 단계; 상기 판형 지그에 고정될 박판형의 금속 또는 비금속 공작물에 상기 마이크로 폴과 취합되는 마이크로 홀을 초정밀 가공기에 의해 절삭가공하는 단계; 상기 지그에 공작물을 고정한 상태에서, 상기 공작물의 상면에 가공하고자 하는 3차원 부품의 상반신을 초정밀 가공기에 의해 음각형태로 절삭가공하는 단계; 상기 공작물의 상면 가공부위에 열용융성 충진재를 충진시킨 후 이를 응고시키는 단계; 상기 공작물을 뒤집어서 지그에 고정시킨 상태에서, 상기 공작물의 저면에 가공하고자 하는 3차원 부품의 하반신을 초정밀 가공기에 의해 음각형태로 절삭가공하는 단계; 상기 충진재에 열을 가해 충진재를 용융시키므로써 공작물로부터 3차원 마이크로 부품을 분리시키는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 형상의 마이크로 부품 제작방법에 관한 것이다.

Description

3차원 형상의 마이크로 부품 제작방법{Micro parts manufacturing method of three dimension shape}

본 발명은 3차원 형상의 마이크로 부품을 마이크로 앤드밀 공구를 이용하여 손쉽게 제작하기 위한 방법을 제시한 것으로서, 보다 상세하게는 직경이 수십 ~ 수백 마이크론인 미세 앤드밀이 장착된 CNC계열의 초정밀 가공기를 이용하여 금속소재 또는 비금속소재로 된 3차원 마이크로 부품을 절삭가공에 의해 제작할 수 있도록 한 3차원 형상의 마이크로 부품 제작방법에 관한 것이다.

마이크로 부품을 정의함에 있어 외형면적이 1mm²이하(혹은 그 이상일 수도 있음)이면서 내부에 마이크론 단위(1/1000mm)의 미세구조 및 형상을 갖고 있는 부품으로 한다면, 이러한 미세부품을 가공함에 있어서 일반적인 가공방법으로는 불가능하기 때문에 많은 경우 반도체의 포토리소그라피(Photolithography)를 이용한 식각방법을 활용하거나, 또는 LIGA(Lithographie Galvanoforming Abformung)이나 MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정을 이용해 생산해 왔다.

그러나, 상기에 열거된 방법들은 미세구조물을 제조할 수 있다는 장점에도 불구하고, 반도체 라인과 같이 고가의 설비가 필요하며, 식각이 가능한 소재에 한정하여 제작이 가능하기 때문에 철, 동, 알루미늄 등의 고강성 소재를 이용한 미세구조물의 생산은 불가능 하였다.

또한, 3차원 미세구조물 및 임의의 단면을 가지는 구조물을 제조하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 반도체 공정에 의한 가공방법은 피가공물의 상면에 음각이나 양각의 모양을 형성하는 방법이기 때문에 음각모양체나 양각모양체의 루트(root)는 피가공물에 붙어있는 상태가 된다. 따라서, 음각모양체나 양각모양체는 그 루트가 가공되지 않은 상태이기 때문에 3차원 형상이라 정의하기 어려우며, 2.5차원이라 정의할 수 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 주요 목적은 수십 ~ 수백 마이크론의 미세 앤드밀 공구가 장착된 CNC계열의 초정밀 가공기를 이용하여 고강성 금속소재로 된 3차원 형상의 미세부품을 절삭가공에 의해 대량으로 제작할 수 있는 방법을 제시함에 있다.

이러한 본 발명은,

수십 ~ 수백 마이크론의 미세 앤드밀이 장치된 CNC계열의 초정밀 가공기에 의해 판형 지그의 상면에 수 개의 마이크로 폴을 절삭가공하는 단계; 상기 판형 지그에 고정될 박판형의 금속 또는 비금속 공작물에 상기 마이크로 폴과 취합되는 마이크로 홀을 초정밀 가공기에 의해 절삭가공하는 단계; 상기 지그에 공작물을 고정한 상태에서, 상기 공작물의 상면에 가공하고자 하는 3차원 부품의 상반신을 초정밀 가공기에 의해 음각형태로 절삭가공하는 단계; 상기 공작물의 상면 가공부위에 열용융성 충진재를 충진시킨 후 이를 응고시키는 단계; 상기 공작물을 뒤집어서 지그에 고정시킨 상태에서, 상기 공작물의 저면에 가공하고자 하는 3차원 부품의 하반신을 초정밀 가공기에 의해 음각형태로 절삭가공하는 단계; 상기 충진재에 열을 가해 충진재를 용융시키므로써 공작물로부터 3차원 마이크로 부품을 분리시키는 단계;로 이루어지므로써 달성된다.

이때, 상기 충진재는 용융점이 110 ~ 200℃인 비스무스(Bismuth)계, 왁스(Wax)계 등 마이크로 공작물을 고정하고 분리하는데 용이한 물질(상온에서는 고체상태이고 고온에서는 액상인 물질)로 되어야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 판형의 금속 또는 비금속 공작물(1)을 이에 맞게 제작된 지그(Jig)(2)에 견고히 고정한 상태에서 판형 공작물의 상면상에 가공하고자 하는 3차원 마이크로 부품(3)의 상반신을 절삭가공하고, 판형 공작물을 뒤집어서 3차원 마이크로 부품의 하반신을 절삭가공하되, 하반신 가공시 3차원 마이크로 부품이 공작물로부터 분리될 소지가 있기 때문에 이를 고정하기 위해 상반신을 가공한 이후에 가공부위의 빈공간에 충진재(4)를 주입하여 응고시킴으로써 보조지그의 역할을 할 수 있도록 하고 가공이 완료된 이후에 충진재를 열에 의해 녹이는 마지막 과정을 통해 공작물로부터 3차원 마이크로 부품을 분리하는 수순을 밟는다.

이를 자세히 설명하면 다음과 같다.

1 단계로, 판형 공작물을 고정하기 위한 지그(Jig)를 가공한다(Step 1).

이 단계는 도 1 및 도 2에서와 같이 수십 ~ 수백 마이크론(μ)의 미세 앤드밀이 장착된 CNC계열의 초정밀 가공기에 의해 판상으로 된 지그(2)의 상면에 외경이 약 1mm정도인 수 개의 마이크로 폴(pole)(2a)을 절삭가공하는 단계이다.

이때, 상기 지그(2)의 상면에는 공작물(1)이 삽입되는 안착홈(2b)을 형성할 수도 있으며, 이렇게 안착홈이 형성되는 경우에는 안착홈 내에 상기 마이크로 폴(2a)을 형성해야 한다.

2 단계로, 공작물에 수 개의 마이크로 홀(micro hole)을 형성한다(Step 2).

이 단계는 도 1 및 도 2에서와 같이 평판형으로 된 금속 공작물(1)에 상기 초정밀 가공기에 의해 내경이 약 1mm정도인 수 개의 마이크로 홀(1a)을 절삭가공하는 단계이다.

이때, 상기 마이크로 홀(1a)은 상기 마이크로 폴(2a)을 삽입하기 위한 것이므로 상호 위치적으로 부합되어야 함은 물론이며, 또한 마이크로 폴(2a)과 마이크로 홀(1a)의 가공 정밀도는 지그(2)와 공작물(1)의 결합 정밀도를 결정하는 중요한 인자인 만큼 이들의 가공시 조립 치수공차가 마이크로 단위의 정밀도를 갖도록 정밀하게 가공되어야 한다.

따라서, 지그(2)에 공작물(1)을 안착시킬 때 마이크로 폴(2a)이 마이크로 홀(1a)에 끼워지도록 하면 전후좌우로의 흔들림이 없는 견고한 결합상태를 유지할 수 있게 된다.

3 단계로, 공작물의 상면을 가공하여 3차원 마이크로 부품의 상반신을 절삭가공한다(Step 3).

이 단계는 도 4a 내지 6b에서와 같이 초정밀 가공기의 주축(Spindle)에 마이크로 앤드밀(Micro end mill)을 장치한 상태에서 이 마이크로 앤드밀에 의해 공작물(1)의 상면상에 가공하고자 하는 3차원 마이크로 부품(3)의 상반신을 절삭가공하는 단계이며, 최초 황삭을 하고 후에 정삭을 하여 정밀하게 가공한다.

이때, 3차원 마이크로 부품(3)의 개수는 공작물(1)의 면적에 상당하게 종횡으로 여러개를 가공할 수 있다.

또한, 초정밀 가공기에 입력된 제어프로그램을 바꿈에 따라 도 4a 내지 도 6b에 예시된 바와 같이 일률적인 부품(다단기어)을 가공할 수도 있으며, 도 11에 예시된 바와 같이 서로 다른 모양의 부품을 가공할 수도 있다.

또한, 상기 3차원 마이크로 부품(3)의 상반신을 절삭가공할 때는 공작물(1)의 내부에 함몰된 형태, 즉 음각(陰刻)형태로 가공해야 한다. 그 이유는 다음 단계에서 설명될 충진재(4)를 충진하기 위해서이다.

4 단계로, 공작물의 상반신 가공부위에 충진재를 충진시킨다(Step 4).

이 단계는 도 1과 도 7a, 7b에서와 같이 공작물(1)의 상면 가공부를 보면, 3차원 마이크로 부품(3)의 상반신 가공부위에 절삭에 의해 제거된 공간부(s)가 존재하게 되는데, 이 공간부에 상온에서는 응고상태이며 열을 가하면 용융되는 열용융성 충진재(4)를 충진한 후 이를 응고시키는 단계이다.

이렇게 충진재(4)를 충진하는 이유는 후술될 3차원 마이크로 부품(3)의 하반신 절삭가공시 3차원 마이크로 부품을 고정시킬 수 있는 수단이 없음을 감안한 것으로서, 충진재(4)를 용융상태로 충진한 뒤 이를 응고시키게 되면 고착되면서 3차원 마이크로 부품(3)을 공작물(1)에 견고하게 고정시키는 보조지그로서의 역할을 하게 된다.

이때, 상기 충진재(4)는 용융점이 110 ~ 200℃인 저 용융점을 갖는 비스무스(Bismuth)계 또는 왁스(Wax)계 등 마이크로 공작물을 고정하고 분리하는데 용이한 물질, 즉 상온에서는 고체상태이고 고온에서는 액상인 물질로 되어야 한다.

5 단계로, 공작물을 뒤집어서 지그에 고정시킨 후, 3차원 마이크로 부품의 하반신을 절삭가공한다(Step 5).

이 단계는 도 8a 내지 9b에서와 같이 공작물(1)을 뒤집은 상태에서 공작물의 마이크로 홀(1a)과 지그(2)의 마이크로 폴(2a)이 취합되게 하여 지그에 안착시킨후, 초정밀 가공기의 주축에 이미 장착되어 있는 앤드밀을 이용하여 상반신의 위치와 동일한 위치에 3차원 마이크로 부품(3)의 하반신을 절삭가공하는 단계로서, 이 역시 상반신의 경우 처럼 최초 황삭을 하고 후에 정삭을 하여 정밀가공한다.

이때, 상반신이 이미 가공되어 있는 3차원 마이크로 부품(3)의 하반신을 정확하게 가공하기 위해서는 공작물(1)을 뒤집기 전이나 뒤집은 후의 위치가 동일해야 하기 때문에 고작물의 외형이 사각형임을 가정할 때 공작물(1)의 상변과 이에 인접한 마이크로 홀(1a) 간의 사이간격(d1)과, 공작물(1)의 하변과 이에 인접한 마이크로 홀(1a) 간의 사이간격(d2)은 동일해야 하며, 이와 동시에 공작물(1)의 좌변과 이에 인접한 마이크로 홀(1a) 간의 사이간격(d3)과, 공작물(1)의 우변과 이에 인접한 마이크로 홀(1a) 간의 사이간격(d4)도 동일해야 한다.

이렇게, 3차원 마이크로 부품(3)의 하반신 작업이 완료되면 이 3차원 마이크로 부품은 공작물(1)과 이격된 상태가 되나, 고착된 충진재(4)에 의해 공작물(1)에 고정되어 있는 상태가 유지되는 것이다.

마지막 6 단계로, 충진재에 열을 가해 충진재를 녹임으로써 3차원 마이크로 부품을 공작물로부터 분리한다(Step 6).

이 단계는 도 10과 같이 고착상태인 충진재(4)에 약 100 ~ 200℃ 정도의 열을 가해 용융시켜 충진재가 제거되게 하므로써 충진재에 의해 공작물(1)에 고정되어 있던 3차원 마이크로 부품(3)을 최종 분리하는 단계이다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명은 미세 앤드밀이 장치된 초정밀 가공기를 이용하여 베이스(base)가 없는 완전한 3차원 형상의 입체부품을 절삭가공할 수 있으며,

또한, 기존 반도체 공정에서 시도되지 못한 고강성 소재의 마이크로 부품을 형태의 제약없이 제조할 수 있으며,

또한, 기존의 반도체 공정에 의한 제작방법에 비해 설비가 간단하고, 제작방법도 간단하여 부품의 생산원가 절감이 가능하며,

또한, 하나의 박판에서 여러개의 부품을 동시 다발로 제조할 수 있으므로 시간 및 소재절약이 가능하며,

또한, 금속공작물의 두께를 일정하게 함에 따라 동일 두께의 부품을 다량으로 생산할 수 있으며,

또한, 초정밀 가공기의 가공 공정 프로그램을 바꿔줌에 따라 하나의 박판에서 다양한 형태의 3차원 마이크로 부품을 제조할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정순서도

도 2는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 지그와 공작물의 결합전 상태도

도 3은 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 지그와 공작물의 결합후 상태도

도 4a는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 공작물의 상면절삭 가공상태도 1

도 4b는 도 4a의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도

도 5a는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 공작물의 상면절삭 가공상태도 2

도 5b는 도 5a의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도

도 6a는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 공작물의 상면절삭 가공상태도 3

도 6b는 도 6a의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도

도 7a는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 상면 절삭부위에 충진재를 채워 넣은 상태도

도 7b는 도 7a의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도

도 8a는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 공작물을 뒤집어서 지그에 결합한 상태도

도 8b는 도 7a의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도

도 9a는 본 발명에 따른 3차원 마이크로 부품의 제작공정도로서, 공작물의 저면절삭 가공이 완료된 상태도

도 9b는 도 9a의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도

도 10은 공작물로부터 3차원 마이크로 부품이 분리된 상태도

도 11은 본 발명의 다른 실시예로서, 하나의 공작물에 여러 가지 형상의 3차원 마이크로 부품을 가공한 예

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 공작물 2 : 지그

3 : 3차원 마이크로 부품 4 : 충진재

Claims (3)

1. 수십 ~ 수백 마이크론의 미세 앤드밀이 장치된 CNC계열의 초정밀 가공기에 의해 판형 지그의 상면에 수 개의 마이크로 폴을 절삭가공하는 단계;

   상기 판형 지그에 고정될 박판형의 금속 또는 비금속 공작물에 상기 마이크로 폴과 취합되는 마이크로 홀을 초정밀 가공기에 의해 절삭가공하는 단계;

   상기 지그에 공작물을 고정한 상태에서, 상기 공작물의 상면에 가공하고자 하는 3차원 부품의 상반신을 초정밀 가공기에 의해 음각형태로 절삭가공하는 단계;

   상기 공작물의 상면 가공부위에 열용융성 충진재를 충진시킨 후 이를 응고시키는 단계;

   상기 공작물을 뒤집어서 지그에 고정시킨 상태에서, 상기 공작물의 저면에 가공하고자 하는 3차원 부품의 하반신을 초정밀 가공기에 의해 음각형태로 절삭가공하는 단계;

   상기 충진재에 열을 가해 충진재를 용융시키므로써 공작물로부터 3차원 마이크로 부품을 분리시키는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 형상의 마이크로 부품 제작방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 충진재는 용융점이 110 ~ 200℃인 비스무스(Bismuth)계 또는 왁스(Wax)인 것을 특징으로 하는 3차원 형상의 마이크로 부품 제작방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 공작물은 일정한 두께로 된 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로 부품 제작방법.