KR20200078161A - 미세 와이어 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소재의 제약을 많이 받지 않으며 원하는 단면 크기의 미세 와이어를 저렴한 비용으로 신속하게 소량 생산하는데 적당한 미세 와이어 제조방법에 관한 것으로, 다수의 반원형 성형 홈이 상면에 나란히 형성된 성형판의 상면에 금속분말을 적층하는 단계; 성형판 상면에 적층된 금속분말에 레이저 빔을 주사하여 용융하되, 성형 홈을 따라가면서 레이저 빔을 주사하여 금속분말을 용융하는 단계; 성형판의 성형 홈에서 용융된 금속분말이 고형화되어 와이어가 성형되면 잔류 금속분말을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 미세 와이어 제조법에 관한 것으로, 소재의 제약을 많이 받지 않으며 원하는 단면 크기의 미세 와이어를 저렴한 비용으로 신속하게 소량 생산하는데 적당한 미세 와이어 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속 와이어는 냉간 드로잉 기술을 이용하여 제조된다.
금속 와이어를 제조하기 위한 와이어 드로잉 기술은 냉간 성형 공정기술 중의 하나로 원뿔형 다이에 의해 와이어 단면 치수를 점진적으로 감소시키는 방식이다. 드로잉 공정을 통해 와이어의 단면 치수가 감소되면서 와이어의 표면 품질과 경도는 개선된다.
하지만 이같은 종래의 와이어 드로잉 기술은 사용하는 재료의 제약이 있고, 대량 생산에는 적합하나 소량 생산에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다. 또한 공정 진행시 폐기물이 많이 나온다는 문제점도 있었다. 이로 인해 최근 의료기구나 실험기구 등과 같이 특수한 용도로 사용하기 위해 다양한 소재들을 사용하여 고품질의 와이어를 생산하는 데에 맞지 않았다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 소재의 제약을 많이 받지 않으며 원하는 단면 크기의 미세 와이어를 저렴한 비용으로 신속하게 소량 생산하는데 적당한 미세 와이어 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 와이어 제조방법은, 금속분말로부터 와이어를 제조하기 위한 와이어 제조방법으로서, 다수의 반원형 성형 홈이 상면에 나란히 형성된 성형판의 상면에 금속분말을 적층하는 단계; 상기 성형판 상면에 적층된 금속분말에 레이저 빔을 주사하여 용융하되, 상기 성형 홈을 따라가면서 레이저 빔을 주사하여 금속분말을 용융하는 단계; 상기 성형판의 성형 홈에서 용융된 금속분말이 고형화되어 와이어가 성형되면 잔류 금속분말을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 성형판은 구리 소재로 제작된 구리 성형판인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 금속분말의 적층 두께는 성형 홈의 너비보다 0.1mm 더 두껍게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 서로 다른 크기의 성형 홈을 갖는 여러 종류의 성형판을 구비하고, 이 중 와이어의 굵기에 대응하는 성형판을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형판의 성형 홈에서 금속분말로부터 1차 성형된 와이어를 와이어의 원주방향으로 회전시키는 단계; 및 회전한 와이어에 레이저 빔을 다시 주사하여 용융함으로써 와이어를 2차 성형하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 1차 성형된 와이어에 대한 레이저 빔 주사는 금속분말에 대한 레이저 빔 주사보다 더 높은 출력으로 행해지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 와이어의 회전각도는 180도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 금속분말로부터 성형된 와이어에 대해 다이를 사용한 드로잉 공정을 진행하여 표면 거칠기 및 진원도를 개선하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형판의 성형 홈에서 금속분말로부터 1차 성형된 와이어를 와이어의 원주방향으로 회전시키는 단계; 및 회전한 와이어에 레이저 빔을 다시 주사하여 용융함으로써 와이어를 2차 성형하는 단계; 2차 성형된 와이어에 대해 다이를 사용한 드로잉 공정을 진행하는 단계;를 순차적으로 진행하여 와이어의 표면 거칠기, 진원도 및 경도를 점진적으로 개선하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 와이어 제조용 성형장치는, 평판형 몸체의 상면에 다수의 반원형 성형 홈이 나란히 형성되어 상면에 금속분말을 적층한 후 상기 성형 홈의 방향을 따라가면서 적층된 금속분말에 레이저 빔을 주사하여 용융함으로써 와이어를 성형할 수 있도록 한 성형판; 및 상기 성형판에 적층된 금속분말에 대하여 레이저 빔을 주사하는 레이저 빔 주사기;를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 성형판을 상면에 지지하는 베이스; 상기 성형판에 적층되는 금속분말을 공급하는 파우더 피더; 상기 베이스의 상면을 따라 이동하면서 상기 성형판의 상면에 금속분말을 적층하는 레이어링 바;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 베이스에서 상기 성형판을 지지하는 장착부는 상면에서 하측으로 요입되어, 상기 레이어링 바가 이동하면서 상기 성형판에 금속분말을 적층할 때 상기 성형판이 상기 베이스의 상면으로 돌출되지 않도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 베이스의 하측에 설치되어 상기 장착부를 승강시켜주는 승강용 실린더를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 베이스의 상면에서 상기 성형판을 수용하는 챔버박스를 더 구비하되, 상기 챔버박스는 상면이 레이저 빔이 투과하는 투명 재질로 이루어지고, 하면은 개구되어 상기 베이스 상면에 성형판이 장착된 상태에서 간단히 올려놓는 방법으로 성형판을 수용할 수 있도록 하며, 상기 챔버박스에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급기를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 소재의 제약을 많이 받지 않으면서 원하는 단면 크기의 미세 와이어를 저렴한 비용으로 소량 생산할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법을 설명하기 위한 흐름도
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법을 설명하기 위한 참조도
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법에 사용되는 성형판의 사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조장치를 설명하기 위한 구성도
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법 및 장치에 사용할 수 있도록 실제 제작한 성형판의 사진
도 7 내지 도 9는 각각 25W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 50W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정, 0.4mm의 폭을 갖는 다이를 사용한 드로잉 공정에 의해 순차적으로 성형된 와이어의 형상 사진
도 10 내지 도 12는 각각 200W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 200W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정, 0.8mm의 폭을 갖는 다이를 사용한 드로잉 공정에 의해 순차적으로 성형된 와이어의 형상 사진
도 13은 25W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 50W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정에 의해 성형된 와이어의 진원도 분석 이미지
도 14은 200W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 200W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정에 의해 성형된 와이어의 진원도 분석 이미지
도 15는 1차 레이저 주사, 2차 레이저 주사, 드로잉 공정에 의해 성형된 와이어의 수직/수평 비율 비교 그래프
도 16은 1차 레이저 주사, 2차 레이저 주사, 드로잉 공정에 의해 성형된 와이어의 표면 거칠기 평균 비교 그래프
도 17은 와이어 드로잉 공정 전/후의 경도 값 분포 그래프
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법을 설명하기 위한 참조도
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법에 사용되는 성형판의 사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조장치를 설명하기 위한 구성도
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법 및 장치에 사용할 수 있도록 실제 제작한 성형판의 사진
도 7 내지 도 9는 각각 25W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 50W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정, 0.4mm의 폭을 갖는 다이를 사용한 드로잉 공정에 의해 순차적으로 성형된 와이어의 형상 사진
도 10 내지 도 12는 각각 200W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 200W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정, 0.8mm의 폭을 갖는 다이를 사용한 드로잉 공정에 의해 순차적으로 성형된 와이어의 형상 사진
도 13은 25W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 50W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정에 의해 성형된 와이어의 진원도 분석 이미지
도 14은 200W 출력의 1차 레이저 빔 주사에 의한 용융 공정, 200W 출력의 2차 레이저 빔에 의한 재용융 공정에 의해 성형된 와이어의 진원도 분석 이미지
도 15는 1차 레이저 주사, 2차 레이저 주사, 드로잉 공정에 의해 성형된 와이어의 수직/수평 비율 비교 그래프
도 16은 1차 레이저 주사, 2차 레이저 주사, 드로잉 공정에 의해 성형된 와이어의 표면 거칠기 평균 비교 그래프
도 17은 와이어 드로잉 공정 전/후의 경도 값 분포 그래프
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 미세와이어 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법을 설명하기 위한 참조도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법에 사용되는 성형판의 사시도이다.
본 발명에 의한 미세 와이어 제조방법은 용접시 비드가 발생된다는 점에 착안한 것으로 원하는 소재의 금속분말을 적층시킨 상태에서 레이저 빔을 주사할 때 발생하는 비드로부터 와이어를 얻는 것이다. 이를 위해 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이 새롭게 창작된 성형판을 사용하여 단계적인 세부 공정들을 진행하게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법은, 금속분말 적층단계(S110), 레이저 빔 1차 주사단계(S120), 잔류 금속분말 제거단계(S130), 와이어 회전단계(S140), 레이저 빔 2차 주사단계(S150), 와이어 드로잉단계(S160)를 포함하여 이루어진다.
먼저 금속분말 적층단계(S110)가 진행된다. 이 단계에서는 도 2의 (2)에 도시된 것처럼 성형판(110) 상면에 금속 분말을 도포하여 일정 두께로 적층하게 된다. 이때 사용되는 성형판(110)은 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 다수의 반원형 성형 홈(111)이 상면에 나란히 형성된 것이며, 용융된 금속분말(P1)이 눌어붙지 않도록 열전도율이 충분히 높은 소재를 사용하여 제작된 것이어야 한다. 그리고 도 3과 도 4를 비교하여 알 수 있듯이 서로 다른 크기의 성형 홈(111)을 갖는 다양한 종류의 성형판(110)을 미리 구비한 상태에서 성형하고자 하는 와이어(W1)의 굵기에 맞춰 선택적으로 사용한다. 상기 성형판(110)의 소재로는 높은 열전도율을 가지면서 비용이 저렴한 구리가 적당하다. 하지만, 성형판(110)의 소재가 구리만으로 제한되는 것은 아니다.
이후 상기 레이저 빔 1차 주사단계(S120)가 진행된다. 이 단계에서는 도 2의 (3)에 도시된 것처럼 성형판(110) 상면에 적층되어 있는 금속 분말에 레이저 빔(L1)을 주사하여 용융한다. 이때 레이저 빔(L1)의 주사는 성형판(110)의 성형 홈(111)을 따라 이루어져서 금속분말(P1)의 용융액이 성형 홈(111)을 따라 채워지면서 점진적으로 와이어(W1)로 성형되도록 한다. 이후 금속분말(P1)의 용융액이 고형화되면 성형판(110)의 성형 홈(111)에 삽입된 상태로 1차 성형된 와이어(W1)가 생성된다.
이후 상기 잔류 금속분말 제거단계(S130)가 진행된다. 이 단계에서는 금속 분말로부터 와이어(W1)가 생성되고 남아 있는 잔류 금속 분말을 성형판(110)을부터 제거하게 된다.
이후, 상기 와이어 회전단계(S140)가 진행된다. 이 단계에서는 도 2의 (4), (5)에 도시된 것처럼 성형판(110)의 성형 홈(111)에서 1차 성형된 와이어(W1)를 와이어(W1)의 원주방향으로 180도 회전시켜준다. 그러면 와이어(W1)의 상부와 하부가 반대로 위치하게 된다. 이같은 와이어(W1)의 회전은 별도의 장비를 갖추어 진행할 수도 있겠지만 작업자가 직접 손으로 수행하는 것이 비용 측면에서 바람직하다.
이후, 상기 레이저 빔 2차 주사단계(S150)가 진행된다. 이 단계에서는 도 2의 (6)에 도시된 것처럼 180도 회전한 와이어(W1)에 레이저 빔(L1)을 2차 주사하여 용융함으로써 와이어(W1)를 2차 성형하게 된다. 금속분말(P1)을 대상으로 레이저 빔(L1)을 주사하여 와이어(W1)를 1차 성형할 때보다 1차 성형된 와이어(W1)를 대상으로 레이저 빔(L1)을 다시 주사하여 와이어(W1)를 2차 성형하였을 때의 결과물이 표면 거칠기, 진원도 및 경도 측면에서 개선이 이루어진다. 이에 대해서는 실험결과에 근거하여 향후 자세히 설명하기로 한다.
이후, 와이어 드로잉단계(S160)가 진행된다. 이 단계에서는 도 2의 (7)에서 볼 수 있는 것처럼 2차 성형된 와이어(W1)에 대해 드로잉용 다이를 사용한 드로잉 공정을 진행하게 된다. 이로써, 2차 성형된 와이어(W1)에 비해 드로잉 공정까지 거친 와이어(W1)가 표면 거칠기, 진원도 및 경도 측면에서 개선된 상태가 된다. 이로써 최종적으로 와이어(W1)의 제조가 완료된다.
전술된 것처럼 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법은 단순히 금속분말(P1)에 레이저 빔(L1)을 주사하기만 하여 와이어(W1)를 얻는 것뿐만 아니라, 성형 홈(111)이 형성된 성형판(110)을 적극적으로 활용하는 것이며, 1차 레이저 빔(L1) 주사에 의해 생성된 와이어(W1)를 회전시켜 2차 레이저 빔(L1) 주사, 드로잉 공정을 순차적으로 진행하면서 와이어(W1)의 표면 거칠기, 진원도 및 경도를 단계적으로 개선함으로써 고품질의 와이어(W1)를 얻을 수 있도록 하였다는 점에 주목할 수 있다.
계속해서 아래에서는 전술된 미세 와이어 제조방법을 실시하는데 적합하도록 고안한 미세 와이어 제조장치에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조장치를 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조장치는, 성형판(110), 베이스(120), 승강용 실린더(130), 레이어링 바(140), 파우더 피더(150), 레이저 빔(L1) 주사기(160), 챔버박스(170), 가스 공급기(180)를 포함하여 이루어진다. 아래에서는 상기 각 구성요소들을 중심으로 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조장치에 대해 설명하기로 한다.
상기 성형판(110)은 전술된 바와 같이 다수의 반원형 성형 홈(111)이 상면에 나란히 형성된 것이며, 용융된 금속분말(P1)이 눌어붙지 않도록 열전도율이 충분히 높은 소재를 사용하여 제작된 것이어야 한다. 그리고 도 3 및 도 4를 비교할 수 있듯이 서로 다른 크기의 성형 홈(111)을 갖는 다양한 종류의 성형판(110)을 구비하면서 성형하고자 하는 와이어(W1)의 굵기에 맞춰 선택적으로 사용한다. 상기 성형판(110)의 소재로는 높은 열전도율을 가지면서 비용이 저렴한 구리가 적당하지만, 성형판(110)의 소재가 구리만으로 제한되는 것은 아니다.
상기 베이스(120)는 상기 성형판(110)을 상면에 지지하는 역할을 한다. 상기 베이스(120)에서 성형판(110)을 지지하는 장착부(13)는 디스크 형태로 구분 형성되며 베이스(120)의 상면에서 하측으로 요입된 상태로 설치된다. 이같은 장착부(131)의 구성을 위해 베이스(120)는 원형으로 개구부(120a)를 구비한다. 그리고 상기 장착부(131)는 상기 승강용 실린더(130)의 지지를 받아 승강 가능한 상태로 설치된다.
상기 승강용 실린더(130)는 상기 베이스(120)의 디스크형 장착부(131)를 하측에서 지지하면서 필요에 따라 승강시키는 역할을 한다.
상기 레이어링 바(140)는 상기 베이스(120)의 상면을 따라 왕복 이동하면서 성형판(110)의 상면에 금속분말(P1)을 도포하여 적층하는 역할을 한다. 상기 레이어링 바(140)가 성형판(110)에 금속분말(P1)을 도포할 때 성형판(110)은 베이스(120)에 상면에서 요입된 장착부(131)에 장착된 상태에 있기 때문에 서로 간섭되지 않는다.
항기 파우더 피더(150)는 상기 레이어링 바(140)에 금속분말(P1)을 공급하는 역할을 한다. 상기 파우더 피더(150)는 상기 레이어링 바(140)에 결합되어 함께 이동하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 레이저 빔(L1) 주사기(160)는 베이스(120)의 상측으로 이격된 위치에 설치되며, 베이스(120)의 장착부(131)에 장착되어 있는 성형판(110)의 성형 홈(111)을 따라 정밀하게 이동할 수 있도록 미도시된 이동수단에 지지된 상태로 설치된다. 이같은 레이저 빔(L1) 주사기(160)는 성형하고자 하는 와이어(W1)의 굵기와 진행 공정에 따라 레이저 빔(L1)의 세기를 변화시킬 수 있도록 레이저 출력을 조절 가능한 것으로 구비된다.
상기 챔버박스(170)는 베이스(120)의 상면에서 성형판(110)을 밀폐된 상태로 수용하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 챔버박스(170)는 상면이 레이저 빔(L1)이 투과하는 투명 재질의 렌즈로 이루어지고, 하면은 개구된다. 이처럼 상기 챔버박스(170)의 하면이 개구된 상태이면 베이스(120)의 장착부(131)에 성형판(110)이 놓인 상태에서 상기 챔버박스(170)를 간단히 올려놓기만 해도 성형판(110)을 내부에 수용하는 것이 가능해진다.
상기 가스 공급기(180)는 상기 챔버박스(170)와 호스로 연결되어 챔버박스(170)에 불활성 가스를 공급하는 역할을 한다. 상기 가스 공급기에서 공급되는 불활성 가스는 아르곤 가스가 적당하며 산화 방지를 위해 사용된다.
계속해서 아래에서는 전술된 본 발명의 실시예에 의한 미세 와이어 제조방법과 제조장치를 적용하여 실제로 고품질의 와이어(W1)를 생산하였던 실험을 소개하고자 한다.
<실험예>
본 실험에서는 금속분말로서 평균 입도 25μm의 구형 SUS304 분말을 사용하였으며, 도 6의 사진과 같이 구리를 소재로 제작된 구리 성형판을 사용하였다. 레이저 빔 주사를 위해서는 최대 출력 200W, 레이저 빔의 직경 0.08mm, 주사속도 3.66~732mm/s의 성능을 가지는 직접 레이저 용융장치를 사용하였다. 그리고 실험 진행 중에는 산화 현상을 방지하기 위해 비활성 기체인 아르곤 가스를 공급하여 분위기를 조성할 수 있도록 하였다.
-금속분말 적층
구리 성형판에 금속분말을 도포하였는데 금속분말의 도포 두께는 하기 표 1과 같이 성형판의 성형 홈 직경 치수보다 0.1mm 더 두껍게 하였다.
| Copper plate groove diameter (mm) | 1 | 0.8 | 0.6 | 0.4 |
| Depth of powder layering (mm) | 1.1 | 0.9 | 0.7 | 0.5 |
- 레이저 빔 1차 주사
성형 홈의 폭이 0.4mm, 깊이가 0.2mm인 성형판을 성형장치에 장착한 후, 성형판의 성형 홈을 따라가면서 레이저 빔을 1차 주사하였다. 이때 레이저 출력은 25W, 주사속도는 3.66mm/s, 아르곤 가스의 공급 유속은 8L/min로 하였다. 1차 레이저 주사가 완료된 후 1차 형성된 와이어의 종단면과 측단면은 도 7의 (a)와 (b)를 통해 확인할 수 있다. 1차 형성된 와이어의 형상은 대체적으로 거칠고 균일하지 못하였다.
- 레이저 빔 2차 주사
1차 형성된 와이어를 성형판의 성형 홈에서 작업자가 수작업으로 180도 회전시켰다. 그 후 성형판의 성형 홈을 따라가면서 레이저 빔을 2차 주사하였다. 이때 레이저 출력은 이전보다 센 50W, 주사속도는 3.66mm/s, 아르곤 가스의 공급 유속은 8L/min로 하였다. 2차 레이저 주사가 완료된 후 2차 형성된 와이어의 종단면과 측단면은 도 8의 (a)와 (b)를 통해 확인할 수 있다. 2차 형성된 와이어의 형상은 1차 형성된 와이어에 비해 표면 거칠기 및 진원도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.
도 13은 이때의 와이어의 단면 진원도를 이미지 분석 프로그램인 TDI Plus를 통해 나타낸 것이다. 도 13의 (a)는 25W의 레이저 출력으로 레이저 빔을 1차 주사한 것으로 이때 95%의 진원도를 나타냈으며, 도 13의 (b)는 50W의 레이저 출력으로 레이저 빔을 2차 주사하여 와이어를 대상으로 재용융한 것으로 97%의 진원도를 나타냈다.
- 드로잉 공정
2차 형성된 와이어를 0.4mm의 폭을 갖는 다이를 사용하여 드로잉 공정을 수행하였다. 드로잉 공정을 거친 와이어의 종단면과 측단면은 도 9의 (a)와 (b)를 통해 확인할 수 있는데 2차 형성된 와이어에 비해 표면 거칠기 및 진원도가 더욱 향상된 것을 확인할 수 있었다.
한편, 성형 홈의 폭이 1mm, 깊이가 0.5mm인 성형판을 성형장치에 변경하여 장착한 후, 레이저 출력을 모두 200W로 다르게 하여 레이저 빔을 1차, 2차 주사하고, 0.8mm의 폭을 갖는 다이를 사용하여 드로잉 공정을 수행하였을 때의 와이어 형상은 도 10, 도 11, 도 12와 같이 순차적으로 개선되는 것으로 나타났다. 도 10, 도 11, 도 12에서 확인할 수 있는 것처럼 1차 레이저 주사시 레이저의 입열량이 증가하면 와이어의 표면이 상대적으로 더 거칠어지는 경향이 있으나 2차 레이저 조사와 드로잉 공정까지 거치게 되면 결과적으로 표면 거칠기가 개선되고 100%의 진원도를 갖는 고품질의 와이어로 변모되었다.
도 14는 이때의 와이어의 단면 진원도를 이미지 분석 프로그램인 TDI Plus를 통해 나타낸 것이다. 도 14의 (a)는 200W의 레이저 출력으로 레이저 빔을 1차 주사한 것으로 이때 93.08%의 진원도를 나타냈으며, 도 13의 (b)는 200W의 레이저 출력으로 레이저 빔을 2차 주사하여 와이어를 대상으로 재용융한 것으로 95.36%의 진원도를 나타냈다.
한편, 도 15와 도 16은 와이어를 제조하는 3가지 공정(1차 레이저 주사, 2차 레이저 주사, 드로잉 공정)의 특성을 잘 나타내준다. 도 15에 나타난 것처럼 재용융을 위한 레이저 주사시 와이어의 수직/수평의 비율은 최초 레이저 주사시보다 수직/수평 비율이 1에 가까워진다. 이는 와이어의 크기와 모양이 직접 레이저 용융 공정과 재용융 공정에서 공정 변수 조절로 제어 할 수 있음을 나타낸다.
도 16은 공정 조건에 따른 표면 거칠기 차이를 나타낸 것으로, 레이저 주사속도를 3.66mm/s로 고정했을 때, 입열량이 증가하면 와이어의 표면 거칠기가 증가한다. 이를 개선하는 방법으로 재용융 공정을 수행하면 표면 거칠기가 현저하게 감소하는 효과가 있고, 드로잉 공정을 수행하면 더욱 더 표면 거칠기가 개선됨을 알 수 있었다.
도 17은 경도 값의 분포를 나타낸 것으로 레이저 주사 속도 3.66mm/s 고정일 때, 레이저 출력이 올라감에 따라 경도가 증가하며, 드로잉 후의 와이어 경도 값이 상당히 증가함을 알 수 있다. 이처럼 드로잉 공정시 와이어가 각 사이즈의 금형을 통과하는 과정에서 경도 값이 크게 상승하는 이유는 그 과정에서 가공경화가 발생하기 때문인 것으로 판단된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 성형판 111 : 성형 홈
120 : 베이스 130 : 승강용 실린더
140 : 레이어링 바 150 : 파우더 피더
160 : 레이저 빔 주사기 170 : 챔버박스
180 : 가스 공급기
120 : 베이스 130 : 승강용 실린더
140 : 레이어링 바 150 : 파우더 피더
160 : 레이저 빔 주사기 170 : 챔버박스
180 : 가스 공급기
Claims (16)
- 금속분말로부터 와이어를 제조하기 위한 와이어 제조방법으로서,
다수의 반원형 성형 홈이 상면에 나란히 형성된 성형판의 상면에 금속분말을 적층하는 단계;
상기 성형판 상면에 적층된 금속분말에 레이저 빔을 주사하여 용융하되, 상기 성형 홈을 따라가면서 레이저 빔을 주사하여 금속분말을 용융하는 단계;
상기 성형판의 성형 홈에서 용융된 금속분말이 고형화되어 와이어가 성형되면 잔류 금속분말을 제거하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형판은 구리 소재로 제작된 구리 성형판인 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속분말의 적층 두께는 성형 홈의 너비보다 0.1mm 더 두껍게 하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제1항에 있어서,
서로 다른 크기의 성형 홈을 갖는 여러 종류의 성형판을 구비하고, 이 중 와이어의 굵기에 대응하는 성형판을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 와이어 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형판의 성형 홈에서 금속분말로부터 1차 성형된 와이어를 와이어의 원주방향으로 회전시키는 단계; 및
회전한 와이어에 레이저 빔을 다시 주사하여 용융함으로써 와이어를 2차 성형하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제5항에 있어서,
1차 성형된 와이어에 대한 레이저 빔 주사는 금속분말에 대한 레이저 빔 주사보다 더 높은 출력으로 행해지는 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 와이어의 회전각도는 180도인 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제1항에 있어서,
금속분말로부터 성형된 와이어에 대해 다이를 사용한 드로잉 공정을 진행하여 표면 거칠기 및 진원도를 개선하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형판의 성형 홈에서 금속분말로부터 1차 성형된 와이어를 와이어의 원주방향으로 회전시키는 단계; 및
회전한 와이어에 레이저 빔을 다시 주사하여 용융함으로써 와이어를 2차 성형하는 단계;
2차 성형된 와이어에 대해 다이를 사용한 드로잉 공정을 진행하는 단계;
를 순차적으로 진행하여 와이어의 표면 거칠기, 진원도 및 경도를 점진적으로 개선하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조방법. - 금속분말로부터 와이어를 제조하기 위한 와이어 제조용 성형판으로서,
평판형 몸체의 상면에 다수의 반원형 성형 홈이 나란히 형성되어, 상면에 금속분말을 적층한 후 상기 성형 홈의 방향을 따라가면서 적층된 금속분말에 레이저 빔을 주사하여 용융함으로써 와이어를 성형할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형판. - 제10항에 있어서,
상기 성형판은 구리 소재로 제작된 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형판. - 제10항 또는 제11항의 성형판; 및
상기 성형판에 적층된 금속분말에 대하여 레이저 빔을 주사하는 레이저 빔 주사기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형장치. - 제12항에 있어서,
상기 성형판을 상면에 지지하는 베이스;
상기 성형판에 적층되는 금속분말을 공급하는 파우더 피더;
상기 베이스의 상면을 따라 이동하면서 상기 성형판의 상면에 금속분말을 적층하는 레이어링 바;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형장치. - 제13항에 있어서,
상기 베이스에서 상기 성형판을 지지하는 장착부는 상면에서 하측으로 요입되어, 상기 레이어링 바가 이동하면서 상기 성형판에 금속분말을 적층할 때 상기 성형판이 상기 베이스의 상면으로 돌출되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형장치. - 제14항에 있어서,
상기 베이스의 하측에 설치되어 상기 장착부를 승강시켜주는 승강용 실린더를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형장치. - 제13항에 있어서,
상기 베이스의 상면에서 상기 성형판을 수용하는 챔버박스를 더 구비하되, 상기 챔버박스는 상면이 레이저 빔이 투과하는 투명 재질로 이루어지고, 하면은 개구되어 상기 베이스 상면에 성형판이 장착된 상태에서 간단히 올려놓는 방법으로 성형판을 수용할 수 있도록 하며,
상기 챔버박스에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 와이어 제조용 성형장치.
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