KR20220027947A - 일렉트로폼 툴링 인서트의 가속화된 생산을 위한 방법 - Google Patents

일렉트로폼 툴링 인서트의 가속화된 생산을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

선택적인 텍스처링된 표면을 갖는 맨드릴을 전해조에 배치하여 심을 성장시키는 단계-여기서, 심은 금속의 전해 증착에 의해 형성된 선택적인 텍스처링된 표면의 네거티브 이미지를 포함함-; 고정물을 사용하여 기준 평면에 상기 심 작업측을 아래로 고정하는 단계; 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하기 위해 심을 광학적으로 스캐닝하는 단계-여기서 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하는 것은 심의 상기 비작업 표면의 프로파일과 두께를 개발하는 것을 포함함-; 및 툴 인서트를 형성하기 위해 적층 가공을 통해 심의 비작업 표면에 재료를 추가하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 개시된다.

Description

일렉트로폼 툴링 인서트의 가속화된 생산을 위한 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 6월 13일에 출원된 미국 출원 번호 제62/860,940호의 이익을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 개시는 일렉트로폼 툴링 인서트(electroform tooling insert)의 가속화된 생산을 위한 방법에 관한 것이다.
복잡한 토포그래피(topography)를 갖는 복잡한 텍스처 및 형상을 갖는 표면은 종종 툴링 인서트로 사용된다. 전기 주조법(electroforming)은 종종 복잡한 외부 형상과 내부 지오메트리를 가진 툴 및 툴링 인서트를 제조하는 효율적인 방법이다. 그러나 이러한 공정으로 제조된 툴 및 툴링 인서트는 전기 주조 중 증착 속도가 변하기 때문에 두께가 균일하지 않은 경우가 많다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 신속한 방법을 찾는 것이 바람직하다.
선택적인 텍스처링된 표면을 갖는 맨드릴을 전해조에 배치하여 심을 성장시키는 단계-여기서, 심은 금속의 전해 증착에 의해 형성된 선택적인 텍스처링된 표면의 네거티브 이미지를 포함함-; 고정물을 사용하여 기준 평면에 상기 심 작업측을 아래로 고정하는 단계; 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하기 위해 심을 광학적으로 스캐닝하는 단계-여기서 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하는 것은 심의 상기 비작업 표면의 프로파일과 두께를 개발하는 것을 포함함-; 및 툴 인서트를 형성하기 위해 적층 가공을 통해 심의 비작업 표면에 재료를 추가하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 개시된다.
도면은 표면의 복제물(replica)을 대량 생산하는 데 사용할 수 있는 심(shim)을 생산하기 위한 예시적인 공정의 개략도이다.
아래에 설명된 프로세스는 충실도가 높은 사출 성형, 수지 이송 성형 및/또는 엠보싱 어플리케이션에 사용하기 위한 전기 주조된 툴의 생산과 관련된 시간 및 비용을 실질적으로 줄이는 방법을 제공한다. 이 프로세스는 열가소성 및 열경화성 폴리머 생산 작업 모두를 위한 툴을 만드는 데 사용될 수 있다. 이 프로세스는 얇은 일렉트로폼을 성장시키고, 이를 작업면이 아래로 향하게 하여 기준 평면에 부착시키고, 선택적으로 전기 주조된 표면을 레이저 스캐닝하여 비작업 표면의 결과적인 지오메트리를 리버스 엔지니어링(reverse engineering)하고, 적층 가공(additive manufacturing)의 문제를 해결하기 위해 필요한 경우 표면을 가공하고(machining), 그런 다음 일렉트로폼의 뒷면에 금속을 3D 인쇄하여 프로세스 툴링 어플리케이션에 사용하기 위해 전체 두께를 늘리는 것을 포함한다. 콜드 스프레이(cold spray) 적층 가공, 클래딩 또는 화염 용사(flame spraying )와 같은 기타 적층 가공 공정(또는 적층 가공을 포함하지 않는 제조 공정)은 전체 두께를 증가시키기 위해 수행될 수 있다.
공정에 3D 금속 인쇄를 추가하여, 등각(conformal), 모세관(capillary) 또는 기존 냉각 채널들이 몰드 성능 향상을 위해 인서트의 바디에 직접 인쇄될 수 있다. 패스너(fastener)는 다른 기질에 부착하기 위해 인서트의 뒷면에 3D 인쇄될 수도 있다.
금속 심(metal shim)의 전해 가공(electrolytic manufacturing)에 추가하여 3D 적층 인쇄를 사용하면 적층 가공을 사용하지 않는 공정과 비교할 때 전기주조된 니켈 인서트를 생산하는 데 소요되는 시간을 최대 3일까지 줄일 수 있다. 최신 3D 인쇄 기술은 최대 0.5kg/시간(시간당 킬로그램)의 속도로 니켈 합금을 증착시킬 수 있다. 이것은 6인치 x 6인치 크기의 인서트를 약 5시간 안에 최대 0.5인치 두께로 인쇄할 수 있음을 의미한다.
방법은 표면(102) 상에 금속 심(106)(본원에서 일렉트로폼이라고도 함)을 생성하기 위해 선택적인 텍스처링된 표면(102)을 갖는 맨드릴(mandrel)(100)이 전해조(electrolytic bath)(104)에 배치되는 도면을 참조하여 본 명세서에서 상세히 설명된다. 그 다음, 적층 가공을 사용하여 금속 일렉트로폼(106)을 강화하여 강화된 금속 일렉트로폼(108)을 생성할 수 있다. 그 다음, 강화된 금속 일렉트로폼(108)은 대량 생산 공정에서 다른 구성요소들을 성형하기 위해 사용될 수 있다.
맨드릴(100)은 하나 이상의 텍스처링된 표면(102)을 가질 수 있는 템플릿(template)이다. 텍스처링된 표면(102)은 선택적이다. 텍스처링된 표면은 대량 제조 공정에서 많은 다른 표면들 상에 재현되어야 하는 규칙적이거나 불규칙한 피처(feature)들을 포함할 수 있다. 맨드릴(102)은 전해액에서 치수 변화 없이 전해 프로세스에서 사용될 수 있는 임의의 전기 도전성 재료를 포함할 수 있다. 맨드릴은 금속, 전기 도전성 세라믹 또는 전기 도전성 폴리머를 포함할 수 있다. 적합한 금속은 구리, 강철, 황동, 청동, 은, 알루미늄 등, 또는 이들의 조합이다. 적합한 전기 도전성 세라믹은 인듐 주석 산화물, 안티몬 산화물, 불소 도핑된 산화주석(FTO), 불소 도핑된 산화아연, RuO2, IrO2, SrRuO3, La0.5Sr0.5CoO3, 또는 이들의 조합을 포함한다. 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌 등 또는 이들의 조합과 같은 고유 도전성 폴리머도 맨드릴에 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브, 카본 블랙, 금속 입자, 금속 나노로드 등과 같은 전기 도전성 충전제의 첨가에 의해 전기 도전성이 되는 절연 폴리머 및 절연 세라믹이 또한 맨드릴을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
선택적인 텍스처링된 표면(102)을 갖는 맨드릴(100)은 전해질 용액에 침지되고 전기도금되어 금속 심(106)을 형성한다. 금속 심(106)은 또한 금속 쉘(metal shell)로 지칭된다. 전기도금 용액(105)은 심(shim)을 형성하기 위해 맨드릴(100)의 텍스처링된 표면(102) 상에 증착되는 금속 전극(103)을 포함한다. 심은 일반적으로 일렉트로폼이라고도 한다.
심을 형성하기에 적합한 금속은 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 아연, 금, 백금, 티타늄 지르코늄, 코발트 등, 또는 이들의 조합이다. 일 실시예에서, 전술한 금속들 중 하나 이상으로 형성된 심은 0.015인치 내지 0.500인치, 바람직하게는 0.02인치 내지 0.330인치의 공칭 두께(nominal thickness)를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 심은 니켈을 포함하고 0.015인치 내지 0.200인치의 두께를 갖는다. 전기도금 공정은 1 내지 30일, 바람직하게는 1 내지 10일이 소요될 수 있다.
이 심은 하류 공정(downstream process)에서 사용하기 위한 공동의 위치에 대한 참조를 제공하는 광학 "기점(fiducial)" 타겟을 포함하는 실제 공동의 둘레 주위에 플랫한 "회수(salvage)" 영역(107)으로 성장된다. 이 회수 영역은 본질적으로 플랜지(flange)의 가장 바깥쪽 경계에 위치한 재료이다(예를 들어, 결국 몰드 분할선(mold split-line)을 형성하는 맨드릴의 플랫한 부분). 이는 쉘의 유용한 표면을 찾고, 클램핑하고, 기계가공하고 보호하기 위해 사용된다.
맨드릴의 표면과 상보적인 표면을 가진 심이 맨드릴에서 분리된다. 다시 말해서, 심(106)은 선택적인 텍스처링된 표면(102)의 네거티브 이미지(negative image)인 표면을 갖는다. 심은 이제 상대적으로 작은 심 두께 성장으로 인해 반강체(semi-rigid) 형태이다. 심은 하류 제조 공정을 견딜 수 있는 강도가 부족하기 때문에 텍스처링된 표면을 재현하기 위해 이 형태로 사용될 수 없다.
다수의 제조 공정에서 사용될 수 있을 만큼 충분히 강한 심을 렌더링(rendering)하기 위해, 심을 제2 재료로 보강하는 것이 바람직하다. 심을 강화하기 위해 먼저 진공, 패스너, 접착제 또는 기계적 클램프를 사용하여 작업면이 아래로 향하게 하여 플랫한 기준 표면에 부착된다(클램프와 같은 고정물에 의해). 이렇게 하면 분석 및 인쇄 전에 부품에서 응력 관련 뒤틀림 또는 휘어짐이 제거된다.
그런 다음 비접촉 3D 레이저 또는 광학 스캐닝 디바이스로 고정물(fixture)과 심의 비작업 표면이 스캐닝되어, 심의 비작업 표면 상에 형성된 유기 표면의 디지털 모델을 개발(develop)한다. 이 경우 "유기적"이라는 용어는 그 기하학적 구조에서 고유한 표면(예를 들어, 스노우플레이트(snowflake))을 설명하는 데 사용된다. 이러한 유기 표면들은 각각 다르며, 간단한 수단으로 측정되거나 쉽게 정의될 수 있는 신뢰할 수 있는 지오메트리가 거의 없다.
비작업 표면은 작업 표면(텍스처를 포함할 수 있는 표면)에 대향하여 배치된다는 점에 유의해야 한다. 작업 표면은 맨드릴과 접촉하는 심의 표면이다. 스캔으로부터의 이 데이터는 심의 표면 지오메트리를 리버스 엔지니어링하는 데 사용된다. 이 단계에서, 광학 측정 디바이스를 사용하여 시각화된 기점 타겟은 고정물의 중심선에 대해 측정되어 고정물에 대한 심의 실제 위치를 알 수 있다. 다시 말해서, 기준 타겟 상의 하나 이상의 포인트들은 고정물에 대한 심의 실제 위치를 결정하기 위한 기준 포인트들로 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 맨드릴 상의 특정 포인트에 주목함으로써, 심의 실제 위치는 맨드릴 상의 포인트에 대해 심 상의 특정 포인트를 측정함으로써 고정물에 대해 결정될 수 있다. 이 방법에서는, 광학 디바이스를 사용할 필요가 없을 수 있다.
일 실시예에서, 심의 레이저 스캐닝은 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하기 위해 수행되고, 여기서 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하는 것은 심의 비작업 표면의 프로파일과 두께를 개발하는 것을 포함한다.
리버스 엔지니어링된 지오메트리는 적층 가공 기술에 문제가 될 수 있는 영역에 대해 분석된다. 이 데이터를 활용하여, 컴퓨터 프로그래머는 3D CAD/CAM(컴퓨터 지원 설계/컴퓨터 지원 제조) 소프트웨어를 사용하여 기존 심 지오메트리를 인서트에 대한 원하는 최종 지오메트리와 혼합하고 CNC 프로그램을 출력하거나 최종 형상을 산출하기 위한 다수의 프로그램들을 출력한다.
표면의 작업 측 상의 기점 타겟은 참조 위치로 사용되며, 심/고정물 어셈블리는 적층/감산 가공 머신 툴에 배치되고 머신의 좌표 시스템을 기준으로 기울어진다(skewed). 대안적으로, 머신의 좌표 시스템이 부품의 위치와 매칭되도록 기울어질 수 있다. 필요한 경우, 가공 작업을 사용하여 심에서 원하지 않는 재료 스톡(material stock)을 제거한다. 요컨대, 이 측정은 전기도금 공정 동안 심의 결함을 최소화하는 것을 용이하게 한다.
적층 가공 헤드(108)를 특징으로 하는 동일한 머신 툴은 상당한 두께(최대 0.5인치)를 갖는 알려진 제어된 지오메트리가 달성될 때까지 추가 재료 또는 임의의 다른 적절한 합금(참조 번호(110)으로 표시됨)을 심에 3D 인쇄한다. 이러한 적층 가공 공정을 통해 추가되는 이러한 부가 재료(110)를 지지체라고 한다. 지지체는 심에 균일한 두께를 제공한다. 이 증가된 두께는 심에 강도와 균일한 치수를 제공하여, 제조 공정 전반에 걸쳐 피처가 일관되게 재현될 수 있게 한다. 적층 가공 공정 동안 냉각 라인, 진공 채널, 및 기타 표면 아래 툴링 피처(도시되지 않음)와 같은 다른 지지 구조가 지지체(110)에 인쇄될 수 있다. 지지체(110)가 있는 심(106)은 맨드릴(100)로부터 분리되어 원래의 텍스처링된 표면(102)의 복제물을 대량 생산하는 데 사용될 수 있는 툴링 인서트(112)를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 맨드릴(100)은 유기 표면의 디지털 모델을 개발하기 위해 비접촉 3D 레이저로 또는 광학 스캐닝 디바이스로 심을 스캐닝하기 전에 툴링 인서트(112)로부터 지원될 수 있다.
선택적으로, 임의의 원하는 길이의 포스트(post)가 심 인서트의 후면에서 돌출되도록 3D 인쇄될 수 있다. 이들은 나중에 탭 다이(tap-die) 또는 나사 절단 기술(thread cutting technique)을 사용하여 가공되어 포지티브 패스너(positive fastener)를 형성할 수 있다. 이는 전기주조된 심의 요구되는 두께를 더 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 심은 본원에서 일렉트로폼으로 지칭된다.
인서트의 뒷면은 마무리 가공되거나 툴 베이스(예를 들어, 사출 성형기)에 삽입하기 위한 최종 형상으로 연마된다.
요약하면, 본원에 개시된 방법은 선택적인 텍스처링된 표면을 갖는 맨드릴을 전해조에 배치함으로써 심을 성장시키는 단계를 포함한다. 심에는 금속의 전해 증착에 의해 형성된 선택적 텍스처링된 표면(맨드릴의)에 대한 네거티브 이미지가 포함되어 있다. 그런 다음 심은 고정물을 통해 기준 평면에 작업면이 아래로 향하게 고정되고 비작업 표면은 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하기 위해 심에서 광학적으로 스캐닝된다. 광학 스캐닝은 레이저 스캐닝을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광학 스캐닝은 비접촉 3D 레이저 또는 광학 스캐닝 디바이스로 수행되어 심의 디지털 모델을 개발한다.
스캐닝은 심의 실제 위치가 고정물에 대해 알려지도록 고정물의 중심선에 대해 심 상의 기점 타겟을 측정하는 단계를 더 포함한다.
비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하는 것은 심의 비작업 표면의 프로파일과 두께를 개발하는 것을 포함한다. 그런 다음 심의 결함 수정을 용이하게 하기 위해 심의 비작업 표면에 재료를 추가하기 위해 적층 가공이 수행된다. 일 실시예에서, 금속의 3D 인쇄(적층 가공이 수행됨)은 프로세스 툴링 어플리케이션에서 사용하기 위한 전체 두께를 증가시키기 위해 일렉트로폼의 비작업 표면에 대해 수행된다. 적층 가공 공정을 통해 재료가 추가된 심을 인서트라고 한다. 재료(적층 가공을 통해 추가됨)는 금속 니켈, 구리, 황동, 철, 코발트, 알루미늄 또는 이들의 합금일 수 있다. 강철, 탄소강, 스테인리스강 등과 같은 합금도 사용될 수 있다. 세라믹 및 폴리머와 같은 다른 재료도 전체 두께를 늘리거나 심의 다른 결함을 수정하는 데 사용될 수 있다.
이 방법은 적층 가공의 모든 문제를 해결하기 위해 인서트의 비작업 표면을 기계가공하는 것을 더 포함한다. 기계가공은 드릴링, 플래닝, 밀링, 래핑, 연삭, 면도 등, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그런 다음 인서트는 다른 제조 머신(예를 들어, 사출 성형 머신, 압축 성형 머신, 블로우(blow) 성형 머신 등)에서 사용되어 원래 맨드릴의 복제품을 대량 생산할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그의 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 방법에 있어서,
    선택적인 텍스처링된 표면(textured surface)을 갖는 맨드릴(mandrel)을 전해조(electrolytic bath)에 배치하여 심(shim)을 성장시키는 단계-여기서, 상기 심은 금속의 전해 증착에 의해 형성된 상기 선택적인 텍스처링된 표면의 네거티브 이미지(negative image)를 포함함-;
    고정물(fixture)을 사용하여 기준 평면에 상기 심 작업측을 아래로 고정하는 단계;
    비작업 표면의 지오메트리(geometry)를 리버스 엔지니어링(reverse engineering)하기 위해 상기 심을 광학적으로 스캐닝하는 단계-여기서 상기 비작업 표면의 지오메트리를 리버스 엔지니어링하는 것은 상기 심의 상기 비작업 표면의 프로파일(profile)과 두께를 개발하는 것을 포함함-; 및
    툴 인서트(tool insert)를 형성하기 위해 적층 가공(additive manufacturing)을 통해 상기 심의 상기 비작업 표면에 재료를 추가하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비작업 표면을 기계가공(machining)하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 결함 보정은 상기 심 두께를 증가시키는 것을 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 심의 광학적 스캐닝 이전에 심의 응력 관련 뒤틀림 또는 휘어짐이 감소되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학 스캐닝은 레이저 스캐닝을 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광학 스캐닝은 비접촉 3D 레이저 또는 광학 스캐닝 디바이스로 수행되어 상기 심의 디지털 모델을 개발하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 심의 실제 위치가 상기 고정구에 대해 알려지도록 상기 고정구의 중심선에 대해 기점 타겟(fiducial target)을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 작업 표면 상의 기점 타겟을 기준 위치로 사용하고 적층 가공 머신의 좌표 시스템에 대해 상기 심을 기울이는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 작업 표면 상의 기점 타겟을 기준 위치로 사용하고 상기 심 상의 상기 기점 타겟에 대해 적층 가공 머신의 좌표 시스템을 기울이는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 맨드릴의 복제물을 제조하기 위해 상기 툴 인서트를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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