미세 가공:기술, 기회 및 과제

마이크로 머시닝은 큰 사업이며 업계에서 더 작고 복잡한 부품을 요구함에 따라 앞으로 성장할 것입니다. 그러나 이 용어의 실제 의미는 무엇이며 전 세계의 기계 공장에서 매일 수행되는 "매크로 가공"과 어떻게 다릅니까? 알아야 할 사항이 있습니다.

의료, 항공 우주 전자 또는 자동차 산업을 위한 것이든 마이크로 머시닝은 큰 사업입니다. 리서치 회사인 The Insight Partners의 2019년 11월 보고서에 따르면 그 규모는 훨씬 더 커질 것이라고 합니다.

보고서에 따르면 2027년까지 54억 8000만 달러의 예상 가치로 세계 마이크로머시닝 시장은 향후 몇 년 동안 2018년 수준의 거의 두 배까지 성장할 것으로 예상됩니다.

업계 대부분과 마찬가지로 KYOCERA SGS Precision Tools Inc.의 연구 개발 엔지니어인 Jake Rutherford는 미세 가공을 직경 1/8인치 또는 3밀리미터보다 작은 도구가 필요한 모든 부품 또는 부품 기능으로 정의합니다.
 

새롭지 않다고 그는 설명합니다. 미세 가공의 첫 번째 응용 프로그램은 시계 제작이었지만 기술이 수년에 걸쳐 더 작고 더 정밀한 구성 요소를 제공함에 따라 이 용어는 이제 광범위한 산업, 부품 및 재료를 포괄합니다. 여기에는 모든 종류의 센서, 심장 펌프 및 호흡 모니터링 장비, 항공우주 및 자동차 산업용 부품, 전자 현미경 액세서리, 미세유체 장치 및 스마트폰의 많은 부품이 포함됩니다.

이러한 구성 요소를 만드는 데 사용되는 재료는 PEEK, PTFE 및 POM과 같은 폴리머뿐만 아니라 스테인리스강 및 고온 합금이 매우 일반적으로 사용되는 광범위한 범위를 포함합니다.

Rutherford는 "산업 간에는 재료가 많이 겹치기 때문에 상점에서는 특정 시장이나 응용 프로그램을 위해 설계된 도구보다 재료별 마이크로머시닝 도구를 찾아야 합니다."라고 말합니다.

마이크로 머시닝의 경험적 법칙 

그러나 공작물의 크기에 관계없이 가공의 일반적인 원칙은 동일하게 유지됩니다. 다른 점은 최적화되지 않은 응용 프로그램 변수가 미세 가공 성공에 미치는 영향이 증폭된다는 것입니다.

KYOCERA SGS 애플리케이션 엔지니어 Jacob Rak은 "모든 것이 더욱 중요해지고 있습니다."라고 말합니다. “런아웃을 예로 들어보자. 절삭 공구 직경의 최대 0.1%를 권장합니다. 하지만 공구가 작을수록 달성하기가 더 어렵고 공구 수명에 미치는 영향이 더 큽니다.”

데릭 네이딩도 동의합니다. M.A. Ford Mfg. Co. Inc.의 애플리케이션 엔지니어인 그는 직경이 1/8인치보다 큰 공구에 대한 경험 법칙을 제시합니다. 런아웃의 10분의 1마다 기계공은 공구 수명이 10% 감소할 것으로 예상할 수 있습니다. “하지만 초소형 절삭 공구를 다룰 때는 공구 수명 손실이 훨씬 더 클 수 있습니다. 그렇기 때문에 대부분의 밀링 및 드릴링 작업에 고품질 열박음, 유압 또는 정밀 압입 시스템을 권장하지만 특히 미세 가공에 적합합니다.”

적절한 표면 속도를 얻는 것도 중요합니다. 모든 기계 기술자가 계산할 수 있지만 300sfm에서 1/32” 커터를 실행하려면 거의 40,000rpm이 필요하며, 이는 대부분의 머시닝 센터와 모든 선반이 달성할 수 있는 것보다 훨씬 높습니다. 이러한 상황에서 Nading 등은 스피더 헤드를 권장합니다. 전기, 공압 및 냉각수 동력 버전은 쉽게 구할 수 있지만 Nading은 첫 번째 버전에는 전기 배선이 필요하므로 기계의 자동 공구 교환 장치를 사용할 수 없다고 재빨리 지적했습니다.

높은 스핀들 속도 및 깨끗한 냉각수 공급

절삭유 공급 마이크로 드릴링 응용 분야의 경우 Nading은 드릴의 초소형 절삭유 구멍을 수용하기 위해 500~1,000 PSI의 고압 절삭유(HPC) 시스템을 사용해야 한다고 말합니다. 그는 적절한 여과가 중요하다고 경고합니다.

"분명히 이 드릴의 구멍은 매우 작기 때문에 아주 작은 칩이나 약간의 오염으로도 작업을 막고 종종 거의 즉각적인 도구 고장을 초래합니다."라고 그는 말합니다. "그래서 최적의 성능을 위해 10미크론 이상의 여과 수준을 보고 싶습니다."

높은 스핀들 속도와 깨끗한 절삭유보다 훨씬 더 Nading은 미세 작업을 위해 설계된 잘 정렬된 고정밀 공작 기계를 보고 싶어합니다. KYOCERA SGS의 Rak도 마찬가지입니다. "너무 큰 기계에서 마이크로 드릴이나 엔드밀을 실행하려고 하면 축 분해능이 충분히 미세하지 않아 공구가 견디기에는 너무 갑작스러운 동작이 생성되는 경우가 많습니다."라고 그는 말합니다. .

EMUGE Corp.의 밀링 응용 분야 전문가인 Evan Duncanson은 또 다른 일반적인 미세 가공 실수인 공구 공급 부족에 대해 언급했습니다.

"이러한 종류의 작업을 처음 접하는 사람들은 초소형 도구를 사용하는 경향이 있지만 30,000rpm 이상에서 이송 속도를 줄이면 결국 재료를 밀고 도구가 파손됩니다."라고 그는 말합니다. "크기에 관계없이 도구를 올바르게 절단하려면 권장 이송 속도를 사용해야 합니다."

도구 경로 자체도 조정이 필요할 수 있습니다. Duncanson은 트로코이드 절단이 여전히 그 자리를 차지하고 있지만 마이크로 엔드밀은 종종 2개의 플루트로 제한되고 상대적으로 긴 도달 거리를 가지기 때문에 다른 밀링 전략이 필요할 수 있다고 제안했습니다.

"많은 마이크로 엔드밀은 절단 길이가 매우 짧고(종종 직경의 1~2배) 길이가 10배 또는 20배까지 감소합니다."라고 그는 말합니다. "이 도구를 사용하면 매우 얕은 축 방향 절단을 수행하고 상대적으로 많은 양의 스텝오버를 사용하게 됩니다."

마지막으로 초소형 기계 기술자가 되려는 사람은 적절한 도구 예산이 있어야 합니다. 도구를 사용하여 밀링 및 드릴링하는 것과 마찬가지로 연필심의 크기는 희미한 마음을위한 것이 아니며 그러한 도구를 연삭하는 것도 아닙니다. Duncanson과 여기의 다른 사람들은 제품에서 볼 수 있는 매우 부드러운 마감과 날카로운 모서리를 얻기 위해 고급 연삭 기계와 특수 미세 입자 휠이 필요하다고 말합니다. 그럼에도 불구하고 공구 크기가 줄어들면 스크랩 비율이 증가합니다. 결과적으로 더 높은 도구 비용이 발생합니다.

"표준 1/2" 엔드밀의 최첨단을 현미경으로 보십시오."라고 그는 말합니다. "아무리 좋은 도구라 할지라도 2~3마이크론의 마이크로칩과 모서리 파단을 볼 수 있습니다. 이것이 대부분의 제조업체가 이러한 파손을 부드럽게 하고 기본적으로 도구를 미리 마모시키기 위해 도구에 약간의 연마를 적용하는 이유입니다. 그러나 도구가 그 크기의 10분의 1일 때는 이를 수행할 수 없습니다. 동일한 5~10미크론 두께의 코팅을 적용할 수 없는 것과 마찬가지입니다. 모든 것이 가능한 한 날카로워야 합니다.”

마이크로 머시닝 기술

날카로운 도구와 특수 연삭 장비에 대한 모든 이야기에도 불구하고 오늘날의 "마이크로 머시닝"의 대부분은 여기에 설명된 것과 다릅니다. 예, 방금 논의한 바와 같이 CNC 선반 및 머시닝 센터에서 기존 절삭 공구를 사용하여 상당한 양을 수행합니다. 그러나 레이저 미세 가공(사이드바 참조), 미세 EDM 및 더 정확하게 미세 가공이라고 하는 미세 가공 유형도 있습니다.

이러한 두 가지 제조 공정이 존재합니다. 이들 중 첫 번째인 벌크 마이크로머시닝은 일반적으로 실리콘 기판의 선택적 에칭을 통해 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템)를 생성하는 데 사용됩니다. MEMS 장치가 집 크기였다면 대부분이 지하에 있고 원하는 구조와 기계적 특성이 구축될 때까지 일련의 부식성 화학 물질로 굴착되었을 것입니다.

반면에 표면 미세가공은 실리콘 웨이퍼 위에 증착된 표면층 내에 "집"을 만듭니다. 두께가 대략 25미크론인 이 결정질 층의 일부는 유사한 화학적 에칭 공정을 통해 선택적으로 제거됩니다. 두 프로세스 모두 장단점이 있으며 둘 다 매우 작은 장치를 광범위하게 생산하는 데 사용됩니다. 여기에는 MEMS, 관성 센서, 자이로스코프 및 압력 감지 장치가 포함되며 모두 스마트폰, 자동차, 항공기 및 다양한 고급 산업 제품에서 볼 수 있습니다.

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