KR100893574B1 - Extruder for fabricating micro parts - Google Patents

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KR100893574B1
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이경훈
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 극미세 금속 부품 성형 기술의 보다 광범위한 적용을 위해 재료의 종류에 제한을 받지 않고 대량생산이 가능하며 정형가공이 가능한 통상의 금속 성형 기술 중 압출 성형 기술을 극미세 부품 제조에 적용시키고자 한 것으로서, MEMS 공정에 의해 제작된 마이크로 스케일의 압출용 다이를 소형 압출장치에 장착하여 열간 전방 압출을 통해 극미세 부품 중의 하나인 마이크로 기어 샤프트 등의 부품을 손쉽게 제작할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.The present invention is to apply the extrusion molding technology to the manufacture of ultra-fine metal parts of the conventional metal forming technology that can be mass-produced and can be processed without limiting the type of material for a wider application of the ultra-fine metal parts molding technology One purpose is to mount a micro-scale extrusion die produced by the MEMS process in a compact extrusion apparatus so as to easily produce parts such as a micro gear shaft, which is one of ultra-fine parts, through hot forward extrusion.

이를 위해, 본 발명은 압출용 소재가 수용되는 컨테이너와; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재에 대해 압출하중을 가하게 되는 액튜에이터와; 상기 액튜에이터의 압출하중 작용시 상기 컨테이너로부터 배출되는 압출용 소재를 목적하는 형상으로 성형하는 마이크로 스케일의 다이;를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치가 제공된다.To this end, the present invention is a container containing a material for extrusion; An actuator configured to apply an extrusion load to the material for extrusion contained in the container; Extrusion apparatus for manufacturing a micro-part is provided, characterized in that it comprises a; micro-scale die for molding the extrusion material discharged from the container in the desired shape during the extrusion load action of the actuator.

마이크로, 부품, 제조, 압출, 압전, 액튜에이터 Micro, parts, fabrication, extrusion, piezo, actuator

Description

마이크로 부품 제조용 압출장치{Extruder for fabricating micro parts}Extruder for fabricating micro parts

도 1은 본 발명에 따른 마이크로 부품 제조용 압출장치의 구성도 1 is a block diagram of an extrusion device for manufacturing micro components according to the present invention

도 2a 내지 도 2c는 본 발명 장치의 동작을 설명하기 위한 것으로서,2a to 2c are for explaining the operation of the apparatus of the present invention,

도 2a는 본 발명 압출장치의 램이 압출소재로부터 이격되어 있을 때의 상태도Figure 2a is a state diagram when the ram of the present invention is spaced apart from the extrusion material

도 2b는 본 발명 압출장치의 램이 압출소재에 맞닿은 직후의 모습을 보여주는 상태도Figure 2b is a state showing the state immediately after the ram contact the extrusion material of the present invention extrusion device

도 2c는 본 발명 압출장치의 액튜에이터가 작동하여 압출이 이루어지는 과정을 나타낸 상태도Figure 2c is a state diagram showing a process in which the extrusion is performed by the actuator of the present invention extrusion device

도 3은 본 발명 압출장치의 액튜에이터가 컨테이너에서 퇴피했을 때의 상태를 나타낸 참고도3 is a reference diagram showing a state when the actuator of the present invention extrusion device is retracted from the container

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings

110: 프레임 111: 고정너트110: frame 111: fixing nut

112: 잠금너트 120: 액튜에이터112: lock nut 120: actuator

121: 액튜에이터 헤드 130: 액튜에이터 컨트롤러121: actuator head 130: actuator controller

140: 이송부 141: 이송축140: feed unit 141: feed shaft

142:이송핸들 145: 탄성부재142: transfer handle 145: elastic member

150: 램 160: 컨테이너150: ram 160: container

170: 히터 180: 마이크로 다이170: heater 180: micro die

190: 다이 고정소켓 200:압출용 소재190: Die fixing socket 200: Extrusion material

본 발명은 마이크로 부품 제조용 압출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS 가공기술을 이용해 마이크로 스케일의 압출용 다이를 제작하고, 이를 적용한 소형 압출장치를 이용해 마이크로 사이즈의 제품 및 부품을 손쉽게 성형하여 마이크로 부품 제조에 있어서의 생산성 및 수율을 높일 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to an extrusion device for manufacturing a micro component, and more particularly, to produce a micro-scale extrusion die using MEMS processing technology, and to easily mold a micro size product and parts using a small extrusion device to which the micro component is applied. It is to be able to raise productivity and a yield in manufacture.

일반적으로, MEMS는 "Micro-Electro-Mechanical Systems"의 약어로 마이크로미터(㎛,10-6ｍ) 단위의 크기로 제작되는 초소형 기계전자시스템을 말한다. MEMS 가공 기술은 반도체 제조과정에서 파생되어 발전된 기술로서, 그 중 표면 미세가공기술인 사진식각술(photolithography)은 식각 기술을 이용해 마스크를 제작하고 금속증착기술을 이용해 Ni-마이크로 금형을 제작한다.Generally, MEMS is an abbreviation of "Micro-Electro-Mechanical Systems" and refers to a micromechanical electronic system manufactured in micrometer (μm, 10 -6 m) size. MEMS processing technology is derived from the semiconductor manufacturing process. Among them, photolithography, which is a surface microfabrication technology, manufactures masks using etching techniques and Ni-micro molds using metal deposition techniques.

마이크로 기어와 같은 극미세 부품의 제조는 지금까지 주로 MEMS의 사진 공정과 같은 인쇄법(lithographic technology)에 기초하여 제조되어왔으며 현재도 인쇄법에 기초한 새로운 기술들이 개발되고 있다. 인쇄법은 제조비용이 높고 특히 석판인쇄법을 통해 제조할 수 있는 재료가 금속에서는 주로 순금속 및 2원계 합금 수 준으로 제한되어 있기 때문에 결과적으로 응용 분야의 확대에 많은 제한 사항으로 작용하고 있다. The manufacture of ultra-fine parts such as micro gears has been produced mainly based on lithographic technology, such as the photolithography process of MEMS, and new technologies based on the printing method are still being developed. The printing method has high manufacturing costs and, in particular, the materials that can be produced by lithography are limited to the level of pure metals and binary alloys in metals, which results in many limitations in the expansion of the application field.

한편, 압출은 팰릿(Pellet)을 챔버(Chamber) 안에 넣고 램(Ram)으로 밀어서 압력을 가하여 다이(Die) 사이로 통과시키는 공정이다. 따라서 압축응력이 주가 되어 소재를 변형시키는 공정이다. 일반적으로 직접, 간접, 정수압, 충격 압출의 네 가지 기본 유형이 있으며 재료에서 재결정이 진행되는 온도를 경계로 하여 그 이상의 온도에서 압출하는 것을 열간 압출, 그보다 낮은 온도에서 압출하는 것을 냉간 압출이라고 한다.On the other hand, extrusion is a process of putting a pellet (Pellet) in the chamber (Chamber) and pushed through the ram (Ram) to apply pressure to pass between the die (Die). Therefore, compressive stress is mainly used to deform the material. In general, there are four basic types: direct, indirect, hydrostatic, and impact extrusion. Extrusion at temperatures higher than the temperature at which recrystallization proceeds in the material is called hot extrusion, and extrusion at lower temperatures is called cold extrusion.

이러한, 압출공정은 높은 생산성을 확보할 수 있고, 정형가공이 가능하지만 일반적으로 매크로 사이즈의 제품 성형에 적용되는 공정으로서, 기술적인 특성 차이 등으로 인해 마이크로 사이즈 제품 성형에는 이용되지 못하고 있다.Such an extrusion process is able to secure high productivity and can be formally processed, but it is generally a process applied to molding a macro size product, and has not been used for forming a micro size product due to technical differences.

즉, 종래에는 마이크로 기어와 같은 극미세 부품의 제조를 주로 MEMS 가공 기술중 인쇄법에 기초하여 제조하였으므로, 공정 수가 많고, 각 공정시간이 길며, 불량 발생률이 높고, 하나의 완성된 제품을 얻는데 긴 시간이 소요되며, 대량 생산에 매우 불리하게 되는 등 많은 문제점을 초래하였다.That is, in the past, the manufacture of ultra-fine parts such as micro gears was mainly manufactured based on the printing method of MEMS processing technology, so that the number of processes is long, each processing time is long, the incidence of defects is high, and it is long to obtain one finished product. This is time consuming and has led to many problems such as being very disadvantageous for mass production.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 극미세 금속 부품 성형 기술의 보다 광범위한 적용을 위해 재료의 종류에 제한을 받지 않고 대량생산이 가능하며 정형가공이 가능한 통상의 금속 성형 기술 중 압출 성형 기술을 극미세 부품 제조에 적용시키고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, extrusion molding of the conventional metal forming technology that can be mass-produced and can be processed without limiting the type of material for a wider range of applications of the ultra-fine metal parts molding technology The aim is to apply the technology to the manufacture of ultra-fine components.

즉, MEMS 공정에 의해 제작된 마이크로 스케일의 압출용 다이를 소형 압출장치에 장착하여 열간 전방 압출을 통해 극미세 부품 중의 하나인 마이크로 기어 샤프트 등의 부품을 손쉽게 제작할 수 있도록 한 압출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In other words, by providing a micro-scale extrusion die manufactured by the MEMS process to a small extrusion device, it is possible to easily produce parts such as a micro gear shaft, which is one of the ultra fine parts, by hot forward extrusion. There is a purpose.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1형태에 따르면, 압출용 소재가 수용되는 컨테이너와; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재에 대해 압출하중을 가하게 되는 액튜에이터와; 상기 액튜에이터의 압출하중 작용시 상기 컨테이너로부터 배출되는 압출용 소재를 목적하는 형상으로 성형하는 마이크로 스케일의 다이(이하, "마이크로 다이"라고 한다);를 포함하여서 됨을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치를 제공한다.According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, a container containing an extrusion material; An actuator configured to apply an extrusion load to the material for extrusion contained in the container; And a micro-scale die (hereinafter referred to as a "micro die") for molding an extrusion material discharged from the container into a desired shape when the actuator exerts an extrusion load. to provide.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2형태에 따르면, 프레임과; 상기 프레임에 고정되며 압출용 소재가 수용되는 컨테이너와; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재에 대해 압출하중을 가하게 되는 압전형 액튜에이터와; 상기 압전형 액튜에이터의 배출구측에 설치되어 압전형 액튜에이터의 압출하중 작용시 상기 컨테이너로부터 배출되는 압출용 소재를 목적하는 형상으로 성형하는 마이크로 스케일의 다이와; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재를 소재 연화점 온도로 가열하기 위해 상기 컨테이너에 내장되는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치가 제공된다.On the other hand, according to a second aspect of the present invention for achieving the above object, a frame; A container fixed to the frame and accommodating an extrusion material; A piezoelectric actuator configured to apply an extrusion load to the extrusion material contained in the container; A micro-scale die installed at an outlet side of the piezoelectric actuator to form an extrusion material discharged from the container into a desired shape when the piezoelectric actuator extrudes; Provided is an extrusion apparatus for manufacturing micro-parts comprising a; a heater embedded in the container for heating the extrusion material contained in the container to a material softening point temperature.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 프레임 과; 상기 프레임에 고정되며 압출용 소재가 수용되는 컨테이너와; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재에 대해 압출하중을 가하게 되는 압전형 액튜에이터와; 상기 컨테이너에 대한 압전형 액튜에이터의 상대 위치를 조정하는 이송부와; 상기 압전형 액튜에이터에 결합된 램의 스트로크 제어를 통해 압출용 소재에 가해지는 압출하중을 제어하는 정밀 이송부와; MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 가공기술을 이용해 제작한 마이크로 금형이 컨테이너의 배출구측에서 빠지지 않도록 고정하는 억지 끼워 맞춘 후 다이 고정소켓을 이용해 움직이지 않도록 고정한 결합부;를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치가 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention for achieving the above object, the frame; A container fixed to the frame and accommodating an extrusion material; A piezoelectric actuator configured to apply an extrusion load to the extrusion material contained in the container; A transfer unit for adjusting a relative position of the piezoelectric actuator with respect to the container; A precision feeder for controlling the extrusion load applied to the material for extrusion through the stroke control of the ram coupled to the piezoelectric actuator; Micro-Electro-mechanical systems (MEMS) processing technology for the micro-moulds are fixed to prevent them from falling out of the outlet side of the container, the fitting portion is fixed so as not to move by using a die fixing socket; There is provided an extrusion apparatus for producing a micro component.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 도 1 내지 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 3.

도 1은 본 발명의 압출 장치 구성도이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명 장치의 동작을 설명하기 위한 것이고, 도 3은 본 발명 압출장치의 액튜에이터가 컨테이너에서 퇴피했을 때의 상태를 나타낸 참고도로서, 이들 도면을 참조하면, 1 is a configuration diagram of an extrusion apparatus of the present invention, Figures 2a to 2c is for explaining the operation of the apparatus of the present invention, Figure 3 is a reference diagram showing a state when the actuator of the present invention the extrusion device is retracted from the container. As referring to these figures,

본 발명의 압출장치는 압출용 소재(200)가 수용되는 컨테이너(160)와; 상기 컨테이너(160)에 수용된 압출용 소재(200)에 대해 압출하중을 가하게 되는 액튜에이터(120)와; 상기 액튜에이터(120)의 압출하중 작용시 상기 컨테이너(160)로부터 배출되는 압출용 소재(200)를 목적하는 형상으로 성형하는 마이크로 다이(180);를 포함하여 구성된다.Extrusion apparatus of the present invention and the container 160 is accommodated for the extrusion material 200; An actuator (120) applying an extrusion load to the extrusion material (200) contained in the container (160); And a micro die 180 for shaping the extrusion material 200 discharged from the container 160 into a desired shape when the actuator 120 extrudes.

이때, 상기 액튜에이터(120)로서는, 압전형 액튜에이터(Piezo-electric Actuator)가 적용됨이 바람직하며, 상기 압전형 액튜에이터에는 액튜에이터에 인가되는 전압을 제어하여 램(150)의 스트로크를 가변시키는 액튜에이터 컨트롤러(130)가 연결된다. In this case, a piezo-electric actuator (Piezo-electric Actuator) is preferably applied as the actuator 120, the actuator controller 130 for varying the stroke of the ram 150 by controlling the voltage applied to the actuator to the piezoelectric actuator ) Is connected.

그리고, 상기 마이크로 다이(180)는 컨테이너(160)의 소재 출구 측에 구비되며, 상기 마이크로 다이(180)는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 가공기술에 의해 제조된다.In addition, the micro die 180 is provided at the material outlet side of the container 160, and the micro die 180 is manufactured by MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) processing technology.

상기 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 가공기술은, 사진석판술(photolithography), 레이저 미세가공(laser micromachining), LIGA(Lithographie, Galvanoformung, Abformung), 방전 미세가공(electro discharge micromachining) 등을 포함한다.The MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) processing technology includes photolithography, laser micromachining, LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung), electro discharge micromachining, and the like. .

그리고, 상기 마이크로 다이(180)는 W(텅스텐), Mo(몰리브덴), Ni(니켈) 및 Cu(구리) 등과 같은 금속계 재료들을 포함하며, 상기 압출용 소재(200)는 금속 또는 엔지니어링 플라스틱, 그 외의 수지 재료등 다양한 재료로 이루어지되 팰릿(Pellet) 타입으로 만들어져 컨테이너(160) 내부에 투입됨이 바람직하다. 특히, 압출용 소재(200)가 금속일 경우에는 소결에 의해 다양한 팰릿 형태로 제조될 수 있다.The micro die 180 may include metal-based materials such as W (tungsten), Mo (molybdenum), Ni (nickel), Cu (copper), and the like, and the extrusion material 200 may be formed of metal or engineering plastic, It is preferably made of a variety of materials such as resin material, but made of a pellet (Pellet) type is preferably injected into the container 160. In particular, when the extrusion material 200 is a metal, it can be manufactured in various pallet forms by sintering.

그리고, 상기 컨테이너(160) 내부에는 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재(200)를 소재 연화점 온도로 가열하기 위한 히터(170)가 구비된다.In addition, the container 160 is provided with a heater 170 for heating the extrusion material 200 accommodated in the container to a material softening point temperature.

그리고, 상기 컨테이너(160)에는 가열된 압출용 소재(200)의 실제 온도를 컨 테이너(160)의 온도를 통해 간접적으로 검출하기 위한 온도측정소자(195)(예; 써모커플)가 설치되고, 상기 온도측정소자는 히터(170)의 작동을 온/오프 제어할 수 있도록 히터 컨트롤러(175)에 전기적으로 연결된다.In addition, the container 160 is provided with a temperature measuring element 195 (eg, a thermocouple) for indirectly detecting the actual temperature of the heated extrusion material 200 through the temperature of the container 160. The temperature measuring element is electrically connected to the heater controller 175 to control the on / off operation of the heater 170.

한편, 본 발명의 압출장치는, 상기 컨테이너(160)에 대한 액튜에이터(120)의 상대 위치를 조정하는 이송부(140)를 포함한다.On the other hand, the extrusion apparatus of the present invention includes a transfer unit 140 for adjusting the relative position of the actuator 120 with respect to the container 160.

여기서, 상기 이송부(140)는, 본 발명의 압출장치를 전체적으로 지지하는 프레임(110) 상단부에 결합된 고정너트(111)와, 상기 고정너트(111)를 관통하여 이송가능하도록 설치되어, 압출 방향으로의 이동시 액튜에이터(120)를 가압하게 되는 이송축(141)과, 상기 이송축(141) 상단부에 조작을 용이하게 하도록 구비되는 이송핸들(142) 등을 포함한다.Here, the conveying unit 140, the fixing nut 111 coupled to the upper end of the frame 110, which supports the extrusion apparatus of the present invention as a whole, and is installed to be transported through the fixing nut 111, extrusion direction It includes a feed shaft 141 for pressing the actuator 120 when moving to, and a transfer handle 142 provided on the upper end of the feed shaft 141 to facilitate the operation.

이때, 상기 이송축(141)의 단부는 액튜에이터(120) 상단의 액튜에이터 헤드(121)에 형성된 요입홈에 결합되지 않고 단순 삽입만 된 상태로서, 회전시 간섭이 배제된 상태로 결합된다.At this time, the end of the feed shaft 141 is not simply coupled to the recess groove formed in the actuator head 121 on the top of the actuator 120 is simply inserted, it is coupled in a state where interference is excluded during rotation.

그리고, 상기 컨테이너(160)의 소재 출구 측에 구비되는 마이크로 다이(180)는, 컨테이너(160)의 출구 측에 억지 끼워맞춤 방식에 의해 고정되며, 상기 마이크로 다이(180)의 바깥측(즉, 도 1의 도면상 마이크로 다이 하부측)에는 상기 마이크로 다이(180)의 움직임 및 이탈을 방지하도록 고정하는 다이 고정소켓(190)이 장착된다. 이를 위해, 상기 다이 고정소켓(190)의 외주면에는 나사산이 형성되고, 상기 컨테이너(160) 측에는 내주면에 상기 다이 고정소켓(190)의 나사산에 대응하는 나사산이 형성된 다이 고정소켓 장착홈(190a)이 형성된다.In addition, the micro die 180 provided at the material outlet side of the container 160 is fixed to the outlet side of the container 160 by an interference fit method, and the outside of the micro die 180 (that is, 1, a die fixing socket 190 is mounted to fix the micro die 180 to prevent movement and detachment of the micro die 180. To this end, a screw thread is formed on the outer circumferential surface of the die fixing socket 190, and a die fixing socket mounting groove 190a is formed on the inner circumferential surface of the container fixing side to form a thread corresponding to the thread of the die fixing socket 190. Is formed.

한편, 본 발명의 압출장치의 이송축(141) 상에는 이송축의 이송거리를 제어하도록 하는 잠금너트(112)가 설치된다. 즉, 상기 이송축(141) 상에는 이송축의 하강에 의해 고정너트(111) 상면에 맞닿게 됨에 따라 더 이상의 이송축(141)의 하강이 제한되도록 하는 잠금너트(112)가 결합되어 있다.On the other hand, on the feed shaft 141 of the extrusion apparatus of the present invention is provided with a lock nut 112 to control the feed distance of the feed shaft. That is, the locking nut 112 is coupled to the upper surface of the fixing nut 111 by the lowering of the feeding shaft to limit the lowering of the further feeding shaft 141 on the feed shaft 141.

즉, 팰릿 형태로 투입되는 압출 소재의 양이 일단 정해지면 이송축(141) 상에서의 잠금너트(112)의 고정위치는 정해지게 되나, 만약 압출 소재의 투입량이 변하면 잠금너트(112)의 이송축(141) 상에서의 위치도 바뀌게 된다. 따라서, 잠금너트(112)는 이송축(141) 상에서의 위치가 가변될 수 있도록 구성된다. That is, once the amount of the extruded material injected into the pallet form is determined, the fixed position of the lock nut 112 on the feed shaft 141 is determined, but if the input amount of the extruded material is changed, the feed shaft of the lock nut 112 is changed. The position on 141 is also changed. Thus, the lock nut 112 is configured such that the position on the feed shaft 141 can be varied.

그리고, 상기 액튜에이터와 컨테이너(160) 사이에는 압출 완료 후에 이송부가 위로 상승할 때 자동적으로 액튜에이터도 상승시키기 위한 탄성부재(145)가 설치되며, 이를 위해 보다 구체적으로는 액튜에이터 상단에 액튜에이터 헤드(121)가 구비됨으로써, 상기 액튜에이터 헤드(121)와 컨테이너(160) 상단면 사이에 압축력을 받을 수 있는 압축코일 스프링등의 탄성부재가 설치된다. In addition, an elastic member 145 is automatically installed between the actuator and the container 160 to automatically raise the actuator when the transfer part rises up after the extrusion is completed. More specifically, the actuator head 121 is disposed on the top of the actuator. By being provided, an elastic member such as a compression coil spring capable of receiving a compressive force between the actuator head 121 and the upper surface of the container 160 is installed.

이와 같이 구성된 본 발명의 압출장치의 작용은 다음과 같다. The action of the extrusion apparatus of the present invention configured as described above is as follows.

본 발명의 압출장치를 이용한 압출 과정을 설명함에 있어, 압출장치의 컨테이너(160) 내부에 팰릿 형태로 된 압출 소재가 투입되고, 히터(170)가 작동하여 압출 소재가 충분히 압출 가능하게 연화된 상태가 되어 있음을 전제한다.In the description of the extrusion process using the extrusion apparatus of the present invention, the extrusion material in the form of a pallet is introduced into the container 160 of the extrusion apparatus, the heater 170 is operated to soften the extruded material sufficiently extruded. It is assumed that

그리고, 상기 히터(170)에 의해 가열된 소재의 온도는 컨테이너(160) 일측에 설치된 온도측정소자(195)(예; 써모커플)를 통해 간접적으로 검출되며, 이 검출값에 따라 히터(170)의 온/오프 제어가 이루어지게 된다. In addition, the temperature of the material heated by the heater 170 is indirectly detected through a temperature measuring element 195 (eg, a thermocouple) installed at one side of the container 160, and the heater 170 is according to the detected value. On / off control is made.

상기와 같은 전제하에서 본 발명 압출장치의 작용 과정을 설명하면, 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명 압출장치의 램(150)이 압출소재로부터 이격되어 있는 상태에서, 이송부(140)를 구성하는 이송핸들(142)을 돌려 램(150)이 컨테이너(160) 내부의 소재에 닿도록 이동시킨다.Referring to the operation process of the present invention extruder under the above premise, first, as shown in Figure 2a, the ram 150 of the present invention extruder spaced apart from the extrusion material, the transfer unit 140 By turning the transfer handle 142 constituting the ram 150 is moved to touch the material in the container 160.

즉, 이송핸들(142)을 돌리면 고정나사에 나사결합된 이송축(141)이 회전하면서 하강하게 되고, 이에 따라 이송축(141)은 액튜에이터(120)를 가압하여 하강시키게 된다.That is, when the feed handle 142 is turned, the feed shaft 141 screwed to the fixing screw rotates and descends. Accordingly, the feed shaft 141 presses and lowers the actuator 120.

이때, 상기 액튜에이터 헤드(121)와 컨테이너(160) 사이에 설치된 탄성부재(145)는 압축력을 받게 된다. At this time, the elastic member 145 installed between the actuator head 121 and the container 160 receives a compressive force.

한편, 상기 본 발명의 압출장치의 이송축(141) 상에는 이송축의 이송거리를 제어하는 잠금너트(112)가 설치되어 있어 상기 잠금너트(112)가 고정너트(111)에 맞닿게 됨에 따라 더 이상의 하강이 제한된다.On the other hand, on the feed shaft 141 of the extruder of the present invention is provided with a lock nut 112 for controlling the feed distance of the feed shaft, the lock nut 112 is in contact with the fixing nut 111 is no longer The descent is limited.

따라서, 팰릿 형태로 투입되는 압출 소재의 양에 따라 이송축(141) 상에서의 잠금너트(112)의 고정위치는 정해지게 되나, 만약 압출 소재의 투입량이 변하면 잠금너트(112)의 이송축(141) 상에서의 위치도 바뀌게 된다.Therefore, the fixed position of the lock nut 112 on the feed shaft 141 is determined according to the amount of the extruded material introduced into the pallet form, but if the feed amount of the extruded material is changed, the feed shaft 141 of the lock nut 112 The position on) will also change.

상기와 같이 이송부(140)를 구성하는 이송핸들(142)을 돌림에 따라 이송축(141)의 하강이 완료되는 시점에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명 압출장치의 램(150)의 선단부는 연화된 압출소재에 딱 맞닿은 상태를 이루게 된다.When the lowering of the feed shaft 141 is completed by turning the feed handle 142 constituting the transfer unit 140 as described above, as shown in Figure 2b, of the ram 150 of the extrusion apparatus of the present invention The tip portion is in contact with the softened extruded material.

그리고, 이 상태에서는 아직 마이크로 다이(180)를 통한 소재의 압출이 이루어지지 않는다.In this state, the extrusion of the material through the micro die 180 is not yet performed.

도 2b에 도시된 바와 같은 상태에서, 본 발명 압출장치를 구성하는 액튜에이터(120)로 전압이 인가되면 피에조 효과에 의해 상기 액튜에이터가 구동하게 되고, 이 구동에 의해 상기 액튜에이터(120)에 결합된 램(150)이 일정 스트로크(stroke)만큼 하부로 이동하게 된다.In the state shown in FIG. 2B, when a voltage is applied to the actuator 120 constituting the present invention, the actuator is driven by a piezo effect, and the ram coupled to the actuator 120 is driven by this driving. 150 moves downward by a certain stroke.

즉, 액튜에이터(120)는 피에조 효과에 의해 변위가 발생하게 되고, 이 변위는 램(150)으로 고스란히 전달되는데, 실제 액튜에이터의 변위량은 미세하나 도 2c에서는 이해를 돕기 위하여 그 변위량을 과장하여 나타내었다. That is, the actuator 120 is a displacement is generated by the piezo effect, this displacement is transmitted to the ram 150, the actual amount of displacement of the actuator is fine, but in Figure 2c exaggerated the amount of displacement to help understanding. .

그리고, 이와 같은 액튜에이터(120) 구동 및 램(150)의 하강에 따른 압출 하중에 의해 소재는 마이크로 다이(180)를 통과하게 되고, 이에 따라 마이크로 기어 등 원하는 형태의 부품이 성형 된다.In addition, the raw material passes through the micro die 180 by the actuator 120 and the extrusion load caused by the lowering of the ram 150, thereby forming a part having a desired shape such as a micro gear.

한편, 압출 성형이 끝나고 난 다음에는, 이송부(140)의 이송핸들(142)을 역회전시켜 이송축(141)을 상부로 이동시키게 되는데, 상기 액튜에이터 헤드(121)와 컨테이너(160) 사이에 설치되어 압출 성형이 진행되는 동안 압축력을 받고 있던 탄성부재(145)는 이송축(141)의 상승시 액튜에이터 헤드(121)를 밀어올려 원위치시키게 된다.On the other hand, after the end of the extrusion molding, the transfer handle 142 of the transfer unit 140 is rotated in reverse to move the transfer shaft 141 to the upper, installed between the actuator head 121 and the container 160 Thus, the elastic member 145, which has been subjected to the compression force during the extrusion, is pushed back to the actuator head 121 when the feed shaft 141 is raised.

그리고, 상기 이송부(140)를 충분히 더 위로 올려 액튜에이터(120) 및 램(150)이 컨테이너(160)로부터 멀리 퇴피하도록 하면(도 3 참조), 상기 컨테이너(160) 상부를 통해 그 내부로 압출 소재(200)를 투입하는 것이 가능하게 된다.Then, when the transfer unit 140 is raised far enough to allow the actuator 120 and the ram 150 to retreat away from the container 160 (see FIG. 3), the extruded material therein through the upper portion of the container 160. It is possible to inject 200.

이때, 액튜에이터(120)와 함께 탄성부재(145)도 퇴피되도록 하기 위해, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 탄성부재(145)의 일측은 액튜에이터 헤드(121) 하부에 압입 등에 의해 고정되도록 하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In this case, in order to retract the elastic member 145 together with the actuator 120, as shown in FIG. 3, one side of the elastic member 145 is fixed to the lower part of the actuator head 121 by pressing or the like. Preferred, but not necessarily limited to.

이와 같은 본 발명의 압출장치에 의하면, 극미세 금속 부품 성형 기술의 보다 광범위한 적용이 가능하고, 재료의 종류에 제한을 받지 않고 대량생산이 가능하며, 정형가공이 가능한 통상의 금속 성형 기술 중 압출 성형 기술을 극미세 부품 제조에 효과적으로 적용시킬 수 있게 된다.According to the extruder of the present invention, it is possible to apply a wider range of ultra-fine metal parts molding technology, mass production without limitation of material type, and extrusion molding in the conventional metal forming technology that can be processed by molding. Technology can be effectively applied to the manufacture of ultra-fine components.

한편, 본 발명의 압출장치는 상기한 구성에서, 액튜에이터(120) 및 램(150)을 이동시키는 이송부를 다른 방식의 구조를 변경할 수도 있다.On the other hand, the extrusion apparatus of the present invention, in the above configuration, may change the structure of the transfer unit for moving the actuator 120 and the ram 150 in another manner.

예컨대, 프레임의 구조를 변경하여, 도시는 하지 않았지만 컨테이너 일측에 고정되는 하부프레임과 상기 하부프레임상에 그 길이방향을 따라 승강운동하도록 설치되는 상부프레임으로 구성하고, 상기 승강하는 상부프레임 상에 액튜에이터(120)가 고정되도록 구성할 수도 있으며, 그 외에도 전술한 핸들을 수동이 아닌 전동방식으로 구동시키는 등 여러 가지 방식 및 구조로 이송부를 변경할 수 있을 것이다.For example, by changing the structure of the frame, but not shown, consisting of a lower frame fixed to one side of the container and the upper frame installed to move up and down along the longitudinal direction on the lower frame, the actuator on the lifting upper frame 120 may be configured to be fixed, and in addition, the transfer unit may be changed in various ways and structures, such as driving the aforementioned handle by an electric method rather than manual.

또한, 상기 액튜에이터(120)로서는, 전술한 압전형 액튜에이터가 바람직하기는 하지만, 그 외에 압출 소재에 대해 동일 내지 유사한 압출력을 가할 수 있으며 미세 스트로크 조정이 가능하다면, 상기 액튜에이터에 있어서도 압전형 엑튜에이터가 아닌 다른 다양한 방식 및 구조의 액튜에이터가 적용 가능함은 물론이다.In addition, although the above-mentioned piezoelectric actuator is preferable as the actuator 120, if the same or similar extrusion force can be applied to the extruded material and fine stroke adjustment is possible, the actuator may also be a piezoelectric actuator. Actuators in a variety of ways and structures other than the above are applicable.

한편, 본 발명에서는, 압출용 소재가 수용되는 컨테이너와, 압출용 소재에 대해 압출하중을 가하게 되는 액튜에이터와, 압출용 소재를 목적하는 형상으로 성 형하기 위한 마이크로 다이가 압출장치 구성을 위한 필수적이며 기본적인 요소이다.On the other hand, in the present invention, a container in which the material for extrusion is accommodated, an actuator for applying an extrusion load to the material for extrusion, and a micro die for forming the extrusion material into a desired shape are essential for the construction of the extrusion device. Basic element.

이하에서는, 상기한 기술사상에 따른 본 발명의 압출 장치의 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 작용 및 효과를 더욱 상세히 살펴본다.Hereinafter, look at the action and effect of the present invention in more detail through a specific embodiment of the extrusion device of the present invention according to the above technical idea.

[실시예]EXAMPLE

본 실시예에서는 마이크로 기어나 마이크로 기어 샤프트 등의 부품 제조와 관련하여 설명한다. In the present embodiment, description will be made in connection with the manufacture of parts such as micro gears and micro gear shafts.

우선, 본 실시예에 있어서 마이크로 기어 샤프트 등의 제조에 사용된 압출 재료는 선상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE: Linear Low Density Polyethylene)으로 높은 용융 점성도, 낮은 연화점의 특성을 가지고 있다. First, the extrusion material used in the manufacture of the micro gear shaft and the like in this embodiment is linear low density polyethylene (LLDPE) and has high melt viscosity and low softening point.

또한 인장강도, 인장신도율, 강성 등이 양호하고 사출 성형품으로서 강성, 내(耐) 스트레스 크랙성에 있어 보통 저밀도 폴리에틸렌보다 우수하다. In addition, tensile strength, tensile elongation, rigidity, etc. are good, and are superior to low-density polyethylene in terms of rigidity and stress crack resistance as injection molded products.

결정성은 보통 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)보다 좋기 때문에 표면경도도 비교적 크므로 광택이 좋은 성형품을 얻을 수 있다. 압출 소재인 LLPDE의 제원은 [표 1]과 같다.Since the crystallinity is usually better than that of low density polyethylene (LDPE), the surface hardness is also relatively high, so that a glossy product can be obtained. Specifications of LLPDE, an extruded material, are shown in [Table 1].

[표 1] [재료의 특성][Table 1] [Characteristics of Materials]

Ultimate StrengthUltimate strength 16㎫16 MPa Yield StrengthYield Strength 13.5㎫13.5 MPa Coefficient of FrictionCoefficient of Friction 0.20.2 Vicat Softening PointVicat softening point 80℃80 ℃

한편, 마이크로 다이를 제작해야 하는데, MEMS 공정으로 제작될 금형의 제원 은 아래 [표 2]와 같으며, 마이크로 다이는 여러 가지 다이 형태(예; 원형, 십자형, 기어형)를 갖도록 제공될 수 있는데, 그 중 한 예로서 마이크로 기어 샤프트 제조를 위한 마이크로 다이의 형상을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진은 아래의 [참고도 1]과 같다.On the other hand, it is necessary to manufacture a micro die, the specifications of the mold to be produced by the MEMS process is shown in Table 2 below, the micro die can be provided to have a variety of die forms (eg, round, cross, gear type) As an example, a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the shape of a micro die for manufacturing a micro gear shaft is as shown in [Reference 1] below.

[표 2] [마이크로 다이의 제원][Table 2] [Specifications of Micro Die]

소 재Material Ni(니켈)Ni (nickel) 지름(Dd)Diameter (D d ) 3000㎛3000㎛ 압출부지름(De)Extrusion diameter (D e ) 450㎛450㎛ 두께(td)Thickness (t d ) 50㎛50 μm

[참고도 1] [마이크로 다이(기어형)의 주사전자현미경 사진][Reference Figure 1] [Scanning Electron Micrograph of Micro Die (Gear Type)]

Figure 112007014257189-pat00001
Figure 112007014257189-pat00001

본 실시예에 적용되는 마이크로 압출장치는, 전방압출을 이용하였고 장치소형화를 위해 구동부는 작은 스트로크(Min. 1㎛)로 큰 압출력(Max. 4000N)을 낼 수 있는 압전형 액튜에이터(Piezo-electric actuator)를 사용하였다. 50㎛ 두께의 니켈(Ni) 금형을 인발 다이스 형태로 컨테이너 아래에 고정시킨 후, 재료의 연화점까지 가열 후 압출 공정을 시작한다. 압출기의 구성은 도 1에 도시한 바와 같다.The micro-extrusion apparatus used in this embodiment uses a front extrusion and the piezo-electric actuator (Piezo-electric) capable of producing a large extrusion force (Max. 4000N) with a small stroke (Min. actuator). After the 50 μm thick nickel (Ni) mold is fixed under the container in the form of a drawing die, the extrusion process is started after heating to the softening point of the material. The configuration of the extruder is as shown in FIG.

한편, 마이크로 압출기의 상세 설계를 위한 공정 해석과정은 다음과 같다.On the other hand, the process analysis process for the detailed design of the micro-extruder is as follows.

압출 공정 해석은 μ=0 일 때, 이론적인 슬래브 해석과 강소성 유한요소 프 로그램인 Deform-2D를 이용한 FEM(Finite element method;유한요소법) 시뮬레이션 해석을 통해 수행하였다. Deform-2D 성형 시 소재인 LLDPE의 물성치는 소재의 항복강도를 이용해 대입하였으며 성형 조건은 다음과 같다. Extrusion process analysis was carried out through theoretical slab analysis and finite element method (FEM) simulation analysis using the rigid plastic finite element program Deform-2D when μ = 0. The properties of LLDPE, which is a material for Deform-2D molding, were substituted using the yield strength of the material. The molding conditions are as follows.

소재 연화점과 동일한 80℃로 균일한 온도분포에 0.001 mm/sec의 일정한 Punch 속도를 가함으로써 발생되는 소재의 응력과 램의 하중을 해석하였다. 압출 하중은 슬래브 해석 시 2354N의 압출하중 데이터가 나왔으며 FEM 시뮬레이션 해석 시 3400N의 결과를 얻었으며 두 결과 모두 압전형 액튜에이터의 최대 출력하중인 4000N을 넘지 않는다. 램에 작용하는 하중에 대한 해석 결과는 아래 [참고도 2] 및 [참고도 3]에 나타내었으며, 압출되는 소재에 작용하는 응력에 대한 해석 결과는 [참고도 4]에 나타내었다. The stress of the material and the ram load were analyzed by applying a constant punch speed of 0.001 mm / sec to a uniform temperature distribution at the same temperature as the material softening point. The extruded load was 2354N of extruded load data for slab analysis and 3400N for FEM simulation analysis, both of which do not exceed 4000N of the maximum output load of piezoelectric actuators. The analysis results of the load acting on the ram are shown in [Reference Figure 2] and [Reference Figure 3] below, and the analysis result of the stress acting on the extruded material is shown in [Reference Figure 4].

[참고도 2] [ 슬래브 method ][Reference Figure 2] [Slab method]

Figure 112007014257189-pat00002
Figure 112007014257189-pat00002

[참고도 3] [FEM 시뮬레이션][Reference Figure 3] [FEM Simulation]

Figure 112007014257189-pat00003
Figure 112007014257189-pat00003

[참고도 4] [압출공정중의 유동 응력 분포][Reference Figure 4] [Flow Stress Distribution during the Extrusion Process]

Figure 112007014257189-pat00004
Figure 112007014257189-pat00004

그리고, Deform-2D를 이용한 해석 결과를 토대로 금형공구강인 STD-61을 소재로 한 컨테이너의 강도 해석 수행한 결과, 아래 [참고도 5] 와 같은 결과를 얻었다. 컨테이너 응력분포를 살펴보면 최대 Von-mises 응력은 82.4MPa로 나온다. 이는 금형공구강인 STD-61의 항복강도인 1600MPa에 미치지 못한 것으로 컨테이너는 압출 성형 중 소성 변형을 일으키지 않는다.Then, based on the analysis result using Deform-2D, the strength analysis of the container made of STD-61, which is a tool steel, was performed. As a result, the following results were obtained. Looking at the container stress distribution, the maximum von Mies stress is 82.4 MPa. This is less than the yield strength of 1600MPa of STD-61, the tool steel, and the container does not cause plastic deformation during extrusion.

[참고도 5] [콘테이너의 강도 해석][Reference figure 5] [Analysis of container strength]

Figure 112007014257189-pat00005
Figure 112007014257189-pat00006
Figure 112007014257189-pat00005
Figure 112007014257189-pat00006

그리고, Deform-2D를 이용한 해석 결과를 토대로 니켈(Ni)을 소재로 한 마이크로 다이의 강도 해석 수행한 결과, 아래 [참고도 6]과 같은 결과를 얻었다. 마이크로 금형 응력분포를 살펴보면 최대 Von-mises 응력은 78.899MPa로 나온다. 이는 Ni의 항복강도인 100~210MPa에 미치지 못한 것으로 마이크로 금형은 압출 성형 소성 변형을 일으키지 않는다.Then, based on the analysis results using Deform-2D, the strength analysis of the micro dies based on nickel (Ni) was carried out, and the results as shown in the following [Reference 6] were obtained. Looking at the micro mold stress distribution, the maximum Von-mises stress is 78.899 MPa. This falls short of Ni's yield strength of 100-210 MPa, and the micro mold does not cause extrusion plastic deformation.

[참고도 6] [마이크로-다이의 강도 해석]Reference Figure 6 [Strength Analysis of Micro-die]

Figure 112007014257189-pat00007
Figure 112007014257189-pat00007

한편, 본 발명의 기술 사상에 따라 제작한 마이크로 압출기의 설계도면 및 조립 사진을 아래 [참고도 7a] 및 [참고도 7b]에 나타내었다. On the other hand, the design drawings and assembly photos of the micro-extruder produced according to the technical idea of the present invention are shown in [Reference Figure 7a] and [Reference Figure 7b].

[참고도 7a] [마이크로 압출기의 참고사진][Reference Figure 7a] [Reference picture of the micro extruder]

Figure 112007014257189-pat00008
Figure 112007014257189-pat00009
Figure 112007014257189-pat00008
Figure 112007014257189-pat00009

[참고도 7b] [마이크로 압출기의 설계도면][Reference Figure 7b] [Design Drawing of Micro Extruder]

Figure 112007014257189-pat00010
Figure 112007014257189-pat00010

한편, 컨테이너의 설계시 상기 컨테이너는 팰릿(pellet) 가열시 열교환이 유리하도록 설계하였으며 컨테이너와 금형의 결합은 금형의 분리와 결합이 용이하도록 컨테이너의 압출부에 금형 지름 3㎜ 만큼의 홈을 내어 금형을 억지 끼워 맞춤한 후 아래에서 다이 고정소켓을 이용하여 고정했다. On the other hand, when designing the container, the container is designed to exchange heat when the pellet is heated, and the combination of the container and the mold is made by inserting a groove with a mold diameter of 3 mm in the extruded part of the container to facilitate the separation and coupling of the mold. After pressing to fit, it was fixed using the die fixing socket from below.

아래 [참고도 8]에는 소재 가열 모습 및 온도 측정 소자를 나타내었다. 소재를 가열하기 위해 컨테이너 주위에 400℃까지 가열 가능한 열선을 감았고, 그 온도를 측정하기 위해 백금 박막 온도 센서를 사용하였다.[Reference Figure 8] below shows the material heating state and the temperature measuring element. A heatable heatable wire was wound up to 400 ° C. around the container to heat the material, and a platinum thin film temperature sensor was used to measure the temperature.

[참고도 8] [소재 가열 모습] [온도 측정 소자][Reference Figure 8] [Material Heating State] [Temperature Measurement Element]

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Figure 112007014257189-pat00012
Figure 112007014257189-pat00011
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그리고, 엑추에이터와 램의 조립사진 및 설계도면을 [참고도 9a] 및 [참고도 9b]에 나타내었다. 램에 나사홈을 가공하여 엑추에이터와 연결했다.And, the assembling picture and the design drawing of the actuator and the ram are shown in [Reference Figure 9a] and [Reference Figure 9b]. A thread groove was machined into the ram and connected to the actuator.

[참고도 9a] [엑추에이터와 램의 조립사진][Reference Figure 9a] [Assembly Picture of Actuator and RAM]

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Figure 112007014257189-pat00014
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[참고도 9b] [엑추에이터와 램의 설계도면][Reference Figure 9b] [Design Drawing of Actuator and RAM]

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그리고, 소재를 컨테이너에 넣은 후 램를 소재에 닿기까지 이송시키는 이송장치부의 참고사진 및 설계도면을 아래 [참고도 10a] 및 [참고도 10b]에 나타내었다. 이때 손잡이의 회전 운동을 엑추에이터를 회전 없이 직선운동만 가하기 위해 엑추에이터 고정판의 홈에 나사산을 주지 않았다. 또한 아래로 이송된 구동부를 압출 실험 후 원위치로 올려놓기 위해서 탄성력이 강한 스프링을 이용하였다.Then, reference pictures and design drawings of the transfer unit for transferring the ram to reach the material after putting the material in the container are shown in the following [reference 10a] and [reference 10b]. At this time, in order to apply only the linear movement of the actuator without the rotation of the handle to rotate the actuator did not give a thread to the groove of the actuator fixing plate. In addition, a spring with strong elasticity was used to put the driving unit transported down to the original position after the extrusion experiment.

[참고도 10a] [이송장치부의 참고사진][Reference Figure 10a] [Reference picture of the transport unit]

Figure 112007014257189-pat00016
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[참고도 10b] [이송장치부의 설계도면][Reference Figure 10b] [Design Drawing of Transfer Unit]

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한편, 상기한 바와 같은 압출 공정 해석 및, 상기에서 언급한 구성품인 마이크로 다이 및 컨테이너, 액튜에이터, 히터, 램, 온도측정소자 등으로 이루어진 본 실시예에 따른 압출장치의 완성품 사진을 아래 [참고도 11]에 나타내었다.On the other hand, the extrusion process analysis as described above, and the picture of the finished product of the extrusion device according to the present embodiment consisting of the above-mentioned components, the micro die and container, the actuator, the heater, the ram, the temperature measuring element, etc. ].

[참고도 11] [본 실시예에 따른 압출장치 완성품의 실제 사진][Reference Figure 11] [A real picture of the finished product of the extrusion apparatus according to the present embodiment]

Figure 112007014257189-pat00018
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위의 [참고도 11]에 도시된 본 실시예의 압출 장치는, 열간금형공구강 STD-61로 제작된 금형을 고정시키고 소재를 가열하는 압출 장치부, 백금 박막 소자를 이용하여 온도를 측정하는 측정부, 압전형 액튜에이터를 이용하여 압출력을 전달하는 동력부 등으로 구성되어 있다.Extrusion apparatus of the present embodiment shown in the above [Reference Figure 11], the extrusion device for fixing the mold made of hot mold oral STD-61 and heating the material, the measuring unit for measuring the temperature using a platinum thin film element And a power unit for transmitting an extrusion force by using a piezoelectric actuator.

압출 실험 순서는 컨테이너에 마이크로 금형을 억지 끼워 맞춤한 후 다이 고정소켓을 이용해 고정시켜 압출력을 받은 금형이 움직이지 않게 하였다. 그 후 압출 소재인 LLDPE (Linear Low Density Polyethylene)를 컨테이너에 주입하고 LLDPE의 연화점인 80℃까지 가열하였다. The extrusion test sequence was forcibly fitted with a micro mold in a container, and then fixed using a die fixing socket so that the die under the extrusion force did not move. After that, the extrusion material, LLDPE (Linear Low Density Polyethylene) was injected into the container, and heated to 80 ° C., which was the softening point of LLDPE.

이송장치부의 손잡이를 돌려 압출 위치까지 램과 엑추에이터를 이동시킨 다음 압전형 액튜에이터(Piezo-electric actuator)를 이용해 10㎛ 만큼 압출하였다. LLDPE는 열가소성이므로 한번의 소재 주입으로 여러 차례 실험을 할 수 있었다. The ram and the actuator were moved to the extrusion position by turning the handle of the transfer unit, and then extruded by 10 μm using a piezo-electric actuator. Since LLDPE is thermoplastic, it can be tested several times with one injection of material.

압출조건은 초기 소재를 사용하였을 때는 아래 [표 3] 와 같으며 재사용하는 소재를 사용하였을 때는 [표 4]와 같았다. 본 연구에 사용된 압전형 액튜에이터의 제원은 [표 5]와 같다. 마이크로 압출기의 소형화를 위해 총 길이 53㎜의 작은 크기와 압출 조건 하중 이상을 낼 수 있는 4000N의 최대하중을 가진다.Extrusion conditions are as shown in [Table 3] below when the initial material was used, and as shown in [Table 4] when the reusing material was used. The specifications of piezoelectric actuators used in this study are shown in [Table 5]. For miniaturization of the micro extruder, it has a small size of 53 mm in total length and a maximum load of 4000 N that can withstand more than the extrusion conditions.

[표 3] [압출의 제1조건(소재 초기 사용시)][Table 3] [First condition of extrusion (at the time of initial use of material)]

temperaturetemperature 80℃80 ℃ strokestroke 10㎛10 μm max. loadmax. load 3300N3300N

[표 4] [압출의 제2조건(소재 재사용시)][Table 4] [Second Condition of Extrusion (Reuse of Material)]

temperaturetemperature 90 ~ 100℃90 to 100 ℃ strokestroke 13 ~ 15㎛13-15㎛

[표 5] [압전형 액튜에이터의 제원][Table 5] [Specifications of piezoelectric actuators]

max. strokemax. stroke 54/40 ㎛54/40 μm max. loadmax. load 4000 N4000 N lengthlength 53 ㎜53 mm

이상에서와 같은 구체적 실시예에 따른 압출장치의 작용 효과는 다음과 같다.Effects of the extrusion apparatus according to the specific embodiment as described above are as follows.

본 실시예의 압출장치를 이용해 압출 성형된 제품을 스퍼터(sputter)를 이용하여 표면을 6㎚의 두께로 백금 도금한 후 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy)을 이용해 확인하였다.The extruded product using the extruder of the present embodiment was platinum plated to a thickness of 6 nm using a sputter and then confirmed by scanning electron microscopy (Scanning Electron Microscopy).

먼저, 마이크로 원형 다이(Micro Circle Dies)를 이용한 압출 실험 결과는 전자주사현미경 사진을 통해 확인할 수 있는바, 아래 [참고도 12]와 같다.First, the results of the extrusion experiment using the micro circle dies (Micro Circle Dies) can be confirmed through an electron scanning microscope picture, as shown in [reference 12].

[참고도 12] [마이크로 원형 다이 이용시의 압출성형품의 전자주사 현미경 사진][Reference Figure 12] [Electronic Scanning Micrograph of Extruded Product Using Micro Circular Die]

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그리고, 마이크로 십자형 다이(Micro Cross Dies)를 이용한 압출 실험 결과의 전자주사현미경 사진은 아래 [참고도 13]에 나타내었다.In addition, electron scanning micrographs of the results of the extrusion experiment using the Micro Cross Dies are shown in [Reference Figure 13] below.

[참고도 13] [마이크로 십자형 다이 이용시의 압출성형품의 전자주사 현미경 사진][Reference Figure 13] [Electronic Scanning Micrograph of Extruded Product Using Micro Cross Die]

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그리고, 마이크로 기어 다이(Micro Gear Dies)를 이용한 압출 실험 결과는 아래 [참고도 14]에 나타내었으며 기어 제원은 [표 6]과 같다.In addition, the results of the extrusion experiment using the micro gear dies (Micro Gear Dies) are shown in [Reference Figure 14] below, and the gear specifications are shown in [Table 6].

[참고도 14] [마이크로 기어 다이 이용시의 압출성형품의 전자주사 현미경 사진][Reference Figure 14] [Electronic Scanning Micrograph of Extruded Product Using Micro Gear Die]

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[표 6] [마이크로 기어의 제원][Table 6] [Specifications of Micro Gears]

MaterialMaterial LLDPELLDPE Module(m)Module (m) 3838 Number of teeth(Z)Number of teeth (Z) 1010 Pitch diameter(D)Pitch diameter (D) 380㎛380㎛ Outside diameter(D0)Outside diameter (D 0 ) 450㎛450㎛

한편, 상기 마이크로 다이는 전술한 실시예에서 언급된 니켈(Ni) 이외에 여러 가지 다양한 재료가 적용가능하다.On the other hand, the micro die is applicable to a variety of different materials in addition to the nickel (Ni) mentioned in the above embodiment.

예컨대, 구조체용 재료는 고강도/고인성 등 양호한 기계적 성질, 저(低)비중, 내부식성/내환경성 등의 안정성, 미세가공에 의한 마이크로 구조의 용이한 제작, 마이크로 프로세서나 센서와의 집적화 가능, 대량생산 및 원활한 재료 공급 등과 같은 조건을 만족시켜야 하는데, 현재 이러한 구조적 특성을 가장 잘 만족하는 재료로는 실리콘을 꼽을 수 있다. For example, the structural material may have good mechanical properties such as high strength / toughness, low specific gravity, stability such as corrosion resistance / environmental resistance, easy fabrication of a micro structure by micromachining, integration with a microprocessor or sensor, Conditions such as mass production and smooth supply of materials must be satisfied. At present, silicon is the material that satisfies these structural characteristics best.

한편, 실리콘은 내마모성이 좋지않아 반복적인 마찰이 있는 기계부품에는 적당하지 않으며, 이런 경우에는 W(텅스텐), Mo(몰리브덴), Ni(니켈) 및 Cu(구리) 등과 같은 금속계 재료들이 사용될 수 있다.  On the other hand, silicon is not suitable for mechanical parts with repeated friction due to poor wear resistance, and in this case, metallic materials such as W (tungsten), Mo (molybdenum), Ni (nickel), and Cu (copper) may be used. .

그리고, 내마모성이 요구되는 경우에는 Si3N4(질화실리콘)이나 DLC(Diamond-Like Carbon)와 같은 박막을 피복하기도 하고, 연성이 요구되는 경우 폴리이미드(Polyimide)와 같은 고분자 재료도 사용될 수 있다. In addition, when wear resistance is required, a thin film such as Si 3 N 4 (silicon nitride) or DLC (Diamond-Like Carbon) may be coated, and a polymer material such as polyimide may be used when ductility is required.

이상에서와 같이, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하면, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 다양한 형태로의 변경 및 변형, 수정이 가능하며, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be changed, modified, and modified in various forms without departing from the scope of the technical spirit of the present invention, and the rights of the present invention. The scope should be interpreted based on the appended claims.

본 발명에 의한 마이크로 부품 제조용 압출장치는 크게 다음과 같은 다섯 가지 작용 효과를 나타내게 된다.Extrusion apparatus for manufacturing a micro component according to the present invention exhibits the following five effects.

첫째, 마이크로 기어 등 압출 가능한 마이크로 부품의 생산량이 현저히 증가하게 된다. 즉, 기존의 MEMS 공정을 이용한 마이크로 기어 제작은 공정수가 많으며, 각 공정시간이 길며 불량제품 발생률이 높고 하나의 완성된 제품을 얻는데 소요시간이 길다. 하지만 통상의 금속 성형기술 개념의 압출성형 공정을 이용하면 금형의 내구성의 한도 내에서 짧은 시간에 자유로이 제품을 성형할 수 있다.First, the output of extrudable micro parts, such as micro gears, will increase significantly. In other words, the production of micro gears using the existing MEMS process has a large number of processes, each process takes a long time, a high occurrence rate of defective products, and a long time for obtaining a finished product. However, using the extrusion process of the conventional metal forming technology concept, the product can be freely molded in a short time within the limit of the durability of the mold.

둘째, 생산설비의 최소화다. MEMS 공정을 이용한 마이크로 기어 등의 제작시에는 PR Coating, 노광(Exposure), 건조(DRY), 식각(Etching) 등 각 공정에서 스핀 코터(Spin coater(JC-101)), 마스크 얼라이너(Mask Aligner(MA6)), Non-MESC Multiplex ICP, Wet Station 등 큰 장비를 필요로 한다. 하지만 압출성형을 이용하면 몇 개의 장치(Piezo-electric Actuator, Thermocouple, Heater Controller)를 이용한 최소한의 설비를 이용해 마이크로 기어 등 마이크로 부품을 제조할 수 있다. 즉, 기존의 인쇄법의 단점인 높은 제조 비용, 긴 공정시간, 생산 설비 부족, 제한적 재료 이용 등의 문제점을 해소할 수 있다.Second is the minimization of production facilities. When manufacturing micro gears using MEMS process, spin coater (JC-101), mask aligner (Mask Aligner) in each process such as PR Coating, Exposure, DRY, Etching (MA6)), large equipment such as Non-MESC Multiplex ICP, Wet Station. However, extrusion allows the manufacture of micro components, such as micro gears, with minimal equipment using several devices (Piezo-electric Actuator, Thermocouple, Heater Controller). That is, the disadvantages of the conventional printing method, such as high manufacturing cost, long process time, production equipment shortage, limited use of materials can be solved.

셋째, 제조비용이 감소한다. 기존의 MEMS 공정을 이용해 마이크로 기어 등을 제작하는 것에 비하여 본 발명품인 마이크로 부품 제조용 압출장치를 이용하면 금형제작비 이외의 비용은 저렴한 가격에 제작할 수 있다.Third, manufacturing costs are reduced. Compared to the production of micro gears using the conventional MEMS process, the extrusion device for manufacturing a micro part of the present invention can be manufactured at a low price other than the mold production cost.

넷째, 본 발명의 압출장치에 의한 대량생산을 통해 핸드폰, 정보저장장치, 캡슐형 무선 카메라, 데이터 나노 저장 기술, 마이크로 하드디스크 등의 전자기기의 소형화에 따른 마이크로 스케일의 부품 공급이 원활히 수행될 수 있으며, 마이크로 스케일로 제작된 부품은 기계요소나 센서, 혹은 의료기 등 여러 분야에 널리 적용될 수 있다.Fourth, through the mass production by the extrusion device of the present invention can supply the parts of the micro-scale according to the miniaturization of electronic devices such as mobile phones, information storage device, capsule type wireless camera, data nano storage technology, micro hard disk, etc. In addition, the microscale parts can be widely applied to various fields such as mechanical elements, sensors, or medical devices.

다섯째, 폐수, 유기용제, 산염기제 등이 줄어들어 환경오염을 방지한다. MEMS 공정 중 웬스테이션(Wet Station)에서 발생되는 오염물질이 줄어든다.Fifth, wastewater, organic solvents, and acidic bases are reduced to prevent environmental pollution. Less pollutants generated at Wet Station during MEMS process.

Claims (16)

프레임과;A frame; 상기 프레임에 고정되며 압출용 소재가 수용되는 컨테이너와;A container fixed to the frame and accommodating an extrusion material; 상기 컨테이너의 소재 배출구 측에 고정되며, 액튜에이터의 압출하중 작용시 상기 컨테이너로부터 배출되는 압출용 소재를 목적하는 형상으로 성형하도록 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 가공기술에 의해 제조되는 마이크로 다이와;A micro die fixed to the material outlet side of the container and manufactured by MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) processing technology to shape the extrusion material discharged from the container into a desired shape when the actuator exerts an extrusion load; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재를 소재 연화점 온도로 가열하기 위한 히터와; A heater for heating the extrusion material contained in the container to a material softening point temperature; 상기 컨테이너에 수용된 압출용 소재에 대해 압출하중을 가하도록 구동하게 되는 압전형 액튜에이터(Piezo-electric Actuator)와;Piezo-electric actuators (Piezo-electric Actuator) which is driven to apply an extrusion load to the extrusion material contained in the container; 상기 압전형 액튜에이터에 인가되는 전압을 제어하는 액튜에이터 컨트롤러와;An actuator controller for controlling a voltage applied to the piezoelectric actuator; 상기 압전형 액튜에이터에 결합되어 상기 압전형 액튜에이터의 구동시 압출용 소재에 대해 직접적으로 압출하중을 가하게 되는 램과;A ram coupled to the piezoelectric actuator to apply an extrusion load directly to the extrusion material when the piezoelectric actuator is driven; 상기 램이 컨테이너에 수용된 압출용 소재에 접촉하도록 상기 소재에 대한 압전형 액튜에이터의 상대 위치를 조정하는 이송부와;A transfer unit for adjusting a relative position of the piezoelectric actuator with respect to the material such that the ram contacts the extrusion material contained in the container; 상기 압전형 액튜에이터의 구동제어에 의한 램의 스트로크 제어를 통해 압출용 소재에 가해지는 압출하중을 제어하는 정밀 이송부와;A precision feeder for controlling the extrusion load applied to the material for extrusion through stroke control of the ram by driving control of the piezoelectric actuator; 상기 압전형 액튜에이터의 구동에 의한 압출 완료 후, 상기 액튜에이터를 원위치 시키기 위한 탄성부재를 구비하되, After the completion of the extrusion by the drive of the piezoelectric actuator, provided with an elastic member for returning the actuator, 상기 압출용 소재는 팰릿 형태로 컨테이너 내부에 투입되고,The extrusion material is introduced into the container in the form of a pallet, 상기 마이크로 다이는 컨테이너의 배출구측에서 빠지지 않도록 억지 끼워 맞춤에 의해 고정되며, 그 외측에는 상기 마이크로 다이를 움직이지 않도록 고정하기 위한 다이 고정소켓이 설치되며, The micro die is fixed by an interference fit so as not to fall out of the outlet side of the container, a die fixing socket for fixing the micro die so as not to move, is installed on the outside thereof, 상기 이송부에는, The transfer unit, 상기 프레임 상단부에 결합된 고정너트와; 상기 고정너트를 관통하여 이송가능하도록 설치되어, 압출 방향으로의 이동시 압전형 액튜에이터를 가압하게 되는 이송축과; 상기 이송축 상에 결합되어 하강시 상기 고정너트 상면에 맞닿게 됨에 따라 더 이상의 이송축의 하강이 제한되도록 하되 팰릿 형태로 컨테이너에 투입되는 압출 소재의 투입량에 따라 이송축 상에서의 고정 위치를 가변시킬 수 있는 잠금너트와; 상기 이송축 상단부에 조작을 용이하게 하기 위해 구비되는 이송핸들이 구비됨을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치.A fixing nut coupled to the upper end of the frame; A feed shaft installed to be transportable through the fixing nut to pressurize the piezoelectric actuator when moving in the extrusion direction; The lowering of the further transport shaft is limited as the upper surface of the nut is coupled to the fixed nut when falling, so that the fixed position on the transport shaft can be changed according to the input amount of the extruded material introduced into the container in the form of a pallet. A lock nut; Extrusion apparatus for manufacturing a micro-part, characterized in that the transfer handle is provided to facilitate the operation on the upper end of the feed shaft. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 가공기술은, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) processing technology, 사진석판술(photolithography), 레이저 미세가공(laser micromachining), LIGA(Lithographie, Galvanoformung, Abformung), 방전 미세가공(electro discharge micromachining)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치. Photolithography, laser micromachining (laser micromachining), LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung), extrusion apparatus for manufacturing micro parts, comprising electro discharge micromachining (electro discharge micromachining). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 마이크로 다이는, W(텅스텐), Mo(몰리브덴), Ni(니켈) 및 Cu(구리) 등과 같은 금속계 재료들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치.The micro die is an extrusion apparatus for manufacturing micro parts, characterized in that it comprises metal-based materials such as W (tungsten), Mo (molybdenum), Ni (nickel) and Cu (copper). 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 컨테이너에는 온도 측정을 위한 온도측정소자가 설치되어,The container is provided with a temperature measuring element for measuring the temperature, 상기 온도측정소자에서 검출된 온도에 따라 히터가 온/오프 제어되는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 제조용 압출장치.Extruder for producing micro-components, characterized in that the heater is controlled on / off in accordance with the temperature detected by the temperature measuring element. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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