KR101278938B1 - 활성 매트릭스 전착에 의한 헤드 개스켓 상에 국소 스토퍼의 제작 - Google Patents

Abstract

내연엔진(20)용 개스켓(32) 제조 방법은 금속 개스켓 보디(40) 상에 전착 공정을 통해 일반적으로 환상 스토퍼(38)를 형성하는 단계를 포함한다. 캐소드를 형성하는 캐스켓 보디(40)를 사용하여 전해전지가 완성된다. 시간에 따라서 선택된 전극(70)에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시킴으로써 윤곽선 일치 압축면(42)을 갖는 스토퍼(38)가 형성된다. 금속 이온이 풍부한 전해질(48)이 전극간 틈을 통해서 고속으로 펌프에 의해 공급된다. PC 제어장치(82)가 어떤 시간에 어떤 지속기간 동안 선택된 전극(70)을 ON으로 전환하며, 이로써 전해질(48) 중의 금속 이온이 개스켓 보디(40) 위에 환원 또는 침착되고, 압축면(42)의 목표 표면 프로파일(106)에 근접하는 3-차원 형태로 칼럼 또는 층들이 구축된다. 3-차원 형태를 구축하기 위한 당해 방법은 실린더 헤드 개스켓(32) 이외의 다른 작업 부품에도 적용될 수 있다.

전착, 스토퍼, 개스켓, 전해질, 전기, 금속 이온, 전극

Description

활성 매트릭스 전착에 의한 헤드 개스켓 상에 국소 스토퍼의 제작{FABRICATION OF TOPICAL STOPPER ON HEAD GASKET BY ACTIVE MATRIX ELECTROCHEMICAL DEPOSITION}

본 발명은 일반적으로 전착(electrochemical deposition; ECD) 방법 및 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 어레이형 다중-전극 ECD 장치 및 일반적인 모양의 정전식 애노드 어레이로부터 무한히 다양한 지형적 윤곽을 만들어 내는 방법에 관한 것이며, 보다 더 구체적으로는 ECD 공정을 이용하여 MLS 개스켓 상에 윤곽선 일치 스토퍼를 제작하는 것에 관한 것이다.

일부 제조 제품들은 금속성 작업 부품에 대해 극도로 얇고 매우 정확한 윤곽선 형태를 필요로 한다. 예로서, 내연엔진의 압축 챔버 실링에 사용되는 것들 같은 금속 개스켓은 전형적으로 균일한 응력 분포, 평평한 접촉면, 및 과도한 사전-부하 압축이 없는 기밀한 실링을 제공하기 위해 지형적 윤곽에 일치하는 스토퍼를 포함한다. 균일한 응력 분포는 또한 실패율을 낮추고 개스켓의 수명을 연장한다. 지형적 윤곽에 일치하는 스토퍼의 제작은 어떤 선행기술 공정에서도 과히 시도되고 있다. 가장 일반적으로는 압인가공 작업에 의하여 매우 얇은 스토퍼 특징부 상에 프로파일을 만드는데, 이것은 일반적으로 60 내지 150 마이크로미터 범위이다. 그 러나, 매우 얇은 층의 프로파일에 과도한 변형 및 응력이 도입되기 때문에 압인가공의 결과는 만족스럽지 못한 경향이 있다.

개스켓 스토퍼의 예는 정확한 윤곽선 일치 특징부가 금속성 작업 부품 상에 만들어져야 될 필요가 있는 무수한 산업 용도 중 단지 하나일 뿐이다. 따라서, 작업 부품 위에 3-차원의 지형적 특징부를 형성하기 위한 개선된 제조 공정이 필요하다. 성형 도구와 작업 부품 사이에 어떤 종류의 회전이나 상대적 이동이 필요하지 않은 공정을 실행하는 것이 바람직할 것이다. 더 나아가, 일반적인 다양성을 가지며, 프로그램 방식 제어를 통해서 무한히 다양한 윤곽선 일치 프로파일을 만들도록 개조되는 공정을 개발하는 것이 바람직하다.

발명의 개요

본 발명은 일반적인 다중-분할 정전식 전극 어레이를 사용하여 전착 작용을 통해서 작업 부품 상에 3-차원 형태를 구축하는 방법을 고찰한다. 본 방법은 각각의 활성 단부를 갖는 다수의 애노드 전극을 제공하는 단계, 규칙적인 어레이로 다수의 전극을 지지하는 단계, 각 전극을 서로 전기 절연하는 단계, 각 전극과의 전기 회로를 확립하여 개별적 애노드를 형성하는 단계, 구축될 작업면을 갖는 캐소드 작업 피스를 제공하는 단계, 작업 부품을 그것의 작업면이 전극의 활성 단부에 대해 대향 이격되는 관계로 지지하는 단계, 작업면과 활성 단부 사이의 공간을 통해 금속 이온이 풍부한 전해질을 유동시키는 단계, 특정 전극에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시켜 전해질 중의 금속 이온을 3-차원 형태로서 작업면 위에 환원 또는 침착시키는 단계, 및 전착 작업 내내 모든 전극의 활성 단부를 서로에 대해 고정된 관계로 그리고 작업 피스에 대해서도 고정된 관계로 지지하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 다중-분할 전극 어레이를 사용하여 전착 작용을 통해서 작업 부품 상에 3-차원 형태를 구축하기 위한 방법은, 각각의 활성 단부를 갖는 다수의 애노드 전극을 제공하는 단계, 규칙적인 어레이로 다수의 전극을 지지하는 단계, 각 전극을 서로 전기 절연하는 단계, 각 전극과의 독립적 전기 회로를 확립하는 단계, 구축될 작업면을 갖는 캐소드 작업 피스를 제공하는 단계, 작업 피스를 그것의 작업면이 전극의 활성 단부에 대해 대향 이격되는 관계로 지지하는 단계, 작업면과 활성 단부 사이의 공간을 통해 금속 이온이 풍부한 전해질을 유동시키는 단계, 특정 전극에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시켜 전해질 중의 금속 이온을 3-차원 형태로서 작업면 위에 환원 또는 침착시키는 단계, 및 작업면의 일부를 전기 절연체로 마스킹하여 작업면의 선택 영역 상에 금속 이온의 침착을 방지하는 단계를 포함한다.

당해 방법은 활성 매트릭스 전착 공정을 사용하여 작업 피스 상에 지형적 윤곽에 일치하는 형태를 형성하기 위한 극도로 정확하며, 충격이 없는 기술을 제공한다. 당해 공정은 에너지 효율적, 보존 친화적이며, 극도로 정확한 형태를 제공한다. 본 공정은 컴퓨터 또는 다른 디지털 프로세스 제어 장치의 사용을 통한 프로그램 방식 제어에 맞게 쉽게 개조 가능하다.

당해 발명의 또 다른 양태에 따르면, 내연엔진 내의 실린더 헤드와 블록 사이의 클램프 리텐션을 위한 타입의 개스켓을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법은 작업면을 갖는 시트형 금속 개스켓 보디를 제공하는 단계, 개스켓 보디 내에 적어도 하나의 실린더 보어 개구를 형성하는 단계, 규칙적인 어레이로 다수의 전극을 지지하는 단계, 각 전극을 서로 전기 절연하는 단계, 각 전극과의 전기 회로를 확립하여 개별적 애노드를 형성하는 단계, 개스켓 보디를 그것의 작업면이 전극에 대해 대향 이격되는 관계로 지지하는 단계, 개스켓 보디와의 전기 회로를 확립하여 캐소드를 형성하는 단계, 작업면과 전극 사이의 공간을 통해 금속 이온이 풍부한 전해질을 유동시키는 단계, 다수의 전극과 개스켓 보디 사이에 전기 전위를 만들어 전해질 중의 금속 이온을 작업면 위에 환원 또는 침착시킴으로써 실린더 보어 주위에 일반적으로 환상 스토퍼를 형성하는 단계, 및 시간에 따라 전극에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시켜 스토퍼 상에 윤곽선 일치 압축면을 형성하는 단계를 포함한다.

지형적 윤곽에 일치하는 스토퍼를 갖는 개스켓을 제조하기 위한 당해 방법은 종래의 압인 공정에 대한 경제적인 대안을 제공하며, 대단히 정교한 품질제어를 제공한다. 더욱이, 전극 어레이 툴의 생산 비용은 이런 용도를 위한 압인 툴의 생산 비용보다 실질적으로 낮다. 개스켓 보디에 직접 지형적 스토퍼를 형성함으로써 레이저 용접이나 다른 부착 공정의 제거를 통해 또 다른 이점이 실현된다. 또한, 시트 스틸 소비의 실질적인 감소가 실현될 수 있다. 추가하여, 전해질을 상이한 타입의 금속 이온으로 부화시킴으로써 강화 합금을 사용할 수 있는 기회가 열린다.

도면의 간단한 설명

본 발명의 이들 및 다른 특징과 이점들은 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면과 함께 고려될 때 더욱 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 단순화한 단편적인 내연엔진 단면도로서, 실린더 헤드와 블록 사이의 클램프 리텐션이 준비된 개스켓을 나타낸다.

도 2는 전형적인 실린더 헤드 개스켓의 평면도이다.

도 3은 단편적인 개스켓 투시도로서, 압축면의 윤곽선 일치 프로파일을 강조하기 위해 치수를 크게 확대하여 스토퍼를 묘사한다.

도 4는 프로그램 방식 제어를 통해 작업 피스 상에 3-차원 형상을 구축하는 방법 및 장치의 도해도이다.

도 5는 당해 발명에 따른 활성 매트릭스 전착 툴의 단순화한 투시도이다.

도 6은 도 5에 묘사된 툴의 분해조립도이다.

도 7은 활성 매트릭스 전착 툴 내에 고정된 작업 부품 및 작업 피스와 전극 사이의 공간을 통한 전해질의 흐름을 나타내는 확대한 단편적인 단면도이다.

도 8은 다른 전극 구체예의 확대한 단면도이다.

도 9는 제 2의 다른 전극 디자인의 확대한 단면도이다.

도 10은 작업면 상에 두 이격된 지형적 형태의 형성을 묘사하는 확대된 형태의 도해로서, 여기서는 전기장의 영향 하에서 전해질로부터 금속 이온이 환원된다.

도 11은 선택된 전극이 에너지화하여 전착 작용을 통해 지형적 윤곽을 형성하는 시간 순서를 묘사하는 도해이다.

도 12는 도 10과 마찬가지의 도해로서, 윤곽선 프로파일이 층으로 나타나는 다른 방식의 에너지화 순서를 묘사한다.

도 13은 도 11과 마찬가지의 시간 순서 도해로서, 도 12의 전극 전환 순서를 묘사한다.

도 14는 전착에 의해 형성되는 임의의 목표 프로파일로서, 치수 값들은 당해 발명의 디지털화 규칙을 설명하는 변수 기호와 같다.

바람직한 구체예의 상세한 설명

도면과 관련하여, 같은 부재번호는 몇몇 도면들에서 전체적으로 동일 부분이나 대응 부분을 나타내며, 대표적인 예로서 내연엔진은 일반적으로 도 1에서 부재번호 20으로 나타낸다. 엔진(20)은 엔진 블록(26)에 형성된 실린더 보어(24) 내부 왕복운동을 위해 지지된 피스톤(22)을 포함하여 도시된다. 실린더 헤드(28)는 블록(26)과 대향하고 있고, 실린더 보어(24)를 둘러싸서 압축 챔버를 형성한다. 스파크 플러그(30) 또는 다른 점화장치가 점화를 개시하기 위해 압축 챔버와 결합될 수 있다. 물론 압축-점화 엔진은 다르게 구성될 수도 있다. 일반적으로 부재번호 32로 표시된 실린더 헤드 개스켓은 시트형 금속 보디(40)를 가지며, 블록(26)과 실린더 헤드(28)와 사이에 위치하여 이들 사이를 완벽히 기밀 실링한다. 클램프 하중을 분산시키기 위해 간격을 두고 여러 곳에 볼트(34) 또는 다른 고정요소가 전략적으로 배치된다. 볼트(34)는 대응하는 구멍(35)을 지나 개스켓 보디(40) 안으로 들어간다.

도 2에 묘사된 전형적인 실린더 헤드 개스켓(32)은 관련된 엔진의 실린더 보어에 대응하는 4개의 이격된 개구(36)를 포함한다. 개구(36)의 수, 크기, 및 배치는 엔진 적용에 따라 변할 것이다. 전형적으로, 스토퍼(38)가 각 개구(36)를 둘러싸며, 이것이 개스켓(32)에서 가장 두꺼운 부분이 될 것이다. 거리가 매우 가까운 경우, 인접 스토퍼(38)는 내부 개구(36)들 사이를 교차할 수 있다. 스토퍼(38)의 목적은 모든 압축 응력을 실린더 보어(24) 주위의 잘 한정된 영역에 집중시킴으로써, 과도한 사전-부하 압축 없이 개스켓(32)의 실링 효과를 강화하는 것이다. 당해 발명의 스토퍼(38)는 전착 기술에 의해 형성되는데, 이로써 금속 이온이 전해질로부터 환원되어 원하는 장소에만 원하는 두께로 개스켓 보디(40) 위에 침착된다.

이제 도 3과 관련하여, 스토퍼(38)의 크게 확대된 도면이 개스켓 보디(40)의 단편과 함께 묘사된다. 스토퍼(38)의 상부 압축면(42)은 주변 볼트(34)들의 상대적 위치 및 예상된 클램프 하중에 합치되도록 계획적으로 윤곽선 일치된다. 실린더 헤드(28)의 굴곡, 볼트(34)의 신장, 스토퍼 주위의 가변적인 열 팽창, 및 스토퍼(28)의 압축과 같은 측면들을 고려하여, 이론적인 윤곽선이 압축면(42)에 형성되고, 이로써 설계서에 따라 실린더 헤드(28)가 회전력이 가해진 볼트(34)에 의해 블록(26) 위쪽 위치에 고정될 때, 실질적으로 균일한 응력 분포가 스토퍼(38)에 만들어진다. 이런 균일한 응력 분포는 개스켓(32)과 각 블록(26) 및 실린더 헤드(28) 사이의 균일한 실링으로 변환된다. 도 3에 묘사된 윤곽선은 크게 확대하여 나타냈지만, 실제 윤곽선 편차는 육안으로는 쉽게 식별될 수 없다. 전형적으로, 60-150 ㎛ 정도의 프로파일 높이 변화가 스토퍼(38)에서 바람직한 균일한 응력 분포를 달성하는데 필요한 전부일 수 있다.

도 4-7은 개스켓 스토퍼(38)로서 본원에 예시된 3-차원 형태를 만드는데 사용되는 당해 전착 장치 및 공정을 묘사한다. 당해 공정에 따라서, 금속 개스켓 보디(40)가 압반(44) 위에 놓인다. 압반(44)은 액체 전해질(48)이 채워진 전해질 탱크(46)에 잠수될 수 있다. 스토퍼(38)에 대해 지정된 영역을 벗어난 의도하지 않은 금속 이온 침착을 막기 위해 보디(40)의 일부를 마스킹한다. 이 경우, 마스크는 내부 장벽(50)과 외부 장벽(52)을 포함한다. 이 예에서, 내부 장벽은 일반적으로 형성될 스토퍼(38)의 내부 경계를 한정하는 환상 외부 가장자리(54)를 갖는 원반 모양일 수 있다. 내부 장벽(50)에는 중앙에 구멍이 제공되는 것이 바람직한데, 이 구멍을 통해서 전해질이 흐를 수 있다. 외부 장벽(52)은 내부 장벽(50)의 외부 가장자리(54)와 대향하는 환상 내부 가장자리(58)를 가진다. 내부 가장자리(58)와 외부 가장자리(54) 사이의 간격에 의하여 개스켓 보디(40)의 의도한 영역이 노출되고, 이어서 그 위에 스토퍼(38)가 형성될 것이다. 또한, 외부 장벽(52)은 일반적으로 균일한 높이의 다수의 직립 패드(60)를 포함할 수 있다. 패드(60)는 두 가지 기능을 제공한다. 먼저, 패드(60)의 상단은 대향하는 툴 부분이 기대게 되는 이격자로서 기능한다. 두 번째로, 패드(60) 사이의 틈으로 전해질이 바람직한 전해질 유동 방향에 따라 전극간 영역을 가로질러 흐를 수 있게 된다.

또한, 압반(44)은 볼트 구멍(35) 또는 어떤 다른 특징부를 통하여 개스켓 보디(40)를 정렬시키기 위한 하나 이상의 위치결정자 핀(62)을 포함한다. 위치결정자 핀(62)은 또한 일반적으로 부재번호 64로 표시한 다중-분할 전극 어레이를 정렬시킨다. 전극 어레이(64)의 절연체 보디(68)에 형성된 위치결정자 구멍(66)이 위치결정자 핀(62)을 수용한다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 전극 어레이(64)는 보디(40)의 작업면 상에 형성될 스토퍼(38)의 환상 모양에 상응하여 환상 패턴으로 배치된 규칙적으로 이격되고 독립적으로 분리된 다수의 전극(70)을 포함한다. 따라서, 위치결정자 핀(62)은, 위치결정자 구멍(66)에 정합되었을 때, 스토퍼(38)가 형성될 경우 내부 장벽(50)과 외부 장벽(52) 사이에 만들어지는 채널 바로 위에서 개스켓 보디(40)의 작업면에 대해 대향하는 관계로 각 전극(70)과 이들의 각 활성 단부(72)를 정확하게 정렬시킨다.

이제 도 4와 관련하여, 전해질 탱크(46) 안의 액체 전해질(48)에 부분적으로 잠수된 전극 어레이(64)의 도해가 도시된다. 각 개별 전극(70), 또는 전극(70) 그룹이 연결 와이어(74)에 의해 전환 유니트(76)에 연결된다. 전환 유니트(76)는 차례로 전원 유니트(78)의 플러스(포지티브) 측에 연결된다. 전원 유니트(78)의 마이너스(네거티브) 측은 개스켓 보디(40) 또는 압반(44)에 직접 연결되며, 전해전지의 캐소드 부분으로 기능한다. 전극(70)들은 전해전지의 애노드 구역을 포함한다. 전원(78)에 에너지가 공급되었을 때, 전환 유니트(76)가 개별 전극(70) 전체 또는 어느 하나의 개별 전극(70)까지 전기 회로를 완성한다. 이것이 일어나면, 전환된-"ON" 전극(70)의 활성 단부(72)와 실린더 헤드 개스켓(32)의 전도성 금속 보디(40) 사이에 전기적 차이가 확립된다. 전기장 하에서 액체 전해질(48) 중의 금속 이온이 영향을 받아 용액으로부터 금속 이온이 환원되거나 침전되어 전해전지의 캐소드 부분 상에 침착된다. 따라서, 금속 이온들이 개스켓 보디(40)의 상부 작업면 위에 3-차원 형태로서 축적된다.

전극(70)들이 시간에 따라 ON과 OFF로 전환되는 것을 선택적으로 변화시킴으로써, 침착된 금속 이온들의 윤곽선 일치 프로파일이 개스켓 보디(40)의 작업면 상에 구축되거나 자랄 수 있다. 스토퍼의 압축면(42)에 대한 특정 프로파일은 사전에 정해질 수 있으며, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(82)를 구비한 PC 제어장치에 프로파일 데이터(80)로서 입력될 수 있다. GUI는 사용자와 통신하는 소프트웨이이다. 이것은 모니터뿐만 아니라 키보드, PC 하드웨어, 및 소프트웨어를 포함한다. PC 제어장치(82)는 펄스 전원(78) 및 전환 유니트(76)를 PCI 인터페이스(84) 또는 다른 인터페이스를 통해 기능적으로 제어하며, 이로써 개별 전극(70)들이 전착 공정 동안 적절한 시간에 에너지화 및 탈에너지화될 수 있는바, 즉 ON과 OFF의 전환이 이루어질 수 있다.

전원(78)은 전환 유니트(76)와 함께 필요한 국소 이온 침착량에 따라 국소화될 수 있는 일시적인 전기장을 생성한다. 한 접근법에 따르면, 국소 전기장의 진폭을 변화시키거나, 다른 방식으로는 상이한 위치들에 따라 적용 시간을 변화시켜 스토퍼(38) 프로파일을 생산할 수 있다. 펄스 ECD가 미세한 입도를 제공하고 직접 디지털 제어를 허용하기 때문에 공정 제어를 상세히 설명하기 위한 예로서 제시된다. 펄스 ECD는 균일한 전기 펄스를 적용하며, 가변적 스토퍼(38) 높이를 위해 적용 시간만을 변화시킨다. PCI 인터페이스(84)를 통해 PC 제어장치(82)가 모든 전환을 제어하며, 이로써 스토퍼(38) 프로파일이 완전히 프로그램화된다. 또한, 펄스 제어를 위해 PC 제어장치(82)와 펄스 전원(78) 사이에 통신이 이루어진다.

액체 전해질(48)은 탱크(46)를 통해 재순환되는 것이 바람직한데, 이것은 도 4에 가장 잘 나타난다. 여기서 사용된 전해질은 도관(86)을 통해 탱크(46)로부터 배수된다. 탱크(46)로부터의 유출물은 전해질의 온도와 농도를 완충하는 저장 탱크(88)로 향한다. 그 다음, 전해질(48)은 펌프(92)의 작용하에 필터(90)를 통과한다. 거기에서 전해질(48)은 이온 보충 및 조정을 위한 보충 유니트(94)로 향한다. 전착 공정 동안 전해질 중의 금속 이온들이 소비되므로 이온 보충이 필요하다. 만일 전극(70)이 불용성이라면, 전해질의 변화 없이 소비된 이온이 첨가될 수 있다. 보충 유니트(94)에 첨가하기 위해 금속 이온을 제조하는 방법은 많다. 예를 들어, 산화금속을 도입하여 대응하는 산과 반응시킬 수 있는데, 이로써 물과 금속염이 별도의 탱크에 생산된다. 또는 달리, 2개의 분리된 전해전지에 멤브레인을 적용하여 무관한 이온을 도입하지 않고도 원하는 염 용액을 생산할 수 있다. 또는, 커다란 시트 또는 빗살 구조와 같은, 큰 가용성 반응면을 갖는 추가의 애노드를 도입할 수도 있다.

보충 유니트(94)에서 금속 이온의 농도가 pH 및 다른 이온과 함께 모니터된다. 그에 따라 소모성 화학물질과 기타 필요한 처리제들이 첨가된다. 또한, 불순물이 보충 유니트(94)에서 추출될 수 있다. 그 다음, 처리되고 보충된 전해질(48)은 펌프(96)를 통해 전해질 탱크(46)로 다시 보내진다. 도 4에 묘사된 배치에서, 펌프(96)는 내부 장벽(50)을 관통하고 있는 구멍(56) 쪽으로 전해질의 경로를 정한다. 물론 전해질 탱크(46)로의 진입 지점은 여러 곳이 표시될 수도 있으며, 이것은 특정 용도의 구성에 따른다. 이 예에서, 전해질(48)은 구멍(56)으로부터 개스켓 보디(40)와 전극 어레이(64) 사이의 공간으로 나온다. 전해질(48)의 흐름은 이격자 패드(60) 사이에 존재하는 전극간 틈을 통해 바깥쪽 방사상으로 원하는 압력과 유속으로 전파된다. 역 유동 방향도 가능할뿐만 아니라 다른 유동 전략들도 가능하다. 바람직한 구체예에서, 전극간 틈, 즉 개스켓 보디(40)와 전극(70)의 활성 단부(72) 사이의 공간은 0.4-3.0mm 폭의 범위이다. 높은 침착 속도를 달성하기 위하여 고속 전해질 대류가 적용된다. 전해질 유속은 0.5-4.0m/s로 설정되며, 이것은 선행기술의 전착 공정이 수행되는 대류 속도보다 실질적으로 더 높다.

ON으로 전환된 전극(70) 바로 밑을 흐르는 전해질(48) 중의 금속 이온은 환원되어 내부 장벽(50)과 외부 장벽(52) 사이의 홈 안에서, 개스켓 표면, 즉 작업면 상에 침착될 것이다. 바로 인접한 애노드 구역, 즉 전극(70)이 ON 상태가 아니라면 환원은 일어나지 않는다. 이것이 바로 개스켓(32)의 보디(40) 상에 금속 입자의 침착을 국소화하기 위해 사용되는 메커니즘이다. 애노드, 즉 전극(70) 상에서의 산화는 산소 기체 및/또는 금속 이온을 생성한다. 티타늄, 또는 전기분해에는 내성이지만 전도성을 갖는 다른 물질로 제조된 것과 같은 불용성 애노드인 경우에는 산소 기체만 생성되고, 전해질(48)로부터 환원된 금속 이온은 보충 유니트(94)에서 보충되어야 한다.

도 8 및 9는 전극이 가용성이며, 전해질(48)에 함유된 금속 이온과 유사하거나 동일한 재료로 이루어진 다른 접근법을 묘사한다. 따라서, 액체 전해질(48)로부터 금속 이온이 환원되자마자, 이들은 전극의 용해 작용을 통해 즉시 보충된다. 구체적으로, 프라임(') 표시를 사용하여 여러 성분 및 특징들을 본 바람직한 구체예와 구별하고 있는 도 8에서, 전극 와이어(74')가 애노드 박스(100') 안에 함유된 다수의 금속 입자(98')들로 이루어진 전극(70')에 연결된다. 정면의 불용성 금속 스크린(102')은 박스(100')로부터 금속 입자(98')들이 떨어지는 것을 방지하지만, 전해질과의 접촉은 허용한다. 금속 입자(98')들은 불용성 스크린(102')을 통해 금속 이온으로 산화된다. 전방에 있는 것이 용해된 후 뒷줄에 있는 입자(98')가 스프링(71')의 힘으로 앞줄로 밀려진다. 박스(100')가 거의 비워질 때쯤 박스(100')는 새로운 금속 입자(98')로 채워질 것이다. 따라서, 애노드 재료가 가용성일지라도 전극(70')의 활성 단부(72')는 항상 일정한 위치를 가지게 된다.

도 9는 또 다른 가용성 전극 접근법을 나타낸다. 여기서는 이중 프라임(") 표시를 사용하여 여러 특징들을 본 바람직한 구체예와 구별한다. 도 9에서, 가용성 애노드, 또는 전극(70")은 가늘고 긴 스틱형 와이어를 포함한다. 전극(70")은 가이드 부싱(104")에 고정될 수 있다. 이 경우, 전방 활성 단부(72")가 산화 동안 침식됨에 따라 가늘고 긴 전극(70")이 공급된다. 간헐적 공급에 의해 대략 일정한 애노드 위치, 즉 활성 단부(72") 위치가 유지될 수 있다. 전극(70") 단면은 원형 또는 직사각형 또는 원하는 전극 공간을 채울 수 있는 다른 형상일 수 있다. 초기 전방 위치로부터 약간의 후퇴는 와이어 공급 및 침식 증대에 의해 상쇄될 수 있다. 침식 증대는 전압 및/또는 시간의 증가를 통해 실현되며, 이것은 PC 제어장치에 의해 제어된다. 전극(70")과의 슬라이딩 접촉 계면을 갖는 공급 와이어(74")가 도식적으로 표시되는데, 이로써 전극(70")이 침식 상쇄를 위해 전진하는 동안 전기 전도성이 유지된다. 물론 다른 기술 및 배치도 가용성 전극의 경우에 가능하다.

이온 보충이 보충 유니트(94)를 통해 달성되든 가용성 전극(70', 70")을 통해 달성되든 관계없이, 침착되는 재료는 니켈, 철, 및 작업면 상에 전착될 수 있는 다양한 합금을 포함할 수 있다. 침착된 형태의 기계적 특성은 강화 합금의 사용에 의해 개선될 수 있다.

도 10-14는 어떤 윤곽선 일치 지형을 생산하는데 사용되는 디지털 프로세스를 더 구체적으로 다루며, 계속해서 전형적인 개스켓 스토퍼(38)와 관련하여 제시된다. 이제 구체적으로 도 10 및 11과 관련하여, 칼럼화 공정이 묘시된다. 칼럼화 공정은 압축면(42) 상에 더 적은 표면 분할이 만들어지는 경향 때문에 바람직할 수 있다. 이 경우, 전환 유니트(76) 내에서 수행되는 전환 패턴을 제어하도록 PC 제어장치(82)를 통해 프로그램이 설정된다. 프로그램은 목표 프로파일 기하구조와 기타 공정 설계에 상응하는 데이터 파일(80)에 따라서 가동된다. 이 그림에서 전극(70)은 작은 블록으로 도식적으로 묘사된다. 음영이 없는 부분이 "OFF"로 전환된 전극을 나타낸다. 한편, 음영이 있는 블록은 "ON"으로 전환된 전극(70)을 나타내며, 이로써 전원(78)으로부터 플러스(포지티브) 전기 전위가 전달된다.

도 11은 한 번 또는 여러 번의 펄스를 포함하는 9회 시간 간격에 걸친 전환 패턴 순서를 나타내며, 이로써 스토퍼(38)의 압축면(42) 상에 윤곽선 일치 프로파일이 형성된다. 결과의 계단-단계 프로파일은 일반적으로 이론적인 또는 목표 표면 프로파일(106)에 근접한다. 목표 프로파일(106)은 전극(70) 폭에 상응하는 균일한 섹션으로 분할된다. 다음에, 각 프로그램된 섹션에 대해 지형 디자인으로부터 전환 패턴 및 부식 시간이 계산된다. 도 11은 여러 단계를 포함하는 침착 공정을 예시한다. 전착 공정의 시작시에는 단지 2개의 인접한 전극(70)만이 ON으로 전환되며, 바로 그 아래에 제 1 칼럼(1)의 시초가 형성된다. 두 번째 시간 간격(2)에서, 5개의 전극(70)이 "ON"으로 전환되고, 이로써 새로운 칼럼이 구축되어, 선행 칼럼 위에 추가 구축된다. 이 순서는 프로파일 데이터(80)를 통해 처음에 입력한 프로그램으로부터 결정되는 상이한 칼럼들에 대한 침착 지속기간에 따라 진행된다. 침착 지속기간과 전환 패턴을 함께 변화시켜 작업면 상에 3-차원 프로파일을 생성한다. 전형적인 스토퍼(38)의 경우, 전극(70)은 환상으로 한 줄로 배열되고, 3-차원 패턴이 환상 어레이를 따라 생긴다. 당업자는 전극(70)이 매트릭스 구조로 배열될 수 있으며, 이로써 어떤 3-차원 형태가 일반적인 다중-분할 정전식 전극 어레이(64)를 통해 달성될 수 있음을 인정할 것이다.

도 12 및 13은 다른 침착 전력을 나타내는데, 여기서는 전환 패턴 논리가 칼럼 대신 층을 확립하도록 설계된다. 이 경우, 균일한 또는 가변적 두께의 층 (1) - (9)가 일반적으로 도 10 및 11에 묘사된 것과 상반되는 전환 패턴으로 침착된다. 그러나, 유사한 결과가 얻어지는데, 가장 폭이 넓은 기반 층(1)이 처음 놓이고, 점점 폭이 좁아지는 상층(9)이 마지막으로 놓인다. PC 제어장치(82)가 프로파일 설계에 따라서 온라인 상으로 점점 더 많은 스위치를 OFF로 전환시킴에 따라 상이한 영역들의 폭이 수축된다. 마지막 층(9)이 침착된 후, PC 컨트롤러는 모든 스위치를 OFF로 전환하고 전원(78)을 차단한다.

이제 도 14와 관련하여, 캐소드 매트릭스의 분할을 기본적으로 결정하는 규칙들, 즉 전극(70)의 치수 특성들과 주어진 파라미터에 따른 층 두께가 묘사된다. 도 14는 다음의 변수 파라미터를 사용한다:

프로파일 허용도 - a;

사이클 시간 - T;

최대 프로파일 기울기 - ρ;

부식 독소 - v;

총 침착층 수 (즉, 침착 간격) - n;

애노드 구역 폭 - w; 및

층 두께 - h.

또한, 도 14에 묘사된 이들 파라미터를 사용하여 최악의 시나리오에 대해서 다음의 기준이 만족되어야 한다:

주어진 파라미터는 프로파일 정확도(a), 변화 속도, 및 공정 속도의 필요조건을 포함한다. 최소한의 필요조건을 위해 이들 조건이 충족되어야 한다. 첫 번째 조건(전극(70)의 최대 폭)의 위반은 허용도를 충족할 수 없을 만큼 애노드 구역을 과도히 넓게 하며, 이 경우 프로파일은 가장 가파르게 된다. 이 첫 번째 조건에 따르면, 수평선으로 기울기가 0인 경우 분할은 필요하지 않다. 이것은 최대 분할 폭이 0의 기울기에서 무한대이기 때문이다. 한편, 어떤 위치에서 곡선이 수직선을 만족한다면 최대 분할 폭은 허용 지대(a) 만큼 작게 되어야 한다. 또한, 두 번째 조건(최대 층 두께)의 위반은 주어진 허용도(a)의 위반을 야기한다. 세 번째 조건(최소 층 두께)의 위반은 공정을 너무 느리게 하여 전체적인 공정 사이클 시간 요건을 충족할 수 없게 한다. 이들 세 조건은 최악의 시나리오를 결정한다. 실제 분할 폭과 층 두께가 결정될 수 있도록 안전 계수가 주어진다. 최대 분할 폭(w)이 애노드 매트릭스에 있어서 중요한 설계사항이 될 것이다. 너무 많은 분할은 어레이형 애노드의 제조 비용을 증가시킨다. 한편, 최대 폭(w)보다 넓은 분할은 설계된 정확도를 만족할 수 없다. 층 두께(h)와 프로파일 디자인이 주어지면, 디지털화 과정을 제어하기 위한 데이터 파일(80)이 생산될 수 있다. 데이터 파일(80)은 층 수, 침착 시간, 및 전극(70) 전환 패턴을 포함하여 각 층에 대한 정보를 함유할 것이다. 침착 시간이 층 두께를 결정한다. 전환 패턴은 어떤 진폭에서의 프로파일 범위에 따른다.

애노드와 프로파일이 균일한 구역으로 적절히 분할된 후, 다음으로 각 프로그램 구역의 지형 설계로부터 전환 패턴과 침식 시간을 결정한다. 이것은 칼럼화 공정(도 10-11)이 사용되건 층상화 공정(도 12-13)이 사용되건 다소간의 변화는 있지만 유사한 방식으로 달성된다.

본 발명의 바람직한 구체예가 내연엔진(20)용 개스켓(32) 제조 공정을 통해 설명되었지만, 당업자는 프로그램 방식 전환 유니트(76) 및 펄스 전원(78)을 통해 작동되는 다중-분할 전극 어레이(64)가 작업면 상에 무한히 다양한 3-차원 형태를 만드는데 사용될 수 있다는 것을 인정할 것이다. PC 제어장치(82)에 입력되는 프로파일 데이터(80)를 변경하함으로써, 그리고 애노드 매트릭스(64)의 크기 및 분해능을 확장함으로써, 전술한 기준을 만족하는 한에서 거의 모든 3-차원 모양이 달성될 수 있다. 따라서, 일반적인 다중-분할 정전식 전극 어레이를 사용하여 전착 작용을 통해 작업 피스 상에 3-차원 형태를 구축하기 위한 당해 방법은 어떤 분야에서든 어떤 용도로든 사용될 수 있으며, 실린더 헤드 개스켓(32) 상에 스토퍼(38)를 제조하는데만 제한되지 않는다.

상기 교시에 비추어 본 발명의 많은 변형 및 변화가 가능하다는 것이 명백하다. 따라서, 첨부된 청구범위 내에서 본 발명이 특정하여 설명된 것과 다른 방식으로도 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (30)

1. 각각의 활성 단부를 갖는 다수의 애노드 전극을 제공하는 단계,

   규칙적인 어레이로 다수의 전극을 지지하는 단계,

   각 전극을 서로 전기 절연하는 단계,

   각 전극과의 전기 회로를 확립하여 개별적 애노드를 형성하는 단계,

   구축될 작업면을 갖는 캐소드 작업 피스를 제공하는 단계,

   작업 부품을 그것의 작업면이 전극의 활성 단부에 대해 대향 이격되는 관계로 지지하는 단계,

   작업면과 활성 단부 사이의 공간을 통해 금속 이온이 풍부한 전해질을 유동시키는 단계,

   특정 전극에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시켜 전해질 중의 금속 이온을 3-차원 형태로서 작업면 위에 환원 또는 침착시키는 단계, 및

   전착 작업 내내 모든 전극의 활성 단부를 서로에 대해 고정된 관계로 그리고 작업 피스에 대해서도 고정된 관계로 지지하는 단계

   를 포함하는 일반적인 다중-분할 정전식 전극 어레이를 사용하여 전착 작용을 통해서 작업 피스 상에 3-차원 형태를 구축하는 방법.
2. 각각의 활성 단부를 갖는 다수의 애노드 전극을 제공하는 단계,

   규칙적인 어레이로 다수의 전극을 지지하는 단계,

   각 전극을 서로 전기 절연하는 단계,

   각 전극과의 독립적 전기 회로를 확립하는 단계,

   구축될 작업면을 갖는 캐소드 작업 부품을 제공하는 단계,

   작업 부품을 그것의 작업면이 전극의 활성 단부에 대해 대향 이격되는 관계로 지지하는 단계,

   작업면과 활성 단부 사이의 공간을 통해 금속 이온이 풍부한 전해질을 유동시키는 단계,

   특정 전극에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시켜 전해질 중의 금속 이온을 3-차원 형태로서 작업면 위에 환원 또는 침착시키는 단계, 및

   작업면의 일부를 전기 절연체로 마스킹하여 작업면의 선택 영역 상에 금속 이온의 침착을 방지하는 단계

   를 포함하는 다중-분할 전극 어레이를 사용하여 전착 작용을 통해서 작업 부품 상에 3-차원 형태를 구축하는 방법.
3. 작업면을 갖는 시트형 금속 개스켓 보디를 제공하는 단계,

   개스켓 보디 내에 적어도 하나의 실린더 보어 개구를 형성하는 단계,

   규칙적인 어레이로 다수의 전극을 지지하는 단계,

   각 전극을 서로 전기 절연하는 단계,

   각 전극과의 전기 회로를 확립하여 개별적 애노드를 형성하는 단계,

   개스켓 보디를 그것의 작업면이 전극에 대해 대향 이격되는 관계로 지지하는 단계,

   개스켓 보디와의 전기 회로를 확립하여 캐소드를 형성하는 단계,

   작업면과 전극 사이의 공간을 통해 금속 이온이 풍부한 전해질을 유동시키는 단계,

   다수의 전극과 개스켓 보디 사이에 전기 전위를 만들어 전해질 중의 금속 이온을 작업면 위에 환원 또는 침착시킴으로써 실린더 보어 주위에 일반적으로 환상 스토퍼를 형성하는 단계, 및

   시간에 따라 전극에 송달되는 전기 에너지를 선택적으로 변화시켜 스토퍼 상에 윤곽선 일치 압축면을 형성하는 단계

   를 포함하는 내연엔진 내 실린더 헤드와 블록 사이의 클램프 리텐션을 위한 타입의 개스켓 제조 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전해질 유동 단계는 0.5 내지 4 m/s의 전해질 유속을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전해질 유동 단계는 전해질 재순환 단계를 포함하며, 작업면 위에 침착되는 금속 이온의 손실을 보상하기 위해 금속 이온으로 전해질을 보충하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 보충 단계는 작업면과 활성 단부 사이의 공간의 전해질 상류에 금속 이온을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 보충 단계는 애노드로부터 금속 이온을 용해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 애노드로부터 금속 이온을 용해하는 상기 단계는 애노드 펠릿을 다공성 멤브레인 뒤에 두는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 애노드로부터 금속 이온을 용해하는 상기 단계는 애노드를 작업면을 향해 독립적으로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 5 항에 있어서, 상기 보충 단계는 작업면과 활성 단부 사이의 공간의 전해질 상류에 금속 이온을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 5 항에 있어서, 상기 재순환 단계는 전해질로부터 불순물을 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 전기 에너지를 선택적으로 변화시키는 상기 단계는 국소 에너지장의 진폭을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 전기 에너지를 선택적으로 변화시키는 상기 단계는 국소 에너지장의 지속기간을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 작업면의 선택 영역 상에 금속 이온이 침착되는 것을 방지하기 위해 작업면의 일부를 전기 절연체로 마스킹하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 3 항에 있어서, 일반적으로 환상 스토퍼를 형성하는 상기 단계 내내 전극들을 서로에 대해 고정된 관계로 그리고 개스켓 보디에 대해서도 고정된 관계로 지지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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