절삭공정 신호분석 기반 고기능성 초정밀 미세구조체 금형 가공 최적화 및 응용제품 제조공정 연구 Optimization of the machining process for ultra-precision micro-structured mold based on analysis of cutting signals원문보기
최근 디스플레이, 스마트기기, 의료, 안전 및 군사분야 등 전반적인 산업분야에 걸쳐서 미세구조체를 활용한 요소부품이 첨단제품의 핵심부품으로서 활용되고 있다. 이러한 고기능성 부품들은 첨단산업이 발전할수록 고성능화, 고집적화 및 대면적화가 지속적으로 요구되고 있으며, 이에 대응하기 위하여 미세구조체의 품질을 향상시키거나 새로운 형상의 구조체를 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 첨단산업에서 요구되는 고품위의 미세구조체 금형을 제조하기 위하여 가공신호 분석을 기반으로 초정밀 미세구조체 금형 가공기술을 확립하고, 가공된 초정밀 미세구조체 금형을 이용한 응용제품의 제조 및 성능평가를 목표로 하였다. 본 연구에서는 가공신호를 입력신호와 출력신호로 구분하였다. 입력신호는 가공시스템의 이송을 제어하기 위한 가공경로로써 미세구조체의 형상을 정확하게 가공하기 위해서는 가공경로의 ...
최근 디스플레이, 스마트기기, 의료, 안전 및 군사분야 등 전반적인 산업분야에 걸쳐서 미세구조체를 활용한 요소부품이 첨단제품의 핵심부품으로서 활용되고 있다. 이러한 고기능성 부품들은 첨단산업이 발전할수록 고성능화, 고집적화 및 대면적화가 지속적으로 요구되고 있으며, 이에 대응하기 위하여 미세구조체의 품질을 향상시키거나 새로운 형상의 구조체를 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 첨단산업에서 요구되는 고품위의 미세구조체 금형을 제조하기 위하여 가공신호 분석을 기반으로 초정밀 미세구조체 금형 가공기술을 확립하고, 가공된 초정밀 미세구조체 금형을 이용한 응용제품의 제조 및 성능평가를 목표로 하였다. 본 연구에서는 가공신호를 입력신호와 출력신호로 구분하였다. 입력신호는 가공시스템의 이송을 제어하기 위한 가공경로로써 미세구조체의 형상을 정확하게 가공하기 위해서는 가공경로의 최적화가 요구된다. 출력신호는 절삭공정에서 절삭공구와 가공소재의 물리적 작용에 의해 발생하는 절삭력, 진동 및 음향방출 신호들로써 절삭특성 분석을 통한 공정조건의 최적화에 적용할 수 있다. 가공공정의 입력신호 분석 및 설계 연구는 미세 랜덤 구조체 금형 및 초정밀 비구면 렌즈 금형의 제조공정을 통하여 수행되었다. 미세 랜덤 구조체 금형의 가공을 위하여 다이아몬드 선삭 공정에서 소재 회전축과 선형 이송축이 동기화 된 Slow Slide Servo(SSS) 구동방식에 무작위 신호를 적용하는 방법으로 수행되었다. 이때 소재 회전좌표는 회전반경과 관계없이 동일한 가공특성을 갖기 위하여 일정한 호길이 좌표(Constant arc-length coordinates)가 적용되었다. 공구의 절입 깊이 좌표는 비연속적인 미세구조체의 제조를 위하여 설정한 깊이 범위 내에서 균등분포 특성을 갖는 무작위성을 부여하고, 소재의 회전좌표와 동기화 시키기 위한 가공경로생성 알고리즘이 설계되었다. 이를 적용하여 가공한 결과 균질한 형태의 미세 랜덤 구조체 금형을 제조되었다. 가공된 미세 랜덤구조체 금형의 광확산 특성을 분석하기 위하여 자외선 경화공정으로 광확산 필름을 제조하였으며, 패턴의 유, 무에 따른 광의 확산면적이 비교분석 되었다. 초정밀 비구면 렌즈 금형의 제조공정 연구에서는 설계된 비구면의 정확한 형상가공을 위하여 초정밀 다이아몬드 선삭가공 시스템 내부의 가공환경 온도변화에 따른 공구와 가공소재의 상대변위 오차가 분석되었다. 열교환 모듈을 통해 제어되는 가공시스템 내부의 온도 변화 신호와 소재와 공구 사이의 상대변위 변화 신호의 비교를 통해 시스템의 열팽창 계수를 구하였으며, Fourier series 분석을 통한 Curve Fitting으로 상대변위 오차를 보정하기 위한 가공경로가 설계되었다. 온도변화에 따른 상대변위 오차보정 기술을 기존의 초정밀 선삭 가공공정에 적용함으로써 코어 금형의 형상정밀도를 향상되었다. 가공된 코어 금형을 자동차 카메라 모듈용 비구면 렌즈의 사출성형공정에 적용하고 성형된 렌즈의 Modulation Transfer Function(MTF)와 같은 광학적 성능이 평가되었다. 가공공정의 출력신호 분석은 초정밀 비구면 렌즈 금형의 제조, 재귀반사필름 성형용 미세 삼각피라미드 구조체 금형의 제조 및 마이크로파 흡수체 제조공정연구에서 수행되었다. 초정밀 비구면 렌즈금형 제조에서는 음향방출(Acoustic Emission, AE) 신호를 이용하여 공구와 소재의 접촉지점을 정확하게 분석함으로써 비구면 렌즈 코어금형이 정밀하게 가공되었으며, 사출 성형된 렌즈의 두께 정밀도가 향상에 기여되었다. 미세 삼각피라미드 구조체 가공에서는 절삭력의 실효치 및 비절삭 저항의 분석을 통해 치수효과로 인한 압괴력(Plowing force)이 증대되는 임계 절삭 깊이가 분석되었다. 또한, 절삭 깊이 변화에 따른 가공방향과 가공방향에 수직한 방향의 공구진동 신호의 지배주파수의 변화를 분석하고 압괴 현상에 의한 진동이 절삭에 의한 진동보다 커지는 임계 절삭 깊이가 분석되었다. 절삭력과 공구진동 신호로 분석된 임계 절삭 깊이의 비교를 통해 최적의 가공조건이 선정되었으며, 이를 적용하여 가공된 삼각피라미드 구조체의 표면품질을 비교한 결과를 통해 절삭력과 공구진동 신호를 이용한 임계 절삭 깊이 분석방법의 유효함이 확인되었다. 상기 분석 기술을 통해 가공된 초정밀 삼각피라미드 구조체 금형을 이용한 대면적의 초고휘도 재귀반사 필름 성형 공정이 연구되었다. 마이크로파 흡수체용 더블링 구조체의 엔드밀링 가공에서는 스핀들의 회전속도, 공구의 이송속도 및 절입 깊이 등의 공정조건에 따른 진동 및 음향방출 신호의 파워스펙트럼 분석을 수행하였다. 각 가공방향 별 파워스펙트럼의 지배주파수 변화를 표면거칠기 및 측벽의 Burr의 발생 정도와 같은 가공특성과 매칭하여 비교함으로써 최적공정 조건이 분석되었다. 초정밀 엔드밀링 공정에 잉크 충진과 평삭 공정을 더하여 음각 형태의 단일층에 전도성 구조체 배열을 갖는 마이크로파 흡수체 제조공정이 수립되었으며, 고성능의 마이크로파 흡수체 제조공정에 유용하게 활용될 수 있음이 확인되었다. 이상과 같은 입/출력 가공신호 분석을 기반으로 가공경로 및 절삭조건의 최적화를 통하여 첨단산업의 고기능성 제품에 적용하기 위한 미세구조체 금형의 초정밀 절삭가공 기술이 확립되었다. 이를 활용한 고성능 카메라용 초정밀 렌즈, 고휘도 재귀반사 및 광확산 필름, 마이크로파 흡수체 등의 초정밀 미세 구조체 제품들의 제조 공정을 통하여 그 유용성이 확인되었다. 이러한 가공신호가 기반이 되는 초정밀 금형 가공공정 최적화 및 기능성 구조체 제조기술은 향후의 다양한 첨단 산업분야에서 더욱 발전하며 핵심소자의 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 디스플레이, 스마트기기, 의료, 안전 및 군사분야 등 전반적인 산업분야에 걸쳐서 미세구조체를 활용한 요소부품이 첨단제품의 핵심부품으로서 활용되고 있다. 이러한 고기능성 부품들은 첨단산업이 발전할수록 고성능화, 고집적화 및 대면적화가 지속적으로 요구되고 있으며, 이에 대응하기 위하여 미세구조체의 품질을 향상시키거나 새로운 형상의 구조체를 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 첨단산업에서 요구되는 고품위의 미세구조체 금형을 제조하기 위하여 가공신호 분석을 기반으로 초정밀 미세구조체 금형 가공기술을 확립하고, 가공된 초정밀 미세구조체 금형을 이용한 응용제품의 제조 및 성능평가를 목표로 하였다. 본 연구에서는 가공신호를 입력신호와 출력신호로 구분하였다. 입력신호는 가공시스템의 이송을 제어하기 위한 가공경로로써 미세구조체의 형상을 정확하게 가공하기 위해서는 가공경로의 최적화가 요구된다. 출력신호는 절삭공정에서 절삭공구와 가공소재의 물리적 작용에 의해 발생하는 절삭력, 진동 및 음향방출 신호들로써 절삭특성 분석을 통한 공정조건의 최적화에 적용할 수 있다. 가공공정의 입력신호 분석 및 설계 연구는 미세 랜덤 구조체 금형 및 초정밀 비구면 렌즈 금형의 제조공정을 통하여 수행되었다. 미세 랜덤 구조체 금형의 가공을 위하여 다이아몬드 선삭 공정에서 소재 회전축과 선형 이송축이 동기화 된 Slow Slide Servo(SSS) 구동방식에 무작위 신호를 적용하는 방법으로 수행되었다. 이때 소재 회전좌표는 회전반경과 관계없이 동일한 가공특성을 갖기 위하여 일정한 호길이 좌표(Constant arc-length coordinates)가 적용되었다. 공구의 절입 깊이 좌표는 비연속적인 미세구조체의 제조를 위하여 설정한 깊이 범위 내에서 균등분포 특성을 갖는 무작위성을 부여하고, 소재의 회전좌표와 동기화 시키기 위한 가공경로생성 알고리즘이 설계되었다. 이를 적용하여 가공한 결과 균질한 형태의 미세 랜덤 구조체 금형을 제조되었다. 가공된 미세 랜덤구조체 금형의 광확산 특성을 분석하기 위하여 자외선 경화공정으로 광확산 필름을 제조하였으며, 패턴의 유, 무에 따른 광의 확산면적이 비교분석 되었다. 초정밀 비구면 렌즈 금형의 제조공정 연구에서는 설계된 비구면의 정확한 형상가공을 위하여 초정밀 다이아몬드 선삭가공 시스템 내부의 가공환경 온도변화에 따른 공구와 가공소재의 상대변위 오차가 분석되었다. 열교환 모듈을 통해 제어되는 가공시스템 내부의 온도 변화 신호와 소재와 공구 사이의 상대변위 변화 신호의 비교를 통해 시스템의 열팽창 계수를 구하였으며, Fourier series 분석을 통한 Curve Fitting으로 상대변위 오차를 보정하기 위한 가공경로가 설계되었다. 온도변화에 따른 상대변위 오차보정 기술을 기존의 초정밀 선삭 가공공정에 적용함으로써 코어 금형의 형상정밀도를 향상되었다. 가공된 코어 금형을 자동차 카메라 모듈용 비구면 렌즈의 사출성형공정에 적용하고 성형된 렌즈의 Modulation Transfer Function(MTF)와 같은 광학적 성능이 평가되었다. 가공공정의 출력신호 분석은 초정밀 비구면 렌즈 금형의 제조, 재귀반사필름 성형용 미세 삼각피라미드 구조체 금형의 제조 및 마이크로파 흡수체 제조공정연구에서 수행되었다. 초정밀 비구면 렌즈금형 제조에서는 음향방출(Acoustic Emission, AE) 신호를 이용하여 공구와 소재의 접촉지점을 정확하게 분석함으로써 비구면 렌즈 코어금형이 정밀하게 가공되었으며, 사출 성형된 렌즈의 두께 정밀도가 향상에 기여되었다. 미세 삼각피라미드 구조체 가공에서는 절삭력의 실효치 및 비절삭 저항의 분석을 통해 치수효과로 인한 압괴력(Plowing force)이 증대되는 임계 절삭 깊이가 분석되었다. 또한, 절삭 깊이 변화에 따른 가공방향과 가공방향에 수직한 방향의 공구진동 신호의 지배주파수의 변화를 분석하고 압괴 현상에 의한 진동이 절삭에 의한 진동보다 커지는 임계 절삭 깊이가 분석되었다. 절삭력과 공구진동 신호로 분석된 임계 절삭 깊이의 비교를 통해 최적의 가공조건이 선정되었으며, 이를 적용하여 가공된 삼각피라미드 구조체의 표면품질을 비교한 결과를 통해 절삭력과 공구진동 신호를 이용한 임계 절삭 깊이 분석방법의 유효함이 확인되었다. 상기 분석 기술을 통해 가공된 초정밀 삼각피라미드 구조체 금형을 이용한 대면적의 초고휘도 재귀반사 필름 성형 공정이 연구되었다. 마이크로파 흡수체용 더블링 구조체의 엔드밀링 가공에서는 스핀들의 회전속도, 공구의 이송속도 및 절입 깊이 등의 공정조건에 따른 진동 및 음향방출 신호의 파워스펙트럼 분석을 수행하였다. 각 가공방향 별 파워스펙트럼의 지배주파수 변화를 표면거칠기 및 측벽의 Burr의 발생 정도와 같은 가공특성과 매칭하여 비교함으로써 최적공정 조건이 분석되었다. 초정밀 엔드밀링 공정에 잉크 충진과 평삭 공정을 더하여 음각 형태의 단일층에 전도성 구조체 배열을 갖는 마이크로파 흡수체 제조공정이 수립되었으며, 고성능의 마이크로파 흡수체 제조공정에 유용하게 활용될 수 있음이 확인되었다. 이상과 같은 입/출력 가공신호 분석을 기반으로 가공경로 및 절삭조건의 최적화를 통하여 첨단산업의 고기능성 제품에 적용하기 위한 미세구조체 금형의 초정밀 절삭가공 기술이 확립되었다. 이를 활용한 고성능 카메라용 초정밀 렌즈, 고휘도 재귀반사 및 광확산 필름, 마이크로파 흡수체 등의 초정밀 미세 구조체 제품들의 제조 공정을 통하여 그 유용성이 확인되었다. 이러한 가공신호가 기반이 되는 초정밀 금형 가공공정 최적화 및 기능성 구조체 제조기술은 향후의 다양한 첨단 산업분야에서 더욱 발전하며 핵심소자의 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
In recent years, element parts using micro structures are being used as core parts of high-functional products in overall industrial fields such as displays, smart devices, medical, safety and military fields. As the high-tech industry develops, high performance, high integration, and large area are...
In recent years, element parts using micro structures are being used as core parts of high-functional products in overall industrial fields such as displays, smart devices, medical, safety and military fields. As the high-tech industry develops, high performance, high integration, and large area are continuously required for these high-functional parts, and studies to improve the quality of micro structures or to apply a new shape of structures are being actively conducted in order to meet these demands. In this paper, the goal of this study was to establish ultra-precision microstructure mold manufacturing technology based on processing signal analysis in order to manufacture high-quality microstructures required in high-tech industries. For this study, the machining signals were defined as an input signal and output signal. The input signal is a machining path to control the feed motion of machining system. This cutting path is required to be optimized for fabrication of the accurate shape of structures. The output signals include cutting force, vibration and sound emission signals. Since these cutting signals contain the characteristics of physical action of the cutting tool and the workpiece, it can be used to optimize the cutting conditions. Analysis and design studies of the input signal in the machining process were carried out in the manufacturing process for the micro-random structure mold and the ultra-precision aspherical lens mold manufacturing. A random signal was applied to the Slow Slide Servo(SSS) method in which the material rotation axis and the linear axis were synchronized in the diamond turning process for the machining of a random structured mold. In this case, constant arc-length coordinates were applied to the workpiece rotation coordinates to have the same processing characteristics regardless of the rotation radius. The cutting depth coordinates had randomness with uniform distribution for the manufacture of non-continuous microstructures, and a cutting tool path generation algorithm that synchronizes with the rotational coordinates of the material was designed. As a result, the mold with random pattern which had homogeneous shape was machined. In order to analyze the performance of the light diffusion of the machined random structured mold, a light diffusion film was fabricated by an ultraviolet curing process, and the diffused areas by random patterned and no-patterned film were compared. In the study of the manufacturing process of the ultra-precision aspherical lens mold, the relative displacement error of the cutting tool and workpiece according to the temperature change of the machining environment inside the diamond turning machine was analyzed for accurate machining of the designed shape. The thermal expansion coefficient of the system was obtained by comparing the temperature change signal inside the machining system controlled through the heat exchange module and relative displacement change signal between the workpiece and cutting tool. The relative displacement error was calculated by Fourier series analysis. The cutting tool path for correction of relative displacement error was designed. By applying this compensation machining technology to the conventional diamond turning process, aspherical lens core molds with superior shape accuracy and surface roughness for manufacturing a mobile camera lens module were machined. The machined aspheric core molds were used in precision plastic injection molding process for fabricate plastic aspheric lens, and this optical property such as modulation transfer function(MTF) was evaluated. The analysis of the output signals such as cutting force, vibration, acoustic emission was performed in the manufacture of ultra-precision aspherical lens molds, fine triangular pyramid structure molds for retroreflective film molding, and microwave absorbers. In the manufacture of ultra-precision aspherical lens molds, the height of the core mold, which is a major factor in lens thickness precision that affects the optical performance of injection-molded lenses, was precisely machined by accurately analyzing the contact point between the tool and the material using the AE signal. In the machining of the micro triangular pyramid structure, the critical depth of cut is determined through analysis of the RMS value of the cutting force and the specific cutting resistance, which increases the plowing effect due to the size-effect. Also, the critical depth of cut was determined by analysis of the varying dominant frequency according to value of depth of cut. Through these, the cutting conditions in finish process was optimized. In addition, a manufacturing process for retroreflective film with large area using micro triangular pyramid structured mold machined by optimized cutting process. Lastly, in the end milling of the doubling structure for microwave absorbers, the machining conditions such as spindle rotation speed, tool feed speed and depth of cut were optimized through power spectrum analysis of force, vibration acoustic emission signals. The government frequency of the power spectrum at each machining direction was matched to surface roughness and generation of burr on the edge of side wall. In addition, the developed manufacturing process consisting of ultra-precision end-milling, conductive ink filling process, and planing process was confirmed that can be usefully utilized for manufacturing the high-performance microwave absorber. Through the analysis of machining input and output signals as described above, ultra-precision cutting processing technology for molds for molding microstructures for application to high-functional products in high-tech industries has been established, and ultra-precision lenses, films and plates, etc. of applied product manufacturing technology was established. Such ultra-precision cutting processing and functional structure manufacturing technology is expected to be applicable to core devices in various industrial fields.
In recent years, element parts using micro structures are being used as core parts of high-functional products in overall industrial fields such as displays, smart devices, medical, safety and military fields. As the high-tech industry develops, high performance, high integration, and large area are continuously required for these high-functional parts, and studies to improve the quality of micro structures or to apply a new shape of structures are being actively conducted in order to meet these demands. In this paper, the goal of this study was to establish ultra-precision microstructure mold manufacturing technology based on processing signal analysis in order to manufacture high-quality microstructures required in high-tech industries. For this study, the machining signals were defined as an input signal and output signal. The input signal is a machining path to control the feed motion of machining system. This cutting path is required to be optimized for fabrication of the accurate shape of structures. The output signals include cutting force, vibration and sound emission signals. Since these cutting signals contain the characteristics of physical action of the cutting tool and the workpiece, it can be used to optimize the cutting conditions. Analysis and design studies of the input signal in the machining process were carried out in the manufacturing process for the micro-random structure mold and the ultra-precision aspherical lens mold manufacturing. A random signal was applied to the Slow Slide Servo(SSS) method in which the material rotation axis and the linear axis were synchronized in the diamond turning process for the machining of a random structured mold. In this case, constant arc-length coordinates were applied to the workpiece rotation coordinates to have the same processing characteristics regardless of the rotation radius. The cutting depth coordinates had randomness with uniform distribution for the manufacture of non-continuous microstructures, and a cutting tool path generation algorithm that synchronizes with the rotational coordinates of the material was designed. As a result, the mold with random pattern which had homogeneous shape was machined. In order to analyze the performance of the light diffusion of the machined random structured mold, a light diffusion film was fabricated by an ultraviolet curing process, and the diffused areas by random patterned and no-patterned film were compared. In the study of the manufacturing process of the ultra-precision aspherical lens mold, the relative displacement error of the cutting tool and workpiece according to the temperature change of the machining environment inside the diamond turning machine was analyzed for accurate machining of the designed shape. The thermal expansion coefficient of the system was obtained by comparing the temperature change signal inside the machining system controlled through the heat exchange module and relative displacement change signal between the workpiece and cutting tool. The relative displacement error was calculated by Fourier series analysis. The cutting tool path for correction of relative displacement error was designed. By applying this compensation machining technology to the conventional diamond turning process, aspherical lens core molds with superior shape accuracy and surface roughness for manufacturing a mobile camera lens module were machined. The machined aspheric core molds were used in precision plastic injection molding process for fabricate plastic aspheric lens, and this optical property such as modulation transfer function(MTF) was evaluated. The analysis of the output signals such as cutting force, vibration, acoustic emission was performed in the manufacture of ultra-precision aspherical lens molds, fine triangular pyramid structure molds for retroreflective film molding, and microwave absorbers. In the manufacture of ultra-precision aspherical lens molds, the height of the core mold, which is a major factor in lens thickness precision that affects the optical performance of injection-molded lenses, was precisely machined by accurately analyzing the contact point between the tool and the material using the AE signal. In the machining of the micro triangular pyramid structure, the critical depth of cut is determined through analysis of the RMS value of the cutting force and the specific cutting resistance, which increases the plowing effect due to the size-effect. Also, the critical depth of cut was determined by analysis of the varying dominant frequency according to value of depth of cut. Through these, the cutting conditions in finish process was optimized. In addition, a manufacturing process for retroreflective film with large area using micro triangular pyramid structured mold machined by optimized cutting process. Lastly, in the end milling of the doubling structure for microwave absorbers, the machining conditions such as spindle rotation speed, tool feed speed and depth of cut were optimized through power spectrum analysis of force, vibration acoustic emission signals. The government frequency of the power spectrum at each machining direction was matched to surface roughness and generation of burr on the edge of side wall. In addition, the developed manufacturing process consisting of ultra-precision end-milling, conductive ink filling process, and planing process was confirmed that can be usefully utilized for manufacturing the high-performance microwave absorber. Through the analysis of machining input and output signals as described above, ultra-precision cutting processing technology for molds for molding microstructures for application to high-functional products in high-tech industries has been established, and ultra-precision lenses, films and plates, etc. of applied product manufacturing technology was established. Such ultra-precision cutting processing and functional structure manufacturing technology is expected to be applicable to core devices in various industrial fields.
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