[논문]변형률 속도 효과를 고려한 355nm UV 레이저 다중 펄스 미세가공의 전산해석에 관한 연구

이정한; 오재용; 박상후; 남기중; 류광현; 신석훈; 신보성

변형률 속도 효과를 고려한 355nm UV 레이저 다중 펄스 미세가공의 전산해석에 관한 연구
A Study on the Computational Analysis of 355nm UV Laser Multiple-Pulsed Micro Machining Considering the Strain Rate Effect 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.27 no.10, 2010년, pp.29 - 33

이정한 (부산대학교 기계공학부) , 오재용 (부산대학교 정밀정형 및 금형가공 연구소) , 박상후 (부산대학교 기계공학부) , 남기중 ((주)젯텍) , 류광현 ((주)젯텍) , 신석훈 ((주)젯텍) , 신보성 (부산대학교 정밀정형 및 금형가공 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

UV laser micromachining of metallic materials has been used in microelectronic and other industries. This paper shows on experimental investigation of micromachining of copper using a 355nm UV laser with 50ns pulse duration. A finite element model with high strain rate effect is especially suggested to investigate the phenomena which are only dominated by mechanically pressure impact in disregard of thermally heat transfer. In order to consider the strain rate effect, Cowper-Symonds model was used. To analyze the dynamic deformation during a very short processing time, which is nearly about several tens nanoseconds, a commercial Finite Element Analysis (FEA) code, LS-DYNA 3D, was employed for the computational simulation of the UV laser micro machining behavior for thin copper material. From these computational results, depth of the dent (from one to six pulsed) were observed and compared with previous experimental results. This will help us to understand interaction between UV laser beam and material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 때 가공재료는 물에 의해 보호되기 때문에 순간적으로 열적 에너지 없이 순수한 기계적 에너지만이 가공 및 변형에 작용하였다고 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 LSP 공정을 기반으로 하여 열적 에너지를 배제한 충격 변형 거동해석을 수행하였다.
본 논문에서는 변형률 속도 효과를 고려한 UV 레이저의 다중 펄스 미세가공에 관한 전산해석을 수행하고, 이들의 해석 결과를 Zhang 등의 실험 결과와 비교하여 이의 유용성을 검정하고자 한다. 실험 재질은 구리이며 상용 유한요소 해석 도구로써 LS-DYNA3D 를 사용하였다.

가설 설정

펄스 빔의 첨두 출력은 보정된 광다이오드를 사용하여 측정할 수 있으나, 평균 출력과 펄스 폭의 측정으로부터 간접적으로 계산된다. 가장 일반적인 방법으로 오실로스코프 상에서 측정된 레이저빔 펄스는 그 첨두 출력과 같은 높이의 반치폭 (FWHM; Full Width Half Maximum)의 지 속 시 간을 가진 사각형의 펄스와 같다고 가정하는 것이다. Fig.

제안 방법

다중 펄스 해석은 앞 절에서 설명한 바와 같이펄스 반복률에 맞추어 각각의 싱글 펄스 사이에 1000ns 의 시간 간격을 두어 진행하였다. 전산 해석 의 타당성을 살펴보기 위하여 Fig.
따른. 덴트(dent)의 깊이를 Zhang 의 실험 결과와 비교하였다. 본 해석 모델에서는 변형률 속도 효과가 적용되지 않은 경우, 변형이 한곳에 집중되어 일.
본 연구를 통하여 구리 재질의 355nm UV 싱글 펄스에 대해 특정 노드의 z 축 이동거리를 측정함으로써 가공 깊이를 추정하고 최대 발생 응력의 크기를 측정한 후, 다중 펄스 레이저 가공에 대한 유한요소 해석을 수행하였다. 제안한 해석 모델의 동적, 충격 거동의 다중 펄스 레이저 가공의 유한요소 해석 결과는 변형률 속도를 고려했을 경우 실제 거동과 유사하다고 판단하였으며, 충격 압력파에 의한 다중 펄스 레이저 가공의 해석 시에는 펄스 수가 증가함에 따라 일정한 깊이만큼 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.
1 은 LSP 의 원리를 개략적으로 보여준다. 이들은 LSP 를 이용하여 레이저에 의한 마이크로 가공에서 열적 효과를 배제하고 기계적 충격파의 효과로 가공 형상을 설명하였으며, 전산해석을 통해 예측하고 실험적으로 검증하였다. 즉, 매우 짧은 시간에 강한 에너지의 레이저 펄스가 재료표면에 조사되는 순간 표면 층은 즉각적으로 고온, 고압으로 증발하여 플라즈마가 생성된다.
최초 싱글 펄스 해석을 진행하여서 50ns 동안 충격 압력파로 인한 변화를 관찰하였다. Fig.

대상 데이터

한다. 실험 재질은 구리이며 상용 유한요소 해석 도구로써 LS-DYNA3D 를 사용하였다.
해석 재질의 모델은 100pm X lOOgm x 30|im 구리 박막이며, 레이저 가공 시 발생한 충격 압력파를 지름 12μm 인 원의 형태로 직접 가공 표면에 적용하였다. 구리 박막에 대한 기계적 물성치를 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

본 연구에서는 변형률 속도 효과를 고려 하고자 Cowper-Symonds 모델을 사용하였으며 적용되는 관계식은 식(1)과 같다.

성능/효과

1) 충격 압력파는 평면적이고 단축의한 방향으로 생성되었다.
2) 레이저 펄스에 의해 생성된 압력은 작용 범위에 균일하게 분포한다.
4) 점성 효과는 무시되었다.
02 근처까지 감소하였다. 두 결과를 비교해 본 결과, 변형률 속도가 적용되지 않은 것에 비해 변형률 속도가 적용된 경우보다 큰 응력이 지속적으로 발생한 것을 알 수 있다.
해석을 수행하였다. 제안한 해석 모델의 동적, 충격 거동의 다중 펄스 레이저 가공의 유한요소 해석 결과는 변형률 속도를 고려했을 경우 실제 거동과 유사하다고 판단하였으며, 충격 압력파에 의한 다중 펄스 레이저 가공의 해석 시에는 펄스 수가 증가함에 따라 일정한 깊이만큼 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 향후 보다 산업 현장에서 필요로 하는 실질적인.
또한 가공에너지가 재료 전반에 흡수되는. 효과에 의하여, 가공 형태가 국부적으로 가공되지 않고 전반적으로 변형됨을 알 수 있었다.

후속연구

향후 보다 산업 현장에서 필요로 하는 실질적인. 적용을 위하여 상온, 대기 상태에서 아주 짧은 시간에 일어나는 열적 충격 해석을 추가할 예정이다.

참고문헌 (9)

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Oh, J. Y. and Shin, B. S., "A Study on Laser Ablation of Copper Thin Foil by 355nm UV Laser Processing," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 134-139, 2007

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Je, S. K., Jeong, H. Y., Oh, J. Y., Kim, K. R., Kang, M. K., Kim, K. H. and Shin, B. S., "Heat Transfer Analysis of Copper Thin film Processed by 355nm UV $Nd:YVO^4$ Laser," Journal of the Korean Society for Precision Engineering Autumn Conference, pp. 499-500, 2007.
Zhang, W. and Yao, Y. L., "Microscale Laser Shock Processing-Modeling, Testing, and Microstructure Characterization," Journal of Manufacturing Processes, Vol. 3, No. 2, pp. 128-143, 2001.

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Lee, J. H., Oh, J. Y., Park, S. H. and Shin, B. S., "Computational Analysis of 355 nm UV Laser Single-Pulsed Machining of Copper Material Considering the Strain Rate Effect," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineering, Vol. 9, No. 3, pp. 56-61, 2010.
LS-DYNA, "User's Manual Version 971," 2007.
Endoh, H. and Sakino, K., "Rate Controlling Mechanism on Copper at Very High Strain rates and High Temperatures," Bulletin of the College of Engineering, Hosei University, No. 40, pp. 17-20, 2004.
Online Material Information Resources - Matweb, http://www.matweb.com
Ding, K. and Ye, L., "Three-dimensional dynamic finite element analysis of multiple laser shock peening process," Surface Engineering, Vol. 19, No. 5, pp. 351-358, 2003.

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