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압전구동기를 이용한 정밀 가공용 초음파 진동장치 해석 및 실험
Analysis and Experiment of Ultrasonic Vibration Mechanism using PZT Actuator for Precision Laser Machining 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.28 no.12, 2011년, pp.1347 - 1352  

김우진 (아주대학교 기계공학부) ,  전용호 (아주대학교 기계공학부) ,  조성학 (한국기계연구원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, as the aged population grows around the world, many medical instruments, devices, and their fabrication processes are developing. Among the devices, a drug delivery stent is a good example for precision machining. Conventional drug delivery stent has problem of the remaining polymer becaus...

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문제 정의

  • 2 정밀 홀 가공과 원활한 디버링을 위해 초음파를 활용한 연구는 이미 진행 되어왔고,3-6 또한 레이저를 활용한 미세 홀의 가공법은 이미 널리 알려져 있었으나, Zheng 과 Huang 은 펨토 세컨 레이저를 초음파 진동함으로써 미세 홀 가공에 도움을 준다는 것을 확인하였고,7 Kang 과 동료 연구자들은 가공물을 초음파 진동하여 홀 가공 품질을 개선하는 연구를 진행하였다.8,9 본 연구에서는 나노 세컨 펄스 레이저에 PZT (Piezoelectric Transducers) 구동기(Actuator)를 이용하여 고주파 진동을 부여 함으로써 가공 효율을 향상 시키고자 한다. 이를 위해 PZT 구동기 장치를 해석을 하고 제작하여, 미세 형상 가공을 위한 진동 특성을 만족하는지에 대해 검증하려 한다.
  • 본 연구에 사용된 가공방법은 레이저 빔이 PZT 에 의해 고주파로 진동하는 렌즈 모듈(Eyepiece)를 거쳐 가공함으로써, 기존 레이저 가공 시스템 대비 높은 종횡비 확보하고 burr와 debris 발생 억제를 통해 가공 품질 및 정밀도의 향상은 물론 미세 가공을 기대할 수 있다. 본 연구를 통하여 높은 주파수와 큰 변위가 일어나는 고주파진동 장치를 설계하고, 유한요소해석(FEA)을 이용하여 변위 모사하고, Gap sensor 를 이용하여 실제 변위 측정을 한 후, 레이저 드릴링 실험을 통하여 초음파 진동의 효과를 확인하고자 한다.
  • 본 연구에서는 상용 나노 세컨 펄스 레이저를 활용하여 미세 형상을 정밀 가공할 수 있는 시스템의 개발을 위해 필요한 초음파 진동 장치를 설계하고 그 변위를 해석적 및 실험적으로 검토하였으며, 시스템을 구축하여 레이저 드릴링에 적용하였다. 진동 장치는 충분한 직진성과 강성과 적은 질량을 가지도록 설계하였고, 고주파에서 공진할 수 있도록 설계되었다.
  • 8,9 본 연구에서는 나노 세컨 펄스 레이저에 PZT (Piezoelectric Transducers) 구동기(Actuator)를 이용하여 고주파 진동을 부여 함으로써 가공 효율을 향상 시키고자 한다. 이를 위해 PZT 구동기 장치를 해석을 하고 제작하여, 미세 형상 가공을 위한 진동 특성을 만족하는지에 대해 검증하려 한다. 본 연구에 사용된 가공방법은 레이저 빔이 PZT 에 의해 고주파로 진동하는 렌즈 모듈(Eyepiece)를 거쳐 가공함으로써, 기존 레이저 가공 시스템 대비 높은 종횡비 확보하고 burr와 debris 발생 억제를 통해 가공 품질 및 정밀도의 향상은 물론 미세 가공을 기대할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
매우 정밀하게 제작되어야 하는 의료 장치의 수요가 지속적으로 증가하고 있는 이유는? 노인 인구의 증가율이 급속하게 증가함에 따라 의료 기기 또한 지속적으로 발전하고 있으며, 노인성 질환에 주로 사용되는 약물 전달 스텐트 (Stent)와 같이 인체에 직접적으로 투입되는 이유로 매우 정밀하게 제작되어야 하는 의료 장치(Medical instrument)의 수요는 지속적으로 증가하고 있다.1기존의 약물 전달 스텐트는 폴리머(Polymer)와 함께 약물을 코팅 하여 인체에 약물과 함께 폴리머도 잔류하는 문제점을 가지고 있다.
기존의 약물 전달 스텐트가 가지는 인체에 약물과 함께 폴리머도 잔류하는 문제점을 해결하기 위한 공법으로 제안된 것은? 1기존의 약물 전달 스텐트는 폴리머(Polymer)와 함께 약물을 코팅 하여 인체에 약물과 함께 폴리머도 잔류하는 문제점을 가지고 있다. 이 문제점을 해결하기 위해서 스텐트 표면에 펨토 세컨 레이저를 활용하여 미세한 구멍(Hole)을 뚫고, 그 안에 약물을 주입하여 폴리머를 삭제하는 공법이 제안되었다.2 정밀 홀 가공과 원활한 디버링을 위해 초음파를 활용한 연구는 이미 진행 되어왔고,3-6 또한 레이저를 활용한 미세 홀의 가공법은 이미 널리 알려져 있었으나, Zheng 과 Huang 은 펨토 세컨 레이저를 초음파 진동함으로써 미세 홀 가공에 도움을 준다는 것을 확인하였고,7 Kang 과 동료 연구자들은 가공물을 초음파 진동하여 홀 가공 품질을 개선하는 연구를 진행하였다.
기존의 약물 전달 스텐트가 가지는 문제점은? 노인 인구의 증가율이 급속하게 증가함에 따라 의료 기기 또한 지속적으로 발전하고 있으며, 노인성 질환에 주로 사용되는 약물 전달 스텐트 (Stent)와 같이 인체에 직접적으로 투입되는 이유로 매우 정밀하게 제작되어야 하는 의료 장치(Medical instrument)의 수요는 지속적으로 증가하고 있다.1기존의 약물 전달 스텐트는 폴리머(Polymer)와 함께 약물을 코팅 하여 인체에 약물과 함께 폴리머도 잔류하는 문제점을 가지고 있다. 이 문제점을 해결하기 위해서 스텐트 표면에 펨토 세컨 레이저를 활용하여 미세한 구멍(Hole)을 뚫고, 그 안에 약물을 주입하여 폴리머를 삭제하는 공법이 제안되었다.
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참고문헌 (12)

  1. Park, J. G., Kang, T. W., Lee, K. S. and Kim, T. W., "Material Design and Analysis of Coronary Artery Stents," Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 44, No. 7, pp. 362-367, 2007. 

  2. Kim, J. G., Nam, K. G., Cho, S. H., Chang, W. S., Na, S. J. and Whang, K. H., "Micromachining Characteristics inside Transparent Materials using Femtoseocond Laser Pulses," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 23, No. 5, pp. 190-196, 2006. 

  3. Azarhoushang, B. and Akbari, J., "Ultrasonic-Assisted Drilling of Inconel 738-LC," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 47, No. 7-8, pp. 1027-1033, 2007. 

  4. Yeo, S. H., Ngoi, B. K. A. and Chua, L. Y., "Ultrasonic Deburring," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 13, No. 5, pp. 333-341, 1997. 

  5. Shibano, Y., "Ultrasonic Micro Deburring Application," 3rd International Conference on Precision Surface Finishing and Burr Technology, pp. 157-166, 1994. 

  6. Chu, C. N., Han, D. C., Park, H. J., Park, S. S. and Je, S. U., "A Study on the Ultrasonic Micro-machining and Measurement System," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 19, No. 7, pp. 133-140, 2002. 

  7. Zheng, H. Y. and Huang, H., "Ultrasonic vibrationassisted femtosecond laser machining of microholes," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 17, No. 8, pp. 58-61, 2007. 

  8. Zhang, D., Feng, X., Wang, L. and Chen, D., "Study on the Drill Skidding Motioning Ultrasonic Vibration Microdrilling," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 34, No. 6, pp. 847-857, 1994. 

  9. Kang, B., Kim, G., Cho, S., Park, J. and Yang, M., "The Effects of Ultrasonic Vibration on Surface Finish in Nano-second Laser Machining," Journal of Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 19, No. 3, pp. 402-406, 2010. 

  10. Physik Instrumente (PI) GmbH & Co., http://www.physikinstrumente.com 

  11. Rao, S. S., "Mechanical Vibrations, 3rd Ed.," Addison-Wesley, pp. 37-39, 1992. 

  12. The CVI Melles Griot Catalog, "All Things Photonic," Vol. 1, No. 2, pp. 7-14, 2009. 

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