[논문]초음파 패턴성형을 위한 공구혼의 설계 및 유한요소해석

서영수; 박근

문제 정의

플라스틱 제품의 경우 초음파 가진을 통해 부품을 결합하는 초음파 용착(Ultrasonic welding)이 산업적으로 응용되고 있다. 본 연구에서는 기존의 초음파 용착을 발전시켜 플라스틱 모재에 초음파 진동을 부여하여 표면을 국부적으로 가소화시킴과 동시에 가압하여 패턴을 성형하는 직접성형 공법을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 앞절에서 언급한 형상변화에 의한 공진주파수의 오차원인을 분석하고 이를 개선하기 위한 설계변경을 수행하고자 한다. 즉 2.
본 연구에서는 열가소성 고분자재료의 표면을 가소화시켜 미세패턴을 성형할 수 있는 성형기술을 개발하고자 한다. 즉 초음파 공구혼(Tool horn) 상에 미세패턴을 가공하여 고분자필름을 가압하는 형태로 성형시스템을 구축하고자 한다.
본 연구에서는 초음파 진동을 이용한 열가소성 고분자 재료 표면의 패턴성형기법에 대한 기초연구를 수행하였으며, 특히 원하는 진동특성 구현을 위한 초음파 공구혼의 설계에 관해 연구하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 아래와 같다.
즉 초음파 공구혼(Tool horn) 상에 미세패턴을 가공하여 고분자필름을 가압하는 형태로 성형시스템을 구축하고자 한다. 이때 초음파 진동을 이용한 마이크로 단위의 형상의 고정밀도 성형을 위해서는 공구혼의 횡진동(transverse vibration) 을 최소화시킨 상태에서 종진동 (longitudinal vibration)만을 이용하여 가진해주어야 한다? 이를 위해 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 원하는 고유진동수 및 진동모드를 갖는 초음파 공구 혼의 설계변수를 고찰하고, 해석결과를 반 영하 여공구혼을 제작함으로써 미세패턴의 성형에 응용하고자 한다.

제안 방법

1) 이론적인 접근방법과 유한요소해석을 병행하여 초음파 가진기의 기준주파수(28 kHz)와 공진을 발생시킬 수 있는 초음파 공구혼의 형상 설계에 관한 연구를 수행하였다.
4) 제작된 공구혼을 통해 고분자필름 표면에 미세패턴 성형실험을 실시하였다. 성형시 가진 시간의 증가에 따라 패턴의 전사성이 향상됨을 알 수 있었고, 가진시간 2.
7 에 미세패턴이 가공된 공구혼 형상을 도시하였다. 공구혼 표면에 사다리꼴 형태의 미세패턴을 총 16 개 가공하였으며, 패턴의 피치(P)는 500 um, 깊이(H)는 160 |im 로 가공하였다. 초음파 직접성형 실험은 상온에서 수행하였고, 가압시 하중은 11 kgf 로 설정하였다.
본 연구에서는 가공의 용이성을 고려하여 단차형 공구혼 끝단에 마이크로패턴을 가공하여 고분자 필름 성형용으로 사용하도록 설계하였다. Fig.
1 절에서 이론적인 접근을 통해 계산한 주요 설계변수는 공구혼의 형상을 이상적인 단차형으로 가정한 상태에서 계산된 것으로 실제 곡률, 측면절단부, 패턴성형부 등의 형상에 의한 고유진동수의 변화를 고려하여 최종 설계를 수행해주어야 한다. 본연구에서는 이를 위해 입력단 길이를 45.1 mm 로고 정한 상태에서 출력단 길이를 변화시켜가며 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 전체 길이를 90 mm 에서 95 mm 까지 1mm 간격 으로 변화시 켜 가며 수행하였다.
6 Hz 만큼 감소하는 것으로 계산되었다. 상기 회귀식을 통해 고유진동수 28 kHz 를 얻기 위한 공구혼의 설계변수(최종길이 93.4 mm)를 결정하였다.
6 과 같이 고분자필름 표면에 미세패턴을 성형할 수 있는 초음파 간이성형 장비를 구현하였다. 소형 프레스 장비에 초음파 공구 혼을 장착하여 고분자 필름과 공구혼의 미세패턴이 압착된 상태에서 초음파 진동을 부과함으로써 미세패턴을 필름표면에 전사시킬 수 있도록 장치를 고안하였다. 소재는 두께 0.
앞절에서 계산된 설계사양을 기준으로 공구 혼을 제작하여 고유진동수를 측정하였다. 측정은 진동자, 부스터, 공구혼을 모두 체결한 상태에서 진행되었으며, Fig.
앞절에서 기술된 설계과정을 거쳐 제작된 공구 혼을 사용하여 Fig. 6 과 같이 고분자필름 표면에 미세패턴을 성형할 수 있는 초음파 간이성형 장비를 구현하였다. 소형 프레스 장비에 초음파 공구 혼을 장착하여 고분자 필름과 공구혼의 미세패턴이 압착된 상태에서 초음파 진동을 부과함으로써 미세패턴을 필름표면에 전사시킬 수 있도록 장치를 고안하였다.
앞절에서 이론적인 접근을 통해 얻어진 공구혼 모델의 고유진동수를 판단하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 상용 유한요소해석 S/W 인 ANSYS 을 사용하여 모드해석(Modal analysis)을 수행하였다.
2에 모드해석 수행을 위한 단차형 공구혼의 해석모델을 도시하였는데, 단차부에 곡률을 부여하여 응력집중 현상을 완화시킬 수 있도록 하였다. 유한요소 모델은 해석의 신뢰도를 높이기 위해 3차원 육면체 요소 (hexahedr이 element)를 사용한 정규격자로 구현하였으며, 총 요소 개수는 83, 520 개이다. 경계조건은 공구혼은 진동자 및 증폭장치(Booster)와 체결되어 있으나 체결된 부위에서 변위량(진폭)이 동일한 점을 감안하여 Free-Free 형태로 부과하였다.
주요 모드를 살펴보면 횡진 동(transverse vibration), 종진동(Longitudinal vibration), 비틀림 모드(twisting mode)의 다양한 모드가 발견되었다. 이중 본 연구에서 필요로 하는 모드형상인 종진동에 해당하는 차수는 3 차 모드로서, 추후 이루어지는 해석에서는 해당 모드를 중점적으로 관찰하였다. 해석결과 종진동일 때의 고유진동수 값은 29.
개발하고자 한다. 즉 초음파 공구혼(Tool horn) 상에 미세패턴을 가공하여 고분자필름을 가압하는 형태로 성형시스템을 구축하고자 한다. 이때 초음파 진동을 이용한 마이크로 단위의 형상의 고정밀도 성형을 위해서는 공구혼의 횡진동(transverse vibration) 을 최소화시킨 상태에서 종진동 (longitudinal vibration)만을 이용하여 가진해주어야 한다? 이를 위해 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 원하는 고유진동수 및 진동모드를 갖는 초음파 공구 혼의 설계변수를 고찰하고, 해석결과를 반 영하 여공구혼을 제작함으로써 미세패턴의 성형에 응용하고자 한다.
공구혼 표면에 사다리꼴 형태의 미세패턴을 총 16 개 가공하였으며, 패턴의 피치(P)는 500 um, 깊이(H)는 160 |im 로 가공하였다. 초음파 직접성형 실험은 상온에서 수행하였고, 가압시 하중은 11 kgf 로 설정하였다. 특히 초음파 직접성형 공정이 초음파의 미세진동에 의한 공구혼 표면과 플라스틱 모재와의 경계면에 마찰열을 유발시켜 소재 표면을 국부적으로 연화시킴으로써 특성을 감안하여 가진시간을 변화시켜가며 실험을 수행하여 패턴의 전사성을 비교하였다.
제작하여 고유진동수를 측정하였다. 측정은 진동자, 부스터, 공구혼을 모두 체결한 상태에서 진행되었으며, Fig. 5 와 같이 공구혼의 가공부에 부착된 가속도 센서를 통하여 측정된 가속도 데이터를 주파수 측정기 DI-2200(분해능: 0.005 kHz)를 사용하여 측정하였다. 측정된 고유진동수는 27.
초음파 직접성형 실험은 상온에서 수행하였고, 가압시 하중은 11 kgf 로 설정하였다. 특히 초음파 직접성형 공정이 초음파의 미세진동에 의한 공구혼 표면과 플라스틱 모재와의 경계면에 마찰열을 유발시켜 소재 표면을 국부적으로 연화시킴으로써 특성을 감안하여 가진시간을 변화시켜가며 실험을 수행하여 패턴의 전사성을 비교하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용되는 공구혼 재질은 초음파 공진 특성이 우수한 A 17075-T651 을 사용하였으며, Table 1에 주요 물성을 도시하였다. 본 연구에서 사용된 초음파 발진기 의 기준주파수(/)는 28 kHz 이며, 식 (1)을 통해 공구혼의 총길이는 90.
1에 주요 물성을 도시하였다. 본 연구에서 사용된 초음파 발진기 의 기준주파수(/)는 28 kHz 이며, 식 (1)을 통해 공구혼의 총길이는 90.2025 mm 로 계산되었다. 한편 초음파발진기 및 가공 물의 치수를 고려하여 입력단의 직경은 28 mm, 출력단의 직경은 13 mm 로 설정하였으며, 이를 식 (11) 에대입한 결과 입력단 길이는 45.
1012 mm 로 계산되었다. 상기 계산결과에 실제 가공상의 편의를 감안하여 총길이는 90.2 mm, 입력단 길이는 45.1 mm 로 설정하였다.
소형 프레스 장비에 초음파 공구 혼을 장착하여 고분자 필름과 공구혼의 미세패턴이 압착된 상태에서 초음파 진동을 부과함으로써 미세패턴을 필름표면에 전사시킬 수 있도록 장치를 고안하였다. 소재는 두께 0.5 mm 의 투명 Polycarbonate 필름을 사용하였다.

데이터처리

수행하였다. 해석은 상용 유한요소해석 S/W 인 ANSYS 을 사용하여 모드해석(Modal analysis)을 수행하였다. Fig.

이론/모형

5 해석 유효범위는 진동자의 가진주파수를 고려하여 20~35 kHz 로 설정하였다. 모드 추출법은 Block Lanczos 법을 사용하였으며, 모드 차수는 10 개로 충분히 설정하여 범위내에 발생하는 진동 모드 중 본 실험에 필요한 종진동 모드만을 추출할 수 있도록 하였다.

성능/효과

2) 공구혼의 길이변화에 따른 유한요소해석 을 실시하였고, 해석 결과의 회귀분석을 통해 공구 혼의 길 이 1 mm 증가시 고유진동수가 507.6 Hz 만큼 감소하는 것으로 계산되었다. 상기 회귀식을 통해 고유진동수 28 kHz 를 얻기 위한 공구혼의 설계변수(최종길이 93.
3) 제작된 공구혼의 고유진동수 측정 결과 해석 결과와 1.49%의 오차를 보였다. 상기 오차량을 감안하여 회귀식을 수정한 후 재적용하여 공구 혼 길이를 92.
초음파 가진을 1 초간 실시한 경우(Fig. 8 (a) 참조) 패턴이 거의 성형되지 않은 점을 확인할 수 있으며, 가진시간의 증가에 따라 미세패턴의 전사성이 점차적으로 향상됨을 알 수 있다. Fig.
543 mm 로 계산되었다. 가공성을 고려하여 해당 치수를 92.5 mm 로 최종 선정하여 공구혼을 가공하였으며, 가공된 공구혼의 고유진동수를 측정한 결과 27.995 kHz 로 측정되어 원하는 진동특성을 얻을 수 있었다.
9 에 가진시간에 따른 전사성을 그래프로 도시하였다. 상기 결과로부터 본 연구를 통해 제작된 공구혼이 원하는 진동특성을 보여 초음파 직접성형에 효과적으로 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
49%의 오차를 보였다. 상기 오차량을 감안하여 회귀식을 수정한 후 재적용하여 공구 혼 길이를 92.5 mm 로 수정 제작하였으며, 측정 결과 고유진동수가 27.995 kHz 로 측정되어 원하는 진동 특성을 얻을 수 있었다.
355 mm 로 계산되었다. 상기 치수를 기준으로 가공성을 고려하여 총 길이를 93.4 mm 로 결정하였고, 이때의 고유진동수는 식 (12)를 사용하여 계산하면 27.977 kHz 로 본 연구에서 사용한 초음파발진기의 공진주파수 범위(27.5~28.2 kHz) 내에 존재함을 확인할 수 있었다. Table 3에 공구혼의 최종 치수를 요약하였다.
성형실험을 실시하였다. 성형시 가진 시간의 증가에 따라 패턴의 전사성이 향상됨을 알 수 있었고, 가진시간 2.5 초 적용시 98%의 전사율을 보임을 확인할 수 있었다.
005 kHz)를 사용하여 측정하였다. 측정된 고유진동수는 27.565 kHz 로 해석값인 27.977 kHz 와는 0.412 kHz 의 오차(상대오차 1.49%)가 발생하는 것을 알 수 있었다. 상기 오차값을 감안하여 해석결과로부터 얻어진 식 (12)의 회귀식을 다음과 같이 보정하였다.
이중 본 연구에서 필요로 하는 모드형상인 종진동에 해당하는 차수는 3 차 모드로서, 추후 이루어지는 해석에서는 해당 모드를 중점적으로 관찰하였다. 해석결과 종진동일 때의 고유진동수 값은 29.621 IcHz 로서 기존 설계 목표인 28 kHz 와는 1.621 kHz 차이를 보인다. 여기서 발생한 고유진동수 값의 오차는 단차부에 형성된 곡률, 진동자와 공구혼 체결을 위한 측면절단부, 가공부에 형성된 미세패턴과 같이 기본 단차형 형상에서 추가된 형상변화 요소로 인하여 발생된 것으로 판단된다.

후속연구

나아가서는 성형공정의 최적화를 통해 기존의 사출성형 등 고분자 성형공정을 대체할 수 있는 패턴 성형 기법으로 발전할 수 있을 것으로 전망된다.
상기 연구결과를 토대로 향후 다양한 형태의 제품에 대해 초음파 직접성형 적용을 위한 공구 혼형 상설 계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가서는 성형공정의 최적화를 통해 기존의 사출성형 등 고분자 성형공정을 대체할 수 있는 패턴 성형 기법으로 발전할 수 있을 것으로 전망된다.

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