KR100528367B1 - 간극조절이 가능한 노즐 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈 젯 유니트에서 노즐에서 사출되는 액적입자의 크기, 입자의 균질성, 입자 분사 속도, 입자의 온도에 변화에 대응하여 노즐에서 사출되는 메탈입자의 크기와 비상속도 및 량을 가변적으로 조절할 수 있는 간극 조절이 가능한 노즐(Nozzle)에 관한 것으로, 본 발명의 용융 메탈 프린팅용 노즐은 상기한 노즐(125)내에 액츄에이터(113)의 단부에 노브(142a)를 결합하고 노브(142a)에 보조 연장 액츄에이터(115)를 나사결합함으로서 달성되어질 수 있다. 상기 노브(142a)를 회전시키면 보조 연장 액츄에이터(115)가 상하로 이동되어져 플렌저(113a)가 노즐의 오리피스(126)와의 간격을 조절할 수 있다. 본 발명에 따르면, 노즐 용융 메탈 젯 유니트에 다양한 금속을 사용하여 메탈 미소입자를 기판에 적층시켰을 때 적층상태에 영향을 주는 용융메탈의 온도, 입자의 직경, 속도, 비상거리, 사출주파수, 분위기 등 많은 변수에 대응할 수 있도록 액츄에이터(113)와 노즐(125)과의 간극을 가변적으로 조절함으로서 노즐의 간극을 조절할 수 있다.

Description

간극조절이 가능한 노즐 조립체{NOZZLE WITH REGULATOR FOR TUNING GAP OF ACTUATOR}

본 발명은 메탈 젯 유니트(Metal Jet Unit)등과 같은 장비에서 용융 금속을 사출시키는 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 메탈 젯 유니트에서 노즐에서 사출되는 액적입자의 크기, 입자의 균질성, 입자 분사 속도, 입자의 온도에 변화에 대응하여 노즐에서 사출되는 메탈입자의 크기와 비상속도 및 량을 가변적으로 조절할 수 있는 노즐조립체에 관한 것이다.

최근 마이크로 머신에 대한 관심이 높아지고 있는데, 이것을 제조하기 위한 방법으로 프로그래피법이 비교적 오래전부터 사용되고 있는 것 외에 최근에 레이저 어시스트 에칭 또는 X선을 이용한 LIGA 프로세스를 들 수 있다. 이들은 모두 패터닝 기법이 사용되고 있기 때문에 이차원 형상밖에 제작할 수 없는 결점이 있다.

한편, 레이저 소결법 및 광조형법 등 삼차원 모델을 제조하는 라피도 프로트 타이핑도 널리 이용되게 되었다. 그러나 이 방법으로 마이크로 삼차원 부품을 만들려고 하면 제작 정밀도, 품질 및 구조에 여러가지 제약 받는 점이 많다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 삼차원기구 구조체가 제작가능한 용융메탈 제트 적층법을 제안되고 있다.

삼차원 구조체를 제조하기 위한 메탈 적층법의 원리는 용융메탈등의 실재료 제트의 도트 한 개를 컴퓨터 제어로 스케닝하여 이차원 화상을 그리고 이것을 적층하여 삼차원 구조체의 제조를 행하는 것이다.

위와 같은 방법은 제트(JET)기법을 사용한다는 의미에서 잉크제트 프린터의 원리를 확장한 것과 같은 개념이라 볼 수 있는데, 본 발명에서는 실재료의 메탈을 사용하여 직접 조형을 하고 많은 종류의 재료의 전도성 메탈을 자유롭게 사용하며, 또한 삼차원 구조체를 만들 수 있으므로 상기한 다른 방법과 완전히 다른 특성을 가진 삼차원 기능 구조체을 제공하게 될 것이다.

용융 메탈제트를 사용하여 조형하는 방법은 원래 용융메탈의 액체방울을 적하시켜 삼차원 조형하는 방법에서 발달하고 있다. 이러한 목적물을 제조하기 위한 방법으로서 금속분말을 노즐에서 분출시키고 나서 레이저로 용융하는 방법과 직접 용융메탈을 사용한 방법등도 시도되고 있다.

이러한 기술을 활용할 수 있는 기술분야는 반도체 회로 및 10∼80㎛까지 극히 미세한 회로 라인이 요구되는 극 미세 PCB 회로설계 등 다양하게 활용될 수 있다.

그 일예로 미합중국 특허 제 5,749,408호에는 용융금속을 기판상에 사출시키는 메탈 젯 장치에 대하여 상세히 소개하고 있는데, 이를 살펴보면 종래의 메탈 젯 장치는 전기적인 신호를 증폭시키는 증폭기와 그 증폭기에 의해 증폭된 신호를 확성기로 전달하여 확성기의 바이브레이션에 따른 진동을 액츄에이터로 전달하여 액츄에이터의 단부에 설치된 플렌저가 용융메탈을 노즐밖으로 밀어내어 도트형태로 드롭(Drop)시키는 기술을 제안하고 있다.

전술한 바와 같이 종래의 용융 메탈 젯 장치는 확성기의 바이브레에션에 의한 미세진동을 액츄에이터에 전달하여 진폭운동시키는 구성이나 확성기의 바이브레이션은 수㎛의 미세진동을 항시 일정한 파동으로 유지하기 어려워 액츄에이터의 정확한 동작을 제어하기 어려운 단점을 지니고 있어 융점이 30∼900℃범위에 해당하는 다양한 메탈들중 어느 하나를 선택하여 용융시키고, 그 용융물을 사출시키는데 있어서는 채용될 수 없는 기술이다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 제안된 기술로서 솔레노이드 발진기를 채용한 메탈 젯 유니트가 제안되기도 하였다.

종래의 솔레노이드 발진기를 채용한 메탈 젯 유니트에 대하여 도1을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면에서 참조번호 10은 소형 용기로서, 그 용기의 둘레에는 히터(11, 열선)이 설치되어 그 속으로 전도성 금속을 용융시키기 때문에 용기(10)를 소형로(Furnace)로 이해하여도 무방하다. 용기속으로 투입된 금속은 U-알로이(Bi-Pb-Sn-Cd-In 합금)가 일반적으로 사용되며, 그 융점은 약 47℃이하의 낮은 금속이다. 도면에서 참조번호 12는 솔레노이드 발진기 이고, 14는 액츄에이터이며, 15는 용융멜트가 사출되는 노즐이다.

상기한 종래의 두 메탈 젯 유니트(100)의 작동원리는 확성기의 바이브레이션 및 솔레노이드 발진기 모두 발진된 미세 진동을 액츄에이터(14)로 전달하여 노즐(15)에서 용융 메탈을 도트(Dot)방식으로 간헐적으로 사출하는 구성으로 되어 있으나, 액츄에이터(14)의 진동매체를 서로 다르게 채용한 점이 상이하지만 모두 저온의 융점을 갖는 메탈 젯 유니트에 적용된 것이고, 단일 금속을 용융시켜 사출하는 구조에 관한 것이다.

물론 상기한 원리를 이용하면, 용융 메탈 젯트 사출은 삼차원 기능구조체를 만들 수 있으며, 분사노즐의 특성상 삼차원 조형, 삼차원 기능구조체의 제조가 가능하지만 전술한 바와 같은 종래의 메탈 젯 유니트의 경우 용융금속의 온도범위가 낮기 때문에 보다 고온의 융점을 지니는 다양한 종류의 전도성 금속들을 사용할 수 없는 단점을 지니고 있다.

이와 같은 이유는 용융온도를 고온으로 히팅시키는 작업은 기술적으로 어려운 점이 아니나 서로 다른 융점 및 용융시 유동성이 상이한 다양한 금속들을 노즐(15)에서 도트형태의 액적을 사출시킬 경우 동일 조건하에서 사출한다 하더라도 모두 동일한 결과를 기대할 수 없다.

다시 말해서, 용융물이 노즐에서 사출되어 질 때 자체적으로 지니고 있는 금속의 용융에 따른 물성 즉, 점도 및 유동성, 농도, 비중 등이 제각기 다르기 때문에 그 물성의 변화에 따라 사출되는 용융메탈 입자크기와 직경 및 량 및 사출속도가 적절히 조절되어야만 액적이 기형화되는 문제를 방지할 있다.

따라서, 일률적으로 제작된 노즐(15)이 부착된 메탈 젯 유니트(100)에서 용융되어지는 금속만 바꾸더라도 그에 적합한 노즐(15)과 액츄에이터(14)의 주파수의 변위를 변화시켜야 하며, 또 노즐(15)과 액츄에이터간의 간극을 조절해주어야만 사출속도, 입자의 크기 및 량을 용융메탈의 특성에 맞게 조절되어야 하는 것이다.

만일 도 2에 도시된 바와 같이 액츄에이터와 노즐(15)의 내경간의 간극이 큰 경우 플렌저(14)가 상하로 진동할 때, 하향되는 플렌저(14a)의 적은 압력에도 많은 량의 용융메탈이 빗줄기와 같이 흘러내리는 현상이 발생되어지고, 반대로 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 액츄에이터(14)와 노즐(15)의 내경간의 간극이 작을 경우, 플랜저(14a)의 하향동작시 가압되는 용융메탈에 과도하게 노즐에서 사출되어지는 현상이 발생되고 상향동작시 사출되는 용융메탈이 오리피스속으로 빨려들어가는 현상이 발생되는 문제점이 있는 것이다.

따라서, 노즐(15)의 단순 설계변경만으로 다양한 금속을 용융시켜 이를 사출시킬 수 없으며, 다양한 종류의 용융메탈을 사출시키기 위해서는 상기한 변수 인자들에 대응할 수 있는 해결방안이 제시되어야 하는 선결과제가 있는 것이다.

본 발명의 목적은 용융 메탈 젯 유니트에 다양한 금속을 사용할 수 있도록 함에 있어 용융 메탈 젯 유니트의 용융소재를 다양하게 즉, 메탈 미소입자를 기판에 적층시켰을 때 적층상태에 영향을 주는 용융메탈의 온도, 입자의 직경, 속도, 비상거리, 사출주파수, 분위기 등 많은 변수에 대응할 수 있도록 액츄에이터와 노즐과의 간극을 가변적으로 조절할 수 있도록 노즐조립체을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적을 구현하기 위한 구현수단으로서는 노즐과 액츄에이터사이의 간극을 가변적으로 조절할 수 있는 간극 미세 조절수단을 마련함으로서 달성되어질 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 간극조절이 가능한 노즐에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4를 참조하면, 도 4에는 본 발명에 따른 간극조절이 가능한 노즐조립체를 채용한 메탈 젯 유니트의 구성요소을 개략적으로 도시한 단면도가 예시되어 있다.

도면에서 참조번호 100은 매탈 젯 유니트이고, 110은 냉각수단을 구비한 발진부이고, 120은 노(盧)이다.

상기한 노(120)에는 용융되어지는 금속재를 투입하는 투입구(121)와, 노의 내부를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(123)와, 상기 노(120)내의 압력을 감지하여 노내의 압력을 일정한 압력으로 유지되도록 가스통에 담긴 불활성가스(아르곤:Ar)를 주입하는 압력조절기(122)와 노(120)의 하부에 용융금속이 사출되어지는 노즐(125)을 포함한다.

상기 노(120)의 벽속에는 약 900℃의 온도범위로 온도를 가열할 수 있는 히터(120a)가 내장되어 있는데 상기 히터(120a)의 둘레에는 내화재로 둘러쌓여 있어 외부로 단열처리되어 있다.

전술한 진공펌프(123)는 노의 내부를 진공시키기 위한 것이며, 상기한 압력조절기는 노의 내부에 소정의 압력이 가해져 용융된 메탈이 노즐(125)을 통하여 사출되도록 하기 위한 압력을 제공하는데, 불활성 가스인 아르곤 가스가 주입되며 노(120)내의 압력은 압력조절기(122)에 부착된 압력게이지에 의해 계측되어지고, 그 계측된 수치에 따라 압력조절기(122)에 의해 불활성가스의 주입으로 노(120)내의 압력을 용융금속의 사출에 적합한 압력이 유지되도록 한다. 물론 전술한 아르곤 가스 이외에도 기타 불활성가스를 사용할 수 있다.

발진부(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 노체의 상부에 설치되어지며 발진부(110)의 내부에 전원에 의해 작동되는 압전소자(111)가 설치되어 있다.

상기한 압전소자(111)는 작동시 압전소자의 진폭운동에 따라 액츄에이터(113)가 상하로 미세한 진동운동이 발생되어져 하측의 플렌저(113a)에 의해 용융물이 노즐(125)에서 사출되도록 가압하는 작용을 한다. 압전소자(111)는 전원에 의해 작동되어 상하로 미세한 진폭운동을 하는 소자로서, 그 진폭에 따라 함께 상기 액츄에이터(113)가 상하로 미세하게 진동운동을 하게 된다.

참고로 상기한 액츄에이터(113)는 세라믹 재질로 제작되어 노내의 용융금속의 융점보다 그 용융점이 높기 때문에 용융되지 않으며, 열팽창계수가 극히 낮아 변형되지 않는다.

상술한 압전소자(111)는 80도 이상에서는 동작되지 않기 때문에 압전소자(111)에 노내의 분위기 온도(용융시 온도)에 따른 고열이 전도되지 않도록 압전소자(111)를 냉각시키기 위한 냉각장치가 마련되어 있다.

상기한 냉각장치로서는 압전소자(111)를 보호하기 위해 케이스(115)로 둘러싸고 그 케이싱내에 코일형 배관파이프(112a)를 설치하고 그 파이프(112a)내에 냉각수를 순환시킴으로서 압전소자(111)를 상온에서 동작되도록 구현하였다.

상기 압전소자(111)는 그 하측에 노(120)내부를 관통하도록 소정의 길이로 연장된 액츄에이터(113)를 구비하고 있으며, 그 액츄에이터(113)의 하단부에 노즐(125)의 내경보다 적어도 작은 직경을 갖는 플렌저(113a)를 구비하고 있다.

상기한 액츄에이터(113)는 노즐(125)과의 간극을 미세하게 조절할 수 있는 간극 미세 조절수단에 의해 구현되어진다.

상기 간극 미세 조절수단은 도 5과 도 6에 도시된 바와 같이 상기한 압전소자(111)에 의해 상하로 미세하게 진동하는 액츄에이터(113)와 노즐(125)을 사이의 간극을 조절하기 위한 것으로, 액츄에이터(113) 혹은 노즐(125)중 어느 하나가 서로 멀어지거나 근접되어지도록 조절함으로서 구현할 수 있다.

간극 미세 조절수단의 바람직한 실시예로서, 상기한 노즐(125)내에 액츄에이터(113)의 단부에 노브(142a)를 결합하고 노브(142a)에 보조 연장 액츄에이터(115)를 나사결합함으로서 달성되어질 수 있다. 상기 노브(142a)를 회전시키면 보조 연장 액츄에이터(115)가 상하로 이동되어져 플렌저(113a)가 노즐의 오리피스(126)와의 간격을 조절할 수 있다.

상기한 노브(142a)와 보조 연장 액츄에이터(115)간에 1/1,00mm범위로 미세하게 이동되는 나사산을 형성하여 노브(142a)의 회전에 의해 상기 보조 연장 액츄에이터(115)가 상하로 조절되어지도록 하여 구현할 수 있다.

반대로 노즐(125)을 회전시켜 압전소자(111)에 부착된 액츄에이터(113)로부터 이격되도록 혹은 근접되도록 하여도 동일한 효과를 기대할 수 있다. 이 경우 상기 노즐(125)의 내면에는 상기 노즐(125)의 오리피스(126)를 중심으로 경사진 경사면(125a)이 형성되어 있고, 전술한 액츄에이터(113)의 플렌저(113a)가 상기 노즐(125)과 미세한 간격으로 위치되어 있다.

상기한 액츄에이터(113)의 단부는 상기 노즐(125)의 경사면(125a)과 동일한 각도로 경사져 끝단이 뾰족하게 구성되어 있다. 그리고 노즐(125)의 내경과 미세한 간격으로 위치되는 플렌저(113a)는 단면이 원형상으로 구성되어 있는데, 그 표면에 원주방향으로 일정간격으로 통공(113b)들이 마련되어 있다. 상기한 통공(113b)은 노내의 용융물이 밑으로 흘러내는 통로 역활을 하고, 막힌 부분은 압전소자(111)의 작동시 용융금속을 하방으로 가압하여 노즐(125)에서 용융메탈을 도트형식으로 사출시킨다.

따라서, 상기한 보조 연장 액츄에이터(115)는 미세 간극 조절용 노브(142)를 회전시키면 플렌저의 하단부가 노즐(125)의 오리피스(126)의 상단부에 근접되거나 이격되게 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 액츄에이터와 노즐사이의 간극을 미세하게 조절할 수 있는 간극 미세 조절수단을 이용하여 적절히 조절해줌으로써 용융 메탈의 온도, 입자의 직경, 속도, 비상거리, 사출주파수, 분위기 등 많은 변수에 대응할 수 있으므로 용융금속의 물성이 바뀔 경우에도 가장 이상형의 용융 메탈을 사출할 수 있게 된 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 당해기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에서 기술한 상세한 설명을 통하여 다양한 변경 및 응용예를 실시할 수 있을 것이나 이는 본 발명자가 의도하는 진정한 의미의 기술적 사상과 이하의 특허청구범위의 범주에 포함되어진다는 것을 밝혀두는 바이다.

도 1은 종래의 솔레노이드 발진기를 채용한 메탈 젯 장치를 예시한 단면도,

도 2(a) 내지 (d)는 종래의 노즐로서 노즐과 플렌저의 간극이 큰 경우의 용융금속의 사출상태를 보여주는 노즐의 확대단면도,

도 3(a) 내지 (d)는 종래의 노즐로서 노즐과 플렌저의 간극이 작은 경우 용융금속의 사출상태를 보여주는 노즐의 확대단면도,

도 4는 본 발명에 따른 간극조절이 가능한 노즐조립체 용융 메탈 젯 유니트의 요부 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 간극조절이 가능한 노즐조립를 확대하여 도시한 확대 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 액츄에이터의 플렌저를 예시한 확대사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:매탈 젯 유니트 110:발진부

112:냉각수단 112a:코일형 배관파이프

113:액츄에이터 113a:플렌저

113b:통공 114:케이스

114a:챔버 114b:실링재

115:보조 연장 액츄에이터 120:노(盧)

121:투입구 123:진공펌프

122:압력조절기 125:노즐

120a:히터 125a:경사면128:열전대 141:가변축 142, 142a:노브

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Claims (5)

1. 도전성을 띤 금속을 용융시키는 히터를 구비하고, 용융로의 내부를 관통하여 용융물이 사출되는 노즐의 내경에 위치되는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터를 상하로 미세하게 진동시키는 바이브레이터로 구성되어 상기 액츄에이터의 상하 진폭운동에 의해 용융된 메탈이 도트형식으로 노즐에서 기판쪽으로 사출되도록 구성된 용융 메탈 젯 유니트에 있어서,

   상기 노즐과 액츄에이터간의 간극을 조절하기 위한 간극 미세 조절수단이 더 구성된 것을 특징으로 하는 간극조절이 가능한 노즐조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 간극 미세 조절수단은 상기 액츄에이터의 단부에 보조 연장 액츄에이터를 더 설치하되 노브에 보조 연장 액츄에이터를 나사결합하여 노브의 회전시 보조 연장 액츄에이터와 노즐의 내경간의 간극을 조절하도록 한 것을 특징으로 하는 간극조절이 가능한 노즐조립체.
3. 제2항에 있어서, 상기 보조 연장 액츄에이터의 원주면에 플렌저가 형성된 것을 특징으로 간극조절이 가능한 노즐조립체.
4. 제3항에 있어서, 상기 플렌저의 표면에 원주방향으로 일정간격으로 용융메탈이 통과되는 통공이 마련된 것을 특징으로 하는 간극조절이 가능한 노즐조립체.
5. 제1항에 있어서, 상기 노즐의 내면에는 상기 노즐의 오리피스를 중심으로 경사진 경사면이 형성되고, 상기 액츄에이터의 단부는 상기 경사면과 동일한 각도로 경사지게 구성된 것을 특징으로 하는 간극조절이 가능한 노즐조립체.