낮은 표면 거칠기 폴리머 복제를 위한 금속 금형의 복제 제조

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5048(2022) 이 기사 인용

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사출 성형과 같은 도구 기반 제조 공정을 통해 빠르고 고품질의 대량 생산이 가능하지만, 광학 폴리머 부품의 경우 필요한 도구를 생산하는 데 시간과 비용이 많이 듭니다. 이 논문에서는 용융 실리카 템플릿의 주조 및 복제 공정을 통해 매끄러운 표면을 갖춘 도구 기반 제조용 금속 인서트를 제작하는 공정이 제시됩니다. 청동, 황동 및 코발트-크롬은 Rq 8nm의 표면 거칠기와 5μm 범위의 미세 구조를 달성하는 성형 용융 실리카 복제에서 성공적으로 복제될 수 있습니다. 동일한 도구에서 수천 개의 복제본이 생성되는 상용 사출 성형 시스템을 사용하여 사출 성형을 성공적으로 수행했습니다. 또한 용융 실리카 주조 주형의 3D 프린팅을 통해 금속의 3차원 몸체를 구현할 수 있습니다. 따라서 이 작업은 현재 사용되는 비용, 노동 및 장비 집약적인 가공 기술을 능가하는 확장 가능하고 비용 효율적인 경로를 통해 고품질 성형 도구에 대한 접근 방식을 나타냅니다.

도구 기반 제조(TBM)는 비용 효율적인 대량 생산을 위해 선택되는 프로세스입니다. 공차가 엄격한 휴대폰 카메라 렌즈, 프레넬 렌즈 또는 마이크로 디퓨저1,2와 같은 고정밀 부품도 저렴한 비용으로 대량 생산해야 합니다. 이 요구 사항 프로필은 제조 절차에 선택의 여지가 거의 없으며 TBM3,4를 통해서만 실현될 수 있습니다. 가장 눈에 띄게 사출 성형은 높은 품질 기준을 갖춘 복잡한 형태의 부품을 대량 생산하는 데 있어 사실상의 표준으로 부상했습니다5. 무엇보다도 성형 표면이 고도로 연마된 도구는 관련 확장성과 비용으로 광학 품질의 고품질 부품을 생산할 수 있는 능력 때문에 특히 관심을 끌고 있습니다. 그러나 제조 과정이 복잡하고 비용이 많이 들며 여전히 주요 병목 현상이 발생합니다6. 오늘날 TBM용 성형 도구는 주로 드릴링, 터닝, 밀링 및 연마와 같은 절삭 가공을 통해 생산됩니다7,8. 이러한 절차는 시간과 재료 집약적이며 확장이 잘 되지 않습니다8,9. 광학 표면이 있는 금형을 생산하려면 일반적으로 다이아몬드 선삭 및 표면을 나노미터 표면 거칠기 범위로 연마하는 등 초정밀 가공이 필요합니다7. 이는 TBM의 적용 가능성을 제한하고 성형 도구 프로토타입 제작을 극도로 어렵게 만듭니다. 품질에 따라 간단한 성형 도구라도 비용이 수천 유로에서 수만 유로에 달할 수 있으며9 실제 제조 공정은 크기, 복잡성 및 필요한 표면 품질에 따라 몇 주가 소요됩니다8. 마이크로미터 또는 마이크로미터 미만의 해상도가 필요한 경우 일반적으로 전기 도금을 선택하는 방법입니다. 이 공정에서, 예를 들어 포토리소그래피를 통해 형성된 사전 제작된 템플릿은 광학 품질의 표면을 제공하면서 형성 공정8의 응력을 견딜 수 있는 단단한 금속 기판에 복사됩니다. 전기도금의 결정적인 단점은 느린 성장 속도, 니켈 코팅의 경우 12 µm/h10은 드문 일이 아니며 치수가 크게 변화하는 성형 도구의 설계 자유도가 제한적이라는 것입니다. 일반적으로 래피드 툴링(Rapid Tooling) 또는 다이렉트 툴링(Direct Tooling)으로 알려진 분야인 성형공구의 보다 빠르고 편리한 생성을 가능하게 하기 위한 다양한 시도가 제시되어 왔다. 예를 들어 선택적 레이저 소결(SLS)11 또는 레이저 빔 가공(LBM)12과 같은 생성 기술을 통해 성형 도구의 프리폼을 구조화하는 여러 기술이 제시되었습니다. 이러한 기술로 달성 가능한 표면 거칠기 값은 Ra 2-40 µm13,14,15 범위에 있지만 여전히 시간과 비용이 많이 드는 후처리가 필요합니다. 생성된 프리폼 성형 도구는 고전적인 가공 기술을 사용하여 후처리되므로 재료와 전체 처리 시간이 절약됩니다. 지금까지 TBM의 신속한 프로토타이핑은 선택된 응용 분야에서만 실행 가능한 것으로 간주되며 일반적으로 성형 도구의 기존 제조 기술에 대한 확장 가능한 대안으로 간주되지 않습니다.