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표제지

목차

국문요약 7

I. 서론 8

1.1. 연구배경 8

1.2. 연구의 목적 및 내용 10

II. 이론적 배경 12

2.1. 초음파 금속 용착의 원리 12

2.2. 초음파 금속 용착기 구조 15

2.2.1. 진동자 18

2.2.2. 부스터 20

2.2.3. 초음파 금속 용착용 혼 22

2.3. 초음파 용착기 혼의 설계 방법 25

III. 설계 및 진동해석 29

3.1. 초음파 금속 용착용 혼의 설계 29

3.2. 초음파 금속 용착용 혼의 진동해석 31

IV. 결론 39

참고문헌 40

List of tables

Table 3-1. Material properties of horn 30

Table 3-2. Natural frequencies according to "a" 33

List of Figures

Fig. 1-1. Ultrasonic metal welding products 9

Fig. 1-2. Typical Configuration of Tooling and Parts 11

Fig. 1-3. Typical Surface Condition 11

Fig. 2-1. Ultrasonic metal welding mechanism 14

Fig. 2-2. Ultrasonic welding process setup 16

Fig. 2-3. Mechanis of welding process 16

Fig. 2-4. Structure of converter, characteristics of amplitude and stress 17

Fig. 2-5. Structure of ultrasonic converter (BLT) 19

Fig. 2-6. Booster of ultrasonic welding system 21

Fig. 2-7. Shape of horn and vibration distribution 23

Fig. 2-8. The relation between amplitude and diameter 24

Fig. 2-9. Shapes of horns 24

Fig. 2-10. Longitudinal vibration of rod 28

Fig. 3-1. Drawing of horn 30

Fig. 3-2. Constrains of the horn 32

Fig. 3-3. A Graph of the Horn's nature frequency 34

Fig. 3-4. Mode shapes of the horn 37

(1) 1st mode - 0 Hz (2) 2nd mode - 3,897.4 H z 35

(3) 3rd mode - 4,184 Hz (4) 4th mode - 12,089 Hz 35

(5) 5th mode - 12,124 Hz (6) 6th mode - 18,763 H z 35

(7) 7th mode - 21,077 Hz (8) 8th mode - 36,640 H z 35

(9) 10th mode - 42,256 Hz (10) 11th mode - 43,815 Hz 36

(11) 12th mode - 46,805 Hz (12) 13th mode - 49,895 Hz 36

(13) 14th mode - 50,184 Hz (14) 15th mode - 60,188 Hz 36

(15) 16th mode - 66,372 Hz (16) 17th mode - 67,487 Hz 36

(17) 18th mode - 67,640 Hz (18) 19th mode - 76,095 Hz 37

(19) 20th mode - 78,697 Hz 37

Fig. 3-5. Modal analysis of the Horn (9th mode - 39,780 Hz) 37

Fig. 3-6. Harmonic response of Horn 38

초록보기

최근 전자제품과 통신기기들의 초소형화와 정밀화 추세에 따라 정밀소자의 접합공정 기술이 크게 부각되고 있다. 그에 따라 기존의 접합기술보다 효율성이 높은 초음파 용접에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 초음파 용접은 20kHz이상의 초음파 진동을 가해 용착하는 것으로 친환경적이고, 고효율의 접합기술이다. 초음파 용접은 파워서플라이를 통해 나온 전기에너지를 진동자를 통해 20kHz나 40kHz의 운동에너지로 바꿔주면, 이 운동에너지로 바뀐 에너지가 초음파 용착기의 액츄에이터인 혼(Horn)에 가해지고 앤빌(Anvil)위의 2개의 소재를 마찰시켜 결합시키는 원리이다. 혼은 진동에너지를 용착소재에 직접 전달하는 초음파 용착 공구로, 혼의 성능이 초음파 용착기의 성능을 가늠할 수 있는 중요한 부분이다. 따라서 초음파 용착기기의 제작에도 고도로 축척된 기술이 필요하고 여러 분야의 복합적인 기술이 요구되고 있어 많은 연구가 필요하다. 본 논문에서는 초음파 금속 용착용 혼의 설계에 대한 연구로서, 진동해석을 통해 혼의 설계를 분석하였다.

초음파 금속 용착은 전지(Battery)나 정밀 전자제품에 많이 적용되고 있으며, 주로 비철류의 금속 결합(Joinning)에 적용되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 비철금속을 접합하기 위한 가진 주파수 40,000Hz를 얻기 위한 초음파 금속 용착용 혼의 형상을 설계하였다. 초음파 금속용착을 위해서는 혼의 출력측에서 용착 금속에 충분한 에너지를 전달할 수 있도록 진폭이 커야 하며, 혼의 입력면과 출력면 사이의 거리가 파장의 1/2일때 진동자 출력측의 진폭이 최대가 되므로 혼의 형상은 재질의 가진 주파수에 따른 파장의 길이로 설계를 할 수 있다. 이를 위해 봉의 종진동 방정식을 활용할 수 있으며, 본 논문에서도 봉의 종진동 방정식을 이용하여 설계하는 방법을 연구하였다. 또한, 봉의 진동방정식으로 설계된 혼의 형상이 금속의 용착을 위한 가진 주파수에 근접하도록 모드해석을 통해 형상 변수의 치수를 설계하고, 하모닉 해석을 통해 혼의 진동 특성을 분석하였다.

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