[첨단 헬로티]
사토 하지메 (佐藤 大) 共榮엔지니어링(주)
동사의 미세 가공 기술 대응
동사는 절삭가공을 코어 기술의 하나로 해서 시제작 부품 제작에서 금형 설계․제조․사출성형까지 일관해서 대응 가능한 메이커다. 부품 제작에서는 독자의 이너캠 가공 기술에 의한 경통 등의 카메라 부품이나 난삭재 가공의 항공기, 자동차의 내연 부품, 의료의 임플란트 등 폭넓은 분야에서 많은 실적을 가지고 있다.
또한 금형․사출성형에서도 렌즈 등의 광학 소자를 비롯해 카메라 관련, 자동차, 의료 등의 폭넓은 분야에서 높은 평가를 얻고 있다. 한편 동사의 제조에는 전혀 분야가 다른 음향사업부가 있으며, 음향의 신호처리에 의한 수음․재생 등의 기술 개발을 하고 있다.
이 독자의 음향 기술과 가공의 제조 기술을 융합한 자사 브랜드 ‘Cear’에서는 Bluetooth 스피커 ‘pavé(파베)’(그림 1)와 소형 스테레오 마이크로폰 ‘DOMINO 2MIC’ 등의 새로운 콘셉트를 가진 제품을 릴리스하고 있으며, 이들 제품에 사용되는 수지제 케이스 부품 등은 자사에서 금형 제작부터 양산 성형까지 하고 있다.
미세 가공 대응은 2009년부터 해왔다. 당초에는 자사의 연구 개발로서 광학적으로 배치된 마이크로 도트 형상의 도광체 금형 제작을 테마로 스타트했다. 보통은 전주 반전으로 제작되는 케이스가 많은데, 동사는 최초의 스텝으로서 기존 설비 ‘볼나사에 의한 고정도 머시닝센터(MC)’로 볼록 형상을 직접 절삭, 어디까지 정도를 달성할 수 있을지에 대한 도전으로 실시했다.
결과적으로는 가공한 원 형상이 90° 등분으로 약간 어긋나는 볼나사 특유의 현상이 생기는 등 몇 가지 과제가 남아, 기존 설비로는 한계가 있다는 판단에 이르렀다. 그러나 이 대응으로 여러 가지 현상을 구체적으로 이해할 수 있었던 것이, 후일의 가공 기술 개발에 큰 도움이 됐다.
그 후 2011년에 도시바(東芝)기계(주)제 ‘UVM-450C’의 5축 사양을 본사 공장(니이가타현 아가노시(新潟縣 阿賀野市))에 도입했다. 도입 후에는 여러 가지 광학소자 형상에 대응하기 위해 가공만이 아니라 금형 설계에서 사출성형, 측정까지 부서를 횡단해 제휴한 대응을 함으로써 지금에 이르렀다.
이 글에서는 동사의 미세 가공 기술의 특징과 광학소자 부품의 최근 요구 등을 소개한다.
미세 가공에 특화한 나노 테크놀로지 생산기술센터
동사가 미세가공기를 도입한 당초에는 공장 내의 환경이나 주변 설비가 충분하지 않고, 또한 공장 근린의 환경에 의한 진동 문제 등도 있어 대응에 고민한 케이스도 적지 않았다. 한편으로 요구는 해마다 보다 고정도, 보다 복잡한 형상으로 변화해, 대응하기 위해서는 미세․경면가공에 적합한 환경 정비와 보다 고정도의 가공설비, 그 가공 정도에 대응한 측정기 도입이 필요하다고 판단했다.
2013년에 구 본사 공장(니이가타현 시바타시(新潟縣 新發田市))을 개수 공사해, 새롭게 진동 대책을 실시하고 항온실을 설치하는 동시에 신 설비도 도입했다. 미세 가공에 특화한 공장으로서 나노 테크놀로지 생산기술센터를 2014년부터 스타트했다.
고정도, 대형 사이즈 대응을 목적으로, 프레시텍사제의 비구면 가공기 ‘Nanoform700 ultra’를 새롭게 도입했다. 함께 측정설비도 도입해 체제를 정비했다.
그 1년 후에는 ㈜나가세인테그렉스제의 초정밀 6축가공기 ‘NIC-700’을 도입해, 보다 복잡한 미세 형상에 대응할 수 있게 했다. 2017년에는 도시바기계의 ‘UVM-700(5AD)’를 도입, 기존의 UVM-450C2와 함께 가공설비는 총 5대가 됐다.
미세·경면가공 기술의 특징과 금형에 대한 적용 실적
광학계 부품의 금형 제작에서는 주로 아래의 미세 가공 기술을 적용한 제안과 대응을 하고 있다.
1. 초정밀 미세 홈가공 기술
미세한 홈 형상을 형성하는 가공 기술로, 밀링 등의 회전공구에 의한 가공과 플레이너(그림 2, 셰이퍼, 헤일 등이라고도 한다) 가공이라고 불리는 바이트에 의한 절삭가공을 주로 이용한다. 디스플레이의 도광판이나 이너 렌즈라고 불리는 자동차 클리어런스 램프 도광체의 미세 렌즈 컷을 형성하기 위해 적용, 금형 제작의 실적도 많다.
밀링 가공과 플레이너 가공은 주로 미세 홈의 사이즈로 구분 사용한다. 배광 효율을 고려한 광학 설계에 의해 해마다 미세 홈의 폭이나 코너 R의 사이즈는 작아지는 경향에 있다. 그렇기 때문에 밀링 가공에서는 보다 소경의 공구 가공이 필요하고, 고정도의 안정된 고속 스핀들과 장시간 안정된 기계 정도가 필수이다.
플레이너 가공은 밀링 가공으로는 어려운 미세한 홈 폭이나 형상(V 홈 등), 요구 정도가 높은 면조도 등에 대응하기 위해 적용한다. 절입이나 절삭 피치가 수 μm 이하로 작기 때문에 이것도 또한 고정도의 가공기에 의한 대응이 필수가 되는 가공 방법이다.
2. 초정밀 6축가공 기술
MC의 경우는 회전공구이기 때문에 XYZ의 직선 3축에 더해, 회전․경사의 2축을 부가한 5축 사양에 의해 그 가동 범위 내라면 공구는 어느 방향으로도 절삭하면서 보낼 수 있다. 그러나 플레이너 가공에서는 바이트 공구이기 때문에 공구 자체는 회전하지 않아, 공구의 절삭 방향은 그 방향으로 결정되어 버린다.
그렇기 때문에 공구의 방향을 절삭 방향으로 제어하는 축이 필요하고, 동사는 그것에 대응한 초정밀 6축가공기를 도입하고 있다. 6축가공기에 의한 금형가공의 실적으로서는 자유곡면 형상에 대한 곡선 홈가공(그림 3)이 있다. 이것은 5축 플레이너 가공으로는 대응할 수 없는 대표 예이다.
3. 비구면 가공 기술
고정도 촬상계 렌즈 등으로 많은 실적을 가지고 있는 비구면 가공에서는 여러 가지 가공․측정 기술이 필요하다. 가공에는 4축 제어에 의해 다이아몬드 바이트 1개만을 사용해 가공을 함으로써 고정도를 실현하는 싱글 포인트 가공과, 워크 측 C축과 공구 측 각 축 동작을 고정도로 동기․제어해 비축대칭이나 자유곡면 형상을 실현하는 STS(슬로 툴 서보, 그림 4) 가공 등이 있다.
또한 보정가공에서는 제작한 금형이나 성형품의 측정 데이터를 기초로 보정가공을 하는데, 측정 방법도 포함해 여러 가지 노하우나 애플리케이션이 필요하다. 최근의 촬상계 렌즈는 사이즈에 따라 다르기는 하지만, 형상 정도가 P-V 1μm 이하, 조도는 Ra 1nm 이하로 매우 높은 정도가 요구된다.
4. 타원 진동 절삭
미세 및 경면가공에서는 단결정 다이아몬드 공구의 가공이 필요한데, 철 등 강재에 대해서는 공구와의 친화성이 높고 마모가 현저하기 때문에 가공이 어려워진다. 그렇기 때문에 광학 금형에서는 강재에 후막의 Ni-P 도금층을 부가, 그 층을 가공해 형상을 형성하는 방법이 일반적이다.
이것에 대해 타원 진동 절삭은 가공이 어려운 강재에 대해 단결정 다이아몬드의 다이렉트 절삭을 가능하게 하는 기술(그림 5)로, 동사에서는 모든 미세가공기로 대응 가능하다. 이 가공에 대한 요구로서는 Ni-P 금형의 번거로운 메인티넌스 회피나 고열이 더해지는 유리 성형용 금형구 가공 등이 있으며, 동사의 실적은 많다.
최근의 광학소자 부품․금형에 대한 고객 요구
1. 차재 렌즈 (촬상계 렌즈)
앞으로 보급이 예상되는 ADAS(선진운전지원 시스템)이나 전자 미러(E 미러)에는 촬상계 렌즈를 비롯한 광학소자가 사용된다. 특히 자동인식 등의 기능이 있는 센서용 렌즈는 고해상도와 내구성이 요구되기 때문에 현재는 유리 렌즈가 많다. 그러나 코스트 등의 문제도 있고, 렌즈용 수지 소재의 개발과 함께 수지화를 위한 개발이 이루어지고 있다.
수지 렌즈에는 높은 형상 정도나 표면 성상 요구에 더해, 복잡한 비구면이나 자유곡면 형상 등이 많고 금형의 형상가공이나 보정의 난이도도 높다. 또한 렌즈면 간의 편심 등도 광학적 성능에 영향을 미치기 때문에 금형 자체에도 특수한 구조와 노하우가 필요하며, 구성 부품에도 높은 정도와 기능이 요구된다.
2. HUD 관련 부품
HUD(헤드업 디스플레이)는 해마다 투영 면적이 대형화되는 경향이 있다. 앞으로의 표시 스페이스 확대와 정보 증가를 위한 대응으로 추측된다. 동사에서는 대형 사이즈를 타깃으로 한 설비 라인업에 더해, 풍부한 실적에서 형상이나 정도 등을 고려해 STS나 플레이너 가공, 밀링 가공 등에서 최적의 가공 방법 제안이 가능하다.
한편, 동일한 HUD 부품이라도 투영 유닛은 소형화가 요망되고 있다. 이것은 자동차의 인패널 등에 탑재되는 경우도 있고, 스페이스 절감이 중요 과제이기 때문이다. 투영 면적의 대형화와 함께 여러 가지 광학 렌즈 개발이 이루어지고 있으며, 촬상계 렌즈와 동일하게 형상 보정 등의 기술이나 노하우가 필요하다.
3. 자동차 등체 관련
자동차의 등체는 유럽을 기점으로 DRL(데이타임 러닝 램프)의 보급이 진행되고 있는 것도 영향을 미쳤으며, 차체의 형태에 맞춰 등체의 디자인성도 높아져 복잡하고 정도 높은 도광체가 개발되고 있다.
예를 들면 프론트에서 사이드로 돌아서 들어가는 등의 디자인으로 되어 있으며, 내부에 들어가는 도광체도 비틀어지면서 커브하거나, 구부러지거나 하는 등 복잡한 형상으로 되어 있다. 미세 홈도 이들 형상을 모방해 피치나 각도가 가변하는 수 천개의 홈이 광학적으로 배치되어 있다.
이와 같은 미세 형상의 가공에는 동시 다축 제어에 의한 플레이너 가공이 적합하며, 가공설비에 더해 가공을 고정도로 지령하는 NC 프로그램이 필요하다. 이것에는 광학 설계 데이터를 기본으로 해서 작성하는 등의 방법이 필요하다. 동사에서는 독자 개발한 소프트웨어도 포함해 NC 프로그램을 작성하는 프로세스를 구축하고 있으며, 시제작․금형 모두 이미 많은 가공 실적을 가지고 있다.
한편 PES 렌즈라고 불리는 헤드라이트용 후육 렌즈는 기존 둥근형의 비구면으로 배광용 렌즈 컷이 들어간 타입이 주류였는데, 최근에는 사각형 등의 타입이 증가해 렌즈 컷만이 아니라 마이크로 렌즈 등의 형상을 갖는 타입으로 대체되고 있다.
또한 다른 타입의 헤드라이트로는 반사경 구조의 파라볼라 타입이라고 불리는 리플렉터 타입이 코스트면에서 유리하기 때문에 증가하는 경향이다. 어느 것이나 촬상계 렌즈 등과 마찬가지로 역시 고정도 미세 가공 기술과 측정․보정 기술이 요구된다.
과제 해결을 위한 앞으로의 전망
이번에 소개한 미세․경면가공 방법 이외에도 여러 가지 가공 방법이 있지만, 모두 공통된 과제로서 단결정 다이아몬드 공구의 마모 문제가 있다. 다이아몬드라고 해도 가공에 의해 서서히 마모가 진행되어 조도나 정도에 영향을 미친다.
또한 다듬질가공 시에 도중에 공구 교환을 하면, 그 부분에서 면품위에 차이가 발생하게 되어 기능이나 외관에 영향을 미치고, 금형․제품으로서는 허용되지 않는다. 또한 공구는 고가여서 코스트에도 크게 영향을 미친다. 따라서 마모를 어떻게 적게 하고, 적확하게 관리하는지가 중요하다.
다이아몬드 공구 메이커 각사에서는 면방위에 맞춰 설계된 내마모성이 우수한 공구가 판매되고 있으며, 또한 단결정 이상의 경도를 갖는 스미토모(住友)전기공업(주)의 나노 다결정 다이아몬드 공구 등 여러 가지 공구가 개발되어 있다.
앞으로는 이러한 공구가 갖는 특성을 활용해 독자의 절삭가공 기술 개발에 도전함으로써 보다 대면적으로, 보다 균일하게, 보다 고정도․고품위의 가공을 실현해 여러 가지 광학 관련 개발에 미력하나마 기여하고 싶다.
