마이크로 기어 제조 개발

초소형 기어의 생산 공정을 살펴보겠습니다. 1973년 일본에서 석유 위기가 발생했습니다. 정부는 전국의 기업에 에너지 소비를 줄일 것을 촉구했습니다. 아이치현의 소규모 기어 제조 기업인 일본 슈켄 주식회사의 총괄 매니저 마쓰우라 모토오는 이 위기에서 새로운 사업 기회를 발견했습니다. 에너지 절약이 하나의 추세가 될 것이라는 점이었습니다. 그는 모든 제품이 점점 더 작아질 것이며, 제품의 크기를 줄이려면 먼저 제품을 구성하는 부품부터 줄여야 한다고 생각했습니다.

당시 일본의 같은 업계에서 생산할 수 있었던 가장 작은 금속 기어의 무게는 약 100분의 1그램이었으며, 이 기어는 주로 시계에 사용되었습니다. 마쓰우라 모토오는 세이코와 시티즌 시계를 50개 이상 구입해 하나씩 분해하면서 플라스틱 기어로 대체해 더 작은 기어를 만들 수 있는지 확인했습니다.

1986년 슈켄은 마침내 무게가 1,000분의 1그램인 초소형 고무 기어를 개발하는 데 성공했습니다. 리코, 카시오를 비롯한 여러 시계 회사가 먼저 슈켄 주식회사를 찾아와 협력 계약을 체결했습니다. 그러나 마쓰우라 모토오는 이에 만족하지 않았습니다. 얼마 지나지 않아 슈켄은 무게가 10,000분의 1그램인 기어를 성공적으로 개발했습니다. 일본의 일부 장인들은 슈켄이 무게가 100,000분의 1그램인 기어를 생산할 수 있다면 진정한 성공이라고 말했습니다. “좋습니다. 다시 한 번 도약해 100,000분의 1그램짜리를 생산합시다.” 마쓰우라 모토오는 도전을 받아들였습니다.

1988년 5월, 무게가 100,000분의 1그램인 기어가 탄생했습니다. 스위스의 유명한 스와치 시계 그룹과 영국의 자동차 부품 제조업체 EMI를 비롯한 여러 기업이 슈켄과 계약을 체결하고 주문을 요청했습니다. 경쟁자가 없었기 때문에 슈켄은 사실상 구매자에게 가격을 협상할 기회를 주지 않았습니다. 이후 무게가 100,000분의 1그램인 기어는 초소형 카메라, 비디오카메라, 특수 휴대전화와 컴퓨터 등에 점차 사용되었습니다. 그리고 각국 정부가 이를 대량으로 구매해 초소형 정찰기에 사용하면서 항공기의 무게를 줄이고 운용을 편리하게 했습니다.

2002년 8월, 슈켄은 무게가 100만분의 1그램인 기어를 생산했습니다. 이 기어는 분말 기어라고 불리며, 직경은 0.15mm, 최대 폭은 0.08mm입니다. 기어 전체의 면적은 머리카락의 단면적과 거의 같습니다. 그러나 이렇게 작은 기어에도 작은 톱니 5개가 균등하게 배치되어 있어 일반 기어처럼 작동할 수 있습니다. 한 번에 이러한 기어 4개를 생산하는 데 걸리는 시간은 단 3.5초입니다. 마쓰우라가 예상한 대로 이 분말 기어는 현재 미국의 여러 최고 수준 병원에서 의사들이 인공 섬유 혈관의 앞부분에 설치해 뇌경색 환자의 뇌혈관을 청소하는 데 사용하고 있으며, 생명을 구하는 중요한 의료 기기가 되었습니다.

마이크로 피니언 기어의 제조 기술 개발은 여기서 멈추지 않았습니다. 실용 사회가 계속 발전함에 따라 더 많은 발전이 이어지고 있습니다.

초소형 기어의 제조 방법

구동 모터의 경우 로터 직경이 0.5mm이고 외경이 수 밀리미터인 초소형 모터가 제조되고 있습니다. 그러나 이러한 초소형 모터는 회전 속도가 높고 토크가 낮기 때문에 성능을 충분히 발휘하려면 모터와 부하(액추에이터) 사이에 수백 대 1의 감속비를 갖는 초소형 감속기가 필요합니다. 다양한 동력 전달 장치 중에서 기어 전동이 가장 일반적으로 사용됩니다. 따라서 감속기를 소형화하려면 기어도 소형화해야 합니다.

호빙 가공
기어는 일반적으로 호빙 머신에서 호브를 사용해 절삭합니다. 초소형 기어(m0.1 미만)를 호빙 가공할 때는 호브의 치형을 미세 가공해야 합니다. 치형이 작기 때문에 호브의 치형 오차뿐만 아니라 호브의 구멍 흔들림, 단면 흔들림, 피치 및 기타 오차도 초소형 기어의 정밀도에 큰 영향을 미칩니다. 가공에 사용되는 기어 호빙 머신, 공작물 스핀들, 공구 스핀들, 공작물 인덱싱 장치와 공작물 고정구의 정밀도와 강성, 그리고 호브와 공작물의 설치 정밀도도 초소형 기어의 제조 정밀도에 영향을 줍니다. 따라서 제조 시스템 전체의 종합 정밀도를 향상해야 합니다. 이를 바탕으로 절삭하기 쉬운 재료를 선택하면 동일한 모듈과 다양한 종류의 초소형 기어를 더 쉽게 대량 생산할 수 있습니다.

사출 성형 플라스틱 기어
사출 성형으로 가공되는 플라스틱 기어는 짧은 시간에 대량 생산할 수 있기 때문에 주로 사무기기와 가전제품처럼 비교적 가벼운 하중에서 사용되는 기어에 쓰입니다. 최근 몇 년 동안 사출 성형 기술이 지속적으로 발전하고 사출 성형 재료의 성능도 계속 향상되면서 사출 성형 기어의 정밀도 역시 크게 향상되었습니다. 사출 성형 기어의 정밀도와 사출 성형 기술은 모두 사출 성형 방식에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 금형 제작에는 주로 와이어 컷 방전 가공과 방전 가공이 사용됩니다. 그러나 사용되는 와이어의 직경과 성형 전극의 방전 간극 등의 요인으로 인해 초소형 기어 금형의 정밀도 향상에는 한계가 있습니다. 금형은 전주 도금으로도 제조할 수 있습니다. 전주 도금에 사용되는 기준 기어는 절삭이나 연삭으로 정밀도를 향상할 수 있습니다. 기준 기어는 전기 도금으로 두껍게 만들 수 있습니다.

금속 소결 제조 방법
금속 분말을 금형에서 고압 성형한 후 고온에서 소결하고 경화해 형성하는 소결 금속 기어(분말 야금 기어)는 플라스틱 기어보다 기계적 강도가 높아 중간 하중 조건에서 사용됩니다. 금형 성형 방식은 대량 생산에 적합합니다. 그러나 성형 후 고온에서 소결할 때 변형이 크게 발생합니다. 따라서 필요한 정밀도를 확보하려면 소결 후 기어를 정밀 가공해야 합니다. 치형이 작기 때문에 초소형 기어의 정밀 가공은 상대적으로 어렵고, 금속 분말 입자가 크다는 점도 형상 정밀도와 표면 마무리 향상을 제한합니다. 위에서 플라스틱 기어의 사출 성형에서 언급한 기준 기어 전극 전해 가공 방식을 성형 금형에 적용하면 가공된 기어의 정밀도를 향상할 수 있습니다.

기타 제조 방법
초소형 기어는 반도체 제조, 포토리소그래피 또는 레이저 가공으로 제조할 수 있습니다. 포토리소그래피를 사용하면 수십 마이크로미터 크기의 초소형 기어를 시험 생산할 수 있으며, 브로치는 내부 기어를 가공할 수 있습니다. 앞으로 초소형 기어에 대한 수요가 증가함에 따라 새로운 제조 방법과 대량 생산 기술이 계속 등장할 것입니다.

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