Fabrication of micro channel on Al2O3 using CO2 laser-assisted machining

Abstract

본 연구는 대표적인 난삭재인 알루미나 세라믹의 레이저 보조가공을 통한 마이크로 채널 제작에 대해 기술한다. 일반적으로 알루미나를 포함한 세라믹 소재는 고 경도 및 높은 취성으로 마이크로 스케일의 구조물 가공이 매우 어렵기에, 많은 복합 가공 연구가 시도되고 있다. 그 중에서 레이저 보조 가공은 레이저 빔을 열원으로 하여 국부적인 영역을 미리 연하게 만들어 세라믹의 효율적인 가공이 가능하다. 본 연구는 와이어 방전 가공을 통해 맞춤 제작된 다결정 다이아몬드 공구 및 CO2 레이저를 보조 열원으로 사용하여 우수한 품질의 마이크로 채널 제작에 성공하였다. 그 과정에서 절삭력 감소, 표면 조도 개선, 재료 제거율 증대 등의 레이저 보조 효과에 대해 실험적으로 증명하였으며, 더욱 깊은 채널 제작 시 발생 가능한 채널 에지 크랙 이슈를 개선하기 위해 가공 파라미터 조율을 통한 개선된 프로세스를 제안하였다.

Fabricating micro scale features in ceramic materials such as Al2O3 is challenging due to its high hardness and brittle characteristics. Laser-assisted machining (LAM), which is possible to pre-soften the local area of the workpiece using laser beam as a heat source, is an effective hybrid method of machining ceramics. This study is focused on identifying the effect of CO2 laser-assisted micro grinding (LAMG) on Al2O3 with wire electrical discharge grinding-ed (WEDG-ed) polycrystalline diamond (PCD) tool and investigating the machining characteristics experimentally. To confirm the effect, the differences in cutting force, surface roughness, and material removal rate between with and without the laser heating were compared and discussed. As a result, average cutting force of LAMG decreased by 41% in thrust direction, 33% in feed direction respectively. Moreover, machining at higher feed rate was possible without tool fracture, average material removal rate increased by 18%, and average surface roughness decreased by 12%. The results indicate that the CO2 laser heating on Al2O3 has significant advantages in machinability and channel geometry compared with conventional methods. Finally, an improved LAMG process was proposed to prevent edge cracks by re-organizing the machining conditions. Therefore, a deep micro channel was successfully fabricated without edge crack.