KR100492493B1 - 레이저를이용한취약선의형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 재질(flat material)의 한쪽 평면에 조절 가능한 펄스 레이저 방사(controllable pulsed laser radiation) 수단으로 평면 재질의 일측을 부분적으로 제거하여 취약선(line-shaped weakening)을 형성하는 방법에 관한 것에 관한 것이다.

본 발명으로 제조된 취약선은 가공되지 않은 평면 재질의 표면상에서 육안으로 보이지 않으며, 재생가능한 일정한 절단 저항(breaking resistance)을 갖는다.

Description

레이저를 이용한 취약선의 형성방법{METHOD FOR PRODUCING A LINE-SHAPED WEAKENING BY MEANS OF LASERS}

본 발명은 평면 재질에 조절 가능한 펄스 레이저를 방사하여 평면 재질의 일정한 부분이 제거되도록 취약선을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 평면 재질은 평면형이나 입체형일 수 있다.

재질에 개구(opening)를 형성하거나 인접한 한 부분을 분리하기 위하여 재질에 취약선을 미리 형성시킨 후, 필요에 따라 힘을 가하여 취약선이 분리되도록 하는 기술은 많은 분야에서 이용되고 있는 공지기술이다. 이와 같은 취약선은 선의 길이에 걸쳐 일정한 양의 힘에서는 절취되지 않고 지속적으로 견딜 수 있는 절단 저항(breaking resistance)이 요구되어 왔다. 다양한 이용분야에서는 더 나아가 안전을 이유로 생산이나 재생의 경우에서 기술적으로 일정한 절단저항을 유지하도록 요구되고 있다. 한 예로는, 에어백 커버를 들 수 있으며, 외관상의 이유로 형성되어 있는 취약선이 차량 승객의 육안에는 보이지 않도록 요구되기도 한다.

편리성을 갖춘 레이저 장비를 이용하여 취약선 부위를 형성시킨다면 재생가능하고 일정한 절단저항을 갖도록 하기는 더욱 어려워진다. 재생가능하며 일정한 절단저항을 위해서 필연적으로 선 모양의 절단부위에 잔류 벽두께(residual wall thickness)가 일정하게 형성되어야 하고 재생 가능해야 한다. 이는 균일한 깊이까지 제거되어 재질의 취약선이 일정한 두께를 갖게 함으로써 이루어 질 수 있다.

그러나 비록 균일한 두께를 갖는 단일성분의 재질이라고 하더라도 조절되지 않는 레이저장비에 의해 취약선의 벽이 정해진 두께로 형성되도록 하는 것은 불가능하다. 방사 침투력(radiation quality)과 방사출력(radiation output)의 유동은 형성되는 두께의 변동과 연관된다. 제거될 두께와 연관되며 제거될 두께를 미리 추정하도록 감지하는 레이저의 조절이 요구된다. 따라서, 기계적 측정수단을 제거될 두께의 감지에 사용할 경우 취약선의 컷 갭(cut Gap)의 두께가 너무 협소하여 불가능하고, 전기적 또는 자력을 이용한 계측수단은 비전도성 재질에는 사용이 불가하다.

레이저 방사를 이용한 재질 제거 방법, 특히 금속 작업편(workpiece)을 제거하는 방법은, DE 39 43 523 C2에 기술되어 있다. 이 발명에 따르면 효과적인 레이저 방사 세기는 감지된 열 방사에 따라 스위치가 온/오프로 조절되나, 이는 빠른 속도의 기계작동에는 적당하지 않다. 정확성을 향상시키기 위하여 상기 제거 깊이는 측정되고 제한 치(limiting value)를 수정하는데 고려될 수 있다. DE 39 43 527 C2에 기술된 바에 의하면 제거될 두께의 측정은 예를 들어, 삼각측정(triangulation)의 원리에 따라 작용하는 광학감지기로 실행된다. 한편, 이 측정 원리는 수직형태의 절단에만 한정됨으로 측정 빔의 단면적 보다 넓은 갭 폭(gap width)과 직선의 절단궤도에만 적용된다. 더 나아가, 제거될 두께를 측정하는 다른 측정원리와 마찬가지로 또한 상기 측정원리는 재질의 두께가 균일하지 않다면 남아있는 취약선의 벽두께를 알아내는데 적합하지 않다.

형성된 취약선에서 절단저항을 갖는 재질의 두께가 균일하지 못해 야기되는 영향은 잔류 벽 두께를 감지하여 제거될 두께를 조절하는 방법만으로 극복된다. DE 43 20 341 A1에 의하면 상기와 연관성을 갖는 해결방안을 제시하고 있다. 이 방법은 유리건축자재에서 전송 값(transmittance value)의 변화에 의존하며 제거정도를 조절하는 레이저 방사를 이용하여 커버 층을 제거하는 기술에 관하여 언급되어 있다. 이 경우, 목적은 유리건축자재에서 커버 층을 정의된 대로 의도적으로 제거하여 잔류하는 커버 층의 두께분포가 유리건축자재의 배면에 남게 하는 것이다. 유리자재에 남아있는 층의 두께는 작업위치에서 전송량(transmittance)의 측정에 의해 나타난다. 따라서, 이 같은 측정방법은 특히 층의 두께가 고르지 못한 경우 기하학적으로 층의 두께를 미리 단정할 필요 없이 잔류 층 두께를 형성시키기에 적합하다.

잔류 층의 두께를 결정하기 위해서는 전송된 측정 빔의 강도를 작업위치에서 레이저장비의 신호에 따라 매번 측정하여 측정값을 작업컴퓨터에 입력시킨다. 각각의 측정된 값을 조합하여 제거효율(removal efficiency)과 상대 전송(relative transmission)과 같은 다양한 평가기준이 결정될 수 있다. 상기 측정값은 개별적으로 시초 값(threshold value)과 비교되며, 이 시초점이 초과되면 스위치가 꺼져 제거가공이 종결된다.

실행 테스트에서 보여지듯이, DE 43 20 341에 따른 해결방법은 원하는 취약선을 형성시키는데 성공적으로 적용될 수 없다. 상기 유리건축자재의 커버 층 제거와는 비교되게, 제거작업이 평면상에서 이루어지면 잔류 층이 연소되거나 증발가스가 생성되어 평면상에서 증발되는데 이들 생성가스와 잔류물은 제거부위에 장시간 머물러 평면상에서의 제거작업을 방해하며, 특히 제거 층의 넓이가 두께보다 작은 경우에 두드러져 이들의 흡수작용으로 전송 값은 그릇되게 측정된다.

도 1과 도 2는 이해를 돕기 위해 측정값을 그래프화 한 것이다. 도 1에 그려진 측정신호곡선 1.1은 이론상의 신호곡선 및 결과와 대략 일치하는데, 예를 들면, 단일성분의 재질의 제거가공에서 제거 층의 넓이가 깊이에 비해 상대적으로 매우 크며 제거가공 속도가 느린 경우이다. 잡음 레벨(noise level)이 초과한 후에는 측정신호 1.1의 레벨은 연속적으로 상승한다. 반대로, 비균질한 재질의 선 모양의 제거가 불안정인 경우에는 측정기 신호 1.2의 상승이 일어나고, 예를 들어, 상기 상승은 실제로 불연속적이며, 그 후에 측정된 신호들은 이들 신호들의 앞 신호보다 낮은 레벨을 가끔 갖기도 한다. 측정기 신호 곡선(detector signal curve) 1.2의 상승이 연속적이지 않다는 사실은 상기 작업 평면 재질의 비균질한 재질 특성에 의해 부분적으로 설명되며, 이것은 방사 파라미터가 일정하게 유지된다면 다양한 제거 깊이가 이루어진다. 신호 곡선(signal curve)의 부분적인 네거티브(negative) 상승과 제로(zero) 상승은 상기 방법으로는 설명되지 않는다.

상기 현상의 원인은 실질적으로 상기에서 언급한 개량물(development)에 존재하고 작업 위치에서 발생하는 연소 잔류물과 증발가스의 농후(thickening)에 있다. 상기 연소 잔류물과 증발가스가 짙어지면서(thicken) 상기 레이저 방사를 점진적으로 흡수해서, 상기 신호 레벨이 상기 제거 깊이와 상응하지 않는다. 상기 시초 값(threshold value) 2는 갑자기 초과되며, 가끔 가공 위치에서 필요 없는 침투(penetration)가 상기 재질을 통과한 후에만 일어난다. 여러번의 가공 반복은 강제적으로 동일한 공정 파라미터와 측면 제한(side constraints)에 불구하고 다양한 신호곡선(signal curve)을 이끈다. 이것은 아마 발생중인 재질 홈(recess)에서 일시적으로 또는 공간적으로 비균질한 연소 잔류물과 증발가스가 분배되기 때문이며, 상기 가공 속도가 증가할 때 상기 탐지기 신호 곡선 1.1이 증가하는 것으로부터 상기 탐지기 신호 곡선의 변형(deviation)이 일어난다는 사실을 확인 할 수 있다. 상기 신호 레벨에 의하여 시초 값 2를 초과할 때 레이저(컨트롤 신호의 중단 3)의 스위치를 끄면(switching off) 급하게(sharply) 유동하는(fluctuating) 제거 깊이를 갖는 예정된 절단 선을 유도한다.

상기 기술한 이유에 따라 이 방법은 육안으로 보이지 않으며 동일한 잔류 층과 일정하고 재생 가능한 절단저항을 갖는 예정된 취약선을 형성하는데 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 재생가능하고 일정한 절단저항을 가지며 평면 재질상에 육안으로 보이지 않는 취약선을 조절 가능한 펄스 레이저 방사를 통해 형성하는 방법을 발전시키는데 있다. 이 방법은 다수의 이질 성분을 함유한 층과 두께가 일정하지 않은 평면 재질 상에서 성공적으로 적용될 수 있는 것이다. 본 발명의 목적은 청구항 1과 같이 취약선을 가공하는 방법과도 일치한다. 구성상의 유리한 특징은 종속항에 기재되어 있다.

본 발명은 한정된 평면 재질 두께는 상기 평면 재질을 관통하여 전송되는 빔을 감지함으로서 도달될 때까지 상기 제거를 조절하는 선행기술분야에서 알려진 기본적인 아이디어를 이용한 기술이다. 한편, 이는 상기 감지된 전송 방사에 의한 정수치(integral value)를 형성하는 발명의 수단에 불과하고, 상기 재질과 연소 잔류물과 증발 가스의 형성에서 상기 전송 방사에 가하여진 이 물질(irregularities)의 무한정된 영향에도 불구하고 상기 잔류 벽두께와 연관되는 정수치가 얻어진다. 한편, 이는 취약선이 컷 갭(cut gap)이 아닌 인접한 블라인드 홀(blind holes)들의 연결(series)이라고 추측된다. 상기 블라인드 홀들은 공간적으로 한정된 공간을 생성시키고 상기 공간에서 발생하는 가스는 가공 중의 짧은 시간에 거의 완전히 체류한다. 상기 방사에 상기 흡수성(absorbent) 가스의 영향은 이에 따라 개별적인 블라인드 홀이 형성될 때와 같다. 나아가 상기 감지된 방사는 막 가공된 상기 블라인드의 바닥을 통한 독점적인(exclusively) 전송 방사이고 이는 홀-유형 제거(hole-type removal)에 의해 보장된다. 따라서 적어도 대체로 동일한 잔류 벽두께는 동일한 정수치이다.

잡음 대 신호(noise-to-noise) 비율이 개선 될수록 그리고 더 많은 신호가 탐지되고 정수치를 형성하는데 사용될수록, 원하는 잔류 벽두께가 얻어질 때, 레이저 방사는 스위치 오프(switched off) 되는 정확성(precision)이 더 커진다. 상기 재질에서 이 물질(irregularities)들은 또한 상기 레이저가 정수치의 기능으로 제어될 수 있다는 점으로 상대적으로 간주되어(relativized), 상기 방법은 이질성 재질의 가공에도 특히 유리하다는 것을 증명한다.

일정한 절단 저항(breaking resistance)과 비가시성(invisibility)의 두 가지 필요조건과 관련하여, 블라인드 홀 형성에서 상기 평면 재질의 제거에 의한 취약선 생성은 다음과 같은 부가적인 이점을 갖는다:

취약선이 절단(cutting) 또는 나칭(notching)에 의해 생성될 때, 컷 갭(cut cap)에 있는 잔류 벽두께는 한정된 절단 저항을 얻기 위한 구조적 양(geometric quantity)에 따라 다양해 질 수 있고, 블라인드 홀(blind holes) 간 웹 간격(web width)은 인접한 블라인드 홀들의 줄(이하 천공선(perforation line)이라 함)을 조정할 때 다양해질 수 있다.

형성된 절취선(cut line)에서 재질이 제거될 때, 상기 잔류 재질(residual material)은 컷 갭(cut gap)에 삽입되지 않을 정도로 충분히 강해야 하므로 눈으로 보이게 된다. 상기 삽입은 지지체(support)로 작용하는 상기 웹에 의한 천공 선이 있는 경우, 비록 잔류 벽두께가 작은 경우에도 보호된다.

상기 블라인드 홀이 주기적으로 반복하는 다양한 잔류 벽을 가질 때 상기 전체의 천공 선에 걸친 균일한 절단 저항이 이루어질 수 있다. 형성된 취약선으로부터 재질이 제거되었을 때 잔류재질은 컷 갭(cut gap)에 삽입되지 않아 보일 수 있도록 충분히 강해야한다.

특히, 취약선이 다층혼합재질(multi-layer composite material)의 성분재질에서 형성될 때 다른 구조의 취약선은 예를 들면 다른 순열의 잔류층 두께, 다소 각각의 층의 강도에 의존하는 이점이 있다. 따라서 각각의 층이 높은 강도를 갖는 다층 재질에서 취약선은 모든 블라인드 홀이 동일한 최소 잔류벽의 두께를 갖는 구조에서 형성될 수가 있다. 재질의 층이 동질성을 가지며 웹의 폭이 변화하지 않는 경우 잔류층 두께가 작을수록 평면재질은 적은 절단저항을 갖는다. 한편 고열처리에 의한 적은 잔류층 두께와 좁은 웹 폭은, 노화에 따른 재질의 이완과 같이, 블라인드 홀에 잔류재질의 삽입을 유도할 수 있고 따라서 취약선이 가공되지 않은 평면재질의 한 면이 육안에 보이게 된다. 이 현상은 특히 표면 층 바로 밑에 있는 각 재질 층이 매우 부드러워 남아있는 웹이 그들의 지지기능을 충족할 수 없기 때문이다. 이를 방지하기 위해서는 재질의 제거가 깊이의 주기적 교환에 영향을 주며 따라서 상당히 더욱 큰 웹 폭이 부드러운 재질에서 유지되며 표면 층은 이와 같은 크기의 연장으로 열적인 영향을 받지 않는다. 취약선을 분리하기 위한 저항은 이에 따라 뚜렷하게 증가하지 않으나 취약선이 육안으로 보일 수 있는 위험은 피하게 된다.

본 발명에 따른 방법은 입체구조를 갖는 표면 층을 가진 혼합 재질에서 상기 취약선이 배열될 때 특히 유리하다. 상기 취약선의 상기 절단(tearing)저항은 상기 취약선의 조직(texturing) 또는 구조(structuring) 때문에 표면 층이 변동하는 재질 강도를 갖음에도 불구하고 균일하고, 따라서 본 발명에 따라서 상기 제거는 한정된 잔류 벽두께를 만든다. 일정하지 않은 구조(unstructured)를 갖는 평면표면은 잔류재질을 블라인드 홀에 정착시킴으로서(settling) 육안으로 잘 지각되지 않게 되므로 유리하다. 취약선이 연속적으로 존재하지 않을 경우에는 구멍이 뚫려 처리되어 있어도 육안으로 감지하기 어렵다. 육안으로 보이지 않게 되어 있는 취약선 부는 보통 인위적인 힘을 가하여 선의 방향으로 절단되도록 공급되기보다는 표면을 따라 가해지는 힘에 결과로 평면 재질은 취약선을 따라 절단되고 평면재질에 개구(opening)를 형성하게 된다. 통례적으로는 요구되는 개구의 주변 선(circumferential line)과 동일하도록 취약선을 형성한다. 한편, 육안으로 보일 수 있는 가능성을 줄이기 위해 대처방안으로 취약선을 이 주변선으로 연장하면 유리하다. 이 목적을 위해 주변선을 따라 확률적으로 대처되거나 유사한 표면구조에서 기능을 결정하면 된다. 주어진 거친 표면구조와 상기 표면구조에 맞게 적용된 취약선, 취약선의 블라인드 홀은 레이저를 이용하여 매우 작아 육안으로 보이지 않는 구멍을 쉽게 형성하여 제로(zero)의 잔류 층 두께를 형성할 수 있다.

원칙적으로는 본 발명에 따른 방법은 적어도 표면 층이 레이저 파장으로 통과되는 모든 평면 재질에 적용될 수 있다. 상기의 것은 가공 레이저의 펄스에 유리하다. 비록 기술상의 지출은 높지만, 전송요소(transmitting component)가 감지되는 측정 빔(measurement beam)에 의해 부가적으로 작용해야 하는 가공부위의 감지는 필수적이다.

플라스틱과 가죽을 비롯하여, 가황되거나 가황되지 않은 고무, 산업용 직물, 종이형태의 평면재질의 표면 층이 유리하게 가공될 수 있다. 발포된 재질 층이나 첫 번째 실시 예와 같은 형체를 이룬 목질 층을 대신하여 표면 층은 다양한 단층 혹은 복합 층의 평면 재질인 플라스틱 합성재질, 적층 플라스틱은 물론 목재, 가황되거나 가황되지 않은 고무, 판지 등이 적용될 수 있다.

실시예

첫 번째 실시 예에서 평면 재질은 3가지의 다른 이질 층을 포함하는 합성재질로, 합성재질의 안정성을 분배하는 성형된 목재의 고정된 캐리어(carrier) 층, 부드럽게 발포된 층과 표면 층으로 얇은 TPO(thermoplastic polyolefin - Trans.)시트(sheet)로 구성된다. 요구되는 절단저항에 도달하기 위해서는 취약선 구조는 잔류 벽의 두께가 a인 두 블라인드 홀과 일정한 웹 넓이가 c이고 잔류 벽의 두께가 b인 두 블라인드 홀의 대체순열로 선택된다. TPO시트의 두께보다 적은 잔류 벽의 두께 a는 시트가 부분적으로 제거되는 TPO시트의 재질 매개변수의 기능으로써 결정되나 잔류재질은 장기간동안 일지라도 넓이차원에서 안정되게 남아있도록 충분히 강하다. TPO시트 두께보다 큰 잔류 벽두께 b는 약간의 재질 제거가 발포 층에 영향을 주는 동안 캐리어 층이 완전히 관통되도록 설정된다. 이에 따라 캐리어 층이 지속적으로 약화되는 동안 발포는 상당한 웹 폭에 걸쳐 시트를 지속적으로 지지한다. 상기 발포 층과 상기 TPO시트는 레이저 가공의 파장을 위해 투과율이 현저히 제로보다 크다.

본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해서는 조절 가능한 펄스 출력을 갖는 레이저빔과 조절 가능한 펄스 트레인(pulse train)이 상기 캐리어 층 측면의 합성재질로 보내진다. 합성성분을 통과하는 레이저빔의 성분을 감지하는 센서(sensor)는 TPO시트 측면의 아래에 배열되어 레이저빔의 방향으로 맞추어지도록 한다. 감지기와 레이저빔 소스의 매개변수가 서로 적용되어 가공부위에서 캐리어 층의 제거가 완결되면 첫 번째 신호가 감지된다. 레이저빔과 합성재질사이에서 상대적 움직임이 취약선이 형성될 방향으로 일어난다. 상대적 움직임은 최대 제거비율보다 작으며 펄스의 파장에 비해 무시할 정도로 작은 크기의 속도를 갖는 연속적인 움직임 또는 레이저 방사에 의해 합성재질을 가공하는 동안에 일정하게 중단되는 움직임이다.

합성재질의 가공은 높은 펄스출력을 위한, 캐리어 층을 빨리 관통하는 펄스 체제(pulse regime)에서 시작된다. 펄스체제는 발포된 재질 층의 제거반응에 적용되기 위해 첫 번째 신호가 감지될 때 변화한다. 특히, 선택된 펄스주기는 작아서 열 부하(thermal loading)를 줄이고 재질의 제거를 지연하는 결과를 낳는다. 제거가공이 느릴수록 신호는 더 감지된다. 각각의 신호를 받은 후에는 이미 감지된 신호에 의해 정수화되고 이 정수는 비교측정기와 비교된다. 정수의 수치가 잔류 벽 두께 a를 상관시킴으로써 이미 실험에 의해 산정한 비교측정기의 수치에 도달하자마자 레이저 방사가 차단된다. 두 번째 홀은 첫 번째 홀로부터 웹 거리 c인 지점에서 유사한 방법으로 만들어진다. 제 3과 제 4홀이 만들어지는 동안, 레이저 방사는 형성된 정수치가 비교측정치 b에 도달할 때 스위치는 차단된다. 정수치가 한 번의 신호 또는 몇 개의 신호에 의해 이루어지기 때문에 남아있는 잔류 벽두께의 정확도는 낮다. 한편, 다른 깊이의 경미한 관통이 발포된 재질에서 이루어져도 전체적으로 절취선의 절단저항은 영향을 미치지 못하므로 단점이 되지 않는다.

도 1은 단일성분의 레이저 신호 측정곡선이고,

도 2는 이질성분의 레이저 신호 측정곡선이다.

* 부호설명

1.1. : 단일성분의 측정곡선

1.2. : 이질성분의 측정곡선

2 : 시초값(threshold value)

3 : 컨트롤 신호

Claims (4)

1. 조절 가능한 펄스 레이저 방사(laser radiation)를 이용하여 평면 재질의 한면에 부분적 제거를 가하여 레이저빔과 평면 재질사이에서 취약선(line-shaped weakening)이 형성될 방향으로 상대적인 움직임이 일어나며 취약선을 형성하는 방법으로;

   - 선 모양으로 서로 인접하게 일렬로 배열되며 웹(web)에 의해 서로 각 거리만큼 분리되어 있는 블라인드 홀(blind holes)의 형태로 평면 재질을 제거하는 단계,

   - 개별적인 레이저 펄스 후에 각 블라인드 홀(blind hole)의 바닥을 관통하여 레이저 빔 전송을 감지하는 단계,

   - 각각 감지 후에 블라인드 홀을 형성하는 동안 신호 감지기(detector signal)를 통하여 정수치(integral value)를 형성하는 단계,

   - 모든 블라인드 홀에 관해 미리 결정되고 잔류 벽(residual wall)의 바람직한 강도(strength)와 상호 관련이 있는 기준치(reference value)와 상기 정수치를 비교하는 단계,

   - 상기 기준치에 도달하게 되면 레이저 방사의 스위치가 오프되는 단계,

   - 인접한 2개의 블라인드 홀 사이에서 바람직한 웹 폭(web width)을 결정하도록 미리 결정되어 있는 거리에 걸친 상대 운동이 종결한 후에 상기 레이저 빔을 스위칭 온 하는 단계 및 취약선의 전체 길이에서 취약선이 생성될 때까지 상기 공정 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 취약선의 형성방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 감지된 레이저빔은 재질의 제거를 이루게 하는 상기 방사의 일부인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취약선의 형성방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 감지된 레이저빔은 부가적으로 바로 가공된 블라인드 홀로 향하는 측정 빔(measurement beam)의 한 부분인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 취약선의 형성방법.
4. 제 1항에 있어서, 개별적인 상기 블라인드 홀을 위해 주어진 상기 기준치는 다양한 량의 순열 순환(recurring sequence)을 형성하여 다양한 재질 깊이에서 다양한 웹 폭이 형성되는 것을 특징을 하는 레이저를 이용한 취약선의 형성방법.

Images