KR101729671B1 - 레이저를 사용하는 재료 제거 중에 열 효과를 최소화하는 방법 - Google Patents

Abstract

레이저를 사용하여 시트 재료를 절단하기 위한 프로세스가 레이저를 위한 제1 공구 경로를 사용하여 제1 복수의 라우팅을 수행하고, 제1 공구 경로를 사용하여 제1 복수의 라우팅을 수행한 후에 레이저를 위한 제2 공구 경로를 사용하여 적어도 제2 라우팅을 수행함으로써 향상되고, 제2 공구 경로는 제1 복수의 라우팅을 수행한 결과로서 레이저에 의해 형성된 절단 자국으로부터 횡단한다. z-높이 시프트는 횡단 시프트와 동시에 구현될 수 있다. 공구 경로를 시프트함으로써, 레이저 프로세싱 중에 발생된 플라즈마의 간섭이 레이저와 재료의 결합을 최대화함으로써 최소화되어, 재료의 적은 탈색 및/또는 연소를 초래한다.

Description

레이저를 사용하는 재료 제거 중에 열 효과를 최소화하는 방법{MINIMIZING THERMAL EFFECT DURING MATERIAL REMOVAL USING A LASER}

본 발명은 일반적으로 부품으로부터 재료를 제거하도록 기계 가공을 위해 사용되는 레이저로부터 발생하는 열 효과를 최소화하는 것에 관한 것이다.

컴퓨터 수치 제어(CNC) 또는 다이아몬드 톱 시스템과 같은 기계적 시스템은 플라스틱, 금속 시트 또는 무기질 플레이트를 절단하기 위한 우세한 공구이다. 때때로, 절결을 위한 날카로운 코너가 이러한 용례를 위해 요구된다. 이 경우에, 작은 직경의 드릴 비트(drill bit)가 날카로운 코너를 성취하기 위해 요구된다. 일반적으로, 프로세스 속도는 이러한 드릴 비트의 손상을 회피시키기 위해 저속이 된다. 때때로, 재료는 취성층으로 코팅된다. 이 경우에, 기계적 시스템은 또한 취성층 내의 균열(crack)을 최소화시키기 위해 프로세스 속도를 저속으로 한다.

대안적인 공구는 취성층 내의 균열을 감소시킬 수 있고 그리고/또는 작은 절결 특징부를 가능하게 할 수 있는 레이저 기반 시스템이다.

본 발명의 실시예는 레이저를 사용하여 시트 재료를 절단하기 위한 프로세스의 개량을 제공한다. 일 이러한 개량은 예로서 레이저를 위한 제1 공구 경로(toolpath)를 사용하여 제1 복수의 라우팅(routing)을 수행하는 것과, 제1 공구 경로를 사용하여 제1 복수의 라우팅을 수행한 후에 레이저를 위한 제2 공구 경로를 사용하여 적어도 제2 라우팅을 수행하는 것을 포함하고, 제2 공구 경로는 제1 복수의 라우팅을 수행한 결과로서 레이저에 의해 형성된 절단 자국(kerp)으로부터 횡단한다.

본 발명의 이 용례 및 다른 용례에 관한 변형 및 상세는 이하의 설명이 첨부 도면과 함께 숙독될 때 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 폴리머 시트 재료의 절단 방법에 있어서, 라우팅의 수를 결정하는 것은, 폴리머 시트 재료의 샘플 상에 제1 공구 경로를 사용하여 적어도 3개의 라우팅을 수행하는 것과, 적어도 3개의 라우팅 중 하나를 라우팅의 수로서 선택하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 폴리머 시트 재료의 절단 방법에 있어서, 적어도 제2 라우팅을 수행하는 것은 제1 복수의 라우팅을 수행하고 폴리머 시트 재료를 절단한 후에 레이저를 위한 제2 공구 경로를 사용하여 복수의 제2 라우팅을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 폴리머 시트 재료의 절단 방법은, 적어도 상기 제2 라우팅을 수행한 후에 레이저를 위한 제3 공구 경로를 사용하여 적어도 제3 라우팅을 수행하는 것을 더 포함할 수 있으며, 제3 공구 경로는 제1 공구 경로로부터 z-높이 시프트를 포함할 수 있다.

본 명세서의 설명은 유사한 도면 부호가 다수의 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조한다.

도 1은 절단 깊이 대 라우팅의 수의 비교에 의해 에칭의 포화를 도시하고 있는 그래프.
도 2a 및 도 2b는 레이저 프로세싱 중에 절단 자국의 단면의 단순 개략도.
도 3은 본 발명의 실시예를 구비하는 시스템의 단순 개략도.
도 4a는 레이저에 의해 생성된 직사각형 펄스의 일시적 프로파일을 도시하고 있는 도면.
도 4b는 Rf 펌핑된 펄스화된 CO2 레이저에 의해 생성된 저속 상승 또는 삼각형 펄스의 확대 오실로스코프 출력의 도면.
도 4c는 2개의 상이한 일시적 프로파일을 갖는 상이한 레이저 펄스에 대한 재료의 온도 상승을 비교하는 그래프.
도 5a는 복수의 직사각형 펄스를 갖고 프로세싱된 절단 자국의 확대 평면도.
도 5b는 저속 상승 시간을 갖는 복수의 펄스에 의해 프로세싱된 절단 자국의 확대 평면도.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2-단계 프로세스의 제1 단계에서 절단 자국 절단부의 단면의 단순 개략도.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 2-단계 프로세스의 제2 단계에서 절단 자국 절단부의 단면의 단순 개략도.
도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2-단계 프로세스의 제2 단계에서 절단 자국 절단부의 단면의 단순 개략도.
도 7a는 도 6a에 따른 제1 단계에서 레이저 라우팅의 단순 평면도.
도 7b는 도 6b 또는 도 6c에 따른 제2 단계에서 레이저 라우팅의 단순 평면도.
도 8은 도 6a에 따른 제1 단계에서 다양한 수의 레이저 라우팅에 따라 프로세싱된 절단 자국의 확대 단면도.
도 9는 도 6a 내지 도 6c, 도 7a 및 도 7b에 대해 설명된 바와 같은 다양한 프로세스 방법의 라우팅의 수에 대한 융삭(ablation)을 도시하고 있는 그래프.

플라스틱, 폴리머 또는 금속 시트와 같은 두꺼운 재료의 부분이 레이저에 의해 절결될 때, 열 효과가 특히 코너 또는 작은 곡률의 상부에 무딘 에지로서 나타난다. 무딘 에지는 다른 영역과는 상이하게 광을 반사하고, 결과는 절단 자국을 따라 나타나는 열 링(thermal ring)이다. 절단 자국이 플라스틱 시트 내부에서 충분히 깊을 때, 에칭 속도는 이하에 추가의 상세로 설명되는 바와 같이 포화되는 경향이 있다. 화염은 절단 자국 내부에서 발생될 수 있다. 절단 자국을 따르는 결과적인 용융 및 탄화는 프로세스 품질 및 최종 생성물의 품질을 열화시킨다.

제1 레이저 또는 가스 레이저를 포함하는 고상 레이저가 사용되는 경우, 단일 라우팅의 다수회 반복은 일반적으로 에칭 속도에 따라 두꺼운 재료를 통해 절단되도록 요구된다. 이러한 프로세스는 큰 펄스 에너지 또는 파워로 1회 라우팅에 비해 이들 문제점을 감소시키지만, 열은 여전히 재료 내부에 로딩될 수 있다. 그 결과, 무딘 에지 또는 팽윤 또는 변색과 같은 열 효과가 절단 자국에서 나타날 수 있다.

본 발명의 실시예는 레이저와 프로세싱되는 재료 사이의 결합을 최대화하는 것을 통해 열 효과를 최소화하고 재료 제거를 최적화하는 것을 추구한다.

특정 재료로 제조된 부분의 레이저 융삭 중에, 청결한 프로세스가 재료의 열 이완 시간과 비교하여 높은 흡수도를 갖는 파장을 갖고 짧은 펄스를 갖는 레이저를 사용하여 얻어진다.

큰 펄스 에너지 또는 높은 파워를 갖는 높은 에너지 밀도(fluence)가 재료에 인가될 때, 레이저 융삭에 의해 발생된 플라즈마 및/또는 미세 입자는 절단 자국이 더 깊어짐에 따라 절단 자국 내부에 포획된다. 이어서, 플라즈마 및/또는 입자와 입사 빔 사이의 상호 작용이 현저해져서, 포화를 초래한다. 도 1은 비교적 두꺼운 취성 코팅을 그 상부에 갖는 약 1 mm 두께의 폴리카보네이트 또는 ABS 기판에 대한 이 포화의 예를 도시하고 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 라우팅의 수가 증가함에 따라, 성취된 깊이가 유사하게 증가한다. 이 증가는 대략 소수의 라우팅에 대해 선형이다. 그러나, 일단 라우팅의 수가 특정 점, 여기서 약 6 라우팅에 도달하면, 에칭은 포화되기 시작한다. 즉, 열 효과는 라우팅과 간섭하여 증가된 깊이가 성취될 수 없게 한다.

이론에 의해 구속되지 않고, 플라즈마로의 입사 레이저 빔의 흡수, 작은 입자에 의한 입사 빔의 산란, 초점의 깊이 및/또는 강도 편차와 같은 다수의 손실 메커니즘이 책임이 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 다수의 라우팅 후에, 레이저 강도는 상부면에서보다 절단부 내에서 더 작은 깊이일 수 있다. 플라즈마에 의한 레이저의 흡수도는 파장에 비례한다. 산란은 파장의 4번째 파워에 반비례한다. 흡수를 경유하는 상호 작용은 근처 재료를 가열할 수 있는 플라즈마의 온도를 증가시킨다. 또한, 플라즈마에 의한 입사 빔의 흡수는 프로세스 속도 및 품질의 감소를 유도할 수 있다. 이는 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 도 2a는 레이저[입사 빔(12)에 의해 표현되어 있음]를 사용하는 제1 라우팅 후에 절단 자국(10)의 단면도이다. 절단부의 깊이를 증가시키기 위한 후속의 라우팅 중에, 플라즈마(융삭된 재료)(14)는 에칭 중에 축적되고 절단 자국(10)의 홈 내에 포획될 수 있다.

일 가능한 해결책은 공구 경로 내의 레이저 파라미터를 변경하면서 후속의 라우팅을 수행하여, 도 2b(실제 축적대로 도시되어 있지는 않음)에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 레이저 빔 및/또는 작업편의 z-축(z-높이) 위치를 특히 변경한다. z-축 위치를 변경함으로써, 플라즈마(14)가 입사 빔(12)의 전체 경로를 차단하지 않기 때문에, 제1 공구 경로를 사용하여 반복된 라우팅에 의해 다른 방식으로 발생할 수 있는 플라즈마(14)를 통해 더 많은 입사 빔(12)이 절단 자국(10)에 도달할 수 있다. 플라즈마(14)와의 간섭을 최소화하거나 회피하는 것에 대한 추가의 이점이 레이저의 라우팅에서 횡단 시프트에 의해 성취될 수 있어(예를 들어, 레이저 빔 및/또는 작업편의 x-축 시프트), 하나 이상의 추가의 라우팅이 원래 라우팅(들) 부근에서 발생하지만 플라즈마가 더 용이하게 분산되도록 플라즈마(14)가 포획될 수 있는 영역을 확장시킨다.

본 발명의 실시예는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 2008년 7월 31일 공개된 미국 특허 출원 공개 제2008/0179304 A1호에 설명된 바와 같은 레이저 시스템의 제어에 통합될 수 있다. 도 3은 본 발명이 통합될 수 있는 시트 재료(16)의 부분 상에서 작동하는 레이저 시스템의 일 예를 도시하고 있다. 도 3에서, 연속파(CW) CO2 레이저(18) 및 음향 광학 변조기(AOM)(20)가 서브 마이크로초 레이저 파워 제어기/셔터로서 구성된다. 의사-CW CO2 레이저가 또한 사용될 수 있다. AOM(20)은 또한 CW 레이저(18)를 위한 펄스화기로서 구성된다. 다른 실시예에서, AOM(20)은 펄스화된 레이저를 위한 펄스 취출기(pulse picker)로서 구성될 수 있다. AOM(20)은 또한 펄스 에너지 및 반복율을 조정하기 위해 구성될 수 있어 프로세싱이 일정한 속도 기간 중에 뿐만 아니라 가속 및 감속 기간 중에 발생할 수 있게 된다. 선택적으로, CW 레이저(18)와 AOM(20) 사이에는 예를 들어 브루스터 윈도우(Brewster window)와 같은 격리기(22) 및 셔터(24)가 위치된다. 격리기(22) 및 셔터(24)가 통합되면, 시준기(collimator)(26)가 선택적으로 격리기(22)와 셔터(24) 사이에 위치될 수 있다.

AOM(20)에 의해 선택된 편향각에 따라, 레이저 빔은 반사 위상 지연기(RPR)(32)를 통해 빔 덤프(28)로 또는 제1 미러(30)로 AOM(20)으로부터 지향된다. 제1 미러(30)는 AOM(20)으로부터 선택적 줌 렌즈 시스템(34)을 통해 제2 미러(36)로 레이저 빔을 지향시키고, 이 제2 미러(36)는 개구(38)를 통해 레이저 빔을 지향시킨다. 개구(38)는 제2 미러(36)에 인접한 레이저 빔 경로 내에 위치된 제1 렌즈(38a), 제1 렌즈(38a)에 인접한 개구(38b) 및 개구(38b)의 반대측에 위치된 제2 렌즈(38c)를 포함한다. 제1 렌즈(38a)는 회절 광학 기기와 같은 공간 수정 요소로 변경될 수 있다. 상부 모자형 보(top hat beam)가 이러한 회절 광학 기기와 함께 사용될 수 있다. 또한, 제2 미러(36) 대신에, 빔 스플리터가 개구(38)에 레이저 빔의 부분을 지향시키는 것에 추가하여 AOM(20)에 레이저 파워 제어를 제공하도록 구성된 파워 모니터에 레이저 빔의 부분을 지향시키도록 통합될 수 있다. 개구(38)는 X, Y 스테이지(받침대) 상에 위치된 프로세싱 헤드에 레이저 빔을 지향시킨다. 간단화를 위해, 프로세싱 헤드 및 받침대는 렌즈(40)에 의해 표현된다. 프로세싱 헤드는 추가의 스테이지 작업면(42) 상에 정렬된 시트 재료(16)로 레이저 빔을 지향한다. 물론, 그대로 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 2008년 7월 31일에 또한 공개된 미국 특허 출원 공개 제2008/0181269 A1호에 설명된 바와 같이, 시스템은 CW 레이저(18)로부터 다수의 프로세싱 헤드로 다수의 레이저 빔을 분배하기 위해 하나 초과의 AOM(20)과 같은 추가의 구성 요소를 구비할 수 있다. 도시되어 있고 설명되어 있는 분할된 CW 레이저(18)의 일 이점은 중간 펄스 기간 중에 개구(38)가 냉각될 수 있게 하고 개구(38) 내의 과잉의 열 부하를 회피하는 것이다.

이 장치의 변형예가 상기 설명으로부터 명백한 바와 같이 가능하고, 본 발명의 실시예는 다양한 시스템 구성으로 통합될 수 있다. 추가의 예로서, RPR(32)이 시트 재료(16)의 표면에서 입사 빔(12)이 프로세스 방향에 무관하게 균일한 프로세스를 성취하는 것을 돕기 위해 원편광되는 것을 확실하게 하도록 포함되지만, 이러한 구성 요소는 필수적인 것은 아니다. 또한, AOM(20)은 날카로운 직사각형 펄스를 제공하고, 개구(38b)에서 클립핑된 빔을 시트 재료(16)로 전달하는 개구(38b) 및 3개의 렌즈(38a, 38c, 40)의 조합은 날카로운 공간 에지를 제공한다. 특정 실시예에 따르면, 하나 또는 양 구성 요소를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 어느 것도 필수적인 것은 아니다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 예를 들어, CW 레이저(18)로부터 저속 상승 시간 펄스가 본 발명의 실시예에 사용될 수 있지만, 이는 덜 바람직하다.

적어도 하나의 제어기(44)가 받침대 및 AOM(20)과 같은 다양한 구성 요소를 제어하기 위해 도 3의 시스템 내에 통합된다. 제어기(44)는 시스템을 제어하고 본 명세서에 설명된 바와 같이 특정 프로세스를 수행하는데 필요한 중앙 처리 유닛(CPU), 임의 접근 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM) 및/또는 입력 신호를 수신하고 출력 신호를 송신하는 입력/출력 포트를 포함하는 표준 마이크로제어기일 수 있다. 본 명세서에 설명된 기능은 일반적으로 메모리 내에 저장된 프로그래밍 명령이고, CPU의 로직에 의해 수행된다. 물론, 본 명세서에 설명된 기능을 수행하는 제어기는 외부 메모리를 사용하여 마이크로프로세서일 수 있고, 또는 다른 집적 논리 회로와 조합된 이러한 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기의 조합을 포함할 수 있다. 제어기(44)는 일반적으로 프로세스 제어를 위한 명령을 입력하기 위한 그리고 프로세스 제어를 모니터링하기 위한 키보드와 같은 스크린 및 입력 디바이스를 갖는 퍼스널 컴퓨터 내에 통합되거나 이와 함께 작동한다.

본 명세서의 교시에 따르면, 레이저 재료 결합은 단지 시트 재료(16)를 가열하는데에만 사용되는 레이저 파워의 부분을 최소화함으로써 향상될 수 있어, 입사 빔(12) 접촉 융삭(14)을 최소화함으로써 재료의 변형 및/또는 변색을 초래한다.

도 4a는 도 3에 따른 시스템을 사용하여 생성된 1 μsec 미만의 상승 시간을 갖는 소위 직사각형 펄스를 표현하고 있다. 직사각형 펄스는 펄스가 시트 재료(16)를 융삭하기 위해 상승된 온도에 도달하는데 더 오래 걸리도록 비교적 긴 상승 시간을 갖는 소위 삼각형 펄스에 비교할 때 비교적 짧은 상승 시간을 구비한다. 이러한 저속 상승 시간 펄스의 오실로그래프 출력이 도 4b에 도시되어 있다. 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 펄스 상승 시간은 대략 300 μsec이고, 펄스 폭은 400 μsec(FWHM)에 가깝다.

열 식 (1)은 재료의 열 동역학, 즉 레이저 펄스와 같은 열원의 인가에 기초하여 시간 경과에 따라 얼마나 신속하게 가열하고 냉각하는지를 추정하는데 사용될 수 있다.

(1)

여기서, T(x,y,z,t)는 공간 및 시간에서 재료의 온도이고,

k는 재료의 열 확산도이고,

α는 재료의 흡수 계수이고,

I(x,y,t)는 입사 방사선의 반사되지 않은 부분이고,

V는 재료의 몰 체적이고,

c_p는 재료의 열 용량이고,

이다.

도 4c는 2개의 상이한 유형의 레이저 펄스를 갖는 열 동역학을 시뮬레이션하기 위해 열 식 (1)의 수정을 사용하여 수행된 시뮬레이션이다. 사용된 양 펄스의 형상은 일반적으로 동일한 피크(도 4a 및 도 4b의 예시적인 파형에 도시되어 있는 바와 같이 유닛당 1)를 갖는 삼각형이지만, 이들은 상이한 일시적인 프로파일을 갖는다. 일 펄스는 5 μsec 상승 시간을 갖고, 다른 펄스는 100 μsec 상승 시간을 갖는다. 동일한 재료에 대해, 시뮬레이션은 상승 시간의 큰 차이가 재료의 온도를 상승시키는 효율에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 융삭의 효율에 영향을 미칠 수 있다는 것을 나타낸다. 그 결과, 시트 재료(16)는 연장된 상승 시간 중에 벽 및 에지 품질에 영향을 미치는 내부 열을 갖고 로딩된다.

시뮬레이션을 검증하기 위해, 플라스틱 시트는 상이한 일시적인 프로파일, 즉 고속 상승 시간 펄스 및 저속 상승 시간 펄스를 갖는 CO2 레이저를 사용하여 절단되고, 결과는 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 도 5a는 CW 레이저(18) 및 AOM(20)(고속 상승 시간 펄스)에 의해 절단된 절단 자국 프로파일을 도시하고 있고, 도 5b는 일반적인 펄스화된 CO2 레이저(저속 상승 시간 펄스)에 의해 절단된 절단 자국 프로파일을 도시하고 있다. 도 5b의 절단부의 초기 지점은 더 현저한 열 효과를 도시하고 있다. 즉, 직사각형 펄스를 사용하여 레이저 조사된 도 5a의 절단 자국 프로파일은 비교적 저속 상승 시간을 갖는 펄스를 사용하여 레이저 조사된 도 5b의 절단 자국 프로파일보다 적은 열 효과, 예를 들어 변색 및 연소를 나타내고 있다. 이 시험은 시뮬레이션을 확인하였다. 재료 제거 속도가 포화될 때, 효율은 감소한다. 더 많은 레이저 파워가 플라즈마 및 인접 재료를 가열하는 것으로 진행한다. 결과적인 효과는 절단 자국을 용융하고 그리고/또는 절단 자국을 확장하고 그리고/또는 상부 코팅을 층간 박리함으로써 상부면을 탈색하는 것이다. 도 5b에서 알 수 있는 바와 같이, 삼각형 펄스는 또한 더 큰 직경의 절단 자국을 생성한다. 작은 테이퍼를 갖는 벽이 요구될 때, 플라즈마 유도 연소의 발생을 회피하는 것이 바람직하다. 이러한 열 효과는 이하에 설명되는 바와 같이 11개의 라우팅 후에 절단 자국의 에지에서 도 8에 도시되어 있다. 본 발명의 실시예는 더 바람직하게는 이러한 발생을 회피하는 것이 더 쉽기 때문에 고속 상승 시간 펄스(예를 들어, 직사각형 펄스)를 사용하고, 여기에 나타낸 예는 이러한 펄스를 사용한다. 그러나, 더 저속의 상승 시간 펄스가 또한 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 일 프로세스가 도 6a 내지 도 6c, 도 7a 및 도 7b에 대해 추가의 상세로 설명된다. 대체로, 프로세스는 적어도 2개의 단계를 포함한다. 제1 단계는 제1 공구 경로[예를 들어, 일반적으로 제어기(44)에 의한 구현을 위해 공구 경로로서 저장됨]에 따라 다수의 라우팅을 수행하는 레이저를 사용하여 재료를 제거하는 것이다. 제1 단계는 바람직하게는 재료 제거의 선형 영역, 즉 제1 공구 경로를 사용하여 추가의 라우팅이 포화의 증거 없이 재료를 계속 제거하는 영역에서 수행된다. 다른 방식으로 말하면, 선형부는 입력 파워가 재료 제거를 위해 선형적으로 사용되는 것을 의미한다. 기울기가 감소할 때(예를 들어, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이), 재료 제거의 효율이 감소한다. 그러나, 특히 선형 영역이 작고 그리고/또는 절단 자국(10)의 요구 깊이가 깊은 몇몇 상황에서, 제1 단계는 포화 영역 내로 계속될 수 있다. 이는 특히 완성된 에지의 요구가 그 외관에 몇몇 탄력성이 존재하도록 하는 것인 경우에 해당한다. 도 6A는 복수의 라우팅에 따른 제1 단계 중에 절단 자국(10)을 형성하는 레이저의 빔(12)을 도시하고 있다. 대부분의 재료는 통상적으로 제1 단계에서 제거된다.

제2 또는 이후의 단계는 제1 공구 경로로부터의 횡단 시프트, 즉 제1 단계에 의해 생성된 자취[도 6a에 도시되어 있는 절단 자국(10)]로부터의 횡단 시프트를 갖는 제2 공구 경로를 사용하여 적어도 하나의 추가의 라우팅을 수행하는 것을 포함한다. 물론, 본 발명은 제2 단계에 한정되는 것은 아니고, x-축, z-축 또는 모두로의 추가의 조정을 갖는 추가의 단계를 포함할 수 있다. 도 6b는 이러한 횡단 시프트를 갖는 제2 단계 중에 도 6a의 절단 자국(10)을 도시하고 있다. 이 제2 단계는 적은 입사 빔(12)이 플라즈마(융삭된 재료)(14)에 의해 흡수되고 그리고/또는 편향되기 때문에 CW 레이저(18)와 같은 레이저가 재료와 더 양호하게 결합할 수 있게 한다. 즉, 융삭의 포화는 레이저 빔 경로가 플라즈마(14)에 지향되지 않기 때문에 최소화될 수 있다. 도 6b는 도 2b에 대해 전술된 바와 같이 횡단 시프트(또한 x-축 시프트라 칭함) 및 z-축 시프트의 모두를 포함하는 대안적인 제2 단계를 도시하고 있다. 이 실시예에 따르면, 제2 단계는 또한 절단 자국(10)의 저부 부근의 재료를 제거하고 벽 품질을 향상시키기 위해 테이퍼를 향상시킨다. 제1 공구 경로에 따른 라우팅을 계속 적용하는 것에 대한 제2 단계의 라우팅에서 재료 및 레이저[구체적으로, 입사 빔(12)]의 더 양호한 결합에 기인하여, 열 효과가 최소화된다.

횡단 또는 x-축 시프트는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 더 명백하게 설명된다. 제1 단계는 가능하면 프로세스가 포화되기 전에 몇몇 재료를 융삭하고, 원하는 절단 자국 폭(w2)보다 작은 지정된 치수의 절단 자국 폭(w1)을 제공한다. 예를 들어, 제1 공구 경로가 도 7a에 도시되어 있는 바와 같이 원을 형성하기 위해 복수의 라우팅을 적용한다. 다음에, 제2 단계는 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이 횡단(x-축) 방향에서 몇몇 시프트를 갖는 제2 공구 경로의 하나 이상의 라우팅을 적용한다. 제2 단계에 대해, z 높이는 또한 도 6c에 대해 설명된 바와 같이 더 깊은 절단부에 대해 조정될 수 있다. 이 방식으로, 제2 단계는 점선에 의해 도시되어 있는 바와 같이 원하는 절단 자국 폭(w2)의 절단 자국(10)을 제공하고, 마찬가지로 z-축 시프트와 관련될 수 있다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 절단부는 원형 절단 자국(10)을 생성하는 원형 절단부이다. 그러나, 본 발명은 선형 세그먼트를 갖는 절단부를 포함하는 다른 절단부로 적용 가능하다. 임의의 경우의 제2 공구 경로는 제1 단계에 의해 발생된 절단 자국 또는 자취의 중심에 대해 횡단 시프트를 통합한다. 용례가 절결부이고 제거된 부분(도 7a의 원형 부분과 같은)의 품질이 중요하지 않으면, 제1 단계는 이것이 제2 단계 후에 많은 열 효과를 남겨두는 한 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 공지된 바와 같이 비교적 공격적인 절단부일 수 있다. 이 방식으로, 제2 단계는 개구를 위한 청결한 에지를 생성하면서 최소 열 효과에 대한 최적 파라미터를 갖고 적용될 수 있다.

언급된 바와 같이, 제1 단계에서 라우팅의 수는 재료 제거의 선형 영역에서 가장 바람직하게 수행된다. 이 선형 영역은 재료의 열 영향 구역에 의존한다. 알려진 열 영향 구역의 정도에 의해, x- 및/또는 z-시프트는 선형 영역으로 확장하도록 착수되어 적절한 횡단 시프트를 갖는 다수의 공구 경로 파일을 형성한다. 이들 단계의 상세는 도 8 및 도 9를 참조하여 가장 양호하게 설명된다.

도 8 및 도 9의 예에서, 시트 재료(16)는 30 ㎛ 두께 취성 코팅을 갖는 약 1 mm 두께 플라스틱(폴리카보네이트)이다. 레이저 프로세싱 후에 에지가 날카로워지는 것이 바람직하다. 단일 라우팅에서, 열 영향 구역은 펄스 폭의 제곱근에 비례한다. 즉, 확산 길이 또는 열 영향 구역이 식 (2)에 의해 대략적으로 추정될 수 있고,

(2)

k는 열(열적) 확산도이고,

Tp는 펄스 폭이다.

이 관계에 기인하여, 짧은 펄스를 사용하는 것이 바람직하지만, 재료 제거 속도는 펄스 폭과 피크 높이의 적(product)인 펄스 에너지에 따라 증가한다. 이 시험을 위한 변수를 제한하기 위해, 피크 높이가 고정된다. 그 결과, 펄스 폭은 열 효과 및 처리량에 대해 조정되는 변수이다. 시간이 냉각하기 위해 재료 시간을 제공하는 제1 단계 라우팅 사이에 포함될 때 그리고 반복 속도 등을 조정할 때에도, 재료 제거 속도는 가능하게는 많은 입사 빔을 흡수하는 홈 내부의 플라즈마의 구속에 기인하여 라우팅의 수가 증가함에 따라 포화한다.

식 (2)는 하나의 라우팅에서 열 영향 구역을 대략적으로 추정하지만, 이 추정의 정확도는 다수의 라우팅으로 급속하게 감소한다. 열 영향 구역은 융삭이 아니라 열 효과가 발생하는 절단 자국의 외부에 있다. 에칭 깊이는 재료의 흡수 계수의 역수로서 추정될 수 있다. 에칭 깊이가 주어지면, 도 1에 도시되어 있는 것과 같은 실험에 기초하는 실험 식이 선형 영역을 예측하는데 사용될 수 있다.

대안적으로, 열 식 (1)이 하나 초과의 라우팅이 수행될 때 공간 및 시간에서 재료의 열 동역학을 추정하도록 수정될 수 있고, 따라서 열 영향 구역을 추정하는데 사용될 수 있다.

본 명세서에 설명된 바와 같이, 열 영향 구역을 규정하고 제1 및 제2 수의 라우팅과 함께 횡단 및/또는 z-축(또는 z-높이) 시프트를 결정하는 것은 실험적으로 이루어졌다. 원하는 절단 깊이 프로파일 및 30 ㎛ 두께 취성 코팅을 갖는 약 1 mm 두께 플라스틱(폴리카보네이트)을 포함하는 시트 재료(16)가 주어지면, 펄스 특징을 선택하는 방법이 통상적으로 적용된다. 이는 150 mm/s의 라우팅 속도를 갖는 5.1 μsec 길이 펄스를 갖는 50 kHz 레이저를 사용하여 실험 조건을 초래한다. 개구(38)는 파워의 20% 만큼 빔을 클립하기 위해 500 ㎛의 직경을 가졌고, 최종 펄스는 25 kHz에서 95% 듀티 사이클을 가졌다.

제1 단계에서 다수의 라우팅이 수행되고, 재료 제거의 속도가 포화될 때를 판정하기 위해 라우팅 수 1, 3, 5, 7, 9, 11에서 깊이의 측정이 수행되었다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 포화는 5개의 라우팅 후에 시작되었다. 여기서, 제1 단계에 대해 선택된 라우팅의 수는 5개의 라우팅이었다. 선형 영역에서 다수의 라우팅을 취할 필요는 없지만, 청결한 에지가 요구되고 재료가 더 넓은 선형 영역을 갖는 경우에 이러한 것이 바람직하다. 에지 품질에 대한 요구에 따라, 다수의 라우팅을 선택할 수 있다. 제2 단계에 대해 x-축을 따라 얼마나 많이 시프트하는지는 테이퍼 및 처리량과 같은 에지 품질에 의해 결정될 수 있다. 시프트가 절단 자국 폭과 비교하여 너무 작으면, 선형 방식으로 재료 내로의 추가의 침투가 발생하지 않을 수 있다. 이론에 의해 구속되지 않고, 이는 발생된 플라즈마(14)가 플라즈마와 입사 빔(12) 사이의 결합을 완화하기 위해 팽창(탈출)하는데 충분한 공간을 갖지 않기 때문이다.

여기서, 시프트의 양은 실험적으로 결정되었다. z-높이(즉, z-축 방향)에서 시프트의 양은 재료에 의존할 수 있지만, 목표는 1 단계 프로세스가 손상을 최소화하면서 추가의 재료를 제거하기 위해 있을 수 있는 점을 지나 선형 방식으로 제거 속도를 확장하기 위해 시프트의 최적의 양을 발견하는 것이다. 제1 및 후속 라우팅을 서로 공간적으로 중첩된다.

도 9는 다양한 프로세스 방법에서 라우팅의 수에 대한 융삭을 도시하고 있다. 1-단계 프로세스는 단지 제1 공구 경로에 대한 임의의 파라미터를 변경하지 않고 라우팅의 수를 증가시킨다. 제2 단계는 횡단 시프트(x 시프트) 및/또는 z-높이 변화를 통합한다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 단계로서 횡단 및 z-높이 조정을 갖는 2-단계 프로세스는 절단부의 추가의 깊이가 감소된 열 효과를 갖고 성취될 수 있기 때문에 융삭 프로세스를 향상시킨다. 도 9에서, 라우팅의 총 수는 제1 및 제2 단계에서의 라우팅의 합이고, 제1 단계가 5개의 라우팅을 포함한다. x-축 시프트는 50 ㎛이고, z-높이는 상부면으로부터 상부면 아래로 700 ㎛ 이동된다.

본 발명의 실시예는 횡단 및/또는 y-축 시프트를 포함하는 제2 단계를 추가함으로써 레이저와 재료 사이의 결합을 최대화한다. 이는 최소의 테이퍼 및 날카로운 절단 자국 에지를 갖는 벽을 얻는다. 벽은 또한 과잉 용융 및 변색과 같은 최소의 열 효과를 표시한다. 그 결과, 프로세싱 중에 재료의 제거가 최적화된다.

본 발명이 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 반대로 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함된 다양한 수정 및 등가의 배열을 커버하는 것으로 의도된다는 것이 이해되어야 하고, 이 범주는 법 하에서 허용되는 바와 같이 모든 이러한 수정 및 등가의 구조를 포함하기 위해 가장 넓은 해석에 따른다.

10: 절단 자국 12: 입사 빔
14: 플라즈마 16: 시트 재료
18: CO2 레이저 20: 음향 광학 변조기(AOM)
22: 격리기 24: 셔터
30: 제1 미러 32: 반사 위상 지연기(RPR)
34: 줌 렌즈 시스템 36: 제2 미러
38: 개구 38a: 제1 렌즈
38b: 개구 40: 렌즈

Claims (10)

1. 레이저를 사용하여 폴리머 시트 재료를 절단하기 위한 방법으로서,
   레이저를 위한 제1 공구 경로를 사용하여 제1 복수의 라우팅을 수행함으로써, 제1 공구 경로를 따라 폴리머 시트 재료의 표면에 절단 자국을 형성하되, 각 라우팅이 제1 공구 경로를 따라 폴리머 시트 재료 내의 깊이를 증가시키고, 상기 제1 복수의 라우팅을 수행하는 것은 레이저에 의한 재료 제거의 선형 영역에서 발생하며, 상기 레이저에 의한 재료 제거의 선형 영역은 제1 복수의 라우팅의 각 라우팅 동안 레이저가 폴리머 시트 재료의 동일량을 제거하여 상기 절단 자국을 형성하도록 하는 상태인 것과,
   상기 제1 공구 경로를 사용하여 상기 제1 복수의 라우팅을 수행한 후에 레이저를 위한 제2 공구 경로를 사용하여 적어도 제2 라우팅을 수행하는 것을 포함하고,
   상기 제2 공구 경로는 폴리머 시트 재료의 상부면을 따른 방향으로 제1 공구 경로로부터 시프트됨으로써, 절단 자국의 폭을 제2 공구 경로를 따라 추가량 만큼 연장시키고,
   상기 제2 공구 경로는 상기 제1 공구 경로로부터 z-높이 시프트를 포함하는 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저의 펄스는 1 마이크로초 미만의 상승 시간을 갖는 직사각형 펄스인 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 복수의 라우팅을 위한 라우팅의 수를 결정하는 것을 더 포함하는 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 라우팅의 수를 결정하는 것은,
   실험에 의한 상기 재료 제거의 선형 영역을 결정하는 것과,
   실험에 기초하여 라우팅의 수를 선택하는 것을 포함하는 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 라우팅의 수를 결정하는 것은,
   폴리머 시트 재료의 샘플 상에 상기 제1 공구 경로를 사용하여 적어도 3개의 라우팅을 수행하는 것과,
   적어도 3개의 라우팅 중 하나를 라우팅의 수로서 선택하는 것을 포함하는 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 제2 라우팅을 수행하는 것은 상기 제1 복수의 라우팅을 수행하고 폴리머 시트 재료를 절단한 후에 레이저를 위한 제2 공구 경로를 사용하여 복수의 제2 라우팅을 수행하는 것을 포함하는 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   적어도 상기 제2 라우팅을 수행한 후에 레이저를 위한 제3 공구 경로를 사용하여 적어도 제3 라우팅을 수행하는 것을 더 포함하고, 상기 제3 공구 경로는 상기 제1 공구 경로로부터 z-높이 시프트를 포함하는 것인 폴리머 시트 재료의 절단 방법.
9. 삭제
10. 삭제

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