KR20100031065A - 레이저를 이용하여 물질층에 일련의 관통홀들을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물질층에 일련의 홀들을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에어백 커버의 제1 물질층에 소정의 절단선을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 각 홀의 제조 시 형성되는 플라즈마에 의한 복사는 가공측으로부터 검출된다. 각각 얻어진 신호 진행 곡선으로부터 신호 시작 시점, 및 소정의 플랭크(flank) 기준을 충족하는 하강 플랭크 구간 발생 시점이 포착되고 저장된다. 하강 플랭크 구간의 시점은 각각 레이저의 스위치 오프를 위한 스위칭 기준을 나타낸다. 홀 마다 저장되는 두 개의 시점들의 차는 각 홀에 대한 품질 기준을 나타낸다.

에어백 커버, 절단선, 레이저, 플라즈마 복사, 공정 컴퓨터

Description

레이저를 이용하여 물질층에 일련의 관통홀들을 제조하기 위한 방법{METHOD FOR PRODUCING A SERIES OF THROUGH-HOLES IN THE MATERIAL LAYER USING A LASER}

본 발명은 물질층에 일련의 관통홀들(홀들)을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 때 상기 물질층은 다층으로 된 가공품(workpiece)의 제1 층 또는 단일층의 가공품을 나타내며, 특히, 상기 가공품은 에어백 커버이다.

가장 근접한 종래 기술로는 DE 39 13 785 A1이 고려된다.

물질층을 완전히 통과하는 홀들을 생성하기 위해, 홀 영역의 물질 제거가 완전히 수행된 후에, 비로소 레이저 복사가 스위치 오프(switch-off)되어야 한다. 레이저 출력 및 포커스 위치와 같은 공정 파라미터의 편차 또는 물질 밀도 편차나 변형과 같은 물질층의 특성 때문에, 상기의 완전한 물질 제거는 설정된 고정 가공 시간 또는 펄스 시퀀스(pulse sequence)에 걸쳐 보장되지 않을 수 있어서, 더 이상 필요하지 않은 레이저 출력을 생성하지 않고, 경우에 따라서 다른 층들을 손상시키지 않으며, 홀이 보이는 측에서 홀 직경을 작게 유지하기 위해, 상기 물질 제거를 감시하고, 각 홀이 완성된 직후 레이저를 스위치 오프하는 것이 일반적이다.

가공품에 서로 이격된 일련의 홀들을 제조하기 위해, 도구로서의 레이저 복 사를 위치 고정적으로 가공품의 표면을 향하게 하고, 가공품을 상기 레이저 복사에 대해 상대적으로 안내하는 방법의 경우, 예컨대 센서를 이용하여 완전한 물질 제거를 감시할 수 있는데, 이러한 센서는 상기 레이저 복사와 반대 방향에 위치한 가공품의 측에 위치 고정적으로 배치되어, 상기 투과성 레이저 복사를 검출한다.

이에 반해, 가공품을 위치 고정적으로 유지하고, 레이저 빔을 가공품을 관통하며 상대 이동시키는 방법의 경우, 오히려, 레이저 복사와 반대 방향에 있는 측에 배치된 센서를 이용하는 감시는 부적합하다. 센서와 레이저 빔이 항상 서로에게 고정적으로 부속해야 하므로, 센서는 레이저 빔과 동일하게 가공품에 대해 상대 이동해야 한다. 이는, 구조적이고 제어 기술적 비용을 상승시켜, 오류가 나기 더 쉽다.

또한, 센서를 레이저 복사와 반대 방향에 있는 측에 배치하는 것의 단점은, 가공품이 다층 구조로 되어 있고, 일련의 홀들을 제1 물질층에만 삽입해야 하는 경우, 상기와 같은 배치 및 그에 상응한 방법이 적용될 수 없다는 것이다.

가공품의 다양한 응용을 위해, 완전한 홀 형성 이후 레이저를 스위치 오프하기 위해서는, 물질 제거의 감시 외에, 홀 형성 시 상기 홀에 대한 품질 파라미터를 포착하는 것이 필요하며, 이러한 파라미터는, 일련의 홀들을 포함하여 제조된 가공품이 양품 또는 불량품에 부속될 지를 결정하는 데 적합하다.

특히, 물질층이 에어백 커버의 층이고, 일련의 홀들이 소정의 절단선을 형성하는 경우, 상기 홀 직경이 좁은 허용 오차 범위에 있는 것이 매우 중요하다. 홀 직경 및 홀 간격은 기하학적 크기로서 물질의 인열 강도와 함께 상기 절단선의 인열 저항에 영향을 주므로, 전체 공정 동안 포커스 위치는 안정적으로 유지되어야 한다. 에어백 커버는 안전 관련 부품으로, 이러한 부품의 소정의 절단선은 상기 절단선 뒤에 배치되며 소정의 개봉력을 가진 에어백의 동작(activation) 시 신뢰할만하게 개봉되어야 하므로, 공정 파라미터들의 기술적 안정성을 정기적으로 입증받기가 충분하지 않은 자동차 제조사는 제조 공정 동안 효율상의 이유로 수행되어야 하는 백퍼센트 품질 관리 및 -문서를 요구한다.

DE 39 13 785 A1에는 레이저를 이용한 제거 방법 및 이에 적합한 장치가 기술되어 있는데, 여기서 제2 물질의 제거는 제1 물질에 의해 제어되어야 하며, 상기 제거 단계에서 발생하는 플라즈마에 상기 제2 물질이 있는 지의 여부가 적어도 하나의 복사 검출기를 이용하여 감시되면서 제어된다. 이 때 복사 검출기는 제2 물질에 대해 특징적인 파장 영역들에서 상기 플라즈마에 의해 야기된 복사의 세기를 측정한다. 그러므로, 예컨대, 센서를 통해 어떠한 신호도 더 이상 생성되지 않거나, 약한 신호만이 생성되는 경우, 제1 물질상에 제2 물질이 없거나 근소한 정도로만 존재하는 것으로 확정할 수 있고, 이에 상응하여 가공은 중단될 수 있다. 기술된 방법은 플라스틱으로 오버 몰딩된 전기 소자 또는 전자 소자의 전기적 단자들로부터 플라스틱 침전물을 제거하기 위해 사용되는 것이 유리할 것이다. 플라즈마 복사의 검출은, 복사 검출기에 의해 전달된 신호 진폭에 의존하여, 상기 신호 진폭이 소정의 값보다 낮은 경우 가공 공정을 중단시키기 위해서만 수행된다. 상기 신호 진폭은 포착된 복사 세기에 비례한다. 홀들의 생성 시 공정을 제어하기 위해 이러한 방법을 사용한다는 지시문은 없다.

DE 41 24 162 C1에는 레이저빔 물질 가공, 특히 세라믹 가공품들의 절단 시 품질 최적화를 위한 방법 및 장치가 공지되어 있다. 상기 방법을 수행하기 위해, 레이저빔은 절단되어야 할 가공품의 상측으로 지향되고, 형성되는 플라즈마로부터 발생하는 광 신호들은 포토다이오드를 이용하여 포착된다. 포토다이오드의 감광면에 입사되는 플라즈마 복사 세기에 대한 수치로서 측정 신호들은 공정 컴퓨터에 수집되고, 상기 공정 컴퓨터는 각각의 평균 플라즈마 복사 세기를 산출한다. 공정 컴퓨터는 상기 산출된 플라즈마 복사 세기를 기준값과 비교하고, 측정된 평균 플라즈마 복사 세기와 기준값과의 오차를 최소화하기 위해, 상기 기준값과의 오차에 따라, 가공품의 전진 이동을 제어할 때의 제어 장치를 위한 제어 신호들 및 레이저의 샘플링 주파수를 변경하거나 레이저 출력을 변경할 때의 제어 장치를 위한 제어 신호들을 생성한다. 이를 위해, 공정 컴퓨터의 샘플링 속도는 레이저의 펄스 주파수와 동일하게 선택된다.

레이저 빔이 가공품을 확실히 관통하기 위해, 상기 레이저 빔과 반대 방향에 있는 하측에 다른 포토다이오드가 배치된다. 제시된 바와 같이, 공정 파라미터 및 공정의 중단은 2개의 포토다이오드들에 의한 측정 신호로 제어된다.

DE 102 61 667 A1은 예비 선택한 절단선을 따라 레이저 빔을 안내하여 가공품을 레이저 절단하기 위한 방법 및 장치를 기술하며, 절단 공정 동안 상기 절단선 영역에는 레이저 빔의 이동 방향으로 주행하는 플라즈마가 형성되고, 상기 플라즈마는 연속적으로 관찰되며 상기 플라즈마의 적어도 하나의 관찰된 특성은 실시된 절단 공정의 품질과 관련된다. 절단선에서 레이저 빔의 위치에 생성되는 가시적 플라즈마가 상기 절단선의 전체 범위를 따라 실질적으로 변경되지 않으면, 즉 특히 상기 플라즈마로부터 시작된 광의 세기가 일정하다면, 양호한 절단 결과가 얻어진다는 점을 고려할 때, 예컨대 공정 중의 세기의 관찰 결과는, 제조된 단면의 품질에 대한 직접적 판단과 결부될 수 있다. 예컨대 물질 결함에 의해 야기된 일시적인 플라즈마 편차 또는 기계적 오류에 의한 지속적 플라즈마 편차가 발생하면, 이러한 편차는 낮은 품질의 절단 공정을 의미하고, 해당 가공품들은 공정 동안에도 폐기품으로 제거될 수 있다. 여기서 플라즈마 관찰은 공정 관리의 역할만 하고, 공정을 제어하진 않는다.

본 발명의 과제는 물질층, 특히 에어백 커버의 물질층에 레이저를 이용하여 일련의 홀들을 생성하는 방법을 제공하는 것이며, 이 때 각각의 완전한 홀 형성이 보장되고, 각 홀에 대한 품질 기준이 포착되어야 한다.

상기 과제는 특허 청구 범위 1항의 특징들을 포함한 방법을 통해 해결된다.

유리한 발전예들은 그에 수반된 각각의 종속항들에 기술되어 있다.

이하, 본 발명은 도면에 의거한 실시예에서 더욱 상세히 설명된다.

일련의 관통홀들이 삽입되어야 하는 물질층은 단층의 가공품을 형성하거나, 다층 가공품의 제1 층을 나타낼 수 있다. 에어백 커버로서 가공품을 사용하는 경 우, 단일층 에어백 커버를 의미하거나 다층 에어백 커버의 지지층을 의미할 수 있다. 이 때, 지지층은 다른 층들이 라미네이팅되기 전에 가공될 수 있으며, 상기 다른 층들이란, 장식층만을 의미하거나 예컨대 거품층(foam layer) 또는 스페이서 직물(spacer fabric)과 같은 예비 배치된 중간층을 포함한 장식층을 의미하며, 상기 스페이서 직물은 에어백 커버의 부드러운 촉감을 위한 역할을 한다. 지지층은 상기 층들의 라미네이팅 이후 가공될 수도 있다.

본 방법을 수행하기 위해, 가공해야 할 가공품을 위치 고정적인 가공품 홀더에 고정하고, 가공품의 표면 특히 가공품의 후측으로 레이저 복사를 향하게 하고, 생성되는 일련의 홀들의 소정의 방향을 따라 상기 가공품에 대해 상대적으로 안내한다.

레이저 복사가 방출하는 레이저는, 홀이 생성되는 가공품의 위치에 복사축이 도달한 경우 각각 스위치온 되도록 제어된다. 레이저 복사의 작용 영역에는 물질 기화, 물질 이온화 및 플라즈마 형성이 발생한다.

DE 39 13 785 A1에 기술된 방법과 유사하게, 레이저는 플라즈마에 의존하여 스위치 오프되어야 하는데, 이를 위해, 레이저 복사에 대한 고정 위치에는 상기 레이저 복사의 입사점으로 지향된 복사 검출기가 배치된다. 복사 검출기는 가공될 물질에 의해 야기되는 플라즈마 복사의 파장 영역에서는 민감하나, 레이저 복사의 파장 영역에서는 그렇지 않다. 물질층이 다층 가공품의 제1 층인 경우, 그에 후속한 층의 물질로부터 형성되는 플라즈마는 상기 복사 검출기에 의해 검출되는 파장 영역에서 복사하지 않거나, 제1 물질층의 물질보다 현저히 낮은 밀도를 가져야 하며, 이를 통해, 경우에 따라서 형성되는 플라즈마의 양이 현저히 더 적다.

물론, 레이저 복사의 스위치 오프를 위한 스위칭 기준으로서, 소정의 기준값에 도달함 또는 미만이 사용되지 않고, 레이저 복사가 작용하는 동안 소정의 백분율 심호 감소에 대한 인지가 사용된다. 상기 신호 감소는 플라즈마 복사의 소정의 세기 감소를 반영한다. 이러한 신호 감소는 이하에서 하강 플랭크 구간으로 표현된다.

스위칭 기준으로 하강 플랭크 구간을 이용하면, 방법 전에 또는 방법의 시작 시에, 신호와 비교할 수 있는 물질 특이적 기준값을 산출할 필요가 없다는 이점이 있다.

복사 검출기에 의해 검출된 플라즈마 복사 세기가 상기 검출기의 감도 영역에 있음이 확인되는 것으로 충분하다. 이 때, 하강 플랭크 구간으로는, 소정의 플랭크 지속 시간에 신호 크기에 있어 소정의 값만큼의 백분율적 감소로 인지된다. 이 때, 상기 백분율적 감소는 적어도 30%, 예컨대 70%이고, 플랭크 지속 시간은 10 ms보다 작고, 예컨대 3 ms보다 작아야 한다. 도 1에는, 시간에 대한 레이저 출력의 제어(상부 곡선(1)) 및 시간에 대한 복사 검출기의 신호 진행 곡선(하부 곡선(2))이 나타나있다.

이로써, 스위칭 기준은 신호 진행 곡선의 약간의 낮은 편차 및 절대 신호 크기에 무관하며, 상기 절대 신호 크기는 물질들이 서로 다른 경우 서로 매우 다를 수 있다.

형성되는 플라즈마를 이용하여, 레이저 복사의 스위치 오프 외에, 홀 형성에 대한 품질 기준도 얻어져야 한다.

플라즈마 특성, 특히 공정이 진행되는 동안에 플라즈마의 복사 세기를 고찰하여 그로부터 제거 품질을 판단하는 공지된 방법과 달리, 본 발명에 따른 방법에서 플라즈마 특성은 완전히 제외된다.

그 대신, 품질 기준은 신호 형성부터 시작하여 하강 플랭크 구간의 포착에 이르는 포착 지속 시간으로 형성된다.

공정 파라미터들, 즉 레이저 출력, 펄스 주파수 및 펄스 지속 지간의 안정성은 높다고 가정했을 때, 상기 포착된 지속 시간, 특히 포커스 위치 변화에 따라 야기된 지속 시간이 소정의 기준 지속 시간과 다른 경우가 있을 수 있다. 특히, 포커스 위치 변화는 가공품의 기하학적 형상 변화 즉 변형에 의해 야기된다. 이러한 변형으로 인해, 가공품 및 레이저 복사의 포커스의 상대적 위치가 기준 위치에 상응하지 않게 됨으로써, 소정의 홀 직경과 상기 홀 직경 사이에 오차가 발생할 수 있다. 기타 공정 파라미터들이 일정하고, 홀 직경이 더 크거나 더 작은 경우, 물질은 다소간으로 제거되고, 기화되고 이온화된다. 즉, 이에 상응하여, 포착된 지속 시간은 더 길거나 더 짧다.

기준값은, 올바르게 조절된 포커스 위치가 보장되는 가공품과 레이저 복사 사이의 위치에서 제조되는 기준홀로 결정된다.

방법이 진행되는 동안, 형성될 일련의 홀들은 차례로 제조되고, 그 사이에 복사 검출기는 형성되는 플라즈마 복사를 검출한다. 검출기에서 홀 마다 형성되는 신호 진행 곡선은 계산 유닛에 전달되고, 여기서 상기 진행 곡선은 플랭크 기준과 비교된다. 플랭크 기준은, 소정의 백분율적 신호 크기 감소가 산출되면 충족된다. 플랭크 기준이 충족됨을 확인한 직후, 레이저가 스위치오프되고, 다음 홀을 위한 위치에 레이저 빔이 도착했을 때 비로소 다시 스위치온된다. 각 홀의 제조 동안 플라즈마 복사의 지속 시간은, 신호 시작 시점과 하강 플랭크 구간 인지 시점의 차가 형성되어, 각 홀에 부속하여 저장되면서, 산출된다. 신호 시작 시점은 검출기의 감도 한계 또는 소정의 임계값일 수 있다.

이후, 홀들의 품질이 허용오차 내에 또는 밖에 있는지를 확인하기 위해, 상기 시점에서 상기 홀들에 부속한 값들이 소정의 허용 오차 범위내에 있는지를 검사한다. 소정의 시간 내에 플랭크 기준을 충족하는 어떠한 하강 플랭크 구간이 포착되지 않는 경우, 레이저는 스위치오프되고, 해당 홀은 불량 위치로 명명된다.

도 1은 레이저의 스위치온 단계에 걸쳐 복사 검출기의 신호 진행 곡선을 나타낸다.

Claims (6)

1. 레이저를 이용하여 레이저로부터 방출된 레이저 복사를 물질층으로 향하게 하고, 물질 제거에 의해 야기된 플라즈마 복사를 검출하여 신호를 형성시키며, 상기 신호로부터 상기 레이저의 스위치 오프를 위한 스위칭 기준을 추론하여 상기 물질층에 일련의 홀들을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 각 홀의 제조 동안 신호를 형성시키고, 상기 형성된 신호의 시작 시점과 소정의 플랭크 기준을 충족하는 하강 플랭크 구간의 발생 시점을 포착하여 상기 제조한 각각의 홀에 부속하여 저장하는 단계;

   상기 레이저를 상기 하강 플랭크 구간이 인지되는 시점에 각각 스위치 오프하여, 각각 하나의 홀을 형성하는 단계; 및

   상기 홀 마다 산출된 두 개의 시점들의 차로부터 지속 시간을 산출하고, 상기 지속 시간을 각 홀을 위한 품질 기준으로서 소정의 기준 지속 시간과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 플랭크 기준은 소정의 백분율 값보다 큰 값만큼의 신호 크기 감소인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 신호 크기 감소의 백분율값은 30%보다 크고, 바람직하게는 70%보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 감소는 10 ms의 지속 시간내에, 바람직하게는 3 ms의 지속 시간내에 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 에어백 커버에서 일련의 홀들로 이루어진 소정의 절단선을 형성하기 위해 청구항 1에 따른 방법의 이용.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 플랭크 기준을 충족하는 하강 플랭크 구간이 포착되지 않은 경우, 해당 홀은 불량 위치로 명명되는 것을 특징으로 하는 방법.

Images