KR20110127139A - 재료를 천공하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

제 1 영역의 홀에 제 1 프로파일 및 분포를 제공하고, 제 2 영역의 홀에 제 2 프로파일 및 분포를 제공하도록, 고체 재료에 홀을 천공하는 방법으로서, 홀들이 제 1 프로파일 및 분포를 갖는 제 1 영역을 형성하는 단계; 홀들이 제 2 프로파일 및 분포를 갖는 제 2 영역을 형성하는 단계로서, 상기 2 프로파일과 분포중 적어도 하나는 제 1 영역의 것과 상이한 단계; 홀들의 프로파일 및/또는 분포가 상기 제 1 영역의 것으로부터 제 2 영역의 것으로 연속적이고 점진적으로 이행하는 경우에서와 같은 천이 구역을 형성하는 단계; 및 연속 프로세스로 제 1 영역, 천이 구역 및 제 2 영역 전체의 홀들을 천공하는 단계;를 포함하는 천공 방법이 개시되어 있다.

Description

재료를 천공하기 위한 방법{METHOD FOR PERFORATING MATERIAL}
본 발명은 특히 레이저 빔 조사에 의해 고체 재료, 특히 고체 판금 재료에 구멍을 천공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어 항공우주 부품용인 특히 알루미늄 및 티타늄 합금, 스테인리스강 또는 다른 금속 또는 복합 시트 재료에 마이크로홀을 천공하는 것에 관한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 본 발명은 복수의 어레이에서의 가변적이고 점진적인 홀의 분포에 관한 것이다.
소정의 항공기용 항공우주 부품과 관련하여 효과적으로 항력을 저감하기 위하여, 표면 위에서의 층류를 개선함으로써 항력이 저감되도록, 항공기 날개 및 꼬리 날개면 선단 엣지와 같은 부품의 시트 구조에 대형 마이크로홀 어레이들을 천공하는 것이 알려져 있다. 통상적으로, 홀들은 두께가 1밀리미터 또는 그 이상일 수 있는 알루미늄 및 티타늄 합금 시트에 수십 미크론의 직경을 필요로 한다.
대형 어레이들과 지속적인 공정관리에 대한 필요성으로 인하여, 레이저 빔 조사에 기초한 천공 장치 및 방법이 개발되었다. 예를 들면, 엑시머 레이저 또는 Nd-YAG를 이용한 레이저 천공 기술이 공지되어 있다. 적당한 지지 프레임 상에 시트 재료가 장착되고, 레이저 소오스 천공 수단이 예를 들어 컴퓨터 제어하에서 예를 들어 상기 지지 프레임의 이동에 의해 소정의 어레이 패턴으로 상기 시트에 대해 2차원으로 인덱싱된다. 빔은 보통 일반적으로 표면에 집중적으로 조사된다. 입사빔의 에너지는 국소적인 삭마(ablation) 및/또는 기화로 재료를 제거하여 소정의 마이크로홀 어레이를 생성한다. 본 발명이 레이저 천공을 예로 하여 설명되었으나, 상기 방법은 홀 어레이를 천공하기에 적당한 임의의 천공 프로세스에 응용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상이한 특성의 홀 어레이로 천공된 서로 다른 재료 영역을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 주어진 하나의 블럭 내에서 어레이의 각 홀은 동일한 일반 프로파일과 분포를 갖는 반면, 주어진 다른 블럭 내의 홀들은 서로 다른 프로파일 및/또는 분포를 가짐으로써 상이한 전체 특성을 제공하도록, 특히 상이한 전체 유동 특성을 제공하도록, 서로 다른 영역 블럭이 규정될 수 있다. 예를 들면, 홀들은 입구 직경, 출구 직경, 가장 좁은 두께 범위 또는 관통 형상에서 편차가 있는 상이한 프로파일을 가질 수 있으며, 또는 어레이에서 x 및/또는 y 방향으로 확산이 서로 다른 상이한 분포를 가질 수 있다.
주어진 블럭 어레이 내에서 홀 특성의 일관성을 보장하기 위하여, 통상의 제조 방법은 제 1 프로파일 및 분포를 가진 홀 어레이로 제 1 영역을 규정하고, 그러한 어레이를 생성하도록 적절한 프로세스 변수를 설정하며, 이 홀 어레이를 천공하고; 그 후, 상이한 프로파일 및/또는 분포를 가진 제 2 홀 영역을 규정하며, 적절한 프로세스 변수를 설정하고, 제 2 홀 어레이를 천공하는 배치 프로세싱 방법을 포함한다. 이러한 배치 프로세싱 방법은 본질적으로 효율적이지 않다. 아울러, 많은 실제 응용에서, 제 1 영역의 특성과 제 2 영역의 특성 간의 현저하고 급격한 천이(transition)는 일반적으로 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 제 1 영역의 홀에 제 1 프로파일 및 분포를 제공하고, 제 2 영역의 홀에 제 2 프로파일 및 분포를 제공하도록, 고체 재료에 홀을 천공하는 방법이 제공되며, 상기 방법은
- 홀들이 제 1 프로파일 및 분포를 갖는 제 1 영역을 규정하는 단계;
- 홀들이 제 2 프로파일 및 분포를 갖는 제 2 영역을 규정하는 단계로서, 상기 2 프로파일과 분포중 적어도 하나는 제 1 영역의 것과 상이한 단계;
- 홀들의 프로파일 및 분포가 상기 제 1 영역의 것으로부터 제 2 영역의 것으로 연속적이고 점진적으로 천이되는 경우에서와 같은 천이 구역을 규정하는 단계;
- 연속 프로세스로 제 1 영역, 천이 구역 및 제 2 영역 전체의 홀들을 천공하는 단계;를 포함한다.
상기 방법의 통상적인 실시에 있어서, 제 1 영역을 규정하고, 천이 구역을 규정하며, 제 2 영역을 규정하는 단계들은, 각각의 상기 영역에서의 홀 프로파일과 홀 위치에 대한 홀 분포 데이타 세트를 결정하는 단계, 상기 데이타 세트를 상기 천공 방법의 적당한 모델링과 함께 이용하여 천공될 각 홀에 대한 홀 위치와 프로세스 변수 데이타를 포함하는 홀 제조 프로세스 변수 데이타 세트를 생성하는 단계, 및 적당한 천공 장치의 프로세스 변수를 제어하는 제어 수단에 의해 상기 홀 제조 데이타 세트를 기준 데이타 세트로 이용하여 연속적인 작동으로 상기 데이타 세트에 규정된 전체 홀을 천공하는 단계를 포함한다.
그 결과로 얻어진 상기 방법은 두가지 잠재적인 장점을 제공할 수 있다. 첫째, 상기 방법은 상대적인 간격 및/또는 프로세스 변수의 연속적인 변화에 의해 홀이 연속적인 작동으로 천공될 수 있도록 하며, 이는 잠재적으로 배치 프로세스보다 더 효율적이다. 둘째, 상기 방법은 서로 다른 특성을 가진 제 1 및 제 2 주요 영역 간의 점진적인 천이가 실현될 수 있음을 의미하며, 많은 응용에 있어서, 이는 제 1 및 제 2 특성 간의 급격한 변화보다 더 바람직할 수 있다.
가장 넓게는, 본 발명은 제 1 및 제 2 영역 간의 개별 홀의 프로파일 변수와, 제 1 및 제 2 영역 내의 어레이에서의 홀들의 상대적 분포중 어느 하나 또는 모두를 변화시키는 가능성을 포함하며, 후자의 경우에서는, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 방향에서의 그들의 상대적 간격이다. 따라서, 상기 천이 구역에서의 점진적 천이는 홀 프로파일 또는 홀 분포중 어느 하나 또는 모두의 점진적 천이일 수 있다.
그러나, 많은 응용 및 프로세싱 방법에 있어서, 일정한 홀 프로파일을 유지하고, 홀들의 상대적 분포만을 변화시킴으로써 제 1 및 제 2 영역 간에 변화를 유발하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 상기 방법의 바람직한 실시예에서, 제 1 영역, 제 2 영역 및 천이 구역의 홀들은 실질적으로 동일한 공칭 프로파일을 갖도록 제조되며, 홀들의 상대적 간격의 변화에 의해서만 제 1 영역과 제 2 영역 간에 특성들이 변화된다.
가능한 예에서, 홀들은 사각형 또는 육각형 어레이와 같이 균일하게 이격된 2차원 어레이로 각각의 영역 내에 배열된다. 바람직한 접근법에서, 제 1 및 제 2 영역 내의 각 어레이는 기하학적으로 유사한 형상이고, 상대적 간격이 상이하며, 상기 천이 구역은 제 1 간격에서 제 2 간격으로 점진적으로 천이되는 구역을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 이격된 홀들로 이루어진 연속적인 평행선들을 천공함으로써 2차원 홀 어레이가 형성된다. 주어진 영역에서, 하나의 선에서의 홀들의 간격과, 선들 간의 간격이 모두 일정하다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 영역 모두의 2차원 어레이가 기하학적으로 유사한 배열로 바람직하게 그와 같이 형성되고, 홀 간격이 좁은 영역과 홀 간격이 넓은 영역 사이의 천이 구역은 먼저 주어진 선 내에서의 개별 홀들의 간격이 점차적이고 점진적으로 증대되고, 그 다음 상기 천이 구역 내의 선들의 수가 점진적으로 감소함으로써(그에 따라 상기 선들의 상대적 간격이 증가함으로써) 형성된다.
예를 들면, 입사 복사에 의한 재료의 삭마/기화를 이용하는 방법과 기계적 방법을 포함하여, 본 발명의 원리에 따라 임의의 적당한 천공 기구가 변형될 수 있다. 바람직하게, 천공은 레이저 복사와 같은 결맞음 복사에 의해 이루어지며, 상기 방법은 레이저 복사와 같은 결맞음 복사 빔으로 고체 재료의 표면을 조사하여 재료의 삭마/기화에 의해 홀을 천공하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 결맞음 복사 소오스는 펄스형 조사(pulsed irradiation) 소오스를 포함하며, 상기 방법은 복수의 홀을 천공하기 위해 복수의 다중 위치에서 고체 재료의 표면에 펄스가 연속적으로 충돌하도록 하는 단계를 포함한다.
단일의 소오스가 고체 시트 재료의 표면에 충돌하는 단일 집속빔을 전달하기 위해 관련 포커싱 장치와 함께 채용될 수 있거나, 예를 들면 빔 스플리터에 의해, 예를 들어 단일의 작동으로 복수의 홀을 천공하기 위해 복수의 빔을 제공하도록 채용될 수 있다.
적당한 레이저 소오스는 Nd-YAG 레이저를 포함한다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따라 그러한 레이저 천공 장치가 사용된다면, 제 1 및 제 2 영역 간에 일정한 홀 프로파일을 유지하며, 홀 간격만을 변화시킴으로써 개별 어레이의 특성을 변화시키는 것이 바람직하고, 일정한 빔 출력을 유지하기 위해 레이저 소오스의 펄스 레이트를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 천이 구역에서의 점진적인 천이에 의해 제 1 영역 내의 홀들과 제 2 영역 내의 홀들 간의 간격을 변화시키는 단계를 포함하는 방법에 따르면, 천공될 재료의 표면을 가로지르는 천공 장치의 상대적 운동 속도에서의 비례적인 변화에 의해 상기 변화를 구현하는 것이 필요하다.
바람직하게, 상기 방법은 복수의 홀들을 천공하기 위해 각각의 천공 단계 간에 고체 재료 표면과 천공 장치를 상대적으로 운동시키는 단계를 더 포함한다. 특히 바람직하게, 상기 상대적으로 운동시키는 단계는 적어도 하나의 방향에서의 상대 운동을 포함하고, 바람직하게는 천공 방향(및 예시적인 경우에서, 레이저 천공 방향)에 수직한 평면에서 2개의 직교하는 방향에서의 상대 운동을 포함한다. 예를 들면, 상기 방법은 적당한 고정 수단 상에 가공하고자 하는 고체 재료를 장착하는 단계를 포함하고, 상기 상대적으로 운동시키는 단계는 상기 고정 수단 및/또는 상기 천공 장치를 운동시키는 단계를 포함한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상대 운동은 고정 수단의 회전을 포함한다. 부가적으로, 특히 빔 천공 프로세스가 사용되는 경우에서, 빔에 수직한 방향에서의 운동이 실시될 수 있다. 홀들은 재료가 운동중이거나 레이저에 대해 정지되었을 때 모두 천공될 수 있다.
바람직하게, 레이저 천공의 경우에서, 항상 레이저 복사가 표면에 실질적으로 수직한 방향에서 고체 시트 재료의 표면에 충돌하도록 상기 상대 운동이 이루어진다.
바람직하게, 상기 방법은 천공되는 공간 주위의 고체 재료의 표면에서 압력하의 가스 제트를 취입(吹入)함으로써 폐기물을 분산 및/또는 수집하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 가스는 불활성 가스이며, 예를 들면 아르곤이다. 바람직하게, 상기 방법은, 가스 스트림에 혼입된 폐 천공 재료를 추출하기 위한 목적 및/또는 가스를 재생하기 위한 목적에서, 상기 재료의 표면에 충돌한 이후의 가스 제트를 수집하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 천공되는 상기 고체 재료는 시트 재료이다.
바람직하게, 천공되는 상기 고체 재료는 금속성이며, 예를 들면, 티타늄 또는 알루미늄 합금, 또는 스테인리스강이다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명을 단지 예로서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시한 레이저 천공 헤드 및 피가공물의 개략적인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예를 도시하며, 도 1의 헤드 및 피가공물과 통합된 더 완성된 시스템의 개략도이며,
도 3은 종래 기술의 배열에 따른 천공된 홀 어레이의 예시적 패턴을 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 천공된 홀 어레이의 예시적 패턴을 도시한 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 실시예는 많은 부품들이 통상의 레이저 천공 시스템의 것과 유사한 레이저 천공 헤드(11)를 도시하고 있다.
도시된 실시예에서, 예를 들어 1064㎚ 파장에서 작동하는 Nd-YAG 레이저 소오스를 포함하는 결맞음 레이저 복사 소오스(13)는 적절한 펄스 레이트와 펄스 에너지로 펄싱될 수 있는 레이저 광 빔(15)을 발생시킨다. 포커싱 시스템(17)은 피가공물(1)의 선택된 영역으로 빔을 집속한다.
도시된 실시예에서, 상기 피가공물(1)은 항공우주 합금 재료 시트를 포함하며, 공칭적으로 동일한 마이크로홀들로 이루어진 복수의 어레이를 천공하기에 바람직하다. 본 실시예에서 또는 일반적으로, 통상의 마이크로홀들은 약 10 내지 100㎛, 및 더 바람직하게는 50㎛ 미만의 공칭 직경을 가질 수 있다. 이러한 마이크로홀 어레이는, 시트가 항공우주 구조에 사용될 때, 예를 들면, 시트를 가로지르는 층류를 변형시키는 수단으로서 사용된다. 따라서, 상기 시트는 예를 들면 적당한 알루미늄 또는 티타늄 우주항공 합금으로 이루어진다. 그러나, 이 피가공물은 오직 설명을 위한 것일 뿐이며, 상기 장치는 그러한 재료에 그 응용가능성이 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.
상기 빔이 시트 재료(1)의 표면(3)에 집속됨으로써, 레이저 삭마 및/또는 기화에 의해 일반적으로 공간(5) 영역에서 시트로부터 재료를 제거하여 전술한 바와 같은 마이크로홀들을 상기 시트에 생성하게 된다. 상기 레이저는 펄스 레이저 소오스이며, 적절한 레이트로 펄싱된다. 이는 피가공물의 표면을 가로질러 홀 어레이를 위와 같이 연속적인 작동으로 생성하기 위해 피가공물(1)과 헤드(11)의 인덱싱 상대 운동과 함께 이용될 수 있다. 대안적으로, 피가공물이 운동하는 중에 피가공물이 천공될 수 있다.
상기 레이저 소오스(13)와 포커싱 수단(17)은 하우징 벽체(21)에 의해 헤드(11) 내에 함께 조밀하게 조합된다. 상기 하우징 벽체(21)의 전면(23)은 집속된 빔(15)이 통과하여 가공물(1)로 조사될 수 있는 환형 관통부를 포함한다. 상기 환형 관통부는, 피가공물의 표면에 충돌하여 상기 표면으로부터 파편을 제거하고 및/또는 가공 헤드의 전방부(23)에 파편이 축적되지 않도록 하기 위하여, 아르곤 가스 제트가 통과하여 방출되는 노즐을 추가적으로 규정한다. 도시된 바와 같은 구성에서, 홀 천공의 시작 단계에서, 상기 제트는 화살표(25)와 같이 파편을 제거한다. 그 후, 천공 프로세스에서, 상기 제트는 홀을 통과함으로써 홀 세척을 보조할 수 있다.
도시된 실시예에서, 상기 헤드 하우징의 적어도 환형 전방 노즐부(23)는 PTFE와 같은 저점착성 고분자 재료로 제조된다. 이러한 저점착성 고분자 재료는 가공 헤드의 전방부에 천공 파편이 성장하는 것을 용이하게 억제할 수 있다. 이러한 재료는 유전성 재료이기 때문에, 레이저 절단 장치와 흔히 함께 사용되는 방식으로 예를 들어 포커싱을 보조하기 위해, 작동 중에 동적으로 거리를 측정하는 수단으로서 헤드와 피가공물 간의 용량 결합을 이용하는 것은 가능하지 않다. 따라서, 도시된 실시예에서 대안으로서, 예를 들어 단순한 레이저 거리 탐지기(27) 형태의 광학 측정 장치가 제공되며, 이는 가공 헤드와 피가공물 간의 거리를 결정하기 위하여 천공될 공간 부근의 피가공물의 표면에 복사 계측 빔을 조사할 수 있다. 상기 측정 장치는 노즐 내부에 수용되거나, 그 외부에 배치되거나, 노즐 내부에 부분적으로 수용될 수 있다.
상기 천공 프로세스는, 입사 천공 레이저 빔의 반사, 홀 부근에서 기화된 금속 및 가스의 플라즈마로부터의 배출, 및 홀로부터 용융된 분출물로부터의 배출을 포함하여, 수개의 소오스로부터 강력한 광을 발생시킨다는 것을 이해하여야 한다. 이 광은 본 실시예의 레이저 거리 탐지기(27)와 같은 광학 거리 측정 장치 또는 다른 광학 장치들의 정확한 작동을 방해할 수 있다. 이에 대응하는 한가지 방법은 상기 광학 측정 장치의 작동을 입사 천공 레이저 빔이 작용하지 않는 기간와 동기시키는 것이다.
예를 들어, 한가지 가능한 방법에 있어서, 상기 광학 측정 장치의 작동은 각각의 홀을 천공하는 사이에 발생하는 "암기(dark periods)"와 동기된다. 이는 상기 측정 장치의 스위칭 및/또는 "명기(bright periods)"에 광학 차폐물을 삽입함으로써 이루어질 수 있다. 광학 차폐물은 (영화 프로젝터에 사용된 회전 셔터와 같이) 기계적이거나 (LCD 필터/셔터와 같이) 전자적일 수 있다. 이 수단들 모두가 측정 장치의 응답 특성에 따라 요구될 수 있다.
레이저가 작동하지 않는 상태에서 천공될 열(row)의 궤적(locus)을 스캔하고, 표면 위치(거리)를 상기 열을 따른 위치의 함수로서 저장하고, 그 다음, 이 데이타를 사용하여 레이저가 작동하여 천공할 때 2차 스캔 운동하는 동안 포커스 기구를 제어하는 것이 대안적인 방법이 될 수 있다.
다른 형태의 거리 측정을 예상할 수 있다. 예를 들어, 기계적 또는 음향적 거리 탐지기가 헤드와 연관되어 사용될 수 있다. 대안적으로, 피가공물 지지체(7)와 가공 헤드(11) 사이의 상대 운동을 유발하는 엑츄에이션 수단(도 2 참조)과 거리 측정 시스템이 연관될 수 있으며, 또는 어떤 부가적인 레지스트레이션(registration) 또는 측정 시스템이 이 거리를 다르게 측정하기 위해 채용될 수 있다. 피가공물의 거리를 측정하는 또 다른 방법은 공극 계측에 기초한 장치를 사용하는 것이다. 이는 별도의 장치일 수 있으며, 또는 계측 수단의 일부로서 노즐 및 그와 관련된 가스 제트를 이용할 수 있다.
모든 경우에서, 본 실시예에 따르면, 소오스(13)에 대해 상대적으로 고정된 (및 구체예에서 가공 헤드에 고정된) 기준 데이타와 피가공물(1)의 표면(3) 간의 거리에 대한 능동 측정을 제공하는 것을 목적으로 한다. 프로세스에서 이 거리에 대한 동적 측정은 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명된 바와 같이 동적 초점 제어를 가능하게 한다.
도시된 실시예에서, 동적 인프로세스 제어의 다른 양태는 천공되었을 때 각각의 천공된 홀 또는 홀들의 그룹의 특성을 관측 판독하도록 채용된 유닛(29)에 의해 제공된다. 도시된 실시예에서, 상기 유닛(29)은 천공되었을 때 홀을 통한 가스 유동(25)의 유동 특성을 모니터링하는 유량계 장치를 포함한다. 천공된 홀의 유동 특성을 다른 방식으로 모니터링 할 수 있거나, 그들의 차원 프로파일을 측정할 수 있는 다른 모니터링 장치들이 부가적 또는 선택적 수단으로서 고려될 수 있다.
도 1의 헤드와 피가공물을 통합하는 시스템이 도 2의 개략도에 보다 상세하게 도시되어 있다. 피가공물(1)은 피가공물 지지체(7) 상에 지지된다. 구성요소들은 외부 환경으로부터 적어도 도시된 부품들을 주로 격리하도록, 특히, 적당한 가스 수집 및 재순환 장치(미도시)에 의해 상대적으로 고가인 아르곤 세척 가스가 재순환할 수 있도록 된 환경 인클로져(9) 내부에 실질적으로 봉입된다. 재순환 프로세스에서, 천공 프로세스로부터 발생한 파편을 제거하기 위해 상기 가스가 세척될 수 있다. 이러한 격리는 가스 낭비를 줄이고, 외부 환경의 오염을 줄인다. 상기 인클로져의 다른 장점은 정상 작동중 레이저 복사에 사람이 노출되는 것을 방지한다는 것이다. 이는 안전 기능이며, 커버가 제거되었을 때를 제외하고 눈 및 신체 보호장구를 착용할 필요가 없도록 한다.
또한, 도 2는 사용되는 제어 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
피가공물 지지체(7)와 천공 헤드(11)는 적당한 장착 프레임(미도시)에 의해 상호작용가능하게 함께 장착됨으로써, 그들 사이에 상대 운동이 가능하고, 적어도 레이저 빔의 방향에 수직한 xy평면에서 인덱싱 상대 운동이 가능하며, 헤드와 피가공물 사이의 z방향에서 거리의 변화가 가능하도록 한다. 기계적 및/또는 전자기계적 구동 수단(31,32)은 헤드와 지지체를 각각 제어한다. 상기 구동 수단중 어느 하나 또는 모두가 x, y 또는 z 방향에서의 운동을 허용할 수 있다. 상기 지지체 구동 수단(32)은 지지체(7)의 회전을 허용할 수 있다. 상기 레이저 헤드 구동 수단(31)은 레이저의 기울어짐을 허용할 수 있다.
또 다른 제어 수단(35,36)이 레이저 빔을 제어한다. 소오스 제어 수단(36)은 예를 들어 펄스 레이트와 파워 출력을 제어함으로써, 레이저 소오스 자체를 제어한다. 통상적인 레이저 천공 응용분야에 적당한 펄스 레이트는 20 내지 200㎐, 예를 들어 50㎐일 수 있으며, 적당한 파워 출력은 펄스당 1J일 수 있다. 초점 제어 수단(35)은 포커싱 시스템(17)을 제어한다. 상기 제어 수단들은 중앙처리장치 내의 제어 모듈(42)의 제어하에 있다.
도시된 실시예에서, 상기 제어 시스템에 대한 프로세싱 중에 이루어진 측정으로부터의 피드백으로서, 상기 제어 수단들에 의해 설정된 프로세스 변수의 인프로세스 제어가 제공된다. 본 실시예에서, 이는 도시된 두가지 방식으로 이루어진다. 각각의 천공 동작에 있어서, 거리 검출기(27)로부터의 데이타와 유량계(29)로부터의 데이타가 피드백 모듈(40)로 전달된다. 상기 피드백 모듈(40)은 이를 소정의 프로세싱 변수에 대한 기준 데이타와 비교하여 중앙 프로세스 제어기(42)에 보정 명령을 제공하고, 상기 중앙 프로세스 제어기는 다양한 제어 수단(31,32,35,36)에 작용하여 필요에 따라 제어 변수를 조절함으로써 연속적으로 천공된 홀들이 바람직한 특성을 갖도록 보장한다.
상기 장치가 소정의 어레이를 프린트할 수 있도록, 예를 들어, 소정의 홀 분포 및 형상에 대한 기준 프로세스 변수가 저장될 수 있는 데이타 레지스터(44)가 제공된다. 상기 레지스터의 다른 용도는 프로세스에 대한 룩업 데이타를 제공하는 것일 수 있다. 상기 레지스터의 또 다른 용도는 (공극률이 규정된 한도를 초과하는 경우에서의 보정 작용과 같이) 품질 제어용으로 만들어진 각 파트의 레코드를 저장하고 및/또는 후속 프로세스에서 이용하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 방법에서 기계로 판독가능한 적당한 명령 또는 코드 세트에 의해 수치 또는 데이타 프로세싱 단계가 실시될 수 있음을 일반적으로 이해할 수 있을 것이다. 상기 기계로 판독가능한 명령은 범용 컴퓨터, 전용 컴퓨터, 또는 특정된 단계를 실시하기 위한 수단을 생성하도록 된 다른 프로그램가능한 데이타 프로세싱 장치에 로딩될 수 있다.
상기 기계로 판독가능한 명령은 컴퓨터 또는 특정 방식으로 기능하도록 된 다른 프로그램가능한 데이타 프로세싱 장치에 명령할 수 있는 컴퓨터 판독가능한 매체 내에 또한 저장될 수 있으며, 이에 따라, 컴퓨터 판독가능한 매체 내에 저장된 명령은 본 발명의 방법에서 수치 또는 데이타 프로세싱 단계의 일부 또는 전체를 실시하도록 하는 명령 수단을 포함한 제조물을 생성한다. 또한, 컴퓨터 프로그램 명령이 컴퓨터 또는 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 실시할 수 있는 기계를 생성하는 다른 프로그램가능한 장치에 로딩될 수 있으며, 이에 따라, 상기 명령은 상기 컴퓨터 또는 본 발명의 방법에서 수치적 단계들의 일부 또는 전체를 실시하기 위한 단계들을 제공하는 다른 프로그램가능한 장치에서 실행된다. 하나의 단계가, 그러한 단계를 실행하기 위한 장치의 수단이 내부에 구성되어 있으면, 전용 하드웨어 및/또는 컴퓨터 명령의 임의의 적절한 조합에 의해 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
생성될 수 있는 종래 기술의 어레이의 몇가지 예가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 도 3a는 일정한 간격의 사각형 어레이의 단순한 배열의 예이다. 도 3b는 2개의 분리된 영역이 표면에 규정되어 있고 그 내부에 별개의 어레이 패턴이 제공된 배열을 도시하고 있다. 이들을 단지 개략적이며 예시적인 것으로 보아야 한다. 특히, 대부분의 홀들이 제어된 열 간격과 각 열을 따라 제어된 홀 간격으로 천공되도록, 어레이에 2차원 체계, 예를 들어 사각형 또는 육각형 패턴을 제공하는 것이 바람직한 경우가 있을 수 있는 반면, 특별히 필요한 경우를 제외하고, 일반적으로 그러한 패턴을 생성하기 위해 모든 열에서 홀들의 정렬을 제어할 필요는 없다. 따라서, 도시된 바와 같이 임의의 주어진 실제 패턴 영역 내에 동일한 수의 홀들이 있을지라도, 열대열 정렬에 관한 한, 보다 전형적인 패턴은 무작위일 것이다.
도 4는 점진적인 천이가 이루어지는 도 3b의 대안을 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 홀의 크기는 본질적으로 동일한 것으로 예상된다. 간격의 점진적인 변화에 의해 특성의 변화가 이루어진다. 도시된 예에서, 수평 방향으로 주어진 선에서 각각의 홀들 간의 간격이 점진적으로 증가하는 천이 구역이 규정되며, 상기 천이 구역에서는 수직 방향으로 선의 수가 점진적으로 감소한다. 이는 천이 구역 내의 2개의 영역 간에 점진적인 천이를 생성한다.
규정된 영역 간의 간격의 천이는 선형이거나, 적당한 공식으로 규정된 운형(雲形, spline)일 수 있다(도 4b). 제한적인 경우에서, 상기 규정된 영역들이 선들 또는 규정된 간격으로 이격된 단일의 홀 세트로 감소되고, 상기 천이 구역들이 전체 표면을 거의 커버하도록 확대되며, 이는 공극률이 연속적으로 가변하는 표면을 생성하게 될 것이다(도 4c).
상기 패턴이 가변적인 간격으로 규정되는 경우에서, 천공 경로(path)의 궤적 및 상기 경로를 따른 홀 간격을 규정하기 위해 사용된 동일한 공식은, 프로세스 중의 모니터링 및 피드백을 목적으로, 및/또는 완성품의 검사를 목적으로, 임의의 위치에 목표 공극률을 또한 제공할 것이다.

Claims (15)

  1. 제 1 영역의 홀에 제 1 프로파일 및 분포를 제공하고, 제 2 영역의 홀에 제 2 프로파일 및 분포를 제공하도록, 고체 재료에 홀을 천공하는 방법으로서,
    홀들이 제 1 프로파일 및 분포를 갖는 제 1 영역을 형성하는 단계;
    홀들이 제 2 프로파일 및 분포를 갖는 제 2 영역을 형성하는 단계로서, 상기 제 2 영역에서의 하나 이상이 상기 제 1 영역의 것과 상이한 단계;
    홀들이 경우에 따라서 상기 제 1 영역의 것으로부터 제 2 영역의 것으로 연속적이고 점진적으로 천이될 수 있는 프로파일 및/또는 분포를 갖는 천이 구역을 형성하는 단계; 그리고
    연속 프로세스를 통해 상기 제 1 영역, 상기 천이 구역 및 상기 제 2 영역 모두에서의 홀들을 천공하는 단계;를 포함하는,
    천공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역을 형성하는 단계, 상기 천이 구역을 형성하는 단계, 및 상기 제 2 영역을 형성하는 단계는,
    각각의 상기 영역에 대한 홀 프로파일 및 홀 위치에 관한 홀 분포 데이타 세트를 결정하는 단계;
    천공될 각각의 홀에 대한 홀 위치 및 프로세스 변수 데이타를 포함하는 홀 제조 프로세스 변수 데이타 세트를 생성하기 위해 천공 방법의 모델링과 함께 상기 홀 분포 데이타 세트를 이용하는 단계; 그리고
    연속적인 작동으로 상기 데이타 세트에 정의된 전체 홀을 천공하기 위해 적합한 천공 장치의 프로세스 변수를 제어하는 제어 수단에 의해서 홀 제조 데이타 세트를 기준 데이타 세트로 이용하는 단계;를 포함하는,
    천공 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역 및 상기 천이 구역의 홀들은 실질적으로 동일한 공칭 프로파일을 갖도록 제조되며, 홀들의 상대적 간격의 변화에 의해서만 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역 간에 특성들이 변화되는,
    천공 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀들은 균일하게 이격된 2차원 어레이로 각각의 영역 내에 배열되고, 상기 제 1 및 제 2 영역 내의 각각의 어레이는 상대적 간격이 상이한 기하학적으로 유사한 형상이고, 상기 천이 구역은 제 1 간격에서 제 2 간격으로 점진적으로 천이되는 구역을 포함하는,
    천공 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이격된 홀들로 이루어진 연속적인 평행선들을 천공함으로써 홀들의 2차원 어레이가 각각의 영역 내에 형성되는,
    천공 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상대적 간격이 상이한 기하학적으로 유사한 배열로 이격된 홀들로 이루어진 연속적인 평행선들을 천공함으로써 상기 제 1 영역의 2차원 어레이 및 상기 제 2 영역의 2차원 어레이가 각각의 영역 내에 형성되고,
    첫째 주어진 선 내에서의 개별 홀들의 간격이 점차적이고 점진적으로 증가하는 것에 의해서 둘째 상기 천이 구역 내의 선들의 수가 점진적으로 감소하는 것에 의해서, 홀 간격이 좁은 영역과 홀 간격이 넓은 영역 사이의 천이 구역이 형성되는,
    천공 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    천공 경로 및 홀 간격을 정의하는 홀 위치 데이타 세트를 형성하기 위해 수치 공식이 사용되며, 동일한 공식이 프로세스 중의 모니터링 및 피드백을 목적으로 주어진 위치에서의 목표 홀 공극률을 정의하기 위해 사용되는,
    천공 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입사 복사에 의한 상기 고체 재료의 삭마 및/또는 기화에 의해서 내부에 홀을 생성하기 위해 고체 재료 표면에 복사 에너지(radiation)를 충돌시킴으로써 천공이 이루어지는,
    천공 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    결맞음 복사(coherent radiation) 빔에 의해서 천공이 이루어지고,
    상기 고체 재료의 삭마 및/또는 기화에 의해서 관통하는 홀을 천공하기 위해 고체 재료 표면에 상기 결맞음 복사 빔을 조사시키는 것을 상기 천공이 포함하는,
    천공 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    결맞음 복사 소오스는 펄스형 조사 소오스를 포함하며,
    상기 천공 방법은 복수의 홀을 천공하기 위해 복수의 다중 위치에서 상기 고체 재료의 표면에 펄스가 연속적으로 충돌하도록 하는 단계를 포함하는,
    천공 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    레이저 복사의 이용에 의해서 천공이 이루어지는,
    천공 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    Nd-YAG 레이저의 사용을 포함하는,
    천공 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저는 일정한 빔 출력을 유지하기 위해 레이저 소오스의 일정한 펄스 레이트로 작동하고,
    상기 천공 방법은 천공될 고체 재료의 표면을 가로지르는 레이저 장치의 상대적 운동 속도의 비례적인 변화에 의해 이루어지는 천이 구역에서의 점진적인 천이에 의해 제 1 영역 내의 홀들과 제 2 영역 내의 홀들 간의 간격을 변화시키는 단계를 포함하는,
    천공 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천공될 고체 재료는 시트 재료인,
    천공 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천공될 고체 재료는 금속성이며, 예를 들어 티타늄 또는 알루미늄 합금 또는 스테인리스강인,
    천공 방법.
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