KR20140000998U - 레이저 기반 마킹 방법 및 장치 - Google Patents

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조셉 델라로사
앤드리 네메라
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Abstract

본 고안의 박형 워크피스를 마킹하는 방법은 워크피스의 변형을 방지하도록 설계된다. 복수의 레이저들은 두 면들이 열처리되도록 워크피스의 각각의 마주하는 면들에 대해 마주한다. 레이저는 서로 나란히 선 각각의 방출되는 빔들로 동기식으로 동작할 수 있다. 그 결과, 워크피스는 마킹의 완료시 변형의 흔적이 나타나지 않는다. 워크피스는 플라스틱 또는 금속 중 하나로 제조되며, 2 밀리미터를 초과하지 않는 두께를 가진다. 레이저들은 광섬유 레이저 또는 가스 레이저 중 하나로 각각 구성된다. 마킹은 균일하거나 비균일하게 구성되는 레이저로 수행될 수 있고, 어닐링하고, 조각하며, 융삭하는 단계를 포함한다. 마킹은 동기식으로 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 또한, 다면 마킹은 더 제어되거나 원하는 방식으로 표면의 왜곡을 야기하는데 사용될 수 있다.

Description

레이저 기반 마킹 방법 및 장치{LASER-BASED MARKING METHOD AND APPARATUS}
본 고안은 금속 및 플라스틱 워크피스의 레이저-생성 열처리에 관한 것이다. 특히, 본 고안은 박형 금속 및 플라스틱 시트에 마킹하기 위한 레이저-기반 방법 및 레이저 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 마킹(marking)은 해당기술분야의 당업자에게 잘 알려진 어닐링(annealing), 조각(engraving) 및 융삭(ablating) 기술을 포함하는, 널리 사용되는 용어이다. 광섬유 레이저 어닐링은 재료를 제거하거나 절충하지 않고 열로 유도된 영속적인 마크를 생성한다(실제로 컬러 마킹은 산화층을 형성하도록 하여, 마킹된 재료에 다양한 컬러를 제공한다).
산업 시장에서는 적당한 비용과 속도를 결합한 방식으로 고유 식별자를 금속 및 플라스틱에 용이하게 마킹하는 방법이 요구되었다. 이러한 요구는 일반적인 레이저, 특히 광섬유 레이저를 통해 성공적으로 충족된다.
마킹하는데 사용되는 3가지 기본적인 레이저 기술이 있다: 광섬유 레이저, Nd:YAG 및 Nd:YVO4. 3가지 기술 모두의 파장은 동일하고 대략 1064nm에서 변하는 반면, 시스템 특성 및 생성되는 빔은 중요한 면에서 차이가 있을 수 있다. 가장 큰 차이점 중 하나는 사실상 중대한 유지보수가 불필요한 광섬유 레이저에 요구되는 유지보수에 있다.
가령 스테인리스 강과 같은 박형 금속 및 플라스틱에 마킹하면, 피처리되는 워크피스에 변형이 발생한다는 점을 유의해왔다. 예컨대, 스테인리스 강은 광고용 재료, 전리품 및 산업용으로의 마킹과 같은 광범위한 목적으로 마킹된다. 산업용으로의 마킹에서는 종종 박형 금속판에 소정의 제품 또는 제조자와 관련된 표장을 제공할 필요가 있다. 워크피스가 고온에서 처리되는 경우, 워크피스는 변형되는 경향이 있다. 물론, 마킹된 제품의 미적 매력을 훼손하는 변형은 용인될 수 없다.
따라서, 박형 금속 및 플라스틱의 변형을 적어도 최소화하고, 바람직하게는 완전히 제거하는 실행가능한 레이저-기반 마킹 프로세스에 대한 요구가 존재한다.
또한, 상술한 프로세스를 실행하도록 동작하는 레이저 시스템에 대한 요구도 존재한다.
이런 요구는 본 명세서에 개시된 프로세스 및 장치에 의해 충족된다. 특히, 본 명세서는 가열되는 면들 중 하나에 마킹하는 동안 피처리되는 워크피스의 반대쪽 면을 가열하는 것을 개시한다. 실험을 통해, 본 명세서에 개시된 방법에 따라 처리되는 금속 및 플라스틱으로 제조된 박형 워크피스가 가시적인 변형의 흔적을 가지지 않음이 밝혀졌다.
따라서, 본 명세서에 개시된 방법은 워크피스의 한 면에 마크용으로 지정된 영역을 결정하는 단계를 제공한다. 이후, 2개의 레이저가 워크피스의 각각의 한 면 및 다른 면을 대면하면서 서로 정렬된다. 마지막으로, 하나의 레이저는 한 면인 정면에 마크를 형성하는데 참여하는 한편, 다른 레이저는 한 면에 있는 스캔가능한 영역으로부터 가로질러 다른 면인 워크피스의 후면에 있는 지역을 조사한다.
본 명세서에 개시된 방법을 실행하는데 사용되는 본 명세서에 개시된 레이저 시스템은 2개의 레이저를 지지하는 다양하게 구성된 X-Y 플로터형 장치를 포함한다. 피처리 워크피스는 레이저들 사이에 설치된다. 레이저들이 서로에 대해 그리고 금속판에 대해 이동가능하거나, 반대로 금속판이 소기의 위치에 정렬된 레이저에 대해 이동가능하거나, 모든 정렬된 레이저 및 워크피스가 서로에 대해 이동가능하다. 본 시스템은 워크피스의 변형 없이 소기의 마크를 생성하기 위해, 프로세스의 파라미터를 모니터하고 조절하며 장치들을 조작하도록 동작하는 컨트롤러와 함께 더 구성된다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 명세서에 기재된 방법 및 구성의 상기의 특징과 다른 특징 및 이점들이 첨부도면과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 본 명세서에 따라 구성된 예시적인 레이저-기반 마킹 시스템의 도식도이다.
도 1은 2개의 레이저 시스템(12 및 14)을 각각 포함하는 예시적인 시스템(10)의 도식도를 나타낸다. 바람직하게는 레이저가 광섬유 레이저로 구성되나, 가령 가스 레이저와 같은 다른 레이저 구성이 본 명세서에 개시된 방법을 수행할 수 있다. 레이저의 구성은 바람직하게는 획일적이나, 본 명세서의 기술범위는 하기에 개시된 조건을 만족하도록 제공되는 다른 구성을 포함한다.
마운트(18)는 광로를 따라 각각의 레이저들(12 및 14) 사이에 위치하며, 플라스틱 또는 금속으로 제조된 박형 일체식 워크피스(16)에 대한 지지로서 각각 작용하는 다양한 구성들을 가질 수 있다. 시스템(10)은 수평면에서 작용하는 것으로 도시되고 있으나, 다른 구성들은 자명한 설계의 선택이다. 예컨대, 레이저들(12 및 14)은 서로에 대해 수직면에 위치할 수 있다. 워크피스(16)는 수십 및 심지어 수백 밀리미터 사이의 범위와 약 2mm 이하의 두께를 공통으로 가지는 모든 제한 없는 형상 및 형태를 가질 수 있다. 실제로는, 2mm 보다 더 두꺼운 금속 워크피스가 통상 마킹 중에 변형되지 않음을 보이고 있다. 금속으로 제조된다면, 워크피스(16)는 티타늄, 알루미늄, 황동, 구리 및 탄소 함유 금속 등을 포함할 수 있다.
시장은 종종 가령 스테인리스 강과 같은 금속에의 컬러 마킹을 필요로 한다. 이런 마킹은 표면 산화 현상과 관련이 있다. 보통 어닐링은 조각하는 것보다 더 느린 스캔 속도로 실행된다. 스캔 속도가 더 느릴수록, 워크피스(16)에 의해 흡수되는 열이 더 커진다. 통상, 어두운 컬러 마킹이 필요한 경우, 그 온도는 일반적으로 밝은 컬러 마킹에 대한 온도보다 더 높다. 그러나, 워크피스(16)는 워크피스(16)의 변형을 야기할 수 있는 상승 온도에서의 고열 응력(high thermal stresses)을 경험한다.
본 명세서에 따르면, 변형은 워크피스(16)의 반대쪽 면을 가열함으로써 최소화된다. 알려진 바와 같이, 레이저 마킹에서 가장 중요한 파라미터는 초점 직경, 워크피스의 전력, 마킹 속도, 선 간격, 반복률, 마킹 방향 및 펄스형 레이저가 이용된다면 펄스 길이 등이다. 상술한 모든 파라미터 및 다른 파라미터가 경험상으로 그리고 이론상으로 중앙처리장치("CPU")(24)에 수집되고 저장된다.
플라스틱 워크피스의 반대쪽 면의 열처리는 미국특허 7,763,179에 공지되어 있다. 그러나, 본 명세서와 달리, 종래기술은 박형 워크피스의 변형의 문제를 다루지 않고, 플라스틱 ID 카드의 반대쪽 면을 다른 패턴으로 조각하는 것을 시사하고 있다.
시스템(10)의 한 구성에 따라, 레이저들(12, 14)은 각각 동기식으로 동작한다. 균일하게 구성된다면, 레이저들은 균일한 초점거리에서 워크피스(16)에 대해 위치하며, 동일한 전력, 균일한 마킹 속도를 갖는 동일한 스캔 패턴 및 균일한 반복률과 펄스 길이를 가진다. 레이저들(12 및 14)은 워크피스(16)와 각 레이저 사이의 거리를 주로 책임지는 각각의 액추에이터(actuators)(20 및 22)를 가질 수 있으나, 원하는 경우 XY 평면으로 이동될 수 있다. 또한, 마운트(18)는 XY 평면에서 여러 자유도(degrees of freedom)를 가질 수 있다.
바람직하게는, 레이저들 모두가 가우시안 빔(Gaussian beam)을 톱 햇 빔(top hat beam)으로 변경하는 간이형 빔 호모지나이저(beam homogenizer)를 각각 구비한 단일모드 Yb 광섬유 레이저이다. 대안으로, 레이저들(12 및 14)은 다중모드를 지원하는 코어를 갖는, 가령 Yb와 같은 능동형 광섬유를 기반으로 할 수 있다. 게다가, 레이저들은 CW형 또는 펄스형으로 동작할 수 있다.
대안으로, 레이저들(12 및 14) 중 하나는 다른 레이저 전 또는 후에 동작하기 시작할 수 있다. 바람직하기로, 워크피스(16)가 주변 온도로 냉각되기 전에, 레이저들의 비동기식 동작이 실행된다. 레이저는 가령 광섬유 레이저, 고체 상태 레이저 및 가스 레이저와 같이 다르게 구성될 수 있으며, 서로 간의 차이를 만드는 유사한 파라미터를 가질 수 있다. 워크피스(16)의 반대쪽 면을 처리하기 위해 다른 유형의 레이저들의 조합을 이용하는 것이 가능하다.
빔 전달은 2가지의 잘 알려진 방식으로 설계될 수 있다. 제 1 기술은 X-Y 플로터형 장치에 장착된 한 세트의 미러와 렌즈를 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 이 기술은 미러 및 초점 렌즈가 2차원 공간으로 이동하기 때문에, "플라잉 옵틱스" 시스템이라고 한다. 다른 기술은 한 세트의 갈바노미터(galvanometers)를 사용하며, "갈보(galvo)" 시스템이라고 한다. 갈바노미터는 각 갈바노미터에 부착된 미러와 서로에 대해 90도 각도로 위치한다. 레이저 빔은 갈보-어셈블리(galvo-assembly)로 향하며, 여기서 빔은 제 1 및 제 2 미러로부터 연속적으로 반사되며, 이후, (필요하다면) 입력 빔에 대해 90°각도로 워크피스에 입사하도록 초점 렌즈를 통해 나아간다. 갈보-어셈블리에서 미러를 회전시킴으로써, 출력 레이저 빔이 워크피스 상의 X-Y 평면에 위치한다.
상술한 설명 및 예들은 본 명세서를 단지 설명하기 위해 제시되었으며, 이를 제한하려는 의도는 아니다. 따라서, 본 명세서는 첨부된 청구범위 내의 모든 변형을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 제 1 레이저-생성 빔에 의해 워크피스의 정면의 기결정된 영역에 마킹하는 단계; 및
    금속 워크피스의 변형을 최소화하기 위해 제 2 레이저-생성 빔으로 정면의 기결정된 영역을 가로질러 워크피스의 후면의 영역을 가열하는 단계를 포함하며,
    상기 워크피스는 금속 또는 플라스틱이며 최대 약 2 밀리미터의 두께를 가지는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 정면 또는 후면의 마킹 및 가열은 나란히 선 각각의 제 1 및 제 2 레이저-생성 빔에 의해 동시에 제공되는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    마킹하는 단계 및 가열하는 단계가 순차적으로 실행되는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    레이저 생성 빔들은 각각의 광섬유 레이저 또는 가스 레이저에 의해 방출되는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    광섬유 레이저는 CW 레이저 및 펄스형 레이저로 구성된 그룹에서 각각 선택되며, 마킹 및 가열을 제공하는 광섬유 레이저는 각각 균일하게 구성되거나 비-균일하게 구성되는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    초점 직경, 워크피스의 전력, 마킹 속도, 선 간격, 반복률, 마킹 방향과 펄스 길이, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 레이저 파라미터를 제어하는 단계를 더 포함하는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    마킹하는 단계는 워크피스를 어닐링(annealing)하는 단계, 조각(engraving)하는 단계 또는 융삭(ablating)하는 단계를 포함하는, 워크피스를 열처리하는 방법.
  8. 최대 2mm의 두께로 구성되고 금속 또는 플라스틱으로 제조된 워크피스를 지지하는 마운트와;
    열처리 동안 워크피스의 실질적인 변형 없이 워크피스를 마킹하도록, 워크피스의 정면 및 후면과 각각 마주하고, 각각의 빔을 방출하도록 동작하는 복수의 레이저들을 포함하는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    복수의 레이저들과 마운트로 연결되고 기계 판독가능한 매체로 제공되는 컨트롤러를 더 포함하는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 레이저들이 동기식으로 동작하고 서로 나란히 각각의 빔을 방출하기 위해, 서로 동시에 복수의 레이저들을 활성화하도록 동작하는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 레이저들이 비동기식으로 동작하기 위해, 서로 동시에 복수의 레이저들을 활성화하도록 동작하는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 초점 직경, 워크피스의 전력, 마킹 속도, 선 간격, 반복률, 마킹 방향과 펄스 길이, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 레이저 파라미터를 제어하여, 레이저 동작을 모니터하도록 동작하는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    워크피스의 정면 및 후면을 각각 가열하는 레이저들은 CW형 레이저 및 펄스형 레이저로 구성된 그룹에서 각각 선택되며, 마킹 및 가열을 각각 제공하는 광섬유 레이저들은 광섬유 레이저, 고체 상태 레이저 또는 가스 레이저에서 각각 선택되는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    워크피스의 정면 및 후면을 각각 열처리하는 레이저들은 균일하게 또는 서로 다르게 구성되는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서,
    레이저들은 어닐링하거나, 조각하거나, 융삭하도록 동작하는, 워크피스를 열처리하는 레이저 시스템.
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