KR20160090261A - 패치 최적화를 이용한 레이저 어블레이션 방법 - Google Patents

Abstract

본원에 설명되고 청구된 발명은 레이저 가공 헤드 (1) 의 레이저 빔 (2) 에 의해 텍스처 (16) 로 2 또는 3 차원 워크피스의 표면 (7) 을 조각하기 위한 레이저 어블레이션 방법에 관한 것이다. 표면 조각은 연속적으로 가공되는 하나 이상의 레이어들 (17.1, 17.2) 에서 수행되고, 가공될 각각의 정의된 레이어 (17.1, 17.2) 는 레이저 빔 (2) 으로 차례로 가공되도록 의도된 하나 이상의 패치들 (11) 로 세분된다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 패치 (19) 의 경계선 (18) 은 레이저 가공 헤드 (1) 의 레이저 빔 (2) 조각에 의해 영향받지 않을 레이어 (17.1, 17.2, 17.x) 상의 경로를 따르도록 하는 방식으로 결정된다.

Description

패치 최적화를 이용한 레이저 어블레이션 방법{LASER ABLATION METHOD WITH PATCH OPTIMIZATION}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 패치 최적화를 이용한 레이저 어블레이션 방법에 관한 것이다.

워크피스들 (workpieces) 을 가공하기 위한 머신들 (machines) 이 일반적으로 알려져 있다. 유럽 특허출원 EP 2 301 706 A2 는 예를 들어 이러한 장치에 대해 가능한 기술적 설계를 기술한다.

레이저 어블레이션 (laser ablation) 에 의해 워크피스들을 가공하기 위한 이러한 머신에 대해 생각할 수 있는 구성 및 설계가 도 1 에 도시되어 있다. 표시된 머신의 레이저 헤드 (1) 는 5 기계적 축들로 동작하고, 머신 내에 위치한 3-차원 솔리드 (solid) 워크피스들 (미도시) 의 표면에 대한 레이저 초점의 포지셔닝 (positioning) 및 방출되는 레이저 빔의 다이렉션 (direction) 을 허용한다. 몇몇 머신 구성을 생각할 수 있다: 예를 들어, 워크피스-홀더 또는 - 도 1 에 도시된 바와 같이 - 3 축 (데카르트 (Cartesian) X, Y, Z 시스템) 으로 선형 이동가능한 레이저 헤드. 바람직하게는, 보다 높은 정밀도 및 유연성 (flexibility) 을 허용하면, 워크피스-홀더 또는 레이저 헤드는 추가적으로, 2 개의 회전 축에 대해 높은 정밀도로 회전 가능하다.

도 2 는 레이저 어블레이션에 의해 워크피스들을 가공 (machining) 하기 위한 가능한 레이저 헤드를 나타낸다. 도시된 머신의 레이저 헤드 (1) 는 특히, 그것의 회전 이동을 허용하는 작동기들, 레이저 소스, 광학계, 및 소위 갈바노미터 (galvanometer) 모듈을 포함한다. 이러한 갈바노미터 (13) 의 개략적 구성 및 기능적 원리는 도 3 에 예시된다. 레이저 소스 (3) 는 레이저 빔 (2) (실제로는 레이저 빔 펄스들) 을 방출하고, 이는 X-축 미러 (4) 및 Y-축 미러 (5) 에 의해 굴절되고, 그것이 워크피스 (7) 에 도달할 때까지, F-세타 렌즈들 (6) 또는 동적 필드 정정을 갖는 렌즈를 통과한다. 이는 선택된 초점 길이에 대응하는 표면을 갖는 평면 상에서 빔 (2) 을 이동시키는 것을 허용한다. 430mm 까지의 초점 길이들은 종래 기술이다. 레이저 어블레이션을 위한 이러한 머신의 구성에 대한 보다 상세한 내용들을 위해, 전술한 유럽 특허출원 EP 2 301 706 A2 에 대한 참조가 이루어진다.

이하 추가로 설명되는 레이저 어블레이션 애플리케이션들에 대해, 알려진 시스템들은 평평한 워크피스들 (7) 에 대해, 430 렌즈에 대한 300×300 mm 의 레이저 빔에 대한 최대의, 소위 조각 (engraving) 또는 마킹 (marking) 필드를 달성하는 것을 허용한다 (도 3 참조). 하지만 곡선의 워크피스 표면들에 대해, 레이저 조각 필드는 도 3 에 표시된 바와 같은 광학 시스템으로는 렌즈들의 초점맞춤 성능들에 제한이 가해질 수 있을 것이다. 도 3 에서 표시된 광학 시스템의 초점맞춤 성능들은 통상적으로, 사용되는 초점 렌즈에 따라 0.3mm 의 범위에서 z-축으로 (이미지) 평면의 시프트 (shift) 를 허용한다. 그 수는 레이저 조각을 위한 소위 "가공 깊이 (working depth)" 를 정의한다. 가공될 면이 곡면이고 레이저의 가공 깊이가 워크피스 면의 보다 깊은 부분들에 도달하기에 충분하지 않은 경우에, 그 보다 깊은 부분들은 프로세싱될 새로운 패치 (patch) 의 형성에 의해 또 다른 프로세스 단계에서 가공될 필요가 있다 (이는 결과적으로 가공 헤드 (machining head) 의 재포지셔닝 (repositioning) 을 필요로 한다). 0.3mm 정도로 z-축에서의 매우 제한된 초점맞춤 깊이의 것의 사용에 의해 이러한 - 2-차원 - 갈바노미터로 3-차원 형상들을 조각하는 것이 물론 가능할 것이다. 하지만, 이러한 가공은 3-차원 워크피스 면 (7) 에 대해 3-차원 형상을 텍스처링하기 위해 증가된 양의 필요한 패치들로 인해 훨씬 더 많은 시간을 취할 것이다. 이러한 가공 깊이에 대한 제한을 극복하기 위해, 레이저 조각 필드의 시프팅 (shifting) 과 심지어 +/- 80mm 까지의 가공 깊이도 허용하는, z-축에 대한 "줌 (zoom)" 을 광학 시스템들에 포함하는 것이 한편으로 가능하고 공지되어 있다. 이러한 광학 시스템은 다음의 도면 3a 에서 표시된다: 광학 시스템은 소위 레이저 z 초점 시프터 (shifter) (12) 를 포함한다. 레이저 z 초점 시프터 (12) 는 z-축으로 심지어 +/- 80mm 까지의 깊이들로 필드들의 조각을 허용한다. 워크피스 표면 (7) 조각 필드는 각각 결과적으로 3-차원일 수 있다 (예를 들어, 도 3a 에서 표시된 바와 같이 곡면). Z 초점 시프터의 사용에 의해, 다른 패치를 가공하기 위한 다른 포지션으로의 레이저 헤드의 재포지셔닝은 회피되지 않는다; 워크피스 표면 (7) 을 가공하기 위해 필요한 패치들 (11) 의 양이 그것으로 실질적으로 감소되고 결과적으로 레이저 헤드 (1) 재포지셔닝들의 양 - 각각의 가공되는 패치에 대해 하나의 재포지셔닝 - 또한 실질적으로 감소되기는 하지만 말이다.

워크피스 표면의 조각 및 텍스처링 (texturing) 각각을 위해, - 필요하기 때문에 - 워크피스 표면을 적어도 2 개의 - 실제로는 많이 - 소위 플롯들 (plots) 또는 패치들로 세분 (subdivide) 하는 것이 통상적이다.

워크피스의 표면의 조각을 위해 이용되는 레이저 어블레이션 방법들은 워크피스의 표면 상의 (통상적으로 금속의) 재료를 승화시킴으로써 동작한다. 레이저 어블레이션 가공은, 표면 구조가 레이어방식으로 (layerwise) 가공되는 다수의 프로세스 단계들에서 일어난다. 레이어들에서의 워크피스 표면의 가공은, 레이저 빔이 표면을 제한된 두께까지 아래로 제거하는 것이 가능하다는 단지 단순한 사실에 기인한 것이다. 사실, 레이저는 한번의 통과로 1 내지 5 ㎛ 의 재료를 제거하는 것이 가능하다. 전형적인 금속 워크피스의 레이저 어블레이션에 의한 텍스처링 및 조각은 각각, 워크피스의 표면 상에서 20 내지 100 통과들 (각각의 레이어들) 로 작업하는 것을 통상적으로 요구한다. 3D 몰드 (mould) 의 표면에 대해 원하는 구조 (structure) 또는 텍스처 (texture) 를 생성하기 위해 이용되는 원리는 예를 들어 DE 42 09 933 A1 문헌에 기술되어 있다. 이 프로세스는 "역 스테레오리소그래피 (inverted stereolithography)" 로서 보여질 수 있다: 구축을 위해 코트 (coat) 들을 올리는 대신에, 예를 들어 추가적인 발행물, EP 1189724 A0 및 WO 0074891 A1 각각에 역시 기술된 바와 같이 가공에 의해 코트별로 재료가 승화된다. 레이어들은 3D 몰드 표면의 상부로부터 그것의 가장 깊은 부분까지 레이저 빔에 의해 가공된다.

도 3b 는 레이저 빔이 워크피스의 표면을 미리정의된 패치 (11) 로 각각 어블레이션하는 공지의 그리고 공용의 방식을 도식적으로 나타낸다: (표시되지 않은) 레이저 헤드는, 레이저 펄스들을 방출하고, 이 레이저 펄스들은 갈바노미터 (8) 의 2 개 이상의 미러들에서 굴절되고 패치 (11) 에서 워크피스 표면을 때린다 (전술한 바와 같이, 워크피스 표면은 통상적으로 패치들로 불리는 다수의 정의된 영역들로 세분된다). 레이저 펄스들이 표면을 때리는 곳에서, 재료는 증발된다. 일정하게 방출되는 레이저 펄스들로 이루어지는 레이저 빔 (2) 은, 미리정의된 길 상에서 통상적으로 사용되는 벡터-유사 방식 (vector-like manner) 으로 갈바노미터 (8) 의 작동기들 및 미러들에 의해 이동되어, 패치 (11) 의 경계들에 의해 한정된 워크피스 표면 상에 미세한 그리고 평행으로 배열된 물결모양들 (corrugations) 을 생성한다 (도 3b 에서의 평행한 정렬선들 참조). 물결모양들은 표면으로부터 재료를 승화시켜 제거함으로써 형성된다. 재료의 어블레이션이 발생하는 깊이는 통상적으로 1 내지 5 ㎛ 의 범위에 도달한다. 기술적으로 가능함에도 불구하고, 더 두꺼운 레이어들의 어블레이션은 품질 상의 이유들로 인해 통상적으로 지시되지 않는다. 더 깊은 조각을 위해, 요청된 결과에 도달하기 위해 보다 많은 레이어들 - 차례차례로 프로세싱될 20 내지 100 레이어들 - 에서 어블레이션하는 것이 바람직하다. 워크피스 표면을 프로세싱하기 위해, 레이저 빔은, 도 3b 의 표시된 패치 (11) 상에서 미리정의된 평행선들 벡터들을 따라서 항상 이동하고, 패치 (11) 의 경계에서 다음 포지션으로 점프한다. 표면 상에 텍스처 및 부각 (relief) 을 각각 생성하기 위해, 레이저 펄스들은 재료의 승화가 요청되지 않을 때마다 스위치 오프된다. 이것은, (벡터-유사 가공 프로세스로 불리는) 워크피스 상의 미리정의된 패치의 레이저 텍스처링 및 조각 각각에 대해 공지의 그리고 통상적으로 사용되는 방법이다. 이 방법은 불행하게도, 도 3c 의 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 패치들의 마진 (margin) 에서 가시적인 경계들을 생성한다: 삼각형 패치들의 경계들을 분명하게 볼 수 있다. 이 사진은 한편으로는 또한 벡터-유사 방식으로 통상적으로 사용되는 어블레이션의 트레이스들 (traces) 을 나타낸다. 패치 (11) 의 경계들에 의해 한계가 정해지는 워크피스 표면 상의 통상적인 미세한 평행 배열된 물결모양들을 잘 볼 수 있다 (도 3c 에서의 평행한 정렬들 참조).

예를 들어 도 3c 에서 도시된 가시적인 경계들은 분명히 원치 않는 것이다. 발생된 패치 경계들의 가시성을 감소시키기 위한 다른 방법들이 알려져 있고 이하 설명될 것이다.

트레이스들을 감소시키기 위해, 어블레이션 프로세스는 예를 들어, 다음 레이어의 프로세싱으로 이동하기 전에 하나의 레이어의 매 정의된 패치를 가공하는, 레이어방식으로 수행될 수 있다. 후속하는 레이어들의 패치 경계들은 그 다음 변경되어, 그들이 다른 것 위에 놓여 가시적인 트레이스들의 증배를 발생시키는 것을 회피한다. 변화하는 패치 경계들은 도 4 에서 도시된다. 도 4 의 좌측 및 우측 그림은 2 개의 순차적인 레이어들 (17.1 및 17.2) 을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 후속 레이어 (17.2) (우측의 그림) 상의 패치들 (11) 의 정의된 패치-경계들은 선행하는 레이어 (17.1) 상의 패치들 (11) 에 비해 상이한 형태를 갖는다.

이러한 레이저 어블레이션 프로세스를 위해 전용되는 머신 제어 시스템은, 패치가 최적으로 프로세싱될 수 있도록, 필요할 때마다 워크피스 표면에 가까운 부근에 - 예를 들어 5 자유도의 이동 능력들로 - 레이저 헤드를 정확하게 포지셔닝시킨다.

가공될 솔리드 워크피스의 3D 표면을 모델링하는 컴퓨터 파일들은 메시 파일들 (mesh files) 이다. 머신 제어 시스템은 워크피스 표면의 3d-좌표들을 디지털 형태로 취하고, 레이저 헤드에 의한 로컬 (local) 부분적 조각을 위해 그 정보를 이용한다.

어블레이션될 텍스처들은, 워크피스의 모델링된 3D-표면의 메시 파일에 대해 소프트웨어에 의해 추가적으로 각각 적용 및 프로세싱된다. 소프트웨어에 의한 표면 텍스처의 적용 및 레이저 어블레이션은 과거에 사용되는 물리적 도금에 비해 많은 이점들을 갖는다. 소프트웨어에 의한 모델링된 3-D 표면의 텍스처링 및 조각 각각은 잘 알려져 있고, 특히, 워크피스의 강하게 일그러진 표면 부분들 상에 전통적인 물리적 도금 프로세스로 불가피하게 발생할 구조의 가시적인 왜곡들을 정정하는 것을 허용한다. 소프트웨어는 그들 결정적 표면 부분들에 적용될 텍스처를 적합하게 변형 및 신장시키는 것이 가능하고, 이로써 양호한 결과들을 획득하는 것을 허용한다 (도 6b).

다수의 레이어들을 부분적으로 어블레이션함으로써 3 차원 워크피스의 표면 상에 이미지 및 텍스처 각각의 3D 레이저 조각을 위한 알려진 방법은 예를 들어 이미 언급된 문헌 WO 0074891 A1 (EP 1 189 724 A0) 에서 기술되어 있다.

워크피스의 표면 상에서의 3 차원 텍스처의 실현은, 대부분의 경우들에서 언급된 바와 같이, 많은 레이어들로 작업하고, 워크피스의 곡률에 의존하여, 요청되는 가공 정확도에 따라서, 그리고, 레이저 헤드 및 그것의 광학계들에 의해 제공되는 추가적인 가공 필드 특성들 (종국적으로 z-축에서 초점 시프터의 사용에 의한, 초점 길이) 을 고려하여, 매 레이어의 표면을 수개의 패치들로 분할할 필요가 있다. 통상적으로, 그 패치들은 175×175 mm 의 사이즈를 초과하지 않는다.

수개의 패치들로 쪼개지는 이러한 워크피스 표면의 일 예가 도 7a 및 도 7b 로 표시된다 (본 명세서에서 도 5 는 워크피스의 3D 표면의 대응하는 메시 파일을 나타낸다). 2 개의 도면들 (도 7의 (a) 및 (b)) 은 많은 평면형 패치들 (10) 로 이루어지는 워크피스 표면의 실제로 하나의 레이어를 표시한다. 실제의 3 차원 워크피스 표면에 적용될 3 차원 텍스처의 평면형 프로젝션 (planar projection) 을 각각 포함하는, 도 7a 및 도 7b 의 평면형 패치들 (10) 은 소프트웨어에 의해 가상적으로 생성된다. 워크피스 상에 적용될 텍스처의 평면형 패치들 (10) 에 대한 프로젝션들은 발생하는 광학적 왜곡을 고려하여야 한다. 대응하는 평면형 패치 (10) 의 워크피스 표면은 종종 평면일 필요는 없다. 평면형 패치 (10) 를 정의하면, 소프트웨어는 이 광학적으로 본질적인 디테일 (detail) 을 고려할 필요성이 있다. 3 차원 텍스처의 패치들로의 세분 (subdivision) 에 관한 보다 상세한 내용들은 WO 2005/030430 A1 문헌에서 발견될 수 있다. (+/- 80mm 까지의) 렌즈들에 의해 허용되는 가공 깊이는, 워크피스 표면 상의 가공될 실제 포인트와 평면형 패치 (10) 상의 그것의 프로젝션 사이에 허용되는 최대 거리에 실제로 대응한다 (도 7b 참조). 그 거리가 레이저 장치의 허용되는 가공 깊이를 초과하는 경우에, 새로운 평면형 패치 (10) 가 소프트웨어에 의해 정의될 필요성이 있고, 그 새로운 패치의 프로세싱은 레이저 헤드 (1) 의 새로운 정렬을 실제로 또한 필요로 할 것이다. 가공될 매 - 3 차원 - 레이어에 대해, 소프트웨어는 주어진 기술적 요건들에 따라 새로운 적합한 평면형 패치들을 계산 및 정의할 것이다. 소프트웨어는 물론, (프로세서의 메모리에 메시 파일로서 기억된) 워크피스 표면의 실제의 그리고 현실의 3 차원 형상 및 거기에 적용될 텍스처를 항상 고려한다. 레이저 빔은 종래 기술에 따라 레이어 단위로, 그리고, 각 레이어 내에서 레이저 헤드를 재포지셔닝시킴으로써 패치 표면 단위로 프로세싱한다. 이러한 방식으로 워크피스를 어블레이션하는 것은 그것의 표면에 원하는 텍스처를 포함하는 가공된 워크피스로 종결되는 것을 초래한다.

워크피스 표면 상에 각각 적용 및 조각될 텍스처는 통상적으로 그레이 레벨 (grey level) 이미지로서 정의된다. 도 8 은 이러한 그레이 레벨 이미지 (16) 를 나타낸다. 3-차원 텍스처를 나타내는 그레이 레벨 이미지 (16) 는 다수의 개별 도트들 (dots) 에 의해 구성되고, 이에 의해, 포인트의 심도는 대응하는 도트의 대응하는 그레이 레벨로서 정의된다. 도트가 더 밝을수록 그 특정 포인트에서의 텍스처는 덜 깊다. 도트가 더 어두울수록 그 특정 포지션에서의 텍스처는 더 깊다. 바람직하게는, 그레이 레벨들의 양은 적용되는 레이어들의 양에 대응하고, 매 레이어는 특정 그레이 레벨에 의해 표현된다. 그것에 의해, 그레이 레벨 이미지는 각 레이어에 대해, 그 레이어의 가공 동안 특정 포인트가 어블레이션될 필요성이 있는지 또는 없는지를 정의한다: 그레이 레벨 이미지 (16) 상의 도트가 특정 프로세싱되는 레이어의 그레이 레벨과 동일하거나 더 어두우면, 대응하는 포인트는 어블레이션될 필요성이 있다. 그레이 레벨 이미지에서의 도트가 그 특정 레이어의 그레이 레벨보다 더 밝으면, 대응하는 포인트는 (그 레이어의 가공 동안에도 임의의 후속하는 레이어의 가공 동안에도) 어블레이션될 필요가 없다. 백색의 도트 또는 영역은 결과적으로 깊이를 갖지 않는 텍스처 표면의 포인트 또는 영역을 나타낸다 (도 8 에서는 미도시). 이것은, 텍스처가 그 포지션에서 (가공되지 않는) 표면에 대응하고 아무런 레이저 어블레이션이 거기서 발생할 필요가 없음을 의미한다.

전술한 바와 같이, 표면을 수개의 부분들로 분할함으로써 워크피스를 어블레이션하는 종래의 방식은 종종 각 패치의 경계들에서 트레이스들을 남긴다. 벡터-유사 방식의 레이저 빔 이동에 의해 생성된 물결모양들 (도 3c 참조) 은 그들의 끝에서 각 패치의 경계들 그 자체에서 트레이스를 남긴다. - 정확하게 동일한 패치 경계를 갖는 - 인접하는 패치들의 가공은 추가적인 중첩 효과를 생성함으로써 상황을 악화시킨다. 펄스들이 재료의 이중의 제거를 생성하거나, 또는 - 2 개의 인접하는 패치들의 경계들이 완벽하게 일치하지 않고 약간 서로로부터 이격된 경우에 - 감소된 재료 제거가 경계에서 일어난다. 어느 경우에도, 결과는 바람직하지 않고, 각각의 정의된 패치의 경계들 상에 경계 라인을 볼 수 있다 (도 3c 참조).

가시적인 경계 라인들의 형성을 감소시키는, 워크피스의 모든 패치들을 가공하기 위한 방법이 EP1 174 208 문헌에서 기술된다. 그 문헌에서, 경계 라인들의 형성은 2 개의 인접하는 패치들 사이의 어떤 중첩하는 영역들을 예측함으로써 감소된다. 중첩하는 영역들에서, 재료의 제거는 양 중첩하는 패치들의 가공에 의해 수행된다. 선택된 접근법은 벡터-유사 방식으로 이동되는 레이저 빔에 의해 생성된 경계 라인들의 트레이스들의 확산을 초래하여야 한다.

그럼에도 불구하고, EP1 174 208 에서 개시된 방법조차 항상 만족스러운 결과들을 생성하는 것은 아니다. 예를 들어 4 개의 패치들이 중첩되는 코너 영역들에서 (예를 들어 EP1 174 208 의 도 2 참조), 획득가능한 결과들은 항상 만족스러운 것은 아니다. 또한, 패치들에 의한 가공 동안, 각 패치는 상이한 광학적 렌더링 (rendering) 을 가질 수도 있다. 이것은, 이들 반사들이 가공되는 재료 상에서 가시적이기 때문에, 그리고 또한, 워크피스가 몰딩된 워크피스상의 몰드를 나타내는 경우에, 문제가 있을 수 있다. 또 다른 제한은, 이 방법이 적용될 때 인접하는 패치들의 벡터들이 연속적 (각 벡터가 일직선이어야 하고 다른 벡터들과 각각 정렬되는, 인접하는 패치들 전체를 통해 계속되어야 함을 의미한다) 이어야 한다는 것이다. EP1 174 208 에서 개시된 프로세스는 - 오늘날까지의 모든 다른 알려진 프로세스들처럼 - 도 3b 에 대해 기술된 바와 같이 설명된 벡터-유사 어블레이션 방법으로 작업한다. 그것은 레이저 어블레이션에 의해 워크피스 표면을 각각 텍스처링 및 조각하기 위한 통상적인 알려진 방식이다. EP 2 647 464 A1 는 또한, 벡터-유사 방식의 어블레이션으로 생성된 평행 배열된 물결모양들을 갖는 대신에, 랜덤하게 (randomly) 설정된 가공 도트들로 표면을 포인트방식으로 (pointwise) 어블레이션함으로써 달성되는, 패치들 사이의 경계 라인들의 형성을 완화시키기 위한 방법을 개시한다. 모든 알려진 방법들에 대해, 레이저 헤드는 가공될 매 패치에 대해 재포지셔닝될 필요성이 있다.

텍스처 표면 상의 경계 라인들의 트레이스들을 감소시키는 문제는 전술한 종래 기술에 의해 제공되는 가능성들로 오늘날 해결된다. 많은 후속하는 레이어들의 가공은 오늘날 그들 트레이스들을 감소시킬 필요가 있고, 각 레이어에 대해, 레이저 헤드는 새로운 패치가 가공되려고 할 때마다 재포지셔닝될 필요성이 있다. 종래 기술에 의해 제공되는 가능성들은 결과적으로 여전히 향상의 여지를 남긴다: 오늘날 알려진 해결책들을 이용한 가공 프로세스는, 경계 라인들의 트레이스들이 더 잘 감소되기 위해 더 많은 노동과 시간이 소모된다고 말할 수 있다.

본 발명의 목적은 결과적으로, 경계 라인 트레이스들의 형성을 회피하고 텍스처링된 워크피스 표면을 생성하기 위해 필요한 가공 시간을 감소시키는 새로운 레이어 어블레이션 가공 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 독립 청구항 제 1 항의 특징들에 따른, 2 또는 3 차원 워크피스의 표면의 조각을 위한 레이저 어블레이션 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 레이저 어블레이션 방법의 적용은 결정적인 이점들을 제공한다. 패치가 그것의 한정하는 경계선이 임의의 조각으로부터 자유로와서 가공에 의해 각각 영향을 받지 않도록 정의될 수 있는 경우에, 전술한 불리한 경계 라인들 (14) - 예를 들어 도 3c 를 다시 참조 - 은 각각의 패치의 가공 동안 생성되지 않을 것이다. 그 정의된 특정 경계선은 각각의 패치의 조각 동안 가공되지 않고 그것의 초기 형상대로 변경되지 않고 유지될 것이기 때문에, (도 3c 에서의 가시적인 경계 선들 (14) 에 비해) 그 패치의 경계들의 어떤 가시적인 트레이스들도 생성되지 않을 것이다. 결과적으로, 그 패치의 많은 또는 심지어 모든 레이어들은, 머신 헤드의 재포지셔닝을 필요로 하는, 다른 패치들 사이에서 가공할 필요성 없이, 성공적으로 가공될 수 있다. 비록 본 발명에 따른, 경계선에 의해 한정되는 패치는 단지 한번의 러닝 (run) 으로 각각 하나의 코트가 가공될 수 있을 것임에도 불구하고, 이러한 패치의 가공을 보다 많은 단계들로 각각 소수의 코트들로 세분하는 것이 품질상의 이유들로 인해 여전히 유익할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 알려진 레이저 어블레이션 프로세스들로는, 가공될 워크피스 표면 상에 총 37 레이어들 (I_total) 을 정의할 필요가 있고, 이는 각각의 결정된 패치에 대해 레이저 머신 헤드의 37 번의 재포지셔닝을 의미하지만, 새로운 본 발명의 레이저 어블레이션 방법으로는, 텍스처링 프로세스는 단지 4 코트들의 정의로 종결될 수 있고, 여기서, 매 코트는 연속적으로 가공되는 미리정의가능한 양의 레이어들 (I_m) 을 포함한다. 매 정의되는 코트의 I_m 레이어들의 합은 또한 예측된 레이어들의 총 양 (I_total) (주어진 예에서 37 레이어들) 으로 귀결될 것이다. 하지만, 비록 워크피스 표면 (7) 을 가공하기 위해 여전히 총 37 개의 레이어들이 필요함에도 불구하고, 각각의 패치에 대해 레이저 헤드의 단지 4 번의 재포지셔닝 이동들이 필요하다. 이제, 워크피스 표면이 총 6000 패치들로 이루어진다고 가정하면, 본 발명의 방법은 단지 24,000 (= 4 코트들 × 6000 패치들) 가공 헤드 재포지셔닝 이동들로 이루어질 것이다. 하지만, 종래의 레이저 어블레이션 프로세스로는, 가공 헤드 재포지셔닝은 총 222,000 (= 37 레이어들 × 6000 패치들) 단일 이동들로 이루어질 것이다. 본 발명의 레이저 어블레이션 방법의 적용에 의해, 가공 헤드 이동들의 대량의 - 약 10 배의 - 감축이 가능할 것이다. 따라서, 텍스처링될 워크피스의 가공 시간이 종래의 어블레이션 방법에 비해 4 배까지 감소될 것이다. 본 발명에 의해 가공 효율은 결과적으로 대량으로 증가한다.

본 발명의 레이저 어블레이션 방법은, 그것이 레이저 텍스처링의 반드시 맨 처음부터 적용될 필요는 없고 - 비록 지시되지만 -, 새로운 레이어가 새로운 패치들로 세분될 때마다 적용될 수 있기 때문에 추가적인 이점을 갖는다. 그것은, 본 발명에 따라 매 새로운 레이어의 가공이 추가적인 패치들을 형성할 새로운 가능성을 제공할 수도 있을 것이기 때문에 매우 적절한 이점이다. 이 사실은 도 9 및 도 10 에서 도시되고, 이하에서 설명될 것이다.

도 1 은 레이저 어블레이션에 의해 워크피스들을 가공하기 위한 머신에 대해 생각할 수 있는 구성 및 설계를 나타낸다.
도 2 는 레이저 어블레이션에 의해 워크피스들을 가공하기 위한 가능한 레이저 헤드를 나타낸다.
도 3 은 갈바노미터의 개략적 구성 및 기능적 원리를 나타낸다.
도 3a 는 레이저 z 초점 시프터를 포함하는 광학 시스템을 나타낸다.
도 3b 는 레이저 빔이 워크피스의 표면을 미리정의된 패치로 각각 어블레이션하는 공지 공용의 방식을 도식적으로 나타낸다.
도 3c 는 벡터-유사 방식으로 통상적으로 사용되는 어블레이션의 트레이스들을 나타낸다.
도 4 는 변화하는 패치 경계들을 나타낸다.
도 5 는 워크피스의 3D 표면의 메시 파일을 나타낸다.
도 6 은 소프트웨어로 표면에 적용될 텍스처를 적합하게 변형 또는 신장시키는 것을 나타낸다.
도 7 은 수개의 패치들로 쪼개지는 워크피스 표면의 일 예를 나타낸다.
도 8 은 워크피스 표면 상에 적용 및 조각될 텍스처의 그레이 레벨 이미지를 나타낸다.
도 9a 는 텍스처의 그레이 레벨 이미지 (모든 코트들) 를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10d 는 도 9a 에 따른 그레이 레벨 이미지의 텍스처를 적용하기 위해 프로세싱될 처음 4 개의 정의된 레이어들을 도시한다.
도 10e 는 전체 워크피스 표면을 패치들로 분할한 것을 나타낸다.

도 9a 는 도 8 과 관련하여 이미 설명된 바와 같이 그레이 레벨 이미지 (16) 를 정의한다. 도 9a 의 그레이 레벨 이미지 (16) 는 결과적으로 워크피스 표면 상에서 어블레이션될 텍스처를 정의하고, 그것과 함께, 워크피스 표면을 가공하기 위해 정의될 매 단일 레이어에 대해 어블레이션될 표면 포인트들을 정의한다. 도 10a 내지 도 10d 는 다른 한편으로, 도 9a 에 따른 그레이 레벨 이미지 (16) 의 텍스처를 적용하기 위해 프로세싱될 처음 4 개의 정의된 레이어들을 도시한다. 레이어의 매 포인트는 기본적으로 단지 어블레이션될 수 있거나 레이저 빔에 의해 어블레이션되지 않을 수도 있기 때문에, 도 9a 의 그레이 레벨 이미지는 매 정의된 레이어에 대해 흑색 또는 백색 정보로 감소되어, 어블레이션될 레이어의 포인트들/영역들은 흑색으로 마킹되고 어블레이션되지 않을 포인트들/영역들은 백색으로 마킹되는 것을 의미한다. 도 10a 내지 도 10d 는 워크피스 표면 (7) 상에서 어블레이션될 처음 4 개의 레이어들에 대응하고, 따라서 단지 그 흑색 또는 백색의 각각의 "디지털" 정보를 포함한다. 도 10a 는 예를 들어 그 - 제 1 - 레이어의 모든 포인트가 어블레이션될 필요성이 있는 것을 나타낸다. - 도 10b 에 대응하는 - 가공될 제 2 레이어에서, 백색 영역들 각각의 포인트들은 가공/레이저 어블레이션되지 않을 것이다. 프로세싱될 제 3 레이어를 나타내는 도 10c 에 대해서도 명백하게 동일하게 적용된다. 도 10a, 도 10b, 및 도 10c 에서 볼 수 있는 바와 같이, 레이저 빔에 의해 영향/가공 받지 않을 경로를 따르는 경계선으로 그들 레이어들 상에 패치를 정의하는 것은 가능하지 않다. 사실, 도 10a, 도 10b, 및 도 10c 에서 도시된 백색 영역들은 서로 연결되지 않는다. 그 결과, 이들 처음 3 개의 레이어들에서의 패치들의 정의는 본 발명에 따라 발생할 수 없고, 종래 기술에 따라 정의될 것이다 (이는 레이어마다 변화하는 경계들을 갖는 패치들 및 레이어의 매 패치를 종래 기술에 따라 단 한번 가공하는 것을 의미한다). 제 4 레이어에 대해, 도 10d 에 도시된 바와 같이, 상황은 하지만 변화하고, 본 발명의 방법이 처음으로 여기서 적용될 수 있다: 도 10d 의 표시된 레이어 (17.1) 는, 레이저 가공 헤드의 레이저 어블레이션 및 레이저 빔 조각 각각에 의해 영향받지 않을 그 레이어 (17.1) 상의 경로를 따르는 방식으로 결정되는 경계선들 (18) 의 형성을 허용한다. 패치들 (19) 의 그들 특성 경계선들 (18) 은 바람직하게는 각각의 경로 (19) 주위로 폐쇄된 라인을 형성한다. 본 발명의 경계선들 (18) 을 갖는 도 10d 에서의 형성된 패치들 (19) 의 각각은, 그들의 경계들이 임의의 추가적인 레이저 어블레이션 및 가공 각각에 의해 영향을 받지 않을 경로를 따르기 때문에, 결과적으로 다른 인접하는 패치들과는 독립적으로 가공될 수 있다. 각각의 본 발명의 경계선들 (18) 에 의해 정의되는 이들 패치들 (19) 의 경계들은 그 경로의 레이저 가공 동안 어떤 (가시적인) 경계 트레이스도 생성되지 않을 결과적인 특성을 갖는다. 도 10d 의 결정된 패치들 (19) 은 결과적으로 수개의 후속하여 프로세싱되는 레이어들에서 가공될 수 있다. 이것은, 이들 패치들 (19) 중 하나에서의 레이어 (17.1) 의 가공 다음에, 또 다른 패치 (11) 또는 패치 (19) 를 가공하기 위해 레이저 헤드가 재포지셔닝되기 전에, 다음 레이어들 (17.2, 17.3, 17.4 등) 의 가공이 바로 이어지는 것을 의미한다. 본 발명에 따라 경계선 (18) 에 의해 한정되는 패치 (19) 에 의해 정의되는 워크피스의 표면 영역은, 그 영역에서의 텍스처가 완전히 적용될 때까지, 특히 경계 트레이스들을 발생시킬 염려 없이, 레이저 어블레이션에 의해 가공될 수 있다. 다른 패치들 또는 영역들은 여전히 레이저 텍스처링을 받을 수도 있는 동안, 이들 최종적으로 텍스처링된 영역들은 추가로 가공되지 않을 것이라는 것은 자명하다. 상기 추가로 언급된 바와 같이, 한번의 러닝으로 패치 (19) 를 마무리하는 대신에, 패치 (19) 의 전체 레이저 어블레이션 가공을 통과들을 의미하는 소수의 코트들로 나누는 것이 가능하고 때로는 또한 그렇게 지시된다. 그럼으로써, 표면 텍스처링은 워크피스 표면 상에 보다 고르게 적용된다. 예를 들어, 레이저 어블레이션되는 표면 영역들의 발생되는 열이 보다 고르게 분포된다.

주목할 만한 것은, 본 발명은 또한 종래의, 공지의 레이저 어블레이션 프로세스와 결합되도록 의도된다는 것이다. 사실, 초기 단계에서 레이어의 전체 표면을 단지 특성 경계선들 (18) 을 갖는 본 발명의 패치들 (19) 로 분할하는 것은 거의 가능하지 않을 것이다. 최외측의 경우들에서, 특성화 경계선 (18) 을 갖는 본 발명의 패치들 (19) 의 결정은 레이저 어블레이션/레이저 조각 프로세스에 대해 부분적으로 또는 전적으로 영향을 받는 경계선들을 갖는 종래의 패치들 (11) 의 형성과 결합될 것이다. 이 종류의 결합은 또한 도 10d 에 표시된다. 레이어 (17.1) 는 영역 상에서 (레이어별로 변화하는 패치 경계들을 갖는 어블레이션 레이어 방식을 의미하는) 종래의 방식으로 레이저 텍스처링을 적용하기 위해 종래의 패치들 (11) 에서 세분되어야 하는 영역을 또한 포함한다.

다음의 도 10e 에서 도시된 바와 같이, - 가공될 레이어 (17.x) 인 것으로서 여기서 예시되는 - 전체 레이저 텍스처링 프로세스의 어떤 단계에서, 전체 워크피스 표면은 본 발명의 패치들 (19) (또한 종래의 패치들 (11) 로 세분되고 종래의 방식으로 레이저 어블레이션되어야 하는 전술한 영역) 로 분할될 수 있다.

본 발명의 레이저 어블레이션 방법은 레이저 가공 헤드의 레이저 빔을 이용함으로써 텍스처로 2 또는 3 차원 워크피스의 표면을 조각하기 위한 것이다. 표면 조각은 연속적으로 가공되는 하나 이상의 레이어들에서 수행되고, 여기서, 가공될 각각의 정의된 레이어는 하나 이상의 패치들로 세분되고, 이 하나 이상의 패치들은 차례로 레이저 빔으로 가공되도록 의도된다. 본 발명들은, 적어도 하나의 패치의 경계선이, 레이저 가공 헤드의 레이저 빔 조각 및 어블레이션 각각에 의해 영향받지 않을, 가공될 레이어 상의 경로를 따르는 방식으로 결정되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 그 패치의 경계선은 폐쇄된 라인을 형성한다.

본 발명의 레이저 어블레이션 방법은, 레이저 빔에 의해 영향받지 않을 레이어 상의 경로를 따르는 경계선을 갖는 각각의 결정된 패치 상에서 각각 조각 및 가공하고, 레이저 가공 헤드가 다음 패치를 가공하기 위해 재포지셔닝되기 전에, 계속하여 워크피스 표면 상의 2 개 이상의 레이어들을 각각 조각 및 가공한다.

일단 레이어의 모든 패치가 가공되고 나면, 가공될 후속하는 레이어가 다시 새로운 패치들로 세분된다. 그 새로운 패치들의 경계선들은, 가능하면 레이저 빔 조각에 의해 영향받지 않을 그 후속하는 레이어 상의 경로를 따르도록 하는 방식으로 결정된다. 본 발명의 레이저 어블레이션 방법은 결과적으로 그 후속하는 레이어 상에도 적용된다. 표면 조각이 2 개 이상의 레이어들에서 수행되고 새로운 레이어가 패치들로 세분되어야 할 때마다, 본 발명의 레이저 어블레이션 방법이 적용된다. 레이저 빔 조각 및 레이저 어블레이션 텍스처링 각각에 의해 영향받지 않을 경로를 따르는 경계선을 갖는 패치가 일단 결정되면, 레이어들의 미리정의된 양 (I_m) 이 (그 패치에 의해 한정된 대응하는 워크피스 표면 상에서) 레이저 어블레이션에 의해 연속하여 가공된다. 바람직하게는, 그 미리정의된 양의 레이어들 (I_m) 은 워크피스의 표면 상의 텍스처의 레이저 조각을 위해 예측된 총 미리결정된 양의 레이어들 (I_total) 보다 더 낮다.

바람직하게는, 워크피스의 표면 상에 조각될 텍스처는 그레이 레벨 이미지에 의해 결정되고, 여기서, 그 이미지에서의 매 그레이 레벨은 워크피스 표면 내로 어블레이션될 소정의 깊이 및 레이어에 각각 대응한다.

본 발명은 또한, 레이저 어블레이션에 의해 텍스처로 워크피스 표면들을 조각하기 위한 본 발명의 레이저 어블레이션 방법을 이용하는 본 발명의 소프트웨어를 또한 포함한다. 본 발명은 또한, 이전의 설명에 따른 레이저 어블레이션 방법을 적용하는 레이저 가공 헤드를 갖는 레이저 어블레이션하기 위한 머신 툴 (tool) 을 포함한다.

본 발명은 또한, 이전의 설명에 따른 본 발명의 레이저 어블레이션 방법을 이용하는 소프트웨어를 구비하고 레이저 가공 헤드를 갖는 레이저 어블레이션하기 위한 머신 툴을 포함한다.

본 발명은 설명된 실시형태 및 대체물들에 제한되지 않는다.

1 레이저 헤드 및 레이저 가공 헤드 각각
2 레이저 빔
3 레이저 소스
4 X-축 미러
5 Y-축 미러
6 F-세타 렌즈
7 워크피스 표면
8 작동기들, 갈바노미터 드라이브들
9 솔리드 3 차원 워크피스의 메시 파일
10 평면 표면
11 패치, 플롯
12 레이저 Z 초점 시프터
13 갈바노미터
14 경계 선들
15 2 또는 3 차원 워크피스의 표면
16 조각될 텍스처를 정의하는 그레이 레벨 이미지
17.1, 17.2 가공될 워크피스 표면의 후속하는 레이어들
18 레이저 어블레이션에 의해서 및 레이저 빔 조각에 의해서 각각 영향받지 않을 경로를 따르는 패치의 경계선
19 레이저 어블레이션에 의해 영향받지 않을 경로를 따르는 경계선 (18) 을 갖는 패치

Claims (9)

1. 레이저 가공 헤드 (1) 의 레이저 빔 (2) 에 의해 텍스처 (16) 로 2 또는 3 차원 워크피스의 표면 (7) 을 조각 (engraving) 하기 위한 레이저 어블레이션 방법으로서,
   상기 표면의 조각은 연속적으로 가공되는 하나 이상의 레이어들 (17.1, 17.2) 에서 수행되고, 가공될 정의된 상기 레이어 (17.1, 17.2) 중 적어도 하나는 상기 레이저 빔 (2) 으로 차례로 가공되도록 의도된 2 개 이상의 패치들 (11) 로 세분되며,
   상기 방법은, 적어도 하나의 패치 (19) 의 경계선 (18) 은 상기 레이저 가공 헤드 (1) 의 상기 레이저 빔 (2) 조각에 의해 영향받지 않을 레이어 (17.1, 17.2, 17.x) 상의 경로를 따르도록 하는 방식으로 결정되며, 바람직하게는, 상기 패치 (19) 의 상기 경계선 (18) 은 폐쇄된 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 가공 헤드 (1) 는, 상기 레이저 빔 (2) 에 의해 영향받지 않을 그러한 레이어 (17.1, 17.2, 17.x) 상의 경로를 따르는 경계선 (18) 을 갖는 각각의 결정된 패치 (19) 에서, 상기 레이저 가공 헤드 (1) 가 다른 패치 (11, 19) 를 가공하기 위해 재포지셔닝되기 전에 상기 워크피스의 표면 (7) 에 대해 연속하여 2 개 이상의 레이어들 (17.1, 17.2, 17.x) 을 조각하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   레이어 (17.1) 의 모든 패치 (11) 가 일단 가공되고 나면, 가공될 후속 레이어 (17.2, 17.x) 가 새로운 패치들 (11, 19) 로 다시 세분되고, 여기서, 상기 새로운 패치들 (19) 의 경계선들 (18) 은, 가능하면 그 후속 레이어 (17.2, 17.x) 에 대한 상기 레이저 가공 헤드 (1) 의 상기 레이저 빔 (2) 조각에 의해 영향받지 않을 그 후속 레이어 (17.2, 17.x) 상의 경로를 따르도록 하는 방식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션 방법.
4. 레이저 가공 헤드 (1) 의 레이저 빔 (2) 에 의해 텍스처 (16) 로 2 또는 3 차원 워크피스의 표면 (7) 을 조각하기 위한 레이저 어블레이션 방법으로서,
   상기 표면의 조각은 2 개 이상의 레이어들 (17.1, 17.2, 17.x) 에서 수행되고,
   상기 방법은,
   새로운 레이어가 패치들 (11, 19) 로 세분되어야 할 때마다 제 1 항 또는 제 2 항의 상기 레이저 어블레이션 방법이 적용되는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 빔 (2) 조각에 의해 영향받지 않을 경계선 (18) 을 갖는 결정된 패치 (19) 는, 레이어들 (17.1, 17.2, 17.x) 의 미리정의된 양 (I_m) 이 그 패치 (19) 에 의해 한정되는 상기 워크피스의 표면 (7) 에 대한 레이저 어블레이션에 의해 연속하여 가공되도록 가공되고, 바람직하게는, 미리정의된 양의 레이어들 (I_m) 은 상기 워크피스의 상기 표면 (7) 에 대한 상기 텍스처의 레이저 조각에 대해 예측된 총 미리결정된 양의 레이어들 (I_total) 보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 워크피스의 상기 표면 상에 조각될 상기 텍스처는 그레이 레벨 이미지 (16) 에 의해 결정되고, 그 이미지 (16) 에서의 모든 그레이 레벨은 상기 워크피스의 표면 (7) 내로 어블레이션될 소정의 깊이에 대응하며, 바람직하게는, 모든 그레이 레벨은 정의된 레이어 (17.1, 17.2, 17.x) 에 대응하는 것을 특징으로 하는 레이저 어블레이션 방법.
7. 레이저 어블레이션에 의해 텍스처로 워크피스 표면들 (7) 을 조각하기 위한 레이저 가공 헤드 (1) 를 갖는 머신 툴들을 위한 소프트웨어로서,
   상기 소프트웨어는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 상기 워크피스의 표면 (7) 에 대한 상기 텍스처의 조각을 동작시키는 것을 특징으로 하는 머신 툴들을 위한 소프트웨어.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 어블레이션 방법을 적용하는 레이저 가공 헤드 (1) 를 갖는 레이저 어블레이션을 위한 머신 툴.
9. 제 7 항에 따른 소프트웨어를 구비한 레이저 가공 헤드 (1) 를 갖는 레이저 어블레이션을 위한 머신 툴.

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