KR20240001146A - 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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알렉산더 카니츠
잔 스테판 호피우스
야니스 쾰러
알렉산더 이겔만
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리드로텍 게엠베하
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Abstract

본 발명은 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 방법에 관한 것으로, 방법은,
액체로 채워진 공정 챔버(20)에 공작물(22)을 제공하는 단계와,
포커싱 유닛(18)을 사용하여 공작물(22)의 표면에 펄스 레이저 방사선(14)을 포커싱하는 단계와,
포지셔닝 유닛(16)을 사용하여 포커싱된 레이저 방사선과 공작물 표면(22a) 사이의 상대적 이동을 생성하는 단계와,
검출 유닛(30)을 사용하여 사전정의된 검출 영역에서 기포(28)를 검출하는 단계와,
레이저 방사선(14)과 검출된 기포(28) 사이의 상호작용 효과를 방지하거나 감소시키기 위한 제1 동작을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

액체에서 공작물을 레이저 가공하는 방법 및 시스템
본 발명은 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 방법 및 이에 대응하는 시스템에 관한 것이다.
레이저 방사선을 이용한 공작물 가공의 장점은 일반적으로 알려져 있다. 특히 레이저 방사선을 사용하면 재료 가공에서 높은 정밀도와 높은 공정 속도가 가능해진다. 집중된 레이저 방사선의 사용으로 인해 가공된 공작물이 국부적으로 강하게 가열된다는 것은 레이저를 이용한 재료 가공에서 어려운 점으로 간주될 수 있다. 가공 영역 외부에서 발생하는 열 효과는 일반적으로 바람직하지 않다.
레이저 가공 공정을 개선하기 위해, 일부 응용례에서는, 레이저 가공 공정이 액체에서 발생한다. 이러한 경우, 가공할 공작물은 액체로 채워진 공정 챔버에 배치되어 전체 공정 동안 공작물이 액체에 의해 냉각된다.
또한, 이러한 공정 챔버를 사용하면, 경우에 따라 챔버 내의 액체가 가공 공정 중에 영구적으로 교체되는 것이 제공된다. 일반적으로, 공정 챔버 내에서 흐름을 생성하고 공정 챔버 내의 액체를 지속적으로 교환하는 펌프가 이러한 목적으로 사용된다.
기포가 공정 챔버에 형성될 수 있다는 점은 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 것의 단점으로 간주될 수 있다. 기포가 형성되는 이유는 다양할 수 있다. 특히, 기포는 레이저 방사선과 공작물의 상호작용 또는 액체의 순환에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 레이저 공정으로 인해 부착 기포(지속 기포라고도 함)가 발생하여 가공된 표면의 영역에 있는 공작물 표면에 형성될 수 있다. 이러한 기포는 시간이 지남에 따라 공작물 표면에서 분리되어 공정 챔버를 통해 자유 기포로서 이동할 수 있다. 또한 시스템 내 액체의 교환으로 인해, 시스템을 통해 여러 번 이동하여 레이저 가공 공정에 반복적으로 간섭할 수 있다.
반면에, 시스템에서 기포가 형성될 수 있으며, 이는 레이저 방사선과 공작물 간의 상호작용과는 독립적으로 생성된다. 예를 들어, 공정 챔버 또는 호스가 초기 상태에서 공기로 채워져 있는 경우 시스템 시동 시 자유 기포가 생성될 수 있다. 저장소로부터 챔버로 이송된 액체로 공정 챔버를 채울 때 공정 챔버 내부에 기포가 형성되는 경우가 많다. 여기서, 공기는 기포의 형태로 호스에서 액체 저장소로 여러 번 플러시되고 거기에서 다시 호스 챔버 시스템으로 펌핑된다. 기포는 보통 몇 분 후에야 저장소 내의 액체 표면에 도달하며, 그래야만 더 이상 레이저 가공 공정에 간섭하지 않는다.
처음에 이미 설명했듯이, 일반적으로 공정 챔버에는 두 가지 상이한 유형의 기포가 형성되는데, 한편으로는 일반적으로 공작물 표면에 부착되는 부착 또는 지속 기포이고, 다른 한편으로는 공정 챔버를 통해 또는 전체 시스템(공정 챔버, 호스, 저장소)을 통해서도 이동할 수 있는 자유 기포이다. 기본적으로, 부착 기포는 시간이 지남에 따라 자유 기포가 될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
기포의 특정 유형에 관계없이, 레이저 방사선의 유효 범위 내에 있는 기포는 항상 레이저 방사선과 원치 않는 상호작용을 일으킨다. 그 이유는 공기와 액체의 굴절률 차이이며, 이는 액체와 기포 사이의 계면에서 사용되는 레이저 방사선의 원치 않는 반사 및 회절을 일으킨다.
전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 방법을 제안하며, 방법은 다음 단계들을 포함한다:
액체로 채워진 공정 챔버에 공작물을 제공하는 단계와,
포커싱 유닛을 사용하여 공작물의 표면에 펄스 레이저 방사선을 포커싱하는 단계와,
포지셔닝 유닛을 사용하여 포커싱된 레이저 방사선과 공작물 표면 사이의 상대적 이동을 생성하는 단계와,
검출 유닛을 사용하여 사전정의된 검출 영역에서 기포를 검출하는 단계와,
레이저 방사선과 검출된 기포 사이의 상호작용 효과를 방지하거나 감소시키기 위한 제1 동작을 수행하는 단계.
본 발명의 방법은 공정 챔버에서 기포로 인한 가능한 간섭 효과를 제거하거나 적어도 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 공정 속도를 높이는 동시에 가공된 공작물의 품질을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 방법은 특히 레이저 절단 공정 동안 절단 에지를 개선할 수 있으며, 이러한 개선은 간섭 효과의 감소에 의해 달성된다.
예를 들어, 사용되는 액체는 물일 수 있다. 사용되는 포커싱 유닛은 특히 포커싱 렌즈, 포커싱 미러 또는 렌즈 시스템으로서 구성될 수 있다. 상대적인 이동은 방사선의 편향 또는 공작물의 포지셔닝에 의해 생성될 수 있다. 이러한 측면에서, 포지셔닝 유닛은 회동식 미러(스캐너 미러라고도 함), 회전식 미러(예컨대, 다각형 스캐너) 또는 포지셔닝 테이블의 형태로 구현될 수 있다. 가능한 기포의 형성은 예를 들어, 전체 공정 챔버를 포괄하는 검출 영역에서 모니터링될 수 있다. 여기서 검출 영역은 인접한 영역을 포함할 수 있지만, 서로 분리된 영역도 포함할 수 있다. 예를 들어, 검출 영역은 한편으로는 공정 챔버의 내부를 포함하고 다른 한편으로는 액체뿐만 아니라 기포도 챔버로 유입될 수 있는 호스를 모니터링하는 것이 제공될 수 있다. 이 경우, 검출 영역은 정적 또는 동적일 수 있다. 예를 들어, 공정 챔버의 전체 내부를 모니터링해야 하는 경우 정적 검출 영역이 유리할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서는 전체 공정 챔버가 모니터링되는 것이 아니라 레이저 방사선이 현재 유효한 공정 챔버의 일부만 모니터링되도록 명시적으로 바람직할 수 있다. 이는 상대적으로 큰 공정 챔버의 경우 바람직할 수 있는데, 예를 들어 가능한 기포가 레이저 방사선에서 멀리 떨어져 있어 레이저 공정에 간섭하지 않고 그러한 기포를 궁극적으로 제거할 필요가 없기 때문이다. 이 경우, 검출 영역이 현재 레이저 빔 위치의 함수로서 동적으로 설정되는 것이 제공될 수 있다.
제1 동작에서, 검출된 기포에 의해 야기된 공작물의 레이저 가공 동안 간섭 효과를 방지하거나 적어도 감소시키기 위해 하나 또는 복수의 단계가 수행된다. 이 단계는 특히 공정 영역으로부터 검출된 기포를 제거하는 역할을 할 수 있다. 이 문맥에서, "제1"을 추가하는 것을 추가 동작에 대한 제한이나 참조로 이해해서는 안 된다. 오히려 이 추가는 본 출원의 맥락에서 더 쉽게 참조할 수 있도록 하는 역할을 한다. 제1 동작은 사전정의된 검출 영역에서 기포가 검출될 때마다 수행된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 동작은 검출 영역에 기포가 더 이상 존재하지 않을 때까지 수행되는 것이 제공될 수 있다. 제1 동작은 기포의 검출에 응답하여 수행되며, 특히 검출된 기포(예를 들어, 기포의 위치 및 크기)에 의존하여 수행될 수 있다.
본 발명의 방법은 이해를 용이하게 하기 위해 방법 단계의 구체적인 순서로 위에서 설명되었지만, 본 발명에서 궁극적으로 개별 단계를 특정 순서로 수행하는 것이 기술적 효과를 달성하는 데 필요하지 않다는 것은 당업자에게 명백하다.
본 발명의 방법의 실시예에 따르면, 기포의 검출은,
카메라 유닛을 사용하여 사전정의된 검출 영역의 사진 이미지를 캡처하고 대응하는 이미지 파일을 생성하는 단계와,
이미지 파일을 평가하는 단계 - 평가는 특히 패턴 인식 알고리즘의 사용을 포함함 - 를 포함하는 것이 제공될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 가능한 기포의 자동 검출이 이루어질 수 있으며, 검출된 기포의 경우 기포를 제거하기 위한 동작이 자동으로 수행될 수 있다. 또한, 수행될 동작은 검출된 기포의 위치 및 크기 또는 유형(예를 들어, 자유 기포 또는 부착 기포)에 따라 자동으로 선택되는 것이 제공될 수 있다. 패턴 인식 알고리즘을 사용하면 본 발명에 따른 방법의 자동화 정도를 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기포의 검출은 산란광 측정을 포함하며, 산란광 측정은 특히,
LED를 사용하여 검출 영역을 조명하는 단계와,
포토다이오드를 사용하여 검출 신호를 픽업하는 단계 - 포토다이오드는 검출 영역을 통해 전파된 후 LED에 의해 방출되는 방사선을 픽업하도록 구성됨 - 와,
평가 유닛을 사용하여 검출 신호를 평가하는 단계를 포함하는 것이 제공될 수 있다.
여기서, LED와 포토다이오드는 예를 들어, 공정 챔버의 두 개의 양측에 배열될 수 있으며, LED에 의해 방출된 광은 제1 공정 윈도우를 통해 챔버로 들어갈 수 있지만, 산란된 광은 제2 공정 윈도우를 통해 챔버 밖으로 유도되고 후속하여 포토다이오드에 의해 캡처될 수 있다.
LED 대신 할로겐 램프나 레이저 광원과 같은 다른 광원을 사용할 수도 있다. 그러나, LED는 제어하기 쉽고 저렴한 비용으로 사용할 수 있다는 점에서 LED를 사용하는 것이 유리하다. 예를 들어, 모니터링된 검출 영역은 공정 챔버의 전체 내부를 포함할 수도 있거나, 이와 달리 공정 챔버의 일부만 포함할 수도 있다. 또한, 기포의 형성이 예상될 수 있는 공급 또는 토출 호스의 개별 섹션이 모니터링되는 것도 제공할 수 있다. 평가 유닛은 특히 컴퓨팅 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 평가 유닛은 PC, 랩톱 또는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 평가에서, 포토다이오드에 의해 생성된 검출 신호는 특히 캘리브레이션 공정 중에 이전에 픽업된 기준 신호와 비교될 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션 동안, 기포가 검출 영역에 존재하지 않았던 애플리케이션 시나리오에서 기준 신호가 픽업되었을 수 있다. 검출 신호가 기준 신호에서 크게 벗어나는 경우, LED와 포토다이오드 사이에 기포가 존재한다고 결론을 내릴 수 있다.
검출 유닛은 초음파 검출기, 레이더 센서, 용량성 센서 및/또는 전자기 센서를 포함한다는 것이 더 제공될 수 있다. 또한, 검출 유닛은 산소 센서 유닛을 포함하는 것도 제공될 수 있다. 분리된 기포 또는 미세 기포의 산소 농도는 액체의 산소 농도와 상당히 다르기 때문에, 공정 챔버 내의 산소 농도를 측정하는 것은 기포가 액체에 존재할 가능성에 대한 정보를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 동작은 공정 챔버 내의 액체의 흐름율의 변화를 포함하는 것으로 제공될 수 있다. 특히, 기포의 검출에 따라 챔버 내의 흐름율이 갑자기 증가하여 검출 영역에서 검출된 기포가 제거될 수 있도록 하는 것이 제공될 수 있다. 또한, 검출된 기포를 보다 효율적인 제거를 달성하기 위해 흐름 방향이 반전되는 것도 제공될 수 있다. 여기서, 흐름 방향의 반전은 순차적으로 여러 번 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 표면에 부착된 검출된 기포가 이 표면으로부터 분리될 때까지 반복될 수 있다. 챔버 내부의 흐름은 특히 액체를 챔버 내부로 또는 챔버로부터 펌핑하는 펌프를 사용하여 생성될 수 있다. 대안으로서, 챔버의 이동에 의해 흐름이 생성되는 것이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 동작은 레이저 방사선이 검출된 기포로 향하도록 레이저 방사선의 포지셔닝을 포함하는 것도 제공될 수 있다. 특히 기포가 부착된 경우, 기포가 부착된 표면에서 기포가 분리되도록 할 수 있다. 예를 들어, 기포가 공작물 표면에 부착되어 있고 레이저 방사선이 기포로 향하는 경우, 레이저 방사선이 공작물 표면과 상호작용하면 충격파가 발생하여 공작물 표면에서 기포가 분리되는 데 기여한다. 따라서, 동일한 레이저 빔이 재료 가공 및 부착 기포를 분리하는 데 유리하게 사용된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서, 레이저 빔은 공작물 가공 및 기포 분리를 위한 결합된 도구로서 사용되어, 기포 분리를 위한 추가 구성요소가 필요하지 않다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이저 방사선이 부착 기포가 검출되었던 공작물 표면의 영역으로 디포커싱된 형태로 지향되는 것이 제공될 수 있다. 따라서 충격파의 생성이 공작물 표면의 더 넓은 영역에서 수행될 수 있으며, 이에 따라 공작물 표면에서 기포를 보다 균일하고 보다 효율적으로 분리할 수 있다. 공작물 표면의 빔 직경은 기포 직경의 50%, 80% 또는 100%가 되도록 설정될 수 있다. 레이저 방사선의 디포커싱은 특히 포커싱 유닛의 위치의 변화 또는 공작물 위치의 변화에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 동작은 초음파 발생기를 사용하여 검출된 기포 부근에서 초음파를 생성하는 것이 더 제공될 수 있다. 이를 위해, 특히 초음파 발생기가 공작물의 바로 근처에 배열되거나 공정 챔버에서 흐름을 생성하는 데 사용되는 호스 또는 라인의 바로 근처에 배열되는 것이 제공될 수 있다. 초음파 발생기는 특히 전기적으로 제어되는 피에조 소자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1 동작은 흐름 유형의 변화를 포함하며, 흐름 유형은 특히 층류, 난류 및 맥동 간에 변화될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 제1 연구에 따르면 흐름 유형을 변화시킴으로써 부착 기포를 특히 효율적으로 분리할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 본 발명에 따라 다음 단계들이 제공될 수 있다:
검출된 기포의 통과 시간을 결정하는 단계 - 기포는 레이저 방사선과 기포 사이의 상호작용이 예상되는 영역에 존재함 - 와,
결정된 통과 시간의 기간 동안 레이저 방사선을 비활성화하는 단계, 또는
레이저 방사선이 기포의 외부에 배열되도록 레이저 방사선을 포지셔닝하는 단계.
통과 시간을 결정할 때, 특히 자유 기포가 검출 영역에서 이동하는 속도가 결정되는 카메라 기반 방법을 사용할 수 있다. 그 후, 검출된 기포가 레이저 방사선과 기포 사이의 상호작용이 예상되는 영역에 어느 시점과 어느 기간 동안 있는지(= 통과 시간)를 계산할 수 있다. 결국, 레이저 방사선은 결정된 통과 시간 동안 비활성화되거나 레이저 방사선과 기포 사이에 상호작용이 발생하지 않는 다른 위치로 전송된다. 레이저 방사선의 비활성화를 위해, 예를 들어 레이저 빔 소스를 끄거나 대안으로서 빔 흡수기를 사용할 수 있다. 대안으로서, 빔 변조기, 특히 음향-광학 변조기(ACM이라고도 함) 또는 전기-광학 변조기(EOM이라고도 함)를 사용하여 방사선을 특히 빠르게 편향시킬 수 있다. 검출된 기포가 충돌 영역을 벗어나자마자, 레이저 방사선을 다시 활성화할 수 있다. 대안으로서, 레이저 가공 공정을 위해 레이저 빔 궤적이 사전정의되는 것이 제공될 수 있으며, 기포를 검출할 때 레이저 방사선과 자유 기포 사이의 상호작용이 임박했음이 계산될 수 있다. 이 경우 레이저 방사선은 사전설정된 궤적을 벗어나 충돌 영역을 "건너뛸" 수 있으므로 기포가 충돌 영역을 벗어나자마자 공작물의 이 영역이 나중에 가공된다. 이러한 방식으로 레이저 방사선과 기포 사이의 상호작용이 크게 감소하고 공정 품질과 속도가 크게 증가한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 시스템으로서, 이 시스템은:
펄스 레이저 방사선을 생성하기 위한 레이저 빔 소스와,
레이저 방사선을 공작물의 표면에 포커싱하기 위한 포커싱 유닛과,
공작물을 수용하기 위한 공정 챔버와,
공작물의 표면 상에서 레이저 방사선의 위치를 조정하기 위한 포지셔닝 유닛과,
사전정의된 검출 영역에서 기포를 검출하기 위한 검출 유닛과,
제어 유닛 - 제어 유닛은 레이저 방사선과 검출된 기포 사이의 간섭 효과를 방지하거나 감소시키기 위한 제1 동작을 수행하도록 구성됨 - 을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템은 포커싱된 레이저 방사선과 기포 사이의 원치 않는 상호작용 효과를 현저히 방지하거나 현저히 감소시킴으로써 공정 속도 및 가공 품질을 크게 향상시킬 수 있다. 레이저 빔 소스는 특히 펄스 지속시간이 약 100fs 내지 100ps인 초단 펄스를 생성하도록 설계된 레이저 빔 소스일 수 있다. 제어 유닛은 특히 레이저 가공 중 간섭 효과를 방지하거나 줄이기 위한 제1 동작을 달성하도록 설계될 수 있으며, 간섭 효과는 레이저 방사선과 검출된 기포 사이의 상호작용에 의해 야기될 수 있다.
본 발명의 시스템의 일 실시예에 따르면, 검출 유닛은 검출 영역을 모니터링하기 위한 카메라 유닛을 포함하는 것이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템에서 검출 유닛은 LED와 포토다이오드를 포함하며, 포토다이오드는 검출 영역을 통해 전파된 후 LED에 의해 방출된 방사선을 픽업하도록 구성되는 것이 제공될 수 있다. 여기서 LED와 포토다이오드는 공정 챔버의 양측에 배열될 수 있다. LED의 광은 제1 공정 윈도우를 통해 공정 챔버로 유입될 수 있고, 이 광은 제2 공정 윈도우를 통해 챔버 밖으로 유도되어 포토다이오드에 의해 검출될 수 있다.
본 발명의 시스템의 다른 실시예에 따르면, 시스템은 기포가 검출 영역에서 이전에 검출되었는지 여부에 따라 공정 챔버(20) 내의 흐름율 및/또는 흐름 방향 및/또는 흐름 유형을 조정하도록 구성된 흐름 발생기를 포함하는 것이 더 바람직하게 제공될 수 있다. 따라서, 기포가 검출되지 않은 경우, 공정 챔버 내부의 흐름을 조정하여 가공 영역에서 기포를 제거하는 것이 가능하다. 여기서, 전술한 기포 제거 전략이 구현될 수 있다. 흐름 발생기는 특히 하나 또는 복수의 압력 및 흡입 펌프를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템의 실시예에 따르면, 시스템은 기포가 검출 영역에서 이전에 검출된 경우, 검출 영역에서 초음파를 생성하도록 구성된 초음파 발생기를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 이에 따라, 부착 기포를 특히 효율적으로 분리할 수 있다.
이하, 본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1 종래 기술에 따른 액체에서의 레이저 재료 가공을 위한 시스템,
도 2 이상적인 경우 및 가공 영역에 기포가 존재하는 경우의 레이저 가공 공정,
도 3 본 발명에 따른 방법의 실시예의 개략도를 도시,
도 4 본 발명에 따른 기포의 검출을 위한 실시예의 개략도, 및
도 5 본 발명에 따라, 레이저 방사선과 검출된 기포 사이의 상호작용 효과를 방지하기 위한 동작의 실시예의 개략도.
도 1은 종래 기술로부터 이미 알려진 액체에서의 레이저 가공을 위한 시스템(10)을 도시한다. 이러한 시스템(10)은 펄스 레이저 방사선(14)을 생성하는 레이저 빔 소스(12)를 포함한다. 레이저 방사선(14)의 배향은 포지셔닝 유닛(16)을 통해 조정될 수 있다. 레이저 방사선(14)은 포커싱 유닛(18)을 통해 공정 챔버(20)의 내부로 포커싱된다. 가공될 공작물(22)이 공정 챔버(20)에 배열된다. 포커싱된 레이저 방사선(14)은 공작물(22)의 표면(22a)으로 향하여 공작물(22)이 원하는 위치에서 정확하게 가열되고 증발될 수 있도록 한다. 여기서, 레이저 방사선은 투명한 공정 윈도우(24)을 통해 공정 챔버(20)로 들어가고, 공정 챔버(20)는 이와 달리 빛이 투과되지 않는다. 공정 챔버(20)는 액체(26)로 채워져 있다. 사용되는 액체(26)는 예를 들어 물일 수 있다. 액체는 예를 들어, 가공 공정 중에 공작물을 냉각시키는 역할을 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 레이저 가공 공정에서 발생하는 문제점을 도시한다. 도 2에 표시된 바와 같이, 액체에서 레이저 가공을 하면 레이저 가공 공정에 악영향을 미치는 기포가 형성된다.
먼저, 도 2(a)는 공정 챔버(20)에 기포가 존재하지 않는 이상적인 경우를 도시한다. 이 경우, 포커싱된 레이저 방사선(14)은 공작물(22)의 표면에 간섭받지 않고 충돌하여 공작물(22)을 가열할 수 있다.
이와 대조적으로, 도 2(b)는 공작물(22)의 표면에 부착 기포(28)가 형성된 경우를 도시한다. 액체(26)와 기포(28) 사이의 굴절률 차이로 인해, 입사된 레이저 방사선(14)의 일부가 반사된다. 반사된 레이저 방사선(14a)은 공작물(22)의 표면에 충돌하지 않으므로 가공 공정에 사용될 수 없다. 또한, 입사 레이저 방사선(14)의 일부가 편향된다. 따라서 편향된 레이저 방사선(14b)은 원하는 위치에서 공작물(22)의 표면에 충돌하지 않는다. 이는 레이저 가공 공정의 정확도에 악영향을 준다.
도 2(c)는 가공 영역에 자유 기포(28)가 존재하여 포커싱된 레이저 방사선(14)과 상호작용하는 다른 시나리오를 도시한다. 기포(28)는 입사 레이저 방사선(14)이 디포커싱되며, 그 결과 디포커싱된 레이저 방사선(14c)이 공작물(22)의 표면에 충돌하게 되는 효과를 가진다. 이로 인해 정기적으로 방사선 강도(면적당 전력으로 정의됨)가 공작물(22)의 표면의 재료를 증발시키기에 불충분하게 된다.
앞에서 예시된 예는 공정 챔버(20)에 형성된 기포가 레이저 가공 공정에 상당한 간섭을 일으킨다는 것을 보여준다. 특히, 기포는 공정 속도 감소, 효율성 저하, 불안정성 및 원하는 가공 결과와의 편차를 유발한다.
도 3은 본 발명에 따른 방법(100)의 실시예를 도시한다. 실시예를 설명하기 위해, 이하에서는 "제1 단계", "제2 단계" 등을 참조한다. 그러나, 이 용어는 본 발명의 틀에서 궁극적으로 필요한 순서를 명시적으로 결정하지 않으며, 오히려 개별 방법 단계를 구분하는 역할을 한다. 제1 단계(110)에서, 공작물은 액체로 채워진 공정 챔버에 제공된다. 펄스 레이저 방사선은 제2 단계(120)에서 공작물의 표면에 포커싱된다. 여기에는 포커싱 유닛이 사용된다. 공작물 가공을 위해, 제3 단계(130)에서 포커싱된 레이저 방사선과 공작물 표면 사이의 상대적인 이동이 생성되며, 이에 포지셔닝 유닛이 사용된다. 포지셔닝 유닛은 예를 들어, 공작물의 표면에서 포커싱된 레이저 방사선의 위치를 설정하도록 설계된 스캐너 미러로서 구성될 수 있거나, 공작물의 위치를 변경하도록 설계된 포지셔닝 테이블로서 구성될 수 있다. 제4 단계(140)에서는, 사전정의된 검출 영역에서 기포의 존재가 체크된다. 이를 위해, 특히 카메라를 포함할 수 있는 검출 유닛이 사용된다. 기포가 검출되면, 레이저 방사선과 검출된 기포 사이의 상호작용 효과를 방지하거나 감소시키기 위해 제5 단계(150)에서 제1 동작이 수행된다. 즉, 제1 동작은 검출 영역 또는 가공 영역으로부터 각각 검출된 기포를 제거하는 역할을 한다.
도 4는 기포의 검출과 관련된 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 4(a)는 카메라 유닛으로서 구성된 검출 유닛(30)이 제공되는 실시예를 도시한다. 카메라 유닛은 기포가 간섭하는 것으로 간주되는 검출 영역을 캡처한다. 특히, 카메라 유닛은 공정 챔버(20)의 내부를 모니터링할 수 있다. 카메라 유닛은 후속하여 평가되는 이미지 파일을 생성한다. 생성된 이미지 파일에서 기포가 검출되면, 기포를 제거하고 상호작용을 감소시키기 위한 대응 동작이 수행되도록 제공될 수 있다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 카메라는 레이저 방사선(14)에 대해 방사형으로 배열될 수 있다. 대안으로서, 카메라 유닛은 레이저 방사선에 대해 축방향으로 위치될 수도 있다. 이를 위해, 예를 들어, 빔 분할기가 사용될 수 있다. 또한, 검출 유닛은 2개의 카메라 유닛을 포함하는 것이 제공될 수 있는데, 각각 레이저 방사선에 대해 방사상으로 배열되고 서로 90° 오프셋된다. 2개의 카메라 유닛을 사용함으로써, 기포(28)의 3차원 위치가 정확하게 결정될 수 있다.
도 4(b)는 검출 유닛(30)이 LED(30a)와 포토다이오드(30b)를 포함하는 추가 실시예를 도시한다. LED(30a)와 포토다이오드(30b)는 공정 챔버(20)의 양 측에 배열된다. LED(30a)에 의해 방출된 광은 투명한 공정 윈도우(24)를 통해 공정 챔버(20)의 내부로 들어간다. 검출 영역에 기포가 존재하지 않는 경우, LED(30a)에 의해 방출된 광은 반대쪽 공정 윈도우(24)를 통해 직접 빠져나가 포토다이오드(30b)에 의해 캡처될 수 있다. 그러나 기포(28)가 검출 영역에 존재하는 경우, LED(30a)에 의해 방출된 광은 기포(28)에서 산란되어 포토다이오드(30b)가 그에 따라 수정된 신호를 생성한다. 포토다이오드(30b)의 출력 신호를 이전에 캡처된 기준 신호와 비교함으로써, 모니터링되는 검출 영역에 기포가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.
도 5는 레이저 방사선(14)과 기포(28) 사이의 상호작용 효과를 방지하기 위한 상이한 동작을 제공하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 5(a)에서, 예시된 실시예는 공정 챔버(20)의 하측에 배열된 추가 초음파 발생기(32)를 포함한다. 검출 유닛(30)이 검출 영역에서 기포(28)의 존재를 검출하면, 초음파 발생기(32)는 제어 유닛(이 도면에는 도시되지 않음)에 의해 활성화될 수 있다. 이에 의해, 기포(28)가 공작물(22)의 표면으로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 초음파 발생기(32)는 부착 기포(28)가 활성화될 때만 작동되도록 제공될 수 있다. 도 2(b) 및 도 2(c)에 이미 예시된 바와 같이, 부착 기포와 자유 기포는 모양이 상당히 다르므로 광학적으로 서로 구별될 수 있다.
또한, 도 5(b)는 흐름 발생기(34)가 제공되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 흐름 발생기(34)는 액체 유입구(34a) 및 액체 배출구(34b)와, 액체 유입구(34a) 및 액체 배출구(34b)에 연결된 압력 펌프 및 흡입 펌프를 포함하며, 펌프는 도 5(b)에 도시되지 않는다. 흐름 발생기(34)는 기포(28)가 검출되는 경우 흐름을 생성하도록 구성되며, 이에 의해 기포가 가공 영역으로부터 멀리 이송된다. 초음파 발생기(32)와 흐름 발생기(34)가 서로 결합되는 것도 제공될 수 있다. 이와 같이, 예컨대, 부착 기포(28)가 검출되었던 경우 초음파 발생기(32)를 작동시키는 것이 가능하지만, 자유 기포가 검출되었던 경우 흐름 발생기(34)가 작동된다. 또한, 부착 기포가 검출되는 경우, 먼저 초음파 발생기(32)가 공작물(22)의 표면으로부터 기포(28)를 분리하는 데 사용되는 반면, 흐름 발생기(34)는 자유 기포를 검출 영역 또는 가공 영역으로부터 각각 멀리 이동시키기 위해 후속적으로 작동되는 것이 바람직하게 제공될 수 있다.
참조 번호 목록
10 레이저 가공 시스템
12 레이저 방사선 소스
14 레이저 방사선
14a 반사된 레이저 방사선
14b 편향된 레이저 방사선
14c 디포커싱된 레이저 방사선
16 포지셔닝 유닛
18 포커싱 유닛
20 공정 챔버
22 공작물
22a 공작물 표면
24 공정 윈도우
26 액체
28 기포
30 검출 유닛
30a LED
30b 포토다이오드
32 초음파 발생기
34 흐름 발생기
34a 액체 유입구
34b 액체 배출구
100 레이저 가공 방법
110 제1 방법 단계
120 제2 방법 단계
130 제3 방법 단계
140 제4 방법 단계
150 제5 방법 단계

Claims (14)

  1. 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 방법으로서,
    액체로 채워진 공정 챔버(20)에 공작물(22)을 제공하는 단계(110)와,
    포커싱 유닛(18)을 사용하여 상기 공작물(22)의 표면에 펄스 레이저 방사선(14)을 포커싱하는 단계(120)와,
    포지셔닝 유닛(16)을 사용하여 상기 포커싱된 레이저 방사선과 공작물 표면(22a) 사이의 상대적 이동을 생성하는 단계(130)와,
    검출 유닛(30)을 사용하여 사전정의된 검출 영역에서 기포(28)를 검출하는 단계(140)와,
    상기 검출된 기포(28)에 의해 야기되는 레이저 가공 동안 간섭 효과를 방지하거나 감소시키기 위한 제1 동작(150)을 수행하는 단계를 포함하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기포의 검출(140)은,
    카메라 유닛을 사용하여 상기 사전정의된 검출 영역의 사진 이미지를 캡처하고 대응하는 이미지 파일을 생성하는 단계와,
    상기 이미지 파일을 평가하는 단계 - 상기 평가는 특히 패턴 인식 알고리즘의 사용을 포함함 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기포(28)의 검출(140)은 산란광 측정을 포함하며, 상기 산란광 측정은 특히,
    LED(30a)를 사용하여 상기 검출 영역을 조명하는 단계와,
    포토다이오드(30b)를 사용하여 검출 신호를 픽업하는 단계 - 상기 포토다이오드(30b)는 상기 검출 영역을 통해 전파된 후 상기 LED(30a)에 의해 방출되는 상기 방사선을 수신하도록 구성됨 - 와,
    평가 유닛을 사용하여 상기 검출 신호를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동작(150)은 상기 공정 챔버(20) 내의 흐름율의 변화를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동작(150)은 상기 레이저 방사선(14)이 상기 검출된 기포(28)로 향하도록 상기 레이저 방사선(14)의 포지셔닝을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 방사선(14)은 상기 기포(28)가 검출된 상기 공작물 표면(22a)의 영역으로 디포커싱된 형태로 향하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동작(150)은 초음파 발생기(32)를 사용하여 상기 검출된 기포(28) 부근에서 초음파를 생성하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동작(150)은 흐름 유형의 변화를 포함하며, 상기 흐름 유형은 특히 층류, 난류 및 맥동 간에 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출된 기포(28)의 통과 시간을 결정하는 단계 - 상기 기포(28)는 상기 레이저 방사선(14)과 상기 기포(28) 사이의 상호작용이 예상되는 영역에 존재함 - 와,
    상기 결정된 통과 시간의 기간 동안 상기 레이저 방사선(14)을 비활성화하는 단계, 또는
    상기 레이저 방사선(14)이 상기 기포(28)의 외부에 배열되도록 상기 레이저 방사선(14)을 포지셔닝하는 단계를 더 특징으로 하는,
    방법.
  10. 액체에서 공작물을 레이저 가공하는 시스템으로서,
    펄스 레이저 방사선(14)을 생성하기 위한 레이저 빔 소스(12)와,
    상기 레이저 방사선(14)을 공작물(22)의 표면(22a)에 포커싱하기 위한 포커싱 유닛(18)과,
    상기 공작물(22)을 수용하기 위한 공정 챔버(20)와,
    상기 공작물(22)의 상기 표면(22a) 상에서 상기 레이저 방사선(14)의 위치를 조정하기 위한 포지셔닝 유닛(16)과,
    사전정의된 검출 영역에서 기포(28)를 검출하기 위한 검출 유닛(30)과,
    제어 유닛 - 상기 제어 유닛은 상기 검출된 기포(28)에 의해 야기되는 레이저 가공 동안 간섭 효과를 방지하거나 감소시키기 위한 제1 동작을 수행하도록 구성됨 - 을 포함하는,
    시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 검출 유닛은 상기 검출 영역을 모니터링하기 위한 카메라 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 검출 유닛은 LED(30a)와 포토다이오드(30b)를 포함하며, 상기 포토다이오드(30b)는 상기 검출 영역을 통해 전파된 후 상기 LED(30a)에 의해 방출된 상기 방사선을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는,
    시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    기포(28)가 상기 검출 영역에서 이전에 검출되었는지 여부에 따라 상기 공정 챔버(20) 내의 흐름율 및/또는 흐름 방향 및/또는 흐름 유형을 변화시키도록 구성된 흐름 발생기(34)를 더 특징으로 하는,
    시스템.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    기포(28)가 상기 검출 영역에서 이전에 검출된 경우, 상기 검출 영역에서 초음파를 생성하도록 구성된 초음파 발생기(32)를 더 특징으로 하는,
    시스템.
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