레이저 미세 가공을 위한 Renishaw의 VIONiC™ 엔코더 역할

Renishaw

레이저 미세 가공에는 고품질 레이저 빔에 의한 레이저 마킹이나 레이저 커팅, 레이저 밀링, 레이저 제거와 같은 공정이 있다.
레이저 복사(laser radiation)의 이점은 다음과 같다.

  · 뛰어난 유연성
  · 비접촉식 머시닝과 기기 마모 없음(zero tool wear)
  · 자동화 가능성
  · 실리콘과 세라믹, 금속, 폴리머를 비롯한 다양한 재료의 광범위한 가공 공정에서 애플리케이션을 간편하게 통합


레이저 머시닝 제작은 공작물의 크기가 아니라 레이저 공구로 얻는 피처 크기의 정밀도를 기준으로, 마이크로 머시닝(micro machining)과 매크로 머시닝(macro machining)으로 나뉜다. 마이크로 머시닝에 사용되는 레이저는 평균 출력이 1kW 미만인 펄스 빔을 사용하지만, 매크로 가공에는 보통 수 kW에 이르는 연속파(CW) 레이저 빔을 사용한다.

레이저 마이크로 머시닝 애플리케이션에는 MEMs(Microelectromechanical) 디바이스, 전기 테스트와 반도체 웨이퍼 테스트에 사용되는 마이크로 스케일 프로브, 접점의 형성이 포함된다. 레이저 가공 제품은 종종 혈관 스텐트과 흡수성 발판, 신경 혈관 장치 같은 의료 애플리케이션에 사용된다.

VIONiC™ 광학 엔코더 시리즈는 리니어와 로터리 애플리케이션을 위한 Renishaw의 초정밀 올인원 디지털 증분 엔코더(incremental encoder)이다. 이 제품은 마이크로 머시닝 프로세스와 기타 정밀 제조용으로 특별히 설계되었다. 올바른 엔코더 선택은 레이저 가공에 중요하다.

마이크로 머시닝의 모션 제어

현재 2D 갈바노미터 스캔 헤드를 가진 고체 상태 레이저를 사용하는 직접 레이저 기록(DLW)과, 대부분 엑시머 레이저와 종래의 고정 마스크를 사용하는 다양한 마스크 기술(예: 마스크 투사)로 레이저 미세 가공을 한다.

DLW는 플루언스(또는 단일 레이저 펄스로 증착되는 에너지의 양) 조건이 스폿 크기를 제한하는 재료를 크게 절단하고 대량으로 구멍을 뚫는 데 유용하다. 필요한 기능은 CAD로 작성한 다음 CAD/CAM 프로그래밍 인터페이스를 사용하여 모션 제어 코드로 직접 변환한다. 공작물의 빔 위치는 정밀 X-Y 모션 스테이지에 의해 직접 제어된다. 이러한 시스템의 가장 큰 장점 중 하나는 광범위한 마이크로 엔지니어링 작업에 유연하다는 것이다.

접촉 마스크 공정은 간단한 빔 성형 광학 장치로 정확한 레이저 출력을 제어하고, 형상은 대상을 블로커 마스크에 접촉시켜 결정하는 기술이다. 접촉 마스크의 노광은 작업 대상물을 고정시키거나 빔 아래에서 스캐닝할 때 작동한다. 스캐닝을 사용할 때 균일한 노출을 보장하려면 테이블 이송 속도로 레이저를 쏴야 한다. 이 경우 정밀 엔코더가 통합되어 작업물의 속도와 가속도를 제어해야 한다.

접촉식 스캐닝의 이점 중 하나는 넓은 범위의 재료를 처리하는 것이다.
레이저 가공 공정에 사용되는 모션 시스템은 스테퍼 모터와 서보 모터가 있다.

스테퍼 모터 시스템의 단점

· 위치 정확도의 한계
· 큰 작동 소음
· 높은 소비 전류

서보 모터의 장점

· 엔코더와 함께 사용하면 정확도 높음
· 모터가 정지 상태일 때 전류 소비가 없음
· 속도 리플이 최소화된 부드러운 모션-고속 애플리케이션에 이상적

좌표 모션 이미징이나 마스크 프로젝션에서 마스크와 소재는 별도의 컴퓨터 제어 X-Y-Z 스테이지에 장착된다. 프로세싱 동안, 마스크와 스테이지는 반대 방향으로 보간 모션(interpolated moves)을 수행한다. 마스크 이동의 크기는 이미지 시스템 축소와 동일한 크기만큼 커진다. 역방향 운동은 레이저 이미지가 움직이는 공작물의 위치를 정확하게 추적하여, 마스크의 다른 영역이 노출될 때 그것이 동일한 위치에 남아 있게 한다.

고정밀 광학 엔코더가 50nm 이하의 반복성과 나노미터 해상도로 위치 피드백하기 위해 각 스테이지에 내장되어 있다. Anti-creep 교차 롤러 베어링이나 에어 베어링은 스테이지가 설정된 작업물의 궤도를 따라 레이저 초점을 이동한다. 따라서 펄스 에너지 증착의 국부적 변화를 최소화하는 탁월한 속도 안정성을 제공한다. 마이크로 머시닝은 외란 오류를 최소화하고, 추적 기능을 향상시키며, 우수한 위치 안정성을 제공하는 알고리즘과 하드웨어를 갖춘 고급 모션 컨트롤러가 필요하다. 모션 오류는 축이 가속이나 감속할 때 가장 커지는 경향이 있다.

특정 재료를 레이저 미세 가공할 때 원하는 결과를 얻으려면, 파장과 펄스 반복 속도, 평균 출력, 펄스 지속 시간에 따라 레이저를 선택해야 한다. 초고속 레이저는 높은 피크 강도로 ‘냉간 절삭(cold ablation)’을 유도하므로, 거친 소재를 매우 작고 정밀한 패턴으로 효과적으로 가공한다. 아주 작은 크기의 구조는 주변 환경에 부수적인 손상 없이, 종종 재료 특성을 변경하지 않고 만들어진다. 정밀한 마이크로 머시닝 프로세스로 다양한 업계의 매우 민감한 애플리케이션에 가장 짧은 펄스 레이저를 사용할 수 있게 되었다.

엔코더 정확도와의 관계

순차적인 시그널 전송의 본질적인 특성과 스캔 헤드의 동적 특성으로 직접 기록 프로세스는 한계가 있다. 일단 속도를 제한해야 한다. 엑시머 레이저는 일반적으로 포토 리소그래피와 유사한 마스크 프로젝션 기술(MP)에 사용된다. 마스크 투영 기술은 고정된 투과 마스크에 포함된 모든 정보를 한 번에 전송할 수 있다. 전형적으로 문자와 숫자나 그림의 완전한 마킹은 나노초로 지속되는 하나의 레이저 펄스 내에 생성된다. 따라서 프로세스 속도는 검류계 스캐너 거울의 기계적 이동이 아닌 엑시머 레이저의 반복 속도로 제한된다.

레이저 가공 스테이션은 롤-투-롤(roll-to-roll) 생산 라인처럼 종종 다른 공정을 배치한다. 레이저 가공 시스템은 연속 금속 스트립을 가공하는 스탬핑 프레스의 하류에 배치되어, 레이저 마킹과 절단, 재료 제거에 사용된다. 재료의 공급 속도는 일정하게 유지되고, 레이저는 프레스 램(press ram)의 위치로 작동된다. 로터리 엔코더는 프레스 램에 사용되어 가장 낮은 진동(스탬핑 작업 사이)으로 램 사이클 일부를 결정한다. 또한 엔코더가 레이저 아래를 통과할 때 금속 스트립의 속도를 정밀하게 제어하기 위해 서보 제어 롤 피더에도 사용된다. 따라서 레이저 가공의 정확도는 엔코더의 정확도에 직접 영향을 받는다.

VIONiC 엔코더 시리즈 통합

Renishaw의 VIONiC 시리즈 같은 고성능 광학 엔코더는 레이저 미세 가공 작업에 중요한 역할을 한다. 이러한 위치 감지 장치는 컨트롤러에 피드백을 제공하고 레이저 펄스와 스테이지 모션, 검류계 조정 간의 통합으로 마이크로미터 크기로 정밀하게 가공한다. 레이저 마이크로 머시닝 장비의 특정 엔코더는 높은 분해능과 짧은 대기 시간, 우수한 정확도, 작은 패키지 크기, 낮은 질량을 갖추었다. 일부 애플리케이션에서는 디지털 실시간 엔코더가 디지털 실시간 컨트롤러와의 통신에 더 선호된다.

VIONiC 엔코더 시리즈는 35mm×13.5mm×10mm 패키지로, 판독 헤드 내부에 필요한 보간과 디지털 신호 프로세싱을 모두 결합한 선형과 회전식 애플리케이션을 위한 올인원 디지털 엔코더 솔루션이다. Sub-Divisional 오류(SDE)는 ±10nm 이하이며 해상도는 2.5nm 이하이다. 판독 헤드는 모션 제어 시스템의 속도와 성능을 최적화하는 광범위한 구성을 제공한다.

VIONiC 시리즈는 레이저 마이크로 밀링 같은 정밀 공정을 지원하고 실리콘과 플라스틱 같은 다양한 기판에 미세 기능을 구현하는 기술을 지원한다.
일부 VIONiC 시리즈의 정확도는 값비싼 초미세 피치(<4μm) 엔코더 시스템과 같다. 요(yaw)와 높이 공차, 설치 용이성, 작은 시스템 크기, 향상된 속도, 오염 방지, 저렴한 비용 같은 유연한 스케일 옵션이 장점이다.

가능한 스케일 유형으로 금속 테이프와 스파(spar), 회전 링(초고 정확도 REXM 포함)이 포함된다. 제공된 스케일 유형은 열 보상과 정확도 요건을 모두 충족한다. 리니어 ZeroMet™ RELM 스파이 스케일은 20°C에서 ± μm/m 정확도와 거의 0의 열팽창 계수(CTE)를 제공한다.

또한 VIONiC RTLC 스테인리스강 리니어 스케일은 기계 기판이 스케일 정확도에 미치는 영향을 효과적으로 제거하여 단순한 열 오류 보상을 허용하는 FASTRACK™ 캐리어 장착 옵션과 함께 사용할 수 있다. 고속 처리 성능은 처리량이 많은 프로세스에 중요하며 VIONiC 엔코더는 리니
어 축에서는 12m/s, 회전축에서는 최대 4,400RPM을 지원한다. 또한 옵션인 고급 진단 도구(ADT, Advanced Diagnostic Tool)는 직관적인 소프트웨어 인터페이스로 엔코더 피드백을 제공한다.

자료 제공: Renishaw(www.renishaw.com)