Aerotech “레이저 스캔 헤드의 기술 발전으로, 생산성과 품질 놀랍게 향상됐다”
스마트폰, 의료 기기, 반도체와 같은 제품의 대량 생산에는 고속, 고정밀 레이저 공정이 필요하다. 더 작고, 빠르고, 저렴한 제품에 대한 수요는 공정 복잡성과 제조업체의 비용 압박을 가중시킨 다. 결과적으로 레이저 처리 속도와 부품 품질은 항상 상충된다. Aerotech의 레이저 가공 제품 관리자인 Bryan Germann(브라 이언 게르만)은 최신 스캔 헤드 기술 및 제어 방법에 대한 전문 지식을 제공한다. 50년 이상 정밀 모션 제어 및 자동화의 최전선에서 있는 Aerotech는 고급 제조 애플리케이션을 위한 고성능 레이저 스캐너, 선형/회전 스테이지, 모션 컨트롤러 및 턴키 자동화 시스템의 선도적 제조업체이다.
Q. 엔지니어가 정밀 레이저 가공 애플리케이션에서 처리량을 개선하려고 할 때 직면하는 어려움은 무엇인가?
고정밀 애플리케이션의 목표는 부품 품질을 유지하면서 프로세스 처리량을 극대화하는 것이다. 이는 결코 쉬운 일이 아니다. 레이저 스캔 헤드는 매우 빠른 속도로 특정 경로를 따라 이동하고 해당 경로를 따라 적용되는 레이저 에너지를 정밀하게 제어한다. 그러나 레이저 스캐너 속도를 높이면 레이저 스팟의 위치 정확도에 영향을 미치며, 특히 복잡한 모션 프로필의 경우 그렇다. 따라서 고정밀을 유지하면서 처리량을 위한 동적 성능을 높이려면 일반적으로 모션 제어 소프트웨어 및 하드웨어에서 기계 구성 요소 및 기계 통합에 이르기까지 전체 시스템 최적화가 필요하다. 모터스포츠 비유를 생각해 보자. 모든 자동차는 성능 요구 사항에 따 라 가속, 감속 및 코너링 기능이 다르다. 4기통 쿠페는 포뮬러 1 경주용 자동차와 요구 사항이 다르다. 하지만 성능의 정점에 있는 포뮬러 1 자동차조차도 코너를 돌 때 속도를 줄여야 한다. 이러한 순간에 가장 작은 디자인 변경이 극적인 성능 이점을 가져올 수 있다.
▲ 최고 성능의 포뮬러 1 자동차도 회전하려면 속도를 줄여야 한다.
Q. 성능에 영향을 미치는 레이저 스캔 헤드 설계의 고려 사항은 무엇인가?
스캐너에서 대상까지의 작업 거리는 스캐너의 시야, 레이저 스팟 크기 및 해상도에 영향을 미친다. 초점 거리가 긴 더 넓은 시야는더 큰 표면 또는 더 많은 개별 개체를 처리할 수 있게 해준다. 이는 주어진 초점 렌즈에 대해 더 낮은 위치 해상도를 가진 더 큰 스팟 크기와 균형을 이루어야 한다. 레이저 출력과 반복률은 스팟 모션 프로필과 동기화되어야 한다. 이러한 모든 요소에 최적화된 시스템은 가장 큰 영역 또는 개체 수의 시야를 제공하여 가장 높은 공정 속도에서 필요한 품질을 생성한다. 스캔 헤드 자체의 경우 모터 설계는 관성을 최소화하지만 더 빠른 속도와 최소한의 디더(dither, 레이저 빔을 움직이는 가장 작은 증분 거리)를 위해 강성을 최대화해야 한다. 레이저 스캔 헤드는 또한 최대 강성, 최적의 시야 대 초점 거리 비율, 최소화된 열 부하를 가져야 한다. 이를 통해 사용자는 더 긴 초점 거리에서 더 빠르게 절단할 수 있으며, 변형과 궤적 오류가 줄어든다.
Q. 하이 다이내믹 레이저 가공의 어떤 발전으로 공정 처리량과 부품 품질이 향상되었나?
스캐너의 시야를 늘리면 공정 처리량이 개선된다. 거울에서 주어진 위치 변화에 대한 빔의 이동 거리는 비례적으로 확장된다. 스캐너가 표면에서 더 멀리 떨어져 있을 수록 스팟이 더 긴 거리를 더 빨리 이동한다. 이를 통해 더 짧은 시간에 더 많은 부품을 처리할 수 있다. 공정에서 스팟 크기를 늘릴 수 있다면 결과적으로 더 짧은 시간에 더 많은 부품을 처리하고 위치 낭비를 줄일 수 있다. 또한 추적 오류 성능이 이러한 긴 작업 거리에서 유지되면 부품 품질과 수율에 영향을 미치지 않는다. 이는 처리량을 개선하는 간단한 방법처럼 들리지만 시스템 수준의 조정이 필요하 다. 마이크로미터 수준의 정밀도(짧은 작업 거리에서 일반적)가 더 긴 작업 거리로 변환되도록 모든 것이 개선되어야 한다. 그렇지 않으면 짧은 작업 거리에서 존재 했던 오류가 더 긴 거리에서 확대된다. Aerotech에서는 AGV-XPO 스캔 헤드를 자체 드라이브와 페어링하여 사용자가 모든 것을 쉽게 최적화할 수 있도록 돕는다.
▲ 레이저 스캔 헤드가 회전 검류계 위치를 작업 표면의 선형 위치로 변환하는 방식과 작업 표면까지의 거리가 속도와 분해능에 어떤 영향을 미치는지를 그래픽으로 표현한 것.
Q. 단일 모션 컨트롤러에서 레이저 스캔 헤드와 서보 스테이지를 제어하면 어떤 이점이 있나?
동기화된 레이저 빔 위치 지정 및 작업물 이동, 간소화된 시스템 통합 및 프로그래 밍, 향상된 성능, 유연성 및 잠재적 비용 절감은 모두 중요한 이점으로 꼽을 수 있다. 아마도 가장 중요한 이점은 실시간 동기화 및 조정된 모션일 것이다. 단일 컨트롤 러를 사용하면 레이저 스캔 헤드와 서보 스테이지 간에 정밀한 동기화가 가능하여 레이저 빔과 작업물의 정확하고 동시적인 위치 지정이 보장된다. 이 동기화된 모션은 정밀한 윤곽 모션이 필요한 고정밀 레이저 절단과 같은 애플리케이션에서 매우 중요하다. 레이저 빔이 작업물의 원하는 위치로 정확하게 향하도록 보장 하여 고품질의 일관된 결과를 얻을 수 있다. Aerotech의 Infinite Field of View(IFOV)를 사용하면 스캐너와 스테이지 모션이 고대역폭 광섬유 기반 연결을 통해 하나의 컨트롤러로 제어된다. 스캐너와 스테이지 모션 궤적은 레이저 스캔 헤드 축에 대한 2축 명령에서 나온다. 명령이 단수이고 스테이지와 스캐너가 연결되어 있기 때문 에, Aerotech의 스캔 헤드는 사용자 입력 없이도 스테이지 모션의 오류를 실시간으로 동적으로 보상할 수 있다. 이는 훨씬 더 빠르고 더 높은 확신을 가지고 프로세스를 확장하려는 기계 빌더에게 강력한 솔루션이다.
▲ 고성능 선형 x-y-z 모션과 Automation1 컨트롤로 구동되는 AGV-HPO 2축 레이저 스캔 헤드가 포함된 Aerotech 시스템.
Q: 레이저 스캔 헤드 시스템을 지정할 때 설계자 에게 줄 수 있는 몇 가지 팁이 있다면?
프로세스는 실제로 주어진 애플리케이션에 필요한 시스템 성능을 결정하는 것으로 시작된다. 부품을 수용하기 위해 시야각이 얼마나 커야 하나? 빔 위치 지정은 얼마나 정확해야 하나? 비용 목표는 무엇이며 설정에 얼마를 사용할 수 있나? 단일 기계로 이를 수행할 수 있을까? 특정 구성 요소 세트를 사용하는 경우 더 많은 바닥 공간과 오버 헤드가 필요한가? 엄격한 품질 사양을 충족하려면 무엇이 필요한가? 구성 요소의 기능을 과도하거나 과소하게 지정하면 단위당 비용이 증가하고 프로그래밍 및 유지 관리에 더 많은 시간이 필요한 장비로 이어질 수있다. 또한 어떤 유형의 레이저 스캐너를 사용하든 고속 모션은 어느 정도의 위치 오류를 유발한다. 애플리케이션의 요구 사항을 충족하려면 궤적 수준 또는 기계 수준에서 타협해야 한다. 고급 제어 전략과 뛰어난 기계 시스템 설계는 이러한 타협을 최소화하므로 레이저 스캔 헤드 프로세스를 지정할 때 구성 요소에 대한 확신이 주요 목표가 되어야 한다. 함께 작동하도록 설계된 컴포넌트를 사용하면 확실히 이점이 있다. 일반적으로 별도로 개발된 도구를 통합하는 데 발생하는 추측을 제거하면 설정 및 생산을 더 빠르고 쉽게 수행할 수 있다.
자료제공: Aerotech(www.aerotech.com)
