초고속 레이저는 독특한 제조 도구
초고속 레이저는 독특한 제조 도구
Ultrafast Lasers Offer Great Promise as a Unique Manufacturing Tool
펨토초와 피코초 레이저는 최소 열 영향 및 고품질의 가공을 제공
Femtosecond and picosecond laser systems provide minimal heat input and high quality machining
레이저의 펄스 폭은 대상 재질의 도통 시간보다 작기 때문에 초고속 또는 초단 펄스 레이저는 독특한 재질 처리 가능성을 제공한다. 본질적으로 이 부분에서 냉간 가공이 가능하다는 것을 의미한다 - 재질은 승화에 의해 제거된다. 이 기화 가공법은 거의 제로 열 영향을 포함하여, 단순히 다른 방법에 의해 제조 할 수 없는 이점을 제공한다; 후처리가 감소하거나 필요 없고 또한 최소한의 버링과 파편; 치수 정밀도; 그리고, 금속, 플라스틱, 세라믹, 유리에 높은 품질로 작은 모양을 생산하는 능력이 있다. 그러나, 이러한 시스템은 고가이므로, 레이저 선택은 신중하게 고려되어야 한다.
Ultrafast or ultra-short pulse lasers offer unique material processing possibilities, because the laser’s pulse duration is less than the target material’s conduction time. Essentially this means that cold machining of parts is possible – with material being removed by sublimation. This vaporization machining method offers advantages that simply cannot be produced by any other processes, including near zero heat affect; minimal burring and debris, which reduces or eliminates post processing; high dimensional accuracy; and the ability to produce high quality small features in metals, plastics, ceramic and glass. However, these systems are expensive, so the laser and system choice must be carefully considered.
짧은 펄스 시간은 초고속 레이저 사용의 관심을 갖게 한다
Shorter pulse duration drives interest in using ultrafast lasers
다른 많은 레이저 기술과 마찬가지로, 초고속 레이저는 연구 실험실에서만 사용했다. 그러나, 마이크로 재질 가공 사용에 관심을 몰고 온, 초고속 레이저의 펄스 지속 시간 (시판 나노초 레이저보다 훨씬 짧은)은 이전에는 길지 않았다. 거의 열이 없이 모든 재질을 처리 할 수 있는 능력은 제품 혁신과 개발을 가능하게 하는 독특한 제조 도구를 제공했다. 어떤 경우에도 비용 절감을 가져온다.
Like so many other laser technologies, the ultrafast laser came to life in a research lab. However, it was not long before the ultrafast laser’s pulse duration (significantly shorter than commercially available nanosecond lasers), drove interest in its use for micromachining and material processing. The ability to process almost any material with almost no heat signature offered a unique manufacturing tool that enables product innovation and development. In some cases, it even results in cost reduction.
어떤 초고속 레이저가 특별한 적용에 최선인가? Which ultrafast laser technology is best for particular applications?
초고속 레이저는 두 가지 범주로 나누어진다. 피코 초 (PS) 레이저는 펄스 지속 시간 약 10 피코 초에 광 펄스 1개를 방출한다 – 초 당 일조 (1012)개의 펄스, 또는 마이크로 초 당 백만 펄스. 그리고, 펨토초 (FS)는 레이저는 400fs에 1개의 펄스, 초 당 1000조 (1015)개의 펄스를 방출한다.
Ultrafast lasers are divided into two main categories. A picosecond (PS) laser emits optical pulses with a pulse duration around 10 picosecond – just over one trillionth (1012) of a second, or one millionth of a microsecond. A femtosecond (FS) laser emits pulses that are one around 400fs, less than thousand trillionth of a second in duration.
이 용어 "초고속"은 제거율을 참조하지 않는다는 것을 주목할 필요가 있다. 사실 정반대로, 이 레이저는 처리 재질의 두께 0.01 inch (250 미크론) 이하에서 탁월하다. 두꺼운 소재가 처리 될 수 있지만, 그렇게 하면, 한가지 민감한 사이클 시간을 고려해야 한다.
It is worth noting that the term “ultrafast” does not refer to the material removal rate. In fact, quite the opposite is true, which is why these lasers excel at processing material thicknesses of less than 0.01-inch (250 microns). Thicker materials can be processed, but if so, one must consider cycle time more closely.
PS와 FS 레이저는 금속을 처리하는데 사용될 때, 몇몇 경우에 그 차이는 미묘하다; FS 레이저는 약간 더 나은 정의된 모양과 낮은 표면 거칠기 그리고 제로 톱 사이드 버를 제공한다. FS 레이저는 또한 플라스틱의 큰 범위를 처리 할 수 있다. 일반적으로, PS 레이저는 플라스틱을 효율적으로 처리하기 위해, Green 또는 UV 파장을 필요로 한다. PS와 FS 사이의 품질 비교는 재질에 의존한다.
The processing differences between PS and FS lasers can in some instances be very subtle and in others very apparent. When used to process metals, the difference is subtle; the FS laser offers zero topside burr with slightly better defined features and lower surface roughness. The FS laser can also process a greater range of plastics. PS lasers typically require green or UV wavelengths to process plastics effectively. Quality comparison between PS and FS is material-dependent.
절대적으로 최고의 품질이 필요한 경우, FS 레이저는 명확한 선택이다. 그러나, PS 레이저는 빠르게 작업하는 경향이 있으므로, 질문이 생긴다. "최고의 품질이 과연 가공을 위하여 충분한 것인가?" 레이저 응용에 가장 적합한 이해는 재질 테스트를 통해 측정 할 수 있다. 필요에 따른 응용 및 시스템을 정의 할 경우, 일반적으로 FS 및 PS 레이저 모두에 대해 여러 파장으로 샘플 테스트를 실행한다.
When the absolute best quality is needed, FS is the clear choice. However, PS lasers tend to machine faster, so the question becomes, “How good is good enough for the process?” Understanding which laser works best for the application can only be determined through parts testing. As part of defining the application and system, it typically run samples on both FS and PS lasers and on multiple wavelengths for both lasers, as needed.
프로세스 품질의 분석, 제거 속도 및 전체 사이클 타임의 분석은 두 개의 레이저 사이에서 신중하게 다룰 필요가 있다. 초단 펄스 시스템의 전형적인 가격은 US$400,000의 범위이다. 그래서, 그 선택을 착수하기 전에, 사용자는 투자 수익 (ROI) 즉, 자신의 수익을 이해하고 명확하게 해야 한다. 그래서 그들은 많은 경우에 비용 절감, 고유한 처리 능력, 또는, 모두의 측면에서 투자를 정당화 할 수 있다. 둘 중 하나를 선택하는 최종 결정은 일반적으로 재질의 소량생산 수를 포함하는 반복 과정 후에 이루어진다.
Analysis of the process quality, removal rates, and cycle time all need to be weighed carefully between the two lasers. The typical price of an ultra-short pulse system is in the range of $400,000 and above. So, before embarking down that road, users should clearly understand their return on investment (ROI) so they can justify the investment in terms of cost reduction, unique processing capabilities, or, in many cases, both. The final decision on which one to select is made after an iterative process, which usually includes a number of short runs of parts.
그림 1은 금속에서 100um 폭 채널의 가공에서 PS와 FS 레이저를 비교한다. 같은 재질 제거 방법 및 사이클 시간을 사용하여, FS 레이저는 깨끗한 가장자리 부드러운 베이스를 생성한다.
Figure 1 compares PS and FS lasers machining a 100 micron wide channel in metal. Using a similar material removal method and cycle time, the FS laser produces cleaner edges and a smoother base.
Figure 1
초고속 파장 선택 - 특정 재질에 대하여 더 나은 작업
Ultrafast wavelength choices abound – and some work better for specific materials
PS와 FS 레이저는 둘 다 파장의 적외선 (IR), 녹색 (GR), 자외선 (UV) 선택을 제공한다. 파장은 특정 재질에 가장 적합한, 그리고 필요한 특정한 모양의 크기에 따라 선택할 수 있다. 최소 초점 스폿 사이즈 달성은 파장에 직접 연관되어 있다. 그러므로, 모든 것이 동일한 경우, UV 레이저는 IR 레이저의 직경보다 1/3 스폿 크기로 초점을 맞출 것이다. 이 논의에서, 약간 다른 파장은 레이저 기술이 다르게 작동하기 때문에, 이름(IR)보다 오히려 파장번호(1,030nm)에서 파장을 참조한다.
Both PS and FS lasers offer wavelength choices of infrared (IR), green (GR), and ultraviolet (UV). Certain wavelengths work best for specific materials and /or one can also select the wavelength based on a particular feature size required. The smallest focus spot size achievable is directly related to the wavelength. Therefore, if all things are equal, a UV laser will focus to a spot size one third the diameter of an IR laser. In this discussion, we refer to the wavelength by name (IR) rather a wavelength number (1,030nm), since different laser technologies operate at slightly different wavelengths.
FS 및 PS 레이저 각각은 단일 레이저의 사용이 가능한 여러 파장에서 제공할 수 있다. 이 옵션은 일반적으로 생산 시스템보다 연구 개발에 대하여 더 유용하다. 여기에서 시스템의 단일 파장 포인트는 특정 재질 및 공정에서 사용된다. 파장이 상관되는 예로서, 유리 절단에서는 피코 초 IR을, PEBAX와 같은 의료 플라스틱 절단에서는 피코 초 GR을 사용한다.
Each of the FS and PS lasers can be offered with multiple wavelengths available from a single laser. This option is typically used more for research and development rather than production systems, where single wavelength point of use machines are used for a specific material and process. Examples of where different wavelengths matter includes picosecond IR for glass cutting and picosecond GR for medical plastics like PEBAX.
다른 재질과 일치하는 서로 다른 파장의 사용 및 변수는 FS 레이저에서 덜 의심스럽다. 많은 사람들은 원래 파장에 흡수 의존성이 더 이상 짧은 펄스 지속 시간으로 적용되지 않을 것, 그리고 "다 광자 흡수"를 지배 할 것이라고 일반적으로 생각했다. 이것은 특정 플라스틱의 경우, 입증되지 않은 - 폴리머 스텐트가 좋은 예이다. 따라서, IR과 비교하여, GR FS로 하면, 가공 품질 및 절삭 속도는 더 좋다. 마이크론 수준까지의 작은 플라스틱 또는 블라인드 모양을 가공 할 때, 녹색 파장은 보다 안정된 방법을 제공할 수 있다.
The use and argument for different wavelengths matched to different materials is less obvious for FS lasers. Many people originally thought that the normal absorption dependency to wavelength would no longer apply with such a short pulse duration, and that “multi photon absorption” would dominate. This has not proven to be the case for certain plastics – polymer stents are a good example. Not only is the processing quality and cutting speed better using FS GR, but the processing window is also larger using green compared to IR. When machining small or blind features on plastics down to the micron level, the green wavelength can provide a more stable process.
Figure 2
그림 2는 (왼쪽) 피코 초 IR 레이저와, (오른쪽) 피코 초 UV 레이저로 PET의 블라인드 드릴링 비교. 가공 시간은 동일하다; 피코 초 UV 레이저는 탄화가 거의 없고, 구멍 깊이는 3배 이상이다. 금속가공에서 PS와 FS를 선택하는 이유는 모양의 크기에 있다. 가공 관점에서 IR, GR 및 UV 사이에는 약간의 차이가 있다.
Figure 2 is a comparison of blind drilling PET with picosecond IR (left) and picosecond UV (right). Processing time is the same; hole depth is 3 times better for picosecond UV, with less charring. The only reason to select a different wavelength for both PS and FS laser processing of metals would be for feature size. From a processing perspective, there is little difference between IR, GR, and UV.
표 1은 특정 재질에서 최적 파장 선택하는 일반적인 개요를 제공한다.
Table 1 provides a general overview of the best wavelength choice for particular materials.
Table 1 – Ultrafast laser wavelength comparison
제조에서 초고속 레이저의 적용 Integration of ultrafast lasers into manufacturing
초고속 레이저의 주요 특징은 높은 치수 정밀도로 재질을 처리하는 기능이다. 따라서, 시스템 요구 정밀도의 모든 레벨을 지원한다. 특히, 온도 변동에 대한 - 시스템이 설치되어있는 환경이 안정한 경우, 세계의 모든 하드웨어는 가장 안정된 시스템을 제공 할 것이다. 정밀 미크론의 세계에서 몇도 이상 온도 차이는 제품 및 생산 단계에서, 또한 레이저의 포인팅에 대한 문제를 발생한다. 예를 들어, 온도 변화의 각 1ºC가, 알루미늄의 12inch(300mm) 길이를 0.0003inch (7um) 만큼 변하게 한다. 따라서, 시스템은 온도가 잘 조절되는 에어컨 공간에 설치할 필요가 있다.
The key feature of the ultrafast laser is its ability to process material to high dimensional accuracy. Therefore, the first system requirement is to support that level of precision. However, all the best hardware in the world will not provide a stable system if the environment in which the system is placed is not stable – specifically for temperature variance. In the world of microns of precision, temperature variance beyond a few degrees will cause issues, not only to fixtures and stages, but also to the laser’s pointing stability. For example, each ºC degree of temperature change would change a 12-inch (300mm) length of aluminum by 0.0003-inch (7 microns). Therefore, the machines need to be housed in a well-controlled and air conditioned space.
초고속 레이저 시스템은 여러 요소들로 구성되어, 레이저는 광 경로상의 광학계, 집광 광학계에 레이저를 제공하는 광학, 모션, 비전, 파편제거 등 제어 및 툴링에 집중하여, 각 해당 범주의 최적 시스템 솔루션의 일부로서 고려되어야 한다. 레이저는 미러를 이용한 결상 광학계 및 초점 광학계, 즉, 입사 빔 직경을 변화시키는 유연성을 제공하는 가변 빔 익스팬더로 포커스 스폿의 크기가 결정되도록 전송한다. 여기에는 필요한 두 가지 이유가 있다. 첫째, 가공에서 장비에 사용되는 동일한 레이저로 규정되지 않는 한, 가변 빔 익스팬더 튜닝 최종 포커스 스폿 크기로 사용할 수 있는 각 레이저의 출력은 약간 다르다. 둘째, 대부분의 유연한 설치 장비에 대하여, 가변 빔 확장기는 다양한 애플리케이션을 위하여 초점 Spot Size를 변경할 수 있다.
An ultrafast laser system is composed of several elements: the laser, an optical path to deliver the laser to the focusing optics, focus optics, motion, vision, debris control, and tooling. Each must be carefully considered as part of the optimal system solution. The laser is guided to the focusing optics using mirrors and a variable beam expander, which provides flexibility in changing the beam diameter entering the focus optics and therefore the size of the focus spot. There are two reasons this is needed. Firstly, each laser’s output is a little different, so unless the process was qualified with the exact same laser to be used with the system, the variable beam expander can be used to tune the final focus spot size. Secondly, mostly with regard to flexible setup machines, the variable beam expander can change the focus spot size for different applications.
알고 있는 부분에 초점 위치를 유지하는 것은 매우 중요하다. 여러 가지 경우에, 초점 또는 Z 높이 공차는 레이저의 깊이가 0.01inch (250um)보다 작을 수 있기 때문이다. 만일 도구 사용으로 초점 공차를 유지할 수 없는 경우, 비 접촉 형 레이저 거리 센서는 초점 부분을 유지하는 Z 스테이지를 폐쇄 루프로 사용될 수 있다.
Knowing and maintaining the position of focus on the part is very important, because in many cases the laser’s depth of focus or Z height tolerance can be less than 0.01-inch (250 microns). If tooling cannot maintain this tolerance, non-contact laser distance sensors can be used to close the loop with a Z stage to keep the part in focus.
초점 광학계는 고정 초점 헤드 또는 스캔 헤드가 될 수 있다. 스캔 헤드는 소정 크기의 XY 영역의 빔을 지향하고, 또한 레이저 초점은 작은 이동 거울을 가지고 있는 반면, 고정 초점 헤드는 빔을 포커스와 일부 또는 그 자체를 이동하는 스테이지에 의존한다. 스캔 헤드의 이점은 통상적으로 다수의 미세 애플리케이션에 필요한 작은 영역에 걸쳐 매우 빠르게 레이저를 이동시킬 수 있다. 모든 스테이지는 항상 선형 드라이브이다. 스캔 헤드에 대하여, 테이블은 작업 중에 고정되어 유지하지만, 필요에 따라 다른 작업 영역으로 연동 될 수 있다.
The focusing optics can be a fixed focus head or a scan head. The fixed focus head focuses the beam only and relies on stages to move the part or itself, whereas the scan head has small moving mirrors that direct the beam in a certain sized XY area and also focuses the laser. The advantage of the scan head is that it can move the laser very quickly over small areas, which is typically required for many micromachining applications. All stages are always linear drives. For scan heads, the part remains stationary during processing, but can be indexed to another processing area as needed.
스캔 헤드가 처리 할 수 있는 영역은 대개 상대적으로 작다 - 40x40mm 정도. 디지털 피드백을 하는 스캔 헤드를 선택하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 위치 오류 (특히 열 표류로)는 가공 위치 오차를 가져 올 수 있다. 정밀하게 모양을 가공하기 위해, 머신 비전 시스템은 일반적으로 중요한 부분이다. 자체 비전은 카메라 해상도, 조명 스타일 및 파장에 관하여 상당한 개선을 요구할 수 있다. 기준점 위치가 모양 위치에 근접 할 때, 대부분의 경우에, 모양들은 목표 위치 ±5um보다 더 나은 위치에 배치 될 수 있다. 앞서 언급 한 바와 같이, 여기에는 레이저가 염려될 수 있으므로, 이 또한 고려되어야 한다. 데이텀 절차는 빔이 공간 어디에 있는지 알게 할 필요가 있다.
The area the scan head can process is usually relatively small – around 40x40mm. It is important to select scan heads with digital feedback. Otherwise, the positional errors (particularly from thermal drift) can really push up the processing positional tolerances. To process features exactly where they need to be, machine vision is usually an integral part of these systems. The vision in itself can require significant development with regard to camera resolution, lighting style, and wavelengths. In most cases, features can be positioned to with ±5 microns of a target location, and even better when the fiducial location is close to the feature location. As noted earlier, there can be some wander of the laser, so this also has to be considered. A datum procedure is needed to know where the beam is in space.
파편제거 관리는 쉽게 간과 될 수 있는 시스템의 한 측면이다. 재질 어디에서 모두 제거되어 가는지, 재질에 다시 붙어 있을 경우, 문제가 있는지? 초고속 레이저는 표면에 축적되는 경향의 나노 입자를 생산하고 있다. 일부 경우에서, 이들 입자는 초음파 세척을 사용하여 세정 될 수 있지만, 세정이 안될 경우에는 시스템은 가능한 다수의 추출 방법을 사용하여 배출기를 사용할 필요가 있다. 어떤 정밀 프로세스와 같이, 도구는 중요한 요소이다. 얇은 평면 자재에 대하여, 진공 척은 일반적으로 사용된다. 비 평면 부분은 일반적으로 사용자 정의 도구가 필요하다. 각각의 경우에, 비전 시스템으로 부품의 위치 및 기준점을 사용할 수 있다.
Debris management is one aspect of these systems that can be easily overlooked. Where does all the removed material goes, and does it matter if it lands back on the part? The ultra-fast lasers produce nano-particles that tend to be charged, and so tend to stick to surfaces. In some cases these particles can be cleaned using an ultrasonic bath, but in other cases the system may require use of extraction, possibly using multiple extraction methods. As with any precision process, tooling is a key factor. For thin planar parts, vacuum chucks are commonly used. Non-planar parts usually need custom tooling. In each case, location features and fiducial features can be used for part location and feature-to-feature location for vision systems.
장비 요구 사항 요약 Summarizing system needs
장비 이행으로 가기 전에, 한가지 일은 반드시 이정표를 만족해야 하는, 응용 가능성, 제조를 위한 응용 프로그램 개발, 사전에 제작 부품의 충분한 수의 제조가 포함한다. 그리고, 가장 중요한 것은, 제조 장치에 대한 명확한 기술 솔루션으로 개발하는 것이다. 시스템 개념 및 설계는 적용 프로세스 개발과 관련된 기초 지식에서 실행되기 때문에, 여기에는 하나의 장비회사와 협력하여 이러한 과정을 완료할 가치가 있다.
Before moving to system fulfillment, one must satisfy a number of milestones, including application feasibility, application development for production, producing a sufficient number of pre-production parts, and, most importantly, developing a clear technology solution route for a production machine. There is value in completing these steps with a single company, because the system concept and design are executed from the foundational knowledge associated with developing the application process.
기술, 장비에 대한 자세한 사항은 아래 연락처로 문의하여 주시기 바랍니다.
(주)드림포토닉스
Mobile: 010-8781-0630 email: cbpark36@gmail.com
Tel: 031-695-6055 Fax: 031-695-6045
수원시 영통구 신원로 88 (신동 486) 디지털엠파이어2 103동 610호