형성면의 레이저 마킹을 위한 간편한 자동화 솔루션

그러나 Coherent에서 개발된 SmartMap 3D는 강력한 마킹 소프트웨어(Visual Laser Marker)의 제어에 따라 특히 빠른 가변 초점 방식과 새로운 3D 머신 비전을 포함하여 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 결합하는 자동화된 "스마트" 솔루션입니다. 이와 같이 사용하기 쉬운 조합으로 전체 공정을 단순화할 뿐만 아니라 정밀 고정, 클램핑 또는 배치를 구현하는 데 드는 비용과 시간을 절약할 수 있습니다. (이 소프트웨어는 또한 즉석 마킹을 포함하는 더 간단한 마킹 응용 분야를 지원합니다.) 이 문서에서는 마킹 부속 시스템과 전체 기계 설비 모두에서 사용할 수 있는 비용 효율적인 3D 마킹 접근 방식의 주요 기능과 이점에 대해 설명합니다. 또한 레이저 유형에 구애받지 않기 때문에 SmartMap 3D를 사용하면 모든 유형의 레이저 마크(예: 색상 변화, 조각), 표면 거칠기 및 구조화와 같은 정밀 표면 처리, 초단파 펄스(USP) 레이저를 사용하는 스텐레스 강철 및 알루미늄 제품에 대한 최신 블랙 마킹까지 제작할 수 있습니다(그림 1 참조). 이제 모든 Coherent 레이저 마커 및 전체 마킹 기계에서 사용할 수 있습니다.

레이저 마킹 - 다기능성과 기타 이점

레이저 마킹은 많은 산업 분야에서 널리 사용되는 다용도 공정이며, 거의 모든 재료 유형에 영구적인 고대비 마크를 생성하도록 최적화할 수 있습니다. 이러한 마크는 제품 식별 및 추적, 위조 방지 브랜드 보호 또는 기능적인 목적(예: 눈금)으로 사용될 수 있습니다. 또한 브랜드 로고와 같은 미적 마크(예: 컴퓨터 태블릿) 그리고 특히 트림 부품, 대시보드 및 관련 버튼, 기어 변속 스틱, 후미등 부속과 같은 자동차 부품의 장식용 마크 및 특이한 질감에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다.

특정 마킹 작업의 정확한 요구 사항은 각각의 응용 분야마다 크게 다르지만, 대부분의 경우에는 제조 업체가 의도적으로 변경하거나 위조하기 어려운 영구적인 마크를 제작하길 원합니다. 이를 위해서는 레이저가 잉크젯이나 패드 인쇄보다 훨씬 우수합니다. 또한 많은 식품 및 음료 응용 분야와 일부 의료장비 및 제약 제품의 경우에는 마크가 섭취되거나 환자의 신체 내에 직접 배치되는 물질과 접촉할 수 있습니다. 따라서 구식 잉크 마킹은 이러한 용도에서 배제됩니다. 또한 일반적으로 마킹 공정이 주변의 마킹되지 않은 재료 및 기본 레이어에 악영향을 주지 않아야 하고 후처리(예: 세척)가 거의 또는 전혀 필요하지 않아야 합니다. 대상 재료의 흡수 및 열 특성에 맞게 레이저 출력, 파장 및 펄스 폭을 조정함으로써 고해상도 마크의 경우라도 레이저 마킹에서 비교적 직관적으로 공간을 선택할 수 있습니다.

레이저 마크는 일반적으로 레이저 절제로 표면 재료를 제거(조각)하거나 재료 색상을 변경하는 방식으로 분류됩니다. 재료 제거는 단순 조각 또는 코팅 또는 페인트 층의 선택적인 제거 방식으로 수행될 수 있습니다. 색상 변경은 적외선 레이저를 사용하여 식품 상자를 국부적으로 태우는 것과 같은 간단한 공정이거나 자외선 레이저를 통해 주방 용품에 사용되는 이산화티타늄 합침 ABS와 같은 백색 플라스틱을 어둡게 하는 등의 방식으로 수행될 수 있습니다. 또는 가시광선이나 자외선 레이저를 사용한 플라스틱 첨가제의 색상 변경 또는 유색 폴리머에 흰색 마크를 만들기 위해 사용되는 포밍 과정이 포함될 수도 있고, 최근에는 USP 레이저를 사용한 특정 재료 표면의 "블랙 마킹"의 형태로 수행될 수도 있습니다(그림 1 참조). Coherent는 다양한 출력 범위로 이 모든 레이저를 제조하며 회사 응용 연구실에서 모든 새로운 마킹 작업을 완전히 평가하고 최적화할 수 있습니다. 그런 다음 Coherent는 독립형 레이저, 레이저 마킹 부속 시스템, 포지셔닝 및 자동화 정렬 기능이 포함된 전체 기계 장치의 형태로 솔루션을 제공할 수 있습니다. 또한 이제 모든 레이저 시스템 및 통합 기계에서 아래 설명된 대로 간단한 3D 마킹을 위한 SmartMap 3D 옵션이 지원됩니다.

기존 시스템 및 부속 시스템의 한계 극복

엑시머 레이저의 고에너지 펄스를 사용하는 마스크 기반 마킹을 제외하고, 대부분의 레이저 마킹은 마킹할 표면에 대한 집중된 레이저 스폿 스캔을 기반으로 하며, 경우에 따라 마킹 부품의 연속적인 이동 또는 계단식 이동과 함께 사용됩니다. 이러한 공정을 구현하기 위한 세 가지 주요 광학 구성 요소에는 레이저, xy 방향으로 직교 빔 스캔을 수행하기 위한 이중 검류계 장착 미러, 작업 표면에서 올바른 z 거리만큼 스폿을 집중하기 위한 빔 전달 렌즈가 있습니다(그림 2(a) 참조). 빔 전달 렌즈는 일반적으로 f-theta 방식으로 설계됩니다. 곡면 초점 영역을 갖는 기존의 구형 초점 렌즈와 달리 f-theta 렌즈는 렌즈와 마킹 표면 간 위치에 관계없이 레이저 빔의 초점 깊이가 일정하게 유지되는 평면 초점 영역을 생성하도록 구성됩니다. 따라서 레이저 빔 방향에 수직인 평면에 적합하지만 얕은 초점 심도로 인해 초점 렌즈에서 대상 표면까지의 z 거리가 크게 달라지는 3D 마킹에 적합하지 않습니다.

로봇 시스템으로 3D 표면을 마킹하기 위해서는 전달 광학 장치와 경우에 따라 전체 레이저 부속 시스템까지 로봇으로 이동될 수 있는 작업 표면을 따라 상대적으로 이동합니다. 이러한 과정은 번거롭고 비용이 많이 들고 복잡한 프로그램이 필요하며, 복잡한 그래픽 및 소형화된 캐릭터에 필요한 정확도를 제공하기 어려울 수 있습니다. SmartMap 3D는 이제 광학 장치 내에 배치된 고속 초점 모듈을 사용하여 광학 시스템 또는 부품을 이동할 필요가 없기 때문에 훨씬 더 간단하고, 빠르고, 경제적인 대체 솔루션을 제공합니다(그림 2(b) 참조). 따라서 초점 거리를 빠르게 조정할 수 있습니다. 레이저 및 스캔 시스템의 세부사항에 따라 공칭 초점 거리부터 최대 ± 130mm까지 범위를 수용할 수 있습니다. 이러한 z 스캔을 이중 검류계로 제공되는 xy 스캔을 결합함으로써 스폿 크기 또는 모양을 변경하지 않고 대상 볼륨 내부의 모든 xyz 위치에서 초점 레이저를 배치할 수 있습니다.

SmartMap 3D – 하드웨어, 소프트웨어 및 3D 머신 비전 결합

간단한 3D 마킹을 위한 또 다른 핵심 요소는 특정 공작물에서 마크를 제작하는 데 필요한 초점 모듈 및 검류계 미러 이동 조합을 자동으로 결정하는 VLM(Visual Laser Marker)의 사용하기 쉬운 소프트웨어 옵션입니다. 40년 이상된 Coherent의 레이저 마킹 응용 분야 경험을 바탕으로 제작된 이 소프트웨어는 공작물의 표면을 정의하고 각 작업 유형에 맞게 이를 저장합니다. 그런 다음 사용자는 직관적인 GUI 제어를 통해 표면에 마크를 매핑합니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 3D 표면 매핑 유형 중 하나를 사용하여 마크 세부 정보를 생성 및 저장할 수 있습니다. 가장 직관적인 방법은 고정된 시점을 기준으로 벡터상의 일련의 점으로 마크를 정의하는 투영 매핑입니다. (이 방법은 고정된 입력 레이저를 사용하는 마크 제작과 일치하므로 가장 직관적입니다.) 구체, 원뿔 및 큐브와 같은 일반 솔리드의 경우 VLM이 UV 매핑을 만들 수 있습니다. 여기에서 마크는 직교 좌표 u 및 v를 사용하여 일련의 2D(평면) 표면 세그먼트에 정의됩니다. 그 결과 pdf 및 dxf 문서와 같은 기존 마크 파일을 사용할 수 있고, QR 코드, 바코드 및 관련 마크와 같은 유연한 콘텐츠를 지원할 수 있습니다. 다양한 알고리즘이 이러한 세그먼트를 공작물 표면의 실제 xyz 좌표에 매핑합니다. 숙련된 사용자는 복잡한 모양의 공작물 또는 부품 주위를 감싸고 있는 그래픽의 경우에 원하는 CAD 소프트웨어에서 데이터를 가져와서 이를 VLM에서 편집하는 방식을 선호할 수 있습니다. 많은 상업용 CAD 플랫폼에서 이러한 내보내기 형식을 지원합니다. VLM의 3D 보기 기능은 또한 마킹 후 부품의 결과에 대한 완전히 정확한 미리보기를 제공하며, 도면을 배치하고, 가색으로 클리핑 각도를 시각화하고, 기계 축의 이동을 설정하는 데에도 도움이 됩니다. 이 모든 것을 미리보기 창에서 수행할 수 있습니다.

SmartMap 3D 시스템의 세 번째 부분은 마킹 전 각 부품을 스캔하는 머신 비전 라인 카메라 하드웨어입니다. 이 하드웨어는 거의 모든 마킹 가능한 재료의 반사율과 색상을 수용할 수 있도록 두 가지 서로 다른 파장에서 사용할 수 있습니다. 이렇게 통합된 비전 구성 요소를 통해 스마트 마킹 소프트웨어가 마킹 전 부품의 모양과 방향을 3차원 포인트 클라우드로 감지할 수 있습니다. 그런 다음 이러한 결과를 해당 부품에 저장된 CAD 모델 파일과 비교합니다. 일치 정도에 대한 점수가 백분율로 부여됩니다. 선택적으로 GUI에서는 카메라 이미지의 가색 오버레이로 일치 정도를 표시할 수 있습니다. 전반적인 일치 상태가 최소 점수를 초과하면 기계가 작업물을 마킹하도록 운영을 자동화할 수 있습니다. 이러한 최소 허용 점수는 사용자가 각 작업 유형에 저장된 루틴에서 선택하는 여러 매개변수 중 하나입니다. 또는 GUI 미리보기 및 점수에 따라 작업자가 마킹을 시작하거나 공작물의 위치/방향을 조정하여 일치율을 높일지 결정할 수 있습니다. 또한 비교 단계를 위한 CAD 모델을 사용할 수 없는 경우 포인트 클라우드를 3D 표면으로 변환하고 VLM에서 직접 사용할 수 있습니다. 따라서 값비싼 정밀 고정 장치가 필요하지 않은 로트 크기 1 또는 작업 구매자에게 이상적인 도구입니다.

스마트 시스템은 투영 왜곡, 클리핑 각도, 정점 각도, 3D 표면 방향 등의 여러 중요 매개변수를 고려하기 때문에 레이저 또는 공작물의 이동 없이 공작물의 여러 다른 배치를 수용할 수 있습니다.

투영 왜곡: 레이저 빔은 전체 공정 동안 고정 지점에서 방출되기 때문에 스캔 시스템이 마킹 공정 중에 발생할 수 있는 기하학적 왜곡도 수정해야 합니다(그림 4 참조). 이러한 유형의 왜곡 수정은 과거에 각진 평면 및 실린더와 같은 비교적 간단한 모양으로 작업할 때에 널리 사용되었습니다. 그러나 임의의 자유 형식 3D 모양에서는 이를 사용하는 것이 매우 어렵습니다. 업그레이드된 VLM 소프트웨어는 이제 이러한 모든 수정을 자동으로 수행하여 이 문제를 해결합니다. 그림 5는 이 소프트웨어의 효율성을 보여줍니다.

클리핑 각도: 기존의 2D 마킹은 레이저 빔이 항상 공작물 표면의 수직(±10°)에 가깝게, 즉 거의 "수직 입사"로 정렬되도록 구성됩니다. 그러나 3D 마킹에서는 레이저가 수직 입사와 크게 다른 각도로 마킹할 수 있습니다. 사용 가능한 최대 각도는 공작물 표면의 흡수 및 반사율에 의해 결정되며 이를 클리핑 각도라고 부릅니다. 작업자는 동일한 레이저 마커 또는 마킹 기계가 서로 다른 재료를 마킹할 수 있도록 각 작업에 대해 클리핑 각도를 개별적으로 선택할 수 있습니다.

정점 각도: xy 축에서 마킹 볼륨의 한도를 정의합니다. 기본적으로는 f-theta 렌즈의 초점 거리와 함께 마킹 광학 장치의 시야를 나타냅니다. VLM은 설치된 모든 기계 또는 부속 시스템에 대해 이 정보를 저장합니다. 작업자가 이 물리적 한도를 넘어서 마킹하려고 시도하면 자동으로 오류로 거부됩니다.