[논문]대면적 레이저 가공을 위한 가감속 파라미터가 가공오차에 미치는 영향

이제훈; 윤광호; 김경한

doi:10.7736/kspe.2014.31.8.721

대면적 레이저 가공을 위한 가감속 파라미터가 가공오차에 미치는 영향
Effects of Acceleration and Deceleration Parameters on the Machining Error for Large Area Laser Processing 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.8, 2014년, pp.721 - 728

이제훈 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 윤광호 (한국기계연구원 광응용기계연구실) , 김경한 (한국기계연구원 광응용기계연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, it is proposed a method of optimizing path parameters for large-area laser processing. On-the-fly system is necessary for large-area laser processing of uniform quality. It is developed a MOTF(Marking On-The-Fly) board for synchronizing the stage and scanner. And it is introduced the change of the error due to the change of parameters and algorithm for large-area laser processing. This algorithm automatically generates stage path and a velocity profile using acceleration and deceleration parameters. Since this method doesn't use a G-code, even if without expert knowledge, it has an advantage that can be accessed easily. Angle of one of the square of $350{\times}350mm$ was changed from $50^{\circ}$ to $80^{\circ}$ and analyzed the error corresponding to the value of Ta. It is calculated the value of Ta of the best with a precision of 20um through measurement of accuracy according to the Ta of each angle near the edge.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한 Ta값과 엣지부근에 각도에 따라 스테이지의 패스와 스테이지 가속도가 달라진다. 그래서 이러한 파라미터들의 변화에 대해 실제 가공오차의 변화를 알아보았다. 제작한 시스템에서 가공속도 450mm/s로 하여 실제 350 x 350mm 사각형의 한쪽 각도를 50°~80°까지 변화시켜 Ta 값에 따른 오차를 분석하였다.
시스템은 스캐너와 스테이지를 연동하기 위한 MOTF(Marking on-the-fly) 보드와 스테이지 신호를 분배기를 통하여 스캐너와 모션제어보드에 위치신호를 전달하는 on-the-fly시스템을 제작하였다. 또한 G-code 입력이 아닌 스테이지 가감속을 이용한 스테이지 패스와 속도 프로파일을 생성하는 방법을 소개한다. 이 방법은 가감속 시간(Ta), 샘플링 시간(Ts)을 파라미터(parameter)로 하여 스테이지가 에지(edge) 부근에서 부드러운 패스를 가질 수 있도록 하였고, 스테이지 속도 또한 자동적으로 생성 된다.
본 논문에서는 대면적 레이저 가공을 위한 스테이지 가감속 파라미터가 실제 가공오차에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 사용자가 직접 G-code 입력하는 방식이 아닌 X축과 Y축의 가감속 (Ta)을 이용하여 자동으로 스테이지 패스를 만들고 속도를 계산하는 방법을 사용하였다.
본 논문에서는 대면적 레이저 가공을 위한 스테이지 가감속 파라미터가 실제 가공오차에 미치는 영향에 대하여 알아본다. 시스템은 스캐너와 스테이지를 연동하기 위한 MOTF(Marking on-the-fly) 보드와 스테이지 신호를 분배기를 통하여 스캐너와 모션제어보드에 위치신호를 전달하는 on-the-fly시스템을 제작하였다.

가설 설정

1μm인 Mitutoyo 사의 QuickVision Stream을 사용하였으며, 세로방향으로 이동 후 X축 오차를 측정한다. 따라서 본 논문에서는 각도 및 Ta 값에 따라 오차들의 크기가 잘 표현 될 수 있도록 450mm/s로 가공속도를 정하였다.

제안 방법

Fig. 6(a)의 사각형은 스테이지의 이동이 X축에서 Y축으로 변할 때 가공 상태를 다양한 각도별로 실험하였다. Fig.
Fig. 6의 각도(θ)는 50°에서 80°까지 10°씩 증가시켰으며 가공속도는 각도 별로 오차를 측정 할 수 있는 범위까지 가공속도를 증가시키면서 실험을 수행하였다.
각도는 50°로 고정 하고, 가공경로를 생성하기 위한 Ta 값을 50ms와 90ms 로 각각 셋팅하였다.
대면적에 레이저 가공을 위해 하이브리드 타입의 XY 스테이지를 사용하였으며, X축에 스캐너가 장착된 형태이다. 그래서 X축에서 Y축으로 변할 때와 Y축에서 X축으로 변할 때의 오차를 측정하였다. Fig.
전자의 경우는 가공속도가 빠른 장점이 있고, 후자의 경우에는 가공속도는 느린 대신 대면적 가공이 가능하였다. 그래서 스캐너의 장점과 스테이지의 장점을 합쳐 고속 가공이 가능하고, 연속적인 대면적 가공이 가능하게 하기 위하여 두 시스템을 연동하였으며, 이를 위해서는 Ta값에 따른 스테이지의 패스 알고리즘이 필요하다.
제작한 시스템에서 가공속도 450mm/s로 하여 실제 350 x 350mm 사각형의 한쪽 각도를 50°~80°까지 변화시켜 Ta 값에 따른 오차를 분석하였다. 또한 스테이지 가속도가 어느 정도까지 요구되는지 알아보았으며, 최종적으로 20um 정밀도를 유지하기 위한 최적의 Ta 값을 도출하였다.
본 논문에서는 대면적 레이저 가공을 위한 스테이지 가감속 파라미터가 실제 가공오차에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 사용자가 직접 G-code 입력하는 방식이 아닌 X축과 Y축의 가감속 (Ta)을 이용하여 자동으로 스테이지 패스를 만들고 속도를 계산하는 방법을 사용하였다. 실제 레이저 가공을 통하여 본 논문에서 제안한 패스 알고리즘의 가감속에 따른 오차를 비교하였다.
본 논문에서는 대면적 레이저 가공을 위한 스테이지 가감속 파라미터가 실제 가공오차에 미치는 영향에 대하여 알아본다. 시스템은 스캐너와 스테이지를 연동하기 위한 MOTF(Marking on-the-fly) 보드와 스테이지 신호를 분배기를 통하여 스캐너와 모션제어보드에 위치신호를 전달하는 on-the-fly시스템을 제작하였다. 또한 G-code 입력이 아닌 스테이지 가감속을 이용한 스테이지 패스와 속도 프로파일을 생성하는 방법을 소개한다.
정밀도가 0.1μm인 Mitutoyo 사의 QuickVision Stream을 사용하였으며, 세로방향으로 이동 후 X축 오차를 측정한다.
제작한 시스템에서 가공속도 450mm/s로 하여 실제 350 x 350mm 사각형의 한쪽 각도를 50°~80°까지 변화시켜 Ta 값에 따른 오차를 분석하였다.

대상 데이터

6과 같이 한 변이 350mm의 두 가지 타입의 사각형을 가지고 실험하였다. 대면적에 레이저 가공을 위해 하이브리드 타입의 XY 스테이지를 사용하였으며, X축에 스캐너가 장착된 형태이다. 그래서 X축에서 Y축으로 변할 때와 Y축에서 X축으로 변할 때의 오차를 측정하였다.
본 논문에서는 제안한 스테이지 자동 패스 알고리즘을 평가하기 위해 Fig. 6과 같이 한 변이 350mm의 두 가지 타입의 사각형을 가지고 실험하였다. 대면적에 레이저 가공을 위해 하이브리드 타입의 XY 스테이지를 사용하였으며, X축에 스캐너가 장착된 형태이다.
레이저 발진기의 주요 사양은 출력이 5W, 파장은 355nm@30kHz, 반복율은 20~100kHz 그리고 빔 직경은 1mm 이다. 스캐너는 Scanlab사의 IntelliScan 10을 사용하였다. 스캐너의 초점거리는 100mm 이며 스캔 영역이 50mm x 50mm인 텔레센트릭 렌즈를 사용하였다.
스캐너는 Scanlab사의 IntelliScan 10을 사용하였다. 스캐너의 초점거리는 100mm 이며 스캔 영역이 50mm x 50mm인 텔레센트릭 렌즈를 사용하였다. 실제 가공에 사용된 스캐너 유효영역은 40mm x 40mm 이다.
스테이지는 최대 속도가 1.2 m/s, 최대 가속도가 1.5G, 정밀도가 ±3μm, 반복정밀도가 ±1μm, 직진도가 10μm 그리고 평탄도가 10μm 인 리니어 모터를 사용하였다.
스캐너의 초점거리는 100mm 이며 스캔 영역이 50mm x 50mm인 텔레센트릭 렌즈를 사용하였다. 실제 가공에 사용된 스캐너 유효영역은 40mm x 40mm 이다. 스테이지는 최대 속도가 1.
실험장치의 구동부는 스테이지 2축, 스캐너 갈바노미터 2축으로 구성되어 있으며 레이저 발진기와 비젼 시스템이 탑재되어 있다. 레이저 발진기의 주요 사양은 출력이 5W, 파장은 355nm@30kHz, 반복율은 20~100kHz 그리고 빔 직경은 1mm 이다.

데이터처리

사용자가 직접 G-code 입력하는 방식이 아닌 X축과 Y축의 가감속 (Ta)을 이용하여 자동으로 스테이지 패스를 만들고 속도를 계산하는 방법을 사용하였다. 실제 레이저 가공을 통하여 본 논문에서 제안한 패스 알고리즘의 가감속에 따른 오차를 비교하였다. 대면적에 450mm/s 가공속도로 약 20um의 마킹 정밀도를 얻기 위해서는 Ta 값이 135ms 이상되어야 하며, 스테이지는 약 1.

성능/효과

그래서 본 논문에서 제안한 알고리즘을 이용하여 450mm/s의 속도로 대면적 레이저 가공을 할 때 마킹 정밀도가 약 20um의 정밀도를 유지하기 위해서는 Ta 값이 135ms 이상이어야 하며, 스테이지가감속이 약 1.23 G 이상이어야 한다.
현재 온더플라이 시스템은 ESI, LPKF, AEROTECH 등의 회사에서 판매되는 제품이 있다. 이러한 제품들은 모두 각자의 소프트웨어를 제공하여 최적의 가공 경로를 생성하여 20%의 가공시간을 절감하는 효과를 보여주었다. 하지만 사용자가 G-code 입력을 입력해야 하므로 전공자가 아니면 쉽게 접근할 수 없고, 데이터 양이 많아지면 가공 준비 시간이 길어지게 되는 단점이 있다.

후속연구

이런 오차 측정을 토대로 스캐너를 활용한 대면적 레이저 가공시 스테이지의 패스를 재구성 할 수 있다. 향후 본 논문에서 제안한 가공시스템의 구성과 알고리즘은 대면적의 미세가공 뿐만 아니라 고출력 절단시스템과 표면 처리 분야 그리고 롤투롤 레이저 시스템에도 확대 적용 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온더플라이 (onthe- fly) 방법은 어떤 방법인가?	대면 적의 레이저 가공을 위해서는 스캐너의 장점과 스테이지의 장점을 살린 동기화된 온더플라이 (onthe- fly) 방법이 필요하다. 이 방법은 기존에 스캐너와 스테이지가 따로 동작하는 방법과는 달리 연속적으로 동작하며 가공하는 방식이다. 스캐너와 스테이지가 동기화 되어 전체 가공속도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 가공 결과물의 균일도가 일정하게 유지된다.
	레이저 가공은 어떤 방법이 있는가?	1,2 특히 레이저를 이용한 미세 형상 패턴이나 절단에서는 정밀하면서도 대면적 가공을 원하는 추세이다. 기존의 레이저 가공은 스캐너를 이용하여 스캔영역에서 빠르고 정밀하게 가공하거나, 오브젝티브(objective) 렌즈를 장착하여 스테이지를 이동하여 대면적을 가공하는 방법이 있다. 스캐너를 이용하는 레이저 가공은 고속가공은 가능하지만 스캔 영역이 정해져 있는 단점이 있고, 스테이지를 이용하는 방법은 넓은 면적을 가공 할 수 있지만 가공속도가 스테이지 속도에 한정되어 있는 단점이 있다.
	스캐너를 이용하는 레이저 가공의 단점은 무엇인가?	기존의 레이저 가공은 스캐너를 이용하여 스캔영역에서 빠르고 정밀하게 가공하거나, 오브젝티브(objective) 렌즈를 장착하여 스테이지를 이동하여 대면적을 가공하는 방법이 있다. 스캐너를 이용하는 레이저 가공은 고속가공은 가능하지만 스캔 영역이 정해져 있는 단점이 있고, 스테이지를 이용하는 방법은 넓은 면적을 가공 할 수 있지만 가공속도가 스테이지 속도에 한정되어 있는 단점이 있다. 대면 적의 레이저 가공을 위해서는 스캐너의 장점과 스테이지의 장점을 살린 동기화된 온더플라이 (onthe- fly) 방법이 필요하다.

참고문헌 (12)

Kyeong, D., Gunasekaran, M., Kim, K., Kim, H., Kwon, T., et al., "Laser Edge Isolation for High- Efficiency Crystalline Silicon Solar Cells," Journal of Korean Physical Society, Vol. 55, No. 1, Paper No. 124, 2009.

상세보기
Shin, D., Lee, J., Sohn, H., Noh, J., and Paik, B., "A FPCB Cutting Process using a Picosecond Laser," Journal of Laser Micro/Nanoeng, Vol. 5, No. 1, pp. 48-52, 2010.

상세보기
Kim, K. H., Lee, J. H., and Suh, J., "Laser Scanner Stage on the Fly Technique for High Precision/Ultra-Fast/Wide Area Fabrication," Proc. of KSME Spring Conference, pp. 31-32, 2010.
Yoon, K. H., Lee, J. H., Kim K. H., and Suh, J., "Scanner-Stage Synchronization Control Method for Laser Fabrication of Large Aera," Proc. of KSME Spring Conference, pp. 287-288, 2010.
Kim, K. H., Lee, J. H., Suh, J., and Yoon, K. H., "The Scanner-Stage on the Fly Technology for a Ultra Precision/Ultrafast/Wide Area Fabrication," Proc. of KSLP Spring Conference, pp. 44-46, 2010.
Lee, J. H. and Kim, K. H., "Core Technology for Ultra Fast/Wide Area Laser Processing," Machinery and Materials, Vol. 22, No. 1, pp. 36-42, 2010.
Kim, K. H., Lee, J. H., and Yoon, K. H., "Path Generation Algorithm Development for Ultrafast/Wide Area Laser Processing, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 27, No. 10, pp. 34-39, 2010.
Yoon, K., Kim, K., and Lee, J., "Continuous Laser Fabrication Method using Adaptive Cell Decomposition," Journal of Laser Micro/ Nanoengineering, Vol. 7, No. 2, pp. 226-230, 2012.

상세보기
Kim, K., Yoon, K., Suh, J., and Lee, J., "Laser Scanner-Stage Synchronization Method for High- Speed and Wide-Area Fabrication," Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 7, No. 2, pp. 231-235, 2012.

상세보기
ESI, "Model 5335 Laser Processing System," http://www.esi.com/Products/InterconnectMicrofabrication/Interconnect/5335/tabid/432/tid/230/Default.aspx (Accessed 16 July 2014)
LPKF, "LPKF MicroLine 6000 P," http://www.lpkf.com/ products/pcb-processing/microline-6000p.htm (Accessed 16 July 2014)
AEROTECH, "Laser Processing," http://www.aerotech.com/industries-and-applications/laser-processing.-aspx (Accessed 16 July 2014)

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증