[논문]펨토초레이저를 이용한 금속 재료의 레이저 밀링 가공에 대한 연구

강필식; 박종인

펨토초레이저를 이용한 금속 재료의 레이저 밀링 가공에 대한 연구
Study on Laser Milling Process of Metal by Femtosecond Laser 원문보기

강필식 (마이크로인스펙션(주) LAE개발팀) , 박종인 (마이크로인스펙션(주) LAE개발팀)

By the specific character of femtosecond laser controlled volume of magnitude of micrometer scale could be ablated without melting phase in SKD11 and SUS304. According to the laser machining parameters various sectional shapes could be engraved on the surface of metals. Typical engraved lines were $10{\mu}m$ wide and deep. Coarse-milled surface was made $10{\mu}m$ lower than the original elevation by a bunch of laser-engraved lines in suitable spacing. The repeated banks with a height of $10{\mu}m$ could be made with the combination of the intact area.

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문제 정의

기본적인 밀링기능을 확인하기 위해 을 수행하였다. 레이저 엔그레이빙은 레이저를 가 공물에 대해 직선 또는 곡선을 따라 적당한 속도로 움직여 해당 표면을 용융제거하는 가공 방법이다.
본 실험에서는 레이저 엔그래빙에 의한 면의 평탄 가공이 시도되었다. 조도가 좋지는 않았지만 일정한 깊이에 대한 어블레이션(ablation)이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 논문에서 기술된 4가지 실험 가공 변수에 따른 가공 현상의 이론적인 분석도 병행할 계획이다. 평면 밀링이 외에 개별 가공의 반복에 따른 연속적인 패턴 제작에 대한 연구도 진행하고자 한다.

제안 방법

2) 폭10μm, 깊이 10μm의 groove를 가공하였고, u자형, v자형, y자형, 반원형으로 형상조절이 가능한 실험 가공 변수를 확인하였다.
정밀가공을 위해 1034nm 비해 초점 크기를 작게할 수 있는 515nm로 먼저 테스트 해보았다. 가공 테스트에 사용된 파라미터는 4가지로 절정 세기(peak intensity), 겹침 비율(overlap ratio), 레이저 초점 위치(laser focal position), 중복 가공 횟수이다.
본 논문에서는 먼저 펨토초 레이저를 이용하여 레이저 출력(laser power), 겹침 비율(overlap ratio) 등을 조절하면서 SKD11과 SUS304에 폭10μm, 깊이 10μm의 홈(groove)을 음각하였다. 각 조건에서의 용융제거양 및 엔그레이빙(engraving) 형상을 현미경으로 관찰하고, 그 데이터를 이용하여 릴리프(relief) 엔그레이빙을 통해 양각 가공을 진행하였다.
2는 레이저와 가공시스템을 포함한 실험 장치 구성도이다. 레이저의 파워의 미세조절과 편광도 개선을 위해 박막판 편광기(thin film plate polarizer)를 이용한 빔 감쇄기(beam attenuator)를 설치하였다.
먼저 1차 가공에 대한 효과를 확인하기 위해 10μm 간격으로 레이저 엔그레이빙을 실시하였다.
⁶ 겹침 비율(overlap ratio)는 스테이지의 속도 범위에 따라 90-98%의 범위로 설정하였다. 반복 가공 횟수는 그 횟수에 비례하여 가공 시간이 증가하므로 1-5회까지의 범위에서 테스트를 실시하였다.
본 논문에서는 먼저 펨토초 레이저를 이용하여 레이저 출력(laser power), 겹침 비율(overlap ratio) 등을 조절하면서 SKD11과 SUS304에 폭10μm, 깊이 10μm의 홈(groove)을 음각하였다.
3) 음각의 엔그레이빙을 비교적 넓은 면적에 반복적으로 적용하여 밀링의 효과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 양각을 가공하는 레이저 릴리프 엔그레이빙을 구현하였다.
펨토초 레이저를 이용하여 금속 표면을 이동 가공하여 레이저 엔그레이빙을 수행한 결과 다음의 결론을 얻었다.

대상 데이터

1은 레이저 본체와 이를 기반으로 하여 구성된 가공시스템이다. 가공 시스템의 제어는 Delta-tau 사의 turbo PMAC을 이용하였다.
레이저 엔그레이빙은 레이저를 가 공물에 대해 직선 또는 곡선을 따라 적당한 속도로 움직여 해당 표면을 용융제거하는 가공 방법이다. 레이저 엔그레이빙의 대상은 일반적인 판재 금속가공에 많이 사용되는 SUS304를 우선 선정하였고, 기하학적 정밀성과 표면조도 특성이 좋은 SKD11도 함께 선정하였다.
본 실험에서 사용된 펨토초 레이저는 Light Conversion사의 PHAROS-SP로 1034nm의 중심파 장을 가지며, 분광 대역폭는 15nm, 최대 출력은 100kHz에서 6W이고 M₂값은 1.3이하이다. 2^nd 하모닉 제너레이션(harmonic generation)의 경우 515nm 의 중심파장과 3.
정밀가공을 위해 1034nm 비해 초점 크기를 작게할 수 있는 515nm로 먼저 테스트 해보았다. 가공 테스트에 사용된 파라미터는 4가지로 절정 세기(peak intensity), 겹침 비율(overlap ratio), 레이저 초점 위치(laser focal position), 중복 가공 횟수이다.

성능/효과

1) 절정 세기, 겹침 비율, 초점 깊이, 반복 가공 횟수의 4가지 실험 가공 변수를 조절하여 다양한 형상과 깊이의 홈을 만들어 낼 수 있었다.
3) 음각의 엔그레이빙을 비교적 넓은 면적에 반복적으로 적용하여 밀링의 효과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 양각을 가공하는 레이저 릴리프 엔그레이빙을 구현하였다.
개별 엔그레이빙의 실험 가공 변수를 조절하여 전체 가공면의 균일도는 개선의 여지가 충분히 있다고 판단된다. 예를 들어, 본 논문의 실험 가공 변수에 의해서는 홈의 형상이 v자형이었지만, 3.
3은 각 파라미터 별로 나타나는 다양한 홈 형상의 대표적인 유형들이다. 홈의 폭과 깊이 사면의 형상에 따라 u자형, v자형, y자형, 반원형 등의 다양한 형태의 홈들을 관찰할 수 있었다. Fig.

후속연구

실용적인 레이저밀링기술이 되기 위해선 조도의 개선이 선결과제이다. 기 실험에서의 조도를 정량화하고 이 값을 개선해 나갈 예정이다. 또한, 본 논문에서 기술된 4가지 실험 가공 변수에 따른 가공 현상의 이론적인 분석도 병행할 계획이다.
따라서 개별 엔그레이빙 가공에서의 실험 가공 변수를 v자형의 홈이 만들어 지도록 설정하고 1차 가공과 2차 가공에서 동일한 실험 가공 변수를 사용한다면, 1차 가공에서 형성된 둑(홈이 형성되고 남아있는 부분)의 꼭지점 부분에 레이저 엔그레이빙으로 2차 가공을 하게 되면 해당 가공 영역이 평탄화되는 효과를 볼 수 있을 것이다.
기 실험에서의 조도를 정량화하고 이 값을 개선해 나갈 예정이다. 또한, 본 논문에서 기술된 4가지 실험 가공 변수에 따른 가공 현상의 이론적인 분석도 병행할 계획이다. 평면 밀링이 외에 개별 가공의 반복에 따른 연속적인 패턴 제작에 대한 연구도 진행하고자 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

3차원 형상을 만드는데 있어서 다양한 방법 중 대표적인 공정은?

3차원 형상을 만드는데 있어서 다양한 방법이 존재하지만 적층가공(additive manufacturing)과 절삭가공(substractive manufacturing)이라는 두 가지 공정으로 크게 분류할 수 있다. 적층가공의 대표적인 공정으로는 3차원 인쇄(3D printing)을 들 수 있고, 절삭가공의 대표적인 공정으로는 밀링 공정을 들 수 있다.

적층가공의 대표적인 공정은 무엇인가?

3차원 형상을 만드는데 있어서 다양한 방법이 존재하지만 적층가공(additive manufacturing)과 절삭가공(substractive manufacturing)이라는 두 가지 공정으로 크게 분류할 수 있다. 적층가공의 대표적인 공정으로는 3차원 인쇄(3D printing)을 들 수 있고, 절삭가공의 대표적인 공정으로는 밀링 공정을 들 수 있다. 밀링 공정은 작은 크기에서 부터 큰 부피까지 넓은 범위를 잘 정의된 형상으로 가공하는 데에 사용되는 기술로써 최근 들어 새로운 에너지(energy)를 사용하여 전통적인 기계 밀링(mechanical milling)과는 다른 다양한 방식의 밀링공정으로 그 영역을 확장하고 있다.

절삭가공 중 레이저 밀링 공정 기술의 문제점은?

특히 다양한 재료에 대한 가공요구가 증가하면서 기존 밀링의 한계를 극복할 수 있는 레이저 밀링(laser milling)이 그 중 대표적인 공정 기술이라고 할 수 있다. 그러나 기존의 고체 레이저(laser) 를 중심으로 하는 레이저 밀링 공정기술은 나노 초(nanosecond)이지만 상대적으로 긴 펄스폭(pulse duration)으로 융해상(melting phase)이라는 상변화의 흔적이 무시할 수 없으므로 요구되는 정밀도를 충족할 수 없는 문제점이 있었다.

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