KR20060061123A - Method and apparatus for laser beam machining making a minute three-dimensional part - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저빔을 이용한 가공방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 레이저 가공방법은 레이저빔을 집속하는 단계와, 상기 집속된 레이저빔을 감싸는 유체를 레이저빔의 조사방향과 같은 방향으로 분사하는 단계를 포함한다. 상기 유체를 분사하는 단계는 상기 가공물로 조사되는 레이저빔을 감싸는 액체를 분사하는 단계와, 상기 액체와 상기 레이저빔 사이에 기체를 분사하는 단계를 구비한다. 본 발명에 의한 레이저 가공장치는 레이저빔을 집속하여 상기 가공물로 조사하는 빔 집속부와, 상기 빔 집속부로부터 조사되는 레이저빔을 감싸는 유체를 레이저빔의 조사방향과 같은 방향으로 분사하는 유체분사부를 포함한다. 상기 유체 분사부는 상기 레이저빔을 감싸는 액체를 분사하는 액체분사부와 상기 분사되는 액체와 레이저빔 사이에 기체를 분사하는 기체분사부를 구비한다. The present invention relates to a processing method and apparatus therefor using a laser beam. The laser processing method according to the present invention includes focusing a laser beam, and spraying a fluid surrounding the focused laser beam in the same direction as the irradiation direction of the laser beam. The spraying of the fluid may include spraying a liquid surrounding the laser beam irradiated onto the workpiece, and spraying a gas between the liquid and the laser beam. The laser processing apparatus according to the present invention includes a beam focusing unit for focusing a laser beam and irradiating the workpiece, and a fluid injection unit for injecting a fluid surrounding the laser beam irradiated from the beam focusing unit in the same direction as the laser beam irradiation direction. Include. The fluid injection unit includes a liquid injection unit for injecting a liquid surrounding the laser beam and a gas injection unit for injecting gas between the injected liquid and the laser beam.
레이저가공, 기체, 액체, 분사, 집속렌즈Laser Processing, Gas, Liquid, Spray, Focusing Lens
Description
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저가공장치의 개략적인 구성을 도시한 도면1 is a view showing a schematic configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention
도2는 도1의 레이저 가공장치에 구비된 가공물 위치 조절기의 일 실시예를 도시한 사시도Figure 2 is a perspective view showing an embodiment of a workpiece position adjuster provided in the laser processing apparatus of Figure 1
도3은 도2의 가공물 위치 조절기의 측면도3 is a side view of the workpiece positioner of FIG.
도4의 (a)는 도3의 제1 고정장치에 고정된 가공물의 윗면이 가공된 상태를 도시한 단면도이고, (b)는 도3의 제1 고정장치에 고정된 가공물의 윗면과 아랫면이 모두 가공된 상태를 도시한 단면도Figure 4 (a) is a cross-sectional view showing a state in which the upper surface of the workpiece fixed to the first fixing device of Figure 3 is processed, (b) is the upper surface and the lower surface of the workpiece fixed to the first fixing device of Figure 3 Section showing all processed
도5는 가공 기준점을 찾아 가공물을 정렬하는 과정을 도시한 순서도5 is a flowchart illustrating a process of aligning a workpiece by finding a machining reference point;
도6은 가공 기준점을 찾기 위한 CCD카메라에 의한 이미지를 간략하게 도시한 도면Fig. 6 is a diagram briefly showing an image by a CCD camera for finding a processing reference point.
도7은 도1의 레이저 가공장치에 구비된 빔 집속부와 유체 분사부가 일체로 형성되어 마련된 분사노즐의 단면도FIG. 7 is a cross-sectional view of a spray nozzle provided by integrally forming a beam focusing unit and a fluid spray unit included in the laser processing apparatus of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 레이저가공장치 20 : 레이저광원10: laser processing device 20: laser light source
30 : 빔 전송부 40 : 빔 집속부30: beam transmission unit 40: beam focusing unit
50 : 가공물 위치 조절기 52 : 제1 고정장치50: workpiece position adjuster 52: first fixing device
56 : 제2 고정장치 54 : 이송장치56: second fixing device 54: transfer device
60 : 모니터링부 70 : 제어부60: monitoring unit 70: control unit
82 : 정렬 기준점 84 : 가공 기준점82: alignment reference point 84: machining reference point
90 : 가공물 200 : 유체 분사부90: workpiece 200: fluid injection portion
320 : 제1 측벽 324 : 제1 분사구320: first sidewall 324: first injection port
340 : 제2 측벽 342 : 제2 분사구340: second side wall 342: second injection port
521 : 베이스 522 : 제1 고정날개521: base 522: first fixed blade
523 : 제2 고정날개 541 : X축 스테이지523: 2nd fixed blade 541: X-axis stage
542 : Y축 스테이지 543 : Z축 스테이지542 Y axis stage 543 Z axis stage
5211 : 조절노브 5221 : 제1 관통구멍5211
5231 : 제2 관통구멍5231: second through hole
본 발명은 레이저빔을 이용한 가공방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 미세한 형상을 정밀하게 가공하는 펄스 레이저를 이용한 가공방법 및 그 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a processing method and apparatus therefor, and more particularly to a processing method and apparatus using a pulse laser for precisely processing fine shapes.
레이저빔은 렌즈로 미소한 점에 집광할 수 있기 때문에 여러 가지 미세 정밀 가공에 사용되고 있다. 종래에는 가공물을 미세하게 정밀가공하기 위하여 마스크를 이용한 레이저 가공방법이 많이 사용되었다. 마스크를 이용한 레이저 가공은 마스크를 통과한 레이저빔을 집광하여 가공물 표면을 가공하는 것이다. 마스크에는 문자, 도형, 또는 기호 등의 패턴구멍이 형성되어 있어 가공물 표면을 원하는 형상으로 쉽게 가공할 수 있다.Laser beams are used for various fine precision processing because they can focus at a small point with a lens. Conventionally, a laser processing method using a mask has been frequently used to finely process a workpiece. Laser processing using a mask focuses a laser beam passing through a mask to process a workpiece surface. Pattern holes such as letters, figures, and symbols are formed in the mask, so that the workpiece surface can be easily processed into a desired shape.
한편 레이저가공의 특성상 레이저빔이 닿는 쪽 면만이 가공될 수 있다. 즉, 레이저가공에 의하면 편면만이 가공될 수 있다. 따라서, 완전한 입체의 형상을 가공하는 데에는 제한이 따른다.On the other hand, only the side where the laser beam hits can be processed due to the nature of the laser processing. That is, according to the laser processing, only one surface can be processed. Therefore, there is a limitation in processing a perfect three-dimensional shape.
본 발명의 목적은 마스크를 사용하지 않고 레이저로 직접 가공물을 미세하게 가공하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 가공물의 양면을 가공하기 위한 레이저가공 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 다양한 두께의 가공물에 대하여 평면형의 패턴가공뿐만 아니라 입체형상을 갖도록 가공하는 레이저가공 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 레이저 가공시 입자의 재증착에 의한 오염 및 열영향을 최소한으로 줄일 수 있는 레이저가공 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for finely processing a workpiece directly with a laser without using a mask. Another object of the present invention is to provide a laser processing method and apparatus for processing both sides of a workpiece. It is still another object of the present invention to provide a laser processing method and apparatus for processing a workpiece having various thicknesses to have a three-dimensional shape as well as planar pattern processing. It is still another object of the present invention to provide a laser processing method and apparatus which can minimize contamination and thermal effects due to redeposition of particles during laser processing.
본 발명의 일측면에 따르면,According to one aspect of the invention,
레이저빔으로 가공물을 가공하는 레이저 가공장치에 있어서,In a laser processing apparatus for processing a workpiece with a laser beam,
레이저빔을 집속하여 상기 가공물로 조사하는 빔 집속부와,A beam focusing unit focusing a laser beam and irradiating the workpiece;
상기 빔 집속부로부터 조사되는 레이저빔을 감싸는 유체를 레이저빔의 조사방향과 같은 방향으로 분사하는 유체분사부를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.There is provided a laser processing apparatus including a fluid injection unit for injecting a fluid surrounding the laser beam irradiated from the beam focusing unit in the same direction as the irradiation direction of the laser beam.
상기 가공장치에 있어서, 상기 유체 분사부는 상기 레이저빔을 감싸는 액체를 분사하는 액체분사부와 상기 분사되는 액체와 레이저빔 사이에 기체를 분사하는 기체분사부를 구비할 수 있다.In the processing apparatus, the fluid injection unit may include a liquid injection unit for injecting a liquid surrounding the laser beam and a gas injection unit for injecting gas between the injected liquid and the laser beam.
상기 가공장치에 있어서, 상기 유체 분사부는 상기 레이저빔이 통과하며 상기 기체가 분사되는 제1 분사구와 상기 제1 분사구를 감싸며 상기 액체가 분사되는 제2 분사구를 구비하며, 상기 제1 분사구는 상기 제2 분사구의 중앙부에 위치할 수 있다.In the processing apparatus, the fluid injection unit includes a first injection port through which the laser beam passes and the gas injection, and a second injection hole surrounding the first injection hole and the liquid injection, the first injection hole is the first injection hole 2 can be located in the center of the injection port.
상기 가공장치에 있어서, 상기 유체 분사부는 끝단에 상기 제1 분사구가 형성된 제1 측벽과, 끝단에 상기 제2 분사구가 형성되며 상기 제1 측벽을 감싸는 제2 측벽을 구비할 수 있다.In the processing apparatus, the fluid injection unit may have a first sidewall formed with the first injection hole at the end, and a second sidewall formed with the second injection hole at the end and surrounding the first sidewall.
상기 가공장치에 있어서, 상기 빔집속부와 상기 유체 분사부는 일체로 마련될 수 있다.In the processing apparatus, the beam focusing unit and the fluid injection unit may be provided integrally.
상기 가공장치는 상기 가공물이 고정되며 상기 가공물의 양면이 차례대로 상기 빔 집속부로부터 조사되는 레이저빔을 향해 배치되도록 회전하고 상기 가공물을 정렬하기 위한 기준점이 형성된 고정장치와,The processing device includes a fixing device having a reference point for rotating the workpiece and having the reference points for aligning the workpiece with the workpiece so that both sides of the workpiece are sequentially disposed toward the laser beam irradiated from the beam focusing unit;
상기 고정장치와 고정장치에 고정된 가공물의 영상 데이터를 획득하는 모니터링부와,A monitoring unit for obtaining image data of the workpiece fixed to the fixing device and the fixing device;
상기 이송장치의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하며,Further comprising a control unit for controlling the operation of the transfer device,
상기 제어부는 상기 모니터링부로부터 획득한 영상 데이터를 이용하여 상기 고정장치의 정렬 기준점의 좌표를 찾아 상기 가공물을 정렬시킬 수 있다.The controller may align the workpiece by finding coordinates of an alignment reference point of the fixing device by using the image data obtained from the monitoring unit.
상기 가공장치에 있어서, 상기 고정장치는 상기 가공물을 그 사이에 끼워 상기 가공물을 고정시키는 두 개의 마주보는 고정날개를 구비하며, 상기 두 고정날개에는 서로 일치하는 위치에 상기 정렬 기준점이 마련될 수 있다.In the processing apparatus, the fixing device has two opposing fixing wings for fixing the workpiece by sandwiching the workpiece therebetween, and the alignment reference points may be provided at the positions coinciding with each other. .
상기 가공장치에 있어서, 상기 두 고정날개는 상기 가공물이 노출되는 영역을 구비하며 상기 노출영역은 꼭지점이 형성된 구성을 구비하며, 상기 정렬 기준점은 상기 구석의 꼭지점일 수 있다.In the processing apparatus, the two fixed blades have a region where the workpiece is exposed, the exposed region has a configuration in which a vertex is formed, the alignment reference point may be a vertex of the corner.
본 발명의 다른 측면에 따르면,According to another aspect of the invention,
레이저 광원으로부터 발진된 레이저빔을 조사하여 가공물을 가공하는 방법으로서,A method of processing a workpiece by irradiating a laser beam oscillated from a laser light source,
레이저빔을 집속하는 단계와,Focusing the laser beam,
상기 집속된 레이저빔을 감싸는 유체를 레이저빔의 조사방향과 같은 방향으로 분사하는 단계를 포함하는 레이저 가공방법이 제공된다.There is provided a laser processing method comprising the step of spraying the fluid surrounding the focused laser beam in the same direction as the irradiation direction of the laser beam.
상기 가공방법에 있어서, 상기 유체를 분사하는 단계는 상기 가공물로 조사되는 레이저빔을 감싸는 액체를 분사하는 단계와, 상기 액체와 상기 레이저빔 사이에 기체를 분사하는 단계를 구비할 수 있다.In the processing method, the spraying the fluid may include spraying a liquid surrounding the laser beam irradiated to the workpiece, and spraying a gas between the liquid and the laser beam.
상기 가공방법은 정렬 기준점이 마련된 고정장치에 양면을 갖는 가공물을 고정하는 단계와,The processing method includes the steps of fixing the workpiece having both sides to a fixing device provided with an alignment reference point,
상기 가공물의 제1면이 레이저빔을 향하도록 위치시키는 단계와,Positioning the first surface of the workpiece toward the laser beam;
상기 정렬 기준점이 포함된 고정장치와 가공물의 영상으로부터 상기 정렬 기준점의 위치를 확인하고 상기 정렬 기준점을 기준으로 상기 가공물의 일점이 레이저빔이 도달하는 위치에 오도록 가공물을 정렬시키는 제1 정렬단계와,A first alignment step of identifying a position of the alignment reference point from an image of the fixture and the workpiece including the alignment reference point and aligning the workpiece such that one point of the workpiece is at a position where the laser beam reaches based on the alignment reference point;
상기 가공물의 제2면이 레이저빔을 향하도록 상기 가공물을 회전시키는 단계와,Rotating the workpiece such that the second surface of the workpiece faces the laser beam;
상기 정렬 기준점이 포함된 고정장치와 가공물의 영상으로부터 상기 정렬 기준점의 위치를 확인하고 상기 정렬 기준점을 기준으로 상기 가공물의 일점이 레이저빔이 도달하는 위치에 오도록 가공물을 정렬시키는 제2 정렬단계를 더 포함할 수 있다.And a second alignment step of identifying the position of the alignment reference point from the image of the fixture and the workpiece including the alignment reference point and aligning the workpiece such that one point of the workpiece is at a position where the laser beam reaches based on the alignment reference point. It may include.
상기 가공방법에 있어서, 상기 제1 정렬단계와 제2 정렬단계는 상기 영상 데이터로부터 상기 구석의 외곽테두리의 이미지를 얻기 위해 영상을 처리하는 단계와, 상기 외곽선 이미지로부터 상기 정렬 기준점의 좌표를 획득하는 단계와, 상기 가공물의 이송하는 단계를 구비할 수 있다.In the processing method, the first alignment step and the second alignment step may be performed by processing an image to obtain an image of an edge of the corner from the image data, and obtaining coordinates of the alignment reference point from the outline image. And transferring the workpiece.
상기 가공방법에 있어서, 상기 가공물 고정단계에서는 상기 고정장치에 구비된 꼭지점을 갖는 가공물의 노출영역을 통하여 가공물을 노출시키도록 가공물을 고정하며, 상기 제1, 제2 정렬단계에서는 상기 꼭지점을 정렬 기준점의 좌표로서 획득할 수 있다.In the processing method, the workpiece is fixed in the workpiece fixing step to expose the workpiece through the exposed area of the workpiece having a vertex provided in the fixing device, in the first and second alignment step, the vertex is aligned reference point It can be obtained as the coordinate of.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도1을 참조하면, 레이저가공장치(10)는 레이저 광원(20)과, 빔 전송부(30) 와, 빔 집속부(40)와, 유체 분사부(200)와, 가공물 위치 조절기(50)와, 모니터링부(60)와, 제어부(70)를 구비한다. 레이저 광원(20)은 레이저빔을 발생시킨다. 본 실시예에서는 레이저 광원(20)으로서 Nd:YAG 로드와 같은 고체의 활성매질을 사용한 고체레이저를 사용하는 것으로 한다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 형태의 레이저 광원이 사용될 수도 있다.Referring to FIG. 1, the
도1을 참조하면, 빔 전송부(30)는 셔터(32)와, λ/4 편광기(34)와, 제1 반사경(37)과, 빔 감쇠기(36)와, 제2 반사경(38)과, 제3 반사경(39)을 구비한다. 셔터(32)는 레이저 광원(20)으로부터 발진된 레이저빔을 통과시키거나 차단한다. 셔터(32)는 후술하는 제어부(70)에 의해 그 작동이 제어된다. λ/4 편광기(34)는 셔터(32)를 통과한 레이저빔의 가공방향성을 없애준다. 제1 반사경(37)은 λ/4 편광기(34)를 통과한 레이저빔을 반사시켜 후술하는 빔 감쇠기(36)로 안내한다. 빔 감쇠기(36)는 레이저빔의 투과율을 조절하여 연속적으로 빔의 출력을 감쇄시킨다. 본 실시예에서는 빔 감쇠기(36)로서 ND필터(Natural Density Filter)를 사용하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 제2 반사경(39)은 빔 감쇠기(36)를 통과한 레이저빔을 후술하는 제3 반사경(39)으로 안내한다. 제3 반사경(39)은 제2 반사경(38)에 의해 반사된 레이저빔을 반사하여 후술하는 집광렌즈(42)로 안내한다.Referring to FIG. 1, the
도1을 참조하면, 빔 집속부(40)는 집광렌즈(42)를 구비한다. 집광렌즈(42)는 빔 전송부(30)의 제3 반사경(39)에 의해 반사되어 들어온 레이저빔을 집속한다. 집속된 레이저빔은 유체 분사부(200)를 거쳐 후술하는 가공물 위치 조절기(50)에 고정된 가공물(90)로 조사된다. 가공물(90)은 집속된 레이저빔에 의해 적절한 형상으 로 가공된다. 유체 분사부(200)는 가공물(90)로 조사되는 레이저빔을 보호하도록 감싸는 보호유체를 가공물(90)로 분사한다. 도1의 블록도에서는 빔집속부(40)와 유체 분사부(200)가 분리되어 도시되어 있으나, 실질적으로는 하나의 부재로 형성되는데, 도7에는 빔 집속부(40)와 유체 분사부(200)의 일예로서, 빔 집속부(40)와 유체 분사부(200)가 일체로 형성된 분사노즐(300)이 도시되어 있다.Referring to FIG. 1, the
도7을 참조하면, 분사노즐(300)은 기체분사부와, 액체분사부와, 집광렌즈(42)를 구비한다. 기체분사부는 대체로 위아래로 연장된 제1 측벽(320)에 의해 형성된다. 제1 측벽(320)의 상단은 개방되어 레이저빔이 들어오는 개방구(322)가 형성된다. 제1 측벽(320)은 일정한 크기를 유지하며 아래로 연장되다가 하부에서는 아래로 갈수록 좁아지도록 경사져서 하단에는 제1 분사구(324)가 형성된다. 제1 측벽(320)의 상부에는 플랜지(326)가 형성된다. 플랜지(326)에는 제1 측벽(320) 내부와 연결되는 제1 유입구(328)가 마련된다. 제1 유입구(328)를 통해 보호기체가 유입된다. 보호기체는 레이저빔이 후술하는 보호액체에 직접 닿아 굴절되거나 산란되어 가공효율이 떨어지는 것을 방지하는 역할을 한다. 본 실시예에서의 보호기체로는 압축공기를 사용하는 것으로 한다. 제1 유입구(328)를 통해 유입된 보호기체는 제1 분사구(324)를 통해 아래로 분사된다. 제1 측벽(320) 내부에는 상단의 개방구(322)와 제1 유입구(328) 사이의 위치에 집광렌즈(42)가 구비된다. 집광렌즈(42)에 의해 레이저빔은 제1 분사구(324)의 중심부에서 집속되며, 제1 분사구(324)를 통해 아래로 조사된다.Referring to FIG. 7, the
계속해서 도7을 참조하면, 액체분사부는 대체로 위아래로 연장되며 제1 측벽 (320)을 감싸는 제2 측벽(340)에 의해 형성된다. 제1 측벽(320)과 제2 측벽(340)은 이격되어 제1 측벽(320)과 제2 측벽(340) 사이에는 후술하는 제2 유입구(344)를 통해 유입된 보호액체가 지나갈 수 있는 공간이 형성된다. 제2 측벽(340)의 상부에는 제2 측벽(340)의 내부와 연결되는 제2 유입구(344)가 마련된다. 제2 유입구(344)를 통해 보호액체가 유입된다. 보호액체는 레이저빔과 함께 가공부에 분사되어 가공시 표면에서 발생하는 작은 입자들이 다시 표면에 재증착하여 오염시키는 것과 열에 의한 변형을 막는 역할을 한다. 본 실시예에서는 보호액체로서 물을 사용하는 것으로 한다. 제2 측벽(340)의 상단은 제1 측벽(320)의 플랜지(326) 하단에 결합된다. 제2 측벽(340)은 일정한 크기를 유지하며 아래로 연장되다가 하부에서는 아래로 갈수록 좁아지도록 경사져서 하단에는 제2 분사구(342)가 형성된다. 제2 분사구(342)는 제1 분사구(324)보다 크며 제1 분사구(324)가 제2 분사구(342)의 중앙부에 놓이도록 위치한다. 제2 유입구(344)를 통해 유입된 보호액체는 제2 분사구(342)를 통해 아래로 분사된다. 제2 분사구(342)를 통해 분사되는 보호액체 내부에 제1 분사구(324)로부터 분사되는 보호기체가 위치하고, 제1 분사구(324)로부터 분사되는 보호기체 내부에 가공물(90)로 조사되도록 집속된 레이저빔이 위치한다.With continued reference to FIG. 7, the liquid injection portion is formed by a
도2와 도3을 참조하면, 가공물 위치 조절기(50)는 가공물이 장착되는 제1, 제2 고정장치(52, 56)와, 제1, 제2 고정장치(52, 56)를 이송시키는 이송장치(54)를 구비한다. 제1 고정장치(52)는 가공물(90)의 양면가공을 위한 것으로서, 베이스(521)와, 제1, 제2 고정날개(522, 523)를 구비한다. 베이스(521)는 후술하는 이송장치(54)의 Z축 스테이지(543)의 일측면에 회전축선(120)을 중심으로 회전가능하게 결합된다. 회전축선(120)은 집광렌즈(도1의 42)로부터 조사되는 레이저빔과 수직을 이룬다. 베이스(521)에는 회전조절노브(5211)가 마련되는데, 이 회전조절노브(5211)를 회전시키면 예를 들면 스크루 이송나사와 같은 이송기구로 두 고정날개(522, 523) 사이의 거리를 변화시킬 수 있다.2 and 3, the
도2와 도3을 참조하면, 제1, 제2 고정날개(522, 523)는 각각 대체로 사각형의 평판형상으로서 베이스(521)의 전면(5212)(Z축 스테이지(543)의 반대편)으로부터 서로 마주보도록 회전축선(120)과 평행하게 연장된다. 도2 및 도3에서는 두 고정날개(522, 523) 중 제1 고정날개(522)가 위에 위치하고, 제2 고정날개(523)는 아래에 위치한다. 제1, 제2 고정날개(522, 523)의 중심부분에는 각각 제1, 제2 고정날개(522, 523)를 관통하는 제1, 제2 관통구멍(5221, 5231)이 마련된다. 제1 관통구멍(522)과 제2 관통구멍(523)은 정확하게 동일한 크기를 갖는 정사각형으로서 배치된 위치 또한 정확하게 동일하다. 본 실시예에서는 두 관통구멍(5221, 5231)의 형상이 정사각형인 것으로 하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 정렬을 위한 기준점으로 사용할 적어도 하나의 꼭지점이 마련된 형상이라면 다른 형상도 가능하다. 또한, 본 실시예에서는 관통구멍이 제1, 제2 고정날개에 각각 하나씩 마련되는 것으로 하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 다수의 마주보는 관통구멍이 제1, 제2 고정날개에 각각 마련될 수도 있다.2 and 3, the first and
제1 고정날개(522)와 제2 고정날개(523)는 회전조절노브(5211)에 의해 서로 근접하거나 멀어지도록 이동할 수 있다. 두 고정날개(522, 532)는 회전조절노브(5211)에 의해 각 고정날개(522, 523)와 회전축선(120) 사이의 거리가 항상 동일하 게 유지되며 움직이도록 구성되는데, 이러한 구성은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 회전조절노브(5211)를 이용하여 두 고정날개(522, 523) 사이에 가공물(90)을 고정시킬 수 있다. 두 고정날개(522, 523) 사이에 고정된 가공물(90)(예를 들면 판상 가공물)은 제1 고정장치(52)의 회전축선(120) 상에 위치하게 되며, 집광렌즈(도1의 42)로부터 조사된 레이저빔과 수직을 이루게 된다. 따라서 회전축선(120)을 중심으로 제1 고정장치(52)가 180도 회전하더라도 가공물(90)은 회전하기 전과 동일한 높이에 위치하게 되어 레이저빔의 초점높이를 동일하게 유지할 수 있다. 또한, 이러한 구성에 의해 제1 고정장치(52)에는 다양한 두께의 판상 가공물이 고정될 수 있다.The first fixed
도2와 도3을 참조하면, 레이저가공을 위하여 x, y, z축 3축 직교좌표를 도입하는데, 회전축선(120) 방향이 y축이 되고, 집광렌즈(도1의 42)로부터 조사된 레이저빔의 방향이 z축이 되며, y축과 z축에 수직인 방향이 x축이 된다. 따라서 가공물(90)이 제1 고정장치(52)에 고정된 상태에서 가공물(90)의 윗면 또는 아랫면 상의 임의의 위치는 (x, y)좌표에 의해 표현될 수 있다.2 and 3, the x, y, z-axis three-axis Cartesian coordinates are introduced for laser processing, the direction of the
도2와 도3을 참조하면, 제2 고정장치(56)는 가공물(90)의 편면가공을 위한 것이다. 도2와 도3을 참조하면, 제2 고정장치(56)는 평판형상으로서, 후술하는 이송장치(54)의 Z축 스테이지(543)의 윗면에 장착된다. 제2 고정장치(56)의 윗면은 집광렌즈(도1의 42)로부터 조사되는 레이저빔의 방향과 수직을 이룬다. 즉 z축과 수직을 이룬다. 상세히 도시되지는 않았으나, 제2 고정장치(56)의 윗면에는 다수의 구멍이 뚫려 있는데, 이 구멍들을 통해 공기가 흡입되어 제2 고정장치(56) 위에 놓 이는 가공물이 흡착되어 고정된다.Referring to Figures 2 and 3, the
도2와 도3을 참조하면, 이송장치(54)는 3축 스테이지로서, 아래로부터 위로 차례대로(z축 방향으로) X축 스테이지(541)와, Y축 스테이지(542)와, Z축 스테이지(543)를 구비한다. X축 스테이지(541)는 X축 방향으로 이동한다. Y축 스테이지(542)는 X축 스테이지(541) 위에서 Y축 방향으로 이동한다. Z축 스테이지(543)는 Y축 스테이지(542) 위에서 Z축 방향으로 이동한다. 따라서 가장 위에 위치한 Z축 스테이지(543)는 3차원 공간상에서 임의의 위치로 이동할 수 있게 된다. Z축 스테이지(543)의 측면과 윗면에는 각각 앞에서 설명한 바와 같이 제1 고정장치(52)와 제2 고정장치(56)가 각각 장착된다. 제1 고정장치(52)와 제2 고정장치(56)에 고정된 가공물(90)은 이동장치에 의해 3차원 이동이 가능하다. 도1을 참조하면, 가공물 위치 조절기(50)는 제어부(70)에 연결되어 그 동작이 제어된다. 즉, 이송장치(54)의 각 스테이지(541, 542, 543)의 직선운동과 제1 고정장치(52)의 회전운동이 제어부(70)의 제어신호에 따라 이루어지게 된다. 본 실시예에서는 이송장치(54)로서 3축 스테이지를 사용하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 제1, 제2 고정장치(52, 56)를 3차원 공간상에서 정밀하게 이동시키는 것이라면 어떠한 것이든 사용할 수 있다.2 and 3, the
도1을 참조하면, 모니터링부(60)는 모니터(62)와, CCD카메라(64)와, 조명램프(66)와, 제4, 제5, 제6, 제7 반사경(67, 69, 69, 65)을 구비한다. 모니터(62)는 가공물(90)의 영상이미지를 작업자가 눈으로 확인할 수 있도록 보여준다. 모니터(62)는 후술하는 제어부(70)와 연결되어 제어부(70)가 가공물(90)의 가공 기준점을 광학적으로 찾을 수 있도록 한다. CCD카메라(64)는 가공물(90)의 영상이미지를 획득하여 모니터(62)로 보내준다. 조명램프(66)는 가공물(90)의 영상을 촬영하기 위해 필요한 빛을 가공물(90)로 보낸다. 조명램프(66)에서 나오는 빛은 제5 반사경(68), 제6 반사경(69), 제7 반사경(65)에서 반사되어 가공물(90)로 보내진다. 가공물(90)로부터의 빛은 제7 반사경(65), 제6 반사경(69), 제4 반사경(67)을 통해 CCD카메라(64)로 전달된다. 도1에서는 가공물(90)로 조사되는 레이저빔과 조명램프(66)의 빛의 광축이 서로 이격된 것으로 도시되어 있으나, 이것은 설명의 편의를 위한 것으로서 실제로는 가공물(90)로 조사되는 레이저빔과 조명램프(66)의 빛의 광축은 일치한다Referring to FIG. 1, the
도1을 참조하면, 제어부(70)는 셔터(32)와 가공물 위치 조절기(50)와 모니터(62)와 각각 연결된다. 제어부(70)는 셔터(32)와 가공물 위치 조절기(50)의 작동을 제어한다. 또한, 제어부(70)는 가공물(90)이 제1 고정장치(도2와 도3의 52)에 고정된 경우 CCD카메라(64)를 통해 얻은 영상을 이용하여 가공 기준점의 좌표를 찾고 이송장치(54)에 제어신호를 보내어 가공물(90)을 이송하여 정렬시킨다. 가공물(90)을 정렬시키기 위하여 도시되지는 않았으나 제어부(70)는 프로세서와, 프로세서와 연결된 기억장치를 포함한다. 기억장치에는 프로세서를 작동시키는 프로그램이 저장되는데, 프로그램은 가공물(90)을 정렬시키기 위하여 제어부(70)가 도5에 도시된 것과 같은 단계를 수행하도록 프로세서를 작동시킨다.Referring to FIG. 1, the
도2 및 도3, 도5를 참조하여 가공물(90)을 정렬시키는 과정을 설명하면, 다음과 같다. 먼저 제어부(70)는 CCD카메라(64)를 통해 영상데이터를 획득한다(S1). 이때, 획득된 영상데이터에는 적어도 고정날개(522, 523)의 관통구멍(5221, 5231)의 한 구석에 있는 꼭지점이 포함되어야 한다. 다음, 제어부(70)는 획득한 영상데이터를 이미지 처리한다(S2). 이 처리과정은 스레숄딩(thresholding)기법을 통해 이루어질 수 있다. 이 과정을 통해 도6에 도시된 바와 같이 정상각형인 관통구멍(도2의 5221, 5231)의 외곽테두리선의 이미지(80)를 얻을 수 있다. 그 다음, 제어부(70)는 관통구멍(5221, 5231)의 기준 꼭지점(도6의 82, 정렬 기준점)의 좌표를 획득한다(S3). 이것은 통상적으로 에지검출(edge extraction)기법에 의해 이루어질 수 있는데, 본 실시예에서는 수평, 수직 방향의 에지검출에 적당한 Prewett 마스크를 이용한 회선방법(convolution)을 사용한다. Prewett 마스크 외에도 대각선 방향의 에지검출에 적당한 소벨(Sobel)연산자를 이용할 수도 있으며 그 외의 다른 방법에 의해 에지검출이 이루어질 수도 있다. 다음, 제어부(70)는 관통구멍(5221, 5231)의 중심점(도6의 84)(즉, 가공물(90)의 가공 기준점)의 좌표를 획득한다(S4). 가공 기준점(도6의 84)까지의 거리는 제작된 관통구멍(5221, 5231)의 크기를 이미 알고 있으므로 제어부(70)는 이를 역으로 계산하여 중심점(가공 기준점)(도6의 84)의 좌표를 정확하게 획득한다. 가공 기준점(도6의 84)을 지나며 가공물(90)의 윗면 또는 아랫면에 수직으로 연장되는 선이 가공 기준축(도3, 도4, 도5의 100)이 된다. 다음 제어부(70)는 이송장치(54)에 제어신호를 보내어 가공물(90)의 가공 기준축(도3, 도4, 도5의 100)이 빔집속부에서 나오는 레이저빔과 일치하도록 이동시켜 정렬한다(S5). 가공물(90)의 어느 한쪽 면이 위로 올라왔을 때 그 면에 대한 이러한 정렬과정과 똑같은 과정을 거쳐 다른 쪽 면이 위쪽으로 올라왔을 때도 가공 기준축 을 일치시킬 수 있다. 따라서 가공물(90)의 양면이 정확하게 동일한 위치를 기준으로 하여 가공을 행할 수 있다. 상기 예에서는 중심점을 가공 기준점으로 하여 설명하였으나 구멍 내의 다른 1점을 가공 기준점으로 할 수도 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.Referring to Figures 2, 3, and 5, the process of aligning the
위와 같은 구성을 갖는 가공장치로 가공하는 과정을 설명한다. 먼저 평판형상의 가공물(90)이 가공물 위치 조절기(50)의 제1 고정장치(52)에 고정된다. 이때 가공물(90)은 제1 고정장치(52)의 제1 고정날개(522)와 제2 고정날개(523) 사이에 끼워져 고정되는데, 제1 고정날개(522)가 위에 위치하고, 제2 고정날개(523)가 아래에 위치한다. 가공물(90)은 제1 고정장치(52)의 회전축선(120) 상에 놓여진다. 다음, 제어부(70)는 가공물(90)을 레이저빔으로 가공하기 전에 정위치에 오도록 정렬시킨다. 가공물(90)을 정렬시키는 과정은 위에서 상세히 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다음, 레이저빔을 가공물(90)의 윗면에 조사하여 가공한다. 이때, 레이저빔과 함께 도7에 도시된 바와 같이 보호기체와 보호액체가 함께 가공물(90)로 분사된다. 레이저빔을 보호기체가 감싸고 보호기체를 보호액체가 감싸게 된다. 보호액체가 분사되므로, 가공시 표면에서 발생한 작은 입자들이 다시 표면에 재증착하여 오염시키는 것뿐만 아니라 열에 의한 변형이 최소화된다. 보호기체는 레이저빔이 보호액체에 직접 닿는 것을 막아 레이저빔이 보호액체에 의해 굴절되거나 산란되는 것을 방지한다. 즉, 레이저빔을 보유액체가 감싸고 레이저빔과 보호액체 사이로 보호기체를 분사하는 것이다. 이송장치(54)가 가공물(90)을 3차원 공간상에서 적절하게 이송시킴으로서 도4의 (a)에 도시된 바와 같은 형상이 가공물(90)의 윗면에 가공된다. 가공물(90)의 윗면 가공이 끝나면, 제1 고정장치(52)는 180도 회전하여 가공물(90)의 아랫면이 위로 올라가도록 한 후, 위에서 상세히 설명한 바와 같은 방식으로 가공물(90)을 정렬시킨다. 이때, 아랫면 가공시 사용되는 가공 기준축선(100)은 윗면 가공시 사용된 가공 기준축선(100)과 동일하므로 윗면과 아랫면에 원하는 입체의 형상을 정밀하게 가공할 수 있다. 제2 고정장치(56)를 사용하면 가공물을 편면가공할 수 있다.It describes the process of processing with a processing device having the above configuration. First, the
본 발명의 실시예에서는 가공물(90)의 윗면과 아랫면에 대한 가공은 파장이 355nm인(파장이 이에 제한되는 것은 아니다) 자외선 레이저와 같은 짧은 파장의 레이저를 이용한 어블레이션(ablation) 가공에 의하여 마스크 없이 이루어진다. 어블레이션은 단 펄스 레이저빔을 가공물에 조사하여 가공물의 표면을 깎아내는 것을 말한다. 이러한 단 펄스 레이저빔에 의한 어블레이션 가공은 연속 발진 레이저나 통상의 펄스 레이저에 의한 가공에 비해 가공부의 열영향부가 압도적으로 작기 때문에 정밀도가 매우 높은 미세가공이 가능하게 된다. 또한, 레이저를 이용한 미세가공은 레이저 빔이 렌즈나 거울과 같은 광학부품을 통하여 수 마이크로미터에서 수백 마이크로 미터의 크기로 집속할 수 있는 특성이 있기 때문에 적절한 렌즈의 선택을 통해 초점크기를 손쉽게 전환할 수 있다. 따라서 다양한 크기의 물품에 대한 미세가공이 가능하다. 좁은 영역에 조사된 레이저빔은 수십 나노초(nanosecond)의 범위에서 아주 짧은 시간동안 펄스 형태로 가공물에 열과 충격을 전달하게 된다. 이러한 짧은 시간 동안 순간적으로 가공물의 분자의 결합부에 충격적 분리가 일어나게 된다. 즉, 애블래이션은 레이저로부터 방출된 자외선 광자가 가공물의 분 자를 여기, 결합파괴, 가열시켜 화학적 분해, 제거, 증발 등의 여러 가지 프로세스(process)가 복합적으로 작용하여 일어나는 것이다. 이러한 자외선 레이저에 의한 어블레이션은 레이저빔에 노출된 가공물과 상호작용에 의해서 일어나며 가공물의 흡수 성질에 따라 다르지만 폴리머의 경우 내부 분자의 결합이 광열반응(photothermal process)과 광화학반응(photochemical process)이 일어나며 분해된다.In the embodiment of the present invention, the upper and lower surfaces of the
본 발명의 구성을 따르면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 마스크를 사용하지 않고 레이저로 직접 가공하므로 비용이 절감된다. 그리고 평면가공용 고정장치와 함께 양면 가공용 고정장치가 함께 구비되므로 편면가공뿐만 아니라 입체가공이 모두 가능하다. 또한 가공물의 정렬이 보다 정확하게 이루어지므로 양면가공시 보다 정확한 입체형상을 얻을 수 있다. 그리고 가공물에 레이저빔을 감싸는 보호액체가 레이저빔과 함께 분사되므로 가공시 발생하는 작은 입자들이 재증착하는 것을 막을 수 있으며, 열에 의한 변형을 최소화할 수 있다. 또한, 레이저빔과 보호액체 사이에 레이저빔을 감싸는 보호기체가 분사되므로 레이저빔이 보호액체에 직접 닿아 굴절되거나 산란되어 가공효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.According to the configuration of the present invention can achieve all the objects of the present invention described above. Specifically, the cost is reduced because the laser is processed directly without using a mask. In addition, since the fixing device for the double-sided processing is provided together with the fixing device for the planar processing, both the one-side processing and the three-dimensional processing are possible. In addition, since the workpiece is more precisely aligned, more accurate three-dimensional shape can be obtained during double-sided processing. In addition, since the protective liquid surrounding the laser beam is sprayed together with the laser beam on the workpiece, small particles generated during processing can be prevented from being redeposited and heat deformation can be minimized. In addition, since a protective gas surrounding the laser beam is injected between the laser beam and the protective liquid, the laser beam is directly in contact with the protective liquid to be refracted or scattered, thereby preventing the processing efficiency from dropping.
이상 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이 다.Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art will appreciate that modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention and that such modifications and changes also fall within the invention.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210021481A (en) * | 2018-06-22 | 2021-02-26 | 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤 | Welding method and welding device |
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2004
- 2004-12-01 KR KR1020040100006A patent/KR20060061123A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210021481A (en) * | 2018-06-22 | 2021-02-26 | 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤 | Welding method and welding device |
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