레이저로 무엇을 마킹할 수 있으며 어떻게 마킹합니까?

누군가가 레이저 마킹 시스템의 모든 유형 또는 제조업체에서 모든 유형의 재료를 레이저 마킹하기 위한 특정 설정을 제공하는 "레시피 북"을 만들 수 있다면 좋을 것입니다. 행운을 빕니다. 제조업체마다 다른 레이저 마킹 시스템을 사용하면 여러 가지 이유로 동일한 재료에 대해 다른 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 이유에는 레이저 파장, 레이저 빔 품질, 집중된 레이저 스폿 크기, 레이저 펄스 폭, 펄스 주파수 범위, 레이저 보정 장치 및 마킹 소프트웨어 기능이 포함될 수 있습니다.

 

특정 재료 유형에 대한 특정 레이저 설정을 정의하려고 시도하는 것보다 다양한 레이저 설정이 해당 재료에 어떤 영향을 미치는지 이해하려고 노력하는 것이 더 나을 수 있습니다.

 

몇 년 전에 저는 Photonics Online에서 출판한 레이저 마킹에 관한 몇 개의 기사를 썼습니다. 레이저 마킹을 처음 접하는 경우 https://www.photonicsonline.com/doc/introduction-to-fiber-laser-marking-0001에서 해당 기사를 읽는 것이 좋습니다.

 

몇 가지 예외를 제외하고 레이저 마킹 시스템은 1064nm 파이버 레이저 또는 10,600nm CO2 레이저입니다. 파이버 레이저는 모든 금속(도금, 도장 또는 노출되지 않은 금속)과 일부 유형의 플라스틱과 같은 소수의 비금속에서 작동합니다. CO2 레이저는 목재, 유리, 유기 물질, 대부분의 플라스틱 및 페인트칠된 표면에서 작동합니다. 레이저 유형과 재료 사이에는 약간의 중복이 있지만 일반적으로 말하면 특정 재료에 대해 한 레이저 유형이 다른 레이저 유형보다 훨씬 우수합니다.

 

CO2 레이저 응용 분야는 논의하기가 조금 더 쉬우므로 거기서 시작하겠습니다. 대부분의 CO2 마킹 시스템은 RF 여기 밀봉 빔 CO2 레이저를 사용합니다. 이러한 레이저는 일반적으로 5KHz 펄스 주파수에 최적화되어 있으며 대부분의 사용자는 이를 벗어나지 않습니다. Jimani에서는 때때로 특히 유리 마킹의 경우 5KHz CO2 펄스 주파수에서 벗어나지만 대부분의 사용자는 그렇지 않습니다. CO2 마킹을 위해 변경되는 기본 설정은 작업에 대한 레이저 출력 전력 및 스캐닝 속도 조정입니다. 초점을 맞춘 레이저 스폿 크기는 렌즈의 초점 거리와 빔 확장 망원경 사용 여부의 함수입니다. 초점 거리가 긴 렌즈는 더 큰 초점을 맞춥니다.

 

파이버 레이저 애플리케이션은 작업할 변수가 더 많기 때문에 전화를 걸기가 조금 더 복잡할 수 있습니다. 일반적인 변수 설정에는 펄스 주파수, 레이저 출력 전력, 마킹 속도 및 파이버 레이저에 가변 펄스 폭 기능이 있는 경우 펄스 폭이 포함됩니다. 하나의 초점 거리 렌즈에 대한 설정은 다른 초점 거리의 렌즈에서는 전혀 작동하지 않을 수 있습니다. 존재하지 않는 레이저 설정 레시피 책을 찾으려고 노력하는 것보다 사용자가 다양한 레이저 설정이 무엇을 하고 마킹에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 더 낫다고 생각합니다.

 

펄스 폭

 

파이버 레이저가 50KHz 펄스 주파수로 설정되고 1인치 길이의 선이 초당 1인치의 속도로 그려지면 해당 선이 그려질 때 레이저는 50,000개의 개별 레이저 펄스를 적용합니다. 파이버 레이저는 레이저의 내부 손상을 방지하기 위해 일반적으로 개별 펄스당 약 1mj의 에너지로 허용되는 최대 펄스 에너지 제한이 있습니다. 예를 들어 50W 파이버 레이저는 약 50KHz 펄스 주파수에서 1mj의 에너지를 달성합니다. 마킹 제어 소프트웨어 및 레이저 펌웨어가 위의 레이저 예에서 50Khz 미만의 펄스 주파수를 허용하는 경우 펄스당 에너지는 여전히 개별 펄스당 1mj로 유지되지만 초당 펄스 수가 적기 때문에 평균 전력은 감소합니다. 펄스 주파수가 50KHz 이상으로 증가하면 펄스당 에너지는 개별 펄스당 감소하지만, 초당 더 많은 레이저 펄스가 표시되는 부품에 적용되며 일반적으로 부품에 더 많은 열이 가해집니다. 레이저가 펄스당 최대(1mj) 에너지를 생성하도록 펄스 주파수를 설정하면 최대 재료 제거가 발생합니다. 아래 표는 제조업체마다 다른 레이저 모델에 따라 다소 다를 수 있지만 일반적으로 정확합니다.

 

레이저 등급 펄스당 1mj의 최대 에너지를 생성하는 최대 펄스 주파수

 

20와트 20KHz

 

30와트 30KHz

 

50와트 50KHz

 

100와트 100KHz

 

레이저 전력 등급에 관계없이 모두 펄스당 1mj의 에너지로 제한된다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 100와트 레이저는 20와트 레이저보다 초당 1mj 펄스를 5배 더 많이 방출합니다.

 

위의 표는 펄스당 약 100ns의 펄스 폭을 가진 고정 펄스 폭 레이저에 적용됩니다. 가변 펄스 폭 레이저는 모두 개별 펄스 폭마다 최대 펄스 에너지를 위한 최적의 주파수를 제공하는 차트와 함께 제공됩니다.

 

레이저 출력 전력

 

레이저 출력을 제어하는 ​​것은 레이저가 "펌핑"되는 강도를 제어하는 ​​문제입니다. 펌핑이 적다는 것은 개별 레이저 펄스당 출력 에너지가 적다는 것을 의미합니다. 펌핑이 높을수록 펄스 에너지의 최대 허용 가능한 1mj에 도달할 때까지 개별 레이저 펄스당 더 많은 출력 에너지가 발생합니다.

 

마킹 속도

 

스캐닝 검류계의 거울이 공작물 위로 레이저 빔을 이동시키는 속도가 마킹 속도입니다. 마킹 속도가 빠르면 레이저 광선이 부품에 작업할 시간이 줄어들고 마킹 속도가 느려지면 레이저가 부품에 작업할 시간이 늘어납니다. 유용한 마킹 속도에는 몇 가지 실질적인 한계가 있습니다. 긴 직선을 마킹할 때 검류계가 매우 빠른 속도로 움직일 수 있지만 대부분의 마킹 응용 프로그램은 긴 직선으로 구성되지 않습니다. 대부분의 마킹은 실제로 0.25인치 높이의 글자 채우기 선과 같은 많은 짧은 선으로 구성됩니다. 표시되는 각 라인에 대해 Galvos는 레이저 빔을 라인의 시작점에 배치하고 일시 중지하고 약간의 정착 시간을 허용한 다음 가속을 시작하고 라인을 그립니다. 라인의 끝 근처에서 속도를 줄이기 시작한 다음 라인의 끝에서 멈추고 다음 라인의 시작 부분으로 재배치합니다. 이 라인의 대부분은 매우 짧기 때문에 갤보가 아무리 빨리 움직이라는 명령을 받더라도 다시 속도를 늦추기 전에 너무 빨리 가속할 수 있습니다. 대부분의 갈보 시스템에서 유용한 마킹 속도는 40 IPS 정도로 제한되며 그 이상 마킹 시간은 줄어들지 않습니다.

펄스 폭

 

펄스 폭은 꽤 쉽게 설명할 수 있습니다. 펄스 폭이 짧으면 레이저가 메스처럼 작동하고 펄스 폭이 길면 레이저가 고기 식칼처럼 작동합니다. 펄스 폭이 매우 짧은 화기에 0.005” 깊이 마킹하는 데 성공하지 못할 것이며 펄스 폭이 긴 박막 재료에 섬세한 마킹을 하는 데 많은 성공을 거두지 못할 것입니다.

 

마킹 기법

 

일반적으로 파이버 레이저로 수행할 수 있는 세 가지 기본 마킹 기술이 있습니다.

 

제거

 

조각

 

얼룩 마킹(종종 어닐링이라고 함)

 

레이저 제거는 일부 재료 또는 기판의 표면에서 재료를 제거하거나 증발시키는 것입니다. 이상적으로는 레이저 광이 부품 표면에서 흡수되고 부품으로의 침투가 최소화됩니다. 어블레이션 마킹의 몇 가지 예는 알루미늄 기판 표면에서 양극 산화물을 제거하거나 코팅된 플라스틱 조각 외부의 금속 필름을 제거하는 것입니다. 이 두 가지 예에서 목적은 조각하지 않고 부품 표면에 대비되는 마크를 만드는 것입니다(아래 참조).

 

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어블레이션 마킹에 사용할 수 있는 레이저 설정은 조각에 사용하는 것과 동일하지 않습니다. 더 빠른 마킹 속도(스캐닝 미러가 레이저 빔을 부품 표면 위로 이동시키는 속도)와 더 낮은 레이저 출력이 일반적으로 어블레이션 마킹에 사용됩니다. 너무 많은 레이저 출력이 너무 오랫동안 적용되면 금속 기판에서 재료가 제거되고 플라스틱 기판으로 녹는 결과가 발생합니다. 일부 재료는 너무 민감하여 더 짧은 레이저 펄스 폭이 필요합니다. 펄스 폭은 각 레이저 펄스에 대해 레이저가 켜져 있는 시간입니다. 기억하세요. 레이저는 연속 광선을 방출하는 대신 일련의 겹치는 펄스를 만들어 선을 표시합니다. 가변 펄스 폭 파이버 레이저는 각 레이저 펄스의 시간을 제어할 수 있으며 매우 짧은 레이저 펄스를 생성할 수 있습니다. 전력은 에너지/시간과 같기 때문에 각 레이저 펄스의 시간을 단축하면 레이저에 의해 재료 표면에 적용되는 최대 전력을 증가시키는 동시에 레이저의 에너지가 재료에 적용되는 시간을 줄일 수 있습니다. 높은 피크 전력과 짧은 펄스 폭의 조합은 절제 유형 마킹에 이상적입니다.

 

모든 재료의 절제 마킹에 가변 펄스 폭 파이버 레이저가 필요하다고 제안하려는 것은 아닙니다. 고정 펄스 폭 파이버 레이저는 100-120나노초의 레이저 펄스 폭을 제공하여 대부분의 절제 응용 분야를 처리할 뿐만 아니라 다른 마킹 유형에 대해 충분히 긴 레이저 펄스 폭을 제공합니다.

 

레이저 각인 – 일부 제품 또는 응용 분야에서는 재료 깊숙이 마킹해야 합니다. 이것은 일반적으로 금속 기판으로 제한됩니다. 플라스틱 기판으로 더 깊게 조각하면 일반적으로 용인할 수 없는 양의 용융이 발생하기 때문입니다. 더 깊은 레이저 각인은 부품 표면이 마모되거나 각인된 마크에 색상 채우기가 필요한 경우에 유용합니다. 총기 마킹과 같은 일부 응용 프로그램에는 마킹을 제거하기 어렵게 하기 위해 깊이 사양이 있습니다.

 

향상된 레이저 출력과 낮은 마킹 속도는 딥 레이저 조각의 트레이드마크입니다. Jimani에서의 경험에 따르면 더 깊은 레이저 조각은 원하는 깊이에 도달할 때까지 재료의 얇은 조각을 제거하기 위해 여러 패스를 사용하여 약 5-10인치/초의 마킹 속도로 가장 잘 달성됩니다. 한 번에 많은 양의 재료를 제거하기 위해 매우 느린 마킹 속도를 사용하면 제판 홈통에 슬래그 바닥이 생기고 제판 가장자리에 슬래그가 축적됩니다. 더 빠른 속도에서 다양한 충전 각도를 가진 다중 레이저 패스는 더 많은 재료 제거와 더 깨끗한 골과 가장자리를 허용합니다. 더 많은 레이저 패스는 레이저 빔이 초점에서 벗어나기 시작하거나 증발된 재료가 매우 좁은 홈통에서 빠져나갈 수 없을 때까지 더 깊은 마킹을 만듭니다.

 

나는 레이저 마킹이 돋보기로 나뭇잎을 태우는 것과 같다고 말하면서 이전 기사를 시작했습니다. 잎사귀가 돋보기 렌즈의 초점에 있지 않으면 잎사귀에 불을 붙일 만큼 햇빛의 집중도가 높지 않은 것입니다. 레이저 각인도 마찬가지입니다. 기판이 레이저 마킹/제판 시스템의 렌즈 초점에서 충분히 멀리 떨어져 있는 경우 재료를 태워 없애거나 증발시킬 만큼 충분히 높은 레이저 광 집중이 없습니다. 이 거리는 레이저 마킹 시스템의 초점 심도를 정의하며 렌즈의 초점 거리와 해당 렌즈로 들어가는 레이저 빔의 품질을 조합한 것입니다. 예를 들어 .010-.015인치의 금속 조각 깊이는 단일 렌즈 위치 지정으로 달성할 수 있지만 그 이상으로 렌즈 위치를 약간 변경하는 것이 가장 좋습니다. 를 새겼습니다. 250인치 이상을 강철 기판(아래 참조)에 넣었지만 렌즈의 위치를 ​​여러 번 변경해야 했고 시간이 많이 걸렸습니다. 실용적인 관점에서 범용 마킹 및 조각용으로 설계된 파이버 레이저 시스템은 아마도 이를 위한 잘못된 도구일 것입니다.

 

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금속으로의 깊은 조각에 대한 제한은 일반적으로 조각의 너비입니다. 조각이 0.060인치 높이의 문자가 있는 텍스트 줄로 구성되어 있다고 상상해 보십시오. 각 문자의 선 너비는 매우 좁고(예: 0.010인치 정도) 조각이 깊어질수록 새로 증발된 재료는 홈통 밖으로 날아가기보다는 조각 홈통의 측벽에 모이는 경향이 있습니다. 레이저 절단 시스템은 포커싱 렌즈 중앙 근처에 위치한 노즐을 통해 고속 공기 분사를 유도하여 이 문제를 해결하지만 이 기술은 조정 빔 레이저 마킹 시스템에 사용되는 F theta 렌즈에는 작동하지 않습니다. 깊은 조각 좁은 선 폭에 대한 실질적인 한계는 0.020인치 정도입니다.

 

얼룩 마킹 – 특정 재료 유형에서 초점을 맞춘 레이저 빔의 스폿 크기가 충분히 커지면 레이저는 재료를 제거하거나 새기는 대신 재료를 가열합니다. 스테인리스 스틸, 티타늄 및 경질 크롬과 같은 재료의 경우 레이저 빔의 열로 인해 산화층이 형성됩니다. 재료 위로 레이저를 여러 번 통과하면 산화물 층이 더 어두워지거나 미묘한 색상 변화가 허용됩니다. 가변 펄스 폭 파이버 레이저를 사용하는 경우 레이저 펄스 폭, 전력, 마킹 속도, 채우기 밀도 및 펄스 주파수를 실험하면 검정, 파랑, 빨강 및 녹색에 이르는 다양한 색조를 생성할 수 있습니다. 컬러 마킹은 매력적으로 들리지만 고유한 문제가 있습니다. 다른 재료는 매우 다른 결과를 생성할 수 있으며 조정할 수 있는 무한한 조합 설정이 있습니다.

 

대부분의 스테인 마킹은 위에서 언급한 적합한 재료에 비침투성 어두운 마킹을 얻기 위해 간단하게 수행됩니다. 얼룩 표시는 매력적이고 영구적이며 오염되지 않습니다. 잉크나 페인트, 화학약품을 사용하지 않기 때문에 의료기기나 도구를 식별할 때 자주 사용하는 기술이다. 얼룩 자국은 기판 표면에 미크론 정도 침투하며, 시간이 지나거나 취급해도 자국이 벗겨지지는 않지만 샌딩하거나 벗겨낼 수 있습니다. "마모" 표면에 표시된 부품에는 좋은 기술이 아닙니다.

 

좋은 스테인 마킹의 비결은 레이저에서 적절하게 집중된 스폿 크기를 갖는 것입니다. 대부분의 파이버 레이저 마킹 시스템에는 레이저를 매우 작은 지점에 집중시키도록 설계된 빔 전달 광학 장치가 있습니다. 얼룩 표시를 하기에는 너무 작습니다. 레이저 스폿 크기를 증가시키는 한 가지 기술은 기판을 렌즈의 초점에서 약간 멀리 이동시키는 것입니다. 이 기술은 "아웃포커스"가 약간 주관적일 수 있지만 평평한 표면에 잘 작동합니다. 초점이 맞지 않는 기술은 둥글거나 둥근 부분에는 잘 작동하지 않습니다. 초점이 흐려진 빔이 반경 주위를 이동함에 따라 다시 초점을 맞추기 시작하거나 초점에서 더 멀어집니다. 이상적인 솔루션은 레이저 빔이 렌즈의 초점에서 정확한 스폿 크기에 초점을 맞추는 것입니다. 이 기술을 사용하여 레이저는 렌즈의 초점 심도 전체에서 정확한 스폿 크기를 유지합니다. Jimani에서는 레이저 빔이 포커싱 렌즈로 가기 전에 가역 빔 익스팬더를 통과하여 이를 광학적으로 달성합니다. 레이저 빔을 "de-collimating"하여 초점을 맞춘 지점의 크기를 늘리고 렌즈를 통한 초점 깊이를 늘릴 수 있습니다. 이로 인해 시스템에 약간의 비용이 추가되지만 향상된 얼룩 표시 성능으로 인해 비용이 충분히 정당화됩니다.

 

컬러 마킹- 컬러 마킹은 스테인 마크 산화물 층의 두께를 제어하는 ​​문제이며 가변 펄스 폭 MOPA 레이저로 가장 잘 수행됩니다. 인터넷에 색이 칠해진 부품의 예쁜 사진은 많이 있지만 해당 부품의 설정에서 다이얼링에 들어간 5~6시간의 설정 시간과 다음 부품에 소요되는 5~6시간에 대한 정보는 없습니다. . 컬러 마킹은 변덕스럽고 힘든 과정입니다. 아무도 부품에 컬러 마크를 생성하는 데 관련된 모든 설정 시간에 대해 비용을 지불할 의향이 없기 때문에 우리 사업의 작업장 부분에서는 컬러 마킹을 하지 않습니다.