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레이저 기반 생산 공정은 많은 경우에 다른 제조 기술에 비해 속도, 품질 및 비용 이점을 제공합니다. 그러나 레이저 공정의 이점을 완전히 실현하려면 수행 전, 수행 중, 수행 후에 세심한 모니터링과 제어가 필요합니다. 이 문서에서는 이러한 유형의 프로세스 제어를 구현하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 방법과 특정 도구를 검토합니다.

모든 유형의 제조 공정은 변동이 있을 수 있으므로 때로는 만족스럽지 못한 결과를 낳기도 합니다. 레이저 공정의 경우 광학 장치 및 빔 전달 시스템의 정렬, 손상 또는 오염 문제, 부품 처리 및 위치 지정 오류 등으로 인해 레이저 소스 자체에 문제가 발생할 수 있습니다. 레이저 공정 결과는 부품 재료 구성이나 치수에 불일치가 있거나 주변 작동 환경에 큰 변화가 있는 경우에도 달라질 수 있습니다. 물론, 항상 운영자 오류가 있습니다.

프로세스 제어의 목표는 이러한 문제를 가능한 한 빨리 식별하고 수정하는 것입니다. 이상적으로는 불량 부품이 만들어지기 전이나 적어도 많은 부품이 생산되기 전에 이런 일이 발생해야 합니다. 그리고 사양을 벗어난 제품이 고객에게 배송되기 전에 항상 발생해야 합니다.

분명히 공정 제어는 품질을 향상시키는 데 사용되지만 스크랩과 재작업을 줄이고 재료 낭비를 최소화하여 비용도 절약합니다. 또한 효과적인 프로세스 제어로 비용을 절감할 수 있는 덜 분명한 다른 방법도 있습니다. 

이들 중 하나는 공정 제어 장비에서 수집한 데이터를 사용하여 기계 활용도를 분석하는 것입니다. 그런 다음 이 정보를 적용하여 전반적인 생산 효율성을 향상시키고 레이저 시스템 자체에 대한 투자 수익을 더 빠르게 얻을 수 있습니다. 또 다른 이점은 불량 제품이 최종 사용자에게 도달할 경우 발생할 수 있는 책임 또는 리콜 비용과 관련된 비용이 절감된다는 점입니다.

마지막으로, 프로세스 제어와 그로부터 파생된 데이터는 현재 많은 산업에 존재하는 규정 준수 요구 사항을 충족하는 데 필수적일 수 있습니다. 점점 더 규정 준수 표준을 충족하려면 생산 배치 또는 모든 개별 부품에 대한 레이저 및 기타 시스템 매개변수를 기록해야 합니다.

프로세스 제어 구현 시기

포괄적으로 구현된 공정 제어 방식에는 레이저 공정의 모든 단계에서 검사 및 데이터 수집이 포함됩니다. 이는 크게 네 가지 영역으로 나눌 수 있습니다. 

• 전처리 제어
• 진행 중인 모니터링 및 제어
• 후처리 제어 
• 주기적인 시스템 제어

이러한 각 단계에는 일반적으로 프로세스 제어 계측 및 구현 세부 사항 측면에서 다양한 옵션을 사용할 수 있습니다. 사용자는 어떤 측정이 필요하거나 유용한지, 그리고 측정이 품질과 처리량에 어느 정도 영향을 미칠지 결정해야 합니다. 물론 이는 각각의 비용과 비교하여 평가되어야 합니다. 각 단계를 개별적으로 검토하여 어떤 도구를 사용할 수 있는지, 그리고 잠재적으로 어떤 이점을 얻을 수 있는지 검토하는 것이 좋습니다.

전처리 제어

목공예가들에게는 옛말이 있습니다. “두 번 측정하고 한 번 자르세요.” 이 루브릭은 나중에 오류를 수정하는 것보다 오류가 발생하지 않도록 방지하는 것이 더 낫다는 생각을 표현합니다. 그리고 생산 과정에서 문제가 더 빨리 식별될수록 좋습니다. 따라서 사전 처리 측정을 수행하는 것은 오류, 폐기, 재작업을 줄이는 데 특히 효과적인 방법입니다.

레이저 공정의 경우 일반적으로 사전 공정 측정을 사용하여 올바른 부품이 로드되었는지 확인합니다. 이는 부품 크기/모양을 검사하거나 부품에 있는 바코드 또는 기타 식별 표시를 판독하여 수행할 수 있습니다. 또한 부품 치수와 방향을 측정할 수 있으며 가공을 위한 정확한 위치를 찾을 수 있습니다. 레이저 마킹의 경우 이 단계에서 시스템이 다른 제조 시스템으로부터 가변 입력 데이터(일련 번호, 로트 번호 및 기타 식별 정보)를 수신하는 것도 매우 일반적입니다.

이러한 종류의 측정에 사용되는 가장 일반적인 기기는 카메라 기반 비전 및 패턴 인식 시스템입니다. 이는 특수 조명 액세서리와 함께 제공될 수 있습니다. 

일반적으로 비전 시스템은 가장자리 감지를 사용하여 부품의 존재 여부를 확인하고 정확한 위치를 결정합니다. 또한 부품의 특정 특징이나 구조를 식별할 수도 있습니다. 용접 공정의 경우 용접 갭을 감지하고 측정하여 부품 맞춤을 결정할 수 있습니다. 레이저가 작업 표면에 적절하게 초점이 맞춰지는지 확인하기 위해 초점 위치 확인을 수행할 수도 있습니다.

단순히 평면이 아닌 3D 형상으로 부품을 처리하려면 x 및 z축 모션과 함께 라인 스캔 카메라를 사용하여 모양 감지를 수행할 수 있습니다. 이는 마킹 작업에 특히 유용합니다. 일부 시스템에서는 이제 레이저 마킹을 "사전 왜곡"하여 최종 윤곽 표면에 올바르게 나타나도록 할 수 있기 때문입니다. 그러나 이러한 유형의 시스템을 성공적으로 작동하려면 마킹할 부품의 모양과 방향을 정확하게 측정해야 합니다.

진행 중인 모니터링 및 제어

공정 중 모니터링은 많은 작업에 사용되지만 아마도 용접 응용 분야에 가장 중요할 것입니다. 이는 용접 품질이 레이저 작동 매개변수에 매우 민감하기 때문입니다. 또한 용접의 틈이나 약한 부분은 일반적으로 부품의 전체 실패를 나타내므로 실수할 여지가 거의 없습니다.

용접 중에는 여러 가지 사항을 측정해야 합니다. 여기에는 출력 전력과 같은 레이저 작동 매개변수는 물론 용접 간격과 적절한 초점에 따른 빔 위치도 포함됩니다. 금속 용접에서는 침투 깊이, 스패터, 보이드 등 다양한 용접 매개변수도 감지할 수 있습니다. 특히 폴리머 용접의 경우 일반적으로 용접 이음새 전체의 온도와 상단 부분의 붕괴 높이를 측정합니다.

이러한 모든 측정을 수행하기 위해 다양한 계측 장치가 개발되었습니다. 고속 카메라와 광학 컴퓨터 단층촬영(OCT) 측정은 아마도 가장 널리 사용되는 기술일 것입니다. 후면 반사 레이저 광과 용접 공정 자체에서 방출되는 광의 측정도 매우 유용한 프로브입니다. 또한 음향 모니터링은 재료 내 용접 공정 상태를 감지하는 민감한 방법이 될 수 있습니다. 고온계 기반 레이저 전력 제어 및 열 화상도 자주 사용됩니다.

후처리 제어

일반적으로 사후 프로세스 제어 작업에는 두 가지 주요 목표가 있습니다. 첫 번째는 프로세스가 올바르게 수행되었는지, 부품이 사양 내에 있는지 확인하는 것입니다. 두 번째는 ISO 및 기타 표준에 따라 결과를 기록하는 것입니다. 여기에는 레이저 및 기타 시스템 매개변수 기록은 물론 완성된 부품의 측정도 포함될 수 있습니다.

금속 용접의 경우 특히 균열 형성을 감지하기 위해 냉각 단계에서 처리 중에 사용된 것과 동일한 기술을 사용할 수 있습니다. 다시 말하지만, 여기에는 다른 수단 중에서도 열화상 측정 및 음향 감지가 포함될 수 있습니다. 비전은 전반적인 용접 형상과 정렬을 평가하는 데 사용될 수 있습니다. 인공 지능(AI)과 기타 머신 러닝은 부품 품질은 물론 화장품까지 평가하기 위해 비전 시스템과 함께 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이를 통해 프로세스를 더욱 완전하게 자동화할 수 있으며 작업자 의존성과 주관성을 줄일 수 있습니다.  

주기적인 시스템 제어

주기적인 시스템 제어는 시스템이 활성화된 시간 사이에 수행되는 작업을 의미합니다. 이것의 목적은 특정 작업과 관계없이 시스템 상태를 측정하고 필요한 조정을 수행하는 것입니다. 이는 또한 전체 장비 효율성(OEE)과 관련된 데이터를 수집할 수 있는 지점이기도 합니다.

레이저 시스템의 경우 여러 빔 관련 매개변수를 주기적으로 평가해야 합니다. 여기에는 전력, 빔 품질(M² 및 핫스팟 식별 또는 소규모 강도 변화 식별), 빔 정렬 및 초점 위치가 포함됩니다. 이 지점에서는 빔 경로 내 모든 광학 장치의 광학 정렬 및 오염도 식별할 수 있습니다. 이러한 유형의 측정은 시스템의 올바른 작동과 시스템 간 변형을 최소화하는 데 중요합니다(따라서 생산 일관성을 향상).

통합 소프트웨어로 프로세스 제어가 단순화됨

과거에는 사용자가 레이저 시스템에 타사 프로세스 제어 장비를 추가하는 경우가 많았습니다. 이로 인해 이러한 액세서리의 광학, 기계, 전자 및 소프트웨어 통합이 복잡해졌습니다. 그리고 시스템이 제대로 작동하지 않을 때 공급업체들 사이에서 “손가락질”을 하는 일이 자주 발생했습니다. 그러나 이제 레이저 시스템 제공업체가 이 모든 기능을 통합하여 단일 턴키 시스템으로 공급하는 것이 점점 일반화되고 있습니다.

예를 들어, 바카라 카지노는 많은 레이저 용접, 절단 및 마킹 기계에 설명된 모든 기능에 대한 프로세스 제어 장비를 제공합니다. 바카라 카지노 Laser FrameWork는 이러한 모든 도구의 사용을 통합하고 단순화하는 통합 소프트웨어 플랫폼과 기계 인터페이스를 제공합니다. 비전을 이용한 공정 전 검사, 용접 공정 중 모니터링, 공정 후 빔 진단 등 다양한 공정 제어 작업을 작업 설정 중 레이저 매개변수 및 부품 처리 작업과 함께 지정할 수 있습니다. 그래픽은 Laser FrameWork의 간단한 드래그 앤 드롭 기능을 사용하여 이러한 요소가 프로세스 레시피에 추가되는 방법을 보여줍니다.

다음 그래픽은 이 기능이 특정 작업(이 경우 금속 용접 프로세스)에 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다. 먼저 PartVision(카메라 기반 액세서리)은 부품 바코드를 판독하여 올바른 부품이 제시되었는지 확인하고 적절한 프로세스 레시피를 기계에 로드합니다. 다음으로 비전 시스템은 용접이 일어날 부품의 특징을 식별합니다. 

용접 공정 자체는 SmartSense+를 사용하여 모니터링됩니다. 이 시스템에는 광학 감지기와 음향 센서가 통합되어 있습니다. 이는 역반사된 레이저 광과 공정 자체에서 방출되는 빛을 포착합니다. 용접 공정 상태를 지속적으로 평가하고 문제나 결함이 있는 경우 즉시 식별합니다.

PartVision은 부품 검사를 위해 사후 처리에 사용됩니다. 그런 다음 모든 프로세스 매개변수 및 기타 관련 정보가 시스템에 저장됩니다.

마지막으로 작업 사이에 BeamInspect를 사용하여 레이저 빔의 상태를 평가합니다. BeamInspect는 공정 결과에 영향을 미치는 모든 빔 매개변수에 대해 정밀하고 자동화된 측정 및 계산을 수행하는 통합 레이저 빔 진단 도구입니다.