플라스틱 레이저 용접 솔루션

폴리머 레이저 용접 및 접합을 위한 토탈 솔루션

열가소성 플라스틱을 접합하는 레이저 용접은 표면 가열과 투과 가열이라는 두 가지 방식으로 이루어질 수 있습니다. 투과 가열은 "투과형 레이저 용접"(TTLW) 또는 "투과형 적외선 용접"(TTIr)이라고도 불립니다. 레이저 용접은 기밀성이 높은 완전 밀폐 용접을 구현하는 데 가장 우수한 공정 중 하나입니다. 표면 가열은 레이저 빔을 확장하고 거울을 이용해 두 부품의 표면을 동시에 가열함으로써 이루어질 수 있습니다. 또한 스캐닝 미러와 함께 레이저 라인 빔이나 레이저 스팟을 사용하여 부품 표면을 빠르게 스캔하며 가열하는 방법도 가능합니다.

투과형 레이저 가열의 경우, 한쪽 부품은 레이저에 대해 투명하고 다른 한쪽 부품에는 카본 블랙과 같은 첨가제가 포함되어 레이저 방사선을 흡수하여 열로 전환합니다. 흡수율이 높은 소재는 용접 계면에서 대부분의 에너지를 흡수하여 용접에 이상적인 얇고 뜨거운 표면층을 형성하므로 투과형 레이저 용접의 하부 부품에 적합합니다. 광학적으로 투명한 일부 플라스틱 및 필름은 1500nm에서 약 2000nm(2마이크론) 범위의 더 긴 파장을 사용하여 벌크 가열 방식으로 용접할 수 있습니다.

레이저 용접용 카본 블랙 선택에 대해 자세히 알아보기

카본 블랙 선택

성공적인 투과형 레이저 용접 및 접합을 위하여

레이저 용접은 비접촉 가열 방식으로 사이클 타임이 짧고 비용이 낮아 열가소성 플라스틱 접합에 폭넓게 활용되고 있습니다. 표면 가열과 투과 가열 모두에서 카본 블랙이 가장 널리 사용되는 착색제입니다. 입자 응집도가 낮고 분산성이 우수한 카본 블랙 유형이 레이저 가열에 가장 효과적인 것으로 나타났습니다.

레이저 라인 빔 스캐닝 실험 결과, 레이저 헤드를 약간 기울이면 전진 방향과 후진 방향에서 서로 다른 가열 효과가 나타나는 것으로 확인되었습니다. 이종 폴리머 접합의 경우, 표면 텍스처링을 적용하면 접착 접합 면적과 기계적 결합량이 증가하여 더 우수한 접합부를 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.

플라스틱 레이저 용접 서비스 – SABREEN 솔루션

SABREEN의 전문 지식은 플라스틱 레이저 용접의 우수한 품질을 보장합니다. 레이저 첨가제, 폴리머 및 착색제, 레이저 광원, 시스템 설계·제작·통합, 규제 준수, 사출 성형 공정 분야에서 40년 이상의 경험을 보유하고 있습니다.

• 맞춤형 레이저 컬러 매치 배합 및 컴파운드, 규제 준수, 프로토타입 샘플(마스터배치), 사전 컴파운딩 소재(프리컬러), 레이저 라미네이트.
• 폴리머-착색제 매트릭스에 특화된 레이저 광원, 도파관 특성, 광학계 및 빔 전달 방식의 최적화. 근적외선 파장 1060~1080nm 이터븀 파이버, 바나데이트, 주파수 2배 532nm 그린 또는 UV 355nm.
• 레이저 장비 시스템 설계, 턴키 시스템 통합 및 교육, 머신 비전, 맞춤형 HMI, 공정 문서화.
• 현장 문제 해결(전 세계 어디서나 가능), 레이저 공정 분석 및 시스템 최적화, 맞춤형 벡터 아트워크 제작.
• 레이저 안전 인증, 설계 및 CDRH Class 1 인클로저를 포함한 완전한 애플리케이션 구축, 내부 감사를 위한 레이저 안전 책임자(LSO) 지원.
• 플라스틱 사출 성형 및 분석 평가, 몰드 플로우, 첨가제-착색제 분산 및 분포.

토탈 솔루션

폴리머-착색제 재료 과학, 사출 성형, 레이저 기술, 시스템 통합 및 교육을 아우릅니다. 폭넓은 레이저 기술 스펙트럼을 포괄할 수 있도록 독자적인 배합을 설계합니다. 또한 당사가 보유한 다양한 레이저 광원을 통해 고객사에서 자주 요구하는 금속 마킹/각인도 지원할 수 있습니다.

레이저 첨가제

혁신적인 첨가제는 짙은 흑색, 밝은 색상 및 맞춤형 컬러 대비를 구현합니다. 첨가제는 성형 공정 중 컬러 컨센트레이트 마스터배치 또는 사전 컴파운딩 소재의 형태로 폴리머에 배합됩니다. 소량 투입 시에는 폴리머 물성에 영향을 미치지 않습니다. FDA/EFSA 승인 제품도 제공됩니다.

새로운 혁신 기술

새로운 단일 배합 첨가제는 짙은 흑색과 불투명한 백색의 레이저 마킹 대비를 동시에 구현합니다. 블로우 성형 용기 및 사출 성형 제품에서 라벨과 잉크 인쇄를 대체하는 데 이상적인 기술입니다.

자동차 실내용 레버

수상 경력의 직원용 스마트 배지, RFID.

캡리스 자동차 연료 주입구

침습적 수술 시술에 적합한 FDA 규정 준수 의료용 튜빙. 온더플라이 레이저 마킹이 잉크 인쇄를 대체합니다.

짙은 흑색 레이저 마킹 대비. 새로운 첨가제는 FDA 규정을 준수하며, 중금속 산화안티몬주석/삼산화안티몬을 함유하지 않아 동물용으로 이상적입니다.

라이너리스 음료 마개의 온더플라이 레이저 마킹. FDA 규정 준수 첨가제. 분당 2,000개의 마킹 속도. HDPE, PE, 폴리프로필렌 등에 적용 가능합니다.

폴리올레핀 의료용 주사기, FDA 승인 레이저 첨가제로 패드 인쇄를 대체합니다

주간/야간 겸용 레이저 마킹, 수성 코팅

레이저 마킹 표면 반응

제품 보안을 위해 사진/신분증 카드에 적용되는 특수 레이저 첨가제

레이저 첨가제 혁신

SABREEN의 발명

레이저 마킹 용어

플라스틱의 "레이저 마킹"은 소재 침투를 최소화하면서 대상 기재 표면에 영구적인 정보를 새기는 비접촉 디지털 공정입니다. 표시되는 정보는 일반적으로 영숫자 텍스트, 기호, 그래픽, 로고, 도식, 바코드, 머신 비전 코드 등의 형태를 취합니다. 1060~1080nm(근적외선)에서 작동하는 빔 스티어링 이터븀 파이버 레이저(및 그 이전 세대인 아크램프·다이오드 펌핑 Nd:YAG 레이저)는 해당 발진 파장과 출력 성능(피크 및 평균 파워)에 특화된 이상적인 도파관 특성을 갖추고 있습니다. 플라잉 옵틱스는 부품 마킹의 또 다른 방식입니다. 특정 폴리머 소재의 선택된 색상은 532nm(주파수 2배) 또는 UV 355nm와 같은 더 짧은 파장을 사용해서도 마킹할 수 있습니다.

1060~1080nm 파장을 사용하는 빔 스티어링 레이저 마킹의 기본 메커니즘은 고에너지 방사선원으로 폴리머를 조사하는 것입니다. 방사 에너지는 소재에 국부적으로 흡수되어 열에너지로 전환되며, 이 열에너지가 소재 기재 내에서 반응을 유발합니다. 근적외선 파장 영역에서는 탄화, 애블레이션, 화학적 변화 등 여러 유형의 반응이 일어날 수 있습니다. 원하는 마킹 대비 결과에 따라 매우 다양한 화학적 조성과 레이저 시스템 파라미터를 선택하여 원하는 유형의 반응을 얻을 수 있습니다.

탄화 반응은 흡수된 에너지가 흡수 지점 주변 소재의 국부 온도를 충분히 높은 수준까지 상승시켜 폴리머의 열분해를 유발할 때 발생합니다. 산소가 존재하는 환경에서는 폴리머가 연소하지만, 가공물 내부에서는 산소 공급이 제한되어 폴리머가 탄화되면서 검은색 마크가 형성됩니다. 마크의 진하기는 흡수된 에너지 및 소재의 열분해 경로에 따라 달라집니다.

예시 – ABS 컴퓨터 키캡

플라스틱의 레이저 에칭("애블레이션"이라고도 함)은 레이저 빔이 기화 또는 용융을 통해 기재 표면의 소재를 최소한의 침투로 제거하는 비접촉 디지털 공정입니다. 레이저 에칭의 깊이는 일반적으로 0.001인치를 넘지 않습니다.

예시 – 주간/야간 겸용 자동차 버튼

주간/야간 공정의 목적은 소재 층을 제거하여 특정 색상 층을 노출시키는 것입니다. 이 예시는 하나 이상의 검은색 코팅층으로 덧입혀진 백색 베이스 코팅을 보여줍니다. 베이스 폴리머는 일반적으로 투명 폴리카보네이트 또는 ABS로, 두 소재 모두 LED 광원의 (후면) 빛을 투과시킬 수 있는 비정질 폴리머입니다. 기재에 더 깊이 새겨진 마크는 단순한 표면 에칭이 아니라 소재 내부로의 "각인"으로 간주됩니다.

백라이트 "주간/야간" 자동차 버튼의 도장 및 레이저 애블레이션

레이저 각인은 레이저 에칭 및 레이저 마킹보다 더 깊게 가공하는 공정입니다. 10.6㎛ 파장에서 작동하는 CW CO2 레이저가 폴리머의 직접적인 무착색 각인에 일반적으로 사용됩니다. 또 다른 각인 응용 분야로는 명찰, 라벨, 표지판 등에 사용되는 선택적 색상층(코어 컬러 및 표면 컬러)의 다층 각인이 있습니다.

파워 밀도는 집속된 레이저 스팟 크기(단위 면적당 레이저 파워, W/cm²)의 함수이며, 이는 레이저의 원시 출력 파워와는 다른 개념입니다. 주어진 초점 거리 렌즈와 레이저 파장에서의 집속 스팟 크기는 레이저 빔 발산도의 함수이며, 이는 레이저 구성, 모드 선택 조리개 크기, 업콜리메이터(빔 익스팬더) 배율에 의해 제어됩니다.

(음향광학 Q-스위치를 통한) 펄스 반복률과 피크 파워 밀도는 마크를 형성하고 최적의 대비 및 속도를 구현하는 데 있어 핵심적인 파라미터입니다. 낮은 주파수에서의 높은 피크 파워는 표면 온도를 빠르게 상승시켜 소재를 기화시키면서도 기재로 전달되는 열을 최소화합니다. 펄스 반복률이 증가할수록 피크 파워는 낮아져 기화는 최소화되지만 열은 더 많이 발생합니다. 빔 속도(작업 표면을 가로지르는 레이저 빔의 이동 속도) 또한 중요한 요소입니다.

레이저 첨가제는 대비 정도를 향상시키며, 레이저 설정 파라미터를 조정하여 이를 더욱 강화할 수 있습니다. 폴리머는 본래 "어두운 색" 또는 "밝은 색" 마킹 대비를 만들어내는 고유한 특성을 지니고 있습니다. 소량의 이산화티타늄(TiO2)과 카본 블랙을 함유한 일부 착색제 컴파운드 역시 레이저광을 흡수하여 경우에 따라 마킹 대비를 향상시킬 수 있습니다. 동일한 폴리머 계열 내에서도 등급별로 서로 다른 결과가 나타날 수 있습니다. 첨가제 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관이나 물리적·기능적 특성에 부정적인 영향을 미치지 않아야 합니다.

잉크 인쇄 공정(패드/스크린 인쇄 및 잉크젯)과 비교했을 때, 레이저 첨가제는 비용을 절감하며 최적화되지 않은 소재 배합 대비 15% 이상 빠른 마킹 속도를 구현합니다. 레이저 첨가제는 펠릿형 그래뉼과 분말 형태로 공급됩니다. 그래뉼 제품은 폴리머 수지에 직접 배합할 수 있으며, 분말 형태는 마스터배치로 전환되어 대부분 폴리머 내에 손쉽게 분산됩니다. 첨가제와 폴리머의 종류에 따라 최종 부품 내 중량 기준 첨가 농도는 0.01%에서 4.0%까지 다양합니다.

그래뉼 및 분말 형태 모두 사전 컴파운딩 컬러 소재 또는 컬러 컨센트레이트에 배합할 수 있습니다. 어떤 첨가제를 사용할지는 폴리머 조성, 기재 색상, 원하는 마킹 대비 색상, 최종 용도 인증 요건에 따라 결정됩니다. 일부 첨가제는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬의 혼합물을 함유하고 있어 자연 상태(무착색)의 기재 불투명도에 "회색빛" 색조를 부여할 수 있습니다. 그 밖의 첨가제는 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물, 자체 개발 화합물을 함유할 수 있습니다. 최종 컬러 매치 외관을 구현하기 위해 안료와 염료를 사용하여 색상을 조정합니다.

상업적으로 공급되는 특정 첨가제(레이저 용접에도 사용됨)는 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제) 조건 A-H에 따라 식품 접촉 및 식품 포장 용도로 FDA 승인을 획득했습니다. 유럽연합의 경우에도 이에 상응하는 규정 준수 성명이 마련되어 있습니다. 인증 조건은 폴리머 종류, 첨가 농도 한계치, 직접 또는 간접 접촉 여부에 따라 달라집니다. FDA 승인 첨가제를 배합한 "최종 부품"에 대한 추가 검증을 거치면 의료 기기의 생체 적합성을 확보할 수 있습니다(국제 표준 ISO-10993 참조).

더 빠른 마킹 속도 구현

부품을 마킹하는 데 소요되는 시간은 폴리머 기재의 종류, 그려지는 벡터 라인의 수, 레이저 빔/갈바노미터 스캔 헤드가 모든 라인을 그리는 속도에 따라 달라집니다. 레이저 소프트웨어와 단방향, 양방향, 서펜타인 등 벡터 채우기 방식 또한 마킹 시간에 영향을 미칠 수 있습니다.

새로운 독립 연구 결과에 따르면, 일반적으로 0.01%에서 2.0% 수준의 매우 낮은 농도로 레이저 첨가제 배합을 적용해도 통계적으로 유의미하게 더 빠른 마킹 속도를 구현할 수 있는 것으로 나타났습니다.

오른쪽 그림은 두 가지 고밀도 폴리에틸렌에 대한 열중량 분석(TGA) 결과를 나타냅니다. 두 폴리머는 레이저 마크를 형성하는 과정인 열분해 온도가 서로 다르게 나타납니다. 열분해 온도가 더 높은 폴리머는 동일한 마크 외관을 얻기 위해 더 많은 레이저 에너지, 더 낮은 마킹 속도, 또는 더 많은 흡수성 첨가제가 필요합니다.

상온에서 1000°C까지의 두 HDPE 샘플에 대한 열중량 분석(TGA) 결과로, 열분해 온도의 차이를 보여줍니다. HDPE B는 HDPE A보다 더 쉽고 빠르게 마킹됩니다.

1차 성형 공정

최적의 대비, 채도 색상, 레이저 설정 파라미터를 확립하는 "레이저 최적화" 재료 과학 단계를 완료한 후에는, 실제 생산용 금형을 사용하여 적정 희석비로 성형 시험을 진행하는 것이 다음 단계입니다. 이 단계는 레이저 최적화된 컬러 매트릭스의 균일한 분산 및 분포를 보장하는 데 매우 중요합니다. 성형 후에는 실제 제품 부품에 레이저 마킹을 실시하여 처음 얻은 결과를 확인합니다.

한 가지 기법은 빔 스티어링 레이저를 프로그래밍하여 제품 표면 전체를 연속적으로 마킹(스캔)하는 것입니다. 왼쪽 그림은 (왼쪽에서 오른쪽 순서로) 검은색 바탕에 금색 채도 레이저 마킹을 보여주는 사출 성형 필기구(왼쪽), 채도 분포가 불균일한 중간 두 사진, 균일한 분포가 우수하게 나타난 맨 오른쪽 사진을 보여줍니다.

공정상 고려 사항

레이저 첨가제 투입/컬러 매치 화학 공정에서, 완성 제품에 계산된 양보다 적은 레이저 첨가제가 함유되는 경우가 드물지 않게 발생합니다. 이 문제는 거의 대부분 압출 또는 성형 과정에서의 불균일한 분포와 관련이 있습니다. 배압 및 스크류 회전 속도를 높이는 등 성형기의 간단한 조정으로 대부분의 문제를 해결할 수 있습니다. 각 부품 전체에 걸쳐 레이저 첨가제가 균질하게 분포/분산되는 것은 최적의 마킹 성능을 얻는 데 매우 중요합니다. 압출, 사출 성형, 열성형 공정에서는 컬러 컨센트레이트보다 프리컬러 컴파운딩 소재를 사용할 때 더 우수한 균일성을 얻을 수 있습니다. 수작업 혼합은 피해야 합니다. 몰드 플로우와 게이트 유형/위치 또한 중요한 요소입니다.

모든 레이저가 동일한 성능을 갖는 것은 아닙니다! 레이저 제조사가 시스템에 탑재하는 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소에 따라 마킹 품질, 속도, 활용성에 상당한 차이가 발생합니다. 레이저 시스템을 도입할 때는 모든 상황에 적용되는 단일한 만능 솔루션은 존재하지 않는다는 점을 기억해야 합니다. 각 애플리케이션은 플라스틱 기재의 조성 및 색상, 마킹 품질, 속도, 레이저 효율, 대비(밝은 바탕에 어두운 마킹, 어두운 바탕에 밝은 마킹, 또는 컬러 마킹), 총 시스템 비용 측면에서 저마다 고유한 특성을 갖습니다.

빔 품질 출력 모드는 레이저 빔 내부의 에너지 분포를 의미하며, 마킹 성능에 매우 중요한 요소입니다. 레이저 제조사는 멀티모드(MM), TEM00(횡전자기 모드), 또는 저차 모드(LOM)를 포함한 그 사이의 다양한 모드로 레이저를 공급할 수 있습니다. 이러한 출력 모드는 빔 발산도 및 레이저 빔 직경 전체에 걸친 파워 분포와 관련이 있습니다. TEM00 레이저 빔은 집속 광학계가 허용하는 범위 내에서 가장 작은 크기의 스팟으로 집속될 수 있으며, TEM00 레이저 빔의 에너지 분포는 중심부에서 가장 강하고 중심에서 가장자리로 갈수록 균일하게 감소합니다. TEM00 레이저 출력은 가장 우수한 빔 품질을 제공하며, 멀티모드(MM) 레이저 출력은 가장 낮은 빔 품질을 나타냅니다.

아래 그림을 참고하십시오. 저차 모드 및 TEM00 모드 레이저는 매우 높은 파워 밀도를 가진 작고 정밀하게 집속된 스팟을 구현할 수 있어, 경계가 뚜렷하고 폭이 매우 좁은 선을 빠르게 그릴 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 단일 획 영숫자, 채워진 트루타입 폰트, 복잡한 그래픽의 고속 벡터 마킹에 특히 적합합니다. 대부분의 플라스틱 애플리케이션에서는 니어 TEM00 또는 TEM00 레이저 빔을 사용할 때 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

파워 밀도는 집속된 레이저 스팟 크기(단위 면적당 레이저 파워, W/cm²)의 함수이며, 이는 레이저의 원시 출력 파워와는 다른 개념입니다. 주어진 초점 거리 렌즈와 레이저 파장에서의 집속 스팟 크기는 레이저 빔 발산도의 함수이며, 이는 레이저 구성, 모드 선택 조리개 크기, 업콜리메이터(빔 익스팬더) 배율에 의해 제어됩니다. (음향광학 Q-스위치를 통한) 펄스 반복률과 피크 파워 밀도는 마크를 형성하고 최적의 대비 및 속도를 구현하는 데 있어 핵심적인 파라미터입니다.

낮은 주파수에서의 높은 피크 파워는 표면 온도를 빠르게 상승시켜 소재를 기화시키면서도 기재로 전달되는 열을 최소화합니다. 펄스 반복률이 증가할수록 피크 파워는 낮아져 기화는 최소화되지만 열은 더 많이 발생합니다. 빔 속도(작업 표면을 가로지르는 레이저 빔의 이동 속도) 또한 중요한 요소입니다.

레이저 제어 소프트웨어는 마킹 시스템의 어떤 하드웨어 구성 요소 못지않게 중요합니다. 고도화된 소프트웨어 알고리즘은 전례 없는 속도를 구현합니다. 빔 스티어링 레이저 마커는 종종 (데스크톱) 프린터로 잘못 이해되곤 하지만, 실제로는 플로터에 가깝습니다. 개별 픽셀을 배치하여 영숫자나 그래픽을 만드는 대신, 레이저는 마치 연필과 종이로 글씨를 쓰듯이 선을 그립니다. 레이저 마킹 오브젝트를 만드는 데 원래 사용된 입력 파일 형식이 무엇이든, 모든 마킹은 결국 스캔 헤드가 그리고 레이저가 마킹하는 벡터 라인 목록이라는 가장 단순한 형태로 환원됩니다. 설계 엔지니어가 흔히 사용하는 복잡한 입력 파일 형식이 반드시 최상(또는 가장 빠른) 벡터 레이저 마킹을 보장하지는 않습니다. 레이저 마킹 장비 시스템은 안전해야 하며 ANSI Z136 규격을 준수해야 합니다.

빔 스티어링 Nd:YAG 레이저 마커(아크램프 및 다이오드 광원)는 고속 컴퓨터 제어 갈바노미터에 장착된 거울을 이용해, 마치 연필과 종이로 글씨를 쓰듯이 마킹 대상 표면 전체에 걸쳐 레이저 빔을 유도합니다.

Y축과 X축에 각각 하나씩 배치된 갈바노미터가 마킹 필드 내에서 빔의 움직임을 제어합니다. 플랫 필드 렌즈 어셈블리는 레이저광을 집속하여 기재 표면에서 높은 파워 밀도를 구현합니다. 오른쪽 그림은 컴퓨터 제어 갈바노미터를 이용한 광학 빔 전달 시스템을 보여줍니다.

파이버 레이저는 근본적으로 다른 고체 상태 마킹 레이저와 다릅니다. 파이버 레이저에서는 레이저 빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 내부에 분산되어 있습니다. 파이버 전송 레이저와 달리, 빔 경로 전체가 빔 전달 광학계에 이르기까지 광섬유 케이블 내부에 존재합니다.

레이저 기술의 발전은 최신 세대의 FDA 승인 레이저 첨가제가 빠르게 개발되는 데 크게 기여했습니다. 나노초 이터븀 파이버 레이저의 등장은 마킹, 용접, 절단 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 파이버 레이저는 근본적으로 다른 고체 상태 마킹 레이저와 다릅니다. 파이버 레이저에서는 레이저 빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 내부에 분산되어 있습니다. 파이버 전송 레이저와 달리, 빔 경로 전체가 빔 전달 광학계에 이르기까지 광섬유 케이블 내부에 존재합니다.

파이버 레이저는 Nd:YAG 레이저에 비해 우수한 빔 품질과 밝기를 제공합니다. 빔 품질을 나타내는 지표 중 하나가 M2이며, M2 값이 작을수록 빔 품질이 우수하고, M2 = 1은 이상적인 가우시안 레이저 빔을 의미합니다. 빔 품질이 우수한 레이저는 더 작은 스팟 크기로 집속할 수 있어 높은 에너지 밀도를 구현합니다. 펄스 에너지가 최대 1mJ에 이르고 파워 밀도가 높은 고정 및 가변 펄스(MOPA) 파이버 레이저는 기존에는 마킹이 까다로웠던 여러 폴리머를 마킹할 수 있습니다. 바나데이트 레이저 또한 고정 파이버 및 YAG 레이저보다 짧은 펄스 폭과 작은 M2 값을 갖습니다. 펄스 지속 시간은 소재 내부의 열 및 탄화 정도에 영향을 미치며, 더 짧은 펄스 폭은 민감한 폴리머 애플리케이션에 유리할 수 있습니다.

고성능 파이버 레이저의 선도적인 개발사이자 제조사인 IPG Photonics는 고정 펄스("Q-스위치"라고도 함)와 가변 단펄스(MOPA) 레이저를 모두 제공합니다. 애플리케이션 개발은 매우 세부적으로 진행되며, 어떤 레이저 유형을 도입할지는 최적화된 폴리머 소재와 상호작용하는 레이저의 출력 특성에 따라 결정됩니다. 아래 그래프는 IPG Photonics의 고정 및 가변(MOPA) 펄스 길이 이터븀 파이버 레이저의 시간 펄스 파형을 나타냅니다.

그림 1. 펄스 길이 100ns인 IPG 고정 펄스 길이 레이저의 시간 펄스 파형

마킹을 위해 고정 펄스 길이 파이버 레이저를 설정할 때는 두 가지 입력값을 설정해야 합니다.

1) 펄스 반복률(펄스 주파수라고도 함)

2) 퍼센트 단위의 펌프 파워(100%는 펌프 다이오드에 공급 가능한 최대 전기 입력을 의미함)

그림 2. 펄스 길이 4ns인 IPG MOPA 레이저의 시간 펄스 파형

마킹을 위해 가변 단펄스 MOPA 파이버 레이저를 설정할 때는 세 가지 입력값을 설정합니다.

1) 펄스 지속 시간(펄스 길이라고도 함)

2) 펄스 반복률(펄스 주파수)

3) 퍼센트 단위의 펌프 파워(100%는 펌프 다이오드에 공급 가능한 최대 전기 입력을 의미함)

앞 페이지의 두 그래프 모두에서, 특정 파라미터 입력값의 조합이 레이저 빔의 출력 특성, 즉 펄스 에너지, 피크 파워(펄스 에너지의 최고 순간값, J/펄스 지속 시간), 평균 파워(평균 파워[W] = 펄스 에너지[J] × 펄스 반복률[Hz])를 결정합니다.

펄스 반복률과 피크 파워 밀도는 마크를 형성하고 최적의 대비 및 속도를 구현하는 데 핵심적인 파라미터입니다. 파워와 펄스 반복률의 관계 곡선은 반비례 관계를 나타냅니다. 낮은 주파수에서의 높은 피크 파워는 표면 온도를 빠르게 상승시켜 소재를 기화시키면서도 기재로 전달되는 열을 최소화합니다. 펄스 반복률이 증가할수록 피크 파워는 낮아져 기화는 최소화되지만 열은 더 많이 전달됩니다. 마킹 대비와 품질에 영향을 미치는 추가적인 요인으로는 빔 속도와 벡터 라인 간격이 있습니다.

"온더플라이" 레이저 마킹은 와이어/케이블, 튜브, 파이프 등 성형 및 압출 제품에 적용됩니다. 폴리올레핀 합성 와인 코르크 및 라이너리스 음료 마개의 언더캡 프로모션 마킹은 영숫자 텍스트와 그래픽을 분당 2,000개 속도로 처리할 수 있습니다. 마킹 속도는 폴리머 종류, 기재 색상, 레이저 첨가제 종류 및 농도, 케이블 크기(중량), 레이저 종류 및 파워, 소프트웨어, 영숫자 문자 수, 텍스트 높이, 텍스트 문자열 길이, 문자 간 간격, 바코드/데이터 매트릭스, 로고/그래픽, 단일 획 또는 트루타입 채움 폰트, 채우기 방향, 연속 또는 반복 텍스트 여부 등 다양한 변수에 따라 달라집니다. 적절히 배합된 첨가제-착색제를 사용하면 마크 표면에서의 "파워 밀도"가 제한 요인이 되지 않으며, 오히려 빔 스티어링 갈바노미터가 최대 속도로 작동하게 됩니다.

온더플라이 생산 마킹 성능에 영향을 미치는 요인들이 복잡하기 때문에, 모든 애플리케이션은 정밀하게 검토되어야 합니다. 일반화하여 적용할 수 있는 규칙은 거의 존재하지 않습니다. 다만 일반적인 참고를 위해 다음의 나일론 폴리머 예시를 살펴보겠습니다: 50와트 파이버 레이저, 254mm 플랫 필드 렌즈, 영숫자 100자, 높이 2mm, 반복 텍스트 문자열 길이 14.68인치, 마킹 시간 0.232초. 계산된 속도는 약 분당 315리니어피트입니다.

---