Siemens의 디지털 공장에서 주목받고 있는 Laser Framework

생산한 제품에 고유한 식별 마크를 표시해야 하는 필요성이 제조업계에서 증대되고 있습니다. 그중 일부는 정부가 지정한 규정 준수 요구 사항을 충족하는 것입니다. 또한 상세한 제품 추적성에 대한 산업 제품 사용자 및 소비자의 요구도 증가하고 있습니다. 

한편, 정부와 산업계는 제조업체가 탄소 배출량을 줄이고 보다 친환경적인 방법을 사용하여 제품을 생산하기를 바라고 있습니다. 그러나 보다 친환경적인 생산 방법과 더불어 더 나은 추적성 및 문서화에 대한 이와 같은 요구 사항은 때때로 충돌할 수 있습니다. 이는 종종 대량의 종이 문서 발생을 야기하는 규정 준수 기준을 충족해야 하는 경우에 특히 그렇습니다.

제조업 리더인 Siemens는 제품 문서화에 대한 완전한 디지털 접근 방식인 "ID Link" 이니셔티브를 통해 이러한 요구 사항을 모두 충족하는 효과적인 방법을 개발했습니다. 그리고 고정밀 레이저 마크를 제작하고 디지털 공장에 원활하게 통합되는 Coherent의 정밀 레이저 마킹 시스템은 ID Link 프로그램을 생산에 도입하는 데 기여한 핵심 구현 기술입니다. 

마킹 관련 과제

대량 생산 환경에서 ID Link 마크를 제작하는 작업은 중대한 기술적 과제를 제시합니다. 이러한 과제 중 일부는 마크 자체와 관련이 있습니다. 구체적으로 말하면, ID Link QR 코드는 상당한 양의 데이터를 포함하고 있습니다. 제품 자체가 물리적으로 작은 경우 이러한 마크는 판독하기 쉽도록 매우 높은 해상도로 제작되어야 합니다. 

게다가, 마킹 작업 중에는 일반적으로 ID Link 외에도 여러 가지를 써야 합니다. 이 과정에서 대개 수많은 기타 마크 및 기호가 쓰입니다. 그림 1은 Siemens Factory Automation 그룹에서 생산되는 대표적인 제품을 보여줍니다. 실제로는 양면에 마크가 표시됩니다. 

이와 같은 특별한 장치에 필요한 일련의 마크를 제작하는 데에는 다른 몇 가지 문제가 있습니다. 그중 하나는 장치 표면의 일부가 안으로 들어가 있다는 점입니다. 즉, 표면의 나머지 부분보다 높이가 낮습니다. 따라서 마킹 시스템은 전체 표면에 걸쳐 고해상도 마크를 제공하기 위해 다시 초점을 맞출 수 있어야 합니다. 

또한 여러 마크가 LED 표시등 옆에 배치됩니다. 따라서 마크의 절대 위치가 중요합니다. 그렇기 때문에 적절한 LED 옆에 각 숫자가 있어야 합니다. 그리고 Siemens의 경우는 뛰어난 유닛 간 일관성을 필요로 합니다. 즉, 항상 모든 유닛의 LED에서 동일한 거리에 마크가 있어야 합니다.

대부분의 Siemens 산업 자동화 제품은 대량으로 제조되기 때문에 이러한 마크를 제작하는 데 어려움이 가중됩니다. 따라서 주어진 공정(예: 이러한 모든 식별자 마킹)의 소요 시간은 짧아야 합니다. 그야말로 몇 초만 걸려야 합니다. 

생산에서 ID Link를 구현하는 데 있어서의 또 다른 문제는 소프트웨어와 관련된 것입니다. 특히 마킹 시스템은 다른 공장 자동화 및 제조 실행 시스템(MES)과 상호 작용하여 부품을 올바르게 식별하는 데 필요한 정보를 수신한 후 마크 자체에 대한 구체적인 정보(일련 번호 등)를 얻어야 합니다. 마킹 후, 레이저 시스템은 완성된 부품에 대한 데이터를 생산 제어 소프트웨어로 다시 전송해야 합니다. 

마킹 시스템 개발

"우리는 이러한 애플리케이션에 비레이저 마킹 기술 사용을 고려한 적이 없었습니다."라며 Siemens의 ID Link 프로젝트 관리자인 Tobias Mittnacht는 다음과 같이 설명합니다. "우리는 고부가가치 제품을 대량으로 생산하고 있으며 외관적으로 세련되고 당사 부품의 품질 및 지각된 가치에 부응하는 판독하기 쉬운 마크가 필요합니다. 또한 마크는 지워지지 않아야 합니다. 이러한 부분은 사용자에 의해 매우 많이 접촉되므로 마크가 벗겨지거나 얼룩지는 일이 없어야 합니다."

"아울러, 이러한 마크를 신속하게 제작할 수 있어야 하며 다양한 부품 변동이 생산 라인으로 넘어올 때 마크 패턴을 빠르게 변경할 수 있어야 합니다. 최종적으로, 마킹을 당사의 디지털 공장에 완전히 통합하려면 마킹 시스템이 PLM 시스템에서 들어오는 데이터를 기반으로 각각의 고유한 마크를 자동으로 생성할 수 있도록 해야 합니다. 레이저 마킹은 이러한 모든 요구 사항을 충족하는 유일한 기술입니다."라고 Herbert Biller가 덧붙입니다.

이 경우 실제 마크를 제작하려면 어두운 열가소성 수지의 얇은 층을 제거하여 그 밑에 있는 밝은 색상의 플라스틱을 드러나 보이게 해야 합니다. 적외선에서 작동하는 Nd:YAG 레이저는 이 작업에 이상적인 소스입니다. IR에 잘 흡수되지 않는 특정 폴리머에는 경우에 따라 UV Nd:YAG 레이저가 대신 사용됩니다. 

이 애플리케이션을 위해 Coherent가 제시한 하드웨어 솔루션은 PowerLine E25 레이저 마킹 엔진이었습니다. 이 엔진은 Nd:YAG 레이저를 xy 검류계 스캐너 및 F-Theta 스캔 렌즈뿐만 아니라 필요한 모든 제어 전자 장치와 통합합니다. 실제 생산 시스템은 두 개의 레이저를 사용하여 장치의 양면에 동시에 독립적으로 마킹합니다. 고속 초점 모듈은 두 가지 다른 높이를 가진 표면을 마킹하는 스캐너에 사용됩니다. 이를 통해 스캐너는 표면 높이에 상관없이 초점을 다시 맞추고 가능한 한 가장 선명한 마크를 제작할 수 있습니다.

요구되는 마크 배치 정확도를 달성하는 핵심 요소는 통합 TTL(Through The Lens) 비전 시스템인 PartVision입니다. 이 시스템은 마킹 전에 부품을 검사 및 검증하고 재료 취급과 부품 이동 공차로 인해 발생하는 위치 변동을 조정하는 방법을 스캐너에 지시합니다.

PartVision은 비전 시스템의 보기와 레이저 스캐너의 보기 간의 불일치를 방지할 수 있기 때문에 필요합니다. 이 비전 시스템은 마킹 후 검사에도 사용됩니다.

디지털 공장과의 통합

"Coherent는 당사가 요구하는 수직적 통합 수준을 제공하는 유일한 레이저 회사였기 때문에 협력 관계를 맺기로 결정했습니다. 이 협력 관계는 특히 공정 레시피를 개선하기 위한 레이저 하드웨어 및 애플리케이션 지원을 제공하는 데 있습니다. 그리고 여기에는 마커를 당사의 디지털 공장에 원활하게 통합하는 데 필요한 모든 소프트웨어 계층을 개발하기 위한 역량과 열정을 갖추는 것이 포함됩니다."라며 신규 기계 및 신제품 도입 책임자인 Bernhard Mayer는 다음과 같이 말합니다. 

“Coherent가 이러한 소프트웨어 통합을 그렇게 빨리 달성할 수 있었던 이유는 Laser FrameWork 덕분이라고 생각합니다. 이 제품은 새로운 공정 레시피를 신속하게 정의하기 위한 사용자 인터페이스 및 환경을 뛰어넘는 그 이상의 기능을 제공합니다. 디지털 공장의 기타 요소와의 연결을 가능하게 해주는 진정한 프레임워크입니다."

"Laser FrameWork가 제공하는 또 다른 기능은 비전 시스템의 원활한 통합입니다. 마크 배치 정확도는 상당히 중요하며 당사의 애플리케이션에서 초고속으로 작동해야 합니다. 우리의 경험상, 타사 벤더의 비전 시스템을 레이저 마커에 추가하는 경우 이를 달성하기란 매우 어렵습니다. 당사가 요구하는 온디맨드 정확도 수준을 제공하려면 임베디드 비전 시스템이 필요합니다."

Tobias Mittnacht는 다음과 같이 강조합니다. "Laser FrameWork의 장점 중 하나인 유연성과 우리의 특정 요구 사항을 지원하려는 Coherent의 열정은 ID Link를 위한 주변 프레임 구현으로 발현되었습니다. 이러한 프레임은 QR 코드 크기에 따라 동적으로 조정할 수 있어야 합니다. Coherent는 자사의 소프트웨어 내에서 이 기능을 제공한 최초의 레이저 제조업체였습니다." 

Herbert Biller는 다음과 같이 덧붙입니다. "끝으로, Laser FrameWork는 이전 버전과 호환되는 장점도 가지고 있습니다. 당사는 Coherent 마킹 시스템의 대규모 설치 기반을 갖추고 있습니다. 그리고 이러한 설치 기반을 Laser FrameWork를 갖춘 현재 표준으로 업그레이드할 수 있습니다. 이는 막대한 자본 비용을 절감할 수 있게 해줍니다." 

디지털 제조는 기업이 변화하는 요구에 보다 신속하게 대응하고, 생산 효율성을 높이고, 노동량을 줄이고, 품질을 개선할 수 있기 때문에 점점 더 인기를 얻고 있습니다. Coherent Laser FrameWork를 이용하면 Coherent 레이저 기계를 디지털 환경에서 성공적으로 작동시킬 수 있습니다. 그리고 Laser FrameWork를 기반으로 한 애플리케이션 개발 시 Coherent의 지원을 통해 이러한 솔루션을 신속하게 제작에 투입할 수 있습니다. 

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