레이저 마킹 혁신: 자동차, 오일&가스, 의료 분야로 확장되는 지평

레이저 마킹, 해저·표면 아래·초고속 영역으로 확장

확립된 레이저 마킹 분야가 자동차, 오일&가스, 의료 및 기타 산업에서 확장되는 비즈니스 기회와 함께 새로운 지평을 열어가고 있습니다.

피코초 및 펨토초 영역의 초고속 레이저는 특히 까다로운 의무적 의료 애플리케이션에서 핵심 주자로 부상하고 있습니다. 새로운 독자 소프트웨어 버전과 맞춤형 마킹 시스템에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 또한 비교적 젊은 시스템 공급업체와 글로벌 와이어 및 하네스 선두 기업 간의 주요 신규 파트너십은 레이저 마킹의 견고한 모멘텀을 입증합니다.

인더스트리 4.0을 향한 흐름에 맞춰 레이저 마킹 제품의 처리량을 늘리기 위한 새로운 자동화 조치들이 도입되고 있습니다.

결국 장식용 레이저 마킹은 오랫동안 사용되어 왔지만, 다양한 고가 부품에 복잡한 코드를 추적·관리 마킹하여 브랜드를 보호해야 하는 필요성이 커지면서 이 기술은 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

함께 성장하기

핀란드 기반 카호 테크놀로지스(Cajo Technologies)는 2019년 와이어 및 하네스 거대 기업 애니크터(Anixter)와의 새로운 영업 및 유통 파트너십, 해저 케이블 작업 확장으로 지난해의 모멘텀을 이어갈 전망입니다.

이 산업들은 신속한 온더플라이(on-the-fly) 마킹에 크게 의존하는데, 이는 카호의 가장 빠르게 성장하는 애플리케이션으로 남아 있다고 카호 사장 이스모 란탈라(Ismo Rantala)는 말했습니다. 2010년 설립되어 미국 본사를 뉴올리언스에 둔 카호는 세계에서 가장 빠른 레이저 마커라고 자부하며, 이는 분명히 애니크터의 주목을 끌었습니다.

"애니크터는 세계 최대 와이어 유통업체로 전 세계에 10억 달러 이상의 와이어를 보유하고 있습니다."라고 란탈라는 설명했습니다. "카호의 전문성을 내재화함으로써 애니크터는 고객에게 가치를 더해, 사전 마킹된 와이어나 카호 마킹 시스템을 와이어 공급업체로부터 직접 구매할 수 있게 합니다."

"와이어 및 하네스 업계는 온더플라이 마킹이 그들이 하는 모든 것의 미래임을 깨달았습니다."라고 란탈라는 말했습니다. 그는 마킹 애플리케이션 다운타임의 90%가 일반적으로 막힌 잉크 기계 고장 때문인 반면, 레이저는 소모품이 없고 100,000시간 작동할 수 있다고 지적했습니다.

한편, 주로 OEM에 판매하는 카호는 독자 소프트웨어 스위트를 강화해 트럼프(Trumpf)와 로핀(Rofin) 수준에 다가서고 있습니다. 회사의 최신 설계 제품은 카호캐드 3.0(CajoCAD 3.0)입니다. 실제로 카호의 현재 채용 최우선 순위는 소프트웨어 엔지니어로, 업계 최대 와이어 제조사들이 요청한 사양에 기반해 와이어 마킹 속도를 지속적으로 개선하는 것이 목표라고 란탈라는 말했습니다.

노르웨이 아커 솔루션스(Aker Solutions)가 에너지 산업을 위해 생산하는 광섬유 전력 및 유체 라인의 경우처럼, 해저 케이블은 최대 80km(49마일)까지 이어질 수 있어 카호 시스템에 대한 지속적인 혁신이 특히 중요합니다. 여러 개별 케이블이 더 큰 케이블 내에 수용될 수 있습니다.

아커를 위해 카호는 케이블 주변 120° 간격으로 마킹하는 3레이저 마킹 셀을 만들었습니다. 이렇게 하면 프로젝트명과 케이블 길이를 나타내는 마킹을 어느 각도에서나 볼 수 있습니다. 광섬유 케이블은 꼬이면 제대로 작동하지 않으므로, 상단의 단일 마킹 선으로 올바른 방향을 유지합니다. 다른 마킹은 케이블의 특정 부분이 선박, 리그 또는 본토로부터 얼마나 떨어져 있는지를 나타냅니다. "이는 트러블슈팅용입니다. 어떤 케이블에 문제가 생기면 오류 위치를 핑(ping)하여 찾아가 수리할 수 있습니다."

시스템의 레이저와 관련해 카호는 "99%의 소재를 마킹할 수 있는" 파이버 유닛을 사용한다고 란탈라는 주장했습니다. "PVC 및 기타 소재에 해저 케이블의 레이 라인(lay line)과 순차 마킹을 레이저로 할 수 있어, 이러한 제품을 만드는 기업들의 주목을 받고 있습니다."

짧고 날카롭게: 초고속 레이저

부품 크기 면에서 훨씬 더 작은 규모로, 의료계는 피코초 및 펨토초 영역의 초고속, 즉 초단 펄스 레이저를 스테인리스 스틸 의료 기기의 영구적 고유 장치 식별자(UDI) 마킹에 도입하기 시작했습니다.

나노초 레이저가 한동안 제품 마킹에 성공적으로 사용되어 왔지만, 코히어런트-로핀(Coherent-Rofin)의 비즈니스 개발 매니저 토르스텐 페르바흐(Thorsten Ferbach)는 스테인리스강에 미치는 영향이 반복적 오토클레이빙(고압 증기 멸균) 시 부식으로 이어질 수 있다고 지적했습니다. 따라서 피코초 레이저는 상당한 투자지만, 실패가 용납되지 않는 고가 의료 기기 제조에서 그 이상의 가치를 발휘합니다.

이 기술을 견인하는 것은 2018년 9월 발효된 FDA 규정으로, 다중 멸균 라운드가 필요한 의료 기기에 시간이 지나도 저하되지 않는 마킹을 의무화했습니다. 이 규정은 전 세계 의사들이 이 마킹에 인코딩된 데이터에 접근할 수 있도록 보장하기 위한 것입니다. 페르바흐는 이 코드 판독 실패가 FDA 데이터베이스에 기록되며, 특정 제품에 대한 보고가 너무 많으면 주요 조사의 일환으로 FDA가 생산을 중단시킬 수 있다고 설명했습니다.

이 수요를 충족하기 위해 코히어런트-로핀은 래피드 NX(Rapid NX) 피코초 레이저를 최적화해왔다고 페르바흐는 설명했습니다. 나노초 레이저가 소재 표면에 검은 산화물을 생성해 어두운 마킹을 만드는 반면, 피코초 마킹은 1.4301 스테인리스강 같은 소재의 서브서피스 나노구조를 변경해 빛을 가두고 흡수시켜 고대비 마킹을 생성합니다.

"이는 스텔스 전투기 보호 피부와 원리가 유사합니다."라고 페르바흐는 설명했습니다. "그 피부에 레이더 빔을 조사하면 반사가 없어 비행기가 보이지 않게 됩니다." 스테인리스강 기기에서 피코초 레이저로 처리된 영역은 빛을 흡수해 어두운 마킹으로 보입니다. 그리고 산화 마킹과 달리 시야각에 따라 외관이 변하지 않고 모든 각도에서 동일하게 보입니다.

처리량과 마킹 공정 모니터링 능력 면에서는 이 애플리케이션에서 나노초와 피코초 레이저 간 차이가 없다고 그는 언급했습니다. 하지만 고객이 프로젝트를 시작하기 전 코히어런트-로핀은 타당성 조사를 실시합니다. 이는 피코초 레이저가 작업에 적합한 파라미터로 작동하는지, 고객이 내부 수냉식 장치의 예방 유지보수 조치를 이해하는지 확인하기 위함입니다.

의료 기기 외에 다른 산업도 마킹을 위한 초단 펄스 레이저의 정밀도를 도입할 잠재력이 있습니다.

스테인리스 가전에 초점을 맞춘 현대적 주방 디자인이 이상적 후보라고 페르바흐는 지적했습니다. "스테인리스 제품은 현재 에칭이나 인쇄 방식으로 처리됩니다."라고 그는 설명했습니다. 이 업계 제조업체들은 앞서 언급한 블랙 마크가 시야각에 따라 다르게 보이는 변동성 때문에 나노초 레이저를 현재 기피하고 있습니다. "이것이 바로 우리가 시장에 초고속 레이저의 이점을 교육해야 하는 부분입니다."

가전제품 외에도 소비자 전자 OEM들도 초고속 레이저를 도입하고 있습니다.

소재 측면에서 피코초 레이저는 임플란트용 티타늄, 정형외과 기기에 흔한 양극 산화 알루미늄, PEEK 및 PPSU 플라스틱에도 마킹할 수 있습니다.

포트폴리오와 시장 확장

코네티컷주 블룸필드의 다프라 마킹 시스템즈(Dapra Marking Systems)는 약 2년 전부터 대형 OEM부터 소규모 맞춤 제조업체까지 다양한 기회를 잡기 위해 자체 레이저 시스템을 제작하기 시작했습니다. 저전력 장치부터 100W의 비교적 높은 마킹 파워까지, 다프라는 새로운 파이버 기반 그린 레이저와 피코초 라인으로 제품을 더욱 확장했습니다.

"적절한 애플리케이션이 있고 오직 피코초만 해결할 수 있을 때, 그것은 멋진 조합이기에 우리는 피코초 레이저 제공에 뛰어들었습니다."라고 레이저 영업 및 애플리케이션 디렉터 데이브 누난(Dave Noonan)은 말했습니다. "UV 마킹을 열 영향이 매우 적은 '콜드 마킹'이라고 생각하면, 피코초 레이저는 그 스테로이드 버전과 같습니다."

회사는 또한 뒷벽에 장착된 프로그래머블 슬라이드가 있는 인클로저를 제공합니다. 이 X축 슬라이드는 사용자가 레이저 헤드를 훨씬 더 긴 거리로 이동할 수 있게 합니다. 일반적인 슬라이드는 30인치(762mm) 이동을 허용한다고 누난은 설명했는데, 이는 더 많은 부품이나 소총 총신 같은 매우 긴 부품, 또는 일련의 총신 마킹을 가능하게 합니다. 이는 일반적인 약 110~170mm의 정사각형 마킹 영역과 대조됩니다.

한편, 다프라 소프트웨어 스위트의 새로운 추가 기능은 수술 도구 같은 원통형 부품의 더 빠른 로터리 인덱싱을 가능하게 합니다. "프로브에 링을 새겨 조직 내 삽입 깊이를 알 수 있게 해야 한다면, 이 링들은 매우 일관된 방식으로 새겨져야 합니다."라고 누난은 설명했습니다. "일반적인 '제3축' 링 마킹은 마킹 후 인덱싱하는 방식이라 동시에 할 수 없습니다. (우리의 새 소프트웨어)는 마킹과 회전을 동시에 할 수 있게 해 오랫동안 제조업체들을 괴롭혀온 문제를 더 낮은 비용으로 해결합니다."

소프트웨어 옵션과 맞춤형 캐비닛 외에도, 다프라는 어떤 캐비닛에도 어떤 레이저 파워에도 장착할 수 있는 새로운 컨트롤러를 개발했습니다. "매우 모듈러한 성격입니다."라고 누난은 말했습니다. 동일한 컨트롤러가 클래스 4 제품에도 사용되며, 이 또한 꽤 인기를 끌고 있습니다.

다프라 시스템은 의료, 항공우주, 자동차, 기어 제조, 중장비 농기계 애플리케이션에서 빠르게 채택자를 찾았습니다.

"항공우주 부문은 작년에 꽤 뜨거웠고 올해는 더 뜨거워질 것으로 보입니다."라고 그는 언급했습니다. 이 산업은 저응력 마킹을 규정하는 규제 때문에 역사적으로 닷핀(dot peen) 마킹에 의존해왔다고 그는 덧붙였습니다. "더 많은 부품 마킹과 훨씬 더 큰 프로젝트가 몰려오는 항공우주 업계의 관심 급증을 목격하고 있습니다."

이러한 프로젝트는 주로 대형 기업에서 오지만, 소규모 맞춤 제조업체들도 두각을 나타내고 있어 다프라는 그들의 니즈를 충족하는 제품 라인 출시를 촉진하고 있습니다.

"플로리다에서 의료 기기 소규모 제조업체에 레이저를 판매한 설치 현장에 다녀왔습니다."라고 그는 회상했습니다. "직원이 1.5명뿐인 곳이었는데, 트랙션 핀, 수술 트레이, 뼈 나사 등을 만듭니다. 과거에는 이런 소규모 업체에 레이저가 너무 비쌌지만, 이제는 아닙니다. 새로운 세상이고 우리는 관련 솔루션을 가지고 있습니다."

레이저 가격이 하락함에 따라 더 많은 제조업체가 레이저 마킹을 레퍼토리에 추가할 수 있게 되어 다프라는 2019년 더 큰 해가 될 것으로 예상한다고 누난은 말했습니다.

주목할 만한 성장 분야는 플라스틱 자동 마킹이라고 그는 말했습니다. 한 사출 성형 업체는 "몰드에서 2~4개 부품을 꺼내 한 번에 하나씩 인라인 레이저에 제시해 데이터매트릭스를 마킹합니다." 시스템은 부품이 이송되기 전 마크 가독성을 확인하거나, 판독 불가 시 두 번째 마킹을 실행하는 시퀀스를 작동시킵니다.

지난 1년간 기어 제조업체들은 닷핀 대신 다프라 레이저 마킹 시스템을 도입해 비용을 "크게 절감했으며, 레이저가 가져온 생산 가치에 매우 만족하고 있습니다."

닷핀 마킹이 비용은 덜 들지만, 부품 고정 문제와 카바이드 마킹 핀 마모로 인한 마킹 선명도 저하 문제가 따릅니다. "레이저 마킹의 비접촉 방식은 마모되는 부품이 없고 마크가 믿을 수 없을 정도로 반복 가능하고 신뢰할 수 있어 정당한 이유로 채택되고 있습니다."

데이터 기반 솔루션

마킹된 모든 데이터를 추적하는 것은 마킹을 만드는 것만큼 중요하며, 소프트웨어와 마킹 장치 간 중요한 정보의 양방향 전송은 시스템 설계의 핵심 요소입니다. 제조 엔지니어와 현장 생산성 유지 담당자가 관련 데이터를 추적할 수 있게 하는 이 양방향 통신 체인 구축과 보안이 필수적이라고 메코(Mecco)의 사장 데이브 스윗(Dave Sweet)은 강조했습니다.

예를 들어 허니웰(Honeywell)의 레이저 마킹 항공우주 부품에서 "우리는 시스템 데이터베이스에서 가변 데이터를 가져옵니다. 엔터프라이즈 소프트웨어가 그 정보를 보내주면, 우리는 부품을 마킹할 뿐만 아니라 비전 시스템을 사용해 우리가 부품에 마킹한 정보가 전송받은 정보와 일치하는지 검증합니다." 메코 시스템은 정부가 해당 UDI를 등록할 수 있도록 보고서를 생성해 저장합니다.

메코의 허니웰 프로젝트 사례 연구에 따르면, 20W 스마트마크(SMARTmark) 파이버 레이저 시스템은 "120VDC로 어디서든 연결 가능하며 구형 YAG 플랫베드의 절반 면적을 차지합니다." 또한 마킹 관련 품질 알림과 반품으로 건당 2,500달러였던 비용이 크게 줄었습니다.

자동차 세계에서 스윗은 안전 관련 부품과 일정 금액 이상의 부품에 고유 식별자 마킹이 부여되며, 이 모든 것이 차량 식별 번호(VIN)로 추적된다고 언급했습니다. 이에는 캠샤프트, 크랭크샤프트, 블록, 트랜스미션 케이스, 심지어 커넥터도 포함됩니다. 이러한 부품에 바코드 마킹 후, '부모-자식 관계'가 데이터베이스에 기록되어 결국 모든 정보를 VIN에 연결합니다.

마킹 시스템 연결성은 점점 협업 로봇(코봇)과 함께 작동하는 방향으로 확장되고 있습니다. 메코는 최근 부품을 트레이에서 집어 비전 시스템으로 스캔하게 하는 코봇을 사용하는 시스템을 설치했습니다. 비전 시스템이 정보를 레이저 마커로 보내면, 코봇이 부품을 레이저로 가져가 마킹합니다. 한 면 마킹 후 코봇이 부품을 카메라로 가져가 마킹 정확도를 검증한 후 부품의 다른 각 면을 마킹합니다.

"추적성에 대한 니즈는 여전히 증가하고 있습니다."라고 스윗은 말했습니다. "고객들은 이제 상자 속 레이저가 아닌 솔루션 기반 시스템을 더 찾고 있습니다." 즉, 제조 유연성을 위한 점점 더 구체적인 니즈를 충족하는 모듈러, 구성 기반 접근법의 시장이 계속 성장할 것임을 의미합니다.

메코는 일반적으로 4가지 기본 인클로저 크기를 기반으로 약 80%의 시스템을 제작하며, 여기에 6, 18, 24, 36인치(152, 457, 610, 914mm) 로터리 다이얼을 추가해 지속적으로 신선한 부품을 마킹 위치로 순환시킵니다. 각 인클로저에는 X-Y 테이블 옵션도 있습니다. 나머지 약 20%는 맞춤형으로 제작되며, 운영자가 작업을 로드하고 모니터링할 수 있는 간소화된 그래픽 사용자 인터페이스 등을 포함할 수 있습니다.

예를 들어, 최근 공구 제조 고객은 30×30인치(762×762mm) 부품 트레이를 커버해야 했는데, 이는 메코의 초대형 인클로저와 X-Y-Z 갠트리 시스템이 필요했습니다. "여러 대의 레이저를 구매하는 대신, 그들은 하나의 레이저를 구매해 이 시스템에 장착하고, 실행을 누르고, 자리를 떠날 수 있었습니다."

또 다른 경우, 수도 미터 회사는 4위치 로터리 워크스테이션에서 닷핀과 레이저 마킹을 조합해 사용했습니다. 황동 하우징에 닷핀으로 일련번호를 마킹하고, 레이저로 검은 플라스틱 뚜껑에 동일한 일련번호를 복제했습니다.

적절한 시스템 설계가 분명히 보상을 줍니다. 메코의 한 의료 고객이 구형 다이오드 레이저에서 파이버 시스템으로 업그레이드한 후 전체 기계 사이클 타임이 18초에서 11초 미만으로 단축되었고, 핸드헬드 스캐너로 더 나은 육안 검사가 가능한 향상된 마크 품질을 얻었습니다.

스윗이 더 많은 소규모 공장이 시스템과 함께 로봇에 투자하는 것을 목격하는 사실까지 더하면, 레이저 마킹이 견고하고 필수적인 산업 작업으로 자리잡았으며 계속 발전할 것임이 분명합니다.