쇼트 블라스트 공정을 이겨내는 완벽한 추적성: 다이캐스팅 셀을 위한 인라인 레이저 마킹 솔루션

Inline Integration of Shotblast Resistant Laser Marking in a Die Cast Cell

이 기술 요약은 [J. Landry¹, J. Maltais¹, J-M. Deschênes¹, M. Petro², X. Godmaire¹, A. Fraser¹]가 [북미 다이캐스팅 협회(NADCA)]에서 [2018년]에 발표한 학술 논문 "[Inline Integration of Shotblast Resistant Laser Marking in a Die Cast Cell]"을 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 쇼트 블라스트 내성 레이저 마킹
• 보조 키워드: 다이캐스팅 추적성, 2D 데이터 매트릭스, 인라인 레이저 마킹, 부품 개별 식별, 자동차 부품 리콜

핵심 요약

• 도전 과제: 다이캐스팅 부품의 후처리 공정인 쇼트 블라스팅은 기존의 레이저 마킹을 완전히 지워버려, 개별 부품의 완벽한 추적성을 구현하는 데 심각한 장애물이 되어 왔습니다.
• 해결 방법: 레이저 마킹 셀의 크기, 깊이, 그리고 '채움 비율(filling ratio)'이라는 새로운 파라미터를 체계적으로 최적화하여 쇼트 미디어의 물리적 충격으로부터 마킹을 보호하는 기하학적 구조를 생성했습니다.
• 핵심 돌파구: 80%의 채움 비율, 0.55mm에서 0.95mm 사이의 셀 크기, 그리고 쇼트 미디어 직경의 절반(D/2) 이상의 깊이로 마킹할 경우, 쇼트 블라스트 후에도 A 또는 B 등급의 높은 판독성을 유지하는 것을 입증했습니다.
• 결론: 이제 다이캐스팅 생산 라인 내에서 직접(인라인) 쇼트 블라스트 내성 마킹을 구현하여, 후공정 후에도 지워지지 않는 완벽한 부품 추적성을 달성하고 공정 개선의 새로운 시대를 열 수 있게 되었습니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가

자동차 산업에서 부품 리콜과 관련된 막대한 비용은 개별 부품의 완벽한 추적성에 대한 요구를 폭발적으로 증가시켰습니다. 특히 고결성이 요구되는 다이캐스팅 부품에 고유 식별자(주로 2D 데이터 매트릭스 코드)를 마킹하는 것은 이제 업계 표준이 되어가고 있습니다. 문제는 다이캐스팅 부품의 25%에서 50%가 표면을 매끄럽게 하기 위해 쇼트 블라스팅이라는 연마 공정을 거친다는 점입니다. 이 과정에서 강철 볼이 고속으로 부품 표면에 분사되는데, 이는 기존의 최첨단 레이저 마킹조차 완전히 지워버립니다.

이로 인해 제조업체는 부품 혼입을 방지하고 정확한 생산 이력을 추적하는 데 큰 어려움을 겪어왔습니다. 금형에서 나온 직후 생산 셀 내부에서 마킹을 완료해야 하지만, 후공정에서 마킹이 사라진다면 모든 노력이 수포로 돌아갑니다. 바로 이 지점이 본 연구가 해결하고자 하는 핵심 과제입니다. 즉, "어떻게 하면 공격적인 쇼트 블라스트 공정을 견디고 높은 판독성을 유지하는 레이저 마킹을 다이캐스팅 셀의 사이클 타임 내에 구현할 수 있는가?"입니다.

접근법: 연구 방법론 분석

본 연구는 쇼트 블라스트 공정 후에도 2D 데이터 매트릭스(DMC) 코드의 판독성을 유지하기 위한 최적의 레이저 마킹 파라미터를 찾기 위해 체계적인 실험을 수행했습니다.

방법 1: 초기 가설 및 실험 - 장비 및 재료: Laserax LXQ-100 (100W) 파이버 레이저, 8-10% 실리콘을 포함한 알루미늄 합금(Aural 2TM), Viking Blast (CB-3614) 쇼트 블라스트 장비. - 초기 가설: 쇼트 미디어(강철 볼)보다 작은 크기의 셀을 깊게 마킹하면, 미디어가 셀 바닥에 닿지 않아 마킹의 미세구조가 보호될 것이라고 가정했습니다. - 결과: 이 가설은 실패했습니다. 연성이 있는 알루미늄 표면이 쇼트 미디어의 충격으로 변형되면서 작은 셀의 입구를 막아버렸고(clogging), 이로 인해 코드는 완전히 판독 불가능 상태가 되었습니다.

방법 2: "채움 비율(Filling Ratio)" 개념 도입 - 관찰: 100% 채워진 셀보다, 주변에 다른 셀이 없는 시계 패턴(clock pattern)의 고립된 셀들이 쇼트 블라스트 후 더 나은 대비를 보였습니다. 이는 셀 주변의 '벽'이 마킹을 보호하는 역할을 한다는 것을 시사했습니다. - 핵심 변수 도입: 각 셀을 100% 채우지 않고, 셀 내부에 일정 비율(예: 80%)만 마킹하여 각 셀 주위에 보호벽(남겨진 원래 표면)을 만드는 "채움 비율" 개념을 도입했습니다. 실험적으로 80%가 최적 값으로 결정되었습니다. - 변수 최적화: 80% 채움 비율을 고정한 상태에서, 10x10 크기의 DMC 85개를 생성하며 두 가지 핵심 파라미터인 셀 크기(0.3mm ~ 1.6mm)와 마킹 깊이(레이저 패스 1~5회로 조절)를 체계적으로 변경하며 실험을 진행했습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

연구 결과, 쇼트 블라스트 내성 마킹을 위한 최적의 파라미터 조합이 명확하게 드러났습니다.

발견 1: 최적의 셀 크기 범위 존재

셀 크기는 마킹의 생존 가능성에 결정적인 영향을 미쳤습니다. - 0.5mm 미만: 그림 6에서 볼 수 있듯이, 셀 크기가 너무 작으면 쇼트 블라스트 시 주변 금속이 밀려 들어와 구멍을 막아버려 판독이 불가능했습니다. 대비(contrast) 값은 거의 0에 가까웠습니다. - 0.55mm ~ 0.95mm: 이 범위에서 마킹은 쇼트 블라스트 후에도 매우 높은 대비와 판독성을 보였습니다. 그림 15의 그래프에서 이 구간의 대비 값이 가장 높고 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있습니다. - 0.95mm 초과: 셀이 너무 커지면 쇼트 미디어가 셀 내부를 손상시킬 면적이 넓어져 대비가 점차 감소하는 경향을 보였습니다.

발견 2: 채움 비율(Filling Ratio)의 결정적 역할과 깊이의 영향

단순히 깊게 파는 것보다 셀의 구조가 더 중요했습니다. - 그림 10은 100% 채워진 DMC(왼쪽)와 80% 채움 비율로 마킹된 DMC(오른쪽)를 쇼트 블라스트 후 비교한 것입니다. 80% 채움 비율을 적용했을 때 각 셀 주위에 형성된 벽이 내부의 어두운 마킹 영역을 효과적으로 보호하여 훨씬 더 높은 대비를 유지했습니다. - 마킹 깊이는 특정 임계점(이론적으로 쇼트 미디어 직경의 절반, D/2)을 넘어서면 대비에 큰 영향을 주지 않았습니다. 그림 16의 그래프는 대부분의 셀 크기에서 깊이가 증가해도 대비가 완만하게 증가하거나 거의 일정하게 유지됨을 보여줍니다. 이는 불필요하게 깊게 마킹하여 시간을 낭비할 필요가 없음을 의미합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 다이캐스팅 셀 사이클 타임 내에 신뢰성 있는 추적 마킹을 통합할 수 있음을 시사합니다. 표 6에 따르면, 6자리 숫자 코드를 마킹하는 데 약 13.42초(2회 패스, 0.70mm 셀 크기 기준)가 소요되므로, 13초 이상의 사이클 타임을 가진 공정에서는 오픈 에어(Open Air) 인클로저를, 그보다 짧은 경우에는 턴테이블(Turntable) 인클로저를 사용하여 인라인 마킹을 구현할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 쇼트 블라스트 후에도 ISO 29158 기준 A 또는 B 등급을 일관되게 획득할 수 있는 파라미터(셀 크기 0.85mm ~ 0.95mm, 깊이 0.30mm 이상)가 표 2에 명시되어 있습니다. 이는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 직접적인 근거가 될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 부품 설계 초기 단계에서 마킹을 위한 평탄한 영역을 확보할 때, 최소 10x10mm(0.95mm 셀 크기 기준) 정도의 공간을 고려하는 것이 좋습니다. 이 연구 결과는 마킹의 생존성이 표면의 거칠기나 형상이 아닌, 마킹 자체의 기하학적 파라미터에 의해 결정됨을 보여주므로, 설계 단계에서 마킹 영역을 최적화하는 것이 중요합니다.

논문 상세 정보

[Inline Integration of Shotblast Resistant Laser Marking in a Die Cast Cell]

1. 개요:

• 제목: Inline Integration of Shotblast Resistant Laser Marking in a Die Cast Cell
• 저자: J. Landry¹, J. Maltais¹, J-M. Deschênes¹, M. Petro², X. Godmaire¹, A. Fraser¹
• 발표 연도: 2018
• 학회/저널: NORTH AMERICAN DIE CASTING ASSOCIATION (NADCA)
• 키워드: Laser Marking, Shotblast Resistant, Die Casting, Traceability, Data Matrix Code (DMC)

2. 초록:

최근 몇 년간 자동차 리콜과 관련된 높은 비용으로 인해 개별 부품 추적성에 대한 요구가 크게 증가했으며, 다이캐스팅 부품도 예외는 아닙니다. 결과적으로, 특히 고결성 부품에 대한 고유 식별자 마킹 요구는 업계에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 이러한 마킹은 보통 2D 데이터 매트릭스 코드 형태를 띕니다. OEM의 요구 외에도, 부품 제조업체가 각 부품에 개별적이고 고유한 일련번호를 마킹하는 것은 중요한 이점을 가집니다. 이를 통해 특정 부품(결함 여부와 상관없이)이 언제 어디서 생산되었는지 정확히 알 수 있어, 해당 부품과 관련된 공정 및 환경 파라미터를 역추적할 수 있습니다. 또한 제조업체는 이 정보를 공정 개선 및 유사한 상황에 처했던 다른 부품들을 추적하는 데 사용할 수 있습니다. 부품을 정확하게 식별하고 혼입 가능성을 피하기 위해, 마킹은 금형에서 제거된 직후 다이캐스팅 셀 내부에서 이루어져야 합니다. 이러한 부품들은 종종 후속으로 쇼트 블라스트 공정을 거치기 때문에, 이 공정이 마킹에 매우 공격적이어서 마킹 특성에 어려움을 더합니다. 지난 3년간 이 주제를 광범위하게 연구한 끝에, Laserax는 마침내 대부분의 쇼트 블라스트 공정을 견디고 높은 품질과 판독성을 유지하는 식별자 레이저 마킹을 가능하게 하는 올바른 레이저 파라미터를 찾아냈습니다. 지난 해 동안 얻은 뛰어난 결과는 처리량에 어떠한 타협도 없이 다이캐스팅 셀에 통합할 수 있는 빠르고 견고한 레이저 마킹 방법을 보여주었습니다. 쇼트 블라스트 후 레이저 마킹된 식별자의 우수한 판독률은 이제 다이캐스터에게 진정한 추적성을 가능하게 하며, 새로운 공정 개선의 시대로 나아가는 길을 열어줍니다.

3. 서론:

개별 부품의 추적성에 대한 필요성은 최근 몇 년, 특히 자동차 산업에서 크게 증가했습니다. 이러한 부품에 고유한 2D 매트릭스를 직접 마킹하는 것과 관련된 주된 과제는 마킹 시간을 기계의 가용 사이클 타임에 맞게 줄이는 것과, 주조 후 부품에 적용되는 후공정에 내성을 갖는 코드를 생성하는 것이었습니다. 다이캐스팅의 경우, 부품의 25%에서 50%가 연마 블라스팅 공정을 거치는데, 이 과정에서 탄소강 또는 스테인리스강 볼이 부품 표면을 매끄럽게 하기 위해 분사됩니다. 쇼트 블라스팅이라고 불리는 이 공정은 부품 표면에서 최첨단 레이저 마킹을 완전히 지워버립니다. 쇼트 블라스트 내성 레이저 마킹 주제는 지난 NADCA 쇼(2017)에서 우리 팀의 이전 발표에서 조사되었으며, 당시 Laserax는 쇼트 블라스트 후 레이저 마킹된 2D 코드를 읽는 첫 시연을 선보였습니다. 다이캐스팅 산업이 겪는 어려움을 해결하기 위해, 마킹 깊이 및 셀 크기와 같은 다양한 파라미터에 대한 보다 철저한 조사가 2D 코드 품질, 대비 및 마킹 시간 측면에서 마킹 공정을 최적화하기 위해 요구되었습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업을 중심으로 부품의 개별 추적성에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이는 리콜 비용 절감과 품질 관리 향상을 위해 필수적입니다. 다이캐스팅 부품은 종종 쇼트 블라스트 공정을 거치는데, 이 공정이 기존의 식별 마킹을 제거하여 추적성을 저해하는 주요 기술적 장벽이 되어 왔습니다.

이전 연구 현황:

저자들의 팀은 2017년 NADCA에서 쇼트 블라스트 후 레이저 마킹된 2D 코드를 판독하는 초기 연구 결과를 발표한 바 있습니다. 이는 가능성을 제시했지만, 산업 현장에 바로 적용하기에는 마킹 시간, 코드 품질, 대비 등을 최적화하기 위한 추가적인 심층 연구가 필요한 상태였습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 다이캐스팅 셀의 사이클 타임 내에 통합 가능하면서도, 쇼트 블라스트 공정 후에도 높은 품질과 판독성을 유지하는 2D 데이터 매트릭스 코드 레이저 마킹 공정을 위한 최적의 파라미터를 규명하는 것입니다. 구체적으로 셀 크기, 마킹 깊이, 채움 비율이 최종 코드 품질에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 바탕으로 실용적인 가이드라인을 제시하고자 합니다.

핵심 연구:

연구는 초기 가설(쇼트 미디어보다 작은 셀 사용)의 실패 원인을 분석하는 것에서 시작했습니다. 이후, 셀 주변의 보호벽이 중요하다는 관찰을 바탕으로 '채움 비율'이라는 새로운 변수를 도입했습니다. 80% 채움 비율을 고정한 상태에서, 셀 크기와 마킹 깊이를 체계적으로 변화시키며 총 85개의 샘플을 제작하고 쇼트 블라스트 처리를 했습니다. 처리 전후의 샘플은 Cognex DM262X 카메라를 사용하여 ISO 29158 표준에 따라 대비(contrast)와 전체 등급(grade)을 평가했습니다. 수집된 데이터를 바탕으로 셀 크기, 깊이, 마킹 시간과 최종 코드 품질 간의 상관관계를 분석하고, 관찰된 현상을 설명하기 위한 기하학적 모델을 개발하여 이론적으로 검증했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 설계(experimental design)를 기반으로 합니다. 레이저 마킹의 주요 파라미터(셀 크기, 깊이, 채움 비율)를 독립 변수로 설정하고, 쇼트 블라스트 처리 후 2D 코드의 품질(대비, ISO 등급)을 종속 변수로 측정하여 인과 관계를 분석했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 샘플 제작: Laserax LXQ-100 (100W) 파이버 레이저를 사용하여 알루미늄 합금 시편에 10x10 크기의 DMC 85개를 마킹했습니다. 셀 크기는 0.3mm에서 1.6mm까지, 깊이는 레이저 패스 횟수(1~5회)로 조절했습니다.
• 후처리: 제작된 샘플은 Wheelabrator Tumblast 장비와 S170 타입 주강 쇼트 볼(평균 직경 0.430mm)을 사용하여 90초간 쇼트 블라스트 처리했습니다.
• 데이터 수집: Cognex DM262X 카메라를 사용하여 쇼트 블라스트 처리 전후의 모든 DMC에 대한 이미지를 획득하고, ISO 29158 표준에 따라 대비(Contrast), 셀 변조(Cell Modulation), 축 변형(Axial Deformation) 등을 포함한 전체 품질 등급(A~F)을 평가했습니다.
• 데이터 분석: 수집된 대비 값과 등급을 셀 크기, 깊이, 마킹 시간과 연관 지어 그래프로 시각화하고, 통계적 경향을 분석했습니다. 또한, 쇼트 볼과 셀의 상호작용을 설명하기 위한 기하학적 모델을 수립하고 이론적 계산 결과를 실험 데이터와 비교했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 알루미늄 다이캐스팅 부품에 대한 쇼트 블라스트 내성 레이저 마킹에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 2D 데이터 매트릭스 코드의 기하학적 파라미터(셀 크기, 깊이, 채움 비율) 최적화에 한정됩니다. 사용된 재료는 8-10% Si를 포함한 알루미늄 합금이며, 쇼트 블라스트 조건은 특정 장비와 미디어를 사용하여 표준화되었습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 최적 셀 크기: 쇼트 블라스트 후 높은 판독성을 얻기 위한 최적의 셀 크기는 0.55mm에서 0.95mm 사이로 나타났습니다. 0.5mm 미만의 셀은 쇼트 블라스트 시 막힘 현상으로 인해 판독이 불가능했고, 0.95mm를 초과하는 셀은 대비가 감소하는 경향을 보였습니다.
• 채움 비율의 중요성: 100% 채워진 셀보다 80%의 채움 비율을 적용하여 각 셀 주위에 보호벽을 형성했을 때 쇼트 블라스트 후 대비가 훨씬 높게 유지되었습니다.
• 깊이의 영향: 마킹 깊이는 특정 임계점(쇼트 미디어 직경의 약 절반)을 넘어서면 대비 향상에 미미한 영향을 미쳤습니다. 이는 불필요하게 깊은 마킹으로 인한 시간 낭비를 줄일 수 있음을 시사합니다.
• 성능 및 속도: 최적화된 파라미터(예: 셀 크기 0.70mm, 2회 패스)를 사용하면, 6자리 숫자 정보를 담는 10x10 DMC를 약 13.4초 만에 마킹할 수 있으며, 이는 대부분의 다이캐스팅 사이클 타임 내에 통합 가능한 속도입니다.
• 기하학적 모델 검증: 쇼트 볼의 직경과 셀의 깊이 및 크기를 이용한 기하학적 모델은 셀 크기가 커질수록 대비가 감소하는 실험 결과를 성공적으로 설명했으며, 깊이의 영향이 제한적인 이유를 이론적으로 뒷받침했습니다.

Figure Name List:

• Figure 1: Example of Data Matrix Code (DMC) with Laserax’s website address encoded in it.
• Figure 2a and 2b - Left: Results from a surface profiler. The surface without treatment is represented before 2000 μm. Between 2000 µm and 3000 µm is a whitened surface. After 3000 µm, a blackened surface was generated. Right: SEM image of the black and white.
• Figure 3: Schema of the geometrical protection of the black marking by a cell smaller than the blast media.
• Figure 4: Experimental setup for laser marking on an aluminium component.
• Figure 5: Viking Blast model: CB-3614.
• Figure 6: Close-up of a small-cell DMC before and after the shotblast treatment.
• Figure 7: Close-up of an 100% filled DMC post-shotblast
• Figure 8: DMC with varying fillings (30%, 55% and 100% respectively).
• Figure 9: A close-up of a 80% filled 2D matrix. So is the size of the module.
• Figure 10: Close-ups of an 100% filled DMC (left) and a 80% filled DMC (right). The cell size (Sc) is 1 mm.
• Figure 11: DMC with varying size: From left to right, 0.3 mm, 0.55 mm and 1.6 mm cell size, respectively)
• Figure 12: Wheelabrator model: Tumblast
• Figure 13: DMCs with cell sizes ranging from 0.3 mm to 0.55 mm before and after the shotblast procedure.
• Figure 14: DMCs with cell sizes ranging from 0.85 mm to 0.95 mm before and after the shotblast procedure.
• Figure 15: Evolution of contrast in relationship with cell size.
• Figure 16: Evolution of contrast in relation with depths for all readable DMCs.
• Figure 17: Evolution of contrast in relationship with time for the five different depths.
• Figure 18: Evolution of contrast in relationship with time of marking with emphasis on first two laser passes. The squares represent the depth of 0.15mm while the circles represent the depth of 0.30mm.
• Figure 19: Geometric interpretation of a cast steel ball interacting with the bottom of a cell.
• Figure 20: Top view of a cell before and after the shotblast treatment.
• Figure 21: Three DMCs (from left to right Sc= 0.5 mm, Sc= 0.75 mm, Sc= 1.6 mm) taken at a depth of 0.60 mm
• Figure 22: Graphs of the relation between the black area ratio and depths for cell sizes ranging from 0.6 mm to 1.6 mm.
• Figure 23: Graphs of the relation between the black area ratio for cell depths of 0.05 mm, 0.15 mm and 0.6 mm.
• Figure 24 :Marking full of carbon steel shots
• Figure 25: Left: Open Air enclosure, Right: Rotary Table enclosure

7. 결론:

레이저 마킹은 추적성 확보를 위한 부품 영구 마킹 기술 중 가장 실행 가능하고 신뢰할 수 있는 기술로 남아있습니다. 직접 부품 마킹 분야에서 발생하는 계속 증가하는 과제들은 레이저 기술로 쉽게 해결될 수 있습니다. 마킹 시간과 코드의 판독성을 모두 최적화하는 쇼트 블라스트 내성 마킹의 필요성은 Laserax의 LXQ-100 레이저 시스템으로 해결될 수 있습니다. 작은 데이터 저장 용량(6자리 숫자 이하)을 가진 DMC의 경우, ISO 29158 표준과 비교했을 때 B 등급 이상을 유지하면서 10초 미만의 마킹 시간을 달성할 수 있습니다. 또한, 더 높은 저장 용량의 DMC가 쇼트 블라스팅 후에도 높은 등급을 유지하며 합리적인 시간 내에 마킹될 수 있음을 입증했습니다. 마지막으로, 데이터 저장 요구사항과 주조 공정 내 가용 사이클 타임에 따라 어떤 인클로저가 더 적합한지 설명했습니다. 이러한 돌파구를 바탕으로, 다이캐스터들은 이제 부품이 후처리 쇼트 블라스팅을 받더라도 다이캐스팅 셀에 인라인 레이저 마킹 솔루션을 구현하는 것을 진지하게 고려할 수 있습니다.

8. 참고문헌:

• Maltais, J., Brochu, V., Frayssinous, C., Vallée, R., Godmaire, X., Fraser, A. “Surface analysis study of laser marking of aluminium,” ICSCOBA 2016

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 초기 가설이었던 '쇼트 미디어보다 작은 셀'을 만드는 전략이 실패한 구체적인 이유는 무엇입니까? A1: 논문에 따르면, 이 전략은 알루미늄의 재료 특성 때문에 실패했습니다. 알루미늄은 상대적으로 부드럽고 연성이 있는 재료인 반면, 쇼트 미디어로 사용되는 강철 볼은 훨씬 단단합니다. 강철 볼이 알루미늄 표면에 충돌할 때, 표면은 단순히 깎여 나가는 것이 아니라 소성 변형을 일으킵니다. 이 변형으로 인해 셀 주변의 알루미늄이 안쪽으로 밀려 들어와 작은 구멍의 입구를 완전히 막아버렸습니다(그림 6 참조). 결과적으로 셀 바닥의 마킹이 보호되기는커녕 접근 자체가 불가능해져 코드를 읽을 수 없게 된 것입니다.

Q2: '채움 비율(filling ratio)'이라는 개념이 왜 그렇게 중요한가요? 100% 채우는 것과 무엇이 다른가요? A2: '채움 비율'은 쇼트 블라스트 내성을 확보하는 핵심적인 발견입니다. 100% 채움 마킹은 인접한 셀들이 서로 붙어 있어 하나의 큰 마킹 영역처럼 됩니다. 반면, 80% 채움 비율은 각 셀의 가장자리를 마킹하지 않고 남겨두어, 각각의 셀 주위에 원래 표면으로 이루어진 '보호벽'을 만듭니다. 이 벽이 쇼트 미디어의 직접적인 충격으로부터 셀 내부의 어두운 마킹 영역(미세구조)을 물리적으로 보호하는 역할을 합니다. 그림 7에서 보이듯이, 보호벽이 없는 셀들은 쉽게 평탄화되지만, 그림 10의 오른쪽 이미지처럼 보호벽이 있는 셀들은 대비를 훨씬 잘 유지합니다.

Q3: 최적의 셀 크기 범위가 0.55mm에서 0.95mm로 나타난 이유는 무엇인가요? A3: 이 범위는 두 가지 실패 메커니즘 사이의 최적의 절충점입니다. 0.55mm보다 작으면 앞서 언급한 '막힘(clogging)' 현상이 지배적으로 작용하여 코드가 읽히지 않습니다. 반대로 0.95mm보다 커지면 셀이 너무 넓어져서 쇼트 미디어(평균 직경 0.43mm)가 셀 내부로 쉽게 들어와 바닥면을 손상시킬 확률이 높아집니다. 이로 인해 보호되는 어두운 영역의 비율이 줄어들어 대비가 점차 감소하게 됩니다. 따라서 0.55mm에서 0.95mm 사이는 막힘을 피할 수 있을 만큼 충분히 크면서도, 내부 마킹을 효과적으로 보호할 수 있을 만큼 충분히 작은 '스위트 스폿(sweet spot)'입니다.

Q4: 마킹 깊이가 일정 수준 이상에서는 대비에 큰 영향을 주지 않는다는 결과가 나왔는데, 그 이유는 무엇인가요? A4: 이는 논문의 기하학적 분석(그림 19)으로 설명됩니다. 쇼트 볼이 셀 안으로 들어와 바닥에 닿을 때, 볼의 구형 형태 때문에 셀의 가장자리 부분만 접촉하고 중앙 부분은 닿지 않습니다. 셀의 깊이(H)가 쇼트 볼 직경의 절반(D/2)에 도달하면, 볼은 더 이상 셀의 바닥 중앙에 닿을 수 없게 됩니다. 깊이가 D/2보다 더 깊어지더라도, 볼에 의해 보호되는 중앙 영역의 크기는 더 이상 변하지 않습니다. 따라서 대비에 영향을 미치는 '보호되는 어두운 영역의 비율'은 깊이가 D/2를 넘어서면 거의 일정하게 유지됩니다. 이것이 깊이가 특정 임계점을 넘으면 대비에 큰 영향을 주지 않는 이유입니다.

Q5: 이 기술이 실제 다이캐스팅 생산 라인의 빠른 사이클 타임에 적용 가능할 만큼 충분히 빠른가요? A5: 네, 충분히 빠릅니다. 논문의 그림 18과 표 5는 이를 명확히 보여줍니다. 예를 들어, 6자리 숫자 정보를 저장할 수 있는 10x10 DMC를 마킹할 때, B 등급 이상의 우수한 품질을 보장하는 2회 레이저 패스(약 0.30mm 깊이)를 적용해도 마킹 시간은 약 13.42초입니다. 많은 다이캐스팅 공정의 사이클 타임이 이보다 길기 때문에, 추가적인 시간 지연 없이 인라인으로 통합하는 것이 충분히 가능합니다. 사이클 타임이 더 짧은 경우, 논문에서 제안한 턴테이블 인클로저를 사용하면 마킹 시간을 공정 사이클과 독립적으로 운영하여 해결할 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

자동차 산업의 엄격한 추적성 요구와 다이캐스팅 공정의 가혹한 현실 사이의 간극은 오랫동안 해결하기 어려운 과제였습니다. 본 연구는 쇼트 블라스트 내성 레이저 마킹을 위한 명확하고 데이터 기반의 해결책을 제시함으로써 이 문제를 정면으로 돌파했습니다. 셀 크기, 깊이, 그리고 혁신적인 '채움 비율' 개념을 최적화함으로써, 이제 다이캐스팅 제조업체는 쇼트 블라스트 후에도 완벽하게 판독 가능한 2D 코드를 생산 라인 내에서 직접 새길 수 있게 되었습니다.

이는 단순히 부품을 추적하는 것을 넘어, 공정 데이터를 완벽하게 연결하여 품질을 향상시키고, 리콜 범위를 최소화하며, 궁극적으로는 생산성을 높이는 새로운 가능성을 엽니다. R&D 및 운영팀은 이 연구 결과를 바탕으로 신뢰할 수 있는 추적 시스템을 구축하고, 데이터 기반의 의사결정을 통해 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[J. Landry 외]"가 저술한 논문 "[Inline Integration of Shotblast Resistant Laser Marking in a Die Cast Cell]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: [NADCA 2018 Congress & Exposition Paper]

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