レーザー彫刻によるコスト削減

ロバート・ボーイズ 2020年5月7日

Crestron Electronics Inc. は、昼夜マーキングを利用して、商業、教育、家庭環境向けのさまざまなカスタム オートメーションおよび表示装置で使用されるハンドヘルド リモコンおよびキーパッドのプラスチック ボタンに文字やグラフィックを配置します。 製品がより洗練されるにつれて、同社は単純な英数字のマーキングから、グラフィックやロゴなどを使用した凡例の作成に移行する方法を必要としていました。 バッチ サイズが小さいため (多くの場合、1 つまたは 2 つのユニットのみ)、マーキング システムには柔軟性があり、カスタム マークを迅速に定義して作成できる必要がありました。 この記事では、Coherent のレーザー マーキングおよび彫刻システムを使用して、Crestron Electronics がコスト効率の高い昼夜を問わず少量のプラスチック キーパッドにマーキングを実装できるようにした方法をレビューします。

昼と夜のマーキングにより、凡例を簡単に見ることができ、さまざまな照明条件下でもプラスチックのボタンやコントロールで凡例をはっきりと読み取ることができます。 この技術は、ドアロック、窓コントロール、シート調整、サウンドシステム調整、空調コントロールなどのさまざまな室内ボタンを、明るい太陽光 (日中) から薄暗い環境まで変化する周囲照明条件下ではっきりと見えるようにするために、自動車および航空宇宙用途で広く使用されています。 （夜）。 パソコンのキーボードにもよく使われています。 図 1 は、自動車内装における昼夜マーキングの典型的な例を示しています。

昼と夜の夜の効果を実現するには、まず透明なプラスチックのボタンを半透明のダークペイントの層で塗装します。 次に、対照的な（明るい）色の不透明ペイントの 2 番目の層が重ねられます。 次に、ペイントの最上層を選択的に除去し、その下の暗い層を露出させて、目的のボタンの凡例 (マーク パターン) を作成します。 外部から照明が当たると、マークは明るい背景に対して暗く表示されます。 通常、ボタンの下に配置された LED 光源は、周囲の照度レベルが低い場合にボタンを内部から照らします。 この光は半透明の暗いペイントを通過しますが、上部の不透明なペイント層によってブロックされます。 これにより、暗い背景に対してマークが明るく表示されます。 正反対のコントラスト (暗いボタンに明るいマーク) は、最初のレイヤーを半透明の明るいペイントにし、これを暗いペイントの不透明なレイヤーでオーバーレイすることで実現できます。

図 2. プラスチックのボタンに 2 層の対照的なペイントを配置することで、昼と夜のマーキングが行われます。 不透明ペイントの外層のみを選択的に除去すると、マークが作成されます。 これにより、前方 (昼) と後方 (夜間) の両方の照明条件下でマークが見えるようになります。

Crestron Electronics は、消費者向けおよび商用アプリケーション向けのカスタム オートメーション システムを製造しています。 一般的な用途は、照明、ブラインド、オーディオ、セキュリティ、テレビ会議、ディスプレイの制御です。 多くの場合、これらのシステムは壁に取り付けられたキーパッドまたは手持ち式リモコンのいずれかを使用して制御されます。 Crestron Electronics では、図 3 に示すように、これらの製品のボタンの凡例を作成するために昼夜マーキングを広く採用しています。

製造に関して、Crestron Electronics にとって重要な必須事項は、ハイエンドのブランド イメージと一致する「品質」の外観を示す、非常に読みやすいマークを作成する能力です。 さらに、同社は従来の英数字だけでなく、比較的複雑なロゴやグラフィックを含むマークを作成する必要性が高まっています。 これらのマークは通常物理的に小さいため、マーキング システムは高い空間分解能とシャープで明確なエッジを提供できなければなりません。

Crestron Electronics の課題は、消費者向け製品を大量に製造するのではなく、個人、企業、団体が購入するカスタム製品を少量 (多くの場合 1 つまたは 2 つだけ) 製造していることです。 したがって、マーキングプロセスは、セットアップ時間を最小限に抑え、ツーリング治具内での部品のロードとオフロードの複雑さを軽減してカスタムマークを作成できるように容易に構成する必要があります。 さらに、Crestron Electronics は、ディーラーとエンド ユーザーが独自のマーク アートワークを作成できるようにし、それが製造施設に自動的に送信されます。 カスタマイズされたマークのアートワークのデザイン属性は、レーザー パラメーターの出力に対して常に無害です。 これにより、エンド ユーザーにグラフィック デザイン要素の完全かつ完全な柔軟性が提供されます。

昼夜マーキングの確立された 2 つの方法は、2 部構成の射出成形とロータリー彫刻です。 Crestron Electronics にとって、バッチサイズが小さいため、2 部構成の射出成形などの大量生産方法は費用対効果が高くありません。 この技術では、最終的な層状部品を作成するために、対照的な色の 2 つの異なるプラスチックを順番に金型に導入します。 このプロセスには高価なツールが必要であり、小さなボタンに高解像度のマークを作成するにはうまく機能しません。

従来、短期間のバッチ生産では、成形に代わる方法として、スチール製の切削工具を使用して、塗料の最上層を選択的に除去する回転彫刻が行われてきました。 この方法の欠点は、複雑なグラフィックスを作成する場合、速度が遅いことと、切断深さが制御されていないことです。 さらに、切削工具は磨耗するため、定期的に研ぐ必要があり、ダウンタイムと消耗品コストの両方が発生します。

レーザー彫刻は、速度、運用の柔軟性、およびマークの品質の比類のない組み合わせを提供するため、過去 20 年間にわたってカスタムの昼夜を問わずマークを迅速に作成するための好ましい方法として浮上してきました。 昼夜を問わずマーキングを行うレーザー彫刻システムでは、通常、部品は (オペレーターの安全を確保するため) 筐体内に配置され、コンピューター制御の下でレーザー ビームが表面上を走査され、必要な量の材料が希望のパターンでアブレーションされます。 。

レーザー加工の主な利点の 1 つは、材料を必要な深さまで非常に正確に除去できることです。 言い換えれば、下にある塗装層を本質的に除去することなく、部品の最上層の塗装を除去することができます。 また、マーク自体の寸法精度も高くなります。 その結果、マークの外観に関して優れた品質と部品間の高い一貫性が得られます。

Crestron Electronics は、製造に Coherent LME-RM レーザー マーキング システムを利用しています。 これは、金属、セラミック、プラスチックなどのあらゆる種類の材料をマーキングするためのさまざまなレーザー光源を装備できるターンキー システムです。 部品の位置決めとマークの品質管理のための統合ビジョン システムや、さまざまな部品処理および自動化機能などのオプションを利用できます。

プラスチックのマーキングの場合、光源は固体 (バナジン酸塩) レーザーが最も一般的です。これは、通常、材料に熱的損傷を与えることなく、プラスチックに最も顕著な色やコントラストの変化をもたらす短いパルス幅を提供するためです。 これらのレーザーは赤外線を放射しますが、その出力は緑色または紫外線 (UV) 光に変換することもできます。 UV 出力オプションは、医療インプラントでよく使用されるマーキング ポリマーに一般的な選択肢です。 これと同じ利点、つまり熱影響を受ける領域が最小限であるため、ソリッドステート レーザーは、色や質感の変化が誘発されるプロセスではなく、実際にはアブレーション プロセスであるにもかかわらず、昼夜を問わずマーキングに最適な選択肢となります。発泡などのバルク材料。

実際には、昼夜を問わずマークを作成するには、通常、レーザーを数回パスする必要があり、各パスでマークの形状がハッチングされ、少量の材料が除去されます（ペイント層の総厚さは通常 0.0025 インチです）。 プロセスの最後には、望ましい滑らかな質感と外観になるように、露出した下層を磨き上げる「クリーンアップ」パスが存在する場合もあります。

正確なプロセスレシピ (パス数、レーザー出力、レーザーパルス繰り返し率) は、アブレーションされる材料と層の厚さに応じて異なります。 新しいプロセスレシピの開発を迅速化するために、Coherent LME-RM レーザーマーキングは、いくつかの異なるレーザーパラメータセットを自動的に実行して、最適な設定を迅速に特定できるようにします。 具体的には、システムは自動的にマークのグリッドを生成します。レーザー出力は各列間で異なり、レーザー繰り返し率は各行間で異なるため、多数の固有の組み合わせが探索されます。 次に、オペレーターはマークのグリッドを調べて、最良の結果をもたらした設定を選択します。 さらに、Coherent アプリケーション開発エンジニアは、この種の最適化の良い出発点を提供するために、ユーザーに提供できる既存のプロセス レシピの大規模なデータベースを持っています。

「マークの品質は当社の最大の優先事項です」と、Crestron Electronics の戦略的サプライ チェーンおよび製造オペレーション担当ディレクターの Keith James 氏は述べています。 「当社のユーザー インターフェイス製品でビットマップ画像をマークするオプションを顧客に提供したいと考えていましたが、その前に、ビットマップをマークするときにテキストで達成するのと同じ高レベルの鮮明さを維持するというハードルをクリアする必要がありました。解像度を下げることは許容できるトレードオフではありませんでした。」 Coherent システムがこの問題を解決する 1 つの方法は、マークの塗りつぶしをハッチングした後、ビットマップ イメージの周囲にアウトラインを実行することです。これにより、マーク上のエイリアシングやギザギザのエッジが排除され、一貫してシャープなエッジが得られます。

「Coherent Visual LaserMarker (VLM) ソフトウェアも、カスタム マークを作成するプロセス全体を容易にします。」と James 氏は付け加えます。 「これを使用すると、当社のディーラーはコンピュータ画面にキーパッドのレイアウトを表示し、顧客の要求する記号や命名法を定義し、それをすべて当社の製造注文処理工場に電子メールで送信するだけで済みます。その後、当社の社内生産担当者がそのマークを作成できます」 VLM ソフトウェアは、オペレーターの介入をほとんど必要とせずに、その実現に必要なすべてのバックグラウンド タスクを処理します。非常にユーザー フレンドリーな環境であり、オペレーターは数分で使い方を習得できるため、生産性が非常に高くなります。

「私たちがコヒレントを選んだもう 1 つの理由は、マーカーがファイバー、ソリッドステート、超短パルスなど、ほぼあらゆる種類のレーザーで構成できることです」と Keith 氏は結論づけています。 「私たちはレーザーの専門家ではありませんが、このテクノロジーの幅広さにより、アプリケーションを定義して、他の誰かが偶然見つけたかもしれない不明瞭なラックアンドスタックテクノロジーにそれを適合させようとするのではなく、私たちのニーズに最適なレーザーシステムを構成できたという自信が得られます。売る。"

まとめ

パルスレーザーによるマーキングは、優れた空間解像度とコントラストを実現することがよく知られており、英数字とロゴ/グラフィックの両方の作成に最適です。 昼夜を問わずマーキングを行うと、高精度パルスレーザーマーキングのもう 1 つの利点、つまり正確な深さ制御が強調されます。 これにより、下にある基板に影響を与えることなく、材料の完全な層を空間的に選択的に除去できます。

著者について

Robert Boyes は、Coherent Inc. の市場開発マネージャーです。

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