많은 공장에서 금속 부품을 빠른 속도와 정확도로 가공하기를 원합니다. 기존의 절단 방식은 종종 열을 발생시키고 공구를 마모시키며 정밀도를 제한합니다. 레이저 빔 가공은 이러한 문제를 해결합니다. 레이저 빔 가공은 집속 레이저를 사용하여 금속 및 기타 재료를 절단, 드릴링 또는 조각합니다. 이 방법은 공구 마모를 줄이고 깔끔한 결과를 제공합니다.
레이저 빔 가공은 단순하게 들리지만 그 이면에 숨겨진 과학은 매우 흥미롭습니다. 이제 이 프로세스가 어떻게 작동하고 무엇이 정밀도를 높이는지 살펴보겠습니다.
레이저 빔 가공이란?
레이저 빔 가공(LBM)은 집속된 광선을 사용하여 재료를 제거하는 비접촉식 공정입니다. 레이저는 공작물의 작은 영역을 가열합니다. 재료가 녹거나 기화합니다. 빔은 설정에 따라 절단, 드릴링 또는 조각할 수 있습니다.
LBM은 금속, 플라스틱, 세라믹, 심지어 유리에서도 작동합니다. 공구 비트를 사용하지 않으므로 공구가 마모되지 않습니다. 특히 얇거나 세밀한 부품을 빠르고 정확하게 가공할 수 있습니다. 레이저 빔은 CNC 또는 컴퓨터 프로그램으로 제어됩니다. 따라서 일관되고 반복 가능한 결과를 얻을 수 있습니다.
레이저 기술은 1960년대에 시작되었습니다. 시어도어 메이먼은 1960년에 최초로 작동하는 레이저를 만들었습니다. 1960년대 말과 1970년대 초에 엔지니어들은 레이저를 사용하여 재료를 절단하고 드릴링하기 시작했습니다. 초기 시스템은 출력과 속도가 제한적이었습니다.
기술이 발전함에 따라 레이저는 더 강력하고 안정적이 되었습니다. 1980년대에는 많은 공장에서 CO2 및 Nd: YAG 레이저가 사용되었습니다. 이후 등장한 파이버 레이저는 더 나은 에너지 효율과 절단 품질을 가져왔습니다.
레이저 빔 가공은 어떻게 작동하나요?
레이저 빔 가공은 전기 에너지를 강력한 광선으로 변환합니다. 이 빛은 재료를 절단하거나 제거하기 위해 재료에 초점을 맞추고 조준합니다. 공정의 각 단계는 깨끗하고 정밀한 결과를 보장하는 데 중요합니다.
레이저 생성
이 과정은 전원을 공급하는 것으로 시작됩니다. 이 전원은 레이저 매체라고 하는 레이저 내부의 물질을 충전합니다. 매체는 CO₂ 가스, 크리스탈 또는 섬유일 수 있습니다. 전원이 공급되면 매질은 광자라고 하는 빛 입자를 방출합니다.
이 광자는 두 거울 사이에서 반사됩니다. 거울 중 하나는 부분적으로 열려 있습니다. 이 거울을 통해 빠져나가는 빛이 레이저 빔이 됩니다.
사용하는 레이저의 유형은 작업에 따라 다릅니다. CO₂ 레이저는 플라스틱, 목재 및 일부 금속에 적합합니다. 파이버 레이저는 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같이 단단하거나 반사되는 금속을 절단하는 데 더 적합합니다.
레이저 초점 맞추기
빔이 생성된 후 렌즈나 거울을 통과합니다. 이렇게 하면 빛이 작고 날카로운 점에 집중됩니다. 이 지점은 보통 0.2mm보다 작습니다.
초점이 촘촘할수록 한 영역에 더 많은 에너지를 담을 수 있습니다. 이 집중된 빔은 10,000°C 이상의 온도에 도달할 수 있습니다. 이는 대부분의 물질을 녹이거나 심지어 기화시킬 정도로 뜨겁습니다.
재료 상호작용
레이저가 표면에 닿으면 재료가 열을 흡수합니다. 재료의 종류에 따라 녹거나 타거나 증발합니다. 절단 중에는 질소나 산소와 같은 가스를 사용하는 경우가 많습니다. 녹은 재료를 날려버리고 가장자리를 깨끗하게 유지합니다.
레이저는 빠르고 정밀하게 작동하기 때문에 절단 부위가 과열되지 않습니다. 따라서 작은 열 영향 영역(HAZ)이 생성되어 파트 왜곡을 줄이고 모서리를 선명하게 유지합니다.
정밀 모션
올바른 모양을 얻으려면 레이저가 높은 정확도로 움직여야 합니다. 이는 일반적으로 CAD 파일과 같은 디지털 설계를 기반으로 레이저를 안내하는 CNC 제어를 사용하여 이루어집니다.
레이저 헤드나 작업대는 다양한 방향으로 움직일 수 있어 유연하고 복잡한 커팅이 가능합니다. 정밀 모터와 센서가 모든 것을 정렬하는 데 도움을 주기 때문에 레이저 기계는 세밀하고 반복 가능한 부품을 생산할 수 있습니다.
레이저 빔 가공의 주요 구성 요소
레이저 시스템의 모든 부품에는 각자의 역할이 있습니다. 이들은 함께 강력하고 집중된 빔을 생성하여 높은 정밀도로 재료를 제거합니다.
전원공급장치
전원 공급 장치는 시스템 작동에 필요한 에너지를 제공합니다. 레이저 매체에 전류를 보내 작업을 시작합니다. 전력량은 레이저 커팅의 강도와 속도에 영향을 미칩니다. 원활한 작동을 위해서는 안정적인 전력 흐름이 필수적입니다. 공장에서 레이저 기계는 수백 와트에서 수 킬로와트의 전력을 사용하는 경우가 많습니다.
플래시 램프
플래시 램프는 Nd: YAG 레이저와 같은 일부 레이저에 사용됩니다. 이 램프는 짧은 광선을 방출합니다. 이 빛은 레이저 매질을 충전하고 원자를 여기시킵니다. 원자가 그 에너지를 방출하면 레이저 빔의 구성 요소인 광자를 생성합니다. 플래시 램프는 이 과정을 시작하는 불꽃이라고 생각하면 됩니다.
커패시터
커패시터는 배터리와 같은 역할을 합니다. 필요할 때까지 전기 에너지를 저장합니다. 조건이 맞으면 강렬하고 빠른 버스트를 전송하여 플래시 램프에 전원을 공급합니다. 이 버스트가 없으면 플래시 램프의 에너지가 충분하지 않아 제대로 발광할 수 없습니다. 커패시터는 레이저가 최대 강도로 시작되도록 합니다.
반사 거울
레이저 시스템 내부의 거울은 빔을 형성하는 데 도움이 됩니다. 하나의 거울은 모든 빛을 반사합니다. 다른 거울은 일부 빛을 통과시킵니다. 빔은 이 두 거울 사이에서 여러 번 튕기며 통과할 때마다 강도를 높입니다. 결국 빔은 부분적으로 반사되는 거울을 통해 빠져나갑니다. 이것이 작동하는 레이저 빔이 됩니다. 이 거울은 빔이 안정적이고 깨끗하게 유지되도록 조심스럽게 정렬되어야 합니다.
렌즈
렌즈는 레이저 빔이 미러 설정을 떠난 후 초점을 맞춥니다. 렌즈는 빔을 아주 작은 지점에 집중시킵니다. 따라서 재료를 빠르게 녹이거나 태우는 것이 더 쉬워집니다. 렌즈는 또한 절단 영역을 형성합니다. 렌즈에 먼지가 있거나 정렬이 제대로 되지 않으면 절단이 지저분하거나 중심이 맞지 않을 수 있습니다. 그렇기 때문에 레이저 가공에서 좋은 렌즈와 이를 깨끗하게 유지하는 것이 매우 중요합니다.
가공에 사용되는 레이저의 종류
재료, 두께, 작업 요건에 따라 다양한 레이저 유형이 사용됩니다. 각 유형마다 강점이 있습니다.
CO₂ 레이저
이산화탄소 레이저는 이산화탄소가 포함된 가스 혼합물을 사용하여 레이저 빔을 생성합니다. 적외선 범위에서 작동하며 목재, 플라스틱, 유리, 직물과 같은 비금속 재료를 절단, 조각, 마킹하는 데 적합합니다.
특히 보조 가스의 도움을 받으면 일부 금속을 절단할 수 있지만 반사율이 높거나 두꺼운 금속 부품에는 적합하지 않습니다. 이러한 레이저는 포장, 간판, 목공과 같은 산업에서 표준으로 사용됩니다.
요점
- 파장: ~10.6µm
- 최적 대상: 비금속, 얇은 금속
- 장점: 부드러운 절단, 저렴한 가격, 널리 사용됨
- 제한 사항: 반사성 또는 두꺼운 금속에는 효과적이지 않음
Nd: YAG 레이저
Nd: YAG는 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷의 약자입니다. 고체 레이저입니다. 펄스 모드와 연속 모드 모두에서 작동할 수 있어 절단 및 드릴링에 적합합니다.
이 레이저는 금속, 특히 의료 기기나 전자 제품과 같이 높은 정밀도가 필요한 분야에서 잘 작동합니다. 또한 다음과 같은 용도로도 자주 사용됩니다. 용접 그리고 인그레이빙 세부 정보.
요점
- 파장: ~1.064 µm
- 최상의 용도: 금속, 미세 절단, 용접
- 장점 고출력, 정밀성, 다용도성
- 제한 사항: 더 많은 유지보수, 더 낮은 에너지 효율성
파이버 레이저
파이버 레이저는 광섬유를 사용하여 레이저 빔을 생성하고 전달합니다. 효율적이고 안정적이며 오래 지속되는 것으로 유명합니다. 이 레이저는 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 반사성 금속을 절단하는 데 탁월합니다.
파이버 레이저는 빔 크기가 작기 때문에 더 작은 면적에서 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다. 따라서 빠르고 정확합니다. 일반적으로 자동차, 항공우주 및 전자 산업에서 사용됩니다.
요점
- 파장: ~1.06µm
- 최적 대상: 금속 절단, 특히 반사 금속
- 장점 빠른 속도, 낮은 유지보수, 긴 서비스 수명
- 제한 사항: 높은 초기 비용
레이저 빔 가공에 적합한 재료
레이저 빔 가공은 다양한 재료에서 작동하지만 재료 유형, 두께 및 반사율에 따라 성능이 달라집니다. 올바른 소재를 선택하면 절단 품질과 효율성이 향상됩니다.
궤조
레이저는 금속을 절단하는 제조 분야에서 널리 사용됩니다. 연강, 스테인리스강, 알루미늄 및 티타늄과 같은 재료가 일반적으로 가공됩니다.
- 연강 쉽게 자르고 가장자리를 깨끗하게 남깁니다.
- 스테인레스 스틸 산화를 방지하기 위해 더 많은 전력과 보조 가스가 필요합니다.
- 알류미늄 는 가볍지만 반사성이 있어 절단 섬유 레이저로 다루기가 더 까다롭습니다.
- 티탄 열 왜곡이나 에지 품질 저하를 방지하기 위해 정밀한 제어가 필요합니다.
레이저는 얇은 판재와 적당히 두꺼운 판재 모두에 이상적입니다. 다음과 같은 다른 방법도 있습니다. 플라즈마 절단를 사용하는 것이 매우 두꺼운 금속에 더 실용적일 수 있습니다.
비금속
레이저 가공은 금속에만 국한된 것이 아닙니다. 레이저 가공은 다양한 비금속 소재에도 잘 작동합니다:
- 플라스틱 (아크릴 및 폴리카보네이트 등)은 CO₂ 레이저로 쉽게 자르거나 조각할 수 있습니다.
- 세라믹 표시를 하거나 구멍을 뚫을 수 있지만 조심스럽게 다루지 않으면 금이 갈 수 있습니다.
- 복합재 (탄소 섬유 또는 FR4 등)는 레이저 가공이 가능하지만 일부는 유해한 가스를 방출하므로 환기가 필요합니다.
CO₂ 레이저는 특히 포장, 간판 및 전자 산업에서 비금속에 일반적으로 사용됩니다.
소재 두께 및 반사율 고려 사항
레이저가 얼마나 잘 작동하는지에 영향을 미치는 두 가지 중요한 요소는 두께와 반사율입니다.
- 더 얇은 소재 는 더 쉽게 자르고 더 빠른 속도를 허용합니다.
- 두꺼운 소재 더 많은 전력이 필요하고 프로세스가 느려질 수 있습니다.
- 반사 표면구리나 알루미늄과 같은 금속은 레이저를 반사하여 기계를 손상시킬 수 있습니다. 파이버 레이저는 이러한 소재에 더 적합합니다.
프로세스 매개변수와 그 효과
레이저 빔 가공 성능은 몇 가지 주요 설정에 따라 달라집니다. 각 매개변수는 재료가 반응하는 방식과 최종 절단 또는 마크의 품질에 영향을 미칩니다.
레이저 출력 및 에너지 밀도
레이저 출력은 초당 빔이 전달하는 에너지의 양을 제어합니다. 출력이 높을수록 더 빠르고 깊게 절단할 수 있지만 열 손상이 더 많이 발생할 수 있습니다.
에너지 밀도는 작은 면적에 얼마나 많은 전력을 담을 수 있는지를 의미합니다. 이는 파워와 빔이 얼마나 세밀하게 집중되는지에 따라 달라집니다. 더 작은 공간에 더 많은 에너지가 모이면 더 효율적으로 절단할 수 있습니다.
- 두껍거나 딱딱한 소재에는 높은 파워가 더 좋습니다.
- 저전력으로 얇거나 섬세한 부품의 가장자리를 더 깔끔하게 처리할 수 있습니다.
- 전력이 너무 많으면 부품이 과열되거나 열 영향 영역(HAZ)이 증가할 수 있습니다.
펄스 지속 시간 및 빈도
펄스 레이저에서는 에너지가 연속적인 흐름이 아닌 짧은 버스트 형태로 전달됩니다.
- 펄스 지속 시간은 각 버스트가 지속되는 시간입니다. 펄스가 짧을수록 열 축적이 적고 더 잘 제어할 수 있습니다.
- 펄스 주파수는 초당 발생하는 버스트 횟수입니다. 주파수가 높을수록 속도가 빨라지지만 피크 에너지가 감소할 수 있습니다.
짧은 고주파 펄스는 정밀한 커팅이나 마킹에 이상적입니다. 더 긴 펄스는 더 깊은 절단에 효과적이지만 더 많은 열 스트레스를 유발할 수 있습니다.
초점 스팟 크기 및 빔 품질
초점 스팟 크기는 절단 지점에서 레이저 빔의 너비입니다. 스팟이 작을수록 한 곳에 더 많은 에너지가 집중되어 더 선명하고 정확하게 절단할 수 있습니다.
빔 품질은 레이저가 얼마나 안정적이고 균일한지를 나타냅니다. 고품질 빔은 특히 먼 거리에서 또는 세밀한 부분을 절단할 때 모양과 초점을 더 잘 유지합니다.
- 스팟 크기가 작을수록 더 미세한 컷과 더 작은 커프를 의미합니다.
- 빔 초점이 맞지 않으면 가장자리가 거칠어지거나 모양이 누락될 수 있습니다.
- 깨끗한 광학 장치와 적절한 정렬은 우수한 빔 품질을 유지하는 데 도움이 됩니다.
레이저 빔 가공의 장점
레이저 빔 가공은 기존 절단 방식에 비해 많은 이점을 제공합니다. 빠르고 정확하며 유연하기 때문에 많은 산업 분야에서 최고의 선택이 되고 있습니다.
높은 정밀도와 정확성
레이저 커팅은 보통 ±0.05mm 이내의 엄격한 공차를 달성할 수 있습니다. 빔이 작은 지점에 집중되어 깨끗하고 섬세한 절단이 가능합니다. 이는 정확한 모양, 날카로운 모서리 또는 미세한 특징이 필요한 부품에 이상적입니다.
공구 마모 최소화
레이저 커팅은 비접촉 공정이므로 물리적 도구가 재료에 닿지 않습니다. 즉, 커팅 날을 갈거나 교체할 필요가 없습니다. 빔이 모든 작업을 수행하므로 마모가 거의 없거나 전혀 없습니다.
복잡한 모양을 자르는 기능
레이저 기계는 CNC로 프로그래밍된 경로를 따라 날카로운 각도, 좁은 곡선, 구멍 또는 섬세한 패턴을 도구를 바꾸지 않고도 절단할 수 있습니다. 따라서 드릴이나 톱으로 가공하기 어려운 복잡한 디자인도 쉽게 처리할 수 있습니다.
비접촉 프로세스
소재에 힘이 가해지지 않기 때문에 얇거나 섬세한 부품이 구부러지거나 깨지지 않습니다. 또한 진동이나 마찰이 없어 깨지기 쉬운 부품을 보호하는 데 도움이 됩니다. 또한 공구 자국이나 표면 손상의 위험도 줄어듭니다.
한계와 과제
레이저 빔 가공에는 많은 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있습니다. 이러한 단점을 이해하면 레이저 절단이 적합한 경우와 그렇지 않은 경우를 결정하는 데 도움이 됩니다.
높은 장비 비용
레이저 기계, 특히 고출력 또는 광섬유 모델은 가격이 비쌀 수 있습니다. 초기 비용에는 기계, 냉각 시스템, CNC 제어 및 환기 설정이 포함됩니다.
유지보수, 예비 부품, 숙련된 작업자 또한 총 투자 비용에 추가됩니다. 이는 소규모 워크샵이나 저예산 프로젝트의 경우 장벽이 될 수 있습니다.
제한된 재료 두께
레이저 커팅은 얇고 중간 두께의 재료에 가장 적합합니다. 예를 들어 파이버 레이저는 최대 25mm의 연강까지 효율적으로 절단할 수 있지만, 그 이상은 속도가 떨어지고 절단 품질이 저하될 수 있습니다.
플라즈마 또는 워터젯 절단 는 매우 두꺼운 판이나 무거운 용도에 더 실용적일 수 있습니다.
민감한 재료에 대한 열 영향
레이저는 높은 열을 발생시키므로 열에 민감한 소재에 문제를 일으킬 수 있습니다. 일부 플라스틱은 녹거나 유해한 가스를 방출할 수 있습니다. 얇은 금속은 조심스럽게 절단하지 않으면 휘어지거나 넓은 열 영향 영역(HAZ)이 생길 수 있습니다.
구리나 황동과 같은 소재는 빛을 반사하므로 특별한 취급이나 고출력 레이저가 필요할 수 있습니다.
안전 및 운영 고려 사항
레이저 시스템에는 고전압, 밝은 빔, 때로는 유독성 가스가 포함됩니다. 적절한 차폐, 배기 시스템, 개인 보호 장비(PPE)가 필수적입니다.
작업자는 빔 반사나 가스 누출과 같은 레이저 관련 위험을 처리할 수 있도록 교육을 받아야 합니다. 이 프로세스는 적절한 설정 없이는 작업장에서 안전 위험을 초래할 수 있습니다.
산업 전반의 애플리케이션
레이저 빔 가공은 고정밀, 빠른 절단, 깔끔한 결과물을 제공하기 때문에 많은 산업 분야에서 사용됩니다. 레이저 빔 가공이 일반적으로 어디에 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.
항공우주 및 항공
항공우주 산업에서는 정확성과 부품 신뢰성이 매우 중요합니다. 레이저 절단은 경량 금속 부품, 엔진 부품 및 복잡한 브래킷에 사용됩니다. 강도는 그대로 유지하면서 부품 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.
레이저는 티타늄이나 인코넬과 같은 고성능 합금도 매우 정밀하게 절단합니다. 이는 응력 하에서 재료의 성능이 중요한 항공기에서 중요합니다.
의료기기 제조
의료용 부품에는 종종 미세한 피처와 깨끗하고 버가 없는 모서리가 필요합니다. 레이저 가공은 수술 도구, 임플란트, 스텐트 및 진단 부품을 제작합니다.
이 공정은 비접촉식이며 고도로 제어되기 때문에 섬세한 부품의 오염과 손상을 방지합니다. Nd: YAG 및 파이버 레이저는 이 분야에서 보편적으로 사용되고 있습니다.
전자 및 마이크로패키징
레이저 가공은 회로 기판, 커넥터, 센서와 같은 작은 부품을 절단, 드릴링, 마킹하는 전자 제품에서 빛을 발합니다. 또한 실리콘 웨이퍼와 플라스틱 하우징을 미세 가공하는 데에도 사용됩니다.
단펄스 레이저는 주변 부위를 과열시키지 않고 매우 미세한 특징을 만들 수 있어 민감한 부품이 손상되지 않도록 안전하게 보호합니다.
자동차 및 툴링
자동차 제조에서 레이저는 차체 패널, 브래킷, 기어 및 내부 부품을 절단합니다. 또한 트리밍 및 용접 작업에도 도움이 됩니다.
레이저 가공은 높은 반복성으로 대량 생산을 지원합니다. 또한 새로운 도구나 금형을 만들 필요 없이 간단한 CAD 파일 업데이트를 통해 유연한 설계 변경이 가능합니다.
결론
레이저 빔 가공은 정밀하고 깨끗하며 유연한 절단 방법입니다. 집속 레이저를 사용하여 금속과 비금속을 정확하게 절단하거나 조각합니다. 이 공정은 엄격한 공차, 공구 마모 없음, 복잡한 형상을 처리할 수 있는 능력 등 분명한 이점을 제공합니다. 하지만 높은 장비 비용, 두께 제약, 특정 재료에 대한 열 영향과 같은 한계도 있습니다.
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안녕하세요, 저는 케빈 리입니다
지난 10년 동안 저는 다양한 형태의 판금 제작에 몰두해 왔으며 다양한 워크숍에서 얻은 경험에서 얻은 멋진 통찰력을 이곳에서 공유했습니다.
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케빈 리
저는 레이저 절단, 굽힘, 용접 및 표면 처리 기술을 전문으로 하는 판금 제조 분야에서 10년 이상의 전문 경험을 갖고 있습니다. Shengen의 기술 이사로서 저는 복잡한 제조 문제를 해결하고 각 프로젝트에서 혁신과 품질을 주도하는 데 최선을 다하고 있습니다.
