파이버 레이저 절단: 공정, 장점 및 응용 분야

고출력 레이저는 금속에 복잡한 패턴을 절단하면서 강렬한 빛과 파편을 발생시킵니다.

파이버 레이저 절단 제조 공정은 희토류 원소가 도핑된 광섬유를 사용하여 고강도 레이저 빔을 생성하고, 이를 통해 스테인리스강 및 탄소강을 포함한 다양한 금속을 정밀하게 절단합니다. 파이버 레이저는 1.064 마이크로미터의 파장에서 회절 한계 빔을 생성하여 0.1mm에서 25mm 이상의 두께에 이르는 다양한 재료를 빠르고 정확하게 절단할 수 있습니다. 1kW에서 20kW에 이르는 파이버 레이저 절단기의 레이저 출력 범위는 항공우주 및 자동차 제조 분야에 효율적이고 정밀한 금속 절단 작업을 제공합니다.

 

파이버 레이저 절단기의 역사

광섬유 레이저 절단기의 개발은 알베르트 아인슈타인의 1917년 유도 방출 이론에서 시작되었습니다. 엘리아스 스니처는 1963년 네오디뮴이 도핑된 유리 섬유를 이득 매질로 사용하여 최초의 광섬유 레이저 절단을 구현했습니다. IPG 포토닉스는 2000년대 초 상용 광섬유 레이저 절단 시스템을 출시하며 고출력 광섬유 레이저를 개발한 최초의 기업이 되었습니다. 

최초의 산업용 파이버 레이저 절단기는 2009년에 등장했습니다.살바니니가 광섬유를 이용해 빔을 전송했을 당시에는 광섬유 레이저가 중요한 역할을 했습니다. 현대 제조 공정에서는 연구자들이 출력과 모드 잠금 기술을 개선하여 빔 품질을 향상시켰기 때문에 광섬유 레이저 절단이 표준 공정으로 자리 잡았습니다.

 

파이버 레이저 기술 vs. CO₂ 및 YAG 레이저

두꺼운 금속을 절단하는 파이버 레이저 절단기의 근접 사진으로, 밝게 녹은 금속 조각과 불꽃이 튀고 있다.

의 운영 특성 컷팅 파이버 레이저 기술은 특정한 파장, 높은 작동 효율, 그리고 유지보수 요구 사항 감소 덕분에 CO₂ 및 YAG 레이저에 비해 우수한 성능을 제공합니다. 파이버 레이저의 1.064 마이크로미터 파장은 CO₂ 레이저의 10.6 마이크로미터 파장보다 스테인리스강이나 알루미늄과 같이 흡수율이 높은 재료에 더 적합합니다. 

플라즈마 절단 vs 레이저 절단: 파이버 레이저에 사용되는 고체 광섬유는 열 렌징을 최소화하고 출력 확장을 향상시키기 때문에 가스 혼합물을 사용하는 CO₂ 레이저나 결정 이득 매체를 사용하는 YAG 레이저와는 작동 방식이 다릅니다. 파이버 레이저의 이중 클래드 광섬유 설계는 펌프 광 효율을 높여 전기-광 변환율을 30-40%까지 향상시키는데, 이는 CO₂ 및 YAG 시스템의 10-20% 및 5-15% 변환율을 능가합니다.

• 파장1.064µm 파장의 파이버 레이저는 금속 절단에 탁월한 성능을 제공합니다. 그러나 10.6µm 파장의 CO₂ 레이저는 비금속 재료에 가장 적합하며, 1.064µm 파장의 YAG 레이저는 열 문제에 직면합니다.
• 여과 효율광섬유 레이저의 작동 효율은 30~40%에 달하여 CO₂ 레이저(10~20%) 및 YAG 레이저(5~15%)에 비해 에너지 비용이 절감됩니다.
• 유지보수광섬유 레이저의 레이저 공동에는 움직이는 부품이 없기 때문에 유지 보수가 거의 필요하지 않지만, CO₂ 레이저는 거울 조정이 필요하고 YAG 레이저는 램프 교체가 필요합니다.
• 빔 품질파이버 레이저 절단기의 빔 품질은 회절 한계에 가까운 성능을 달성하여 얇은 금속판을 정밀하게 절단하는 데 있어 CO₂ 및 YAG 레이저보다 우수합니다.
• 재료 호환성구리 금속의 반사 특성 덕분에 광섬유 레이저는 CO₂ 레이저와 달리 역반사가 발생하지 않아 사용하기에 적합합니다. 그러나 YAG 레이저는 적용 범위가 제한적입니다.

매개 변수	섬유 레이저	CO2 레이저	YAG 레이저(Nd:YAG)
중급	도핑된 광섬유	가스 혼합물	고체 결정
파장	1.06~1.08μm	10.6 μm의	1.064 μm의
여과 효율	30-50의 %	10-20의 %	10-25의 %
빔 품질 M²	1.1-1.3	1.2-3.0	1.5–10 +
전력 범위	1W 미만 ~ 100kW 초과	최대 30kW	최대 6kW CW
유지보수	높음	높음	중급
지원 기기	금속	비금속	펄스 금속 가공
장점	효율적이고 컴팩트하며 유지보수가 간편합니다.	두꺼운 비금속 절단	높은 피크 전력
제한 사항	일부 비금속	반사되는 금속 표면에 부피가 크고 부적합합니다.	열 관련 문제는 평균 전력을 낮춥니다.

 

파이버 레이저의 작동 원리

표면층 제거를 위한 레이저 가공

광섬유 레이저의 작동 과정은 희토류 원소인 이터븀을 이득 매질로 사용하는 펌프광을 광섬유를 통해 증폭시켜 결맞음 광을 생성하는 것을 포함합니다. 이중 클래드 광섬유에는 레이저 다이오드가 내장되어 있으며, 이 다이오드가 빛을 내부 클래딩으로 주입하여 이온 여기를 일으키고, 이는 유도 방출로 이어집니다. 

레이저 공진기는 광섬유 브래그 격자와 유전체 거울의 조합을 통해 높은 빔 품질을 구현합니다. 포화 흡수체와 모드 고정 기술의 결합으로 고강도 작업에 필요한 초단펄스를 생성합니다. 동시에 출력은 20kW까지 확장되어 25mm 두께의 탄소강을 분당 10m 이상의 속도로 절단할 수 있습니다.

모드 잠금 및 빔 품질

모드 잠금 기술은 종방향 모드를 동기화하여 초단펄스를 생성함으로써 피크 출력을 높여 정밀한 절단을 가능하게 합니다. 포화 흡수체를 사용하는 이 기술은 유도 라만 산란과 같은 비선형 효과를 완화합니다. M² 계수로 측정되는 빔 품질은 단일 모드 광섬유에서 1에 가까운 값을 유지하여 1mm 두께의 스테인리스강을 정밀하게 절단할 수 있도록 초점을 정확하게 맞출 수 있습니다. 다중 모드 광섬유는 더 높은 출력을 지원하지만, 광섬유 디스크 레이저처럼 최적화하지 않으면 빔 품질이 저하될 수 있으므로 CNC 광섬유 레이저 응용 분야에서는 일관된 성능을 보장해야 합니다.

희토류 원소

레이저 절단 시스템의 개략도. 빔 입력, 초점 광학 장치 및 공작물에 대한 출력 부분을 보여준다.

파이버 레이저의 작동은 필수 도핑 물질인 희토류 원소 이터븀과 에르븀에 달려 있습니다. 이터븀의 높은 양자 효율 덕분에 1.07 마이크로미터 파장의 빛을 증폭할 수 있어 연속파 금속 절단 작업에 적합합니다. 에르븀을 도핑하면 특정 산업 용도에 적합한 중적외선 영역도 사용할 수 있습니다. 광섬유는 이러한 원소들을 포함하여 이중 클래드 구조를 가지며, 이 구조는 펌프광을 효율적으로 흡수하는 동시에 발열량이 낮은 레이저를 생성하여 안정적인 파이버 레이저 절단기를 구현할 수 있게 합니다.

 

파이버 레이저 절단기의 구성 요소

산업용 레이저 절단기가 금속 부품을 가공하는 동안 불꽃을 내뿜으며 작동 중입니다.

• 레이저 소스이터븀이 도핑된 섬유 레이저는 1~12kW의 출력으로 작동하여 10mm 두께의 스테인리스강을 절단할 수 있는 강력한 빔을 생성합니다.
• 커팅 헤드절삭 헤드는 초점 렌즈, 보조 가스 노즐, 금속 가공 중 정밀한 높이 모니터링을 가능하게 하는 정전 용량 센서 등 세 가지 필수 구성 요소로 이루어져 있습니다.
• CNC 제어 시스템CNC 제어 시스템은 폐쇄 루프 방식으로 작동하는 서보 모터를 통해 작동하여 복잡한 절단 디자인에 대해 ±0.01mm의 정밀도를 달성합니다.
• 기계 침대기계 베드는 공작물을 고정하는 강철 프레임으로 구성되어 레이저 소스와 광학 부품 모두의 열 안정성을 유지하여 중단 없는 작동을 가능하게 합니다.
• 냉각 시스템가스 공급 시스템은 고속 파이버 레이저 절단 작업 중 안정성을 유지하도록 배치되어 있습니다.
• 가스 공급 시스템냉각 시스템은 물 냉각기를 사용하여 산소 또는 질소를 공급함으로써 탄소강 및 기타 재료를 가공할 때 절삭 성능과 표면 품질을 향상시킵니다.
• 모션 시스템이 모션 시스템은 랙앤피니언 방식과 선형 구동 방식을 결합하여 최대 50m/min의 빠르고 정확한 절단 속도를 구현합니다.
• 배기 시스템배기 시스템은 연기와 폐기물을 제거하여 CNC 금속 절삭 작업 중 깨끗한 환경을 유지하는 데 도움을 줍니다.

파이버 레이저 절단기 유형 

• 평판형 금속 절단기이 절단기는 다음과 같이 작동합니다. 판금 레이저 절단 자동차 및 항공우주 제조 분야에 필요한 최대 25mm 두께의 재료를 처리할 수 있는 절단기입니다.
• 튜브 및 파이프 절단기이 공구는 회전축을 갖추고 있어 사용자가 배기 시스템 및 구조용 튜브에 사용되는 원통형 부품을 절단할 수 있습니다.
• 고출력 시스템이 시스템들은 6kW 이상의 출력으로 작동하여 중공업 환경에서 두께 20mm의 탄소강판을 처리할 수 있습니다.
• 보급형 기계Boss Laser 브랜드는 2kW 미만의 출력으로 작동하는 보급형 장비를 제공하며, 얇은 재료를 다루는 소규모 작업에 적합합니다.
• 폐쇄형 시스템이러한 시스템은 안전 연동 장치와 분진 방지 기능을 통해 작업자를 보호하여 안전한 대량 생산 작업을 가능하게 합니다.
• 하이브리드 머신CNC 파이버 레이저 응용 분야에서 절단, 벤딩 및 용접 기능이 결합되어 기계의 다용성을 향상시킵니다.

 

단계별 파이버 레이저 절단 공정

1단계: 재료 준비 및 설치

가공 과정의 첫 번째 단계는 금속판 가공물을 기계 베드에 고정하는 것입니다. CNC 시스템은 절단 패턴 디자인이 포함된 CAD 파일을 입력받습니다. 5mm 탄소강의 재질 특성상 3kW의 레이저 출력과 발열 절단을 위한 산소 보조 가스가 필요하며, 스테인리스강의 경우 산화막 없는 절삭면을 얻기 위해 질소 가스가 사용됩니다.

2단계: 빔 교정 및 관통

절단 헤드는 레이저가 재료에 관통 펄스를 발생시키기 전에 시작 위치를 설정합니다. 10mm 알루미늄 절단에 사용되는 고출력 펄스는 열영향부의 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다. 헤드 높이 제어 시스템은 서보 기술을 사용하여 빔 초점을 정확한 높이에 유지함으로써 최적의 빔 품질을 보장합니다.

3단계: 절단 경로 실행

파이버 레이저 절단기는 최소한의 절단 폭으로 금속판을 정밀하게 성형합니다.

레이저 시스템은 프로그래밍된 경로를 따라 재료를 녹여 절단하며, 보조 가스는 절단 부위에서 녹은 잔해물을 제거합니다. 최적의 절단면을 얻으려면 2mm 스테인리스강의 절단 속도를 8m/min으로 설정해야 합니다. 레이저 빔은 회절 한계 초점을 유지하여 0.05mm만큼 낮은 공차로 정밀한 절단이 가능합니다.

4단계: 모니터링

이 시스템은 폐루프 피드백을 사용하여 빔 강도와 가스 압력 수준을 추적하고, 이를 통해 결함 발생을 방지하기 위한 자동 조정을 가능하게 합니다. 또한 열 변형을 실시간으로 모니터링하여 20mm 탄소강 소재에 대한 안정적인 절삭 작업을 유지합니다.

5단계: 후처리 및 검사

절삭 공정이 완료된 후 기계적 또는 화학적 방법을 통해 슬래그와 버를 제거합니다. CNC 파이버 레이저 시스템은 공작물 측정에서 0.01mm의 정밀도로 치수 정확도 검사를 제공합니다. 마지막 생산 단계에는 연마된 모서리가 필요한 용도를 위한 표면 처리가 포함됩니다.

 

일반적인 절삭 방식 및 적용 분야

• 연속파(CW): 이 시스템은 일정한 빔을 생성하여 자동차 분야에서 15mm 탄소강 패널을 정밀한 절단면을 유지하면서 빠르게 금속 절단할 수 있도록 합니다.
• 펄스파(PW): 이 시스템은 짧은 펄스를 생성하여 전자 제품 및 보석 가공 중 얇은 소재가 열 손상을 입는 것을 방지하는 데 도움을 줍니다.
• 단일 모드: 이 시스템은 뛰어난 빔 품질을 제공하여 의료 장비에 정밀한 레이저 절단 디자인을 구현하는 데 적합합니다.
• 멀티 모드 : 이 시스템은 건설 분야에 사용되는 20mm 두께의 강철 부품을 절단하기 위해 높은 출력으로 작동합니다.

파이버 레이저 절단에 적합한 재료

목재, 강철, 알루미늄에 대한 레이저 절단 사례를 통해 재료의 다용성을 보여줍니다.

고강도 광과 정밀한 빔 제어 기능을 갖춘 파이버 레이저 절단 시스템은 금속을 비롯한 다양한 재료를 절단하는 데 매우 적합합니다.

금속

• 스테인레스 스틸 레이저 절단질소 보조 방식으로 최대 30mm까지 절단 가능하며, 산화 방지 처리가 되어 모서리가 깔끔합니다.
• 탄소강산소 보조식 절단 손잡이 (최대 25mm)
• 알루미늄 시트 가공최대 20mm까지 처리 가능하며, 반사율 때문에 더 높은 전력이 필요합니다.
• 구리 레이저 절단반사성 금속을 특수 노즐로 절단

비금속

• 아크릴과 목재얇은 층 형성에 적합하지만, CO₂ 레이저보다 효율은 떨어집니다.
• 폴리머파장 흡수로 인해 특정 유형으로 제한됨

자재	최대 두께(mm)	보조 가스	어플리케이션	도전
스테인리스 강	30	질소	의료용품, 주방용품	산화물 없는 가장자리 요구 사항
탄소강	25	산소	자동차, 건설	슬래그 관리
알류미늄	20	질소	항공우주, 전자	높은 반사율
구리 / 황동	10	질소	전기 구성 요소	역반사 위험
아크릴/목재	5	공기/질소	간판, 프로토타입 제작	제한된 흡수 효율

 

파이버 레이저 절단의 응용

자동차 산업

스테인리스강과 알루미늄으로 제작된 차체 패널, 섀시 부품 및 배기 시스템은 파이버 레이저 절단기를 통해 생산됩니다. 절단 공정은 2mm 탄소강을 기준으로 분당 10m의 속도로 진행되며, ±0.05mm의 정밀도로 높은 생산 속도를 달성합니다.

항공우주 부문

이 기술은 고품질 빔을 활용하여 엔진 부품 및 기체 부품용 티타늄 합금과 알루미늄을 절단하는 동시에 중요 조립품의 변형을 최소화합니다.

전자 제품 제조

회로 기판 케이스와 커넥터 생산에는 광섬유 레이저가 사용되는데, 이는 펄스 작동을 통해 정밀한 절단을 구현하여 민감한 부품의 열 손상을 최소화합니다.

의료기기 생산

스테인리스강 임플란트 및 수술 도구 생산에는 정밀한 레이저 절단이 필요하며, 단일 모드 빔은 0.01mm의 정확도로 복잡한 디자인을 구현할 수 있습니다.

건설 및 건축

건축 골조 및 외관 생산은 20mm 강판을 효율적으로 절단하는 동시에 구조용 강재 및 장식 패널을 가공하는 고출력 시스템에 의존합니다.

파이버 레이저 절단 서비스s

프로린테크 당사는 경쟁력 있는 가격과 빠른 납기로 고품질 레이저 절단 서비스를 제공합니다. 당사의 레이저 절단기는 합금, 초합금, 황동과 같은 금속을 포함한 다양한 소재와 복잡한 형상을 절단할 수 있습니다. 

정확성, 낭비 최소화, 확장 가능한 생산을 위해 저희와 파트너십을 맺으세요. 완전한 솔루션을 요청하세요. 24시간 무료 견적 지금.

 

맺음말

정밀 제조 산업은 탁월한 효율성과 정밀한 금속 절단 기능을 제공하는 파이버 레이저 절단 기술의 이점을 누리고 있습니다. 이 시스템은 분당 50m의 고속으로 1mm 두께의 스테인리스강부터 25mm 두께의 탄소강까지 다양한 소재를 절단할 수 있어 자동차, 항공우주 및 전자 제품 제조에 필수적인 기술입니다. 

레이저 출력 및 빔 품질, 그리고 CNC 제어 시스템의 발전으로 파이버 레이저 절단기는 더욱 다양한 작업을 수행할 수 있게 되었으며, 필수적인 생산 도구로서의 입지를 더욱 공고히 하고 있습니다. 파이버 레이저 시스템의 선택은 특정 요구 사항에 따라 달라지지만, 광섬유 설계 덕분에 안정적이고 고성능의 작동을 보장합니다.

 

FAQ's

파이버 레이저란 무엇인가?

파이버 레이저는 고강도 광원으로, 본질적으로 희토류 금속이 도핑된 레이저이며, 이득 매질을 사용하여 정밀 절단을 위한 고에너지 빔을 생성합니다.