레이저 절단 기술에 대한 완벽 가이드

레이저 절단

레이저 절단 공정은 집중된 고에너지 레이저 빔을 사용하여 재료를 녹이거나 기화시켜 절단하는 방식으로, 가공물에 최소한의 손상만 가하면서 정밀한 절단이 가능하여 첨단 레이저 절단 기술을 보여줍니다.

프로린텍은 정밀 부품, 판금 부품 및 열영향부(HAZ)에 민감한 소재에 대한 고품질 레이저 절단 서비스를 제공합니다. 플라즈마 절단, 파이버 레이저, 비접촉 레이저 절단 공정 등 다양한 기술을 활용하여 정밀 절단 기술로 정확한 부품 생산과 최적화된 생산을 실현하며, 절단 폭을 최소화하고 버(burr) 발생을 줄입니다.

 

레이저 절단 기술 소개

레이저 절단 공정은 집속된 적외선 광선을 사용하며, 이 광선은 광학 부품을 통과하여 최대 10⁶ W/cm²의 전력 밀도를 통해 재료를 분리합니다. 이는 레이저 절단 기술이 광학 및 금속 분야 모두에서 어떻게 작동하는지를 보여줍니다. 파이버 레이저 대 CO2 레이저이 시스템은 경로 안내를 위한 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 결합하여 산업 응용 분야에서 0.1mm의 좁은 절단 폭과 ±0.025mm까지의 정밀한 공차로 복잡한 형상을 생산합니다.

 

레이저 절단이란 무엇입니까?

레이저 절단 기술은 강력한 레이저 빔을 사용하여 공작물을 용융점 또는 기화점에 도달할 때까지 가열합니다. 보조 가스 제트는 빔과 동일한 축으로 작동하여 용융 및 기화된 재료를 밀어내어 절단면을 생성합니다.

이 공정은 광자가 재료에 들어가 열점을 생성하고, 이 열점이 상변화를 통해 재료를 변형시키면서 시작됩니다. 재료 제거는 크게 네 가지 방식으로 이루어집니다. 융합 절단(불활성 가스), 반응성 융합 절단(산소), 증발 절단, 그리고 취성 또는 열에 민감한 재료에 대한 제어된 파괴/삭마 방식입니다. 빔 집속 시스템은 직경 0.1mm에서 0.5mm 사이의 스폿을 생성하여 펄스 작동 중에 즉각적인 증발을 일으킬 수 있는 충분한 출력 밀도를 제공합니다.

 

레이저 절단 부품

레이저 소스

레이저 시스템 유닛

공진기는 기체, 고체 결정 또는 광섬유 재료로 구성된 이득 매질에서 발생하는 유도 방출을 통해 빔을 생성합니다.

빔 전달 시스템

빔 전달 시스템은 거울과 광섬유를 사용하여 빔을 전송하는 동시에 단일 모드 작동 시 M² 계수 값이 1.3 미만이 되도록 하여 빔 품질을 유지합니다.

포커싱 광학

레이저 초점 렌즈

이 시스템은 렌즈 또는 적응형 거울을 사용하여 회절 한계에 도달하는 스폿 형성을 구현하며, 판금 가공 분야에서 50~200mm 범위의 초점 거리에서 작동합니다.

커팅 헤드

절단 헤드는 직경 0.8~3mm의 노즐과 10µm의 정밀도로 이격 거리를 제어할 수 있는 정전식 또는 광학식 높이 센서, 그리고 보조 가스 주입구를 갖추고 있습니다.

모션 시스템

갠트리, 하이브리드 및 플라잉 옵틱스 구성은 사용자가 6m × 3m의 이동 영역에서 움직이는 동안 10µm의 위치 정확도를 달성할 수 있도록 합니다.

CNC 컨트롤러

이 시스템은 G 코드 명령을 읽는 동시에 MHz 속도로 CW 모드와 펄스 모드 간의 레이저 주파수 변조를 제어하고 모든 공정 설정을 처리합니다.

가스 공급 지원

보조 가스 노즐 도면

이 시스템은 5~25bar 범위의 압력에서 고순도 질소(99.999%), 산소 및 아르곤을 사용하여 작동합니다.

냉각기 및 배기 장치

이 시스템은 온도 안정성을 유지하면서 시스템 내의 모든 연기와 미립자를 제거합니다.

 

레이저 절단 메커니즘

주요 제거 과정은 다음과 같은 방식으로 진행됩니다.

• 용융물 배출: 초음속 가스 제트에서 발생하는 전단력에 의한 액상 제거 과정은 금속 재료에서 지배적인 현상입니다.
• 증발: 이 공정은 증발 잠열보다 더 많은 에너지를 필요로 하므로 얇은 재료 및 내화성 물질에 적합합니다.
• 화학적 분해/삭제: 고분자 및 복합재료의 분해 과정에서 화학 결합의 파괴와 광화학 반응이 발생합니다.
• 위상 폭발: 상 폭발 과정은 초단펄스 조사에 의해 과열된 액체가 폭발적으로 기체 및 플라즈마 상태로 변환될 때 발생합니다.

 

레이저 절단 공정

설계 준비 및 CNC 가공

레이저 절단 이 시스템은 CAM 소프트웨어를 사용하여 CAD 모델을 2D 또는 2.5D 벡터 경로로 변환하는 것으로 시작합니다. 네스팅 알고리즘을 사용하여 재료 사용을 최적화하는 동시에 진입 및 진출 구간과 미세 접합부를 추가하고, 모서리 부분의 결함을 방지하고 부품이 골격에 잘 부착되도록 오버컷을 적용합니다.

공작물 고정

가공물은 진공 클램프 또는 기계식 클램프로 고정되며, 이 클램프들은 재료를 지지하는 동시에 반사광과 슬래그가 아래로 떨어지도록 합니다. 절삭 헤드 스탠드오프는 작업 시작 전에 교정해야 하며, 노즐 상태도 점검해야 합니다. 판재 또는 시트는 벌집형 또는 핀형, 혹은 슬랫형 베드 위에 놓여 재료를 지지하고 고정합니다.

꿰뚫는

제어된 고출력 펄스 또는 출력 증가를 통해 시작점에 관통 구멍을 생성합니다. 공정 시간은 얇은 재료의 경우 0.3초에서 25mm 스테인리스강판의 경우 15초까지 다양합니다. 나선형 및 지그재그형 움직임 패턴은 분출되는 재료로 인한 노즐 손상을 방지하는 데 도움이 됩니다. 관통 공정은 용융량이 더 많기 때문에 절단 공정과 매개변수가 다릅니다. 관통 작업에 사용되는 매개변수는 용융량이 과도하게 발생하기 때문에 절단 작업에 사용되는 매개변수와 다릅니다.

윤곽 절단

모션 시스템은 얇은 금속 소재 가공을 위해 10~150m/min 범위의 프로그래밍된 이송 속도로 작동합니다. 레이저 출력은 속도 변화에 따라 즉시 조정되어 일정한 에너지 수준(J/mm)을 유지합니다. 이 시스템은 특정 소재 두께에 맞춰 최적의 초점 위치, 가스 압력 및 펄스 매개변수를 유지하여 0.1~0.5mm의 절단 폭과 5µm 미만의 표면 거칠기를 구현합니다.

가스 공급 보조

노즐은 5~25bar의 고압 가스를 분사하여 초음속 제트를 생성하고, 이 제트는 용융된 재료를 아래쪽으로 밀어내면서 절단합니다. 질소 또는 아르곤 가스를 사용하면 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄을 절단할 때 산화막이 없는 깨끗한 절단면을 얻을 수 있습니다. 반면, 산소 가스와 탄소강의 반응은 발열 반응을 일으켜 일정한 출력에서 ​​더 두꺼운 재료를 절단할 때 절단 속도를 100~300%까지 향상시킵니다.

 

레이저 절단기의 종류

매개 변수	섬유 레이저	CO2 레이저	Nd:YAG / 펄스형 Nd:YAG	다이렉트 다이오드 레이저
파장	1.07 μm	10.6 μm	1.064 μm	0.9–1.0 µm (청색 450 nm)
이득 중간	Yb 도핑 섬유	CO₂/N₂/He 가스 혼합물	Nd 도핑된 결정	반도체 다이오드
벽면 플러그 효율성	30-50의 %	10-20의 %	20~30% (다이오드 펌프 방식)	40-60의 %
빔 품질(M²)	1.1–2.0 (단일 모드)	1.2-1.5	1.3-50	10-100
일반적인 전력 범위	500W - 100kW 이상	1–30kW	50W–8kW	2–30kW
주요 재료	금속(고반사성 금속 포함)	비금속, 두꺼운 탄소강	금속, 세라믹, 드릴링	얇은 금속, 구리/황동
절삭 속도 (1mm 스테인리스강)	최고 속도 (>100m/min)	보통	낮 춥니 다	얇은 시트 위에 높이
유지보수	매우 낮음 (>100,000시간)	중간 (가스)	중간-높음	매우 낮은
초기 투자 비용 (6kW)	중간~높음	낮음-중간	높음	중급

파이버 레이저 시스템

두꺼운 금속 레이저 절단

파이버 레이저의 이득 매질은 이터븀이 도핑된 실리카 섬유로 구성되며, 1.07µm 파장을 생성하면서 30%~50%의 전력 효율을 달성합니다. 빔 전달은 유연한 광섬유를 통해 이루어지므로 플라잉 옵틱 시스템에서 움직이는 거울이 필요하지 않습니다. 단일 모드 섬유는 1.3 미만의 M² 값을 생성하여 25µm 미만의 스폿을 만들면서 1mm 두께의 스테인리스강을 100m/min 이상의 속도로 절단할 수 있습니다. 구리나 황동과 같은 반사성 금속이 근적외선 파장을 흡수하는 특성 덕분에 이러한 레이저는 고출력 시장에서 큰 비중을 차지하는 최신 평판 절단 응용 분야에 가장 적합한 선택입니다.

CO₂ 레이저 시스템

레이저 절단 공정도

CO₂ 레이저는 CO₂-N₂-He 혼합 가스 방전을 통해 10.6 µm 파장에서 작동하며, 이는 산업용 절단 응용 분야에서 전통적으로 사용되어 온 방식입니다. 빔 전달에는 회전식 미러가 필요하며, 이 미러는 정렬 불량이 발생할 수 있습니다. 이 시스템은 산소를 보조 가스로 사용할 경우, 원적외선 흡수율이 높고 두꺼운 탄소강에도 우수한 품질(M² ≈1)의 빔을 생성합니다. 아크릴, 목재, 섬유와 같은 비금속 재료에도 탁월한 결과를 얻을 수 있지만, 시스템 효율이 10~20%에 불과하여 가스 사용 및 미러 유지 보수에 추가 비용이 발생합니다.

Nd:YAG 및 Nd:YAG 펄스 레이저

Nd:YAG 레이저 다이어그램

네오디뮴이 도핑된 Nd:YAG 로드 또는 디스크 레이저는 1.064µm 파장의 빛을 생성합니다. 다이오드 펌핑 레이저의 개발로 램프 펌핑 방식은 더 이상 사용되지 않습니다. 드릴링 및 얇은 금속 트레패닝 작업에 필요한 높은 피크 출력은 밀리초 단위의 펄스 작동으로 충족할 수 있습니다. 이 레이저의 빔 품질은 M² 1.3에서 20까지 다양하며, 광섬유 결합 방식을 통해 로봇 팔 작동이 가능합니다. 이 레이저의 주요 응용 분야는 광섬유 출력이 충분하지 않은 경우 세라믹 및 반사 합금의 점 용접 및 정밀 절단입니다.

다이렉트 다이오드 레이저

직접 다이오드 레이저는 중간 증폭 단계 없이 여러 개의 반도체 이미터를 직접 연결하여 작동하므로 효율이 향상됩니다. 그러나 M² 값이 10~100 사이이기 때문에 빔 품질이 좋지 않아 집속 및 얇은 절단 폭 유지에 제약이 있습니다. 직접 다이오드 레이저는 6mm 미만의 얇은 판재를 고속으로 가공하는 데 적합한 소형, 견고하고 경제적인 솔루션으로, 절단, 클래딩 및 열처리 분야에서 우수한 성능을 발휘합니다. 450nm 파장의 청색 다이오드 변형 레이저 개발로 구리 흡수율이 크게 향상되었습니다.

 

레이저 절단 vs 워터젯 절단

CO2 레이저 절단 vs 파이버 레이저 절단

연마재 워터젯 절단 공정은 가넷 입자가 포함된 고압의 물줄기를 6,200bar의 압력으로 보석 노즐을 통해 분사하여 기계적 침식을 통해 재료를 제거하는 방식입니다. 레이저 절단 기술은 25mm 미만의 재료에 대해 더 빠른 가공 속도, 더 정밀한 공차, 그리고 더 좁은 절단 폭을 제공합니다. 그러나 열 효과를 완전히 제거해야 할 경우에는 워터젯 절단이 필수적입니다.

• 레이저 절단의 장점: 레이저 절단 공정은 두께 15mm 미만의 재료에 대해 5배에서 20배 더 빠른 금속 절단 속도를 제공하며 다음과 같은 용도에 이상적입니다. 티타늄 레이저 절단 레이저 커팅 탄소 섬유이 공정은 워터젯 절단의 0.8~1.5mm 절단 폭보다 좁은 0.1~0.5mm의 절단 폭을 생성합니다. 또한 얇은 재료부터 중간 두께의 재료까지 저렴한 비용으로 가공할 수 있으며, 연마재를 사용할 필요가 없고 ±0.025mm의 정밀한 공차를 제공합니다.
• 워터젯 절단의 장점: 워터젯 절단은 사용자에게 두 가지 주요 이점을 제공합니다. 첫째, 재료에 열 손상을 주지 않으며, 둘째, 민감한 재료가 타거나 갈라지는 것을 방지하면서 티타늄과 같은 두꺼운 재료를 최대 300mm 두께까지 절단할 수 있습니다.

 

레이저 절단 vs 기계식 절단

기계적 방법을 통해 수행되는 절단 공정에는 플라즈마 아크 절단, 산소 연료 절단, 펀칭 및 밀링 작업이 포함됩니다. 또한 다음과 같은 작업도 포함됩니다. 와이어 방전 가공(EDM) vs 레이저 절단레이저 절단은 얇은 판재부터 최대 50mm 두께의 두꺼운 판재까지 다양한 재료를 경제적인 비용으로 처리하면서 탁월한 절단 품질을 제공합니다.

레이저의 장점:

• 좁은 절단 폭(0.1~0.5mm)
• 높은 표면 조도(Ra <5 µm)
• 작은 열영향부(HAZ, 광섬유 시스템에서 <100µm)
• 공구 마모 없음
• 반사성 및 비전도성 재료를 절단할 수 있습니다.

기계적 방법의 장점:

• 두께 50mm 이상의 탄소강에 비용 효율적입니다.
• 펀칭은 연성이 있는 금속(<15mm)에 빠른 구멍 가공에 이상적입니다.
• 레이저 흡수율이 낮을 경우 밀링 공정을 통해 3D 형상 가공이 가능합니다.

 

레이저 절단의 응용

우주항공

항공우주 제조 산업은 레이저 절단 기술에 크게 의존하는데, 이는 재료 품질과 정확한 치수를 유지하면서 정밀한 작업을 가능하게 하기 때문입니다. 이 공정을 통해 터빈 블레이드용 니켈 초합금에 0.2mm에서 0.8mm 사이의 냉각 구멍을 만들고, 벌집형 밀봉 구조물과 복합재 외피 트림을 제작할 수 있습니다. 복합재 절단 공정에서는 UV 레이저와 피코초 레이저를 사용하면 박리 없이 깨끗한 절단면을 얻을 수 있어 유리합니다.

자동차

자동차 산업은 부품의 정밀한 대량 생산을 위해 레이저 절단 기술에 의존합니다. 이 공정을 통해 제조업체는 하이드로포밍 튜브를 절단하고, 얇은 구리 및 알루미늄 배터리 포일을 50µm 두께까지 슬릿 가공하며, 고강도 강철로 차체 부품을 변형을 최소화하여 제작할 수 있습니다.

전자

전자제품 생산은 다음에 달려 있습니다. 정밀 레이저 절단 이 공정은 레이저 기술을 사용하여 PCB 스텐실과 플렉시블 회로를 제작하고 실리콘 웨이퍼를 분리하는 데 사용되는 미세 형상 구현 기술입니다. 현재 기술로는 5µm 미만의 에지 칩핑이 가능하여 소형 기기 개발을 지원합니다.

의료 기기

레이저 절단 공정을 통해 제조업체는 정교한 의료 부품을 소형으로 생산할 수 있습니다. 이 공정을 이용하면 50~200µm 너비의 니티놀 스텐트 지지대를 제작하고, 카테터 삽입관에 복잡한 디자인을 새기거나 정형외과 임플란트 표면에 질감을 부여하여 뼈 부착을 향상시킬 수 있습니다.

 

레이저 절단 품질에 고려해야 할 요소

1. 출력 및 모드: 고출력 모드는 절삭폭/열영향부하를 증가시키고, 펄스 모드는 열 부하를 감소시킵니다.
2. 최적의 결과를 얻으려면 작업자는 올바른 속도를 유지해야 합니다. 이 방법은 매끄러운 모서리를 만들고 슬래그 생성을 최소화합니다.
3. 질소와 산소 중 어떤 보조 가스를 선택하느냐에 따라 절삭날의 품질이 결정됩니다. 산소 가스를 사용할 경우 탄소강의 절삭 속도는 빨라지지만 열영향부가 넓어집니다.
4. 표면 초점 위치는 최소한의 테이퍼를 생성하는 반면, 음의 초점은 바닥 슬래그 생성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
5. 0.5mm에서 1.5mm 사이의 최적 이격 거리는 적절한 가스 흐름 방향을 유지하는 데 도움이 됩니다.
6. 반사성 합금의 레이저 절단에는 그 특성상 파이버/Nd:YAG 레이저가 필요하며, 두꺼운 재료의 경우 출력과 산소 유량을 높여야 합니다.
7. 레이저 절단은 원형 편광을 이용하면 모든 방향에서 균일한 표면 거칠기를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.
8. 레이저 절단 공정은 고주파 저에너지 펄스 패턴을 통해 재용융층 형성을 최소화하여 더 나은 결과를 얻습니다.

 

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맺음말

레이저 절단 기술은 탁월한 정밀도와 빠른 작동 속도를 제공하며, 탄소 섬유를 포함한 다양한 소재와 호환됩니다. 특히 광섬유 광원을 사용하여 높은 효율성과 우수한 빔 품질을 제공하므로 대부분의 산업 분야에 적용 가능합니다. 레이저 절단기의 작동 원리를 이해하고 적절한 매개변수를 선택하면 열영향부(HAZ) 형성, 슬래그 발생, 표면 거칠기를 줄여 엄격한 엔지니어링 표준이 요구되는 응용 분야에 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

 

FAQ

레이저 절단기는 어떻게 작동합니까?

레이저 절단기는 고에너지 빔을 재료에 집중시켜 프로그래밍된 경로를 따라 재료를 녹이거나 기화시키고, 동축 가스 제트는 잔해를 제거하여 CNC 제어 하에 작동하는 얇은 절단면을 생성합니다.