최근 수십 년간 레이저 절단 기술의 급속한 발전으로 제조 산업에서 레이저 절단기의 적용이 점차 확대되고 있습니다. 레이저 절단은 기존의 기계식 칼날을 보이지 않는 광선으로 대체하는 가공 방식으로, 높은 정밀도, 빠른 절단 속도, 절단 패턴 제약 없음, 자동 레이아웃 기능으로 재료 절약, 매끄러운 절단면, 낮은 가공 비용 등의 특징을 가지고 있습니다. 이러한 장점들은 레이저 절단기의 성능을 점진적으로 향상시키거나 기존 금속 절단 장비를 대체할 것으로 예상됩니다. 레이저 절단기의 작동 원리는 레이저 블레이드의 기계 부분이 공작물과 직접 접촉하지 않아 작업 중 작업면에 흠집이 발생하지 않도록 하는 것입니다. 레이저 절단 속도는 빠르고, 절단면은 매끄럽고 평평하며, 일반적으로 후가공이 필요하지 않습니다. 절단 열영향부가 작고, 판재 변형이 적으며, 절단 이음매가 좁습니다. 절단면에 기계적 응력이나 전단 버가 발생하지 않습니다. 레이저 절단기는 높은 가공 정밀도와 우수한 반복성을 자랑하며, 재료 표면에 손상을 주지 않습니다. CNC 프로그래밍을 통해 모든 평면 도면을 가공할 수 있으며, 금형 없이 대형 판재를 통째로 절단할 수 있어 경제적이고 시간 절약적입니다.
레이저 절단기는 여러 장점이 많아 구매하려는 사람들이 점점 늘어나고 있습니다. 하지만 레이저 장비 산업에 익숙하지 않은 사람들은 레이저 절단기의 원리와 구성에 대해 잘 모르는 경우가 많습니다. 이 글에서는 레이저 절단기에 대한 기본적인 지식을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 설명하겠습니다.
목차
레이저 절단기 작동 원리
레이저 절단기는 집중된 고출력 밀도의 빔을 사용하여 작동하며, 조사된 재료가 빠르게 녹거나 증발하거나 삭마되거나 발화되도록 합니다. 그런 다음 빔과 동축으로 흐르는 고속 공기 흐름을 통해 녹은 재료를 날려 보내면서 공작물을 절단합니다.
레이저 빔이 물질과 상호작용할 때 여러 가지 현상이 발생합니다. 레이저 빔에서 발생하는 강한 열은 물질의 온도를 급격히 상승시켜 용융, 증발 또는 화학 반응을 일으킵니다. 구체적인 상호작용은 흡수 계수 및 융점과 같은 물질의 특성뿐만 아니라 출력 밀도 및 펄스 지속 시간과 같은 레이저 매개변수에 따라 달라집니다.
플라스틱과 같이 융점이 낮은 재료의 경우, 레이저 빔이 관통하면서 재료를 녹일 수 있습니다. 그런 다음 녹은 재료는 가스 제트에 의해 날아가면서 절단면(절단 폭)을 형성합니다. 금속과 같이 융점이 높은 재료의 경우, 레이저 빔이 재료를 직접 증발시켜 좁고 정밀한 절단면을 만듭니다.
레이저 절단에서 가스 보조 절단은 절단 공정을 향상시키기 위해 일반적으로 사용됩니다. 산소나 질소와 같은 가스가 절단 헤드의 노즐을 통해 재료 표면에 분사됩니다. 가스는 절단 부위에서 녹거나 증발된 재료를 제거하고, 재료를 냉각시키며, 버(burr)나 스컴(scum)의 생성을 방지합니다. 가스의 종류는 절단 대상 재료와 요구되는 절단 품질에 따라 결정됩니다.
절단 폭 또는 절삭 폭은 레이저 출력, 초점 크기, 재료 두께 및 절삭 속도를 포함한 여러 요인에 의해 결정됩니다. 이러한 매개변수를 조정하여 원하는 절삭 정확도를 얻음으로써 절단 폭을 제어할 수 있습니다. 또한 레이저 절단 시 절단면이 약간 가늘어지는 원추형 현상이 발생할 수 있습니다. 원추형 각도는 재료 특성과 레이저 매개변수에 따라 달라지며, 절삭 조건을 최적화함으로써 최소화할 수 있습니다.
레이저에 대한 기초 지식
레이저(유도 복사 증폭)는 결맞음 상태의 광선을 생성하는 장치입니다. 레이저는 활성 매질, 에너지원, 광학 공진기라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 활성 매질은 에너지원에 의해 여기될 때 광자를 방출하는 고체, 액체 또는 기체일 수 있습니다. 광학 공진기는 활성 매질을 통해 광자를 앞뒤로 반사시켜 빛 파동을 증폭하고 정렬합니다. 이러한 과정을 통해 강력하고 결맞음 상태의 레이저 빔이 생성됩니다.
레이저 절단기 종류
레이저 절단기에는 CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저 등 여러 종류의 레이저가 사용됩니다. CO2 레이저는 가장 일반적인 유형으로, 이산화탄소, 질소, 헬륨의 혼합물을 활성 매질로 사용합니다. Nd:YAG 레이저는 네오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷과 같은 고체 결정을 활성 매질로 사용합니다. 반면, 파이버 레이저는 희토류 원소가 도핑된 섬유를 활성 매질로 사용합니다. 각 레이저 유형은 고유한 성능을 가지고 있으며, 특정 절단 용도에 적합합니다.
현재 주류 레이저는 CO2 레이저와 광섬유 레이저입니다.
CO2 레이저
CO2 레이저는 가장 초기에 개발되었으며 가장 널리 사용되는 레이저 유형 중 하나입니다. 가스 방전은 순수 이산화탄소로만 이루어진 것이 아니라 이산화탄소, 질소, 수소, 제논, 헬륨 등을 포함합니다.
CO2 레이저 절단에는 산소 또는 질소 두 가지 가스를 사용하는 방식이 있습니다. 산소는 두꺼운 재료를 절단하는 데 적합하고, 질소는 얇은 판재를 절단하는 데 적합합니다. 산소를 사용하는 CO2 레이저 절단은 절단면에 산화막을 형성할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 샌드블라스팅과 같은 전처리 공정을 가공물에 적용합니다. CO2 레이저 절단은 일반적으로 목재, 플라스틱, 유리, 직물과 같은 비금속 재료를 절단하는 데 사용됩니다. 또한 적절한 설정을 사용하면 저탄소강, 스테인리스강, 알루미늄과 같은 금속도 절단할 수 있습니다.
파이버 레이저 절단
파이버 레이저 절단기의 작동 원리는 고체 레이저를 사용하여 금속을 녹이고 관통시켜 정밀하고 효율적인 절단을 구현하는 것입니다. 이 기술에서 레이저 매질은 가스나 결정이 아닌 광섬유입니다. 레이저는 일종의 집중된 빛이며, 광섬유는 레이저의 출력을 높일 수 있는 능동적인 이득 매질입니다.
파이버 레이저 절단은 고출력 레이저 빔을 주요 열원으로 사용하는 열 절단 방식입니다. 파이버 레이저 발생기는 고출력 광섬유 부품을 사용하여 강력한 광선을 방출합니다. 레이저 빔이 절단 부위에 집중되면 재료가 빠르게 녹거나 증발합니다. 파이버 레이저 절단기 장비의 기능에 따라 다양한 두께의 대부분의 재료를 절단할 수 있습니다.
파이버 레이저 절단기는 광학 레이저 발생기를 사용하여 재료를 절단하는 레이저 절단 공정입니다. 다양한 재료를 정밀하고 고품질로 절단할 수 있습니다. 파이버 레이저 절단기의 기본 원리는 다른 레이저 절단기와 기본적으로 동일하지만, 에너지가 전달되고 공작물에 집중되는 방식에 주요 차이점이 있습니다.
고도로 집속된 광선을 광섬유 레이저 발생기를 통해 방출합니다. 그런 다음, 레이저 빔은 렌즈를 통해 절단 대상 재료로 집중됩니다. 레이저 빔을 집속하면 작지만 강력한 열원이 발생합니다. 이 열원이 재료 표면에 정확히 맞춰지면 재료를 빠르게 녹이고 증발시켜 고정밀 절단을 구현할 수 있습니다.
기계의 다른 중요한 구성 요소로는 소프트웨어 시스템 제어와 절단 재료를 안내하고 지지하는 구성 요소가 있습니다. 또한 파이버 레이저 절단기는 다양한 크기와 출력의 절단 헤드를 장착할 수 있습니다. 고객의 특정 요구 사항과 맞춤형 레이저 절단기를 통해 원하는 성능과 결과를 얻을 수 있습니다.
레이저 절단 기술의 분류 및 레이저 절단기 작동 원리
레이저 증발 절단
가공물은 고에너지 밀도의 레이저 빔에 의해 가열되어 온도가 급격히 상승합니다. 재료는 단시간 내에 끓는점에 도달하여 증발하기 시작하고, 이 증기들이 고속으로 분출되면서 재료에 좁은 틈을 형성합니다. 재료의 증발열은 일반적으로 높기 때문에 레이저 가스화 절단에는 더 높은 출력과 출력 밀도가 필요합니다.
레이저 증착 절단은 매우 얇은 금속 및 비금속 재료를 절단하는 데 일반적으로 사용됩니다.
레이저 용융 절단
레이저 용융 및 절단 시, 레이저 가열을 통해 금속 재료를 녹인 후, 광선과 동축인 노즐을 통해 비산화성 가스를 분사합니다. 이 가스의 강한 압력으로 인해 용융 금속이 분리되어 슬릿을 형성합니다. 레이저 용융 및 절단은 금속의 완전한 증발이 필요하지 않으며, 필요한 에너지는 증발 절단의 1/10에 불과합니다.
레이저 용융 절단은 주로 산화되지 않는 재료나 활성 금속을 절단하는 데 사용됩니다.
레이저 산소 절단
레이저 산소 절단의 원리는 산소 아세틸렌 절단과 유사합니다. 레이저를 예열 열원으로 사용하고 산소와 같은 활성 가스를 절단 가스로 사용합니다. 주입된 가스는 절단 대상 금속과 반응하여 많은 산화열을 발생시키고, 용융된 산화물과 용융 물질은 반응 영역 밖으로 분출되어 금속에 틈을 형성합니다. 절단 과정에서 발생하는 산화로 인해 많은 열이 발생하며, 레이저 산소 절단에 필요한 에너지는 용융 절단에 필요한 에너지의 절반에 불과하고, 절단 속도는 레이저 증발 절단이나 용융 절단보다 훨씬 빠릅니다. 레이저 산소 절단은 주로 금속 레이저 절단기에서 탄소강, 티타늄강, 열처리강과 같이 산화되기 쉬운 금속 재료를 절단하는 데 사용됩니다.
파쇄 제어 절단
파괴 제어 절삭은 열응력 균열 절삭이라고도 하며, 취성 재료 절삭에 적합합니다. 취성 재료는 제어되지 않은 힘이나 온도가 가해지면 종종 파편으로 파손됩니다. 파괴 제어 절삭은 매우 좁은 레이저 빔을 작은 공작물 표면에 집중시켜 열 구배를 발생시키고, 이 구배로 인해 공작물의 해당 위치에 균열이 생깁니다. 그런 다음 레이저가 매우 빠르고 제어 가능한 방식으로 이동하여 균열을 따라 전파시킵니다.
유리와 세라믹을 절단할 때는 일반적으로 파단 제어 절단 방식을 사용합니다. 레이저가 재료 두께를 완전히 관통하지 못하고, 일부만 절단된 후 나머지는 파단되어 분리되었습니다.
보이지 않는 절단
인비저블 커팅은 반도체 칩 절단에 사용되는 첨단 레이저 절단 기술입니다. 이 기술은 레이저 조사 단계와 팽창 단계의 두 단계로 진행됩니다. 레이저는 원치 않는 용융 물질을 생성하지 않기 때문에 공작물을 녹이지 않습니다. 오히려 조사 단계에서는 공작물을 완전히 통과하는 레이저 파장을 사용합니다.
하지만 이 파장은 가공물에 내부 변형과 균열을 발생시킵니다. 그 후, 팽창 단계에서 가공물에 팽창 응력이 발생합니다. 이 응력은 내부 결함 영역에서 가공물을 여러 개의 블록으로 분할합니다. 최종 결과는 잔류물이 없는 깨끗하게 절단된 웨이퍼입니다.
벡터 등급
벡터 조각은 공작물을 조각하는 데 사용되는 레이저 절단 기술입니다. 레이저는 재료의 전체 두께를 관통하지 않습니다. 오히려 레이저는 벡터로 지정된 방향을 따라 이동합니다.
레이저 빔의 초점을 흐리게 함으로써 조각의 두께를 쉽게 조절할 수 있습니다. 조각 깊이 또한 조절 가능합니다. 벡터 조각을 이용하면 단순하고 직선적인 복잡한 디자인도 구현할 수 있습니다.
레이저 절단기는 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.
- 레이저: 레이저 발생기, 전기광학 변환 장치 및 레이저 에너지를 방출하는 장비를 지칭합니다.
- 절삭 헤드: 노즐, 초점 렌즈 및 초점 추적 시스템 소프트웨어와 같은 부품을 포함합니다.
- 광 투과 구성 요소: 레이저 유도에 필요한 방향 정보를 제공하기 위한 매핑 반사 렌즈.
- CNC 시스템: 공작기계를 제어하여 X, Y, Z축의 움직임을 구현하는 동시에 레이저 출력도 제어합니다.
- 냉각 시스템: 레이저와 절단 헤드를 냉각하는 데 사용되는 순환 냉각 장치로, 불필요한 열을 제거하여 장비의 정상적인 작동을 유지하고 원활한 빔 전송 품질을 보장합니다.
- 전압 조정기: 레이저 절단 장비의 전원 공급 전압을 안정화하여 원활한 작동과 보호 효과를 보장합니다.
- 공기 압축기: 공기 절단 작업 시, 장비에 필요한 압력과 유량을 확보하기 위해 공기 공급 장치를 제공합니다.
- 가스 저장 탱크: 레이저 절단기 작동 중 재료 가스 탱크와 보조 가스 탱크를 포함하며, 레이저 변동으로 인해 발생하는 화학 가스를 충전하고 절단 헤드에 보조 가스를 공급하는 데 사용됩니다.
- 필터링 장치: 레이저 발생기 및 광 채널에 깨끗하고 건조한 가스를 공급하여 채널과 반사경 렌즈의 정상적인 작동을 유지하는 데 사용됩니다.
- 집진 장비: 생산 및 가공 과정에서 발생하는 먼지와 연기를 추출하여 걸러냅니다.
레이저 절단기에서 레이저 절단 헤드는 원하는 부품의 형상대로 금속판 위를 이동하며 부품을 절단합니다. 정전식 높이 제어 시스템은 노즐 끝과 절단면 사이의 거리를 매우 정밀하게 유지합니다. 이 거리는 금속판 표면에 대한 초점의 위치를 결정하는 데 중요합니다. 금속판 표면 위, 표면, 또는 표면 아래에서 초점을 올리거나 내리는 것은 절단 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
레이저 절단기의 작동 원리는 레이저 빔을 절단할 재료에 집중시키는 것입니다. 레이저 출력이 매우 높기 때문에 빔을 집중시키면 절단할 재료의 온도가 충분히 높아져 빔이 집중된 좁은 영역의 재료가 녹거나 증발하게 됩니다. 일반적으로 용융된 재료를 절단 영역 밖으로 밀어내는 데 도움이 되는 보조 가스가 사용됩니다. 이는 특히 금속이나 합판과 같은 두꺼운 재료를 절단할 때 필요합니다.
원하는 모양을 절단하려면 레이저 헤드를 이동시키고 갠트리와 같은 장치를 사용하여 레이저 빔을 새 재료에 정확하게 위치시켜 작은 구멍이 아닌 직선을 절단합니다. 이러한 이동 시스템에는 랙 앤 피니언, 볼 스크류, 선형 모터 등이 있습니다. 선형 모터는 가장 비싸지만 가장 빠른 속도와 최고의 정확도를 제공합니다. 랙 앤 피니언은 거의 동일한 속도와 정확도를 제공하지만 가격이 더 저렴합니다. 일부 소규모 레이저 애호가들은 레이저 헤드 이동에 타이밍 벨트와 스테퍼 모터를 사용하기도 합니다. 어떤 방식이든 서보 모터와 엔코더 피드백 시스템을 사용하면 레이저 절단 시스템의 정확도를 크게 향상시킬 수 있으며, 견고한 프레임을 진동으로부터 보호할 수도 있습니다.
레이저 절단 작업에서는 절단 대상 재료의 흡수율이 높은 파장을 선택하는 것이 중요합니다.
레이저 에너지가 재료 표면에 조사되면 재료는 매우 많은 에너지를 흡수하여 녹는점을 훨씬 넘어서 빠르게 가열되고 분해 온도에 도달합니다.
분해 온도에서 해당 물질은 분해되고 소멸됩니다. 이러한 상황이 발생하면 일반적으로 연기가 발생합니다.
절개 부위 가장자리를 더 낮은 온도로 가열하여 녹이거나 변형시킬 수 있습니다. 이는 섬유 소재의 실밥이 엉키는 것을 방지하는 등 유용한 밀봉 메커니즘으로 활용될 수 있습니다.
레이저 절단기를 작동할 때는 절단 과정에서 발생하는 연기가 레이저 광학 부품에 그을음으로 쌓이지 않도록 레이저를 기울이는 것이 좋습니다. 또한, 반사율이 높은 표면을 절단(또는 용접)할 때는 레이저 빔이 표면에서 반사되어 레이저 광학 부품에 손상을 입히지 않도록 주의해야 합니다.
CNC 레이저 절단기의 작동 과정
레이저 가공 기술은 다양한 산업 분야에 여러 가지 기능을 제공합니다. 이러한 기계의 특성과 관계없이 기본적인 작업 흐름은 동일합니다. 다음은 CNC 레이저 기계의 작업 단계입니다.
G 코드 로드
작업자가 시스템에 G 코드를 입력하면 기계가 작동을 시작합니다. G 코드는 레이저 절단기의 이동 방향을 나타냅니다.
레이저 빔 생성
기계가 작동을 시작하면 레이저 공진기에서 빛이 발생합니다. 레이저의 종류에 따라 레이저 생성 과정은 다를 수 있으며, 레이저의 색상도 다를 수 있습니다. 예를 들어, CO2 레이저의 경우 레이저 발생기에서 적외선이 방출됩니다. 이러한 종류의 레이저 빔은 사람의 눈에 완전히 보입니다.
가이드 레이저
방향 조절 시스템은 레이저 빔을 초점 시스템 쪽으로 향하게 합니다. 일련의 거울을 통해 방향을 바꿀 수 있으며, 특수 빔 벤딩 장치를 사용하여 생성된 레이저 빔을 초점 영역으로 휘어지게 할 수도 있습니다.
레이저 초점
집속 시스템은 레이저 빔의 폭을 줄이고 출력을 높입니다. 이는 레이저 집속 헤드와 집속 렌즈를 사용하여 구현됩니다. 또한 집속 시스템은 집속된 레이저 빔이 완벽한 원형을 유지하고 산란광이 없도록 합니다. 레이저 빔은 노즐을 통해 기기 밖으로 발사됩니다.
재료 절단
집중된 레이저 빔은 가공 대상 재료로 향하게 됩니다. 접촉점은 재료가 녹을 만큼 충분한 시간 동안 레이저 빔에 노출됩니다. 노출 시간은 재료의 두께와 종류에 따라 달라집니다.
커팅 헤드 무브먼트
기계 시스템은 G 코드의 지시에 따라 레이저 헤드를 원하는 형태로 움직입니다. 이동 속도는 특정 작업에 따라 달라집니다.
결론
CNC 레이저 절단 기술은 탁월한 정확성, 속도 및 다용성을 제공하며 제조 산업의 최첨단에 있습니다. 레이저 절단기의 작동 원리를 이해하면 사용자는 자신에게 맞는 레이저 절단기 유형을 선택하는 데 도움이 됩니다. 기술 발전과 함께 SC와 같은 기업은 끊임없이 변화하는 산업 요구를 충족하는 혁신적인 솔루션을 제공하며 트렌드를 선도하고 있습니다. 당사는 단일 장비 세트뿐만 아니라 다양한 솔루션을 제공합니다. 금속판용 파이버 레이저 절단기 판매합니다. 하지만 저희는 설계 및 생산도 할 수 있습니다. 레이저 절단기용 적재/하역 시스템 고객의 자동화 요구 사항을 충족하기 위해. 소규모 사업자, 취미 활동가 또는 산업 제조업체이든 관계없이 CNC 레이저 절단기에 투자하면 운영 방식을 혁신하고 설계, 프로토타입 제작 및 생산에 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.
Korean 
English 
Spanish 
Portuguese 
Russian 
Arabic 
French 
Italian 
German 
Polish 
Thai 
Vietnamese 
Lithuanian 
Czech 
Japanese 
Chinese