레이저 터닝: 복잡한 의료 부품을 위한 획기적인 공구

이 영상은 레이저 터닝 작동 원리를 보여줍니다. 제공: GFH GmbH

정밀 가공 산업에서 레이저는 부품 마킹과 조각 외에는 주요 역할을 하지 못했지만, 주로 의료 애플리케이션을 위해 튜브 소재를 절단하기 위해 스위스형 선반에 추가되었습니다. 레이저는 캐뉼라 소재에 작은 구멍 생성, 슬롯, 나선형, 헬리컬 형상, 윈도우 등 복잡한 형상 생성에 유용했습니다.

이제 새로운 기술은 레이저를 절삭 공구로 사용하여 고체 봉재에서 부품을 '터닝'합니다. 이 공정은 독일 기업 GFH GmbH가 개발했으며, 기존 터닝 공구를 비접촉 레이저로 대체하여 초단파 레이저 펄스로 소재를 증발시키면서 기존 터닝 방식보다 적은 에너지를 사용합니다. 미국 고객에게 제공되는 GL.smart 고속 정밀 터닝 머신은 마이크로 가공에 특히 유용하며, 기존 터닝 공정으로 구현하기 어려운 작고 복잡하며 섬세한 부품에 대해 높은 정밀도를 가능하게 합니다.

"비접촉 소재 제거 덕분에 공작물은 전체 가공 공정 동안 힘과 변형이 없는 상태를 유지합니다."라고 GFH의 CEO Florian Lendner는 설명합니다. "이는 매우 얇고 섬세한 부품에서도 정밀도 손실이 없음을 의미합니다."

이 기계는 하나의 레이저 소스에서 빔을 분할하여 두 개의 개별 헤드로 전달하므로, 한 번에 두 부품을 터닝뿐만 아니라 밀링, 드릴링, 조각도 할 수 있습니다. 구조적으로는, 각 스테이션이 터닝과 5축 가공이 가능한 듀얼-스핀들, 듀얼-팔레트 수직 밀링 머신을 연상시킵니다.

비접촉 가공

기계의 핵심은 공작물에 피코초 또는 펨토초 단위로 펄스를 전달하는 다이오드 펌프 고체 레이저입니다. 이 '펄스 온 디맨드' 기술은 소재에 대한 열 입력 조정을 가능하게 하여 공작물 과열 가능성을 낮춥니다. 그 결과 장력이나 부품

고출력 레이저와 빔 분할을 결합하여 두 스테이션에서 동시 가공이 가능합니다. 사진 제공: GFH GmbH

변형이 발생하지 않습니다. 회사는 이 공정이 매우 단단하고 취성 있는 소재로 만든 부품에 적합하다고 말합니다.

다이오드 펌프 레이저가 GL.smart의 표준 레이저이지만, 고객의 필요에 따라 GFH는 파장, 레이저 출력, 펄스 폭이 다른 다양한 레이저 소스를 제공할 수 있습니다. 이 초고속 및 초단파 레이저 펄스를 사용하여 황삭 시 가능한 한 많은 소재를 제거합니다. 부품 정삭 시 최종 품질은 더 낮은 레이저 에너지로 달성됩니다.

레이저 빔은 작업에 따라 부품 중앙 또는 접선 방향으로 향할 수 있습니다. 예를 들어, 고정된 직경을 터닝해야 하는 부품이면 레이저 빔이 소재에 접선으로 닿습니다. 그러나 전체 직경에 걸쳐 특정 영역만 가공하는 경우(구멍 등), 레이저 빔은 소재 중앙을 향합니다.

레이저가 한 패스로 터닝/제거할 수 있는 소재 깊이 범위는 소재와 터닝 공정 자체에 따라 다릅니다. 접선 제거 시 정삭에서 황삭까지 1미크론~200미크론 범위이며, 레이저 빔이 중앙을 향할 때는 0.1미크론~10미크론(정삭~황삭) 범위입니다.

가공 후 완성된 부품은 오퍼레이터가 클램핑 시스템에서 수동으로 꺼내거나 가공 영역 아래 컨테이너로 떨어뜨려 수거합니다. 기계에서 침식된 소재를 제거하기 위해 GL.smart는 에어로졸과 분진 수집용 흡입 시스템을 갖추고 있습니다.

'스마트' 기능

GFH에 따르면 의료 및 시계 산업에 납품하는 공작기계 업체는 GL.smart의 마이크로 가공 역량에서 특별히 혜택을 볼 수 있습니다. 예를 들어, 이 기계는 핀셋, 마이크로 블레이드, 임플란트 같은 마이크로 공구와 시계 무브먼트에 장착되는 피벗을 생산할 수 있다고 회사는 말합니다.

사실상 모든 소재를 가공할 수 있는 레이저 터닝 머신은 터닝, 드릴링, 절단, 조각 작업을 고속과 고정밀로 수행한다고 회사는 말합니다. 이 기계는 결합 가공도 제공합니다.

GL.smart의 역량은 의료용 마이크로 공구인 핀셋, 마이크로 블레이드, 시계 무브먼트에 장착되는 피벗 등 다양합니다.

두 C축 워크홀딩 스테이션에서의 병렬 가공도 가능하여 생산성이 2배가 됩니다.

5축 움직임 덕분에 모든 작업을 원 셋업으로 수행할 수 있습니다. 따라서 공작물을 재클램핑 없이 조각, 절단, 드릴링, 구조화할 수 있습니다.

에어 베어링 주 공작물 스핀들은 토크 드라이브를 갖추어 부품 인덱싱/위치 결정에 사용할 수 있으며, 0.4초 만에 최대 3,500rpm까지 회전할 수 있습니다. 나노미터 단위의 반경 및 축방향 동심도는 연삭 공차로 생산을 가능하게 합니다. 이 기계는 포스-컨트롤 텐션 콜렛 시스템도 제공합니다. GL.smart의 콤팩트한 설치 면적인 2,212mm(L) × 1,026mm(W) × 2,320mm(H)는 레이저 방사선으로부터 보호하는 블랙 글라스 하우징에 포함되어 있습니다.

이 기계는 자체 개발 시스템인 GL.control로 제어되는 최대 16개의 동시 축을 사용할 수 있습니다. 각 워킹 스테이션(Z축은 두 워킹 스테이션 동일, Y축은 각 워킹 스테이션별 별도)에는 주 스핀들(X- 및 A축)과 로터리 유닛(X-, B-, C축)을 장착할 수 있습니다. 나머지 3축은 빔 조작을 위해 옵틱 박스에 배치됩니다.

CNC가 레이저의 정밀도 제어

GFH가 개발한 GL.control 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍되고 제어되는 이 기계의 CNC(컴퓨터 수치 제어)는 수치 제어 소프트웨어만을 전담하는 컴퓨터 1대와 운영 소프트웨어를 전담하는 또 다른 유닛 1대로 구성됩니다. CNC는 CAD/CAM 기능과 모든 서브시스템을 통합합니다. GL.smart의 고속 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)는 레이저 가공을 위해 설계되었으며, 전체 축 이동 범위에서 40나노미터 정밀도로 레이저를 켤 수 있는 실시간 레이저 제어 액세스를 제공합니다.

부품 가공을 위한 CAD/CAM 프로그램 생성 과정은 다음과 같습니다:

1. 3D 파일을 기계 소프트웨어에 업로드
2. 생성할 모든 지오메트리 선택
3. 레이저 가공용 G코드 생성
4. 소재별 파라미터 편집
5. PLC에 업로드
6. 가공 작업 시작

새로운 유형의 부품을 가공하기 위해 레이저 터닝 머신을 설정할 때, 원자재 크기에 따라 단순하거나 다소 복잡할 수 있다고 Lendner는 말합니다. "원자재 크기가 같다면 소프트웨어 설정 변경만으로 새 설계를 만들 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "새로운 유형의 원자재 크기라면 광학 설정과 클램핑 시스템도 변경해야 합니다." 이 기계는 최대 12mm 직경, 길이 2m까지의 원자재를 수용합니다.

맞춤형 기계 구축

GFH는 사용자가 특정 애플리케이션에 맞는 맞춤형 기계를 구축할 수 있도록 GL.smart용 수많은 애드온과 액세서리를 제공합니다. 옵션에는 자동화, 모니터링, 품질 보증을 위한 액세서리가 포함됩니다.

레이저 터닝 머신 GL.smart는 비접촉 제거를 제공합니다. 이는 매우 얇고 섬세한 부품에서도 정밀도 손실이 없음을 의미합니다.

머신 샵 자동화의 인기 증가와 필수성 때문에, GL.smart용 6축 로봇 공작물 핸들링 시스템과 바 피더 옵션이 제공됩니다. 이 옵션을 구현하면 무인 가공 기회도 제공됩니다.

레이저 터닝 머신의 다른 옵션으로는 카운터 스핀들로서의 회전 선회 유닛, 쇼트 또는 롱 터닝 설계, 또는 둘 다가 있습니다. 콜렛과 파트 가이드 설정이 기계가 쇼트 또는 롱 터닝 설계를 가지는지 정의합니다.

GFH는 GL.smart용으로 다음 장비를 옵션으로 제공하며, GL.control을 통해 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다.

저진동 레이저 빔: GL.beam은 기계 내부에서 레이저부터 공정 옵틱까지 완전한 빔 경로를 포함합니다. 레이저는 제조업체의 저진동 작동 사양에 따라 화강암 베이스에 장착되고 정렬됩니다.

정밀 클램핑 시스템: 반복적인 부품 클램핑을 위해 기계에 Erowa의 정밀 클램핑 시스템인 GL.clamp를 장착할 수 있습니다. 요청 시 다른 제조업체의 클램핑 시스템이나 진공 클램핑 장치도 가능합니다.

모니터링 및 빔 조정 모드: 레이저 시스템은 운영 모드 GL.om3와 GL.om4로 확장할 수 있습니다. 운영 모드 3은 공정 모니터링용, 운영 모드 4는 빔 조정용입니다.

스캐너 시스템: 정밀한 부품 생산이나 딥 인그레이빙을 위해 기계에 GL.scan이라는 스캐너 시스템을 장착할 수 있습니다. 두 개의 갈보 미러를 통해 공작물에 레이저 빔을 위치시킵니다.

광학 측정 시스템: 광학 측정 시스템인 GL.vision은 레이저 아래 부품 위치 결정을 용이하게 하고 현미경 해상도로 광학 측정이 가능하게 합니다.

고정 옵틱 모듈: GL.optifix 모듈은 레이저 드릴링, 정밀 절단, 아블레이션을 위한 고정 옵틱을 제공합니다. 옵틱에 움직이는 구성 요소가 없어 위치 결정 오차가 축 시스템의 정밀도로 줄어듭니다.

거리 모듈: GL.distance 모듈은 마이크로 드릴링과 정밀 절단을 위한 최고 정밀도 요구 사항에 사용할 수 있습니다. 부품 표면의 편차와 공차를 가공 전에 기록하고 보정할 수 있습니다.

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