레이저 절단이란 무엇입니까? – 작업, 유형 및 응용 프로그램

레이저 절단은 재료를 절단하기 위해 레이저라고 하는 가간섭성 광선의 집중적으로 집중된 흐름을 사용하는 비전통적인 가공 방법입니다. 절단 과정에서 재료가 지속적으로 제거되는 빼기 과정입니다. 이는 기화, 용융, 화학적 제거 또는 제어된 균열 전파에 의해 수행됩니다.

레이저 광학 장치는 CNC(Computer Numerical Control)에 의해 디지털 방식으로 제어되므로 5미크론의 작은 구멍을 뚫는 데 적합한 프로세스를 만듭니다. 또한 이 공정은 재료에 잔류 응력을 생성하지 않아 섬세하고 깨지기 쉬운 재료를 절단할 수 있습니다.

레이저 절단은 어떻게 작동합니까?

레이저 절단기는 CNC 기계와 유사하게 작동하지만 고출력 레이저를 사용합니다. 레이저는 CNC 및 광학 장비를 통해 재료 또는 빔을 안내합니다. 기계는 제공된 CNC 또는 G 코드를 사용하여 재료를 절단하고 동작을 제어합니다.

레이저 빔이 집중되면 재료가 녹고 기화되어 연소됩니다. 또한 소재를 가스젯으로 불어주면 완성도 높은 모서리면을 얻을 수 있습니다. 레이저 빔 생성은 램프 또는 전기 방전이 발광 물질을 자극하는 밀폐된 용기에서 발생합니다.

발광 물질의 증폭은 부분 거울을 통한 내부 반사 후에 발생합니다. 이 현상은 일관된 단색 광 스트림에 충분한 에너지가 축적되어 탈출할 수 있을 때까지 계속됩니다. 섬유 또는 거울을 사용하여 작업 영역에 초점을 맞춘 후 빛의 강도가 증가합니다.

레이저 빔 직경은 가장 얇은 가장자리에서 0.32mm 미만입니다. 반대로, 절개의 폭은 잠재적으로 0.10mm만큼 작을 수 있습니다. 그러나 이것은 재료의 두께에 따라 다릅니다. 재료의 가장자리에서 시작하지 않고 레이저 커터로 재료를 자르면 천공 공정이 사용됩니다.

레이저 절단 유형

절단에는 세 가지 기본 유형의 레이저가 있습니다. CO2, Nd-YAG(네오디뮴 이트륨 알루미늄 석류석) 및 파이버 레이저입니다. 레이저 빔을 생성하는 데 사용되는 기본 재료가 다릅니다.

이산화탄소 레이저

이 유형의 레이저에는 10-20% 이산화탄소, 10-20% 질소, 미량의 수소와 크세논, 헬륨으로 채워진 가스 방전 매체가 있습니다. 레이저 펌핑은 빛이 아니라 방전 전류에 의해 이루어집니다.

방전이 조명 매체를 통과함에 따라 질소 분자는 더 높은 에너지 수준으로 여기됩니다. 앞에서 설명한 것과 달리 여기된 질소 분자는 광자 방출로 인해 에너지를 잃지 않습니다.

대신, 진동 모드의 에너지를 CO2 분자로 전달합니다. 이 과정은 대부분의 CO2 분자가 전이 가능한 상태가 될 때까지 계속됩니다. 그런 다음 이산화탄소 분자는 10.6μm 또는 9.6μm의 적외선을 방출하여 낮은 에너지 수준으로 가져옵니다.

공진 거울은 이러한 파장에서 방출된 광자를 반사하도록 설계되었습니다. 거울은 재료를 절단하는 데 사용되는 적외선 빔을 방출할 수 있는 부분 반사기입니다.

적외선을 방출한 후 CO2 분자는 남은 에너지를 도핑된 헬륨 원자에 ​​전달하여 바닥 상태로 돌아갑니다. 차가운 헬륨 원자는 매우 뜨거워지고 레이저 냉각 시스템에 의해 냉각됩니다. CO2 레이저의 효율은 약 30%로 다른 레이저보다 높습니다.

크리스탈(루비, Nd 및 Nd-YAG) 레이저

CO2 레이저와 달리 이 유형의 레이저는 합성 결정을 발광 매체로 사용하는 고체 레이저입니다. 가장 일반적인 것은 1% 이온화된 네오디뮴(Nd3+)으로 도핑된 YAG(Y3Al5O12) 결정입니다.

이 결정의 Nd 이온은 결정 구조의 Y 이온을 대체합니다. 막대의 길이는 약 10cm, 지름은 6~9cm입니다. YAG 막대의 끝은 공진기 시스템 역할을 하는 고반사 소재로 광택 처리되고 코팅됩니다.

크립톤 플래시 또는 레이저 다이오드는 레이저 펌핑을 달성합니다. 이 레이저 펌핑은 네오디뮴 이온을 더 높은 에너지 수준으로 여기시킵니다. 얼마 후 여기된 네오디뮴 이온은 광자를 방출하지 않고 더 낮고 안정적인 상태로 들어갑니다. 이 과정은 매체가 여기된 Nd 이온으로 채워질 때까지 계속됩니다. Nd 이온은 열화 상태에서 1064 nm 파장의 적외선을 방출합니다.

파이버 레이저

파이버 레이저는 가스(CO2 레이저) 또는 수정(Nd-YAG 레이저)이 아닌 광섬유를 사용하여 빛을 방출하는 새로운 형태의 레이저입니다. 광섬유를 사용하기 때문에 파이버 레이저는 수정 레이저와 유사하게 작동하는 고체 레이저입니다.

광섬유는 에르븀 및 이테르븀과 같은 원소로 도핑되어 있습니다. 에르븀은 1528~1620nm 범위의 빛을 생성합니다. 반면, 이테르븀은 1030 nm, 1064 nm 및 1080 nm에서 빛을 생성합니다.

빛이 광섬유를 통과할 때 최소한의 에너지 손실로 내부에 머무르는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 정확한 정렬이 필요한 다른 유형보다 광섬유가 더 안정적입니다.

레이저 절단기의 장점

고정밀도 및 정확도

레이저는 초점을 맞춘 광선을 사용하여 극도로 정밀하게 물체를 절단합니다. 레이저는 강력하고 작지만 타의 추종을 불허하는 정밀도로 재료를 녹이고 증발시킵니다. 대부분의 경우 레이저 허용 오차 범위는 0.003mm에서 0.006mm입니다.

플라즈마 절단기의 허용 오차 수준은 약 0.02mm로 레이저 절단보다 높습니다. 유사하게, 다른 절삭 공구의 공차 수준은 1~3mm 또는 그 이상입니다. 제조 공정에 고정밀, 정밀 기계가 필요하다고 가정합니다.

이 경우 선호되는 도구는 일반적으로 레이저 절단기입니다. 따라서 항공우주 산업은 엄격한 허용 오차 수준을 요구하는 레이저 절단을 사용합니다.

저렴한 비용 및 더 저렴한

레이저 절단은 레이저 기술의 장점 중 하나인 동일한 구경의 다른 CNC 기계에 비해 경제적인 이점이 있습니다. 레이저 절단 기술 덕분에 맞춤형 도구가 더 이상 필요하지 않습니다. 또한 추가 절단 도구가 필요하지 않기 때문에 어떤 프로젝트에서도 장비를 수정할 필요가 없습니다.

또한 물리적 접촉이 없으므로 표면에 마모가 없습니다. 레이저 절단기는 기계 부품이 거의 없기 때문에 다른 가공 기술보다 유지 관리 비용이 저렴합니다. 기계의 운영 비용도 기존 제조 도구에 비해 낮습니다.

극도로 복잡한 작업의 경우

다른 절단 기술로는 너무 복잡할 수 있는 많은 작업이 레이저 절단 기계에서는 간단해집니다. 레이저 기술은 재료의 가장 얇은 가장자리에서 작동할 수 있습니다. 절단 부위가 약간 뒤틀리거나 뒤틀릴 수 있지만 레이저 커터로 복잡한 형상을 빠르게 생성할 수 있습니다. 레이저 절단은 허용 오차 수준이 넓고 다양한 재료를 수용할 수 있습니다.

시트 활용도가 높고 폐기물 감소

레이저 커터로 재료를 절단하면 아주 적은 양의 재료만 낭비됩니다. 이로 인해 레이저 절단은 재료의 상당 부분을 사용하는 다른 기계와 차별화됩니다. 레이저 절단기로 제조업체는 재료 사용을 극대화할 수 있습니다. 자원을 보다 효율적으로 활용할수록 낭비되는 재료가 줄어들고 생산 비용이 절감됩니다.

손상 방지

레이저 절단의 또 다른 이점은 가장 좁은 재료에서도 손상을 피할 수 있다는 것입니다. 많은 사람들은 기계에 대한 잘못된 정보를 믿고 재료의 왜곡이나 손상이 불가피하다고 믿는 경향이 있습니다.

레이저 절단 공정에서 높은 열이 사용된다는 이 대중적인 믿음 전제. 열은 작은 재료 영역에만 영향을 미치며 공차에는 영향을 미치지 않습니다. 시트의 레이저 절단은 놀라울 정도로 빠르므로 절단에 필요한 시간이 단축됩니다. 결과적으로 제조업체는 뒤틀림과 왜곡을 쉽게 피할 수 있습니다.

낮은 전력 소비

실생활에서 컷을 달성하는 데 많은 힘이 있다면 도움이 될 것입니다. 그러나 레이저 절단기에는 다른 움직이는 부품이 없으므로 에너지 소비가 줄어듭니다. 대조적으로, 가동 부품이 있는 기계는 더 많은 에너지를 소비하는 경향이 있습니다. 또한 레이저 커터는 매우 빠른 시간에 재료를 절단합니다. 이는 시간과 전력을 절약하는 데 도움이 됩니다. 에너지 소모가 적으면 운영 비용도 절감됩니다.

다양한 재료와의 호환성

이 기계가 다양한 재료에서 작동할 수 있다는 점은 흥미롭습니다. 재료 절단 외에도 레이저 절단은 마킹, 드릴링 및 조각과 같은 다른 프로세스에도 도움이 됩니다. 이러한 다양한 작업을 수행하기 위해 도구를 전환하거나 변경할 필요가 없다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

레이저 절단은 금속 절단에만 국한되지 않습니다. 다른 레이저 절단 재료로는 목재, 알루미늄, 플라스틱, 구리 및 황동이 있습니다. 레이저 절단은 거의 모든 종류의 재료를 쉽게 절단할 수 있기 때문에 다목적 프로세스입니다.

레이저 절단기의 단점

레이저 절단에는 많은 이점이 있지만 주의해야 할 몇 가지 단점도 있습니다. 그 중 일부는 아래에서 논의할 것입니다.

플라스틱을 레이저로 절단하면 유독 가스가 발생하고 환기가 필요하므로 비용이 많이 듭니다.

효과적인 레이저 절단은 또한 부품의 두께, 절단되는 재료 및 사용되는 레이저 유형에 따라 달라집니다. 적절한 주의를 기울이지 않으면 절단된 재료가 타버릴 수 있으며 올바른 레이저 강도를 사용하지 않으면 일부 금속이 변색될 수 있습니다. 플라즈마 절단은 여전히 ​​레이저 절단보다 두꺼운 시트를 절단할 수 있지만 레이저 기술의 발전으로 인해 기계 비용은 여전히 ​​높지만 이 격차가 줄어들고 있습니다.

마지막으로 자동화된 프로세스이지만 시운전 및 유지 관리에는 사람의 개입이 필요하며 작업자가 레이저에 닿으면 심각한 화상의 위험이 있습니다.

레이저 절단의 응용

앞서 언급했듯이 레이저 절단은 항상 발전하는 흥미로운 분야입니다.

다음은 오늘날 가장 널리 사용되는 레이저 절단 방법입니다.

자동차 산업

레이저 절단은 상대적인 속도와 정확도로 부품을 재현할 수 있는 능력으로 인해 자동차 산업에서 본거지를 찾았습니다. 다양한 형태와 크기의 부품을 정확하게 재현하는 것은 자동차 부문에서 매우 중요합니다. 레이저 커팅은 금속 및 플라스틱을 절단하여 차체 부품, 전자 부품, 내장 커버 및 자동차 버튼을 형성하는 데 사용됩니다.

또한 레이저 절단기는 자동차 내부에 버튼을 조각하여 빛이 투과되도록 하고 제조된 부품에 일련 번호와 부품 번호를 기록할 수 있습니다. 다른 부품을 절단하는 데 사용되는 금형도 레이저로 절단할 수 있습니다.

레이저 절단은 하이드로포밍 부품 절단에 적합합니다. 이들은 일반적으로 차량 구성을 지원하는 견고한 튜브입니다. 일반적으로 이러한 부품은 엔진 프레임이나 계기판을 만드는 데 사용됩니다.

금형 및 도구 산업

이전에 언급했듯이 레이저 절단을 사용하여 복제 부품의 금형을 만들 수 있습니다. 금속의 다양한 깊이를 절단하는 레이저의 기능을 사용하여 반복적인 다이 커팅 프로세스를 통해 일관되게 사용할 수 있는 스탬핑 부품에 대해 매우 정확한 몰드를 생성할 수 있습니다.

레이저 절단으로 금형을 복제하는 것도 빠르고 정확한 프로세스입니다.

사출 금형은 레이저 절단을 사용하여 금형과 동일한 정밀도로 만들 수 있습니다.

이는 금형 제작 과정을 단순화하고 정확한 금형 재생산을 훨씬 빠르고 비용이 많이 드는 절차로 만듭니다.

도구 제조에서 레이저 커터는 자동차 산업의 마킹 및 조각과 간단한 수공구 제작에 사용할 수 있습니다. 레이저 커터의 속도는 강한 금속을 다이 커팅하는 것보다 훨씬 낫습니다. 재료 사용이 다양하기 때문에 대부분의 도구의 고무 손잡이에 회사 로고와 도구 정보를 레이저로 조각할 수도 있습니다.

보석 산업

레이저 커팅의 정밀도는 보석 제작 공정에서 사용하기 쉽게 만듭니다. 예를 들어, 많은 작은 기어가 있는 시계를 상상해 보십시오. 레이저는 더 적은 낭비와 생산 시간으로 기어를 만들기 위해 정밀하게 절단됩니다. 또한 레이저의 조각 기능을 통해 제조 과정에서 부품을 마킹할 수 있습니다.

레이저는 정확한 모양과 두께를 절단할 수 있기 때문에 레이저 절단은 보석 제작에도 사용할 수 있습니다. 정확한 너비, 깊이 및 직경의 반지나 팔찌를 레이저로 쉽게 만들 수 있습니다. 레이저는 또한 내부 또는 외부 표면에 디자인과 비문을 조각할 수 있습니다.

의료 기기 제조

의료 산업에서 레이저 절단의 가장 중요한 장점은 레이저 수술과 의료 제품 제조입니다.

레이저 수술을 통해 외과의는 정확한 절개를 할 수 있고 환자는 더 빨리 치유됩니다. 레이저 절단 부품은 환자의 삶의 질을 향상시키는 의료 기기를 제조하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 스텐트, 밸브 프레임, 혈관 클립, 뼈 경첩, 유연한 샤프트 및 리머는 모두 레이저 절단 부품으로 만들어집니다.

세라믹 제조

세라믹은 엔지니어가 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 다양한 특성을 가지고 있습니다. 낮은 전기 및 열 전도성으로 인해 우수한 절연체입니다. 다른 화학물질과 반응하지 않고 융점이 높으며 내구성이 매우 뛰어납니다.

레이저는 모서리 품질을 희생하지 않고 처리 시간을 단축하기 때문에 세라믹 절단에 자주 사용됩니다. 항공기 제트 엔진, 전기 모터, 스피커, 헤드폰, 발전소 발전기, 밥솥, 심지어 백열등에도 세라믹 부품이 있습니다.

실리콘 제조

레이저 절단의 이점을 얻을 수 있는 또 다른 재료는 다양한 응용 분야가 있는 실리콘입니다. 정밀 절단을 통해 엔지니어는 다른 절단 방법을 사용하여 만든 것보다 더 작은 실리콘 부품을 생산할 수 있습니다.

실리콘은 고온 및 노화에 강하고 작업하기 쉽습니다. 실리콘의 일반적인 응용 분야는 컴퓨터, 전자 제품, 섬유, 가정용품, 자동차 및 건설 분야입니다.

결론

레이저 절단의 도입은 제조 산업에 귀중한 이점을 제공했습니다. 이 기계는 한 번에 많은 재료를 절단하는 데 도움이 되므로 시간을 절약하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 레이저 절단의 장단점을 이해하면 프로젝트에 가장 적합한 선택을 하는 데 도움이 됩니다.