레이저 절단 설명:기술, 유형 및 응용

산업 생산에서 열 기술인 레이저 절단에는 여러 가지 용도가 있습니다. 가장 복잡한 모양의 금속 시트라도 레이저 절단 장치를 사용하면 신속하게 조각하고 자를 수 있어 탁월한 결과를 얻을 수 있습니다.

레이저 절단기는 고에너지 집중 레이저 빔을 사용하여 다양한 판재나 시트 재료를 절단하여 산업용 및 취미용 2차원 구성 요소를 만드는 장치입니다. 강철, 목재 및 일부 폴리머는 일반적인 재료입니다.

다양한 레이저 절단 방법 간의 차이점을 간략하게 설명하는 것 외에도. 이번 글에서는 레이저 절단이 무엇인지, 용도, 유형, 재료 및 작동 방식을 살펴보겠습니다. 장점과 단점에 대해서도 이야기해보겠습니다.

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레이저 절단은 광학을 통해 컴퓨터 수치 제어(CNC)에 의해 유도되는 고출력 레이저를 사용하여 재료를 절단하는 방법입니다.

이 방법은 자동차, 항공우주, 전자, 의료 등 다양한 분야에서 금속, 플라스틱, 세라믹, 목재, 직물, 종이 등의 재료를 절단하는 데 일반적으로 사용됩니다.

동축 가스 제트의 도움으로 집중된 레이저 빔이 레이저 절단에 활용되어 특정 위치의 재료를 녹이고 절단을 생성합니다. 가스는 레이저 빔 자체에는 영향을 미치지 않지만 효율적으로 물체를 태우거나 녹이거나 증발시킬 수 있습니다.

그 결과 발생하는 잔해물은 모두 날려버릴 수 있어 고품질의 최종 가장자리를 보장합니다. 레이저 절단을 사용하여 에칭 및 용접을 수행할 수도 있습니다.

네오디뮴(Nd) 레이저, CO2 레이저, 네오디뮴 이트륨-알루미늄-가넷(Nd:YAG) 레이저는 레이저 절단을 위한 세 가지 주요 방법입니다. 레이저의 성능은 종류에 따라 영향을 받을 수 있습니다.

정확성, 정밀성, 오염 감소, 작업 고정 용이성은 레이저 절단의 장점 중 일부입니다. 특히 파이버 레이저는 뛰어난 정밀 절단 능력으로 유명합니다.

장거리에 걸쳐 일정한 빔 품질을 제공하는 광섬유 레이저의 능력은 주요 장점 중 하나입니다. 이를 통해 다양한 재료와 두께에 걸쳐 균일한 절단이 가능합니다. 이러한 균일성은 추가 처리의 필요성을 줄이고 가장자리 품질을 향상시킵니다.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" 또는 "Laser"는 레이저 빛을 생성하는 물리학을 가리키는 약어입니다. 레이저 물리학의 기본 원리는 여전히 동일하지만 이 기술은 Nd:YAG 레이저, CO2, 섬유의 세 가지 방식으로 사용되는 경우가 많습니다.

레이저 절단의 일반적인 용도

• 판금 절단은 다양한 재료의 판과 시트를 절단하는 일반적인 기술입니다.
• 조각:거의 모든 재료에 우아한 나무 표시나 일련 번호를 추가합니다.
• 레이저 용접:레이저 빔을 사용하면 금속이나 열가소성 플라스틱을 정밀하게 접합할 수 있습니다.
• 튜브 절단:이 방법은 회전축을 사용하여 속이 빈 부품의 복잡한 프로파일을 절단합니다.

다이어그램

레이저 절단의 종류

세 가지 종류의 레이저가 레이저 절단 응용 분야에 자주 사용됩니다. 고체 섬유 및 Nd와 달리 CO2 레이저는 다양한 불활성 가스와 함께 CO2를 레이저 매체로 사용합니다. 결정은 YAG 레이저의 레이저 매체 역할을 합니다. 이러한 다양한 레이저는 모두 본질적으로 동일한 전제에서 작동합니다.

Nd:YAG/Nd:YVO 레이저

Nd:YAG 레이저에는 네오디뮴(Nd)이 첨가된 이트륨 알루미늄 가넷 결정(Y₃Al₅O₁₂)이 사용됩니다. 일부 이트륨 이온(+-1%)은 도핑으로 인해 Nd³⁺ 이온으로 교체됩니다.

두 개의 거울(완전 반사 거울과 반 반사 거울)이 이 결정 사이에 위치합니다. 레이저 다이오드 세트 또는 크세논/크립톤 플래시 튜브가 펌핑 광자 소스 역할을 합니다.

Nd:YAG 결정의 펌핑 소스는 네오디뮴 이온의 에너지 수준을 높이는 광자를 제공합니다. 거울 사이에 반사된 후 이온은 붕괴되어 응집성 레이저 빔을 형성하기 위해 결합되는 일련의 광자를 방출합니다.

커팅 헤드에 있는 렌즈는 주파수가 1064nm인 응집성 있는 고강도 빛의 광선이 거울에 의해 전달된 후 이를 집중시키는 데 사용됩니다.

네오디뮴이 첨가된 바나듐산염 결정(YVO₄)은 Nd:YAG 레이저와 유사한 기능을 하는 Nd:YVO 레이저에 사용됩니다. 반면 Nd:YVO 레이저는 초당 더 많은 펄스를 생성할 수 있고 전력 안정성이 더 좋으며 열 방출도 적습니다.

Nd:YAG 레이저는 파이버 레이저보다 더 높은 출력 밀도와 더 나은 빔 품질을 제공하므로 마킹 및 에칭에 적합합니다. 반면 Nd:YAG 레이저는 한 자리 수의 에너지 효율성을 가지며 운영 비용이 상당히 높습니다.

섬유 레이저

도핑된 광섬유 케이블은 광섬유 레이저의 레이저 매체 역할을 합니다. 광자는 석영 또는 규산붕소 유리 코어 광섬유 필라멘트의 한쪽 끝으로 펌핑되어 광섬유 레이저 빔을 생성합니다.

이러한 광자는 희토류 원소가 주입된 영역에 도달할 때까지 광섬유 필라멘트를 따라갑니다. 네오디뮴, 이트륨, 에르븀, 툴륨 등이 대표적인 원소의 예입니다.

광자에 의해 자극을 받으면 이러한 희토류 원소 각각은 고유한 파장을 가진 레이저를 생성합니다. 그런 다음 광섬유 브래그 격자를 사용하여 빛을 증가시킵니다.

Nd:YAG 및 CO2 레이저에 사용되는 반사 및 반반사 거울과 유사하게 이 격자는 빛을 앞뒤로 반사하여 일련의 광자를 생성합니다.

강도가 특정 임계값을 초과하면 빛은 고강도 간섭성 광선으로 격자를 통과할 수 있습니다. 다른 레이저와 마찬가지로 파이버 레이저는 가스를 사용하여 절단을 용이하게 하거나 레이저 빔 경로에서 용융된 재료를 폭파시킵니다.

파이버 레이저는 일반적으로 파장이 짧기 때문에 흡수율이 높아 재료를 반사하고 절단 중에 열을 덜 발생시키는 데 이상적입니다.

예를 들어 광섬유 케이블의 유연성으로 인해 섬유 절단 헤드를 6축 로봇 팔에 쉽게 연결할 수 있으므로 CO2 또는 Nd:YAG 레이저에 필요한 레이저를 조종하기 위해 수많은 거울이 필요하지 않습니다.

파이버 레이저의 전기 효율은 CO2 레이저보다 좋습니다. 이러한 이유로 구리나 금과 같이 열을 효과적으로 흡수하는 반사 재료와 재료는 파이버 레이저를 사용한 절단에 이상적입니다.

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CO₂ 레이저

CO2(이산화탄소) 레이저의 구성 요소는 CO2, 헬륨 및 질소 가스로 채워진 튜브입니다. 레이저 효율을 높이기 위해 헬륨과 질소가 첨가됩니다. 질소는 광자 방출 시 CO2 분자로 전달될 수 있는 단기 에너지 저장고 역할을 합니다.

대조적으로, CO2 분자가 광자를 방출하면 헬륨은 운동 에너지 전달을 사용하여 잔류 에너지를 모두 빼내고 질소 분자로부터 에너지를 흡수할 수 있습니다.

튜브의 한쪽 끝에는 완전히 반사되는 거울이 있습니다. 반대쪽 끝에 있는 거울에서 부분적인 반사만 있을 뿐입니다. 튜브의 가스는 CO2 분자의 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시켜 광자와 빛을 생성하는 강력한 전기장에 의해 이온화됩니다.

원자의 들뜬 상태는 광자가 가까이 지나갈 때 광자를 방출합니다. 그런 다음 반반사 거울을 통과할 만큼 충분한 광자가 수집되면 이 광자는 두 거울에서 반사됩니다.

튜브 내부의 온도를 낮게 유지하는 것이 효율을 극대화하는 데 필수적이기 때문에 저온의 가스나 액체를 사용하여 튜브를 냉각합니다. 특정 시스템에서는 가스를 재활용하여 운영 비용을 절감합니다.

CO2 레이저는 10600nm 파장의 우수한 만능 레이저로 판금 및 금속판은 물론 다양한 재료를 절단할 수 있습니다. 그러나 열 흡수율과 반사율이 높은 소재는 CO2 레이저로 작업하기 어렵습니다.

레이저 커팅 과정

일반적으로 작업 영역에 레이저 빔을 집중시키기 위해 좋은 렌즈가 사용됩니다. 집중된 스폿 크기는 빔 품질과 직접적인 관련이 있습니다. 일반적으로 집중된 빔의 가장 좁은 부분의 너비는 0.0125인치(0.32mm) 미만입니다.

재료의 두께에 따라 최소 0.004인치(0.10mm)의 절단 폭을 달성할 수 있습니다. 모든 절단은 구멍으로 시작되므로 칼날은 가장자리가 아닌 다른 곳에서 시작될 수 있습니다.

피어싱에는 고출력 펄스 레이저 빔이 자주 사용되는데, 두께 13mm(0.5인치) 스테인리스강과 같은 재료의 경우 5~15초가 소요됩니다.

레이저 소스의 평행하고 간섭성 광선은 일반적으로 직경이 0.06~0.08인치(1.5~2.0mm)입니다. 매우 강력한 레이저 빔을 생성하기 위해 이 빔은 종종 렌즈나 거울을 통해 약 0.001인치(0.025mm)의 매우 작은 영역으로 집중되고 강화됩니다.

윤곽 절단 중에 가능한 가장 깔끔한 마감을 제공하려면 윤곽이 있는 작업물의 가장자리를 돌 때 빔 편광 방향을 조정해야 합니다. 판금 절단의 초점 길이는 일반적으로 38~76mm(1.5~3인치)입니다.

기계식 절단에 비해 레이저 절단은 재료를 오염시킬 수 있는 절단 모서리가 없기 때문에 작업물 고정이 더 간단하고 작업물 오염이 적다는 장점이 있습니다.

시술 시 레이저빔이 마모되지 않아 정밀도가 향상될 수 있습니다. 또한 레이저 시스템에는 열 영향을 받는 부분이 아주 작기 때문에 절단되는 재료가 변형될 위험이 적습니다.

또한 특정 재료는 기존 방법으로는 절단이 불가능하거나 극히 어렵습니다. 대부분의 산업용 레이저는 플라즈마처럼 두꺼운 금속을 절단할 수 없지만, 금속 레이저 절단은 판금을 절단할 때 더 정확하고 에너지를 덜 소비한다는 이점이 있습니다.

철판과 같은 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 플라즈마 절단기보다 자본 비용이 훨씬 높지만 더 높은 출력(초기 레이저 절단기의 정격 1500와트에 비해 6000와트)에서 작동하는 최신 레이저 기계는 두꺼운 재료를 절단하는 능력 면에서 플라즈마 기계에 가까워지고 있습니다.

일반적인 레이저 절단 재료

레이저 절단기를 사용하여 다양한 재료를 절단할 수 있습니다. 다음은 가장 자주 절단되는 재료의 목록입니다:

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느꼈다

펠트는 손으로 절단하기 어렵지만 레이저 커터를 사용하면 쉽게 절단할 수 있는 저렴한 부직포입니다. 식탁매트, 장식용 패치, 의류 등은 모두 펠트로 만들 수 있습니다. 아크릴로 구성된 합성 펠트는 절단이 매우 잘 되기 때문에 95~100% 양모 펠트를 사용하는 것이 좋습니다.

가죽

지갑, 벨트, 신발 모두 내구성이 뛰어난 천연 소재인 가죽으로 제작되었습니다. 가죽은 인식된 가치가 높으며 쉽게 레이저로 절단하고 새길 수 있으며, 특히 맞춤형 레이저 절단 개체를 만드는 데 사용할 경우 더욱 그렇습니다.

페이크 가죽은 가짜 가죽을 가리키는 용어입니다. 한편, 이들 중 일부에는 레이저 절단 시 부식성 연기를 방출하는 PVC가 포함될 수 있습니다.

코르크

코르크 참나무 껍질에서는 핀보드, 미끄럼 방지 코스터 베이스, 신발 깔창에 자주 사용되는 부드러운 견목 물질인 코르크가 나옵니다. 코르크를 레이저로 자르고 조각하는 것은 매우 쉽습니다.

하드보드

하드보드는 MDF(중밀도 섬유판)보다 밀도가 높으면서도 더 견고하고 내구성이 뛰어난 옵션입니다. 목재 섬유를 결합하기 위해 접착제가 사용됩니다.

이 접착제는 절단하는 동안 기화됩니다. 이는 배기 시스템의 사용을 필요로 하는 유해 가스를 방출합니다. 하드보드지가 균질하기 때문에 절단 및 조각이 안정적입니다.

나무

상대적으로 적당한 출력(150~800W)의 CO2 레이저는 쉽게 목재를 절단할 수 있습니다. 하지만 레이저 절단 목재에서는 연기가 발생하므로 배기 시스템이 필수적입니다.

천연 목재는 나뭇결 구조로 인해 자르거나 조각할 때 마감이 고르지 않을 수 있습니다. 활엽수와 연목 모두 레이저 절단이 가능합니다.

황동

구리, 아연 및 기타 몇 가지 2차 합금 금속이 결합되어 황동을 형성합니다. 황동은 마찰, 전기 전도성 및 부식 저항성이 최소화됩니다. 전기 응용 분야와 저마찰 부시가 일반적으로 사용됩니다.

알루미늄

다양한 합금 성분과 용도를 지닌 다양한 알루미늄 합금을 총칭하여 알루미늄이라고 합니다. 알루미늄은 무게 대비 강도가 좋기 때문에 항공기 응용 분야에 자주 사용됩니다.

알루미늄은 녹으면 반사되기 때문에 절단이 어렵습니다. CO2 레이저를 사용해 알루미늄을 절단할 수도 있지만 알루미늄 절단에는 파이버 레이저가 가장 효과적인 도구입니다.

스테인레스 스틸

크롬 및/또는 니켈은 강철 합금으로 분류되는 스테인리스강에서 발견되는 주요 합금 원소입니다. 다양한 물질이 스테인리스강에 해를 끼칠 수 없습니다. 어떤 레이저 절단 방법이라도 스테인레스 스틸을 쉽게 절단할 수 있습니다. 하지만 스테인리스강을 절단할 때는 파이버 레이저가 더 잘 작동합니다.

연강 또는 탄소강

주요 합금 성분으로 탄소 농도가 서로 다른 다양한 강철을 "탄소강"이라고 합니다. 탄소 함량이 0.3% 미만인 또 다른 종류의 탄소강은 연강입니다. 강철은 탄소가 많을수록 강해집니다. 20~25mm 두께의 판도 고출력 레이저로 절단할 수 있습니다.

PMMA 또는 아크릴

아크릴은 깨끗한 절삭날을 생성하지만, 아크릴에서 방출되는 휘발성 연기로 인해 배기 시스템이 필요합니다. 절단면을 단단하게 유지하려면 가스 압력을 조정하여 증기를 날려버리고 냉각시켜야 합니다.

절단된 가장자리가 아직 녹은 상태일 때 공기압이 너무 높으면 구부러질 수 있습니다. 아크릴은 화학명인 폴리메틸메타크릴레이트나 마케팅명인 Perspex®로 불리기도 합니다.

레이저 절단은 어떻게 작동하나요?

레이저 절단에는 고출력 레이저가 사용되며 빔이나 재료는 광학 장치 및 컴퓨터 수치 제어(CNC)에 의해 유도됩니다. 이 기술은 일반적으로 모션 제어 시스템을 사용하여 재료에 절단할 디자인의 CNC 또는 G 코드를 따릅니다.

집중된 레이저 빔은 연소, 용융, 기화 또는 가스 제트에 의해 분사되어 우수한 표면 마감 모서리를 생성합니다. 밀폐된 용기 내부의 전기 방전이나 램프는 레이저 빔을 생성하는 레이저 재료를 자극합니다.

부분 거울은 내부의 레이저 물질을 반사하는 데 사용되며 에너지가 응집성 단색광의 흐름으로 빠져나가는 데 충분할 때까지 증폭합니다. 거울이나 광섬유는 빛을 강화하는 렌즈를 통해 광선을 유도하여 작업 영역에 이 빛의 초점을 맞춥니다.

가장 좁은 지점에서 레이저 빔의 직경은 일반적으로 0.0125인치(0.32mm) 미만이지만 재료의 두께에 따라 0.10mm(0.004인치)만큼 얇은 절단 폭도 가능합니다.

레이저 절단 공정이 재료의 가장자리가 아닌 다른 곳에서 시작되어야 할 때 피어싱 절차가 활용됩니다. 이 방법에서는 고강도 펄스 레이저가 재료에 구멍을 만듭니다. 예를 들어, 두께 13mm(0.5인치)의 스테인리스 스틸 시트를 태우는 데는 5~15초가 걸립니다.

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레이저 커팅의 장점

널리 사용되는 산업 방법 중 하나는 레이저 절단입니다. 제조 분야에서 레이저 절단기를 널리 사용하는 데 기여하는 주요 이점 중 일부는 다음과 같습니다.

1. 다용도 재료:거의 모든 재료를 레이저 절단기로 가공할 수 있습니다. 절단되는 재료, 레이저 출력 및 레이저 기술은 모두 레이저 절단기가 절단할 수 있는 재료의 최대 두께에 상당한 영향을 미칩니다.
2. 제한된 후처리:레이저 절단 부품에는 많은 후처리가 필요하지 않습니다. 그러나 금속을 절단할 때와 같은 일부 상황에서는 절단된 가장자리에 슬래그가 달라붙을 수 있으므로 디버링해야 할 수도 있습니다.
3. 좁은 절단:재료와 두께에 따라 레이저는 매우 좁은 빔에 초점을 맞출 수 있으므로 매우 작은 절단 폭(최소 0.1mm)이 가능합니다.
4. 높은 정밀도:CNC 라우터와 같은 다른 기술과 달리 레이저 절단기는 머리에 부담을 주지 않습니다. 따라서 레이저 절단기는 놀라울 정도로 정확하고 정확합니다.
5. 고속:2D 프로파일은 레이저 절단기로 신속하게 조각될 수 있습니다. 플라스틱과 같은 유연한 재료를 절단하는 동안 빠른 속도를 얻을 수 있습니다.
6. 자동화:레이저 절단기에 많은 자동화가 적용됩니다. 어떤 기계는 사람의 도움을 거의 받지 않고도 부품을 내리고 원자재를 커팅 베드에 놓을 수도 있습니다.
7. 공구 비용:CNC 가공과 달리 레이저 절단기는 다양한 도구를 사용하지 않습니다. 레이저 커터 헤드가 원재료와 접촉하지 않기 때문에 마찰로 인한 공구 마모가 없습니다.
8. 워크홀딩 없음:레이저 절단기로 절단하는 데 클램프 및 기타 워크홀딩 도구가 필요하지 않습니다. 재료를 커팅 베드 위에 올려두기만 하면 됩니다. 자르는 동안 움직이지 않습니다.

레이저 커팅의 단점

모든 장점에도 불구하고 레이저 절단에는 여전히 몇 가지 단점이 있습니다. 이에 대한 자세한 내용은 아래에 설명되어 있습니다.

1. 높은 전력 소비:레이저 절단, 특히 CO2 레이저 절단 기술은 많은 전기를 사용합니다.
2. 두께 제한:레이저 절단기가 절단할 수 있는 두께는 레이저 빔을 고강도 지점으로 향하게 하는 메커니즘에 의해 제한됩니다. 일반적으로 레이저 절단기는 판과 시트 재료로 제한되며 최대 두께는 25mm입니다. 두꺼운 소재를 절단할 수도 있지만 일반 제작 회사에서는 이를 수행하지 않는 경우가 많습니다.
3. 유해 연기:플라스틱이나 목재와 같은 특정 재료를 절단할 때 방출해야 하는 위험한 연소 연기가 발생할 수 있습니다.
4. 비용이 많이 드는 유지 관리:레이저 튜브는 일부 레이저 기술(예:CO2)에서 종종 높은 비용으로 업데이트해야 하는 마모된 품목입니다.
5. 높은 초기 비용:레이저 절단기는 대규모 초기 자본 지출이 필요합니다. 일부 상황에서는 플라즈마 또는 화염 절단기와 같은 저렴한 기술이 더 적합할 수 있습니다.

FAQ

레이저 커팅이란 무엇을 의미하나요?

레이저 절단이라고 알려진 방법은 레이저로 재료를 기화시켜 절단 모서리를 만듭니다. 원래는 산업생산에 사용됐지만 학교, 중소기업, 건축가, 취미생활자 등이 활용하는 경우가 늘고 있다.

레이저 절단 비용은 얼마인가요?

조각과 레이저 절단을 위한 생산 시간 비용은 분당 £1 입니다. 30분 서비스 비용은 미술품 공급비 및 설치비를 포함해 £30입니다. 1시간이 걸렸다면 제작 시간은 £60가 될 것입니다. 작업의 복잡도와 강도에 따라 더 큰 과제의 경우 할인이 가능할 수도 있습니다.

레이저 커팅 방법은 무엇인가요?

레이저 절단 공정에서 레이저 빔은 일반적으로 렌즈(때때로 오목 거울)를 사용하여 레이저 절단을 생성하기에 충분한 출력 밀도를 가진 작은 지점에 집중됩니다. 렌즈와 초점이 맞춰진 지점 사이의 거리, 즉 초점 거리가 렌즈를 정의합니다.

레이저 커팅은 어디에 좋은가요?

열이 재료 시트의 단면을 절단하기 위해 베드 위로 전달됨에 따라 재료가 녹고 자주 기화됩니다. 부품을 꺼내서 추가로 처리할 수 있습니다. 레이저 절단기의 다양한 용도에는 조각, 튜브 절단, 레이저 용접, 판금 및 판 절단 등이 있습니다.

레이저가 왜 그렇게 비싼가요?

이러한 요소에는 기계 유지 및 수리 비용, 기술자 인증 및 교육 비용, 의료 스파 또는 진료소 운영과 관련된 간접비가 포함됩니다. 2023년 3월 18일