레이저 커팅은 인기 있는 금속 가공 기술입니다. 고출력, 고집적 레이저 빔을 사용하여 공작물(재료)을 절단합니다. 최신 레이저 커터는 정밀도를 향상시키는 CNC 기술을 사용합니다. 흥미롭게도 레이저 커팅에는 다양한 유형이 있습니다. 각 방법은 여러 측면에서 다른 방법과 다릅니다.
그중 일부는 금속 절단에 이상적인 반면 다른 일부는 비금속에 적합합니다. 또한 레이저 절단 방법은 비용과 가격 측면에서 차이가 있습니다. 특히 금속 제조업을 하는 경우 레이저 기반 절단에 대한 이해는 필수적입니다. 이 글에서는 이러한 레이저 커팅 방법에 대해 자세히 설명합니다.
레이저 커팅 기술의 기초
이전 글에서 저는 레이저 커팅 기술의 기초 와 그 작동 원리에 대해 설명합니다. 초보자라면 이 글을 먼저 읽어보시길 적극 추천합니다. 레이저 유형을 더 쉽게 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 이 기술에 대한 간략한 개요를 살펴보겠습니다.
레이저 커팅은 고에너지, 고집적 레이저 빔을 활용하는 첨단 기술입니다. 이 레이저 빔은 원하는 지점을 조준합니다. 이러한 레이저는 에너지가 매우 높기 때문에 금속이나 재료를 쉽게 녹일 수 있습니다. 이러한 방식으로 레이저는 재료를 효과적으로 절단합니다.
과거에는 레이저 커팅이 수작업으로 이루어졌습니다. 작업자가 레이저 헤드를 사용하여 레이저를 재료에 직접 조준해야 했습니다. 하지만 최신 레이저 절단기에는 CNC 시스템이 탑재되어 있습니다. 이러한 기계는 작업자가 입력한 컴퓨터 지침을 사용하여 재료를 절단합니다. 레이저 헤드는 자동화된 시스템의 방향에 따라 움직입니다.
CNC의 도입으로 레이저 절단은 비접촉식 공정이 되었습니다. 레이저 헤드를 잡거나 공작물 정렬에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 레이저 기계는 매우 발전하여 모든 것을 처리합니다. 올바른 컴퓨터 또는 G 코드 지침을 입력하기만 하면 됩니다. 레이저 헤드가 움직이며 재료를 절단합니다.
레이저 커팅의 종류
앞서 언급했듯이 커팅 방법은 여러 가지 측면에서 다릅니다. 여기에는 속도, 비용, 재료와의 호환성 등이 포함됩니다. 아래 섹션에서는 널리 사용되는 모든 유형의 레이저 커팅. 그럼 지금부터 자세히 살펴봅시다!
1- CO₂ 레이저 커팅
이 레이저 기반 절단 방법은 중소기업들 사이에서 매우 인기가 있습니다. 이 방식은 다양한 가스를 혼합하여 사용합니다. 혼합 가스에는 이산화탄소(CO₂), 질소, 헬륨이 포함되어 있습니다. 또한 질소와 같은 일부 보조 가스는 절단 부위를 청소하는 데에도 사용됩니다.
이러한 보조 가스는 절단 시 발생하는 이물질도 날려버립니다. 이 방법은 작동을 위해 전기 에너지가 필요합니다. 이 에너지는 혼합 가스를 여기시킵니다. 그 결과 고출력 레이저 빔이 생성됩니다. 그러나 이 빔은 초점이 잘 맞지 않거나 집중되지 않습니다. 이 레이저는 레이저 헤드 아래에 있을 때 여러 개의 거울과 렌즈를 향합니다.
이 렌즈는 레이저를 더욱 집중시키고 농축시킵니다. 그 결과 레이저 빔이 원하는 지점으로 이동하여 재료 표면을 녹입니다. 이 빔의 에너지는 매우 높아 재료를 증발시킬 수도 있습니다. CO₂ 레이저 절단 방식은 목재, 가죽, 유리, 플라스틱과 같은 비금속 재료에 이상적입니다.
금속이나 반사 재료를 절단하는 데 사용하면 그 효과와 효율성이 크게 감소합니다. 다음은 CO₂ 레이저 커팅의 장단점을 보여주는 표입니다:
| 장점 | 단점 |
| 높은 정밀도, | 두꺼운/반사성 금속에는 적합하지 않음 |
| 많은 비금속에서 작동합니다. | 금속에 느림 |
| 인그레이빙에 적합 | 부피가 큰 기계 크기 |
| 부드럽고 깔끔한 컷. | 잦은 유지 관리 필요 |
| 파이버 레이저보다 저렴한 비용, | 더 높은 전력 사용량 |
2- 파이버 레이저 커팅
파이버 레이저 절단은 CO₂ 레이저 절단보다 더 진보되고 우수한 옵션입니다. 레이저를 생성하기 위해 다른 가스를 혼합하여 사용하지 않습니다. 대신 빛을 증폭하여 레이저를 생성합니다. 먼저 재료(섬유)에 에너지가 공급됩니다. 섬유에 에너지를 추가하면 이러한 재료의 원자가 여기됩니다.
이러한 원자의 여기는 광자 형태로 에너지를 방출합니다. 흥미롭게도 이 광자는 움직이지 않고 레이저 기계 내부에서 다시 튕겨져 나옵니다. 광자의 움직임이나 충돌은 다른 원자를 더욱 여기시킵니다. 그 결과 에너지가 자극적으로 방출됩니다. 기계는 광자가 무작위로 부딪히는 두 개의 거울로 구성되어 있기 때문입니다.
하나의 거울이 부분적으로 제거되고 레이저 빔의 형태로 에너지가 기계에서 빠져나갑니다. 그런 다음 이 레이저 빔은 재료의 원하는 지점으로 향합니다. 이 레이저는 에너지가 매우 높기 때문에 재료를 녹여 절단합니다. CO₂ 레이저 절단과 달리 이 방법은 금속과 반사성 재료를 쉽게 절단할 수 있습니다.
레이저의 절단 강도가 뛰어나 견고한 소재도 절단할 수 있습니다. 여기에는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 황동 등이 포함됩니다. 이 기술은 특히 다음과 같은 정밀 부품에 효과적입니다. SMT 스텐실. 그러나 목재나 유리와 같은 비금속을 절단할 때는 약간 느릴 수 있습니다. 파이버 레이저 커팅의 초기 비용이 매우 높다는 단점이 있습니다. 하지만 저는 여전히 이 방법이 더 비용 효율적이라고 생각합니다.
다음은 파이버 레이저 커팅의 장단점을 보여주는 표입니다:
| 장점 | 단점 |
| 빠르고 정확한 금속 절단, | 비금속에는 적합하지 않음 |
| 반사 금속을 절단할 수 있습니다. | 더 높은 머신 비용 |
| 적은 유지보수, | 숙련된 운영자 필요 |
| 전기 사용량이 적습니다. | 설정 및 학습에는 시간이 걸립니다. |
| 긴 레이저 수명, | 소규모 또는 취미 프로젝트에는 적합하지 않음 |
3- 크리스탈 레이저 커팅
이 레이저 절단 방식은 파이버 또는 CO2 레이저 절단보다 더 강력하지만 수명이 짧습니다. 레이저 빔을 생성하기 위해 고체 크리스탈을 사용합니다. 이러한 일반적인 결정에는 다음이 포함됩니다:
- Nd: YVO(네오디뮴 도핑 이트륨 오르토바나데이트)
- Nd: YAG(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷)
이 높은 에너지는 이러한 결정에 제공됩니다. 결과적으로 이 결정 내부의 원자는 에너지를 흡수합니다. 결과적으로 이 원자의 전자는 더 높은 에너지 상태로 이동합니다. 이 전자가 다시 돌아오면 광자 형태로 많은 양의 에너지를 방출합니다.
이 광자는 레이저 튜브 내부의 거울과 충돌하여 반복적으로 반사됩니다. 그 결과 다른 전자를 더 여기시켜 광자 형태로 에너지를 방출합니다. 이 연쇄 반응은 계속해서 더 많은 광자를 생성하여 더 높은 에너지의 레이저 빔을 생성합니다. 그런 다음 이 레이저 빔이 재료를 향하여 재료를 절단합니다.
흥미롭게도 이 절단 방법은 더 높은 출력 밀도로 높은 빔을 제공합니다. 따라서 금속과 세라믹과 같은 가장 강한 재료도 절단할 수 있습니다. 크리스탈 레이저 절단기는 파이버 및 CO2 레이저 방식에 비해 내구성이 떨어지고 수명이 짧습니다. 다음은 주요 장단점을 보여주는 표입니다:
| 장점 | 단점 |
| 매우 정밀한 커팅, | 수명 단축 |
| 딱딱한 재료를 자릅니다, | 높은 비용 |
| 섬세한 디테일에 적합합니다, | 열/습도 민감 |
| 작은 크기에 높은 성능, | 복잡한 설정 |
| 펄스 모드에서 열 손상이 적습니다, | 에너지 효율 감소 |
4- 다이렉트 다이오드 레이저 커팅
이러한 유형의 레이저 커팅은 레이저 다이오드라고 하는 작은 부품을 사용합니다. 이 부품은 반도체로 고출력 레이저 빔을 효율적으로 생성하는 데 도움이 됩니다. 먼저 이 다이오드에 전류가 흐릅니다. 전류는 다이오드의 원자에 에너지를 공급합니다. 그 결과 원자의 전자가 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 상태로 점프합니다.
더 낮은 에너지 상태로 돌아오면 광자 형태로 에너지를 방출합니다. 이 광자는 다른 원자를 자극하여 에너지를 방출합니다. 그 결과 고출력 레이저 빔이 생성됩니다. 흥미롭게도 사용되는 레이저 다이오드에는 한쪽에 거울이 하나 있습니다. 이 거울의 부분적인 개방으로 레이저가 빠져나갈 수 있습니다.
레이저가 빠져나가면 재료를 향하여 효과적으로 절단합니다. 이 유형의 레이저 커팅은 얇은 재료를 절단하는 데 적합합니다. 그러나 재료가 너무 두껍거나 밀도가 높으면 절단되지 않습니다. 이 절단 방법의 장점은 에너지 소비가 매우 낮다는 것입니다. 레이저 마킹, 납땜 및 표면 텍스처링에 일반적으로 사용됩니다.
다음은 다이렉트 다이오드 레이저 커팅의 장단점을 보여주는 표입니다:
| 장점 | 단점 |
| 높은 에너지 효율, | 두꺼운 금속에는 적합하지 않음 |
| 작고 가볍습니다, | 낮은 전력 출력 |
| 적은 유지보수, | 제한된 재료 범위 |
| 얇은 소재의 경우 빠릅니다, | 약한 빔 품질 |
| 운영 비용 절감, | 얕은 절단 깊이 |
절단 방식에 따른 레이저 커팅의 종류
이전 섹션에서는 다양한 유형의 레이저 커팅에 대해 설명했습니다. 이러한 유형은 레이저 소스 측면에서 서로 다릅니다. 예를 들어 CO2 레이저 절단에서는 다양한 가스의 혼합물이 레이저 소스입니다. 마찬가지로 파이버 레이저 절단은 광섬유를 레이저 소스로 사용합니다.
크리스털과 DDL은 각각 고체 결정과 작은 다이오드를 사용하여 레이저를 생성합니다. 그렇죠? 그러나 일부 레이저 커팅 유형은 재료를 절단하는 데 사용되는 방법에 따라 다릅니다. 예를 들어, 일부 레이저 절단 방법은 열을 사용하여 재료를 녹여 정밀한 절단을 가능하게 합니다. 반대로 다른 레이저 유형은 재료를 녹이지 않습니다.
대신 목표 지점을 기화시켜 재료를 절단합니다. 이러한 레이저 커팅 방법은 앞서 언급한 레이저 유형을 활용합니다. 다음은 재료를 절단하는 방식에 따라 이러한 레이저 절단 유형을 보여주는 표입니다:
| 레이저 절단 방법 | 각 방법이 재료 또는 공작물을 절단하는 방법 | 일반적으로 사용되는 레이저 유형 |
| 퓨전 레이저 커팅 | 재료를 녹이고, 용융된 금속은 가스에 의해 날아갑니다. | 파이버 레이저, CO₂ 레이저 |
| 기화 레이저 커팅 | 물질을 기체로 직접 기화 - 물질이 녹지 않음 | CO₂ 레이저, Nd:YAG 레이저 |
| 원격 레이저 커팅 | 빔만을 사용하여 얇은 재료를 녹입니다(보조 가스 없음). | 파이버 레이저 |
| 산소 레이저 절단 | 산소 가스를 사용하여 물질을 가열하고 산화시킵니다. | CO₂ 레이저, 파이버 레이저 |
올바른 레이저 커팅 방법을 선택하는 방법은?
적절한 레이저 커팅 방법을 선택하는 것은 혼란스러운 과정일 수 있습니다. 혼동으로 인해 잘못된 레이저 유형을 선택하게 될 수도 있습니다. 이는 컷의 품질과 프로젝트의 예산 모두에 영향을 미칩니다. 다음은 레이저 커팅 방법을 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 주요 요소입니다. 필요에 맞는 유형을 선택하는 데 도움이 됩니다.
- 머티리얼 유형: 먼저 작업할 재료의 유형을 결정해야 합니다. 비금속 재료라면 CO₂ 레이저를 선택하는 것이 좋습니다. 반면에 파이버 레이저 절단은 금속 및 반사율이 높은 재료에 가장 적합합니다.
- 머티리얼 두께: 재료 두께가 변하면 레이저 절단 방법의 효율성이 달라집니다. 더 무겁고 두꺼운 재료에는 크리스탈 또는 파이버 레이저를 선택해야 합니다. 반대로 얇은 소재에는 DDL(다이렉트 다이오드 레이저)이 가장 적합합니다.
- 생산량: 각 레이저 절단 방법에는 처리할 수 있는 생산량에 대한 자체 제한이 있습니다. 사업을 시작했다면 파이버 레이저 커팅 방법을 선택하는 것이 좋습니다. 이 방법을 사용하면 더 많은 부품을 더 짧은 시간에 절단할 수 있으므로 가장 엄격한 마감일에도 맞출 수 있습니다.
- 정확성 및 품질: 제조업체는 일반적으로 제조 과정에서 정밀도와 절단 품질을 선호합니다. 그렇죠? 이것이 요구 사항이라면 크리스탈 레이저 커팅을 선택해야 합니다. 가격은 비싸지만 빔 품질이 높기 때문에 미세하고 섬세하며 부드러운 커팅이 가능합니다.
- 예산과 속도: 저는 파이버 레이저가 중간 가격대에 빠른 속도를 제공하기 때문에 가장 좋은 옵션이라고 생각합니다. CO₂ 레이저 커팅은 가격은 저렴하지만 속도가 느려 생산성에 영향을 줄 수 있습니다. 크리스탈 레이저 커팅은 고급스럽고 매우 비싸서 추천하지 않습니다.
결론
레이저 절단 기술은 금속 가공에서 중요한 역할을 합니다. 고출력 레이저 빔은 모든 강도의 재료를 쉽게 절단할 수 있습니다. 그러나 레이저 커팅의 유형에 따라 그 효과는 다양합니다. 그중 일부는 금속 재료 절단에 적합합니다.
반면에 일부 레이저 절단 방법은 비금속 재료를 절단할 때 탁월합니다. 이 글에서는 레이저 소스에 따라 분류된 네 가지 주요 유형에 대해 설명했습니다. 또한 절단 기능에 따른 레이저 유형에 대한 개요도 제공합니다. 마지막으로, 어떤 레이저 커팅 기술이 여러분의 필요에 가장 적합한지 알아보겠습니다.