레이저 절단기 작동 원리: 완전 가이드

레이저 절단 는 집속된 레이저 빔을 사용하여 탁월한 효율과 정밀성으로 재료를 절단하는 혁신적인 기술입니다. 금속, 폴리머 또는 목재 작업 시, 레이저 절단기는 복잡한 패턴과 뛰어난 표면을 제작할 수 있는 유연한 방법을 제공합니다.

그렇다면 레이저 절단기의 작동 원리는 무엇일까요? 레이저 생성의 기본 원리부터 세부적인 절단 공정까지, 이 글에서는 이 정교한 공정의 근간이 되는 메커니즘을 심도 있게 살펴봅니다.

이러한 레이저 기계의 작동 원리를 아는 것은 현대 생산에서의 유용성을 입증할 뿐만 아니라 산업 전반의 혁신을 위한 새로운 길을 열어줍니다. 저와 함께 레이저 절단 기술의 흥미로운 영역을 탐구해 보세요!

레이저 절단의 원리

레이저란 무엇입니까?

유도 방출 방사선에 의한 광 증폭, 즉 레이저는 다음과 같은 특정 특성을 지닌 독특한 광원입니다.

• 높은 에너지 밀도: 에너지를 아주 작은 초점에 집중시킴으로써 레이저 빔은 재료를 녹이거나 증발시키기에 충분한 열을 생성합니다.
• 단색성: 레이저의 단일 파장은 안정성과 뛰어난 에너지 집중을 보장합니다.
• 방향성 : 레이저 빔의 매우 일정한 전파 경로를 통해 에너지 손실이 거의 없는 장거리 전송이 가능해졌습니다.

레이저는 일반 광원보다 더 밝고, 일관성이 뛰어나며, 방향성이 강하기 때문에 산업용 절단 및 용접과 같은 산업용 응용 분야에 적합합니다.

레이저 커터는 어떻게 작동합니까?

레이저 절단은 어떻게 진행될까요? 레이저 절단이라고 하는 방법은 레이저로 재료를 기화시켜 절단면을 만듭니다. CO2, Nd:YAG 또는 파이버 레이저와 같은 레이저 소스(레이저 발생기라고도 함)는 고집적 광선을 생성하여 레이저 가공을 시작합니다. 작업물의 재질은 집중된 레이저 광선을 흡수하여 열 에너지로 변환합니다.

레이저 절단은 빛 에너지를 열 에너지로 변환하여 재료를 국소적으로 가열하고 절단합니다. 레이저 절단의 기본 작동 메커니즘은 다음과 같습니다.

열 효과 원리

물질이 고강도 레이저 빔에 노출되면 에너지가 빠르게 흡수되어 열 에너지로 변환되어 아래에 나열된 방식으로 물질이 물리적으로 변화합니다.

• 녹는: 깔끔한 절단면을 만들기 위해 재료를 녹인 후 고압 가스 분사로 각인합니다.
• 증발: 재료를 얇게 만드는 데 자주 사용되는 방법으로, 고체를 기체로 직접 변환하는 것입니다.
• 타고 있는: 재료는 가끔 ​​불이 붙어 타버릴 수 있는데, 특히 절단 과정을 빠르게 하기 위해 산소 분사기를 사용할 때 그렇습니다.

다양한 응용 분야에서 레이저 절단은 정밀한 제어와 집중된 에너지 덕분에 놀라운 결과를 낳습니다.

에너지 변환 과정

레이저 빔의 광자가 재료 표면의 입자와 상호작용하면 입자에 운동 에너지를 전달하여 강한 진동을 발생시키고, 궁극적으로 열을 발생시킵니다. 이 방법은 국소 온도를 빠르게 상승시킴으로써 재료의 용융점 또는 기화점을 높입니다.

절단 과정 중 물리적 변화

절삭 공정 중에 기계 가공을 완료하기 위해 다음과 같은 물리적 현상이 협력합니다.

• 국부 가열 및 용융: 집중된 레이저 빔은 작업물 표면에 작고 뜨거운 지점을 생성하는데, 이로 인해 해당 영역이 빠르게 녹거나 증발합니다.
• 보조 가스 작용: 증발되거나 용융된 재료를 절단면 밖으로 분사하기 위해 노즐을 통해 산소, 질소 또는 불활성 가스가 공급됩니다. 이를 통해 가공물이 냉각되고 산화가 억제됩니다.
• 커프 형성: 레이저 헤드가 고온 구역을 통과할 때 정밀한 절단면이 생성되는데, 이 고온 구역은 경로에 있는 재료를 지속적으로 녹이거나 제거합니다.

레이저 절단기의 핵심 구성 요소

정확하고 효과적인 절단을 수행하려면 레이저 커팅 머신 여러 필수 요소로 구성됩니다. 이러한 요소와 그 목적은 아래에서 자세히 설명합니다.

레이저 소스

기계의 중심은 절단 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스입니다. 레이저 절단에 사용되는 다양한 레이저 유형은 각각 고유한 장점, 한계 및 작동 원리를 가지고 있습니다.

CO2 레이저

• 원리 : 레이저 매질은 가스(CO₂, N₂ 및 He). 들뜬 CO₂ 분자가 방출하는 적외선의 파장은 10.6μm입니다.
• 이점:
  • 얇은 금속과 비금속에 모두 적합한 높은 출력(15kW)을 제공합니다.
  • 긴 작동 수명(최대 20,000시간)과 와트당 비용이 저렴합니다.
• 단점 :
  • 열을 생산하려면 냉각 시스템이 필요합니다.
  • 파이버 레이저보다 10~20% 효율성이 낮습니다.

레이저 파이버

• 원리 : 레이저 매질은 도핑된 광섬유입니다. 빛은 1.06 μm에서 방출됩니다.
• 이점:
  • 최소한의 유지관리 필요성과 높은 효율성(30~35%)을 제공합니다.
  • 특히 얇은 금속의 절단 속도가 더 빠릅니다.
• 단점 :
  • CO₂ 레이저보다 초기 비용이 더 비쌉니다.

Nd:YAG 레이저

• 원리 : 네오디뮴으로 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷 결정을 레이저 매질로 사용합니다. 1.06μm에서 작동합니다.
• 이점:
  • 구리나 알루미늄과 같은 반사 소재와 정밀한 미세 가공에 이상적입니다.
• 단점 :
  • 두꺼운 소재의 경우 처리 속도가 느리고 효율성이 낮습니다(1%~4%).

빔 전달 및 초점

레이저 빔은 절단 영역에 적절하게 초점을 맞춰야 하며, 에너지 손실을 최소화하면서 소스에서 작업물로 보내야 합니다.

빔 전송 경로

• 파이버 레이저는 더 간단한 통합을 위해 유연한 광섬유를 사용하는 반면, CO₂ 레이저는 빔을 안내하기 위해 거울을 사용합니다.

광학에 집중하다

• 렌즈와 거울을 사용하면 레이저 빔을 높은 에너지 밀도를 지닌 작은 영역에 집중시켜 정밀한 절단이 가능해집니다.
• 정렬이 매우 중요한 이유는 정렬이 적절하지 않으면 부품이 손상되거나 절단 품질이 떨어질 수 있기 때문입니다.

제어 시스템

제어 시스템은 동작, 전력, 절단 설정을 조절하여 올바른 작동을 보장합니다.

CNC 시스템

• CAD/CAM 도면에서 G 코드를 생성하여 기계에서 실행할 수 있도록 합니다.
• 커팅 헤드의 움직임을 정확하게 조절합니다.

서보 제어 시스템

• 절단 작업 중 정밀한 배치와 유체 운동을 위해 서보 모터가 사용됩니다.

커팅 헤드 및 노즐

절단 헤드에 있는 초점 렌즈와 노즐은 레이저 빔과 보조 가스를 안내하는 데 필수적인 구성 요소입니다.

노즐의 기능:

• 용융된 재료의 절단 경로를 청소하기 위해 보조 가스(질소, 산소)의 흐름을 제어합니다.
• 광학 부품이 이물질에 의해 오염되는 것을 방지합니다.

노즐의 종류:

• 질소 및 기타 불활성 가스용 단일 레이어 노즐.
• 산소 공급을 통한 고속 절단을 위한 이중 레이어 노즐.

소프트웨어/제어판

설계 입력, 매개변수 조정, 실시간 모니터링을 관리하는 제어 소프트웨어를 통해 작업자는 기계와 통신합니다.

효과적인 절단 실행을 위한 독점 제어 소프트웨어와 툴패스 개발을 위한 CAM 소프트웨어가 그 예입니다.

보조 시스템

냉각 시스템

• 레이저 소스와 광학 장치를 일정한 작동 온도로 유지하여 열 손상을 방지합니다.

배기 시스템

• 절단 중에 발생하는 연기, 연기 및 잔해물을 차단하여 절단 품질을 유지하고 안전을 보장합니다.

보충 가스

• 산소: 연소를 촉진하고 절단 속도를 높입니다(탄소강 절단에 사용).
• 질소: 스테인리스 스틸에 사용하면 산화를 막아 표면을 더욱 깨끗하게 유지할 수 있습니다.
• 공기 : 간단한 용도에 적합한 저렴한 선택입니다.

레이저 절단 공정

1단계 설계 준비 및 프로그래밍

CAD/CAM 소프트웨어 사용

• CAD(컴퓨터 지원 설계): SolidWorks, AutoCAD 또는 Fusion 360과 같은 프로그램을 사용하여 복잡한 2D 또는 3D 모델을 제작할 수 있습니다. 이러한 도구를 사용하면 설계자는 치수 정확성을 보장하고 재료 특성을 지정할 수 있습니다.
• 컴퓨터 지원 제조(CAM): 속도, 레이저 출력, 경로와 같은 절삭 매개변수를 지정하려면 CAD 파일을 CAM 소프트웨어로 가져오세요. 그런 다음 CAM 소프트웨어를 사용하여 소재 및 절삭 요구 사항에 맞게 맞춤 설정된 툴패스를 생성합니다.

G-코드 변환

툴패스는 CAM 소프트웨어를 사용하여 CNC 기계가 이해할 수 있는 프로그래밍 언어인 G 코드로 변환됩니다. X, Y, Z축을 따라 절단 헤드와 레이저 빔의 움직임은 G 코드를 통해 관리됩니다. USB 드라이버나 Wi-Fi 연결을 사용하여 이 G 코드를 레이저 절단기의 컨트롤러로 전송합니다. 공정의 이상적인 매개변수 설정은 설계 단계 이후에 이루어집니다.

2단계 기계 설정

절단할 품목을 레이저 절단기에 넣고, 재료의 두께와 종류에 따라 위치를 조정하세요. 이렇게 하면 레이저 출력, 이동 속도, 빔 초점을 조절할 수 있습니다.

레이저 절단 장비의 모델과 절단되는 재료의 종류에 따라 이상적인 매개변수가 결정됩니다.

3단계 절단 및 조각 과정

모든 것을 설치하고 가동한 후 절단과 조각 작업을 시작할 수 있습니다. 이 모든 것은 안정적이고 선명한 빛을 생성하는 레이저 장비에서 시작됩니다.

레이저 공진기(레이저 소스)를 통해 거울 시스템을 거쳐 절단 헤드로 고체 빔이 전달됩니다. 절단 헤드의 렌즈는 레이저를 좁고 집중된 빔으로 집중시킵니다.

원자재를 자르거나 래스터링하려면 이 빔을 디지털 장치가 지정한 경로를 따라 재료에 조사하면 됩니다. 햇빛과 돋보기로 불을 피우면 이 이론을 더 잘 이해할 수 있습니다.

빛이 경로를 따라 이동하면서 물질은 녹거나, 타거나, 증발하여 정확한 절단과 조각이 이루어집니다.

가스 제트를 사용하여 레이저 절단기는 과도한 재료를 제거할 수도 있습니다. 기계 장치인 갠트리는 일반적으로 절단 헤드가 고정되는 곳입니다.

이 장치는 종종 벨트나 체인으로 구동되며, 지정된 직사각형 영역(작업대 크기) 내에서 절단 헤드의 정밀한 이동을 가능하게 합니다.

갠트리는 절단 헤드가 작업물 위에서 앞뒤로 움직이면서 베드의 어느 위치에서든 정확하게 절단할 수 있도록 합니다. 최상의 절단 조건을 얻으려면 레이저가 절단할 재료에 초점을 맞춰야 합니다.

최상의 레이저 커팅 효과를 보장하기 위해 모든 레이저 커팅 장비는 커팅 전에 프로그램의 초점을 맞춰야 합니다. 레이저 커팅기에는 레이저 자체 기능 외에도 보조 가스가 장착되어 있습니다.

절단 작업 중 이 가스는 절단 헤드에서 배출되어 재료를 냉각하고 용융된 금속을 세척하는 데 도움을 줍니다. 결과적으로 레이저 절단기는 정밀 절단을 제공할 뿐만 아니라 매끄럽고 깨끗한 절단 표면을 유지할 수 있습니다.

4단계 절단 후 공정 및 검사

품질 관리를 위한 점검

• 캘리퍼스나 디버링 머신과 같은 도구를 사용하여 절단면의 버, 거칠기, 수직성, 치수 정확성을 점검합니다.

처리 후 단계

• 디버링: 날카로운 모서리나 흠집을 매끄럽게 하려면 연마 도구나 연삭 도구를 사용하세요.
• 표면 처리 : 외관을 개선하거나 부식을 막으려면 페인팅, 양극산화 처리 또는 광택 처리를 하세요.

마지막 시험

• 포장이나 조립을 하기 전에 각 부품을 설계 매개변수와 비교하여 품질과 균일성을 보장하세요.

다양한 소재에 대한 레이저 절단의 특성

금속과 비금속 모두 레이저 절단이 제공하는 정확성과 적응성을 통해 도움을 받을 수 있습니다. 각 범주의 특징, 레이저 설정 및 요소에 대한 자세한 내용은 아래에서 확인할 수 있습니다.

1. 금속재료

관련 레이저 출력 및 유형

• CO₂ 레이저: 얇은 금속판에 적합하지만, 잘 자르려면 가스의 도움이 필요합니다.
• 파이버 레이저 : 높은 효율성과 짧은 파장(1.06μm) 덕분에 이 레이저는 금속, 특히 구리와 알루미늄과 같이 반사율이 높은 금속에 적합합니다.
• Nd: YAG 레이저: 산업적 규모의 절단에는 덜 자주 사용되지만, 이 레이저는 정밀한 금속 미세 가공에 사용됩니다.

재료의 두께에 따라 다양한 전원 설정이 제공됩니다.

중요한 절단 요소

• 전력 관통력을 보장하려면 재료가 두꺼울수록 더 높은 전력이 필요합니다.
• 속도 : 모서리 품질을 유지하려면 두꺼운 금속일수록 더 느린 속도가 필요합니다.
• 가스 도움:
  • 산화를 통한 절단은 산소에 의해 가속화됩니다(탄소강에 사용됨).
  • 질소는 가장자리를 깨끗하게 유지하고 산화를 막습니다(스테인리스강에 사용).

 일반적인 금속 비교

비금속 재료

자질

비금속 재료는 다양한 용도로 사용할 수 있는 특별한 특성을 가지고 있습니다.

• 나무: 공예품과 가구 제작에 적합하며, 깨끗하게 자르고 거의 타지 않습니다.
• 아크릴 높은 정확도와 매끄러운 모서리 덕분에 장식용 물건과 표지판에 널리 사용됩니다.
• 직물/섬유: 창의적인 패턴과 산업적인 패턴 모두에 적합하며 흐트러짐 없이 잘립니다.
• 종이/판지: 설정을 적절히 조정하면 화재 위험이 거의 없이 정확한 절단이 가능합니다.

매개변수 구성

절단 품질과 재료 두께 비교

• 얇은 소재는 열의 영향이 적기 때문에 더 빠르고 깨끗하게 절단할 수 있습니다.
• 두꺼운 재료가 타거나 뒤틀리지 않고 완전히 침투하려면 더 느린 속도와 더 큰 힘이 필요합니다.

레이저 절단 기술

금속에 대한 플라즈마 절단 대비 레이저 절단의 한 가지 장점은 정밀도가 향상된다는 것입니다. 강력한 레이저가 물질에 닿으면 열이 발생하여 표면을 녹이거나 기화시킵니다. 레이저 절단 공정은 보조 가스의 종류에 따라 네 가지 주요 범주로 나뉩니다.

퓨전 절단

주입 절단에서 보조 가스는 재료를 녹이는 데 도움이 되지 않습니다. 레이저가 재료를 녹인 후에만 작용합니다. 일반적으로 질소 또는 불활성 가스가 절단 보조 가스로 간주됩니다.
용융 금속을 절단면 밖으로 밀어내는 가압된 보조 가스는 절단 속도를 높이고 재료를 절단하는 데 필요한 레이저 출력을 낮춥니다. 금속은 용융 절단을 통해 절단할 수 있습니다. 이 방법은 블로우 절단 및 용융이라고도 합니다.

불꽃으로 자르다

화염 절단에서는 보조 가스인 산소가 재료의 연소와 용융에 관여합니다. 레이저 빔에 의해 재료가 가열되고, 가열된 재료가 산소와 반응하면 불꽃이 발생합니다. 이는 레이저 빔이 재료에 입력되는 전력을 증가시켜 재료 절단을 돕습니다.

절단 작업을 위해, 저는 고압 산소 흐름으로 탄 금속을 동시에 불어냅니다. 두꺼운 탄소강으로 만들어진 재료는 종종 화염 절단을 합니다. 이 방법은 가열된 재료와 산소 사이에서 일어나는 반응 때문에 반응성 절단이라고도 합니다.

승화 절단

얇은 소재(예: 호일이나 직물)를 보조 가스 없이 절단하면 승화 절단이 눈에 띄게 나타납니다. 이 과정에서는 소재를 녹이는 대신 레이저 빔이 소재를 즉시 기화시킵니다.

강한 강도로 인해 초점 부위의 물질이 증발하여 얇은 절개가 생길 수 있습니다. 증발 절단은 이러한 유형의 절단을 다른 말로 합니다.

충격 절단

연속 레이저 빔으로 절단하기 어려운 재료는 충격 절단을 사용하여 절단합니다. 재료에 겹치는 구멍을 만들기 위해 고속 펄스 레이저 빔을 표면에 조사합니다.

충격 절단은 일반적으로 유리나 세라믹과 같은 깨지기 쉬운 재료를 절단하는 데 사용됩니다. 재료와 실제 용도에 따라 사용할 레이저 유형을 결정해야 합니다. 예를 들어, 파이버 레이저는 금속 절단에 자주 사용되는 반면, CO2 레이저는 다양한 재료 절단에 일반적으로 사용됩니다.

금속 소재의 정밀하고 효과적인 절단을 보장하기 위해 레이저 절단기는 고에너지 레이저 빔과 보조 가스의 보완 효과를 활용합니다.

레이저 절단 장비를 사용할 때는 반드시 사용 설명서와 기술을 숙지해야 합니다. 예를 들어, 충분한 환기를 유지하고, 레이저 빔에 직접 눈을 마주치지 않도록 하며, 보안경을 착용하는 것이 중요합니다. 이를 통해 안전하고 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 장비의 원활한 작동을 위해서는 정기적인 유지 관리 또한 필수적입니다.

결론

고출력 레이저는 레이저 절단기에서 다양한 분야의 정밀하고 효과적인 절단을 위해 사용됩니다. 융합 및 화염 절단을 포함한 다양한 절단 방식이 현대 레이저 기술과 생산에 점점 더 필수적이 되고 있습니다.

금속 절단 분야, 판금 제조 및 기타 기계 공학 분야에서 KRRASS의 레이저 절단 기계는 타의 추종을 불허하는 정확성과 효율성을 제공합니다.

지금 바로 구매하여 생산 공정을 혁신하세요! 최적의 장비를 선택하려면 재고를 확인하시거나, 자세한 내용은 영업 담당자에게 문의하세요.

자주 묻는 질문