레이저 절단

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1. 개요
2. 역사
3. 원리 및 과정
4. 종류
5. 방식
6. 기계 구성
7. 장점 및 단점
- 7.1. 장점
- 7.2. 단점
참조

1. 개요

레이저 절단은 레이저 빔을 이용하여 재료를 절단하는 기술이다. 1960년대에 개발되어, 다이아몬드 다이 구멍 뚫기에 처음 사용되었고, 이후 금속, 비금속 등 다양한 재료 절단에 활용되었다. 레이저 절단은 고품질 렌즈를 통해 작업 영역에 초점을 맞춰 진행되며, 기계 절단에 비해 작업물 고정이 쉽고, 정밀하며, 오염이 적다는 장점이 있다. CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저 등 다양한 종류의 레이저가 사용되며, 기화, 용융, 블로우, 열 응력 균열 등 여러 방식으로 절단이 이루어진다. 산업용 레이저 절단기는 재료 이동 방식, 하이브리드 방식, 플라잉 옵틱 시스템 등 여러 기계 구성 방식을 갖는다. 레이저 절단은 광범위한 재료를 고속, 고정밀로 절단할 수 있지만, 높은 전력 소비가 단점으로 꼽힌다.

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레이저 절단
레이저 절단
유형	열 절단 공정
적용	절단 조각
재료	금속 플라스틱 나무 준보석 유리 종이 판지
공정
작동 원리	재료를 녹이거나, 태우거나, 기화시키기 위해 레이저를 사용
레이저 유형	CO₂ 레이저 Nd:YAG 레이저
가스 보조	산소, 질소
장점	다양한 재료 절단 가능 높은 정밀도 깨끗한 절단면 비접촉 공정
단점	특정 재료에 제한적 두꺼운 재료 절단에 어려움 초기 투자 비용 높음

2. 역사

1965년, 최초의 생산 레이저 절단기는 다이아몬드 다이에 구멍을 뚫는 데 사용되었다. 이 기계는 웨스턴 일렉트릭 엔지니어링 연구 센터에서 제작되었다.^[3] 1967년, 영국은 금속에 대한 레이저 보조 산소 제트 절단을 개척했다.^[4] 1970년대 초, 이 기술은 항공 우주 분야의 티타늄 절단에 투입되었다. 동시에, 당시에는 CO₂ 레이저가 금속의 열전도율을 극복할 만큼 강력하지 않았기 때문에, CO₂ 레이저는 섬유와 같은 비금속을 절단하는 데 적용되었다.^[5]

3. 원리 및 과정

레이저 빔은 일반적으로 고품질 렌즈를 사용하여 작업 영역에 초점을 맞춥니다. 빔의 품질은 초점 지점 크기에 직접적인 영향을 미치는데, 초점을 맞춘 빔의 가장 좁은 부분은 일반적으로 직경이 약 0.03cm 미만입니다. 재료 두께에 따라 커프 너비는 약 0.01cm까지 가능합니다.^[6] 절단 시작 전에는 모든 절단에 앞서 피어싱을 수행합니다. 피어싱에는 일반적으로 고출력 펄스 레이저 빔이 사용되어 재료에 구멍을 천천히 만듭니다. 예를 들어 약 1.27cm 스테인리스강의 경우 약 5~15초가 소요됩니다.

레이저 소스에서 나오는 일관성 있는 빛의 평행 광선은 종종 직경이 범위에 있습니다. 이 빔은 렌즈나 거울에 의해 약 의 매우 작은 지점으로 초점을 맞추고 강화되어 매우 강렬한 레이저 빔을 생성합니다. 윤곽 절단 시 가능한 가장 부드러운 마감을 얻기 위해 빔의 편광 방향을 윤곽이 있는 공작물의 주변을 따라 회전시켜야 합니다. 판금 절단의 경우 초점 거리는 일반적으로 입니다.^[7]^[8]

기계 절단에 비해 레이저 절단의 장점은 다음과 같습니다.

작업물 고정이 더 쉽다.
공작물의 오염이 감소한다. (재료에 의해 오염되거나 재료를 오염시킬 수 있는 절단 날이 없기 때문)
레이저 빔은 공정 중에 마모되지 않으므로 정밀도가 더 좋을 수 있다.
레이저 시스템은 작은 열 영향부를 가지므로 절단되는 재료가 변형될 가능성이 줄어든다.^[9]
일부 재료는 기존 방식으로는 절단하기가 매우 어렵거나 불가능하다.^[10]

금속에 대한 레이저 절단은 플라즈마 절단보다 정밀도가 높고,^[11] 판금 절단 시 에너지 소비가 적다는 장점이 있습니다. 그러나 대부분의 산업용 레이저는 플라즈마가 절단할 수 있는 더 큰 금속 두께를 절단할 수 없습니다. 더 높은 출력으로 작동하는 최신 레이저 기계는 두꺼운 재료를 절단하는 능력에서 플라즈마 기계에 근접하고 있지만, 이러한 기계의 자본 비용은 강철판과 같은 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 플라즈마 절단 기계보다 훨씬 높습니다.^[12]

레이저 절단기는 10 마이크로미터의 위치 정확도와 5 마이크로미터의 반복 정밀도를 갖습니다.

표준 거칠기 Rz는 판재 두께가 증가함에 따라 증가하지만, 레이저 출력과 절단 속도가 증가함에 따라 감소합니다. 레이저 출력 800W로 저탄소강을 절단할 때, 표준 거칠기 Rz는 판재 두께 1mm에 대해 10μm, 3mm에 대해 20μm, 6mm에 대해 25μm입니다.

:

Rz = \frac{ 12.528 \cdot S^{0.542} }{ P^{0.528} \cdot V^{0.322} }

:여기서:

S =

강판 두께(mm);

P =

레이저 출력(kW)(일부 새로운 레이저 절단기는 4kW의 레이저 출력을 가짐);

V =

절단 속도(분당 미터).^[16]

이 공정은 약 0.00cm 이내로 매우 좁은 공차를 유지할 수 있습니다. 부품 형상과 기계의 기계적 건전성은 공차 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 레이저 빔 절단으로 얻을 수 있는 일반적인 표면 마감은 125uin~250uin 범위입니다.^[13]

펄스 레이저는 짧은 기간 동안 고출력의 에너지를 제공하며, 특히 구멍을 뚫거나 매우 작은 구멍, 또는 매우 낮은 절단 속도가 필요할 때, 레이저 절단 공정에서 매우 효과적입니다. 만약 연속적인 레이저 빔을 사용한다면 열이 절단될 전체 부품의 융점에 도달할 수 있기 때문입니다.

대부분의 산업용 레이저는 NC (수치 제어) 프로그램 제어 하에서 펄스 또는 CW(연속파)로 절단할 수 있는 기능을 가지고 있습니다.

이중 펄스 레이저는 일련의 펄스 쌍을 사용하여 재료 제거율과 구멍의 품질을 향상시킵니다. 본질적으로 첫 번째 펄스는 표면에서 재료를 제거하고, 두 번째 펄스는 배출물이 구멍 또는 절단면의 측면에 부착되는 것을 방지합니다.^[18]

레이저 발진기에서 반사경 등을 사용하여 전송된 레이저를 컴퓨터 수치 제어로 2차원좌표상에서 이동시켜 집광 렌즈로 가늘게 좁혀 소재에 조사하여 국부적으로 용융시키고, 레이저와 동축으로 배치된 노즐에서 어시스트 가스를 분사하여 용융물을 날려 보냄으로써 절단합니다.^[24] 금속은 물론, 세라믹, 수지, 복합 재료의 절단도 가능합니다. 또한 절단 커프(절단 여유)가 작기 때문에 정밀한 절단이 가능합니다. 실드 가스는 불활성 가스인 헬륨이나 아르곤, 질소 등이 많이 사용됩니다.

4. 종류

레이저 절단에는 주로 세 가지 유형의 레이저가 사용된다.

이산화탄소(CO₂) 레이저는 절단, 천공 및 조각에 적합하다.
네오디뮴(Nd) 및 네오디뮴 이트륨-알루미늄-가넷(Nd:YAG) 레이저는 스타일은 동일하며 용도에 따라 다르다.
Nd는 높은 에너지와 낮은 반복률이 필요한 천공에 사용된다.
Nd:YAG 레이저는 매우 높은 출력이 필요하고 천공 및 조각에 사용된다.
CO₂ 및 Nd/Nd:YAG 레이저는 모두 용접에도 사용할 수 있다.^[13]

CO₂ 레이저는 일반적으로 가스 혼합물을 통해 전류를 통과시키거나(DC 여기) 무선 주파수 에너지(RF 여기)를 사용하여 "펌핑"된다. RF 방식은 더 새로운 기술이며 더 널리 사용되고 있다. DC 설계는 캐비티 내부에 전극이 필요하기 때문에 전극 침식 및 유리 제품 및 광학에 전극 재료가 도금될 수 있다. RF 공진기는 외부 전극이 있기 때문에 이러한 문제에 취약하지 않다.

CO₂ 레이저는 티타늄, 스테인리스강, 연강, 알루미늄, 플라스틱, 목재, 엔지니어링 목재, 왁스, 직물, 종이를 포함한 많은 재료의 산업용 절단에 사용된다. YAG 레이저는 주로 금속 및 세라믹 절단 및 스크라이빙에 사용된다.

파이버 레이저는 금속 절단 산업에서 빠르게 성장하고 있는 고체 레이저의 한 유형이다. CO₂와 달리 파이버 기술은 가스 또는 액체와 반대로 고체 이득 매체를 사용한다. "시드 레이저"는 레이저 빔을 생성한 다음 유리 섬유 내에서 증폭된다. 파장이 1064 나노미터에 불과한 파이버 레이저는 매우 작은 스폿 크기(CO₂에 비해 최대 100배 작음)를 생성하여 반사 금속 재료 절단에 이상적이다. 이것이 CO₂에 비해 파이버의 주요 장점 중 하나이다.^[15]

5. 방식

레이저를 이용한 절단에는 여러 방식이 있으며, 다양한 유형의 레이저가 서로 다른 재료를 절단하는 데 사용된다.

기화 절단: 집속된 빔이 재료 표면을 발화점까지 가열하여 흡수율을 급격하게 증가시켜 키홀을 생성한다. 재료가 끓으면서 생성된 증기가 용융된 벽을 침식시키고 배출물을 날려 보내 구멍을 더욱 확장시킨다. 나무, 탄소, 열경화성 플라스틱과 같은 비융착성 재료는 이 방식으로 절단된다.
용융 및 블로우: 고압 가스를 사용하여 절단 영역에서 용융 재료를 불어내어 전력 요구 사항을 크게 줄인다. 먼저 재료를 녹는점까지 가열한 다음 가스 제트가 용융된 재료를 절단면 밖으로 불어낸다. 이 공정으로 절단되는 재료는 주로 금속이다.
열 응력 균열: 취성 재료는 열 파괴에 특히 민감하며, 이는 열 응력 균열에서 활용되는 특징이다. 빔이 표면에 집중되어 국부적인 가열과 열팽창을 유발하여 균열을 생성하고, 빔을 이동시켜 균열을 유도할 수 있다. 이 방식은 주로 유리를 절단하는 데 사용된다.
스텔스 다이싱: 반도체 소자 제조에서 제조된 실리콘 웨이퍼에서 마이크로 전자 칩을 분리하는 공정으로, 펄스 Nd:YAG 레이저를 사용한다.
반응 절단: "안정화된 레이저 가스 절단" 또는 "화염 절단"이라고도 불린다. 레이저 빔을 점화원으로 사용하는 산소 토치 절단과 유사하며, 주로 1mm 이상의 두꺼운 탄소강 절단에 사용된다.^[24]

6. 기계 구성

산업용 레이저 절단기는 일반적으로 자재 이동 방식, 하이브리드 방식, 플라잉 옵틱 시스템의 세 가지 구성 방식을 사용한다. 이들은 레이저 빔을 절단하거나 가공할 재료 위로 이동시키는 방식을 나타낸다. 이동 축은 보통 X, Y 축으로 지정되며, 절단 헤드를 제어할 수 있는 경우에는 Z축으로 지정된다.

자재 이동 방식: 고정된 절단 헤드 아래로 재료를 이동시킨다. 이 방식은 레이저 발생기에서 공작물까지의 거리가 일정하고, 절단된 물질을 제거할 단일 지점을 제공한다. 광학 장치를 적게 필요로 하지만, 공작물을 이동시켜야 하므로 속도가 느린 편이다.

하이브리드 방식: 한 축(주로 X축)으로 움직이는 테이블과 다른 축(Y축)을 따라 움직이는 헤드를 결합한 방식이다. 플라잉 옵틱 방식보다 빔 전달 경로 길이가 일정하여, 더 간단한 빔 전달 시스템을 사용할 수 있다. 따라서 전달 시스템에서 전력 손실을 줄이고, 와트당 더 많은 용량을 얻을 수 있다.

플라잉 옵틱 시스템: 고정된 테이블과 두 개의 수평 방향에서 공작물 위로 움직이는 절단 헤드(레이저 빔 포함)를 사용한다. 가공 중 공작물을 고정된 상태로 유지하며, 재료를 고정할 필요가 없는 경우가 많다. 이동 질량이 일정하므로, 공작물의 크기 변화에 영향을 받지 않는다. 플라잉 옵틱 기계는 가장 빠른 유형이며, 얇은 공작물을 절단할 때 유리하다.^[17] 플라잉 옵틱 기계는 근거리장(공진기에 가까움) 절단에서 원거리장(공진기에서 멀리 떨어짐) 절단까지 변화하는 빔 길이를 고려해야 하는데, 이를 위해 콜리메이션, 적응 광학, 일정한 빔 길이 축 사용 등의 방법을 사용한다.

5축 및 6축 기계는 성형된 공작물 절단도 가능하다. 레이저 빔을 성형된 공작물에 맞게 조정하고 적절한 초점 거리와 노즐 간격을 유지하는 다양한 방법이 사용된다.

7. 장점 및 단점

레이저 절단 가공은 선진국을 중심으로 산업계에서 판금 재료 절단용으로 널리 사용되는 가공법이다. YAG 레이저나 CO2 레이저가 주류였지만, 파이버 레이저나 고출력 반도체 레이저의 비율도 증가하고 있다. 특히 반도체 레이저는 광학계가 필요 없고 레이저 발진기를 플로터 위에 설치할 수 있어 2010년대 후반부터 보급이 진행되고 있다. 2015년경까지는 1대당 10만 엔 이상이었지만^[22], 2020년 현재에는 개인 DIY 등을 대상으로 한 5만 엔 이하의 기종도 늘어나고 있다^[23]。

레이저 빔은 고품질 렌즈를 사용하여 작업 영역에 초점을 맞추며, 빔의 품질은 초점 지점 크기에 직접적인 영향을 미친다. 초점을 맞춘 빔의 가장 좁은 부분은 직경이 약 0.03cm 미만이며, 재료 두께에 따라 커프 너비는 약 0.01cm까지 가능하다.^[6] 절단 시에는 피어싱 작업이 필요하며, 예를 들어 약 1.27cm 스테인리스강의 경우 약 5~15초가 소요된다.

판금 절단의 경우 초점 거리는 일반적으로 약 3.81cm 에서 약 7.62cm이다.^[7]^[8] 펄스 레이저는 짧은 기간 동안 고출력 에너지를 제공하여 구멍을 뚫거나 매우 작은 구멍, 또는 매우 낮은 절단 속도가 필요할 때 효과적이다. 대부분의 산업용 레이저는 NC (수치 제어) 프로그램 제어 하에서 펄스 또는 CW(연속파)로 절단할 수 있다. 이중 펄스 레이저는 일련의 펄스 쌍을 사용하여 재료 제거율과 구멍의 품질을 향상시킨다.^[18]

레이저 절단은 약 0.00cm 이내로 매우 좁은 공차를 유지할 수 있다. 부품 형상과 기계의 기계적 건전성은 공차 성능과 밀접한 관련이 있다. 레이저 빔 절단으로 얻을 수 있는 일반적인 표면 마감은 125uin~250uin 범위이다.^[13]

7. 1. 장점

기계 절단에 비해 레이저 절단의 장점은 다음과 같다.^[9]

작업물 고정이 더 쉽다.
공작물의 오염이 감소한다. (재료에 의해 오염되거나 재료를 오염시킬 수 있는 절단 날이 없기 때문이다.)
레이저 빔은 공정 중에 마모되지 않으므로 정밀도가 더 좋을 수 있다.
레이저 시스템은 작은 열 영향부를 가지므로 절단되는 재료가 변형될 가능성이 줄어든다.
일부 재료는 기존 방식으로는 절단하기가 매우 어렵거나 불가능하다.^[10]

금속 레이저 절단은 플라즈마 절단보다 정밀도가 높고^[11] 판금 절단 시 에너지 소비가 적다. 그러나 대부분의 산업용 레이저는 플라즈마가 절단할 수 있는 더 큰 금속 두께를 절단할 수 없다. 더 높은 출력으로 작동하는 최신 레이저 기계는 두꺼운 재료를 절단하는 능력에서 플라즈마 기계에 근접하고 있지만, 이러한 기계의 자본 비용은 강철판과 같은 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 플라즈마 절단 기계보다 훨씬 높다.^[12]

레이저 절단기는 위치 정확도가 10 마이크로미터이고 반복 정밀도는 5 마이크로미터이다. 표준 거칠기 Rz는 판재 두께가 증가함에 따라 증가하지만, 레이저 출력과 절단 속도가 증가함에 따라 감소한다.

최대 절단 속도(생산 속도)는 레이저 출력, 재료 두께, 공정 유형(반응성 또는 비활성), 재료 특성을 포함한 여러 요인에 의해 제한된다. 일반적인 산업 시스템(≥1kW)은 탄소강 금속을 절단한다. 많은 경우, 레이저는 표준 톱질보다 최대 30배 빠를 수 있다.^[21]

산업기술종합연구소는 레이저 절단의 특징을 다음과 같이 제시한다.^[24]

열 영향이 적어 열 변형이 극히 작아 절단 정밀도가 향상된다. 변형되기 쉬운 박판의 정밀 절단에 적합하다.
레이저 조사로 녹은 부분만을 제거하기 때문에 절단 폭이 레이저의 집광경과 거의 같은 미세한 폭으로 절단할 수 있다.
고출력 밀도 빔을 조사하는 가공이므로 용융 및 용융 금속의 제거가 신속하며, 기존 절단법에 비해 절단 속도가 빠르다.
비접촉 가공이므로 톱니 교환 등은 존재하지 않으며, 렌즈나 미러 등의 소모 부품 교환 빈도는 접촉 제거 가공에 비해 낮다.
절단부의 산화가 적다. 특히 무산화 절단을 하면, 그대로 실용화되어도 성능 저하는 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 즉, 절단 후 마감 가공은 생략 가능하다.
박판 절단에는 펄스 타입의 YAG 레이저 절단, 두꺼운 판재에는 연속 타입의 CO2 레이저 절단을 사용하지만, 레이저에 따라 다양한 판종·판두께의 절단 가공에 응용 가능하다.

이산화 탄소 레이저(CO₂)를 사용한 절단 속도 (cm/초)
가공물 재료	재료 두께
가공물 재료	0.51 mm	1.0 mm	2.0 mm	3.2 mm	6.4 mm	13 mm
스테인리스강	42.3	23.28	13.76	7.83	3.4	0.76
알루미늄	33.87	14.82	6.35	4.23	1.69	1.27
연강	−	8.89	7.83	6.35	4.23	2.1
티타늄	12.7	12.7	4.23	3.4	2.5	1.7
합판	−	−	−	−	7.62	1.9
붕소/에폭시	−	−	−	2.5	2.5	1.1

7. 2. 단점

대부분의 산업용 레이저는 플라즈마 절단이 가능한 수준의 더 큰 금속 두께를 절단할 수 없다.^[12] 고출력 레이저 기계는 자본 비용이 플라즈마 절단 기계보다 훨씬 높다.^[12] 레이저 절단의 주요 단점은 높은 전력 소비량으로, 산업용 레이저의 효율은 5%에서 45%까지 다양하다.^[19] 특정 레이저의 전력 소비량과 효율은 출력 전력 및 작동 매개변수에 따라 달라지며, 이는 레이저 종류와 작업 적합성에 영향을 받는다. 특정 작업에 필요한 레이저 절단 전력량(열 투입량)은 재료 유형, 두께, 사용 공정(반응성/비활성) 및 원하는 절단 속도에 따라 달라진다.

다양한 두께의 다양한 재료에 필요한 열 투입량, CO₂ 레이저 [와트]^[20] 사용
재료	재료 두께
재료	0.51 mm	1.0 mm	2.0 mm	3.2 mm	6.4 mm
스테인리스강	1000	1000	1000	1500	2500
알루미늄	1000	1000	1000	3800	10000
연강	−	400	−	500	−
티타늄	250	210	210	−	−
합판	−	−	−	−	650
붕소/에폭시	−	−	−	3000	−

참조

_[1] 문서 Oberg, p. 1447
_[2] 간행물 The effect of laser cutting parameters on the formability of complex phase steel https://doi.org/10.1[...] 2013-02-01
_[3] 문서 Bromberg 1991
_[4] 문서 The early days of laser cutting http://www.twi-globa[...] 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finland 2007-08-20
_[5] 웹사이트 Chapter 2: CO₂ Lasers UC Berkeley 2015-01-14
_[6] 문서 Todd, p. 185
_[7] 문서 Todd, p. 188
_[8] 뉴스 Chittak Laser Cutting Machine https://chittak-lase[...] 2023-10-12
_[9] 웹사이트 Laser Cutting - Cutting Processes https://www.twi-glob[...] 2020-09-14
_[10] 웹사이트 How Laser Cutting Works https://grprototypes[...] 2024-09-03
_[11] 웹사이트 Gia công cắt laser trên kim loại với nhiều ưu điểm vượt trội https://vietducmetal[...] 2020-11-04
_[12] 간행물 Innovation Study for Laser Cutting of Complex Geometries with Paper Materials 2015-01-01
_[13] 문서 Todd, p. 186
_[14] 문서 Heat damage-free Laser-Microjet cutting achieves highest die fracture strength SPIE 2005
_[15] 웹사이트 Fibre Lasers https://www.ctrlaser[...] CTR Lasers
_[16] 웹사이트 Research on surface roughness by laser cut by Miroslav Radovanovic and Predrag Dašić https://web.archive.[...] 2010-03-10
_[17] 서적 Laser Cutting Guide for Manufacturing https://books.google[...] Society of Manufacturing Engineers 2004
_[18] 웹사이트 Superpulse A nanosecond pulse format to improve laser drilling "//fusion.gat.com/pu[...] Photonics Spectra 2014-06-16
_[19] 문서 High electrical/optical efficiency of up to 45% http://www.laserline[...] Laserline
_[20] 문서 Todd, Allen, Alting 1994
_[21] 웹사이트 Laser Cutting https://web.archive.[...] 2016-08-23
_[22] 웹사이트 専門的なスキルが無くてもワンボタンでレーザーカットが楽しめる『3Dレーザープリンタ』 https://idarts.co.jp[...] 2020-10-17
_[23] 웹사이트 300ドル15W中華半導体レーザーカッター買ったその1 https://sekailab.com[...] 2020-10-17
_[24] 웹사이트 レーザ切断の仕組みと良く使われる切断技術 http://www.monozukur[...] 2020-10-17
_[25] 문서 Oberg, p. 1447
_[26] 간행물 The effect of laser cutting parameters on the formability of complex phase steel https://doi.org/10.1[...] 2013-02-01

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