레이저 절단은 레이저를 사용하여 재료를 기화시켜 절단면을 만드는 기술입니다.일반적으로 산업 제조 응용 프로그램에 사용되지만 이제는 학교, 소규모 기업, 건축 및 취미 활동가가 사용합니다.레이저 절단은 가장 일반적으로 광학을 통해 고출력 레이저의 출력을 지시하여 작동합니다.레이저 광학 및 CNC(컴퓨터 수치 제어)를 사용하여 레이저 빔을 재료로 향하게 합니다.재료 절단용 상용 레이저는 모션 제어 시스템을 사용하여 재료에 절단할 패턴의 CNC 또는 G 코드를 따릅니다.집속된 레이저 빔이 재료를 향하여 녹거나, 타거나, 기화되거나 가스 제트에 의해 날아가[1] 가장자리가 고품질 표면 마감 처리됩니다.
역사
1965년에는 다이아몬드 다이에 구멍을 뚫는 데 최초의 레이저 절단기가 사용되었습니다.이 기계는 Western Electric Engineering Research Center에서 제작되었습니다.[3]1967년에 영국인은 금속을 위한 레이저 보조 산소 제트 절단을 개척했습니다.[4]1970년대 초, 이 기술은 우주항공 분야에서 티타늄을 절단하기 위해 생산에 투입되었습니다.동시에 CO2 레이저는 직물과 같은 비금속 절단에 사용되었습니다. 당시 CO2 레이저는 금속의 열전도율을 극복할 만큼 강력하지 않았기 때문입니다.[5]
프로세스
CNC 인터페이스를 통해 프로그래밍된 절단 지침으로 강철의 산업용 레이저 절단
레이저 빔은 일반적으로 작업 영역에 고품질 렌즈를 사용하여 초점을 맞춥니다.빔의 품질은 초점이 맞춰진 스폿 크기에 직접적인 영향을 미칩니다.집중된 빔의 가장 좁은 부분은 일반적으로 직경이 0.0125인치(0.32mm) 미만입니다.재료 두께에 따라 0.004인치(0.10mm)만큼 작은 절단 폭이 가능합니다.[6]가장자리가 아닌 다른 곳에서 절단을 시작할 수 있도록 모든 절단 전에 피어싱이 수행됩니다.피어싱에는 일반적으로 재료에 천천히 구멍을 만드는 고출력 펄스 레이저 빔이 포함되며, 예를 들어 0.5인치(13mm) 두께의 스테인리스 스틸의 경우 약 5-15초가 걸립니다.
레이저 소스에서 나오는 간섭성 광선의 평행 광선은 직경이 0.06~0.08인치(1.5~2.0mm)인 경우가 많습니다.이 빔은 일반적으로 렌즈나 거울에 의해 약 0.001인치(0.025mm)의 매우 작은 지점으로 초점이 맞춰지고 강화되어 매우 강렬한 레이저 빔을 생성합니다.윤곽 절단 중에 가능한 한 가장 매끄러운 마무리를 달성하려면 윤곽이 있는 공작물의 주변을 도는 빔 편광 방향을 회전해야 합니다.판금 절단의 경우 초점 거리는 일반적으로 1.5–3인치(38–76mm)입니다.[7]
기계적 절단에 비해 레이저 절단의 장점은 작업 유지가 더 쉽고 공작물의 오염이 감소한다는 것입니다(재료에 의해 오염되거나 재료를 오염시킬 수 있는 절단 날이 없기 때문에).레이저 빔은 공정 중에 마모되지 않기 때문에 정밀도가 더 좋을 수 있습니다.레이저 시스템에는 열 영향 영역이 작기 때문에 절단되는 재료가 뒤틀릴 가능성도 줄어듭니다.[8]일부 재료는 또한 보다 전통적인 방법으로 절단하기가 매우 어렵거나 불가능합니다.
금속 레이저 절단은 플라스마 절단보다 더 정확하고[9] 판금 절단 시 에너지를 덜 사용한다는 장점이 있습니다.그러나 대부분의 산업용 레이저는 플라즈마가 할 수 있는 더 두꺼운 금속 두께를 절단할 수 없습니다.더 높은 출력(초기 레이저 절단 기계의 1500와트 정격과 대조적으로 6000와트)에서 작동하는 최신 레이저 기계는 두꺼운 재료를 절단하는 능력에서 플라즈마 기계에 접근하고 있지만 이러한 기계의 자본 비용은 플라즈마 기계의 자본 비용보다 훨씬 높습니다. 강판과 같은 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 절단기.[10]
유형
4000와트 CO2 레이저 커터
레이저 절단에 사용되는 레이저에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.CO2 레이저는 절단, 보링 및 조각에 적합합니다.네오디뮴(Nd) 및 네오디뮴 이트륨-알루미늄-가넷(Nd:YAG) 레이저는 스타일이 동일하고 용도만 다릅니다.Nd는 보링에 사용되며 에너지는 높지만 반복 횟수는 적습니다.Nd:YAG 레이저는 매우 높은 출력이 필요한 곳과 보링 및 제판에 사용됩니다.CO2 및 Nd/Nd:YAG 레이저 모두 용접에 사용할 수 있습니다.[11]
CO2 레이저는 일반적으로 가스 혼합물(DC 여기)을 통해 전류를 통과시키거나 무선 주파수 에너지(RF 여기)를 사용하여 "펌핑"됩니다.RF 방법은 더 새롭고 더 대중적입니다.DC 설계는 캐비티 내부에 전극을 필요로 하기 때문에 전극 침식 및 유리 제품 및 광학 장치의 전극 재료 도금에 직면할 수 있습니다.RF 공진기에는 외부 전극이 있기 때문에 이러한 문제가 발생하지 않습니다.CO2 레이저는 티타늄, 스테인리스강, 연강, 알루미늄, 플라스틱, 목재, 공학목재, 왁스, 직물 및 종이를 포함한 다양한 재료의 산업용 절단에 사용됩니다.YAG 레이저는 주로 금속 및 세라믹의 절단 및 스크라이빙에 사용됩니다.[12]
전원 외에도 가스 흐름 유형도 성능에 영향을 줄 수 있습니다.CO2 레이저의 일반적인 변형에는 빠른 축류, 느린 축류, 횡류 및 슬래브가 있습니다.고속 축류 공진기에서 이산화탄소, 헬륨 및 질소의 혼합물은 터빈 또는 송풍기에 의해 고속으로 순환됩니다.횡류 레이저는 가스 혼합물을 더 낮은 속도로 순환하므로 더 간단한 송풍기가 필요합니다.슬래브 또는 확산 냉각 공진기에는 가압 또는 유리 제품이 필요하지 않은 정적 가스장이 있어 교체용 터빈 및 유리 제품을 절약할 수 있습니다.
레이저 발생기 및 외부 광학 장치(초점 렌즈 포함)는 냉각이 필요합니다.시스템 크기 및 구성에 따라 폐열은 냉각수에 의해 전달되거나 직접 공기로 전달될 수 있습니다.물은 일반적으로 냉각기 또는 열 전달 시스템을 통해 순환되는 일반적으로 사용되는 냉각제입니다.
레이저 마이크로젯은 펄스 레이저 빔이 저압 워터젯에 결합되는 워터젯 유도 레이저입니다.이것은 내부 전반사를 통해 광섬유처럼 레이저 빔을 안내하기 위해 워터 제트를 사용하면서 레이저 절단 기능을 수행하는 데 사용됩니다.이것의 장점은 물이 또한 파편을 제거하고 재료를 냉각시킨다는 것입니다.기존의 "건식" 레이저 절단에 대한 추가 이점은 높은 다이싱 속도, 평행 절단 및 전방향 절단입니다.[13]
파이버 레이저는 금속 절단 산업 내에서 빠르게 성장하고 있는 일종의 고체 레이저입니다.CO2와 달리 Fiber 기술은 기체 또는 액체와 달리 고체 이득 매체를 사용합니다."시드 레이저"는 레이저 빔을 생성한 다음 유리 섬유 내에서 증폭됩니다.파장이 1064나노미터에 불과한 파이버 레이저는 매우 작은 스폿 크기(CO2에 비해 최대 100배 작음)를 생성하므로 반사 금속 재료 절단에 이상적입니다.이것은 CO2에 비해 Fiber의 주요 장점 중 하나입니다.[14]
파이버 레이저 커터의 이점은 다음과 같습니다.
신속한 처리 시간.
에너지 소비 및 비용 절감 – 효율성 향상.
더 높은 신뢰성과 성능 – 조정하거나 정렬할 광학 장치와 교체할 램프가 없습니다.
최소한의 유지보수.
구리 및 황동과 같은 반사율이 높은 재료를 처리하는 능력
더 높은 생산성 – 더 낮은 운영 비용으로 더 큰 투자 수익을 얻을 수 있습니다.[15]
행동 양식
레이저를 사용하여 절단하는 방법에는 여러 가지가 있으며 다양한 재료를 절단하는 데 사용되는 유형이 다릅니다.방법 중 일부는 기화, 용융 및 취입, 용융 취입 및 연소, 열 응력 균열, 스크라이빙, 냉간 절단 및 연소 안정화 레이저 절단입니다.
기화 절단
기화 절단에서 집속된 빔은 재료의 표면을 인화점까지 가열하고 열쇠 구멍을 생성합니다.열쇠 구멍은 구멍을 빠르게 깊게 빠르게 흡수의 증가로 이어집니다.구멍이 깊어지고 재료가 끓으면 생성된 증기가 용융된 벽을 침식하여 분출물을 방출하고 구멍을 더욱 확대합니다.목재, 탄소 및 열경화성 플라스틱과 같은 녹지 않는 재료는 일반적으로 이 방법으로 절단됩니다.
녹여 불어라
용융 및 중공 또는 융합 절단은 고압 가스를 사용하여 절단 영역에서 용융된 재료를 불어내므로 전력 요구량이 크게 감소합니다.먼저 재료를 녹는점까지 가열한 다음 가스 제트가 용융된 재료를 커프에서 불어내어 재료의 온도를 더 이상 올릴 필요가 없도록 합니다.이 공정으로 절단된 재료는 일반적으로 금속입니다.
열 응력 균열
취성 재료는 열 응력 균열에 이용되는 특성인 열 파괴에 특히 민감합니다.빔이 표면에 집중되어 국부적인 가열 및 열팽창을 유발합니다.그 결과 빔을 움직여 가이드될 수 있는 균열이 생깁니다.균열은 m/s의 순서로 이동할 수 있습니다.그것은 일반적으로 유리 절단에 사용됩니다.
실리콘 웨이퍼의 스텔스 다이싱
추가 정보: 웨이퍼 다이싱
실리콘 웨이퍼로부터 반도체 장치 제조에서 준비된 마이크로 전자 칩의 분리는 펄스 Nd:YAG 레이저로 작동하는 소위 스텔스 다이싱 공정에 의해 수행될 수 있으며, 그 파장(1064 nm)은 전자에 잘 적응됩니다. 실리콘 밴드 갭(1.11 eV 또는 1117 nm).
반응성 절단
"불안정한 레이저 가스 절단", "화염 절단"이라고도 합니다.반응 절단은 산소 토치 절단과 비슷하지만 점화원으로 레이저 빔을 사용합니다.1mm 이상의 두께로 탄소강을 절단하는 데 주로 사용됩니다.이 공정은 비교적 적은 레이저 출력으로 매우 두꺼운 강판을 절단하는 데 사용할 수 있습니다.
공차 및 표면 마감
레이저 절단기의 위치 정확도는 10마이크로미터이고 반복성은 5마이크로미터입니다.[인용 필요]
표준 거칠기 Rz는 시트 두께에 따라 증가하지만 레이저 출력 및 절단 속도에 따라 감소합니다.800W의 레이저 출력으로 저탄소강을 절단할 때 표준 거칠기 Rz는 판 두께 1mm의 경우 10μm, 3mm의 경우 20μm, 6mm의 경우 25μm입니다.
{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
여기서: {\displaystyle S=}S= 강판 두께(mm);{\displaystyle P=}P= 레이저 출력(kW)(일부 새로운 레이저 절단기의 레이저 출력은 4kW);{\displaystyle V=}V= 절단 속도(미터/분).[16]
이 프로세스는 종종 0.001인치(0.025mm) 이내의 매우 가까운 공차를 유지할 수 있습니다.부품 형상과 기계의 기계적 건전성은 공차 기능과 많은 관련이 있습니다.레이저 빔 절단으로 인한 일반적인 표면 마감은 125~250마이크로인치(0.003mm~0.006mm)입니다.[11]
기계 구성
듀얼 팔레트 플라잉 광학 레이저
플라잉 광학 레이저 헤드
일반적으로 산업용 레이저 절단기에는 움직이는 재료, 하이브리드 및 비행 광학 시스템의 세 가지 구성이 있습니다.레이저 빔이 절단 또는 처리될 재료 위로 이동하는 방식을 나타냅니다.이들 모두에 대해 동작 축은 일반적으로 X 및 Y 축으로 지정됩니다.절단 헤드를 제어할 수 있는 경우 Z축으로 지정됩니다.
움직이는 재료 레이저에는 고정된 절단 헤드가 있고 그 아래에서 재료를 이동합니다.이 방법은 레이저 발생기에서 공작물까지 일정한 거리와 절단 유출물을 제거할 단일 지점을 제공합니다.더 적은 수의 광학 장치가 필요하지만 공작물을 이동해야 합니다.이 스타일 기계는 빔 전달 광학 장치가 가장 적은 경향이 있지만 가장 느린 경향이 있습니다.
하이브리드 레이저는 한 축(일반적으로 X축)으로 이동하고 더 짧은(Y) 축을 따라 헤드를 이동하는 테이블을 제공합니다.이것은 플라잉 광학 기계보다 더 일정한 빔 전달 경로 길이를 가져오고 더 간단한 빔 전달 시스템을 허용할 수 있습니다.이는 전달 시스템의 전력 손실을 줄이고 비행 광학 기계보다 와트당 용량을 늘릴 수 있습니다.
플라잉 광학 레이저는 고정 테이블과 두 수평 차원에서 공작물 위로 이동하는 절단 헤드(레이저 빔 포함)가 특징입니다.플라잉 옵틱 커터는 가공 중에 공작물을 고정 상태로 유지하며 종종 재료를 클램핑할 필요가 없습니다.이동 질량이 일정하므로 공작물의 크기 변화에 따라 역학이 영향을 받지 않습니다.플라잉 광학 기계는 가장 빠른 유형으로 얇은 공작물을 절단할 때 유리합니다.[17]
비행 광학 기계는 근거리(공진기에 가까운) 절단에서 원거리(공진기에서 멀리 떨어진) 절단으로 변경하는 빔 길이를 고려하기 위해 몇 가지 방법을 사용해야 합니다.이를 제어하는 일반적인 방법에는 시준, 적응 광학 또는 일정한 빔 길이 축 사용이 포함됩니다.
5축 및 6축 기계도 성형된 공작물을 절단할 수 있습니다.또한 레이저 빔을 성형된 공작물에 향하게 하고 적절한 초점 거리와 노즐 스탠드오프를 유지하는 등 다양한 방법이 있습니다.
펄싱
짧은 시간 동안 고출력 에너지 버스트를 제공하는 펄스 레이저는 일부 레이저 절단 공정, 특히 피어싱 또는 매우 작은 구멍 또는 매우 낮은 절단 속도가 필요한 경우에 매우 효과적입니다. 왜냐하면 일정한 레이저 빔이 사용된다면, 열이 절단되는 전체 조각을 녹일 수 있는 지점에 도달할 수 있습니다.
대부분의 산업용 레이저는 NC(수치 제어) 프로그램 제어에 따라 CW(연속파)를 펄스 또는 절단할 수 있습니다.
이중 펄스 레이저는 일련의 펄스 쌍을 사용하여 재료 제거율과 구멍 품질을 개선합니다.기본적으로 첫 번째 펄스는 표면에서 재료를 제거하고 두 번째 펄스는 배출물이 구멍 또는 절단면에 부착되는 것을 방지합니다.[18]
게시 시간: 2022년 6월 16일