파이버/디스크 vs CO2 레이저 절단
여러 장비 제조업체들과 고객들이 CO 2 레이저에 더욱 친숙할 뿐만 아니라 다양한 소재에 맞춘 공정과 파라미터 설정을 잘 이해하고 있는 까닭에 여전히 판금과 프로파일링 가공에서는 CO2 레이저 절단이 여전히 강세를 보이고 있지만, 최근 5년간 고출력 파이버 및 디스크 레이저를 선택하는 기업들이 늘어나고 있습니다.
CO2 레이저에 비해 고출력 파이버/디스크 레이저의 장점으로 더 높은 에너지 효율(전기-광 변환), 더 작은 풋프린트, 광섬유를 통한 빔 전달의 유연성을 들 수 있습니다. 그러나 파이버/디스크 레이저와 다양한 소재간의 상호작용을 이해하고 공정을 최적화 하는데 다소의 어려움을 호소하는 고객들이 많습니다.
얇은 금속 소재(<5mm)를 절단하는 경우 파이버 레이저는 CO2 레이저보다 빠르며 절단 품질이 비슷하거나 더 나은 것으로 나타났습니다. 그러나 두꺼운 금속 소재(>5mm)를 절단하는 경우 CO 2 레이저는 품질과 속도 면에서 파이버 레이저보다 우수합니다. 따라서 파이버/디스크 레이저 절단과 빔-소재 상호 작용을 완전히 이해하기 위해 반복된 공정 연구가 필요합니다.
예를 들어, 파이버/디스크 레이저는 절단 전면 형상으로 인한 입사 빔 각도에 영향을 받아, 두꺼운 금속을 가공할 때 CO 2 레이저보다 빔 흡수율이 높지 않을 수 있습니다. 또한 가우시안 빔은 최대 50%의 레이저 빔이 절단된 커프에서 벗어날 수 있으므로 이상적인 빔 프로파일이 아닐 수 있습니다.
1. 취성 재료 절단
세라믹, 반도체, 유리와 같은 취성이 강한 재료 가공에서 레이저는 공구의 마모와 절단 속도 측면에서 기계적 가공의 어려움을 극복합니다. 그러나 물론 레이저 절단 또한 종종 미세 균열, 절단 경로 편차 및 재주조, 튀김 및 파편과 같은 바람직하지 않은 열 효과를 초래할 수 있습니다.
때문에 열 증발/용융 방출 및 제어된 파괴를 포함하여 취성 재료의 레이저 절단에는 수많은 기술이 복합적으로 적용됩니다. 체적 흡수(Volume absorption, 절단할 재료에 부분적으로 투명한 레이저 빔 사용)는 용융 또는 상전이(Phase transition) 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 단일 균열을 생성하여 투명 및 반투명 재료를 빠르게 절단할 수 있습니다. 결과적으로 파편과 칩이 없는 고품질 "스텔스" 절단이 만들어집니다.
취성 및 저열전도 재료의 레이저 절단에서 높은 열 구배는 때때로 바람직하지 않은 미세 균열 및 절단 편차로 이어질 수 있는 열 응력을 생성합니다. 따라서 세라믹/반도체/유리 소재를 절단할 때 열이 투입되는 것을 제어하는 것은 절단 공정의 성공에 매우 중요하고, 응력과 열장(thermal field)를 모델링하고 알맞게 취성 소재를 레이저 절단하는 분석이 필요합니다.
2. 복합 및 불균일 재료 절단
탄소 또는 유리 복합 재료는 가볍고 우수한 강도로 가지기 때문에 항공 우주, 에너지, 자동차 및 스포츠 산업에서 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 탄소 및 유리 복합 재료의 레이저 절단은 탄소 또는 유리 섬유와 폴리머 바인더 간의 재료 특성 차이가 크기 때문에 복잡합니다. 섬유를 통해 전달되는 과도한 열로 인해 종종 폴리머 바인더가 분해되고, 이로 인해 섬유가 뽑히고 열 영향 영역이 커집니다.
짧은 펄스, 고속 절단은 열 효과를 최소화할 수 있지만 재료 제거 속도는 아직 상업적으로 경쟁력이 없습니다. 따라서 기계적 방법이나 및 워터젯 절단 기술에 비해 품질이 우수하고 속도가 빠른 레이저 절단 기술을 개발하기 위한 연구가 필요합니다. 이러한 공정의 모델링도 재료 특성이 이방성(anisotropic)이므로 꽤나 까다롭습니다. 목재는 이방성 재료 특성을 갖는 또 다른 재료입니다. 목재를 절단하는 데는 방향 의존성 및 결정 경계면 (grain boundaries)에서의 절단 품질 편차 문제도 있습니다.
3. 가변 두께 절단
균일한 두께의 재료를 절단하는 것이 아니라, 가변 두께 재료를 절단하는 것은 초점 거리에 민감한 레이저 공정의 도전 과제 중 하나입니다. 대량 제조 라인에서 배치 마다 공급된 시트 재료가 정확히 같은 두께를 갖지 않을 수 있습니다. 절단 성능이 재료 두께 변화에 얼마나 민감하고 중요한지를 알아내기 위. 가변 두께 강철의 레이저 절단에 대한 많은 연구가 수행되고 있습니다.
건물 및 원자력 시설의 레이저 기반 해체와 같은 일부 적용 분야에서는 T-바와 파이프를 한쪽에서 절단하는 것과 같이 가변 두께의 재료를 레이저 절단해야 할 수 있습니다. 이 때, 적합한 절단 광학 장치(예: 빔 발산 제어), 가스 공급 및 절단 매개변수를 설계하는 것이 필요합니다.
4. 두꺼운 단면 재료 절단
레이저 절단은 재료 두께가 더 증가함에 따라 절단 품질이 떨어지고 절단 속도가 너무 느려지기 때문에, 20mm 미만의 재료 두께에 가장 적합합니다. 이는 주로 부산물 제거와 레이저 빔 허리 모양 때문에 발생되는 한계 입니다.
금속 재료를 절단하는 경우 레이저의 역할은 재료를 녹이는 것이고 동축 가스 제트를 사용하여 녹은 재료를 제거합니다. 그러나 재료 두께가 증가함에 따라 하단 부분에 도달하는 레이저 에너지가 감소하고 가스 압력이 떨어지고, 점차 재료 제거 효율이 떨어집니다.
재료의 두꺼운 단면 절단을 가능하게 하기 위해 수많은 특정 기술이 개발되었습니다. 가장 대표적인 사례로는 "LASOX(Laser Assisted Oxygen)", 다중 패스, 워터젯 레이저가 있습니다.
5. Striation & Recast 프리 절단
레이저 절단은 공정 중에 스트라이에이션(균열면에 생기는 줄무늬)의 형성, 재주조 및 열 영향 구역을 초래합니다. 항공 우주 및 의료 산업과 같은 특정 응용 분야에서는 재료 무결성이 중요하고 표면 마감이 중요합니다.
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