레이저 절단

Laser cutting
레이저 커터도
강판 레이저 절단 공정
CAD(상부) 및 스테인리스강 레이저 절단 부품(하부)

레이저 커팅은 레이저를 이용해 재료를 증발시켜 절단 모서리를 만드는 기술이다.일반적으로 산업용 제조 애플리케이션에 사용되지만, 현재는 학교, 소규모 기업, 건축 및 취미 생활자가 사용하고 있습니다.레이저 커팅은 일반적으로 광학을 통해 고출력 레이저의 출력을 유도하여 작동합니다.레이저 광학 및 CNC(컴퓨터 수치 제어)는 레이저 빔을 물질로 향하도록 하기 위해 사용됩니다.절삭재료용 시판레이저는 모션제어시스템을 이용하여 절삭대상패턴의 CNC 또는 G코드에 추종한다.초점 레이저 빔은 재료를 향하게 되며, 이 재료는 용해, 연소, 증발 또는 [1]가스의 분출에 의해 날아가 가장자리에 고품질의 표면 [2]마감을 남깁니다.

역사

1965년, 최초의 레이저 절단기가 다이아몬드 다이에 구멍을 뚫기 위해 사용되었습니다.이 기계는 서양 전기 공학 [3]연구 센터에서 만들었습니다.1967년 영국은 금속을 [4]위한 레이저 보조 산소 제트 절삭을 개척했다.1970년대 초, 이 기술은 항공 우주 응용을 위한 티타늄을 절단하기 위해 생산에 투입되었습니다.동시에2 CO 레이저는 섬유와 같은 비금속 절단에 적합했습니다. 왜냐하면 CO 레이저는2 금속의 [5]열전도율을 극복할 만큼 강력하지 않았기 때문입니다.

과정

CNC 인터페이스를 통해 프로그램된 절단 명령을 사용하여 강철의 산업용 레이저 절단

레이저 빔은 일반적으로 작업 영역에서 고품질 렌즈를 사용하여 초점이 맞춰집니다.빔의 품질은 초점을 맞춘 스폿 크기에 직접적인 영향을 미칩니다.집속빔의 가장 좁은 부분은 일반적으로 직경이 0.0125인치(0.32mm) 미만입니다.재료 두께에 따라 0.004인치(0.10mm)의 공판 폭이 가능합니다.[6]가장자리 이외의 곳에서 절단할 수 있도록 절개 전에 피어스를 합니다.천공에는 일반적으로 0.5인치 두께(13mm) 스테인리스 스틸의 경우 5~15초 정도 걸리는 고출력 펄스 레이저 빔이 재료에 천천히 구멍을 만듭니다.

레이저 광원의 평행광선은 직경 0.06~0.08인치(1.5~2.0mm) 범위에 있는 경우가 많습니다.이 빔은 보통 렌즈 또는 거울에 의해 약 0.001인치(0.025mm)의 매우 작은 점까지 초점이 맞춰지고 강화되어 매우 강한 레이저 빔을 생성합니다.윤곽 절단 중에 가능한 한 매끄러운 마무리를 달성하기 위해서는 빔 편광 방향이 컨텐트된 공작물의 주위를 돌면서 회전해야 합니다.판금 절삭의 경우 초점거리는 보통 1.5~3인치(38~76mm)[7]입니다.

기계적 절단에 비해 레이저 절단의 장점은 작업 유지가 용이하고 공작물의 오염이 감소한다는 것입니다(자재에 오염되거나 재료를 오염시킬 수 있는 절삭날이 없기 때문입니다).공정 중에 레이저 빔이 마모되지 않으므로 정밀도가 더 좋을 수 있습니다.레이저 시스템에는 열에 영향을 받는 부분이 [8]작기 때문에 절단된 재료가 휘어질 가능성도 줄어듭니다.일부 재료는 전통적인 방법으로 절단하기가 매우 어렵거나 불가능합니다.

금속용 레이저 커팅은 플라즈마 커팅보다 정밀도가 높고[9] 판금 절단 시 에너지 소비량이 적다는 장점이 있습니다.그러나 대부분의 산업용 레이저에서는 플라즈마보다 더 큰 금속 두께를 절단할 수 없습니다.더 높은 출력으로 작동하는 새로운 레이저 기계(6000와트, 초기 레이저 절단기의 정격 1500와트 대비)는 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 능력이 플라즈마 기계에 근접하고 있지만, 그러한 기계의 자본 비용은 강철판과 같은 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 플라즈마 절단기의 자본 비용보다 훨씬 높다.e.[10]

종류들

4000와트2 CO레이저 커터

레이저 커팅에 사용되는 레이저에는 크게 세 가지 유형이 있습니다.CO2 레이저는 절단, 천공 및 조각에 적합합니다.네오디뮴(Nd) 및 네오디뮴 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저의 스타일은 동일하며 용도만 다릅니다.Nd는 높은 에너지와 낮은 반복이 필요한 보링에 사용됩니다.Nd:YAG레이저는 매우 높은 파워가 필요한 장소와 천공 및 조각에 사용됩니다.CO와2 Nd/Nd:용접에는 YAG 레이저를 사용할 수 있습니다.[11]

CO레이저는 일반적으로 가스믹스에 전류를 흘리거나(DC 들뜸) 무선주파수 에너지(RF 들뜸)를 사용하여 '펌프'됩니다2.RF 방식은 더 새롭고 더 많이 보급되었습니다.DC 설계에는 캐비티 내부에 전극이 필요하기 때문에 유리그릇 및 광학에서 전극 재료의 침식과 도금이 발생할 수 있습니다.RF 공진기에는 외부 전극이 있기 때문에 이러한 문제가 발생하기 쉽습니다.CO2 레이저는 티타늄, 스테인리스강, 연강, 알루미늄, 플라스틱, 목재, 엔지니어링 목재, 왁스, 직물 및 종이를 포함한 많은 재료의 산업용 절삭에 사용됩니다.YAG 레이저는 주로 금속 및 [12]세라믹을 절단 및 스크라이브하는 데 사용됩니다.

전원뿐만 아니라 가스 흐름의 종류도 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.CO 레이저의 일반적인2 변형으로는 빠른 축류, 느린 축류, 횡류 및 슬래브가 있습니다.고속축류공진기에서 이산화탄소, 헬륨 및 질소의 혼합물이 터빈 또는 블로워에 의해 고속으로 순환된다.횡류 레이저는 가스 혼합물을 더 낮은 속도로 순환시키므로 보다 단순한 송풍기가 필요합니다.슬래브 또는 확산 냉각 공진기는 압력이나 유리기구를 필요로 하지 않는 정적 가스장을 가지고 있어 교체용 터빈 및 유리기구를 절약할 수 있습니다.

레이저 발생기 및 외부 광학 장치(포커스 렌즈 포함)는 냉각이 필요합니다.시스템 크기와 구성에 따라 폐열이 냉각수에 의해 전달되거나 공기로 직접 전달될 수 있습니다.물은 일반적으로 사용되는 냉각수로, 일반적으로 냉각기 또는 열 전달 시스템을 통해 순환됩니다.

레이저 마이크로제트는 펄스 레이저 빔이 저압 워터제트에 결합되는 워터제트 유도 레이저입니다.워터제트를 사용하는 동안 레이저 절단 기능을 수행하여 광섬유와 같은 레이저 빔을 전체 내부 반사를 통해 유도합니다.이것의 장점은 물이 이물질을 제거하고 냉각시킨다는 것입니다.기존의 "드라이" 레이저 커팅에 비해 또 다른 장점은 고속 다이싱 속도, 평행 커프 및 전방위 [13]커팅입니다.

파이버 레이저는 금속 절삭업계에서 급속히 성장하고 있는 고체 레이저입니다.CO와 달리2 파이버 기술은 기체나 액체가 아닌 고체 이득 매체를 사용합니다."씨드 레이저"는 레이저 빔을 생성하고 유리 섬유 내에서 증폭됩니다.파장이 1064나노미터에 불과한 파이버 레이저는 매우 작은 스팟 크기(CO2 대비 최대 100배)를 생성하므로 반사 금속 재료를 절단하는 데 이상적입니다.이것은 [14]CO에 비해2 파이버의 주요 장점 중 하나입니다.

파이버 레이저 커터의 장점은 다음과 같습니다.

  • 처리 시간이 짧다.
  • 에너지 소비 및 비용 절감 – 효율성 향상
  • 뛰어난 신뢰성과 퍼포먼스 - 조정 또는 정렬할 광학 장치나 교체할 램프가 없습니다.
  • 최소한의 유지 보수
  • 구리, 황동 등의 반사율이 높은 재료를 가공할 수 있는 능력
  • 생산성 향상 - 운용비용 절감으로 [15]투자수익률이 향상됩니다.

방법들

레이저를 사용하여 절단하는 방법은 여러 가지가 있으며, 다른 재료를 절단하는 데 사용되는 종류도 다양합니다.방법 중 일부는 증발, 용융 및 블로, 용융 블로우 및 연소, 열응력 균열, 스크라이브, 냉간 절단 및 연소 안정화 레이저 절단입니다.

기화절단

기화 절단 시 집속빔은 재료 표면을 플래시 포인트로 가열하고 키홀을 생성합니다.열쇠 구멍은 흡수가 급격히 증가하여 구멍을 빠르게 심화시킵니다.구멍이 깊어지고 재료가 끓으면 발생한 증기가 분출되는 용융벽을 부식시켜 구멍을 더 크게 만든다.목재, 탄소 및 열경화 플라스틱과 같은 비융해 재료는 보통 이 방법으로 절단됩니다.


녹아서 불다

용융 및 취출 또는 융접 절삭은 고압가스를 사용하여 절삭 영역에서 용융된 재료를 취출하므로 전력 소모가 크게 감소합니다.먼저 재료를 융점까지 가열한 후 가스 제트가 용융 재료를 연석 밖으로 뿜어냄으로써 재료의 온도를 더 이상 상승시킬 필요가 없어집니다.이 공정으로 절단된 재료는 보통 금속입니다.

열응력 균열

메짐성 재료는 열응력 균열에서 이용되는 특성인 열 파괴에 특히 민감합니다.빔은 표면에 집중되어 국부적인 가열과 열팽창을 일으킵니다.그 결과 균열이 발생하고 빔을 움직여 유도할 수 있습니다.균열은 m/s의 순서로 이동할 수 있다.그것은 보통 유리를 자르는 데 사용됩니다.

실리콘 웨이퍼 스텔스 다이싱

상세 정보:웨이퍼 다이싱

반도체 장치 제작에서 준비된 마이크로 전자 칩의 실리콘 웨이퍼로부터의 분리는 펄스 Nd:로 동작하는 소위 스텔스 다이싱 프로세스에 의해 수행될 수 있습니다.파장(1064nm)이 실리콘의 전자 밴드 간격(1.11eV 또는 1117nm)에 잘 적응하는 YAG 레이저.

리액티브 커팅

"연소 안정화 레이저 가스 절단", "불꽃 절단"이라고도 합니다.반응성 절단은 산소 토치 절단과 비슷하지만 레이저 빔을 점화원으로 사용합니다.주로 1mm 이상의 두께로 탄소강을 절단하는 데 사용됩니다.이 공정은 레이저 출력이 상대적으로 적은 매우 두꺼운 강판을 절단하는 데 사용할 수 있습니다.

공차 및 표면 마감

레이저 커터는 위치결정 정밀도 10마이크로미터,[citation needed] 반복성 5마이크로미터다.

표준 거칠기 Rz는 시트 두께에 따라 증가하지만 레이저 출력 및 절단 속도에 따라 감소합니다.레이저 출력 800 W의 저탄소강을 절단할 때 표준 거칠기 Rz는 시트 두께 1 mm의 경우 10 μm, 3 mm의 경우 20 μm, 6 mm의 경우 25 μm이다.

여기서: {\ S=} 강판 두께(mm 단위), {\ P=} 레이저 출력(일부 신형 레이저 커터는 4kW 단위), {\[16] V=}의 속도(분당 미터 단위).

이 프로세스는 공차를 매우 가깝게 유지할 수 있으며, 종종 0.001인치(0.025mm) 이내로 유지할 수 있습니다.부품의 형상과 기계의 기계적 건전성은 공차 능력과 많은 관련이 있습니다.레이저 빔 커팅에 의한 일반적인 표면 마감은 125~250 마이크로인치(0.003mm~0.006mm)[11]입니다.

기계 구성

듀얼 팔레트 플라잉 광학 레이저
플라잉 광학 레이저 헤드

산업용 레이저 절단기에는 일반적으로 이동 재료, 하이브리드 및 플라잉 광학 시스템의 세 가지 구성이 있습니다.이는 절단 또는 가공할 재료 위로 레이저 빔이 이동하는 방식을 말합니다.이 모든 경우 일반적으로 동작 축은 X축과 Y축으로 지정됩니다.커팅 헤드를 제어할 수 있는 경우 Z축으로 지정됩니다.

움직이는 재료 레이저에는 정지된 절단 헤드가 있어 그 아래로 재료를 이동시킨다.이 방법은 레이저 발생기에서 공작물까지의 일정한 거리를 제공하고 절단 유출물을 제거할 수 있는 단일 지점을 제공합니다.필요한 광학은 적지만 공작물을 이동해야 합니다.이 스타일의 기계는 빔 전달 광학이 가장 적지만 속도가 가장 느린 경향이 있습니다.

하이브리드 레이저는 1축(일반적으로 X축)으로 이동하고 헤드는 짧은(Y) 축을 따라 이동하는 테이블을 제공합니다.따라서 빔 전달 경로 길이가 하늘을 나는 광학 기계보다 일정하고 빔 전달 시스템이 더 단순해질 수 있습니다.이로 인해 공급 시스템의 전력 손실이 줄어들고 와트당 용량이 비행 광학 기계보다 커질 수 있습니다.

플라잉 광학 레이저에는 고정 테이블과 수평 치수 모두에서 공작물 위를 이동하는 커팅 헤드(레이저 빔 포함)가 있습니다.플라잉 광학 커터는 가공하는 동안 공작물을 정지 상태로 유지하며 종종 재료 클램핑이 필요하지 않습니다.이동 질량이 일정하기 때문에 공작물의 크기가 달라져도 역학에 영향을 주지 않습니다.플라잉 옵티컬 머신은 가장 빠른 타입으로 얇은 공작물을 [17]절단할 때 유리하다.

비행 광학 기계는 근거리(공진기에 가까운) 절단에서 원거리(공진기에서 먼) 절단까지의 빔 길이 변화를 고려하기 위해 몇 가지 방법을 사용해야 합니다.이를 제어하기 위한 일반적인 방법으로는 콜리메이션, 적응광학 또는 일정한 빔 길이 축의 사용이 있다.

또한 5축 및 6축 기계는 성형된 공작물을 절단할 수 있습니다.또, 레이저광을 성형 워크에 향하게 하는 방법, 적절한 초점 거리, 노즐 스탠드오프 등을 유지하는 방법, 다양한 방법이 있다.

펄싱

단기간 동안 고출력 버스트를 제공하는 펄스 레이저는 일부 레이저 절단 프로세스, 특히 천공 시 또는 매우 작은 구멍이나 매우 느린 절단 속도가 필요한 경우 매우 효과적입니다. 일정한 레이저 빔을 사용하면 절단된 조각 전체가 녹는 지점에 도달할 수 있기 때문입니다.

대부분의 산업용 레이저에는 NC(숫자제어) 프로그램 제어 하에 CW(연속파)를 펄스 또는 절단할 수 있는 기능이 있다.

이중 펄스 레이저는 일련의 펄스 쌍을 사용하여 재료 제거 속도와 구멍 품질을 향상시킵니다.기본적으로 첫 번째 펄스는 표면에서 재료를 제거하고 두 번째 펄스는 이젝트가 구멍의 측면에 부착되거나 [18]절단되는 것을 방지한다.

소비전력

레이저 커팅의 주요 단점은 높은 전력 소비량입니다.산업용 레이저 효율은 5%에서 45%[19] 사이입니다.특정 레이저의 소비 전력과 효율은 출력 전력과 동작 파라미터에 따라 달라집니다.이것은 레이저의 종류와 레이저가 수중에 있는 작업에 얼마나 적합한지에 따라 달라집니다.특정 작업에 필요한 레이저 절단 전력(열 입력)은 재료 유형, 두께, 사용된 공정(반응/관성) 및 원하는 절단 속도에 따라 달라집니다.

CO 레이저를 사용한2 다양한 두께의 다양한 재료에 필요한 열 입력량[와트][20]
재료. 재료두께
0.51mm 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 −

생산 및 절삭률

최대 절단 속도(생산 속도)는 레이저 전력, 재료 두께, 공정 유형(반응성 또는 비활성성) 및 재료 특성 등 여러 요인에 의해 제한됩니다.일반적인 산업용 시스템(11kW)은 0.51~13mm 두께의 탄소강 금속을 절단합니다.레이저의 속도는 표준 [21]톱질보다 최대 30배 빠를 수 있습니다.

CO 레이저를 사용한2 절삭 속도 [cm/초]
공작물 재료 재료두께
0.51mm 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

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 오버그, 페이지 1447
  2. ^ Thomas, Daniel J. (2013-02-01). "The effect of laser cutting parameters on the formability of complex phase steel". The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 64 (9): 1297–1311. doi:10.1007/s00170-012-4087-2. ISSN 1433-3015. S2CID 96472642.
  3. ^ 브롬버그 1991, 페이지 202
  4. ^ 레이저 커팅 초기 P. A. Hilton, 제11회 레이저 가공 소재 노르딕 컨퍼런스, 핀란드, Lappeenranta, 2007년 8월 20-22일, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/the-early-days-of-laser-cutting-august-2007
  5. ^ CHEO, P. K. "제2장: CO2 레이저." UC 버클리.UC 버클리, 웹, 2015년 1월 14일
  6. ^ 토드, 185페이지
  7. ^ 토드, 188페이지
  8. ^ "Laser Cutting - Cutting Processes". www.twi-global.com. Retrieved 2020-09-14.
  9. ^ Daniel Tuấn, Hoàng (7 October 2020). "Gia công cắt laser trên kim loại với nhiều ưu điểm vượt trội" [Laser cutting for metals with many outstanding advantages]. vietducmetal.vn (in Vietnamese). Archived from the original on 4 November 2020. Retrieved 4 November 2020.
  10. ^ Happonen, A.; Stepanov, A.; Piili, H.; Salminen, A. (2015-01-01). "Innovation Study for Laser Cutting of Complex Geometries with Paper Materials". Physics Procedia. 15th Nordic Laser Materials Processing Conference, Nolamp 15. 78: 128–137. Bibcode:2015PhPro..78..128H. doi:10.1016/j.phpro.2015.11.025. ISSN 1875-3892.
  11. ^ a b 토드, 186페이지
  12. ^ "What is laser cutting? Laser cutting process". www.cutlasercut.com. Retrieved 2020-09-14.
  13. ^ Ferrottet, D 등. "열손상 없는 레이저-마이크로젯 절삭이 최고의 다이파괴 강도를 달성함", J. Fieret, Pro.에 의해 편집된 마이크로일렉트로닉스 및 Photonics IV의 광자 처리.SPIE Vol. 5713 (SPIE, Bellingham, WA, 2005)
  14. ^ "How Fiber Laser Technology Compares to CO2 - Boss Laser Blog". Boss Laser Blog. 2017-05-22. Retrieved 2018-04-24.
  15. ^ Fisher, Adam. "Fibre Lasers". CTR Lasers.
  16. ^ "Research on surface roughness by laser cut by Miroslav Radovanovic and Predrag Dašić" (PDF).
  17. ^ Caristan, Charles L. (2004). Laser Cutting Guide for Manufacturing. Society of Manufacturing Engineers. ISBN 9780872636866.
  18. ^ Forsman, A; et al. (June 2007). "Superpulse A nanosecond pulse format to improve laser drilling" (PDF). Photonics Spectra. Retrieved June 16, 2014.
  19. ^ http://www.laserline.de/tl_files/Laserline/downloads/broschueren/en/Laserline_Image_high_power_diode_laser.pdf - 4페이지 : "최대 45%의 높은 전기/전기 효율"
  20. ^ Todd, Allen & Alting 1994, 188페이지.
  21. ^ "Laser Cutting". Laserage. Retrieved 2016-08-23.

참고 문헌