고출력 레이저 절단기: 알아야 할 사항(10kW+)

최근 몇 년 동안 레이저 기술은 산업 생산에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 제조 산업이 첨단 지능형 변환 프로세스로 발전함에 따라 기존의 가공 기술로는 제품 생산의 효율성과 정확성을 높이려는 시장의 요구를 충족하기 어려워졌습니다.

레이저 기술은 높은 효율성, 낮은 소비량, 최소한의 재료 변형, 가공 대상에 대한 적응성을 바탕으로 산업 생산의 모든 측면에서 보급률을 높이며 고급 제조에 없어서는 안 될 도구가 되었습니다.

레이저 산업은 최근 몇 년 동안 안정성이 향상되고 출력이 증가하면서 급속도로 발전해 왔습니다. 10,000와트 파이버 레이저 및 가공 장비 제품의 출시는 이제 흔한 일이 되었으며, 한 달에 한두 번씩 비슷한 소식이 보도되고 있습니다.

왜 모두가 10,000와트 이상의 파이버 레이저를 요구하는지, 그리고 파이버 레이저의 출력이 클수록 항상 더 좋은 것인지 궁금하지 않을 수 없습니다. 또한 고출력 파이버 레이저 시장의 규모와 사용 가능한 기술 솔루션에 대해서도 의문을 품게 됩니다.

시장에 대한 이해를 높이기 위해 이미 10,000와트 파이버 레이저를 출시한 기업, 출시 예정인 기업, 파이버 레이저 산업 체인의 대표 기업들과 인터뷰를 진행했습니다. 레이저 제조업체 및 다운스트림 장비 제조업체. 우리의 목표는 포괄적이고 객관적인 것이었습니다.

한 달에 걸친 조사 기간 동안 여러 파이버 레이저 제조업체, 장비 제조업체, 파이버 레이저 업계의 기술 전문가, 시장 전문가를 방문했습니다. 조사 결과, 고출력 파이버 레이저의 현재 상태는 아직 갈 길이 멀다는 것을 알 수 있었습니다.

참고: 이 글에서 고출력 파이버 레이저는 달리 명시되지 않는 한 10,000와트 이상의 출력을 가진 레이저를 의미합니다.

현재 시장 상황 레이저 커팅

그리고 레이저 커팅 시장은 많은 산업 응용 분야 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 파이버 레이저는 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 중간 두께 판재 가공에 대한 수요가 증가함에 따라 확실한 장점을 가진 고출력 레이저 절단기가 새로운 시장 인기 제품으로 떠오르고 있습니다.

고출력 레이저 절단기는 중소출력 레이저 절단기에 비해 동일한 두께의 판재를 가공하는 데 더 효율적입니다. 또한 출력이 크게 증가함에 따라 절단 공정이 혁신적으로 업그레이드되어 사용자의 가공 비용이 절감되고 "두꺼운 탄소강판의 불안정한 생산"과 같은 주요 문제를 해결했습니다.

2017년에는 주요 레이저 장비 제조업체 한스레이저와 같이 12KW 레이저 절단 장비를 출시하고 소규모 출하를 달성했습니다. 2018년에 12KW 레이저 절단기는 주요 전시회에서 두각을 나타냈고 한스레이저가 15KW 레이저 절단 장비를 출시한 후 다른 제조업체들도 이를 따라 15KW 제품을 출시했습니다. 2019년 한스레이저는 출력 제한을 다시 업데이트하여 최종 시장을 위한 20KW 파이버 레이저 절단기를 출시했습니다.

파이버 레이저도 점차 출력 한계를 돌파하여 현재 최고 출력인 30KW 파이버 레이저가 시장에 출시되었습니다. 출력은 12KW에서 20KW, 25KW 등으로 증가했습니다.

10,000개의 난이도는 무엇인가요?+와트 장비?

기능성 부품이 주요 한계가 되었습니다. 고출력 레이저 애플리케이션의 급속한 발전에도 불구하고 기능 부품의 안정성은 초고출력 레이저 절단 장비의 개발을 방해하고 있습니다. 커팅 헤드 출력의 성장은 레이저 및 레이저 절단기 출력의 성장에 뒤쳐져 있습니다.

레이저 커팅 헤드의 주요 구성 요소는 노즐, 초점 렌즈, 초점 추적 시스템입니다.

노즐

노즐은 다음 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 소모품입니다. 파이버 레이저 절단기 도구에는 평행, 수렴, 원뿔의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 절단 품질은 노즐 형태 및 크기와 밀접한 관련이 있습니다.

초점 렌즈

초점 렌즈는 커팅 헤드의 핵심 구성 요소입니다. 레이저에서 방출된 광선은 렌즈에 의해 초점을 맞춰 고에너지 밀도 스폿을 형성합니다.

고출력 레이저에 대한 시장 수요가 증가함에 따라 기존 렌즈의 초점 깊이와 초점 스팟은 제한적입니다. 초점 깊이를 늘리면 초점 크기가 확장되어 다음과 같은 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 레이저 가공 많은 경우. 따라서 초점 깊이가 길고 해상도가 높은 초점 렌즈에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

초점 렌즈의 초점 거리와 초점 위치는 모두 레이저 커팅 품질에 영향을 미칩니다. 초점 거리가 짧은 렌즈는 얇은 소재의 고속 절단에 적합하고, 초점 거리가 긴 렌즈는 두꺼운 공작물을 절단하는 데 적합합니다.

초점 추적 시스템

레이저 절단기의 초점 추적 시스템은 일반적으로 초점 절단 헤드와 추적 센서 시스템으로 구성됩니다. 레이저 절단기를 가공하는 동안 추적 시스템은 충돌과 고르지 않은 절단을 방지하고 그래픽을 빠르게 처리하며 불량품 비율을 줄입니다.

현재 추적 시스템에는 비접촉식 추적 시스템이라고도 하는 정전식 센서 추적 시스템과 접촉식 추적 시스템이라고도 하는 유도식 센서 추적 시스템의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

프레씨텍은 현재 국내 고출력 커팅 헤드 시장을 장악하고 있습니다. 10,000와트 이상의 출력을 가진 대부분의 레이저 절단기에는 프레씨텍 커팅 헤드가 장착되어 있습니다. 이에 따라 일부 중국 레이저 및 장비 제조업체는 고출력 레이저 장비의 안정성을 위해 커팅 헤드에 대한 R&D 투자를 늘리고 따라잡기 위해 노력하고 있습니다. 일부 업체는 15kW 초고출력을 견딜 수 있는 커팅 헤드를 출시하고 대량 생산에 성공하는 등 어느 정도 성과를 거두었습니다. 30kW 커팅 헤드 기술도 획기적인 발전을 이루었습니다.

고출력 커팅 헤드의 어려움은 무엇인가요?

파이버 레이저 연구 경험이 풍부한 선임 연구원에 따르면 10,000와트 파이버 레이저와 같이 더 큰 파이버 레이저 출력을 얻으려면 여러 개의 중출력 파이버 레이저를 결합하는 것이 효과적인 방법이라고 합니다. 이 프로세스의 핵심 구성 요소는 파이버 결합기.

따라서 빔 결합기, 빔 결합기의 열 관리 기술, 빔 결합기 후 출력 빔의 품질은 오늘날 업계에서 고품질 고출력 파이버 레이저를 위해 매우 중요한 요소입니다. 고출력 파이버 레이저와 관련된 대부분의 새로운 애플리케이션은 높은 빔 품질을 필요로 합니다. 이 세 가지 관점을 비교하여 특정 고출력 파이버 레이저의 안정성, 신뢰성 및 기술 발전을 결정할 수 있습니다.

군사 분야에서 파이버 레이저는 대부분 스펙트럼 빔 결합을 사용하여 고출력을 달성하지만 산업 분야에서는 기술 혁신이 없었으며 빔 결합은 여전히 여러 단일 파이버 모듈을 사용하여 대부분 달성됩니다. 예를 들어, 빔 결합을 위해 여러 개의 2000W 및 3000W 모듈을 사용하여 10,000W 파이버 레이저를 얻습니다.

결합된 빔의 고출력이 비머에서 수렴되는데, 비머가 이러한 고출력을 전달할 수 없는 경우 소손되기 쉽습니다. 고출력 컴바인은 대부분 해외에서 수입하고 있으며 국내에서는 소수의 제조업체만 생산할 수 있습니다. 국내외 파이버 레이저 간의 기술 격차 외에도 레이저 커팅 헤드를 지원하는 고출력 파이버 레이저 제품도 더 높은 요구 사항을 가지고 있습니다.

예를 들어 레이저 절단기의 광원으로 파이버 레이저를 사용할 경우 레이저는 커팅 헤드와 일치해야 합니다. 그러나 장비의 전반적인 안정성이 높고 업계 최고 수준을 요구하는 고출력 레이저 커팅 헤드의 국내 제조업체는 거의 없습니다. 업계 관계자에 따르면 국산 커팅 헤드는 주로 저출력 매칭 커팅 헤드에 사용되는 반면, 외산 커팅 헤드는 주로 6000W 이상의 고출력 레이저에 사용됩니다.

고출력 레이저 커팅의 경우 커팅 헤드의 안정성이 중요한 문제입니다. 커팅 헤드의 어려움은 주로 렌즈 코팅 기술, 광학 경로 설계, 냉각 시스템 및 모터 위치 지정에 반영됩니다.

렌즈 코팅 기술

고출력 커팅 헤드의 가장 큰 문제는 렌즈입니다. 렌즈는 레이저 파워 가 증가하면 렌즈의 출력 밀도도 증가합니다. 고출력 커팅 헤드의 안정성을 보장하기 위해서는 렌즈가 가장 큰 난제입니다.

일부 회사는 렌즈 코팅 기술에서 획기적인 발전을 이루어 이 문제를 극복했습니다. 현재 시중에 나와 있는 커팅 헤드는 15kw의 출력을 안정적으로 처리할 수 있습니다.

광학 경로 디자인

렌즈 다음으로 또 다른 주요 과제는 광학 설계입니다. 고출력 커팅 헤드의 줌 모드는 주로 시준 렌즈 줌으로, 초점 렌즈 줌을 사용하는 기존의 저출력 커팅 헤드와는 다릅니다. 고출력 레이저 헤드의 경우 콜리메이터가 광섬유에 더 가까이 이동하면 출력 밀도가 증가합니다.

냉각 시스템

렌즈 코팅 공정과 광학 경로 설계 외에도 커팅 헤드의 냉각 시스템과 모터 정밀 제어도 고출력 커팅 헤드의 까다로운 문제입니다. 동안 플레이트 절단레이저 출력이 증가하면 더 많은 에너지가 발생하고 렌즈와 커팅 노즐의 온도가 상승할 가능성이 높아집니다. 수냉 또는 기타 냉장 방법을 통해 냉각을 보장해야 합니다.

모터 포지셔닝

모터 제어 측면에서는 피드백을 통해 모터의 위치를 수정하는 피드백 방식을 구현하여 초점을 맞출 때 보다 정확한 위치와 빠른 응답 속도를 보장합니다.

파워는 높을수록 좋은가요?

고출력 파이버 레이저는 주로 산업 분야에서 레이저 절단 및 용접에 사용됩니다. '제한 출력'이라는 개념을 도입한 많은 레이저 회사들은 출력이 높을수록 좋다는 믿음이 널리 퍼져 있습니다. 그들은 다음과 같은 이유로 레이저 절단 애플리케이션를 사용하면 절단 품질과 속도가 더 이상 개선되지 않는 절단 공정 출력에 한계가 있습니다. 경우에 따라 엑시머 또는 CO2 레이저와 같은 다른 레이저로 전환하는 것이 더 비용 효율적일 수 있습니다.

이 회사들은 일반적으로 산업 시장의 경우 6kW가 95% 이상의 절단 수요를 충족시킬 수 있으며 6kW 이상의 파이버 레이저는 절단 분야에서 작은 시장이라고 믿습니다. 12kW, 20kW 및 30kW 파이버 레이저 절단 장비의 도입은 시장에서 고출력 레이저 장비에 대한 수요를 보여줄 뿐이지만 이는 작은 범위에 대한 특정 요구 사항이며 대규모 응용 분야는 필요하지 않습니다. 따라서 고출력 파이버 레이저는 파이버 레이저가 10,000와트를 돌파하지 않을 때까지 개발 방향으로 간주됩니다.

그러나 절단이 어려운 특수 소재를 가공할 때 저출력 레이저는 속도가 느리고 절단 효과가 떨어집니다. 또한 반사율이 높은 재료는 가공 요구 사항을 충족하기 위해 더 높은 에너지가 필요하므로 10,000와트 레이저가 사용됩니다. 레이저 장비 제조업체는 고출력 레이저가 주로 가공 시장에서 사용되며 가공 시장의 기업 고객의 수요는 대부분 6,000-8,000W 사이의 출력을 가진 레이저에 대한 것이며 전체 시장의 용량은 국가 거시 경제와 밀접한 관련이 있다고보고했습니다.

스테인리스 스틸 절단 - 최대 400%의 효율성

탄소강 절단 - h산소 대신 공기를 사용하여 중형 및 박판의 고속 절단

위의 그림에 따르면 탄소강의 밝은 표면을 절단하는 한계 출력은 판 두께에 따라 결정됩니다. 실제 출력이 한계 출력보다 작으면 출력이 증가함에 따라 절단 속도가 증가합니다. 그러나 실제 출력이 한계 출력보다 크면 출력이 증가해도 절단 속도는 변하지 않고 향상되지 않습니다. 절단 효과도 변하지 않습니다.

대부분의 레이저 제조업체는 10,000와트 레이저의 기술과 프로토타입을 보유하고 있음에도 불구하고 여전히 3000-8000W를 시장의 주요 경쟁 영역으로 보고 있습니다. 이는 산업 공정의 제한된 출력에 기반합니다.

그러나 순간적이든 평균적이든 출력이 높을수록 레이저 가공에서 도구 및 열원으로서의 레이저의 가공 능력이 더 우수하다는 또 다른 관점이 있습니다. 이는 초고출력 가공 및 열처리 효과에 15kW/20kW 파이버 레이저 제품을 적용하여 6000W 파이버 레이저에 비해 더 나은 성능을 발휘하는 것으로 입증되었습니다.

현재 10,000W 용량의 제품은 탄소강과 같은 중간 두께의 판재를 효과적으로 절단할 수 있어 추가적인 연삭 공정이 필요하지 않습니다.

고출력 레이저의 성능과 출력이 계속 향상됨에 따라 사용자는 이점이 비용보다 클 때 이러한 레이저로 전환할 가능성이 높습니다.

금속의 용융 임계값은 평방 센티미터당 100만 와트로 설정되어 있으며, 금속 표면을 수정하는 임계값은 평방 센티미터당 10,000 와트입니다.

이 두 가지 기본 데이터 포인트를 바탕으로 향후에는 10만 와트 또는 100만 와트 용량의 레이저 출력이 더 보편화될 가능성이 높습니다.

고출력 레이저는 철도 운송, 항공 우주, 조선, 군사용 애플리케이션 등 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다.

선박 용접 분야에서는 고출력 레이저가 적합하지만 아직 중국에서는 구현되지 않았습니다.

비용은 어떻게 되나요?

그리고 레이저의 장점 기술의 장점은 광섬유 전송 품질과 광전 변환 효율로 인한 높은 품질과 효율성입니다. 출력이 높을수록 더 깊게 가공하고 용접 속도가 빨라집니다.

그러나 이러한 장점과 단점은 상호 의존적입니다. 하이테크 기업의 경우 기술 및 제품 R&D에 대한 투자가 첫 번째 비용 범주이며, 이에 상응하는 인재, 자금, 시간을 투자해야 합니다. 일부 핵심 부품은 내부에서 조달할 수 없으며 광섬유, 펌핑 소스, 결합기, 그레이팅 및 회로 제어 시스템과 같은 원자재를 구매해야 하며 때로는 총 비용의 최대 70%를 차지하기도 합니다.

그렇다면 기업들이 높은 투자 비용에도 불구하고 고출력 레이저를 도입하는 이유는 무엇일까요? 그 답은 바로 수익 때문입니다.

업계 전문가들은 중국의 저전력 시장은 국내 파이버 레이저 브랜드가 장악하고 있지만, 이들 제품이 수입 제품에 대해 압승을 거뒀다고 말합니다. 그러나 시장에 진입하는 기업이 너무 많아 가격이 급격히 하락하고 1000~3000W 파이버 레이저 시장과 같이 치열한 경쟁과 낮은 수익률로 이어지고 있습니다.

반면 3000~6000W, 10kW 등 고출력 레이저의 경우 전체 시장 수요는 적지만 차별화된 경쟁 기회를 제공합니다.

고출력 레이저 제품의 높은 부가가치와 상대적으로 큰 이윤은 기업이 진출할 수 있는 새로운 시장 기회입니다.

또한 기술력을 입증하는 것도 중요한 요소입니다. 예를 들어, IPG 포토닉스는 현재 이 제품을 사용하는 산업이 없는데도 맞춤형 500,000와트 올 파이버 산업용 레이저를 판매할 수 있다고 공개적으로 광고합니다. 회사가 이러한 고출력 레이저를 개발할 수 있다는 사실은 R&D 역량과 제품 품질을 입증하는 증거이며, 이는 주요 홍보 포인트가 됩니다.

장비 제조업체의 관점에서 업계 전문가들은 10,000와트 제품의 품질과 안정성에 대한 요구 사항을 충족할 수 있는 제조업체는 소수에 불과하다고 말합니다. 다른 레이저 공급업체들은 여전히 홍보 및 피드백 과정을 거쳐야 합니다.

더 많은 파이버 레이저 회사가 시장에 진입하면 장비 제조업체는 선택의 폭이 넓어지고 구매 가격 비율도 자연스럽게 높아질 것입니다.

고출력 파이버 레이저가 "더 나은" 레이저인지는 명확한 답이 있는 질문이 아닙니다. 기술의 발전, 핵심 부품의 국산화, 지원 장비의 개선, 시장 수요, 응용 분야의 개발이 모두 파이버 레이저의 성장과 제조의 변화 및 업그레이드를 주도할 것입니다.

고출력 파이버 레이저는 아직 갈 길이 멀다.