레이저 청소 101: 초보자를 위한 기본 사항
빛의 힘을 이용해 금속 표면을 원래의 아름다움으로 복원한다고 상상해 보세요. 레이저 클리닝은 기존 방식에 대한 정밀하고 친환경적인 대안을 제시하며 제조업에 혁신을 일으키고 있습니다. 이 글에서는...
레이저가 어떻게 제조업을 혁신하는지 생각해 본 적이 있나요? 정밀 절단에서 신속한 프로토타입 제작에 이르기까지 레이저 기술은 산업 공정을 혁신하여 더 빠르고 깨끗하며 효율적으로 만들었습니다. 이 글에서는 다양한 산업 분야에서 레이저 기술을 획기적으로 응용한 5가지 사례를 살펴보고, 레이저가 생산성과 품질에 미치는 영향을 집중 조명합니다. 레이저가 단순한 도구가 아니라 어떻게 현대 산업 발전을 이끄는 중추적인 혁신인지 알아보세요. 끝으로 오늘날 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 레이저 기술을 도입하는 것이 왜 중요한지 이해하게 될 것입니다.
20세기 중반, 레이저 기술은 획기적인 혁신으로 등장했습니다. 여러 세대에 걸친 과학자와 엔지니어들의 수십 년에 걸친 엄격한 연구, 개발, 개선을 통해 레이저 기술은 실험실의 호기심에서 수많은 산업 분야에서 다재다능하고 필수적인 도구로 발전했습니다. 이론적 개념에서 실제 적용에 이르는 이 여정은 빔 품질, 출력, 정밀 제어 분야에서 중요한 이정표로 기록되었습니다.
21세기 들어 레이저 기술, 특히 산업 분야에서의 레이저 가공은 제조 공정에 혁신을 가져왔습니다. 레이저 기술의 광범위한 채택은 상당한 경제적 이익과 사회적 영향을 가져왔습니다. 금속 제조 분야에서 레이저 절단과 용접은 정밀도, 속도, 재료 활용도를 획기적으로 개선했습니다. 예를 들어, 파이버 레이저 시스템은 이제 커프 폭이 0.1mm로 좁은 얇은 판금에서 최대 40m/min의 절단 속도를 달성하여 폐기물을 크게 줄이고 생산성을 높입니다. 또한 레이저 기술과 컴퓨터 수치 제어(CNC) 및 로봇 공학의 통합으로 복잡한 3D 가공이 가능해져 제품 설계 및 맞춤화의 새로운 가능성이 열렸습니다.
레이저 기술은 직접적인 산업 응용 분야를 넘어 분광학, 계측학, 재료 과학 등 다양한 과학 분야의 발전을 촉진하는 촉매제 역할을 해왔습니다. 더 넓은 경제 분야에서는 적층 제조부터 고정밀 의료 기기까지 새로운 산업을 탄생시키며 혁신을 주도하고 고부가가치 일자리를 창출했습니다. 레이저 시스템의 에너지 효율성과 비용 효율성이 향상됨에 따라 지속 가능한 제조 방식을 촉진하고 인더스트리 4.0으로의 전환을 가능하게 하는 레이저의 역할은 계속 확대되고 있으며, 기술 및 산업의 미래를 형성하는 데 중추적인 역할을 강조하고 있습니다.
그림 1에 설명된 레이저 가공 기술은 집중된 빛 에너지의 힘을 활용하여 고에너지 밀도 빔을 생성합니다. 이 빔은 레이저 소스에 의해 생성되고 시준 및 초점 렌즈를 포함한 일련의 광학 부품을 통해 정밀하게 초점을 맞춥니다. 이렇게 집중된 레이저 빔은 에너지 밀도가 최대에 도달하는 초점에서 대상 물질과 상호 작용합니다.
이 첨단 기술은 흡수, 반사, 열 효과 등 레이저와 재료가 상호작용하는 동안 발생하는 독특한 물리적 현상을 활용합니다. 이러한 상호작용을 통해 정밀 절단, 고속 용접, 표면 수정, 마이크로 드릴링, 적층 제조 등 다양한 제조 공정을 구현할 수 있습니다. 레이저 가공은 금속 및 비금속 재료 모두에 적용 가능하므로 현대 제조업에서 비교할 수 없는 다용도성을 제공합니다.
인더스트리 4.0의 초석인 레이저 가공 기술은 자동차, 전자, 항공우주, 야금, 정밀 기계 제조 등 다양한 분야에서 없어서는 안 될 필수 요소로 자리 잡았습니다. 레이저 가공 기술의 도입으로 제품 품질, 제조 효율성, 공정 자동화가 크게 발전했습니다. 또한 레이저 기반 프로세스는 기존 제조 방식에 비해 재료 낭비를 줄이고 에너지 소비를 줄이며 환경에 미치는 영향을 최소화하는 경우가 많습니다.
레이저 가공은 광범위한 응용 분야를 포괄하지만, 세 가지 기술은 산업적으로 널리 채택되고 혁신적인 영향을 미치는 것으로 두드러집니다:
이러한 각 애플리케이션은 레이저와 재료의 상호작용이라는 고유한 특성을 활용하여 기존 제조 공정으로는 달성할 수 없는 결과를 달성합니다.
다음과 같은 전통적인 절단 기술 가스 절단기계 가공 절단, 블랭킹 절단, 플라즈마 절단은 모두 한계가 있습니다. 빠른 절단 속도와 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 기능을 제공하지만, 정밀도는 절단 크기 는 종종 열악합니다. 이로 인해 절단 비용과 추가 처리 비용이 높아집니다.
기계 가공 절단은 높은 정확도를 제공하지만 느린 절단 속도는 복잡한 커브를 절단하는 능력을 제한합니다. 또한 절단 중에 상당한 재료 손실이 발생합니다.
블랭킹 절단은 더 효율적이고 비용 효율적이지만 가공 품질이 제한적이며 적용 범위가 좁습니다. 특히 두꺼운 판재와 복잡한 곡선 모양을 가공할 때 절단 품질이 떨어집니다.
동안 플라즈마 절단 는 다른 방법보다 효율적이고 절단 단면이 더 좋지만 절단 정밀도가 밀리미터 수준으로 제한됩니다. 따라서 황삭 및 반제품 가공에만 적합합니다.
그림 2 레이저 커팅
기존 절단 기술과 비교했을 때 레이저 절단 기술(그림 2)의 장점은 분명합니다:
그리고 레이저 커팅의 장점 은 곡면 가공 시 특히 두드러집니다. 블랭킹 절단에 비해 레이저 절단으로 생성된 표면은 매끄럽고 곡면 부품에 뚜렷한 칼날 자국이 나타나지 않습니다. 또한 가공하는 동안 플레이트가 고정되어 있기 때문에 움직임으로 인한 긁힘의 위험이 없습니다.
레이저 커팅은 집중적이고 높은전력 밀도 레이저 빔을 공작물에 조사하여 재료를 빠르게 녹이거나 기화, 제거 또는 발화시킵니다. 그런 다음 빔과 동일한 축을 따라 고속 공기 흐름을 사용하여 용융된 재료를 날려버림으로써 공작물을 절단합니다.
레이저 커팅은 열 커팅 방법 중 하나로 간주됩니다.
레이저 커팅은 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다:
(1) 레이저 기화 절단
레이저 기화는 에너지 밀도가 높은 레이저 빔으로 공작물을 가열하는 공정입니다. 재료의 온도가 빠르게 상승하고 단시간 내에 끓는점에 도달하여 재료가 기화되어 증기를 형성합니다. 증기는 빠르게 배출되어 재료에 절개가 생깁니다. 이 방법은 주로 매우 얇은 금속 및 비금속을 절단하는 데 사용됩니다.금속 재료.
(2) 레이저 용융 절단
레이저 용융 절단에서는 금속 소재 은 레이저 가열로 녹습니다. 그런 다음 빔과 동일한 축을 따라 노즐에서 Ar, He 또는 N2와 같은 비산화 가스가 분사됩니다. 액체 금속은 가스의 강력한 압력에 의해 배출되어 절개 부위를 만듭니다. 이 방법은 금속을 완전히 기화시킬 필요가 없기 때문에 기화에 필요한 에너지가 기화에 필요한 에너지의 1/10에 불과합니다. 주로 스테인리스 스틸과 같은 비산화성 또는 활성 금속을 절단하는 데 사용됩니다, 티타늄, 알루미늄 및 합금.
(3) 레이저 산소 절단
레이저 산소 절단은 옥시 아세틸렌 절단과 유사한 원리로 작동합니다. 레이저는 예열 소스로 사용되며 산소 또는 기타 활성 가스가 절단 가스로 사용됩니다. 제트에 의해 생성된 가스는 산화와 반응하여 많은 양의 열을 발생시킵니다. 용융된 산화물과 용융된 재료는 반응 영역에서 배출되어 금속에 절개가 생깁니다. 레이저 산소 절단은 용융 절단에 필요한 에너지의 절반만 필요하지만 절단 속도는 훨씬 빠릅니다. 주로 탄소강, 티타늄강, 열처리강 및 기타 쉽게 산화되는 금속 재료를 절단하는 데 사용됩니다.
(4) 레이저 스크라이빙 및 파열 제어
레이저 스크라이빙에서는 고에너지 밀도 레이저가 부서지기 쉬운 재료의 표면을 스캔하여 재료를 작은 홈으로 가열합니다. 압력을 가하면 취성 재료가 홈을 따라 균열이 생깁니다. 앞서 언급한 세 가지 절단 방법 중 레이저 스크라이빙 및 파열 제어는 덜 일반적으로 사용됩니다.
현재 레이저 절단은 빠른 절단 속도와 20mm 이상의 두께로 절단할 수 있는 기능으로 검은색 금속 절단에 가장 효과적입니다. 그러나 비철금속의 분자 구조가 레이저 빔에 반사되는 효과로 인해 이러한 재료에 대한 절단 효과는 약간 약합니다. 기계에는 반사경이 장착되어 있어야 합니다.
통계에 따르면 절단 할 수있는 최대 두께는 다음과 같습니다. 알루미늄 합금 은 검은색 금속의 절반도 되지 않으며 구리 합금, 특히 구리에 대한 절단 효과는 훨씬 더 나쁩니다.
레이저 커팅 기술의 핵심은 두 가지 형태로 제공되는 레이저 제너레이터입니다: CO2 레이저와 파이버 레이저 제너레이터입니다.
CO2 레이저 발생기: CO2 레이저 발생기는 CO2, He, N2의 혼합물을 레이저 캐비티에서 고압으로 방출하여 생성됩니다. 이 과정은 혼합물의 원자를 여기시켜 에너지를 방출한 다음 광자 또는 전자의 형태로 출력하여 레이저를 생성합니다. CO2 레이저에서 방출되는 레이저는 가시광선으로 망막과 피부에 약간의 손상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 사용 중에는 보호 안경을 착용하는 것이 좋습니다.
파이버 레이저 생성기: 파이버 레이저 발생기는 희토류 원소가 도핑된 유리 섬유를 이득 매체로 사용합니다. 펌프 광의 작용으로 광섬유 내에 높은 출력 밀도가 쉽게 형성되어 작업 물질의 레이저 에너지 레벨이 입자 수를 역전시킬 수 있습니다. 포지티브 피드백 루프가 추가되어 레이저 발진기 출력을 형성합니다. 출력은 가시광선이 아니므로 망막과 피부에 심각한 손상을 입힐 수 있으므로 작업자는 작동 중에 특수 보호 안경을 착용해야 합니다.
CO2 레이저는 광학 경로 구조가 더 복잡하고 광학 렌즈 손실이 더 크며 환경 요건(먼지 감소)이 더 높습니다. 기계는 지진 초점으로부터 격리되어야 하며 건조하고 일정한 온도 환경에 보관해야 합니다. 반면 파이버 레이저는 광 경로 구조가 단순하고 환경 요건(먼지, 진동, 충격, 온도 및 습도에 대한 높은 내성)이 낮습니다. 파이버 레이저는 얇은 판재를 절단할 때 더 빠른 반면 CO2 레이저는 두꺼운 판재를 절단할 때 더 강합니다. CO2 레이저는 반사율이 높은 금속판을 절단할 수 없지만 파이버 레이저는 얇은 구리판을 절단할 수 있습니다.
레이저 용접(그림 3)은 레이저 기술의 중요한 분야입니다.
그림 3 레이저 용접
레이저 용접은 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 재료의 작은 영역을 가열하는 새로운 유형의 용접입니다. 레이저의 에너지는 레이저 방사 는 열 전도를 통해 재료로 확산되어 재료가 녹아 특정 용융 풀을 형성합니다. 이 방법은 주로 벽이 얇은 재료 및 정밀 부품 용접에 사용되며 다양한 용접 유형 스폿 용접, 맞대기 용접, 스택 용접, 밀봉 용접 등 다양한 용접 작업을 수행합니다.
주요 기능은 다음과 같습니다:
레이저 용접은 다양한 장점으로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 특히 고속철도 및 자동차 제조에 많이 사용됩니다. 이러한 이점은 다음과 같습니다:
(1) 열 효과 영역의 금속학적 변화 범위가 작고 열전도로 인한 변형이 최소화되어 열 입력이 최소화됩니다.
(2) 두께를 확인하고 필요한 시간을 단축하는 기능 플레이트 용접를 사용하여 필러 금속이 필요하지 않습니다.
(3) 전극이 필요 없고 오염이나 손상의 우려가 없습니다. 또한, 연락처에 속하지 않습니다. 용접 프로세스를 사용하여 픽스처의 손실과 변형을 최소화합니다.
(4) 레이저 빔은 광학 기기로 쉽게 초점을 맞추고, 정렬하고, 안내할 수 있으며, 작업물에서 적절한 거리에 배치하고 장애물 주변으로 방향을 전환할 수 있습니다.
(5) 진공 또는 내부 가스 환경에 의해 제어되는 밀폐된 공간에 공작물을 배치할 수 있어야 합니다.
(6) 레이저 빔은 작은 영역에 초점을 맞출 수 있어 작고 간격이 좁은 부품을 용접하는 데 이상적입니다.
(7) 다양한 재료를 용접하고 다양한 이질적인 재료를 접합할 수 있습니다.
(8) 신속하고 자동으로 용접하거나 디지털 또는 컴퓨터 기술로 제어하기 쉬워야 합니다.
(9) 얇은 재료 또는 얇은 직경의 와이어를 용접 할 때 다음과 같이 쉽지 않습니다. 아크 용접.
(10) 자기장의 영향을 받지 않고 용접 부품을 정확하게 정렬할 수 있습니다.
(11) 저항이 다른 등 서로 다른 특성을 가진 두 금속을 용접할 수 있는 능력.
(12) 천공 용접에서 10:1의 깊이 용접 비율을 달성할 수 있는 기능.
(13) 레이저 빔을 여러 워크스테이션으로 전송할 수 있는 기능.
레이저 용접의 위와 같은 특성으로 인해 레이저 용접은 민간 차량 제조 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
레이저 용접은 고속철도 및 자동차 제조의 주요 용접 공정입니다.
레이저 용접의 장점에도 불구하고 고려해야 할 몇 가지 단점도 있습니다. 이러한 단점은 다음과 같습니다:
(1) 레이저 빔의 초점 범위 내에서 용접 부품을 정확하게 배치해야 할 필요성.
(2) 용접의 최종 위치가 레이저 빔의 영향을 받을 용접 지점과 정렬되도록 보장하는 클램프가 필요합니다.
(3) 용접 가능한 최대 두께가 제한되어 있으며, 레이저 용접은 관통 두께가 19mm를 초과하는 재료에는 적합하지 않습니다.
(4) 알루미늄, 구리 및 합금과 같은 고반사율 및 고열 전도성 재료의 특성에 대한 레이저 용접의 영향.
(5) 고에너지 레이저 빔 용접을 사용할 때 용융 풀 주변의 이온화된 가스를 제거하기 위해 플라즈마 컨트롤러를 사용합니다.
(6) 낮은 에너지 변환 효율, 일반적으로 10% 미만.
(7) 빠른 응고 용접 비드 다공성 및 취성을 유발할 수 있습니다.
(8) 높은 비용.
레이저 용접 장비의 높은 비용은 상당한 제약으로 작용하여 광범위한 사용을 제한합니다.
레이저 조각은 컴퓨터로 제어되는 고에너지 밀도 레이저 빔을 사용하여 제품 표면을 순간적으로 녹이거나 증발시켜 그림 4와 같이 원하는 텍스트나 로고를 만드는 것입니다.
그림 4 레이저 레터링
레이저 인그레이빙은 레이저 마킹이라고도 합니다.
레이저의 특성 표시:
레이저 각인으로 마킹할 수 있는 재료에는 숫자, 문자, 한자, 그래픽 이미지, 바코드 등이 있습니다.
레이저 조각은 현대의 고속 생산에 적합한 널리 사용되는 고급 마킹 방법입니다.
표 1에서 볼 수 있듯이 다양한 마킹 기술을 비교해 보면 레이저 마킹 기술의 장점이 분명하게 드러납니다.
표 1. 여러 마킹 기법 비교
| 마킹 기술 | 성능 | 효과 및 정확도 | 마킹 색상 | 그래프 변경 사항 | 소모품 |
|---|---|---|---|---|---|
| 레이저 마킹 | Good | 높은 정확도와 좋은 효과 | 소재에 따라 결정 | 마음대로 | 아니요 |
| 화학적 에칭 | Good | 낮은 정확도 | 소재 색상 | 쉽지 않음 | 예 |
| 잉크 인쇄 | 더 나쁨 | 높은 정확도 | 모든 색상 | 쉬운 | 예 |
| 기계식 조각 | 더 나은 | 낮은 정확도 | 소재 색상 | 마음대로 | 예 |
| 기계식 프레스 | 더 나쁨 | 정확도 저하 | 소재 색상 | 쉽지 않음 | 예 |
레이저 래피드 프로토타이핑(그림 5 참조)은 현대 제조 기술의 중요한 변화를 나타냅니다.
이는 레이저 기술이 산업 응용 분야로 확장되었음을 의미합니다.
그림 5 레이저 래피드 프로토타이핑 기술
글로벌 시장 통합이 가속화되면서 제조업계의 경쟁은 더욱 치열해졌고, 제품 개발 속도가 주요 경쟁 요소가 되었습니다. 끊임없이 변화하는 사용자의 요구를 충족하기 위해 제조 업계는 제품 비용을 높이지 않고도 소량 또는 단일 부품 생산이 가능한 보다 유연한 기술을 필요로 합니다.
래피드 프로토타이핑(RP) 기술은 재료를 층층이 쌓아 올리는 제조 방법 또는 더 넓게는 컴퓨터로 디자인한 3D 그래픽을 제작하는 방법입니다. 레이저로 생성된 고온을 이용해 3D 그래픽에서 금속 분말을 소결하여 금속 부품을 만듭니다. CAD 3D 솔리드 모델에서 단 몇 시간 또는 수십 시간 만에 프로토타입을 직접 만들 수 있습니다.
래피드 프로토타이핑은 특히 제품 개발 단계에서 도면이나 컴퓨터 화면보다 더 포괄적이고 직관적인 표현을 제공하므로 다양한 요소를 종합적으로 고려할 수 있습니다. 이를 통해 개발 주기를 단축하고 제품 품질을 개선하며 비용을 절감하고 투자 위험을 줄일 수 있습니다.
파운드리에서 레이저 래피드 프로토타이핑 기술을 정밀 주조와 결합하면 크고 복잡한 구조물의 정밀 주조에 사용되는 모든 종류의 왁스 몰드를 신속하게 생산할 수 있어 아웃소싱 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 금형 없이도 단일 또는 소량의 정밀 주조품을 생산할 수 있어 툴링 비용을 절감하고 생산 주기를 크게 단축할 수 있습니다.
신제품 개발 및 생산으로 귀중한 시간을 절약하고 생산 비용을 절감하며, 주조 공장의 정밀 주조 수준이 향상되어 성공적인 정밀 주조를 위한 탄탄한 기반을 마련했습니다. 캐스팅 제작 향후 제품에서 사용할 수 있습니다.
레이저 래피드 프로토타이핑 기술의 사용은 앞으로 더욱 널리 보급될 것이 분명합니다.
레이저 열처리(그림 6 참조)는 고강도 레이저 빔을 사용하여 금속 부품의 특정 영역을 선택적으로 가열하고 빠르게 냉각하여 재료의 표면층에 정밀한 미세 구조 변화를 유도하는 고급 표면 수정 기술입니다.
이 다용도 프로세스는 다음을 포함한 광범위한 금속 표면 수정 처리에 적용할 수 있습니다:
레이저 열처리 공정은 기존의 표면 담금질 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:
후처리를 거치면 금속의 표면 특성이 크게 향상됩니다. 예를 들어 주철의 표면 경도는 최대 60 HRC(로크웰 C 스케일)에 달할 수 있으며, 중-고탄소강은 70 HRC 이상의 경도 값을 얻을 수 있습니다. 이러한 개선은 다음과 같이 해석됩니다:
또한 레이저 열처리 공정은 그라데이션 특성을 생성하도록 맞춤화할 수 있어 표면 경도와 코어 인성 간의 균형을 최적으로 맞출 수 있습니다. 이러한 맞춤화 가능성 덕분에 레이저 열처리는 부품 성능과 수명이 중요한 자동차, 항공우주, 툴링과 같은 산업에서 매우 유용한 도구입니다.
레이저 가공 기술은 많은 장점으로 인해 낮은 비용, 높은 효율성, 방대한 적용 가능성 등 산업 제조 부문에서 높은 가치를 인정받고 있습니다. 이로 인해 세계 주요 산업 국가들 사이에서 치열한 경쟁이 벌어지고 있습니다.
레이저 기술은 새로운 분야로 확장되고 있으며, 그 발전은 놀라운 속도로 진행되고 있습니다. 자동차, 전자, 기계, 항공, 철강 등 주요 제조 산업에서 일부 국가에서는 전통적인 가공 방식에서 레이저 가공으로 완전히 전환하여 '빛의 시대'에 접어들었습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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