레이저 커팅 머신: 초보자 가이드

CNC 레이저 절단기는 레이저 기술을 공작물 가공을 위한 정밀한 절단 메커니즘으로 활용하는 첨단 제조 도구입니다. 이 기계는 절단 작업에서 비교할 수 없는 정확성, 속도 및 다양한 기능을 제공하여 금속 제조에 혁명을 일으켰습니다.

레이저 커팅 기술의 진화는 본질적으로 레이저 과학 및 엔지니어링의 발전과 관련이 있습니다. 수십 년 동안 레이저 업계는 세 세대의 레이저를 거치면서 상당한 발전을 이루었습니다:

1. YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 레이저: 산업용 레이저 분야를 개척한 1세대 고체 레이저입니다. 레이저 커팅.
2. CO2(이산화탄소) 레이저: 2세대 가스 레이저: 향상된 효율성과 절단 기능으로 수년 동안 시장을 지배한 레이저입니다.
3. 파이버 레이저: 뛰어난 빔 품질, 에너지 효율성 및 유지보수 이점을 제공하는 최신 첨단 기술입니다.

이 문서에서는 현대 제조에 사용되는 두 가지 주요 유형의 CNC 레이저 절단기에 중점을 둡니다:

1. CO2 수치 제어 레이저 절단기: 이 시스템은 가스 혼합물(주로 CO2)을 사용하여 레이저 빔을 생성합니다. 비금속 재료와 두꺼운 금속 시트 절단에 탁월합니다.
2. 파이버 레이저 절단기: 고체 파이버 레이저 기술을 사용하는 이 최첨단 시스템은 얇은 두께에서 중간 두께까지 절단할 때 탁월한 성능을 제공합니다. 금속 놀라운 속도와 정확성을 제공합니다.

레이저 커팅

레이저 절단은 현대 재료 가공에 널리 채택된 최첨단 열 절단 기술입니다. 고에너지 밀도 레이저 빔을 정밀한 '절단 도구'로 사용하여 탁월한 정확도로 재료를 절단합니다.

고출력 밀도 레이저 빔이 공작물을 조사하면 대상 재료를 발화점까지 빠르게 가열하거나 녹여 제거합니다. 동시에 레이저 빔과 동축을 이루는 고속 가스 스트림이 절단 영역에서 용융된 재료를 배출하여 절단 프로세스를 완료합니다.

CNC 레이저 절단기는 정밀 제조, 복잡한 형상 가공, 유연한 절단 경로, 단일 패스 성형, 고속 작동, 탁월한 효율성 등 다양한 이점을 제공합니다. 이러한 기능은 산업 생산에 혁명을 일으켜 기존의 절단 방법으로는 해결할 수 없었던 많은 문제를 해결했습니다.

레이저 커팅의 다용도성 덕분에 다양한 금속 및 비금속 재료를 가공할 수 있습니다. 다양한 산업 분야에 적용됩니다:

1. 전기 제조: 판금 제작 스위치 캐비닛용
2. 운송 기계: 차량 및 자재 취급 장비 제조
3. 석유화학: 오일 스크린 파이프 절단
4. 자동차: 2D 및 3D 애플리케이션을 포함한 복잡한 차체 패널 절단
5. 건설 기계: 구조 부품 처리
6. 의료 기기: 엄격한 안전 및 표면 마감 요건을 충족하는 정밀 절단
7. 장식: 건축 요소 및 사이니지를 위한 맞춤형 커팅
8. 포장: 다양한 박스 모양과 크기의 제작

일반적인 레이저 절단기 는 몇 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:

하드웨어:

• 견고한 베드 및 빔 구조
• 정밀 작업 테이블
• 고출력 레이저 소스
• 고급 커팅 헤드
• 전압 안정기
• 효율적인 냉각 시스템
• 전기 제어 캐비닛
• 가스 공급 시스템(산소, 질소, 공기)

통합 시스템:

• 전기 제어 시스템
• 기계식 드라이브 시스템
• 가스 공급 시스템
• 정밀 광학 시스템
• 유압 시스템(해당되는 경우)
• 윤활 시스템
• 냉각 시스템

기계, 광학, 전기, 공압, 유체 시스템의 통합으로 고도로 정교한 자동화 장비가 탄생했습니다.

레이저 절단기의 제조 공정에는 정밀 절곡, 고급 용접 공정, 고정밀 가공 및 세심한 조립을 포함한 다양한 금속 가공 기술이 포함됩니다.

기계식 동력 전달의 경우, 이러한 기계는 주로 기어 및 랙 시스템을 사용하며 리드 스크류와 동기식 벨트로 보완하는 경우가 많습니다. 기어 랙 변속기를 선호하는 이유는 동적 조건에서 절단 정밀도를 유지하는 데 중요한 즉각적인 정확성, 높은 부하 용량, 뛰어난 효율성 때문입니다.

CO2 CNC 레이저 절단기

CO₂ 당사에서 개발 및 제조 한 CNC 레이저 절단기는 그림 1에 설명되어 있습니다.

공작 기계는 X, Y, Z 축을 따라 쉽게 이동할 수 있는 기계 시스템과 가공할 공작물을 배치하기 위한 작업대로 구성됩니다. 일반적인 구성에는 생산성 향상을 위한 단일 테이블 톱니 플레이트 작업대와 스프로킷 구동식 교환 작업대가 포함됩니다.

이 장비는 갠트리 서스펜션 구조를 채택하고 있으며, 정밀한 모션 제어를 위해 하이리드 볼스크류로 구동되는 전송 시스템을 사용합니다. 빔은 고정 레일을 따라 Y축 이동을 실행하고 커팅 헤드 어셈블리는 빔을 따라 X축 이동을 수행합니다. 커팅 헤드 자체는 공작물을 기준으로 수직(Z축) 동작이 가능하므로 다양한 재료 두께를 정확하게 초점 조정하고 절단할 수 있습니다.

레이저 커팅기의 핵심은 CO₂ 레이저 소스를 사용하여 절단 공정에 필수적인 고출력 빔을 생성합니다. CO₂ 레이저는 그림 2에 나와 있습니다.

레이저 매체는 이산화탄소, 질소, 헬륨 가스의 세심하게 균형 잡힌 혼합물로 구성되며, 공진 공동 내에 포함되어 있습니다. 레이저 발생은 약 40,000볼트의 고전압을 가하여 가스 혼합물을 여기시킴으로써 시작됩니다. 레이저 빔은 리어 미러, 굴절기, 부분 투과형 전면 미러 사이를 순환하면서 증폭되어 최종적으로 코히어런트 빔이 방출됩니다.

CO₂ CNC 레이저 절단기는 스테인리스 스틸을 매우 매끄러운 모서리 품질로 절단할 수 있고 아크릴 및 유기 유리와 같은 비금속 재료를 다양하게 가공할 수 있는 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 하지만 상대적으로 낮은 광전 변환 효율(일반적으로 8-12%), 높은 전력 소비, 상당한 유지보수 비용 등의 한계가 있습니다. 특히 광학 장치는 보조 가스의 먼지 입자로 인한 오염에 취약하여 렌즈에 화상 자국이 생길 수 있고 비용이 많이 드는 교체가 필요합니다.

파이버 레이저 기술이 지속적으로 발전하여 더 높은 효율성, 더 낮은 운영 비용, 더 적은 유지보수 요구 사항을 제공함에 따라 CO₂ 레이저는 많은 산업 분야에서 점차 단계적으로 퇴출되고 있습니다. 그러나 레이저의 고유한 특성이 우수한 결과를 제공하는 특정 재료 및 공정에는 여전히 관련성이 있습니다.

파이버 레이저 절단기

당사에서 개발 및 생산한 파이버 레이저 절단기는 그림 2와 같이 갠트리 구조가 특징입니다. 이 설계는 절단 작업 중 안정성과 정밀성을 보장합니다.

기계의 모션 시스템은 동력 전달을 위해 기어와 랙 메커니즘을 사용하여 견고하고 정확한 위치 지정을 제공합니다. 크로스 빔은 베드의 X축을 따라 이동하고 슬라이드 시트는 크로스 빔의 Y축을 따라 이동합니다. 이 이중 축 이동을 통해 커팅 헤드를 정밀하게 평면에 배치할 수 있습니다.

슬라이드 시트의 슬라이드 플레이트에 장착된 커팅 헤드는 리드 스크류 또는 리니어 모듈을 통해 Z축 이동을 수행합니다. 이 3축 구성 덕분에 기계는 복잡한 커팅 패턴을 높은 정확도로 실행할 수 있습니다.

그림 2 배출 개략도 원칙 의 CO2 레이저

그림 3 레이저 절단기 개요도

그림 4는 파이버 레이저의 발광 원리를 보여줍니다. 레이저 시스템은 모듈식이며 각 모듈은 개별 전원 장치를 나타냅니다. 총 출력 전력은 이러한 모듈을 결합하여 달성되므로 확장성과 유지보수가 용이합니다.

각 모듈 내에서 펌프 소스는 커플러를 통해 파이버 레이저 매체로 전달되는 빛을 생성합니다. 이 설계는 효율적인 에너지 전달과 레이저 생성을 가능하게 합니다. 희토류 원소를 이득 매체로 사용하면 시스템의 효율성과 성능에 기여합니다.

그림 4 광섬유 레이저 방출 원리의 개략도

파이버 레이저 절단기의 주요 장점은 다음과 같습니다:

1. 25%의 높은 광전 변환 효율로 전력 소비 감소
2. 희토류 원소를 이득 매체로 활용하여 레이저 성능 향상
3. 기존 레이저 시스템 대비 낮은 장비 비용

그러나 다음과 같은 경우 주의해야 합니다. 스테인리스 스틸 절단CO2 레이저 커팅기에 비해 절단 부분이 거칠게 보일 수 있습니다. 또한 커팅 헤드 어셈블리는 최적의 성능과 수명을 유지하기 위해 엄격한 밀봉이 필요합니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 당사는 지속적으로 커팅 파라미터를 개선하고 고급 빔 제어 기술을 구현하여 다양한 소재의 커팅 품질을 향상시키고 있습니다.

결론

레이저 기술은 상당한 발전을 거듭해 왔지만 업계는 여전히 몇 가지 기술적 과제에 직면해 있습니다. 향후 개발은 네 가지 핵심 영역에 초점을 맞출 것으로 예상됩니다:

1. 고속, 고정밀 공작 기계: 레이저 출력이 증가하여 분당 최대 80m의 절단 속도가 가능해짐에 따라 이러한 속도에서 높은 정밀도를 유지하는 것이 중요해졌습니다. 공작 기계 제조업체는 현재의 정확도와 강성 제약으로 인한 한계를 극복하기 위해 향상된 구조 설계와 고급 제어 시스템 개발에 우선순위를 두고 있습니다.
2. 고출력에 강한 커팅 헤드 구조: 고출력 레이저를 선호하는 추세에 따라 절단 성능과 수명을 극대화하려면 열 부하를 견디고 최적의 빔 품질을 유지할 수 있는 혁신적인 커팅 헤드 설계가 필수적입니다.
3. 고급 피어싱 기술: 특히 고강도 합금 및 복합재에서 사이클 시간을 단축하고 재료 낭비를 최소화하며 두꺼운 재료를 효율적으로 가공하려면 피어싱 기술의 개선이 필요합니다.
4. 지능형 자동화 시스템: 스마트 적재, 하역, 분류, 적재 시스템의 통합으로 전반적인 생산성과 자재 취급 효율성이 크게 향상될 것입니다. 이러한 시스템에는 적응형 프로세스 최적화와 예측 유지보수를 위한 머신러닝 알고리즘이 통합될 가능성이 높습니다.

이러한 발전 간의 시너지 효과는 차세대 레이저 커팅 시스템을 주도하여 더 다양한 재료와 응용 분야에서 향상된 속도, 정밀도, 다용도성을 제공할 것입니다. 업계가 계속 발전함에 따라 공작 기계 제조업체, 레이저 소스 개발자, 최종 사용자 간의 협업은 이러한 과제를 해결하고 레이저 절단 기술의 경계를 넓히는 데 매우 중요할 것입니다.