파이버 레이저 절단 분야에서 스폿 크기는 정확성에서 효율성에 이르기까지 레이저 절단 공정의 다양한 측면에 큰 영향을 미치며 최적의 결과를 얻는 데 중추적인 역할을 합니다.
스팟 크기란 무엇인가요?
스팟 크기가 중요한 이유를 알아보기 전에 먼저 스팟 크기가 무엇인지 알아보겠습니다. 스폿 크기는 초점 지점에서 레이저 빔의 직경을 의미합니다. 즉, 레이저의 에너지가 재료 표면에 집중되는 영역입니다. 그 에너지의 일부가 재료에 흡수되어 국부적인 용융을 유발합니다. 금속의 파이버 레이저 절단에서는 커팅 헤드가 전달하는 고압 보조 가스를 사용하여 액체 금속을 배출하고, 빔이 부품을 가로질러 이동하면서 '커프 폭'이 스폿 크기의 함수인 절단을 생성합니다.
스팟 크기에 영향을 미치는 요소는 무엇인가요?
스폿 크기는 레이저 파장, 렌즈의 빔 크기, 초점 렌즈의 초점 거리 등 여러 매개변수의 영향을 받으며, 이 모든 것이 절단 프로세스에 큰 영향을 미칩니다. 파장이 길수록 동일한 광학 설정에서 더 큰 스폿 크기를 얻을 수 있습니다. 파장이 1070nm인 이터븀 파이버 레이저는 약 10,600nm의 긴 파장에서 작동하는CO2 레이저보다 스폿 크기가 작고 그에 따라 스폿 크기도 더 커집니다.
광섬유 기반 빔 전달을 사용하는 경우, 스팟 크기는 광섬유 직경과 콜리메이터 초점 거리(둘 다 초점 광학에서 빔의 크기를 정의함) 및 초점 광학의 초점 거리를 기준으로 계산할 수 있습니다(그림 1 참조). 초점 대물렌즈의 초점 거리를 늘리면 스팟 크기가 커지고, 렌즈의 빔 크기를 늘리면 스팟 크기가 작아집니다(빔이 회절 제한 성능을 허용하는 렌즈 크기 이내로 유지되는 한).
그림 1: 광섬유 빔 전송을 위한 스팟 크기 계산
절단 정확도: 작을수록 좋습니다
레이저 커팅 작업에서 스폿 크기가 작아지면 레이저 에너지가 더 작은 영역에 집중되어 정밀한 재료 제거가 가능하므로 정확도와 해상도가 향상됩니다. 이를 통해 복잡한 디자인, 세밀한 디테일, 더 엄격한 공차를 구현할 수 있습니다. 또한 더 좁은 스폿 크기로 인한 더 작은 커프 덕분에 부품을 더 가깝게 중첩할 수 있으므로 재료 활용도를 최적화하고 제조 공정에서 낭비를 최소화할 수 있습니다.
커팅 속도와 품질: 균형 찾기
절단 속도와 품질 사이의 완벽한 균형을 맞추기 위해서는 레이저 매개변수 간의 상호 작용이 매우 중요합니다. 에너지 밀도가 중요한 역할을 하는데, 스폿 크기가 작을수록 레이저 에너지를 더 작은 영역에 통합할 수 있습니다. 이를 통해 더 낮은 출력의 레이저로 동일한 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.
그러나 스폿 크기와 재료 두께 사이의 관계는 복잡합니다. 전체 재료 두께에 걸쳐 용융을 달성하려면 최소 에너지 밀도가 필요하지만, 용융된 재료가 효율적으로 배출될 수 있도록 스폿 크기가 충분히 커야 합니다. 재료의 두께가 증가함에 따라 절단 품질과 속도를 유지하려면 더 큰 스폿 크기가 필요합니다. 또한 최적의 스폿 크기는 열전도도 및 점도와 같은 재료 특성에 따라 달라집니다.
스팟 크기와 상관관계가 있는 초점 깊이도 주의가 필요합니다. 스팟 크기가 작을수록 초점 심도가 짧아지는데, 초점 심도는 일반적으로 빔 웨이스트에서 빔 영역이 두 배가 되는 거리로 정의됩니다. 초점 심도보다 먼 거리에서는 컷 품질에 영향을 미치기 시작합니다. 따라서 속도나 품질 저하 없이 원하는 커팅 결과를 얻으려면 스폿 크기, 에너지 밀도, 초점 깊이 사이의 섬세한 균형을 찾는 것이 필수적입니다.
최적의 레이저 커팅을 위한 균형 잡기
모든 것을 고려할 때 제조업체는 균형을 맞춰야 합니다. 두꺼운 재료의 경우 절단 품질과 속도를 유지하기 위해 스폿 크기가 큰 것이 더 바람직할 수 있습니다. 그러나 복잡한 작업이나 얇은 소재의 경우 더 작은 스폿 크기가 선호됩니다. 제조업체는 일반적으로 정확도, 절단 품질 및 처리량 간의 완벽한 균형을 달성하기 위해 사용 가능한 레이저 출력과 절단하려는 재료 및 두께에 가장 적합한 스폿 크기를 생성하는 최적의 빔 전달 구성을 선택합니다.
