3D 레이저 튜브 절단 가이드: 프로세스, 도구 및 응용 분야

1964년, 세계 최초의 산업용 레이저가 출시되었는데, 출력은 1밀리와트(mW)에 불과했습니다. 불과 3년 후인 1967년에는 레이저 출력이 1,000와트를 넘어 1mm 두께의 강철을 절단할 수 있는 수준으로, 에너지 출력이 백만 배나 증가했습니다. 이 획기적인 발전은 레이저 가공 시대의 시작을 알렸습니다.

현대 제조업의 고정밀, 효율성, 그리고 유연성에 대한 요구가 증가함에 따라, 기존의 튜브 절단 방식은 다양한 생산 요건을 충족하는 데 점점 더 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 요구에 부응하여 고출력 레이저, 고속 다축 CNC 시스템, 그리고 지능형 소프트웨어 제어를 결합한 3D 레이저 튜브 절단 기술이 등장하여 첨단 튜브 가공 분야의 핵심 혁신으로 자리 잡았습니다.

디자인 및 제조의 자유: 이 기술은 구조적 구성 요소, 비표준 튜브 프로파일, 자동차 부품 가공에 새로운 가능성을 열어 설계와 제조 모두에서 전례 없는 자유를 제공합니다.

기술 요구 사항: 3D 레이저 튜브 절단은 장점에도 불구하고 높은 기술적 요건을 요구합니다. 일관되고 고품질의 결과를 얻으려면 기계 설계, 동기화된 CNC 제어, 그리고 고급 툴패스 최적화 알고리즘을 아우르는 통합 시스템 수준의 접근 방식이 필수적입니다.

1.03D 레이저 튜브 절단이란?

다축 기능 및 재료 유연성:
회전 및 기울기 조절이 가능한 레이저 커팅 헤드가 장착된 3D 레이저 시스템은 원형 튜브, 정사각형 및 직사각형 튜브, C형 채널, 앵글 철재, 타원형 프로파일, 그리고 개방형 단면 형상을 가공할 수 있습니다. 커팅 헤드는 여러 축을 가로질러 기울어질 수 있어 최대 45°의 절삭 각도를 제공합니다. 따라서 카운터싱크 홀, 챔퍼링, 베벨링 엣지 가공에 이상적이며, 특히 용접 접합부 또는 필러 없는 용접 준비가 필요한 분야에 유용합니다.

통합 멀티태스킹:
3D 레이저 시스템은 절단, 베벨링, 챔퍼링을 단일 작업으로 수행하여 수작업 개입과 생산 시간을 줄여줍니다. 시제품 제작과 대량 생산을 모두 지원하며, 다양한 제조 환경에 유연하게 대응할 수 있습니다.

3D 튜브 가공을 위한 주요 제어 요구 사항:
평판 가공과 달리, 튜브 절단은 레이저 빔이 3D 구조물 주위를 동적으로 이동해야 합니다. 이를 위해서는 몇 가지 중요한 매개변수의 정밀한 제어가 필요합니다.

• 노즐 거리 및 초점 위치: 튜브 반경 및 절단 형상에 따라 동적으로 조정해야 함
• 레이저 출력 및 절단 속도: 벽 두께 변화에 대한 실시간 적응이 필요합니다.
• 초점 높이 조정: 동적 초점은 절단 품질과 효율성을 개선하여 열 손상과 재료 낭비를 최소화합니다.

각도 절단 및 보상 조치의 과제:
레이저 빔은 원뿔형 형상을 가지고 있기 때문에 절단 각도에 따라 커프 폭이 변하여 치수 정확도와 용접 맞춤에 영향을 미칠 수 있습니다. 이를 보완하려면 다음을 수행하십시오.

• 커프 보상: 시스템은 정확한 부품 길이와 조인트 정밀도를 유지하기 위해 절단 폭 변화에 맞춰 조정해야 합니다.
• 초점 및 가스 흐름 제어:초점 위치와 보조 가스 각도를 수정하면 난류와 가스 손실을 방지하는 데 도움이 됩니다. 특히 45° 기울기에서 매우 중요하며 안정적이고 효율적인 절단을 보장합니다.

튜브 불규칙성에 대한 실시간 보상:
튜브는 캔틸레버 방식으로 위치 지정되어 초기 굽힘, 측면 편차 또는 변형이 발생할 수 있습니다. 통합 측정 및 지원 시스템을 갖춘 첨단 3D 레이저 절단기는 이러한 문제를 실시간으로 감지하고 보정하여 공차 오차와 재료 낭비를 줄일 수 있습니다.

2.03D 레이저 튜브 절단 기술의 적용 사례

3D 레이저 튜브 절단은 고정밀 및 고효율 튜브 가공을 위해 현대 제조 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 특히 철골 구조물, 항공우주 산업 등 복잡한 제작이 필요한 산업 분야에 매우 적합합니다. 이 첨단 기술의 장점과 실제 활용 사례를 보여주는 일반적인 적용 사례는 다음과 같습니다.

• 자동 공급 및 튜브 로딩:
  자동 번들 로더는 무거운 튜브를 효율적으로 처리하여 설치 시간을 크게 단축하고 작업자 안전을 향상시킵니다. 대량 생산 시, 자동화는 절단 스테이션에서 튜브 위치를 빠르고 안정적으로 조정하여 처리량을 획기적으로 높이고 인력 소요를 줄입니다.
• 고강도 튜브 절단 및 베벨링:
  H형 빔, U형 채널, L형 프로파일에 정밀하고 폐기물 없는 절단 및 베벨 가공이 가능합니다. 이 시스템에는 풀 스트로크 3척 지지 메커니즘이 장착되어 있어 공정 전반에 걸쳐 안정적인 클램핑을 보장합니다. 구조용 강재, 타워 제작, 교량 건설에 널리 사용되어 고정밀 제작에 대한 요구를 충족합니다.
• 지능형 중첩을 통한 고정밀 절단:
  ALEKVS 지능형 네스팅 소프트웨어를 사용하면 절삭 경로가 자동으로 최적화되어 재료 낭비를 최소화합니다. 이 소프트웨어는 사각 튜브와 원형 튜브 모두에 대한 경로 시퀀싱을 지원하여 표면 순서 또는 간격을 기반으로 툴 경로를 생성하여 효율적이고 일관된 절삭을 가능하게 합니다.
• 제로 웨이스트 절단 기술:
  고하중 작업의 경우, 지능형 3척 무폐기 절단 시스템이 재료 손실을 최소화합니다. 여러 척의 동기화된 동작을 통해 긴 튜브를 전체 길이로 정확하게 절단하고, 스크랩 발생 없이 생산 비용을 효과적으로 절감합니다.
• 무거운 튜브에 대한 동적 지원:
  풀 스트로크 서보 구동식 후속 지원 시스템은 절단 중 튜브의 수직 위치를 실시간으로 조정합니다. 이를 통해 처짐이나 진동을 방지하고 전체 가공물에 걸쳐 절삭 안정성과 정확성을 보장합니다. 특히 길거나 무거운 튜브에 매우 중요합니다.
• 다기능 절단 기능:
  3D 레이저 헤드는 45° 베벨 커팅, 용접 강도 및 균일성 향상 등 고급 기능을 지원합니다. 또한 다방향 튜브 연결을 위한 Y형 분기 홀의 정밀한 생성을 지원하여 복잡한 구조 부품의 요구 사항을 충족합니다.
• 성형 튜브 및 복잡한 구조물의 가공:
  3D 레이저 절단은 공간적 윤곽 추적을 가능하게 하여 불규칙하게 구부러진 튜브와 복잡한 3D 구조 부품을 가공할 수 있습니다. 이 기능은 가구 프레임이나 산업 구조물의 조립 슬롯이나 정렬 구멍과 같은 맞춤형 고정밀 응용 분야에 이상적입니다.

3.03D 튜브 레이저 절단기란 무엇인가요?

3D 튜브 레이저 절단기 다양한 공간 각도에서 금속 튜브를 절단하고 베벨링하도록 설계된 고정밀 CNC 시스템입니다. 레이저 빔을 에너지원으로 사용하고 다축 모션 제어 시스템을 통해 복잡한 표면과 비수직 각도에서도 정확한 절단이 가능합니다. 첨단 제조 및 지능형 제조의 핵심 도구입니다.

핵심 기능 및 응용 프로그램:
3D 튜브 레이저 절단기는 일반적으로 5축 또는 6축의 다축 조정 기능을 갖추고 있어 원형, 정사각형, 직사각형, 타원형 튜브 등 다양한 금속 튜브 형상을 가공할 수 있습니다. 각도 절단, 공간 베벨, 구멍 및 기타 복잡한 형상을 고정밀로 가공할 수 있습니다.

작동 원리:
파이버 레이저는 고에너지 빔을 생성하고, 이 빔은 절단 헤드에 의해 튜브 표면에 집중되어 국부적으로 재료를 녹여 절단을 수행합니다.
3D 절단 헤드는 회전과 기울기가 모두 가능하며, X, Y, Z 및 회전 축과 협력하여 빔 경로를 정밀하게 제어하고 복잡한 3D 절단 작업을 수행합니다.
이 시스템은 45° 또는 60°와 같은 다양한 경사 각도에서 절단을 지원하여 용접 준비가 된 베벨과 복잡한 윤곽을 준비합니다.

주요 구성 요소:

• 레이저 소스:일반적으로 1kW에서 6kW까지의 전력 범위를 갖는 파이버 레이저
• 3D 커팅 헤드:다양한 각도 작업을 위해 기울이기와 회전 운동을 모두 허용합니다.
• CNC 제어 시스템:다축 조정을 가능하게 하고 효율적인 프로그래밍을 위한 CAM 파일 가져오기를 지원합니다.
• 자동 클램핑 및 회전식 공급 시스템:정확한 튜브 위치 지정 및 공급을 보장합니다.
• 테일 스톡 및 지능형 중첩 시스템(선택 사항):재료 사용을 최적화하고 낭비를 줄입니다.

절단 기능의 예:

• 튜브 끝 각도 절단 / 베벨링:용접 준비를 위한 정확한 각도를 제공합니다.
• 임의 각도로 구멍 절단:튜브 표면 전체에 걸친 복잡한 구멍 배치에 적합
• 맞물리는 슬롯 및 위치 지정 구멍:정밀한 피팅 및 조립 정렬이 가능합니다.

4.03D 레이저 튜브 절단 시스템의 핵심 구성 요소

• 파이버 레이저 소스:
  높은 에너지 밀도를 제공하며 유지 보수가 거의 필요 없고 반사 소재와의 호환성도 뛰어납니다. 파이버 레이저는 정밀 절단을 위한 안정적인 빔 출력을 제공하는 동시에 운영 비용을 최소화합니다.
• 3D 레이저 커팅 헤드:
  회전, 틸팅 메커니즘, 자동 초점 광학 장치가 통합된 커팅 헤드는 어떤 각도에서도 정밀한 절단을 가능하게 합니다. 튜브 끝단 절단부터 복잡한 3D 프로파일까지 다양한 용도를 지원하여 공정 유연성을 향상시킵니다.
• 다축 모션 제어 시스템:
  5축 또는 6축 동기화 모션(X/Y/Z + 회전 + 틸트)을 지원하여 다차원 동시 절삭이 가능합니다. 이는 복잡한 튜브 형상을 처리하고 생산 처리량을 향상시키는 데 필수적입니다.
• 지능형 클램핑 및 후속 지원 시스템:
  튜브 유형을 자동으로 식별하고 정밀한 클램핑 및 정렬을 보장합니다. 서보 구동 지지 시스템은 절단 중 실시간으로 조정되어 변형이나 진동을 방지하여 안정적이고 정확한 결과를 보장합니다.
• 통합 CAM 소프트웨어:
  CAD 파일 직접 가져오기, 툴패스 계획 및 지능형 시뮬레이션이 가능합니다. CAM 시스템은 형상을 기반으로 절삭 매개변수를 자동으로 최적화하여 재료 낭비와 사이클 시간을 줄여줍니다.
• 자동화된 중첩 및 툴패스 최적화:
  내장된 중첩 기능은 튜브 길이와 프로필 치수에 따라 절단 레이아웃을 정렬하여 재료 활용도를 극대화하고 운영 효율성을 개선합니다.
• 고속 정밀 서보 드라이브 시스템:
  고급 서보 모터와 드라이브는 빠른 절단과 고정밀 위치 조정을 가능하게 합니다. 이를 통해 복잡한 형상과 다양한 두께의 벽을 가공할 때에도 일관된 결과를 보장합니다.
• 레이저 출력 제어 시스템:
  최적의 절단 균형을 달성하기 위해 재료 유형과 두께에 따라 레이저 출력을 자동으로 조정하여 과도하거나 부족한 절단을 방지하고 절단 품질과 재료 효율성을 모두 향상시킵니다.
• 가스 절단 시스템 지원:
  절단 중 열영향부를 최적화하기 위해 가스 흐름을 정밀하게 조절합니다. 이를 통해 버(burr)와 날 변형을 최소화하는 동시에 절단 속도와 공정 안정성을 향상시킵니다.
• 통합 원격 모니터링 및 유지 관리:
  이 시스템에는 장비 상태를 실시간으로 모니터링하는 원격 진단 기능이 포함되어 있습니다. 잠재적인 고장을 미리 감지하고 경고를 발송하여 가동 중단 시간을 줄이고 유지 관리 일정을 개선할 수 있습니다.

5.0올바른 3D 레이저 튜브 절단기를 선택하는 방법

3D 레이저 튜브 절단 시스템을 선택할 때는 기본적인 기술 사양 외에도 실제 생산 요구 사항과 작업 현장 조건을 기반으로 장비를 평가하는 것이 필수적입니다. 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다.

• 지원되는 튜브 유형 및 크기 범위:
  기계가 귀하의 용도에 필요한 특정 치수와 프로파일을 처리할 수 있는지 확인하십시오. 주요 매개변수는 다음과 같습니다.
  • 원형 튜브 직경 범위:다양한 기계가 지원하는 직경 범위가 다르므로 가공 요구 사항에 맞는지 확인하세요.
  • 벽 두께 제한:두꺼운 벽의 튜브(5mm 이상)의 경우 효율적인 절단을 보장하기 위해 더 높은 레이저 출력이 중요합니다.
  • 비표준 프로필과의 호환성:정사각형, 직사각형 또는 기타 특수 모양의 튜브를 가공해야 하는 경우, 해당 프로필을 지원할 수 있는 기계의 성능을 확인하세요.
• 자동 적재 및 하역 시스템의 가용성:
  자동화는 생산성을 크게 향상시키고 수작업을 줄이며, 특히 대량 생산 시 더욱 그렇습니다. 자동화된 자재 취급 시스템은 배치 전체에 걸쳐 원활한 튜브 공급을 가능하게 하여 가동 중단 시간을 최소화하고 생산 효율을 극대화합니다.
• 베벨 절단 기능에 대한 요구 사항:
  용접 조립품이 포함된 경우, 베벨 절단 기능이 있는 기계를 우선적으로 사용하십시오. 베벨 절단은 튜브 끝단을 비스듬하게 절단하여 용접 강도, 정확도 및 일관성을 향상시켜 최종 제품 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 레이저 파워 매칭:
  레이저 출력은 재료 종류와 벽 두께에 맞춰야 합니다. 5mm보다 두꺼운 튜브의 경우, 절단 품질과 속도를 유지하기 위해 3kW 이상의 레이저 출력을 권장합니다. 출력이 높을수록 더 깊고 빠른 절단이 가능하므로 두꺼운 벽의 재료 가공에 적합합니다.
• 소프트웨어 사용성 및 확장성:
  통합 제어 소프트웨어는 작동 편의성과 절단 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 다음 사항을 고려하십시오.
  • 사용 편의성:소프트웨어 인터페이스가 사용자 친화적인지, CAD 파일 가져오기를 지원하는지, 효율적인 툴패스 계획을 허용하는지 평가합니다.
  • 확장성:시스템이 향후 업그레이드, 새로운 기능, 다른 기계나 생산 시스템과의 통합을 지원할 수 있는지 평가합니다.

6.02D와 3D 레이저 절단의 주요 차이점

7.03D 레이저 튜브 절단의 핵심 장점

• 속도: 레이저 절단은 기존의 기계식 절단보다 훨씬 빠르게 진행됩니다. 특히 복잡한 기하학적 구조와 다각도 작업의 경우 더욱 그렇습니다.
• 품질: 3D 레이저 절단은 버(Burr) 발생을 최소화하면서 깔끔한 모서리를 제공합니다. 열영향부(HAZ)가 좁아 소재 변형을 줄이고 고품질의 완제품을 보장합니다.
• 다재: 하나의 시스템으로 강철, 스테인리스 강철, 알루미늄 등 광범위한 소재를 처리할 수 있으며 원형, 정사각형, 직사각형 튜브, 각형 철, I-빔 등 다양한 프로파일을 지원합니다.
• 정도: 최대 +/- 0.005인치(0.127mm)의 정밀한 공차로 탁월한 절단 정확도를 제공합니다. 후가공이 거의 필요하지 않아 재료 낭비를 최소화하고 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
• 안전: 레이저 절단은 비접촉식 밀폐형 공정입니다. 빔은 빛이 차단된 밀폐 공간 내에 위치하여 작업자 부상 및 장비 손상 위험을 최소화합니다.
• 비접촉 작업: 물리적인 절삭 공구가 없으므로 기계적 마모와 마찰이 없습니다. 따라서 기계 유지 보수가 줄어들고 장비 수명이 연장됩니다.
• 낮은 전력 소비: 레이저 절단 시스템은 대량 생산 환경에서도 에너지 효율적입니다. 전체 에너지 비용을 최소화하는 동시에 높은 처리량을 유지합니다.

 

참고문헌

https://blog.blmgroup.com/advantages-and-limits-of-tube-3d-laser-cutting