[정밀가공] 레이저가공

[레이저가공]

*레이저 : 유도방출에 의한 빛의 증폭 / 단파장, 단색, 퍼지지않는다, 매질에따라 아르곤푸른색/이산화탄소무색/루비붉은색

에너지 흡수 > 여기상태 > 바닥상태로 가면서 빛을 방출 = incoherent 빛

광공진기를 통하여 전반사 /95%반사를 반복하면서 에너지가 커지고, 일부가 방출되면서 레이저 광 발생

 

레이저가공 : 절단, 구멍, 용접, 담금질 등 / 매우작은점에 집광, 에너지 밀도가 크다, 다이어몬드 가공 가능

에너지출력을 조정하여 절단, 용접 가능

레이저 특징

-직진성이 강하다/ 단파장, 단색 / 파동이 잘겹쳐져 강력한 빛 /

 

 

레이저분류

-기체 레이저 : CO2, 엑시머, Ar, He-Ne

-고체 레이저 : Nd-YAG, Ruby, 반도체(Diode / Semiconductor)

-액체 레이저 : 색소 레이저(Dye laser)라 하기도 함

-반도체 레이저 : 다이오드에 흐른 전류의 일부가 변환, 레이저 광이됨, Laser diode라 함

 

(YAG laser)

rod에서 실제로 레이저 빛 발생, krypton acr lamp에서 발생된 빛을 받아 고에너지로 되었다가 원래대로 오면서 레이저 빛 발생

(유리관안에 불활성 기체인 크립톤 주입, 고전압으로 아크 발생), 냉각수는 전도성이 없는 물(deionized water), 전반사 ,95%반사

(CO2 laser)-10.6um

CO2 : 질소 : 헬륨 = 10 : 10 : 80 %

질소는 CO2가 고에너지로 용이하게 가도록> 출력상승 / 헬륨: 빛방출후 CO2 기체가 완전히 초기상태로 가도록 > 출력상승

효율이 매우높음 10-30% / 높은 출력 / 산업용으로 가장많이 사용/ CW모드 , 펄스모드

가스흐름의 속도가 클수록 큰 출력 / 저속축류 유동형 / 고속축류 유동형 / 횡류 유동형

(엑시머레이저)

엑시머로 불리는 분자이용, 단파장 고출력 > 엑시머 : 여기상태에서만 안정한 분자

파장이 고른 아름다운 자외광을 강력히 방출할 수 있다.

미세가공에 많이 사용 > 자외선영역으로 이미지의 최소크기가 가장 작기 때문

-폴리모 혹은 유기물의 경우 화학적결합을 엑시머레이저 빛에너지가 화학적 결합을 직접끊어 재료 용융이나 증발이 거의없이 열영향부가 거의 없는 깨끗한 가공이 가능

(반도체레이저 Laser diode : LD)

반도체 내에서 광자의 유도방출을 이용, 광파의 발진기 및 증폭기 총칭/ 소형, 경량, 대량생산으로 저렴/

 

 

레이저 빛의 특성

단색성(Monochromacity) : 단일파장, /반사 ,굴절,집속도등 예측 가능 / 간섭계 계측에 활용가능

직진성(Directionality) : 빛의 퍼짐(divergence)가 매우 작음 / 손실없이 전달용이/렌즈를 통해 집속 가능

고휘도(brightness) : 아주 밝음/ 고에너지 효과적으로 전달

집속도(Focusability) : 렌즈를 이용 매우 작은 크기로 집속 가능/ 집속으로 nm 미세가공 가능/ 초점을 줄여 에너지강도 키움

고에너지강도(intensity) : 짧은 파장레이저로 매우 높은 고에너지 강도

 

모드

-싱글모드 : gaussian mode / TEM00모드

-멀티모드 : 싱글위해 절반 감소 / 초점 크기가 큼

 

가공원리)

가열 > 반사열에 따른 열흡수 , 표면 용융 > 증발 > 플라즈마

 

흡수계수 : 빛의파장에 반비례, / 침투깊이 : 흡수계수에 반비례

*레이저 어블레이션(ablation) : 레이저 노출 소재에 발생하는 현상 총칭

-가열, 용융, 증발 , 천공 및 크레이터 발생, 증발현상 > 고압 증기의 팽창, 충격파 발생, 플라즈마(이온화된 가스)의 생성

반발압력 : 표면증기에 의한 반발압력 > 증기압Psat 라할 때 약 0.56 Psat

*레이저 가공의 특징

장점) 취성재료의 가공이 용이/비접촉으로 소재반력이 없다 / 소음이 작다/ 공구의 마모가 없다/ 빔 집속으로 열영향부 줄임

단점) 광학부품의 오염 주의/ 장비가 고가 / 반사율이 크면 가공이 어려움 / 가공전 오염 주의 : 에너지 흡수 조건 변화

 

레이저가공 공정성능 입력변수

-출력 / 보조가스의 종류와 압력 / 재료의 조성과 두께 / 절삭속도 및 운전모드