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레이저가공기 레이저 가공기술 동향과 적용
QAS 중고기계 한공산업기계 -
2008-03-18 오후 8:49:17 4625
레이저가공기 레이저 가공기술 동향과 적용

레이저가공기 레이저 가공기술 동향과 적용
기술혁신의 급속한 진전과 함께 소비동향에 대한 수요의 변화는 제품에 대한 요구의 고도화와 다양성을 가져왔다. 따라서 제품의 라이프 싸이클은 극히 짧아지게 되고 기업의 신제품 개발과 모델 변화의 경쟁은 더욱더 치열하게 되었다. 이와 같이 소품종 다량생산 시대에서 다품종 소량생산 시대로 넘어감에 따라 기업은 새로운 감각과 기술을 필요로 하게 되고, 또한 이에 신속히 대응하는 현장의 생산기술의 개발이 새로운 과제로 대두되고 있다.
최근 들어 소량생산에 적합한 저 코스트로 신속하게 제작할 수 있는 간이 금형이 주목을 받고 있지만, 지금까지 제안된 여러 종류의 간이 금형들은 정밀도 등 품질적으로 열악한 경우가 많아 다품종 소량 생산형으로써 충분히 사용할 수 있다고는 할 수 없다. 그러나 레이저를 이용하여 제작하는 레이저 다이의 경우에는 현재 여러 분야의 산업현장에 적용되고 실용성이 어느 정도 인정을 받고 있는 실정이다.
프레스 금형의 한 분야인 간이 금형의 특성을 보다 잘 이해하고 효율적으로 운용하는 것에 의해서 제조라인의 효과적인 균형을 도모하고, 제조경비의 절감에도 연결되어 생산성 향상의 효과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.

레이저 가공의 장점
레이저 빔은 집속성, 단색성, 기간섭성을 가진 고출력 밀도를 가지고 있기 때문에 정확하고, 열변형 구간이 적고, 공기 중에서 재료를 가공할 수 있다. 이외에도 레이저 가공의 장점은 치공구를 적게 필요로 하고, 진동이 없으며, 공구의 마모가 없고, 재료의 종류에 크게 구애받지 않으며, 특히 유연성이 뛰어나 자동화를 쉽게 이룰 수가 있다. 유연성은 공구로서의 유연성과 재료에 대한 유연성을 보유하고 있는데 레이저 가공기로 절단, 천공, 용접, 열처리, 표면 개질 등을 할 수 있다.
흡수율이 큰 재료는 모두 가능하며, 흡수율이 적은 경우에는 흡수제를 도색하여 거의 모든 재료를 가공할 수 있다. 또한 레이저 빔은 순간적인 on-off가 가능하고, 공구의 반동이 없으며, 절단 폭이 적기 때문에 정밀 절단과 천공이 가능하다. 그리고 금형을 필요로 하지 않기 때문에 복잡한 형상의 절단, 천공 등을 쉽게 할 수 있다. 이러한 레이저 빔의 특성과 장점을 이용하여 적층식 간이금형의 절단, 천공 경우에 따라 휀칭과 용접을 레이저 빔이 모두 수행할 수 있다.

레이저 금형의 특성
레이저를 이용한 간이금형을 제작하는 경우 장점은 제작 시간과 제조단가이다. 블랭킹 다이를 제작하는 경우 일본의 Institute of Industrial Science에서 조사한 제조시간과 제작단가는 <표1>과 같다.

<표1> 제조시간과 제작비용
시트수 절단속도(mm/min) 절단속도(mm/min) 절단속도(mm/min)
내부 외부 내부 외부 주변제외 포함
적층펀치 1*/4** 900/700 -/- 0.42/2.89 -/- 209/1,445 598/957
적층다이 1*/1** 900/700 900 0.48/1.00 0.71/0.91 242/500 727
스트리퍼 1** 700 700 0.54 0.91 270 14,265
펀치홀더 8** 400 600 20.0 8.53 10,000 26,700
상다이세트 8** 400 600 38.5 14.9 19,250 26,700
하다이세트 10** 400 600 28.7 18.7 14,350 23,700
총계 34 - - 92.53 44.66 46,266 68,601

* 2.0mm bainite강 / ** 3.2mm공구강(laminated punch, 다이와 스트리퍼)
*** 4.5mm 두께의 중탄소강

선체의 제작시간은 2시간 17분이고, 전체 제작시간의 70% 정도는 판의 외곽을 절단하는데 소요되어 shearing이나 프레스로 이 공정을 대체하면 좀더 효과적일 것이라고 판단된다. 또한 이 그룹이 프로그레시브 금형을 제작하는 경우 절단시간과 단가를 <표2>에서 볼 수 있다.

<표2> 절단시간과 단가
판의숫자 절단시간(min) 가격
펀치수 8 92 46,000
펀치홀더 8 96 48,000
스트리퍼 2 24 12,000
펀치 16 32 16,000
다이 4 44 22,000
다이슈 13 156 78,000
총계 51 444 222,000

절단속도 : 400mm/min
절단단가 : 500엔/min

재료, 표준다이, 버튼과 펀치와 악세사리 값을 합해 33만엔 정도이다. 이 금형은 토동의 금형에 비해 정확하지 않으나, 매우 싸고 빠르게 제작될 수 있다.
레이저를 이용하여 스탬핑 다이를 제작하는 경우, 절단면은 EDM에 의한 절단보다 훨씬 나쁘지만 제품을 스템핑한 결과는 비슷하며 다만 burr가 조금 많다. 4단계의 프로그레시브 스탬핑 다이의 경우 제조단가는 2,500달러로써 EDM에 의한 제조단가 10,000달러보다 휠씬 싸고, 제작시간도 적게 든다.
일반적으로 금형은 강성, 강도, 수명을 가진 한 개의 작업 공정중의 가장 중요한 역할은 필요한 최소한도의 수명을 가지고 보다 저가로 단기간에 제작되어 지는 것이다. 따라서 간이금형은 양산 또는 계속 생산을 전제로 하는 시작품에서는 본격적인 금형을 제작하기 전까지 연결 사용하고, 또한 본격적인 금형을 한 대 사용하기보다는 여러 대의 간이 금형을 사용하는 것이 유리한 경우가 많다.



레이저 가공이용에 의한 경제효과
금형 설계로부터 NC 테이프 출력에 걸리는 시간은 약 1/5 정도되며 금형 제작시간은 레이저 가공의 이용에 의해 종래의 방법에 비해 약 1/3정도다. 금형 코스트는 종래의 1/2∼1/4로 되며 시작용 금형으로서 효과가 있다. 대량생산에 있어서는 금형의 단가가 높더라도 처리할 수 있지만, 소량생산의 경우에는 내구성과 정도를 갖는 금형을 단시간에 저가로 제작하는가가 문제다.

레이저 가공과 간이 금형
레이저 절단의 형제작 응용
레이저 가공은 에너지의 조사 정도와 집중도에 따라 절단, 드릴링, 스크라이빙, 용접, 열처리 등의 가공이 가능하다. 레이저에 의한 절단 가공의 특징으로는 공기 중에서 고속, 고정도로 절단이 가능하며, 콘트롤이 용이하다는 점을 들 수 있다. 특히 대출력의 CO₂레이저 가공기가 출현함에 따라 절단능력이 증대되고, 에너지의 집중기술과 보조가스로써 산소의 사용으로 금속의 절단이 더욱 쉬워짐에 따라 적용범위가 비약적으로 넓어지고 있다.
고출력 CO₂레이저 가공기를 금형의 제작에 도입하게 된 이유는 △절단 성능의 향상 △가공 정밀도의 향상 △조작의 용이 △설치장소의 임의 주변기기의 응용에 의해 다양한 이용이 가능하다.
기술혁신이 급격한 오늘날 다품종 소량생산에 최적인 간이 경제형으로써 개발된 레이저간이 금형기술은 레이저 가공의 기능을 충분히 발휘하고, 단일가공에 의한 형제작을 가능하게 함으로써 자동차, 사무기기, 정밀기기 등의 분야에 응용되어 훌륭한 특성을 발휘할 수 있을 것이다.
레이저 절단의 간이 금형에의 응용 예는 △다이보드 : 종이 블랭킹 △적충금형 : 블랭킹, 트리밍, 드로잉과 같다.

간이 금형의 예상 수요
프로토타입의 직층식 블랭킹 간이금형이 제작되었는데 표면은 합금강, 안쪽면은 탄소강을 사용하였으며, 절단은 CO₂레이저 가공기를 이용하였다. 접합 방법은 볼트를 이용한 체결 방식을 이용하였고, 제품 실험은 국제 정공에서 보유하고 있는 200톤급 기계식 프레스를 이용하였는데 보통의 금형에 의해 얻어지는 제품에 비해 정밀도가 떨어지고 burr가 발생되는 단점이 있었지만 제작비는 1/4, 제조시간은 1/5 만으로 가능하여 간이금형의 채택 가능성을 확인할 수 있었다.
현재와 같이 기술혁신이 급속히 이루어질 때 생산분야에서 다품종 소량생산으로 수요를 완전하게 만족시키기 위한 조건은 금형을 얼마나 빨리, 싸게 요구되는 품질을 만족하는 제품을 만드는 것이므로 앞으로 간이 금형에 대한 수요가 급증할 것이 예상되는바, 본 연구원에서는 레이저 간이금형의 설계 및 제작기술을 개발하고, 이를 국내의 관련업체에 기술을 이전시킬 것을 목표로 하고 있다.


레이저 절단 박판의 적층 금형(레이저 다이)
레이저 가공에 의해 금속판이 고속, 고정도로 절단되는 것을 이용하여 입체 형상의 금형을 제작하는 것으로, 레이저 가공기로 절단된 여러 장의 박판을 수직으로 적층하여 금형을 완성한다.
레이저 가공에 의한 절단은 3∼5mm 이하의 비교적 얇은 판재에서는 비교적 저용량의 레이저 가공기로 가공이 가능하다. 10mm 이상의 절단에서는 가공기도 대용량이 필요하고 또한 절단면의 정도도 나쁘다. 레이저 절단에 의한 박판 적층구조를 갖는 금형은 <표3>과 같은 제작공정에 의해서 완성된다.


블랭킹 금형
블랭킹 금형은 내외경을 한번에 가공하는 형으로써 펀치와 다이외에 펀치 플레이트, 스트리퍼 플레이트, 에젝타를 레이저 절단으로 제작하며, 펀치를 절단한 나머지를 스트리퍼 플레이트로 다이를 절단한 나머지 부분을 에젝타로 사용한다.
공구 주요부는 단시간에 가공이 되지만 오히려 다이셋트의 부가적인 가공쪽이 장시간을 요하므로 이 단점을 해결하기 위해서 다이셋트를 공용하는 방법이 주로 채택되고 있다. 다이셋트에는 여러 개의 구멍을 미리 가공해 놓음으로써 블랭킹 윤곽이 달라져도 펀치의 지지가 가능하다. 고강성이 다이셋트에 필요하지만 discharge 구멍의 위치 정밀도는 심각하지 않다. 그러므로 비교적 두꺼운 중탄소강(4.5mm 두께, AISI 1055)이 다이셋트 재료로 이용된다.
절단 가장자리의 표면 플레이트는 공구수명을 길게 하기 위해 2.0mm 두께의 베이나이트강을 이용하는데 경도는 Hv400 정도이다. 베이나이트 강은 실험적으로 충분히 공구수명을 보장하며, 다른 부분들은 3.2mm 두께의 공구강으로 제작된다. 이와 같은 다이셋트의 기계가공을 생략하기 위하여 다이셋트로 적충구조를 갖도록 레이저 가공기에서 절단하는 방법도 사용되고 있다.
앞에서 언급한 바와 같이 제품의 정도는 사용하는 레이저 가공기의 정도에 의해 결정되므로 고정도를 요하는 부품은 어쩔 수 없지만 그 정도의 정밀도로 사용할 수 있는 부품도 상당히 많다. 이런 종류의 블랭킹 금형의 수명에 대해서는 충분한 연구실적이 있는 상태는 아니지만, 지금까지의 결과로 보아 베이나이트 강판 적충금형의 경우에는 소입강 이상의 수명을 기대할 수 있다. 또한 전단부에 마모가 생길 경우에는 재연마를 하는 것보다는 미리 절단해 둔 별도의 미 사용판과 교환해서 사용하는 것이 편리하다.


드로잉전
3차원 형상 또는 자유곡면 형상을 박판 적층구조로 생산하는 것은 2차원 형상의 금형 제작에 비해서 용이하지 않다. 금형을 절삭가공으로 제작할 때, 주조품을 절삭하는 경우는 절삭가공 자체는 적어도 주조형의 제작을 포함하여 많은 공정수를 필요로 한다. 또한 블록재로부터 절삭하는 경우, 최종형상의 절삭까지 많은 가공과 함께 다량의 칩을 배출한다. 여기에 비해서 레이저 절단의 가공량은 극히 적으므로 박판의 조립, 접합공정을 고려하더라도 가공시간의 단축면에서 상당히 큰 잇점이 있다. 특히 펀치의 길이가 긴 경우와 성형에 다공정을 요하는 경우, 같은 형상의 판의 절단이 많게 되므로 작업이 간단해진다.

레이저 가공과 와이어 가공
레이저 가공은 와이어 방전가공과 비교하면 절단속도가 빠르다는 잇점은 있지만 절단 정도가 나쁘다는 단점이 있다. 그러나 최근에서는 레이저 가공기술의 발전에 따라 금속판도 비교적 깨끗하게 절단을 할 수 있으므로 와이어 방전 가공의 정도에 크게 뒤지지는 않는다. 따라서 시작품은 물론 종래의 블랭킹 금형에서 소량생산을 행하고 있는 것까지 레이저가공 저층 금형을 사용할 수 있다.
블랭킹 제품의 정밀도는 금형의 정밀도에 의해 결정되며, 금형의 정밀도는 가공 정도에 의해 결정되므로 레이저 절단으로 제작된 적층 금형으로 블랭킹 된 제품의 정도는 레이저 절단의 정도가 된다. 현재의 레이저 가공기에서 고정도로 절단할 수 있는 것은 박판의 경우이므로 비교적 고정도로 절단된 박판을 수직으로 적층하여 적당한 두께의 블랭킹 금형으로 구성하는 것이 블랭킹용 적층 금형의 기본적인 구조다. 실험적인 금형제작이 도표4에 제시된 조건으로 타발형 블랭킹 금형을 제작할 수 있다.



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