레이저가공기의 성능은 재료에 따라 달라집니다. 금속, 비금속, 복합소재별 레이저가공기의 효과와 한계를 비교 분석해 실무에 적용 가능한 기준을 제시합니다.
금속 재료 가공 시 레이저의 효율성과 주의점
금속 재료는 레이저가공기 활용에서 가장 대표적인 영역입니다. 파이버 레이저와 CO₂ 레이저를 중심으로 다양한 금속 절단과 마킹에 적용되고 있으며, 특히 고정밀 절단이 필요한 산업에서는 파이버 레이저의 활용도가 높습니다. 스테인리스강, 탄소강, 알루미늄, 구리, 황동, 티타늄 등 다양한 금속 재료가 대상이 되며, 두께 0.2mm의 얇은 판재부터 수십 mm의 두꺼운 소재까지 대응할 수 있습니다.
금속의 특성상 고출력(1kW 이상)의 레이저 소스가 필요하며, 절단 품질을 좌우하는 요소로는 출력, 초점 위치, 가공 속도, 보호가스(산소/질소) 조건 등이 있습니다. 산소는 절단을 도와주는 산화작용을 통해 절단 속도를 높이고, 질소는 절단면을 깨끗하게 유지하는 데 유리합니다. 특히 알루미늄, 구리 등 반사율이 높은 금속의 경우, 파이버 레이저를 사용하되 반사광 차단 기능이 있는 장비를 선택해야 장비 손상을 방지할 수 있습니다.
장점으로는 고속·고정밀 가공, 비접촉식 절단으로 인한 소재 손상 최소화, 도면 기반 자동화 공정 구현 등을 들 수 있으며, 자동차, 항공기, 기계 부품, 전기패널 등의 생산 현장에서 널리 활용됩니다. 단점으로는 높은 장비 도입 비용, 열 영향에 따른 재료 변형 위험, 재료 두께 증가 시 절단 품질 저하 등이 있습니다. 특히 두꺼운 강판에서는 슬래그(절단 찌꺼기) 제거 문제가 발생할 수 있어 절단 속도와 가스 압력의 정밀 제어가 필요합니다.
비금속 재료에 대한 레이저가공기의 적용성
비금속 재료는 금속보다 레이저 빔 흡수율이 높고 가공이 쉬운 편이지만, 재료에 따라 가공 시 특성이 달라집니다. 대표적인 비금속 가공용 레이저는 CO₂ 레이저이며, 파이버 레이저는 일반적으로 비금속에는 적합하지 않습니다. 아크릴, 목재, MDF, 종이, 가죽, 고무, 세라믹 등이 주요 대상이며, 소량 다품종 생산이나 시제품 제작에 매우 유리한 가공 방식입니다.
아크릴은 CO₂ 레이저와 궁합이 매우 좋으며, 절단면이 투명하고 매끄럽게 가공되는 것이 특징입니다. 인테리어 사인물, 디스플레이, 조명 커버 등에 널리 사용됩니다. 목재나 MDF는 가공이 용이하나, 재료에 따라 탄화 또는 그을림 현상이 생길 수 있으며, 절단 속도 조절과 에어 블로워 사용이 필요합니다. 종이나 가죽, 천 소재는 절단뿐 아니라 마킹도 가능하여 커스터마이징 제품 제작에 효과적입니다.
한편, PVC나 일부 합성고무처럼 가공 중 유해가스(염화수소 등)를 발생시키는 재료는 주의가 필요합니다. 이러한 가공은 장비의 내구성을 해치고 작업자에게도 유해할 수 있으므로 반드시 적절한 집진 및 환기 시스템이 함께 설치되어야 합니다. 또한 비금속은 금속보다 열변형에 더 민감하기 때문에 출력 세기와 가공 속도 제어가 필수입니다. 이 조건을 잘 맞추면 빠르고 깔끔한 절단을 구현할 수 있어, 공예, 교육, 건축 모형 제작 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
복합소재 가공 시 고려할 점과 효율성
복합소재는 두 가지 이상의 재질이 결합된 복잡한 구조를 가지고 있어, 레이저가공 시 재료 간 물성 차이로 인한 비정상적인 열 반응이나 변형이 발생할 수 있습니다. 대표적인 예로는 CFRP(탄소섬유강화플라스틱), GFRP(유리섬유강화플라스틱), 샌드위치 구조 패널, 적층 플라스틱 등이 있으며, 항공, 자동차, 스포츠, 의료기기 등 고기능 부품에서 활용됩니다.
이러한 재료는 일반적으로 기계가공으로 처리하기 어렵고, 절삭 시 섬유 탈락, 분진 발생, 공구 마모 등의 문제가 발생하는데, 레이저가공은 이러한 문제를 줄일 수 있는 대안이 됩니다. 특히 초단파 펄스 레이저나 UV 레이저는 복합소재의 열 영향을 최소화하며 정밀 절단이 가능하다는 점에서 주목받고 있습니다. 고출력보다는 낮은 출력에서 다중 패스(multi-pass) 방식으로 천천히 절단하는 것이 변형을 줄이는 데 유리합니다.
그러나 복합소재 가공은 레이저 파장, 빔 직경, 가공 속도, 냉각 조건 등 다양한 변수를 통합적으로 고려해야 하며, 이로 인해 설정 및 테스트에 시간이 소요됩니다. 또한 가공 시 각 재질의 열 팽창률이 달라 절단 부위에 균열이나 들뜸 현상이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 가공 경로 최적화, 빔 제어 기술, 보조가스 활용 등이 필요합니다.
복합소재 레이저가공의 장점은 절삭 공구가 필요 없고, 복잡한 형상을 고속으로 가공할 수 있다는 점입니다. 정밀도는 물론이고 재료 손실이 적으며, 생산 공정의 단순화가 가능하다는 점에서도 산업적 활용 가치가 높습니다. 앞으로 친환경 경량 소재의 수요 증가에 따라 복합소재 전용 레이저 가공기의 개발과 수요는 더욱 늘어날 전망입니다.
레이저가공기는 재료별로 성능과 효율이 달라지므로, 금속, 비금속, 복합소재 각각에 맞는 장비와 조건 설정이 필수입니다. 가공 목적과 재료 특성에 맞는 선택이 고품질 생산의 핵심입니다.