오늘날 Universal Laser Systems가 사업을 영위하는 시장에서 CO2 레이저 유형은 크게 금속 코어, 세라믹 코어, 유리 튜브의 세 가지로 분류됩니다. 각 유형마다 이러한 레이저 소스를 제어하고 전력을 공급하기 위해 여러 가지 다른 기술이 사용됩니다. 세라믹 코어 레이저는 1970년대에 수냉식 이온 가스 레이저 같은 상업용 응용 분야를 위해 개발되었습니다. 유리 코어 레이저의 경우에는 오래된 유리 성형법을 사용해 저렴한 레이저 소스를 만듭니다. 이와 반대로 금속 레이저 기술은 처음에 국방부 계약에 따라 가장 까다롭고 임무 필수적인 군사용으로 개발되었습니다. 1980년대 말에 군용 프로그램이 완료되었습니다. 하지만 신뢰성과 정비성이 뛰어난 민간용 및 산업용 레이저를 만들기 위한 금속 코어 레이저 개발이 계속 진행되었습니다.
유리 코어 레이저
금속 코어 레이저
다양한 재료 가공 기술, 수많은 특허 기술, 수백만 시간에 걸친 현장 운용 경험을 바탕으로 ULS는 일체형 공냉식, 금속 코어, CO2 레이저 소스, 작업 모드 복제, 자유 공간 후판 공진기, 일체형 RF 전원 공급기를 비롯해 절단, 마킹, 제판 공정을 위한 최적의 솔루션을 설계했습니다. 이러한 설계에 적용된 다양한 기술 덕분에 ULS 레이저 소스는 크기는 작지만 펄스 작동과 연속파(CW) 작동이 모두 가능합니다. 또한 이러한 레이저 소스는 군용 등급의 구성으로 제작되었고 레이저를 완전히 재가공할 수 있어 무한 정비가 가능합니다.
ULS는 10.6 µm와 9.3 µm 파장의 출력으로 10-500 W의 레이저를 제조합니다. 모든 ULS 레이저 소스는 전체 출력 범위에서 일체형 공냉식으로 구성되어 있습니다. 이러한 레이저 소스는 다음과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다.
ULS CO2 레이저 소스는 시중의 공냉식 레이저 소스 중에서 가장 뛰어나고 균일한 가공 작업 품질을 제공합니다. 이러한 성능은 레이저 소스의 세 가지 특성(빔 출력 분포, 가공 영역의 빔 변동, 시간에 따른 출력 균일도)으로 측정할 수 있습니다.
ULS 레이저는 가우스 출력 분포와 매우 일치하고 M2가 1.1입니다. 이 유형의 빔은 재료 가공에 매우 적합하고 초점 광학 부품이 가장 작은 초점 크기에 최대량의 에너지를 집중시킬 수 있습니다. 초점 크기가 작다는 것은 절단부의 잘린 자국의 폭이 더 작고 마킹, 이미징, 제판 결과의 해상도가 더 높다는 것을 의미합니다.
ULS와 다른 많은 제조사에서 사용하는 갠트리 스타일의 X-Y 빔 포지셔닝 시스템에서 레이저 소스에서 가공 위치까지 거리는 빔 전달 이송 장치가 가공 구역을 가로질러 이동하는 동안 변합니다. 가공 균일성을 유지하기 위해서는 가공 영역 전체에 걸쳐 초점 크기를 상당히 일정하게 유지해야 합니다. 다른 제조사들과 달리 ULS 레이저 소스는 자유 공간 공진기를 사용하기 때문에 레이저 가공 영역 전체에 걸쳐 초점 균일도가 더 높습니다. 이는 ULS 레이저 소스를 사용한 레이저 재료 개조가 가공 위치와 상관없이 시각적, 차원적 특성의 균일도가 더 높다는 것을 의미합니다.
레이저 소스는 작동 중에 상당한 열 부하를 생성하기 때문에 광학 공진기에서 약간의 기계적 변화를 일으키고 활성 매개물의 온도를 높입니다. 이로 인해 레이저의 빔 품질과 출력이 바뀔 수 있습니다. 폭넓은 열 작동 범위에서 균일한 결과를 얻으려면 레이저의 열 관리가 중요합니다. 과거에는 25 W를 초과하는 CO2 레이저의 열을 관리하기 위해 수냉식을 사용했습니다. ULS는 CO2 레이저에서 공냉식을 개척했고 여러 가지 기술적 발전을 이루어 최대 500 W의 시장에 공냉식 레이저를 제공할 수 있게 되었습니다. ULS는 또한 레이저 재료 가공 분야에서 공냉식 레이저의 장점을 처음으로 알아차렸습니다. 공냉식은 값비싸고 관리가 어려운 냉수기가 필요 없고 레이저 재료 가공 시스템을 더 단순하고 작게 만듭니다. ULS는 공냉식 레이저 소스를 적용한 전범위의 레이저 시스템을 제공하는 최초의 제조사입니다.
ULS는 세 가지 주요 기능 요소인 광학 공진기, 전원 공급기, 열 관리 솔루션을 하나의 콤팩트 패키지로 결합했습니다. 또한 특허를 받은 공진기 설계에서 고효율의 모드 복제 구성을 사용해 활성 매개물을 효율적으로 사용합니다. 이처럼 통합성과 효율성이 높고 전체가 금속으로 구성되어 있어 하나 또는 두 개의 고효율 가변 속도 송풍기로 구성품을 냉각시키고 레이저 사용과 주위 조건에 상관없이 온도 변동을 관리할 수 있습니다. 세라믹 코어 레이저 소스 같은 다른 레이저 기술을 사용하면 세라믹의 열 전도율이 금속보다 상당히 낮기 때문에 냉각이 훨씬 어려워집니다. 이는 ULS 레이저 소스가 공냉식의 편의성과 비용 효과로 인해 다양한 환경의 작동 조건에서 일정한 가공 작업의 품질을 달성한다는 것을 의미합니다.
가공 작업 처리량에 대한 레이저 소스의 역할은 주로 사용 가능한 전력, 레이저 반응, 가공 재료에 가해지는 레이저 에너지의 적절한 관리에 따라 결정됩니다.
사용 가능한 피크 전력은 재료 가공 처리량에 대한 중요한 고려 사항입니다. 더 높은 레이저 출력이 항상 더 좋은 것은 아닙니다. 재료 가공의 결과는 사용 가능한 피크 전력, 파장, 출력 공급률, 전력 밀도 같은 여러 가지 변수의 복잡한 조합에 의해 결정됩니다. 더 높은 출력의 레이저를 변조해서 더 낮은 정격의 레이저 소스와 동일한 평균 출력을 내도록 만들 수도 있지만 레이저와 재료의 상호 작용은 항상 같지는 않습니다. 예를 들어 10 W와 50 W 레이저 소스는 둘 다 10 W의 평균 출력을 낼 수 있습니다. 하지만 50 W 레이저는 이를 위해서 20%의 시간 중에만 켜지고 나머지 80%의 시간 중에는 꺼져야 합니다. 아래 그림에 나타낸 것처럼 50 W 레이저는 20%의 시간 동안 최대 50 W의 피크 레이저 출력을 방출하지만 10 W 레이저는 그렇지 않습니다. 두 경우 모두 재료에 가해지는 전체 에너지는 동일합니다. 하지만 한 경우에서는 에너지가 더 낮은 출력으로 연속해서 공급되고 다른 한 경우에서는 에너지가 더 높은 출력으로 짧게 불연속적으로 공급됩니다. 각각의 에너지 전달 방법은 재료에서 다른 결과를 만들어 낼 수 있으며 주어진 응용 분야에 대한 레이저 소스는 어떤 결과를 원하는지에 따라 결정됩니다. 일반적으로 다양한 종류의 재료와 레이저의 상호 작용을 최적화하기 위해 두 유형의 레이저 소스를 모두 갖고 있는 것이 좋습니다.
또한 모든 CO2 레이저 소스는 광학 출력을 정격 출력으로 끌어올리거나 제로 출력으로 떨어뜨리는 데 오래 걸리지 않습니다. 레이저가 이러한 변환을 거치는 데 걸리는 시간을 반응 시간이라고 부릅니다. 이 반응 시간은 래스터 이미징 응용 분야에서 가공 처리량에 가장 중요한 요소입니다. ULS CO2 금속 코어 레이저는 오래된 유리 튜브 레이저 기술과 비교해 반응 시간이 우수합니다. 일반적인 유리 튜브 레이저는 금속 코어 레이저보다 반응 시간이 상당히 더 깁니다. 이는 한편으로 레이저의 구조 때문이고 다른 한편으로는 제어 전자 장치 때문입니다. 이로 인해 유리 튜브 레이저 시스템은 이미징 처리량이 상당히 낮아집니다.
레이저 재료 가공 결과에 대해 처리량을 최적화하려면 레이저 반응 시간이 중요하지만 다른 것들도 고려해야 합니다. 최근 몇 년 동안 여러 레이저 시스템 제조사들이 래스터 마킹을 위한 초점 이송 장치의 속도가 2.5 m/s(100 인치/s)를 초과한다고 홍보하고 있습니다. 초점 이송 장치의 속도가 높으면 강제로 처리량이 증가하지만 특히 이미징 응용 분야에서 처리량에 악영향을 미칠 수 있습니다. 래스터 이미징의 경우 래스터 통과간 겹침이 중요한 기준입니다. 겹침량은 래스터 이미지의 모서리 품질과 제판 영역의 평탄도에 영향을 미칩니다. 처리 속도가 더 높으면 재료에 가해지는 에너지 밀도가 줄어들어 제거하는 재료의 폭이 작아지고 결국에는 통과간 겹침이 줄어듭니다. 더 높은 속도에서 이처럼 겹침이 줄어들면 사용자가 보정하기 위한 라인 간격을 줄여야(LPI를 높여야) 할 수 있습니다. 이로 인해 처리량이 낮아집니다.
전체적으로 보자면 레이저 반응 시간과 속도 증가에 따른 겹침 감소는 효과적인 레이저 재료 가공 솔루션을 설계할 때 신중해야 할 필요가 있음을 나타냅니다. 레이저 에너지의 올바른 관리는 레이저 재료 가공의 처리량을 최적화하는 데 매우 중요합니다. 레이저 에너지를 여러 가지 방법으로 관리할 수 있는 유연성을 갖춘 레이저 시스템은 사용자에게 다양한 재료와 응용 분야에서 처리량을 최적화할 수 있는 극적으로 향상된 능력을 제공합니다. ULS 레이저 소스는 사용자가 고유하고 효과적인 방법으로 레이저 에너지 전달을 관리할 수 있는 많은 ULS 기술을 구현하도록 설계되었습니다.
ULS 레이저 소스는 제품과 기술 생태계의 필수 부품이며 Universal의 여러 가지 기타 고유한 기능과 함께 작용해서 각각의 고객을 위한 최적의 재료 가공 솔루션을 구현합니다.
모든 레이저는 공통 규격에 맞게 정밀하게 정렬되어 출고되기 때문에 ULS에서 생산한 CO2 레이저는 사실상 모든 ULS 레이저 가공 시스템과 호환됩니다. 가공 작업 유연성과 처리량을 상당히 향상시키는 또 다른 기능인 Rapid Reconfiguration™이라는 ULS의 특허 기술을 사용해
공구를 사용하거나 교육을 받지 않고도 불과 몇 초 만에 레이저 소스를 시스템에서 추가하고 제거할 수 있습니다. 많은 레이저 가공 응용 분야는 레이저 에너지 밀도와 파장에 민감합니다. Rapid Reconfiguration을 사용하면 총 레이저 에너지와 파장을 쉽게 재구성할 수 있어 사용자가 다양한 재료 가공 필요에 맞게 레이저 시스템 구성을 최적화할 수 있는 최상의 유연성을 발휘할 수 있습니다.
ULS 금속 코어 CO2 레이저는 세라믹 또는 유리 튜브 레이저와 달리 선형으로 편광되어 ULS 레이저 가공 시스템이 동일 시스템에 한 번에 여러 개의 레이저를 사용할 수 있습니다. 멀티플 레이저는 여러 가지 장점이 있습니다. 사용자가 전체적인 시스템 출력을 높여서 필요한 대로 가공 처리량을 높일 수 있습니다. 또한 실행하는 공정의 피크 및 평균 전력 요건에 따라 레이저를 하나만 또는 둘 다 사용해서 더 다양한 재료를 가공할 수 있어 시스템 유연성을 높일 수 있습니다. 또한 Dual Laser 기술은 여러 가지 파장의 레이저 소스 사용이 가능해 처리 유연성을 더욱 높여줍니다. 일부 재료는 편광에 대해 비대칭의 상호 작용을 나타냅니다. 이는 경우에 따라서 바람직하지 못합니다. 두 개의 선형 편광 빔을 서로 90도 각도로 결합하면 편광으로 인한 처리 비대칭을 제거해서 이동 방향과 상관없이 균일한 마크와 절단부를 얻을 수 있습니다. Dual Laser 기술은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.
선형 편광을 적용하면 또 다른 Universal의 고유한 기능인 SuperSpeed™를 구현할 수 있습니다. 이 기능은 래스터 마킹과 제판 작업 중에 가공 처리량을 두 배 넘게 높일 수 있습니다.
ULS 레이저 시스템과 레이저 소스는 올바른 시스템 작동, 가공, 단일성, 안전성을 구현하기 위해 지속적으로 통신합니다. 레이저 시스템은 설치된 모든 레이저의 정격 출력과 파장을 판독합니다. 이에 따라 재료 데이터베이스가 자동으로 가공에 대한 최적의 매개 변수를 계산합니다. 레이저는 또한 시스템의 안전 연동 장치와 연결되어 있습니다. 도어 또는 액세스 패널이 열리면 레이저가 즉시 작동을 멈추어서 사용자와 시스템을 안전하게 보호합니다. 레이저는 레이저 소스가 고장나서 서비스가 필요한 경우 유용할 수 있는 종합적인 진단 정보를 유지합니다.
세라믹과 유리 레이저 소스는 깨지기 쉬운 구조부를 갖고 있어 충격을 받으면 파손되기 쉽습니다. 이와 정반대로 ULS의 금속 코어 레이저는 로봇 용접으로 만든 항공기 등급의 알루미늄으로 제작되어 매우 견고합니다. 파손을 염려할 필요 없이 쉽게 이동, 설치, 배송, 보관할 수 있습니다.
또한 ULS 레이저 소스는 소형으로 설계되어 취급이 더 쉽고 관리해야 하는 수로관, 냉각기, 고전압 전선 또는 원격 RF 전원 공급기가 없습니다. 물이 유출된 경우처럼 전체 시스템이 올바로 기능하지 못한다면 물과 고전압 전자 부품은 항상 안전 위험을 일으킵니다. 유리 튜브 레이저를 위한 전원 공급기는 작동 전압이 25,000V가 넘고 항상 고전압 케이블과 커넥터를 통해 원격으로 전원에 연결되기 때문에 치명적인 감전 위험을 갖고 있습니다. 또한 유리 튜브 레이저 소스에 전력을 공급하기 위한 전원 공급기는 작동 전류 범위가 30-150 mA이어서 사람의 심장 제세동과 사망 사고를 일으킬 위험이 있습니다. 이 기술은 레이저 튜브 내에 가스를 이온화하기 위해 고전압이 요구됩니다. 이와 반대로 ULS에서 공급하는 RF 레이저 소스는 근본적으로 달라서 고전압을 사용하지 않기 때문에 본질적으로 안전합니다.
ULS 레이저는 안전 문제가 시스템, 시설 또는 작업자에게 피해를 입힐 수 있기 전에 이러한 문제를 완화하는 여러 가지 기능이 기본적으로 탑재되어 있습니다. 각각의 레이저 소스에는 지정된 범위를 벗어나면 작동을 중지시켜 레이저 수명을 높이도록 설계된 온도 초과 센서와 온도 미달 센서가 달려 있습니다. 또한 레이저가 연동 안전 시스템과 연결되어 있어서 도어 또는 액세스 패널이 열리면 가공 작업이 멈춥니다. 이러한 기능은 고객의 안전을 더욱 높여줍니다.
ULS 레이저 소스는 사용 수명이 긴 것으로 입증되었습니다. ULS는 1997년 이래로 수만 개의 금속 코어 CO2 레이저를 생산했고 많은 레이저가 십 년 넘게 여전히 사용되고 있습니다. 또한 금속 구조부 덕분에 얼마든지 서비스, 재충전, 재설치이 가능합니다. 하지만 세라믹 또는 유리 레이저 소스에서는 일반적으로 제조 중에 접착 또는 융착되어 분해할 수 없기 때문에 불가능합니다.
레이저 소스 재충전을 위해 ULS는 업계에서 유일한 교환 프로그램을 통해 교환용 레이저 소스를 고객에게 신속하게 배송해 드리기 때문에 사용자가 레이저를 재생하느라 긴 시간 동안 가동을 중지할 필요가 않습니다. 교환용 레이저 소스가 도착하면 불과 몇 초만에 설치할 수 있고 다 쓴 레이저는 돌려보낼 수 있기 때문에 고객의 가동 중지가 발생하지 않습니다. 교환용 레이저 소스는 일반적으로 서비스 요청 후 24시간 내에 고객에게 배송됩니다.
