Rdworks Lab 31 레이저 커터 정렬

레이저 커터 정렬, 제가 완전히 잘못 알고 있었습니다: 5가지 놀라운 발견

서문

두꺼운 아크릴을 레이저로 자를 때마다 마주하는 그 기울어진 단면, 여러분도 겪어보신 적 있나요? 저는 이 골치 아픈 문제를 해결하기 위해 레이저 커터를 분해하고 들여다보기 시작했습니다. 그리고 그 과정에서 제가 기계 작동 방식에 대해 가졌던 수많은 가정들이 완전히 틀렸다는 것을 깨달았습니다. 단순히 하나의 문제를 해결하려던 여정은, 기계의 근본적인 원리에 대한 놀랍고도 직관에 반하는 일련의 진실을 밝혀내는 탐험이 되었습니다. 이 글은 그 놀라운 발견에 대한 이야기입니다.

1. '펄스' 방식의 종말: 보이지 않는 빔과의 싸움을 끝내다

레이저 커터 거울을 정렬해 본 사람이라면 누구나 그 지루하고 답답한 과정을 알 겁니다. 종이 조각을 대고, 레이저를 '펄스'로 한 번 쏘고, 기계 주위를 뛰어다니며 미세하게 조정하고, 다시 펄스를 쏘는 과정의 반복이죠. 저 역시 이 과정에 완전히 지쳐 있었습니다.

setting up mirrors for these machines seemed a very very tedious method bits of paper pulse here tweak here tweak there bits of paper pulse run round the Machine frustration

보이지 않는 빔과 씨름하는 데 지친 저는, 과학 실험실에서 사용하는 방식을 제 작업실로 가져오기로 결심했습니다. 그래서 저렴한 열쇠고리 레이저 포인터를 개조하여, 레이저 튜브 끝에 장착할 수 있는 저만의 정렬 도구를 만들었습니다. 선반에서 흰색 델린(Delrin) 소재를 깎아 홀더를 만들고, 빔을 홀더의 축과 완벽하게 정렬하기 위해 네 개의 '조향 나사'를 추가하는 시준 시스템까지 구축했습니다. 이 도구는 보이지 않는 CO2 레이저 대신 지속적이고 눈에 보이는 빨간색 빔을 쏘아줍니다. 이 간단한 DIY 도구 하나만으로 거울 정렬 작업은 성가신 잡일에서 믿을 수 없을 정도로 쉽고 직관적인 과정으로 바뀌었습니다. 더 이상 추측할 필요 없이 빔의 경로를 실시간으로 보며 조정할 수 있게 된 것입니다.

2. 범인은 복잡한 광학이 아니었다: 가장 간단한 기계적 오류

기울어진 절단면 문제로 돌아가 봅시다. 제 첫 가설은 복잡한 광학 문제였습니다. 빔이 렌즈의 중심을 벗어나면서 초점이 한쪽으로 치우쳐, 마치 빔이 휘는 것처럼 절단면이 기울어졌을 것이라고 생각했습니다. 하지만 제 실험 결과, 빔이 렌즈 중심에서 조금 벗어나는 것만으로는 그 정도의 기울기를 만들 수 없다는 결론에 이르렀습니다.

진짜 원인은 훨씬 더 간단하고 기계적인 것이었습니다. 바로 레이저 헤드 전체가 작업 테이블에 대해 물리적으로 직각이 아니었던 것입니다.

it's pretty obvious now I see it but if you take a look at the head you'll see that the head is way out of line

직각자를 테이블에 대고 헤드를 확인해보니, 헤드 하단에 1.5mm의 틈이 보일 정도로 기울어져 있었습니다. 우리는 종종 복잡한 이론에 매몰되어 가장 기본적인 기계적 결함을 간과하곤 합니다. 제 경우에는 이 간단한 기계적 오류가 모든 문제의 시작이었습니다.

3. '중앙'이 아니라 '평행'이 목표다: 미러 정렬의 핵심 원칙

헤드를 바로잡았으니 당연히 거울 정렬도 다시 해야 했습니다. 그리고 바로 이 과정에서 저는 거울 정렬에 대해 근본적으로 잘못 알고 있던 사실을 깨닫게 되었습니다. 우리는 흔히 레이저 빔이 모든 거울의 정중앙을 통과해야 완벽한 정렬이라고 생각합니다. 하지만 이는 사실이 아닙니다.

가장 중요한 목표는 빔이 기계의 X축과 Y축에 완벽하게 평행을 이루도록 하는 것입니다. 즉, 갠트리를 한쪽 끝으로 보냈을 때 빔이 타겟의 특정 지점(예: 중심에서 한 칸 떨어진 9시 방향)에 닿는다면, 반대쪽 끝으로 보냈을 때도 정확히 같은 지점에 닿아야 합니다. 빔이 거울 중앙에서 벗어나 있더라도, 축의 양쪽 끝에서 모두 동일한 지점에 닿는다면 그것이 바로 올바른 정렬입니다.

you notice I'm not actually trying to get the laser beam to the center point on each of these targets I'm trying to get it to the same point on each position in the target and that's the important bit

빔을 축과 평행하게 맞춘 후에야 마지막 세 번째 거울을 조정하여 빔이 렌즈의 정중앙으로 들어가도록 하는 것이 올바른 순서입니다. '중앙'에 대한 집착을 버리고 '평행'에 집중하는 순간, 정렬의 개념이 완전히 명확해졌습니다.

4. 뒤집힌 렌즈 하나가 모든 것을 망칠 수 있다

수많은 테스트와 조정 끝에도 여전히 미세한 문제가 남아 있었습니다. 저는 혹시나 하는 마음에 마지막으로 한 가지를 확인해보기로 했습니다. 바로 주 초점 렌즈의 방향이었습니다. 그리고 저는 가장 충격적인 사실을 발견했습니다. 제 렌즈는 처음부터 거꾸로 설치되어 있었습니다.

I suspect that from day one my lens has been installed upside down

대부분의 CO2 레이저 렌즈는 한쪽은 평평하고 다른 한쪽은 볼록한 평볼록(Plano-convex) 렌즈입니다. 올바른 설치 방향은 평평한 면이 작업물을 향하는 것입니다. 렌즈 방향을 확인하는 간단한 방법이 있습니다. 렌즈를 얼굴에서 약 60cm 정도 떨어뜨리고 들여다보세요. 자신의 얼굴 전체가 거울처럼 보인다면 올바르게 설치된 것입니다. 만약 그렇지 않다면 렌즈가 뒤집혔을 가능성이 큽니다. 렌즈 방향을 바로잡고 빔을 다시 중앙에 맞추자, 작업 영역의 양쪽 끝에서 자를 때 나타나던 심각한 각도 차이가 사라졌습니다. 이 근본적인 실수가 바로 기울어진 절단면을 유발한 "구부러진 레이저 빔" 현상의 주범이었습니다.

5. 완벽함은 마지막 수직 점검에서 온다

렌즈 방향을 바로잡자 기울어진 절단면 문제가 마침내 해결되었습니다. 저는 모든 것이 완벽하다고 생각했지만, 제 채널의 한 구독자가 제가 마지막 한 단계를 놓쳤다고 지적해주었습니다.

a follower of this channel who's obviously a lot more experienced at setting mirrors than I am he pointed out that I'd stopped One Step short

빔이 축과 평행하고 렌즈 중심을 통과하더라도, 최종적으로 작업 표면에 완벽하게 수직으로 떨어지지 않을 수 있다는 것이었습니다. 이를 확인하기 위해 저는 간단한 아크릴 지그를 만들었습니다. 이 지그는 렌즈 바로 아래와 그보다 20mm 더 낮은 두 위치에서 빔의 위치를 확인할 수 있게 해줍니다. 테스트 결과는 충격적이었습니다. 20mm 수직 거리에서 빔이 무려 3mm나 벗어나 있었습니다. 진정한 정밀도를 얻기 위해 저는 레이저 헤드를 완전히 분해하고, 조정 범위를 확보하기 위해 장착 구멍을 5.2mm에서 6.2mm로 넓힌 후, 헤드 전체를 물리적으로 재정렬해야 했습니다.

결론

두꺼운 재료의 기울어진 절단면이라는 하나의 문제를 해결하려던 저의 여정은 기계에 대한 근본적인 오해들을 바로잡는 과정이 되었습니다. 이 경험은 우리에게 중요한 원칙들을 가르쳐 줍니다.

1. 자신만의 도구를 만드십시오: 기존 방식이 답답하다면(펄스를 쏘는 것처럼), 직접적이고 지속적인 피드백을 주는 도구를 직접 만드십시오.
2. 기계적인 부분을 먼저 확인하십시오: 복잡한 광학 이론에 뛰어들기 전에, 항상 기계의 단순한 물리적 직각 상태부터 점검하십시오.
3. 규칙이 아닌 원리를 이해하십시오: 목표는 단순히 중앙을 맞추는 것이 아니라, 기계의 축과 평행을 이루는 것입니다.
4. 모든 것을 의심하십시오: 공장에서 설치된 부품(렌즈처럼)조차 잘못되었을 수 있습니다. 아무것도 당연하게 여기지 마십시오.

여러분은 어떤가요? 당신이 사용하는 도구의 성능을 저해하고 있을지도 모를, 간과하고 있는 간단한 가정은 무엇인가요?