Rdworks Lab 166 레이저 절단의 상식을 뒤엎는 3가지 놀라운 발견

레이저 절단의 상식을 뒤엎는 3가지 놀라운 발견

서론: 우리가 레이저에 대해 안다고 생각했던 것들

우리 중 많은 사람들은 레이저 빔이 매우 직관적이고 예측 가능한 방식으로 작동한다고 믿습니다. 빛이 단순한 원뿔 형태로 퍼져나가고, 우리는 그저 단 하나의 '올바른' 초점만 찾으면 된다고 생각하죠.

하지만 10mm 합판에 간단한 중국산 레이저 렌즈를 사용해 일련의 상세한 실험을 진행한 결과, 이러한 일반적인 가정에 도전하는 몇 가지 직관에 반하는 결과들을 발견했습니다.

이 테스트에서 얻은 가장 놀라운 세 가지 발견을 지금부터 함께 살펴보겠습니다.

발견 1: 초점은 고정되어 있지 않다: 절단 속도가 모든 것을 바꾼다

첫 번째 놀라운 발견은 최적의 초점 거리가 고정된 값이 아니라, 레이저 헤드의 이동 속도에 따라 변한다는 사실입니다.

실험은 다음과 같이 진행되었습니다.

• 먼저, 200mm/s라는 빠른 속도로 초점 테스트를 실행하여 5mm에서 최적의 초점을 찾았습니다.
• 그러나 속도를 실제 절단 속도인 25mm/s로 대폭 낮추자, 원래의 초점 위치에서는 훨씬 더 두꺼운 선이 생성되었습니다.
• 느려진 속도에서 다시 가는 선을 얻기 위해서는, 초점을 1mm 낮춘 4mm로 재조정해야 했습니다.

이것이 왜 중요할까요? 이는 '진정한 초점'을 찾으려면 일반적인 고속 테스트가 아닌, 실제 절단하려는 속도에서 테스트를 진행해야 한다는 것을 의미합니다. 정밀한 결과를 얻기 위해 반드시 알아야 할 핵심적인 세부 사항입니다. 이는 고속으로 맞춘 초점으로 느리게 절단할 경우, 빔 에너지가 분산되어 절단 깊이가 얕아지거나 절단면이 지저분해지는 문제를 직접적으로 설명해 줍니다.

발견 2: 출력의 역설: 더 강한 것이 항상 좋은 것은 아니다

두 번째 핵심 발견은 '과도한 출력'을 사용하는 것이 실제로는 더 나쁜 절단 결과를 초래할 수 있다는 점입니다.

10mm 합판을 절단할 때 다음과 같은 현상이 관찰되었습니다.

• 2mm/s와 같은 느린 속도에서는 너무 많은 잉여 에너지가 발생하여 재료 아래에서 가스가 눈에 띄게 불타는 현상이 일어났습니다.
• 테스트 조각의 뒷면을 분석해보니, 너무 강한 출력은 절단면의 바닥 부분을 오히려 좁게 만들었고, 심지어 윗면에서는 강력해 보였음에도 불구하고 완전히 절단되지 않는 경우도 있었습니다.

이는 과도한 에너지가 재료 내부에서 플라즈마나 연소 가스를 폭발적으로 생성시켜, 오히려 빔의 경로를 방해하고 에너지 전달을 막기 때문에 발생하는 현상으로 추정됩니다.

결론은 이것입니다. 가장 좋고 효율적인 절단은 가장 강력한 출력이 아니라, 해당 속도에 적절한 양의 출력을 사용했을 때 이루어졌습니다(한 테스트에서는 6mm/s가 최적으로 선택되었습니다). (영상 속 실제 테스트에서는 4mm/s가 가장 깔끔하게 절단되었지만, 실험자는 전반적인 효율성을 고려하여 6mm/s를 최적 속도로 결론 내렸습니다.) 무지막지한 힘이 아닌 효율성이 최상의 결과를 만듭니다.

발견 3: 빔의 거짓말: 넓게 퍼지는 빔이 완벽하게 직선적인 절단을 만드는 이유

이것이 가장 중요하고 놀라운 지점입니다. 여기에는 명백한 모순이 존재합니다.

이론과 측정

레이저 빔을 측정한 결과는 충격적이었습니다. 초점 위치에서 지속적으로 레이저를 조사하자 직경 1mm의 구멍이 탔습니다. 그런데 초점에서 불과 10mm 떨어진 곳에서 동일한 테스트를 진행하자, 그을린 영역은 5.5mm에 달했습니다. 이는 빔이 약 25도의 각도로 매우 넓게 퍼진다는 것을 의미합니다.

현실과 결과

하지만 이 측정값과는 대조적으로, 10mm 두께의 재료를 실제로 절단한 결과는 완전히 달랐습니다.

• 합판: 절단면은 거의 완벽하게 평행했으며, 윗면은 0.5mm, 아랫면은 0.4mm로 측정되었습니다. 심지어 빔이 퍼지는 것이 아니라 아래로 갈수록 약간 좁아지고 있었습니다.
• 아크릴: 결과는 더욱 놀라웠습니다. 윗면과 아랫면 모두 0.4mm로 완벽하게 평행한 절단면이 만들어졌습니다.

여기서 미스터리가 발생합니다. 그렇게 빠르게 퍼지는 빔이 어떻게 10mm 두께의 재료를 뚫고 완벽하게 직선적이고 좁은 통로를 만들 수 있을까요?

이 지점에서 실험자가 잠시 말을 멈춘 것은 당연합니다. 저 역시 이 데이터를 처음 봤을 때 그랬으니까요. 그의 말을 직접 들어보시죠:

잠시 말을 멈추겠습니다. 여러분도 이 두 가지 사실을 한번 생각해보셨으면 합니다. 첫째, 거의 평행에 가까운, 심지어 아래로 갈수록 약간 좁아지는 구멍이 만들어졌다는 것. 둘째, 아크릴에서는 매우 급격하게 초점이 흐려지는 빔을 사용했음에도 불구하고, 10mm 두께의 재료에 완벽하게 평행한 구멍이 뚫렸다는 것입니다...

결론: 저렴한 렌즈의 반란?

이번 실험은 우리가 레이저 절단에 대해 가졌던 기본적인 가정들에 의문을 제기합니다. 특히 측정된 넓은 빔 각도와 실제 관찰된 평행한 절단면 사이의 괴리는 기존의 상식을 뒤엎는 결과입니다.

이는 우리에게 업계의 통념에 도전하는 마지막 질문을 던지게 합니다.

"혹시 이 매우 저렴한 중국산 렌즈들이 실제로는 비싼 렌즈보다 훨씬 더 나은 성능을 낼 수 있는 것은 아닐까요?"

제가 존경하는 제레미 클락슨의 말을 빌리자면, 이 폭탄선언과 함께 다음 시간에 뵙겠습니다.