현대 외장재의 흡수 격차

지향성 에너지 증착(DED) 및 레이저 클래딩 분야에서 산업계는 재료적 한계에 직면했습니다. 표준 적외선(IR) 소스가 강철과 티타늄을 손쉽게 처리하는 반면, 전기차 및 항공우주 열교환기 시장의 수요 급증으로 인한 구리 및 금 합금에 대한 수요 증가는 기존 1064nm 소스의 한계를 드러냈습니다.

물리법칙은 냉혹하다. 1µm(적외선) 파장에서 구리와 같은 고반사 금속은 실온에서 입사 에너지의 5% 미만을 흡수한다. 이를 보완하기 위해 운영자들은 위험하게도 출력을 높인다. 다이오드 레이저 모듈, 과도한 용융 풀 난류와 “스패터”를 유발합니다. 2024년과 2025년에 주목받는 해결책은 단순히 출력을 높이는 것이 아니라 파장의 근본적인 변화입니다: 파랑 광섬유 결합 레이저 다이오드.

파장 우위: 청색광 대 적외선

소싱하는 엔지니어를 위한 파이버 레이저 모듈, 흡수 계수 곡선을 이해하는 것이 매우 중요합니다.

$$A(λ) = 1 – R(λ)$$

$A$는 흡수율이고 $R$는 반사율이다.

• 구리 표면의 적외선(1064nm): $\approx 5\%$ 흡수.
• 구리 위의 청색 (450nm): $\약 65\%$ 흡수.

고출력 청색광을 활용하여 광섬유 결합 레이저 다이오드, 제조업체는 적외선 시스템에 필요한 에너지 밀도의 일부만으로 용융 풀을 생성할 수 있습니다. 이는 혼란스러운 키홀 모드가 아닌 안정적이고 전도 제한 용접을 가능하게 합니다.

사례 연구: 신시내티 터빈의 혁신적 돌파구

위치: 미국 오하이오주 신시내티

회사: 에어로블레이드 다이내믹스 (항공 엔진 정비 서비스 제공업체)

날짜: 2024년 1월 – 2024년 8월

제목: 엔지니어링 리드 사라 젠킨스와 “인코넬-구리” 과제

에어로블레이드 역학 고압 터빈 블레이드 수리를 전문으로 합니다. 2023년에는 독자적인 구리-크롬-니오븀 합금으로 제작된 로켓 엔진 연소실 수리 계약을 수주했습니다.

문제:

기존 4kW 적외선(IR) 광섬유 레이저 모듈 시스템 실패하고 있었다. 구리를 녹이기 위해 레이저를 90% 용량으로 가동해야 했다. 이 높은 강도는 구리 분말이 침착되기 전에 폭발적으로 기화되게 하여 클래딩 층에 8%의 다공성률을 초래했는데, 이는 항공우주 비행 하드웨어에 용납될 수 없는 수준이었다.

해결책:

사라 젠킨스는 하이브리드 통합을 주도했다. 다이오드 레이저 모듈 시스템. 이 맞춤형 설정은 다음을 결합했습니다:

1. 2kW 블루(450nm) 광섬유 결합 레이저 다이오드 (표면을 적시기 위해).
2. 2kW 적외선(976nm) 다이오드(심부 대량 가열 제공용).

구현:

빔들은 단일 600µm 전달 광섬유로 결합되었다. 청색광은 구리 표면에 효율적으로 결합되어 순간적으로 용융 풀을 생성했다. 이후 적외선 에너지가 풀을 유지하여 고속 증착을 가능하게 했다.

결과 (2024년 8월 검증됨):

1. 다공성: 8%에서 <0.1%로 감소 (완전 밀집 부분).
2. 속도: 클래딩 속도가 300%로 증가했습니다(0.4m/min에서 1.2m/min로).
3. 효율성: 총 전력 소비량이 40% 감소했는데, 이는 프로세스가 단순한 무차별적인 힘보다는 흡수 효율에 의존했기 때문이다.

“마치 큰 망치에서 정밀 수술용 메스로 전환하는 것과 같습니다.”라고 젠킨스는 RAPID + TCT에서 발표한 백서에서 보고했다. “청색 다이오드가 광로를 예열하여 적외선 에너지가 통과할 길을 닦아줍니다. 이제 우리는 반사율과 싸울 필요가 없습니다.”

하이브리드 시스템을 위한 모듈 통합

하이브리드 DED 시스템 구축에는 정교한 다이오드 레이저 모듈 선택. 단순히 섬유를 이어붙일 수는 없습니다.

1. 빔 결합 아키텍처

파장(예: 450nm + 976nm)을 혼합하려면 모듈 하우징 내부에 이색성 빔 결합기가 필요합니다.

• 전송 효율: 고품질 모듈은 결합기 광학부에서 98% 이상의 효율을 달성합니다.
• 냉각: 결합기 자체는 산란광을 흡수하며 능동 냉각이 필요합니다. 만약 파이버 레이저 모듈 결합기 온도에 대한 내부 모니터링이 부족하면 열 변위로 인해 빔 정렬이 어긋납니다.

2. 광섬유 코어 직경 및 빔 밀도

클래딩의 경우, “휘도”(단위 면적/체적각당 출력)는 절삭에 비해 덜 중요하지만 균일성이 핵심이다.

$$ 전력 밀도 (E) = \frac{P}{\pi \cdot r^2} $$

광섬유 결합 레이저 다이오드 직사각형 또는 정사각형 광섬유 코어(Square Core Fiber)를 가진 광섬유가 클래딩으로 점점 더 선호되고 있다. 원형 빔은 래스터 스캐닝 중 중심부에서 과도하게 중첩되어 열 축적을 유발한다. 정사각형 빔은 완벽하게 균일한 열 분포를 제공하여 인쇄된 부품의 잔류 응력을 감소시킨다.

3. 역반사 격리

고전력으로 구리를 가공할 때, 후방 반사가 강렬합니다. 다이오드 레이저 모듈 콜리메이팅 렌즈에는 450nm 빛이 976nm 방출기로 재반사되는 것을 차단하고, 반대로 976nm 빛이 450nm 방출기로 재반사되는 것을 차단하기 위한 특수 코팅이 반드시 적용되어야 합니다. 표준 반사 방지(AR) 코팅으로는 불충분하며, 맞춤형 이중 대역 코팅이 필수적입니다.

결론

금속 적층 제조의 미래는 재료의 다양성에 달려 있습니다. “모든 용도에 하나의 레이저” 접근법은 이제 구식입니다. 파장별 맞춤 솔루션을 채택함으로써 광섬유 결합 레이저 다이오드 기술—특히 하이브리드 청색/적외선 시스템—을 통해 제조업체는 강철과 동일한 용이성으로 반사성 금속을 가공할 수 있습니다. MRO 작업장 같은 곳에서는 에어로블레이드 역학, 이것은 단순히 품질에 관한 문제가 아닙니다. 우주 및 전기차 분야에서 완전히 새로운 수익원을 창출하는 것입니다.

귀사의 광학 엔진은 미래 소재에 최적화되어 있습니까, 아니면 여전히 반사율과 싸우고 있습니까?