CNC 각인 레이저의 출력 선택 - 6W, 15W, 또는 45W?

목재 절단 및 각인을 위한 청색 레이저를 고려할 때 출력 선택은 매우 중요합니다. PLH3D-XT-50과 같은 6W 레이저는 속도와 정밀도 사이의 균형을 제공합니다. 이 레이저는 울트라 HD 해상도의 이미지를 각인할 수 있으며, 인기 있는 CNC 머신의 최대 속도로 절단도 가능합니다.

그러나 이러한 수준의 정밀도는 매우 정밀하면서도, 헤드가 이동 방향을 바꾼 후에도 궤적의 높은 반복성을 보장할 수 있도록 충분한 강성을 가진 기계가 필요합니다. 출력이 낮은 CNC 레이저는 고해상도 이미지를 세밀한 선들로 구성해야 하므로 각인에 더 많은 시간이 소요됩니다. 점(픽셀) 크기를 늘리면 헤드의 이동 속도가 느려집니다.

PLH3D-XF+ 6W 레이저 헤드는 정밀도는 다소 낮지만, 더 큰 픽셀 크기를 통해 빠른 작업을 가능하게 합니다. 예를 들어, 0.5mm 픽셀로 구성된 30x30 cm 이미지를 빠르게 제작할 수 있습니다. 유효 해상도는 600x600픽셀(총 36만 포인트)이며, 만약 0.1mm 픽셀을 사용한다면 9백만 픽셀(3000x3000)의 이미지가 생성됩니다. 이는 각인 시간 측면에서 매우 큰 차이를 보이며, 픽셀 크기가 커질수록(해상도가 낮아질수록) 1-2미터 이내의 거리에서만 차이가 뚜렷하게 보입니다.

15W 레이저 헤드는 3개의 레이저 다이오드를 사용하며, 정밀 등급 렌즈를 적용해 동급 대비 최고의 광학 출력 밀도를 자랑합니다. PLH3D-15W 모델은 uSpot 렌즈 업그레이드가 적용된 PLH3D-6W-XF+와 동일한 빔 스팟 크기를 유지하면서도 광학 출력 밀도는 3배에 달해, 빠른 목재 절단에 최적화되어 있습니다.

PLH3D-XT8 레이저는 45W의 압도적인 광출력을 자랑하며, 최대 20mm 두께의 목재도 손쉽게 절단할 수 있습니다. 동시에 고해상도의 이미지를 각인하는 것도 가능합니다. 우수한 초점 심도를 통해 표면 불균일도에 대한 지속 조정 없이도 안정적으로 가공할 수 있습니다. XT8은 목재 및 목재 기반 소재의 레이저 절단에 있어 필수적인 장비입니다.

재료의 특성

CNC 레이저를 이용한 목재 절단 및 각인은 목재 종류, 경도, 습도, 질감 등 다양한 파라미터에 따라 달라집니다. 레이저로 절단하기 가장 용이한 재료는 발사(balsa)와 항공용 합판입니다. 합판은 약간 더 단단한 목재 두 겹과 충전재(일반적으로 발사)로 이루어져 있습니다. 이러한 소재는 옹이나 이물질이 없고, 발포체 형태의 균질 구조를 가지므로 레이저 절단 시 높은 반복성과 일관된 품질을 구현할 수 있습니다. 레이저 가공에 적합한 소재를 선정할 때에는 균일함을 반드시 점검해야 합니다. 일부 저가형 발사는 더 단단한 목재가 혼재되어 있어 레이저로 절단이 어렵습니다. 항공용 합판 역시 이와 유사한 주의가 필요합니다.

기타 소재로는 솔리드 우드, 경질 합판(예: 창틀 제작용)이 있습니다. 목재의 경도 및 합판 내 접착재 성분 때문에 이들은 다이오드 레이저 기반 절단에 적합하지 않은 경우가 많습니다. 레이저 목재 절단기를 사용할 경우, 탄소계 퇴적물이 생성되며 이는 검고 취성인 형태로 나타납니다. 절단 속도가 지나치게 느리면 퇴적물이 쌓여 가공 속도를 더욱 저하시킬 뿐 아니라, 레이저 작업 영역 인접 목재의 온도가 올라가고 암화(검게 변색)됩니다. 따라서 경질 소재는 반드시 고속으로 얇은 층씩 제거하면서 절단해야 하며, 이로써 과열・암화・불필요한 퇴적물 생성을 방지할 수 있습니다. 또한, 고압 에어 보조 노즐을 사용하면 목재의 연소를 줄이고, 일반 가공 대비 최대 6.5배 빠른 속도로 절단 및 각인 작업을 진행할 수 있습니다.

재료 선택 및 표면 준비

각인 결과는 목재 종류에 따라 큰 차이를 보입니다. 여러 파라미터를 고려해야 합니다.

성장환 및 표면 균일성. 우수한 각인 품질을 원할 경우 색상이 균일한 재료가 필수적입니다. 그레이스케일 각인 시 어두운 표면은 더 많은 레이저 에너지를 흡수해 이미지의 콘트라스트가 저하될 수 있습니다. 모든 성장환(나이테) 역시 더 어둡고 레이저를 더 흡수하므로, 출력이 낮아도 해당 부위는 더 뜨거워집니다. 이로 인해 각인된 이미지 부위는 불필요하게 어두워지고, 원하지 않는 색상 변화가 발생합니다. 즉, 성장환은 오래된 벽지 위에 불투명도가 낮은 페인트를 바른 것처럼 이미지 내내 드러나게 됩니다.

목재 기반 소재. MDF 보드는 그레이스케일 재현성이 우수합니다. 자연목재의 고유한 특성과 성장환의 개성이 사라지는 대신, 톤 재현성은 매우 안정적이고 일관적입니다. 다만, 대부분 MDF 보드는 브라운 및 진한 브라운이므로 각인 이미지의 명암 대비는 약하게 표현됩니다. 또한, MDF 및 파이버보드 각인 시 유독성 가스가 발생하므로 주의해야 합니다.

목재의 경도. 일반적으로 경질 목재 각인은 표면에 큰 영향을 미치지 않습니다. 반면, 연질 목재―특히 어두운 컬러 이미지를 더욱 강한 빔으로 각인할 수밖에 없는 경우―는 소재 자체에 상당한 깊이로 연소 흔적이 남습니다. 이러한 효과는 항공용 합판과 발사에서 더욱 두드러집니다. 또한, 어두운 영역에는 쉽게 번지며 표면을 오염시키는 취성의 퇴적물이 남습니다.

표면 준비. 목재 표면을 샌드페이퍼 등으로 평탄화해 레이저 헤드와 가공 소재 간 거리가 일정하게 유지되도록 준비하는 것이 좋습니다. 이는 각인 명암 품질을 결정하는 핵심 요건 중 하나입니다. 표면이 불균일할 경우, 빔의 초점 위치가 국지적으로 변하고 에너지 밀도도 차이가 발생하여 결과적으로 픽셀 크기도 변화합니다. 이로 인해 균일하고 반복 가능한 그레이스케일 재현이 불가능해집니다.

속도 vs 출력

목재 레이저 각인을 위한 레이저 스폿 미세 조정

높은 각인 속도를 얻으려면 레이저 빔의 초점을 정확하게 맞춰야 합니다. 이를 위해 두 가지 기본적인 방법이 있습니다. 첫 번째 방법은 가능한 가장 작은 스폿 크기를 형성하여 최고 밀도의 에너지를 도출하는 방식입니다. 스폿 표면적이 매우 작아질수록, 에너지 밀도(출력을 표면적으로 나눈 값)가 극대화되어, 가장 빠른 가공 속도를 구현할 수 있습니다. 캘리브레이션은 다양한 헤드 거리 및 기계의 두 축에서 여러 선을 각인하면서 시작합니다. 이후 가장 얇은 격자 선이 만들어진 설정을 선택합니다. 단점으로는 레이저 헤드의 광학 특성상 스폿이 정사각형이 아니라는 점이 있으며, 이는 광원(레이저 다이오드)에서 방출된 빛이 목재 표면에 투사되는 특성에서 기인합니다. 스폿이 둥근 형태라면, 픽셀 기반 이미지를 각인하기에는 비효율적입니다.

CNC 장비용으로 제공되는 소프트웨어는 스폿 형태 및 레이저 각인 방식을 선택하는 기능이 포함되어 있을 수 있으며, 예로 좌우, 상하 또는 대각선 방식이 있습니다. 경험상 대각선 모드에서 가장 일관된 음영이 구현되며 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 스폿 가장자리의 에너지 밀도는 중심에 비해 다소 낮기 때문에, 대각선 방식에서 레이저 자국이 약간씩 겹쳐져서 이미지 선의 경계가 뚜렷하게 생성되거나 그 사이에 틈이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

앞서 언급한 또 다른 초점 조정법은 픽셀 크기에 상응하는 정사각형 레이저 스폿을 얻는 데 중점을 둡니다. 이 기법을 적용하려면, 다양한 레이저 헤드 거리에서 작은 정사각형 형상을 각인한 후, 네 변의 두께가 동일하게 나온 설정을 선택합니다. 이렇게 하면 CNC 레이저는 이동 방향(수평/수직)에 상관없이 일정한 두께의 선을 각인할 수 있습니다.

후자의 방법으로 얻는 각인 속도는 대각선 기법에 비해 다소 느릴 수 있으나, 시각적 효과는 다릅니다. 이처럼 각 방법은 각각의 장·단점이 있으며 어느 쪽이 더 우수하다고 단정할 수 없습니다. 사용자는 각 기법을 직접 테스트하여 자신에게 가장 적합한 방법을 선택해야 합니다.

베이킹소다 처리한 목재 각인

레이저 각인할 목재를 사전에 처리하면 이미지에 더 깊은 입체감을 줄 수 있습니다.

목재 준비 방법

우선, 목적에 적합한 목재 종류를 결정해야 합니다. MDF는 접착제 함유량이 높아 권장되지 않습니다. 대신, 자작합판 등 멀티플렉스 목재가 적합합니다. 최상의 결과를 위해 평평하고 매끄럽게 연마된 합판을 준비하는 것이 권장됩니다. 베이킹소다를 도포하기 전, 합판 표면을 연마해주는 것이 이상적입니다.

이미지 준비 방법

사진이 선명하고 고해상도인지 반드시 확인해야 합니다. 예를 들어 최소 350DPI 및 3000x3000 이상의 크기의 이미지를 사용할 수 있습니다. 저화질 이미지는 각인 결과가 흐릿해지므로 사용하지 않는 것이 좋습니다. 그레이스케일 변환 기법을 사용할 수 있습니다.

베이킹소다 처리법

도포할 혼합물을 만들려면, 베이킹소다 4스푼을 500ml의 물과 섞습니다. 잘 저어서 분무기에 담아줍니다. 고르게 분사한 후 24시간 동안 건조시킵니다. 건조가 완료되면 목재 표면에 반사광을 띠는 박막이 형성된 것을 볼 수 있습니다.

이 반사막은 오비탈 샌더와 320방 사포로 연마해 다시 평평하고 매끄러운 표면을 구현할 수 있습니다. 이후 브러시가 달린 진공청소기를 활용해 연마한 표면의 잔여물을 제거해줍니다. 목재 표면에 남아있는 하얀 부분이 없도록 해야 합니다.

선택한 이미지를 그레이스케일로 변환하고 작업 거리를 보정한 뒤, 목재 결이 레이저 각인 진행 방향과 직각이 되도록 배치합니다.

이제 목재에 레이저 각인 작업을 시작할 수 있습니다. 베이킹소다 처리로 인해 기존에 사용하던 레이저 출력이 더 낮은 출력에서의 각인 결과와 유사하게 나타날 수 있음을 유의해야 합니다.

테스트용 소재로 먼저 적정한 레이저 출력과 가공 속도를 확인하는 것이 바람직합니다. 몇 mm만 각인해보고 원하는 음영이 나타나는지 확인할 수 있습니다. 여러 이미지를 대상으로 이 테스트를 반복해볼 수 있습니다. 각인된 이미지의 가장 어두운 부분을 기준으로 이상적인 파라미터를 찾으세요.

적절한 색상 음영을 얻기 위한 파라미터를 결정하면, 최종 각인 작업을 시작할 수 있습니다.

각인된 이미지가 완성되면 보통 각인 면에 남아있는 재가 존재합니다. 불필요하긴 하지만 불어내거나 제거할 수 있습니다. 이미지를 보호하기 위해서는 사진 위에 여러 층의 코팅제를 얇게 도포하고, 각 코팅 후 충분히 건조시켜야 합니다. 3회 얇게 도포 후 건조를 마치면 손으로 만져도 문제가 없습니다.

아래는 결과 예시입니다:

심각한 건강 위험을 예방하기 위해 고출력 CNC 레이저로 소재를 가공할 때에는 다음과 같은 안전 수칙을 반드시 준수해야 합니다:

• 작업 시에는 항상 보호용 레이저 안전 고글을 착용하고, 헤드에서 방출되는 직접광 뿐만 아니라 반사·산란 레이저 빔에도 각별히 주의해야 합니다.
• 장비에 추가 차폐구조를 설치해 환기가 원활하도록 하고, 실내의 연기를 외부로 배출하면 동시에 산란 레이저에 대한 추가 보호도 제공할 수 있습니다.
• 가공 전 목재 표면의 먼지 등 입자를 물수건 등으로 깨끗이 제거하는 것이 중요합니다. 이를 통해 레이저 각인 중 소량의 소재나 목재 분진이 발화되는 것을 예방할 수 있습니다.
• 목재는 인화성이 높고 많은 연기를 발생시키므로, 작업실은 반드시 환기가 잘 되어야 합니다.
• 합판, 파티클보드, MDF와 같은 소재는 소재 내의 접착제가 가공 시 독성 연기로 변질될 수 있습니다.

"베이킹소다 처리 목재 각인" 섹션의 기초 실험, 베이킹소다 처리된 목재의 레이저 각인 테스트 및 시각자료와 초안 작성에 기여해 주신 Andre Alexander Wijn 님께 특별한 감사를 드립니다. 또한, 목재 레이저 각인 파트의 속도 대 출력 예시 사진을 제공해주신 Paul Deutsch(페이스북 그룹 PLDesigns 참조) 님께도 감사를 드립니다.