금속판 레이저 절단: 기본 사항에 대한 포괄적인 가이드

정밀 제조의 새로운 시대

현대 산업 환경에서는 원자재를 빠르고 정밀하게 정교하고 기능적인 부품으로 가공하는 능력이 무엇보다 중요합니다. 이러한 역량의 핵심에는 절삭 가공이라는 기술이 자리 잡고 있는데, 이는 더 큰 부품에서 재료를 선택적으로 제거하여 최종 형태를 만드는 기술입니다. 전통적인 밀링과 터닝부터 첨단 컴퓨터 제어 공정에 이르기까지 절삭 가공 방식은 우리의 세계를 만들어 왔습니다.

이러한 기술 중 판금 레이저 절단은 산업 제조의 초석으로 부상했습니다. 이는 비할 데 없는 정밀성, 속도, 그리고 설계의 자유를 제공하는 획기적인 도약입니다. 이 공정은 고집적 광선을 사용하여 판금을 절단, 조각 또는 마킹하여 디지털 설계를 미세한 정밀도로 물리적 부품으로 변환합니다. 산업적 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 항공우주, 자동차, 건설, 전자, 그리고 그 외 수많은 분야에서 부품 제조의 원동력이 되고 있습니다.

이 글은 판금 레이저 절단의 기본 원리와 역사적 발전 과정부터 실제 설계 고려 사항, 그리고 미래 전망까지 포괄적으로 살펴봅니다. 엔지니어, 디자이너, 사업주, 또는 단순히 현대 제조에 관심이 있는 사람이라면 누구나 이 가이드를 통해 이 혁신적인 기술의 핵심을 이해할 수 있을 것입니다.

시트 메탈 레이저 절단 이란?

판금 제작은 평평한 금속판으로 부품과 구조물을 만드는 공정입니다. 여기에는 굽힘, 접힘, 용접, 그리고 가장 중요한 초기 평면 패턴을 절단하는 등 다양한 기술이 포함됩니다. 판금 제작과 레이저 절단은 상호 보완적인 관계를 맺고 있습니다. 레이저 절단은 정밀하고 복잡한 2D 프로파일을 제작하여 3D 구조물로 형성하는 이상적인 방법을 제공합니다.

작동 원리: 절삭 도구로서의 빛

레이저 절단의 핵심은 고출력 레이저의 출력을 주로 광학 장치를 통해 절단할 소재에 조사하는 것입니다. 이 과정은 다음과 같은 일련의 제어된 과정으로 진행됩니다.

1. 레이저 빔 생성: 레이저 공진기(소스)는 강력하고 단색이며 일관된 빛 빔을 생성합니다.
2. 초점: 일련의 거울과 초점 렌즈가 이 빔을 금속판 표면의 작고 정밀한 지점에 집중시킵니다. 이러한 집중은 에너지 밀도를 극적으로 증가시킵니다.
3. 재료 제거: 초점의 강렬한 열 에너지가 금속을 매우 빠르게 가열하여 녹거나 타거나 증발시킵니다.
4. 보조 가스 분사: 동시에, 보조 가스(산소, 질소, 아르곤 등)의 동축 분사가 절단 영역으로 분사됩니다. 이 가스 분사는 두 가지 주요 기능을 합니다. 용융되거나 기화된 재료를 절단 경로(커프라고 함)에서 불어내고, 경우에 따라 화학 반응을 일으켜 절단 과정을 돕습니다.

CNC의 장점: 디지털에서 물리적으로

레이저 절단을 단순한 도구에서 현대 제조의 핵심 기술로 끌어올리는 것은 바로 컴퓨터 수치 제어(CNC)와의 통합입니다. CNC 시스템은 레이저 절단기의 핵심입니다. 디지털 설계 파일(일반적으로 CAD 도면)을 해석하여 기계의 모션 제어 시스템에 대한 일련의 정밀한 명령으로 변환합니다. 이를 통해 절단 헤드는 복잡한 경로를 뛰어난 정확도와 반복성으로 따라가며, 밀리미터 단위의 공차를 가진 수천 개의 동일한 부품을 제작할 수 있습니다.

판금 레이저 절단의 역사

레이저 절단의 여정은 산업적 필요성을 충족시키는 과학적 발견의 이야기입니다.

• 1960년: 이야기는 휴즈 연구소의 시어도어 메이먼이 합성 루비 결정을 사용하여 최초의 기능성 레이저를 개발하면서 시작됩니다. 처음에는 "문제를 찾는 해결책"이라고 불렸지만, 그 잠재력은 즉시 드러나지 않았습니다.
• 1965년: 이 "해결책"의 첫 번째 실용화가 웨스턴 일렉트릭 엔지니어링 연구 센터에서 시연되었습니다. 레이저를 사용하여 다이아몬드 다이에 구멍을 뚫었는데, 이는 기존 방식으로는 매우 어렵고 시간이 많이 걸리는 작업이었습니다. 이를 통해 레이저가 매우 단단한 재료에도 작업할 수 있다는 것이 입증되었습니다.
• 1967년: 영국에서 산소 제트 보조 CO2 레이저를 이용하여 1mm 두께의 강판을 절단하는 최초의 가스 보조 레이저 절단 기술이 개발되었습니다. 이는 산업용 금속 절단의 진정한 시작을 알렸습니다.
• 1970년대: 최초의 양산형 CNC 레이저 절단기가 시장에 출시되었습니다. 이 초기 시스템은 주로 CO2 레이저로 구동되었으며, 크고 비쌌음에도 불구하고 항공우주 분야와 같이 판금의 복잡한 절단이 필요한 산업에 혁명을 일으켰습니다.
• 1990년대~2000년대: CO2 레이저 기술이 성숙해지면서 더 높은 출력과 더 나은 빔 품질이 표준으로 자리 잡았습니다. 이 시기에 Nd:YAG와 같은 고체 결정 레이저 또한 특히 고출력 펄스 응용 분야에서 틈새시장을 개척했습니다.
• 파이버 레이저 혁명 (2000년대 중반~현재): 최근 역사에서 가장 중요한 발전은 파이버 레이저의 상용화와 빠른 도입입니다. 뛰어난 에너지 효율, 최소한의 유지 보수, 그리고 얇고 중간 두께의 금속 절단에 필요한 놀라운 속도 덕분에 파이버 레이저는 여러 분야에서 CO2 레이저를 능가하여 비용을 절감하고 레이저 절단 기술의 접근성을 더욱 확대했습니다.

금속판 절단에 사용되는 레이저 유형

레이저 커터의 "레이저"는 모든 용도에 맞는 단일 부품이 아닙니다. 레이저 소스 또는 공진기의 종류에 따라 기계의 성능, 효율, 그리고 이상적인 용도가 결정됩니다. 금속 절단에 사용되는 세 가지 주요 레이저는 파이버, CO2, 크리스털 레이저입니다.

1. 파이버 레이저

• 원리: 파이버 레이저는 고체 레이저의 한 유형입니다. 이 과정은 펌프 다이오드에서 빛을 생성하여 유연한 광섬유로 전달하는 것으로 시작됩니다. 이 광섬유에는 일반적으로 이터븀과 같은 희토류 원소가 도핑되어 있습니다. 광섬유 자체가 레이저 매질 역할을 하여 빛을 증폭시켜 강력한 최종 레이저 빔을 생성합니다. 빔은 광섬유 내에 완전히 담겨 전달되므로 복잡한 거울 시스템이 필요하지 않습니다.
• 적용 범위: 얇거나 중간 두께의 금속(최대 25mm 또는 1인치)을 절단하는 데 가장 널리 사용되는 기술입니다. CO2 레이저 광학 장치를 손상시킬 수 있는 알루미늄, 황동, 구리와 같은 반사성 금속 가공에 탁월합니다.
• 장점:
  • 높은 효율성: 탁월한 벽면 플러그 효율성(종종 >30%)으로 전력 소비량과 운영 비용이 절감됩니다.
  • 유지 보수가 간편합니다. 빔 경로에 움직이는 부품이나 거울이 없어 정렬이 필요 없습니다. 펌프 다이오드는 매우 긴 수명을 자랑합니다.
  • 고속: 파이버 레이저의 짧은 파장은 금속에 더 쉽게 흡수되므로 얇은 소재의 절단 속도가 훨씬 빨라집니다.
  • 컴팩트한 설치 공간: 대형 가스 공진기 캐비닛이 없기 때문에 기계가 더 컴팩트합니다.
• 단점:
  • 고출력 CO2 레이저는 두꺼운 판을 절단할 수 있을 뿐만 아니라, 매우 두꺼운 소재(20mm 이상)에서도 더 매끄럽고 고품질의 모서리 마감을 만들어냅니다.
  • 초기 투자 비용은 더 높을 수 있지만, 가격은 계속해서 낮아지고 있습니다.

2. CO2(이산화탄소) 레이저

• 원리: CO2 레이저는 가스가 채워진 튜브에 전류를 흘려 빔을 생성합니다. 가스 혼합물은 일반적으로 이산화탄소, 헬륨, 질소로 구성됩니다. 여기된 CO2 분자는 적외선을 생성하고, 이 적외선은 튜브 양쪽 끝에 있는 거울 사이에서 반사되어 증폭되어 간섭성 레이저 빔으로 생성됩니다.
• 적용 범위: CO2 레이저는 진정한 만능 레이저입니다. 25mm 이상의 두꺼운 강판 절단에 탁월하며, 매끄럽고 새틴 같은 마감 처리로 뛰어난 절삭 품질을 제공합니다. 또한 목재, 아크릴, 가죽, 플라스틱과 같은 비금속 소재 절단에도 널리 사용되는 기술입니다.
• 장점:
  • 뛰어난 날의 품질: 특히 두꺼운 소재에 사용하면 매우 매끄럽고 버가 없는 절단면이 만들어집니다.
  • 다재다능함: 금속 및 비금속 재료 모두 광범위하게 처리할 수 있습니다.
• 단점:
  • 낮은 효율성: 벽면 플러그 효율은 일반적으로 10% 정도로 에너지 비용이 높아집니다.
  • 높은 운영 비용: 정기적인 가스 보충이 필요하고 전력 소비량이 더 높습니다.
  • 유지 관리가 중요함: 빔 경로는 거울에 의존하며 거울은 항상 깨끗하고 정렬된 상태로 유지되어야 하므로 숙련된 기술자가 정기적으로 유지 관리해야 합니다.
  • 더 큰 설치 공간: 가스 공진기와 관련 장비는 더 많은 바닥 공간을 필요로 합니다.

3. 크리스탈 레이저(Nd:YAG & Nd:YVO)

• 원리: 이 레이저 역시 고체 레이저이지만, 도핑된 파이버 대신 고체 결정(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷 또는 네오디뮴 도핑 이트륨 오르토바나데이트)을 레이저 매질로 사용합니다. 이 결정은 고강도 램프나 레이저 다이오드에 의해 자극("펌핑")되어 빔을 생성합니다.
• 범위: 전통적으로 매우 두껍거나 반사성이 있는 소재의 절단 및 용접에 사용되었습니다. 펄스 모드에서 매우 높은 피크 전력을 제공할 수 있습니다.
• 장점:
  • 높은 펄스 에너지로 인해 특정 드릴링 및 용접 작업에 적합합니다.
• 단점:
  • 매우 비효율적: 벽면 플러그 효율이 가장 낮습니다(대개 2~3%).
  • 높은 유지 관리 비용: 펌프 램프는 수명이 매우 짧고 자주 교체해야 하며 비용이 많이 듭니다.
  • 대부분의 판금 절단 작업에서는 더욱 효율적이고 신뢰할 수 있는 파이버 레이저 기술이 거의 전적으로 대체되었습니다.

3가지 판금 레이저 절단 공정

레이저의 종류 외에도, 절단 공정 자체는 재료가 제거되는 방식에 따라 분류될 수 있습니다. 이는 주로 사용되는 보조 가스의 종류에 따라 결정됩니다.

1. 레이저 빔 융합 절단(용융 및 블로우)

• 공정: 퓨전 커팅에서는 레이저 빔의 에너지가 초점에서 금속을 용융하는 데에만 사용됩니다. 그런 다음, 일반적으로 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스를 고압으로 분사하여 용융된 재료를 절단면에서 강제로 밀어냅니다.
• 특징: 가스가 불활성이어서 절삭날과 화학적으로 반응하지 않습니다. 따라서 깨끗하고 산화물이 없으며, 광택이 나는 절삭날을 얻을 수 있으며, 2차 가공 없이 즉시 용접이나 도장이 가능합니다. 최고 품질의 마감을 얻기 위한 최적의 방법입니다.
• 적용 가능한 시나리오: 산화 방지 및 재료 순도 유지가 중요한 스테인리스강, 알루미늄 및 합금을 절단하는 데 필수적입니다.

2. 레이저 화염 절단(산소 절단)

• 공정: 이 공정은 산소를 보조 가스로 사용합니다. 레이저 빔은 먼저 재료(일반적으로 연강)를 발화 온도(약 1000°C)까지 가열합니다. 그런 다음 순수 산소 분사가 철과 발열(열 발생) 화학 반응을 일으켜 철을 효과적으로 태워버립니다. 레이저의 주요 역할은 이러한 제어된 연소를 시작하고 유도하는 것입니다.
• 특징: 발열 반응으로 인한 추가 에너지는 특히 두꺼운 탄소강의 절삭 속도를 크게 향상시킵니다. 절삭 날은 얇고 어두운 산화막을 형성하며, 이는 후속 용접이나 코팅 전에 제거해야 할 수 있습니다.
• 적용 가능한 시나리오: 산화물이 완벽하게 없는 날보다 속도와 비용 효율성이 더 중요한 연강 및 저합금 탄소강을 절단하는 주력 공정입니다.

3. 레이저 빔 승화 절단(증발 절단)

• 공정: 승화 절단은 매우 높은 에너지 밀도의 레이저 빔을 사용하여 재료를 매우 빠르게 가열하여 고체에서 기체로 바로 기화시키고, 액체(용융) 상태는 거의 또는 전혀 없게 만듭니다. 생성된 증기는 보조 가스에 의해 날아갑니다.
• 특징: 이 공정은 열영향부(HAZ)가 최소화된 매우 고품질의 버 없는 가장자리를 생성합니다. 그러나 재료를 기화시키는 데는 단순히 용융하는 것보다 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 용융이나 화염 절단보다 속도가 훨씬 느리고 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다.
• 적용 시나리오: 일반 판금 제작에는 덜 일반적입니다. 플라스틱, 특정 복합재, 목재 절단 또는 의료용 스텐트 및 전자 부품 제조와 같이 얇은 소재에 대한 극도의 정밀성과 최소한의 열 응력이 요구되는 특수 용도에 사용됩니다.

판금 레이저 절단의 장점

레이저 절단이 널리 채택된 것은 기존 방법에 비해 여러 가지 장점이 있기 때문입니다.

• 높은 정밀도와 복잡성: 레이저는 ±0.1mm(0.004인치)만큼 엄격한 허용 오차를 달성할 수 있어 다른 방법으로는 불가능한 매우 복잡한 기하학적 형상과 미세한 특징을 만들 수 있습니다.
• 높은 재료 활용도: 레이저 빔은 매우 좁은 절단 폭(커프)을 생성합니다. 이를 통해 단일 금속판에 부품을 매우 가깝게 중첩하여 자재 낭비를 최소화하고 비용을 절감할 수 있습니다.
• 다재다능함: 레이저 절단기 하나로 다양한 금속(강철, 스테인리스강, 알루미늄, 황동, 구리)과 다양한 두께의 금속을 가공할 수 있습니다. 또한 절단, 마킹, 에칭 등 여러 작업을 단일 장비로 수행할 수 있습니다.
• 낮은 전력 소비: 이는 특히 최신 파이버 레이저에 해당합니다. 최신 파이버 레이저는 놀라울 정도로 에너지 효율이 높아 기존 레이저 기술이나 기타 기계에 비해 운영 비용이 낮고 환경 발자국도 작습니다.
• 재료 손상 최소화: 레이저 절단은 비접촉 공정입니다. 열이 매우 국부적으로 발생하여 열영향부(HAZ)가 매우 작습니다. 이는 열 변형과 뒤틀림을 최소화하며, 특히 얇거나 섬세한 부품에 중요합니다.

판금 레이저 절단의 단점

많은 장점에도 불구하고 레이저 절단에는 한계가 있습니다.

• 숙련된 작업자 필요: 산업용 레이저 커터를 작동하고 유지 관리하려면 전문적인 교육이 필요합니다. 최적의 성능과 안전을 보장하기 위해 매개변수를 설정하고, 유지 관리를 수행하고, 문제를 해결할 수 있는 숙련된 기술자가 필요합니다.
• 금속 두께 제한: 고출력 레이저는 매우 두꺼운 판(50mm 또는 2인치 이상)을 절단할 수 있지만, 실질적인 한계가 있습니다. 매우 두꺼운 금속의 경우, 플라즈마 절단이나 워터젯 절단과 같은 다른 공정이 더 효율적이거나 비용 효율적일 수 있습니다.
• 유해 가스 및 연기: 절단 과정에서 금속이 기화되어 흡입 시 유해한 연기와 미세먼지가 발생합니다. 견고한 환기 및 여과 시스템은 필수 안전 요건입니다.
• 초기 투자 비용이 높습니다. 산업용 레이저 절단 시스템을 구매하는 데 드는 자본 비용은 상당하며, 이는 모든 기업에 있어 큰 투자입니다.

레이저 커팅 부품을 위한 디자인 팁

레이저 절단 기술을 최대한 활용하고 부품의 제조 가능성과 비용 효율성을 보장하려면 다음과 같은 설계 모범 사례를 따르세요.

• 세부 크기 대 재료 두께: 중요한 경험 법칙은 구멍이나 슬롯과 같은 모든 절단 부분의 최소 크기가 재료의 두께보다 작아서는 안 된다는 것입니다. 예를 들어, 두께 3mm의 강판에서 설계해야 하는 가장 작은 구멍의 지름은 3mm입니다. 더 작은 세부 사항을 절단하려고 하면 파열되거나 절단이 불완전해질 수 있습니다.
• 커프 보정: 레이저 빔은 소량의 재료를 제거하여 커프라고 하는 절단 폭을 생성합니다. 커프는 폭이 좁지만, 맞물리는 부품이나 압입 조립품과 같이 정밀한 공차가 필요한 설계에서는 반드시 고려해야 합니다. 제조 파트너가 장비의 특정 커프 값에 대한 조언을 제공할 수 있습니다.
• 재료 선택: 레이저 절단에 적합한 재료를 선택하십시오. 일반 연강, 스테인리스강, 알루미늄은 깔끔하고 예측 가능한 절단이 가능합니다. 광택 알루미늄이나 구리처럼 반사율이 높은 재료는 절단이 까다로울 수 있으며, 더 강력한 파이버 레이저가 필요할 수 있습니다.
• 간격 및 중첩: 시트의 부품 사이에 적절한 간격을 두십시오. 일반적으로 각 부품의 외곽선 사이에는 재료의 두께와 같은 간격을 유지하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 열 변형을 방지하고 절단 시 시트의 안정성을 유지할 수 있습니다.
• 텍스트 및 조각: 글자 전체를 오려낸 텍스트에는 "스텐실" 글꼴을 사용하세요. 이 글꼴에는 작은 브릿지가 있어 'O', 'A', 'B'와 같은 글자의 안쪽 부분이 빠지지 않도록 합니다. 조각된 텍스트에는 명확성을 위해 단순하고 굵은 산세리프 글꼴을 사용하세요.
• 제조 비용을 줄이기 위한 팁:
  • 단순화: 불필요한 복잡성을 피하세요. 모든 삭감은 시간과 비용을 증가시킵니다.
  • 모서리 반경 추가: 날카로운 내부 모서리는 응력을 받는 지점입니다. 작은 반경(필렛)을 추가하면 부품이 더 강해지고 레이저가 더 부드럽고 빠르게 절단할 수 있습니다.
  • 표준 게이지 사용: 특별 주문 자재 비용을 피하기 위해 표준 자재 두께로 설계합니다.
  • 부품 통합: 가능하다면 여러 개의 간단한 부품을 용접해서 연결하는 것보다는, 구부려서 모양을 만들 수 있는 하나의 복잡한 부품을 설계하세요.

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왜 Hymson 레이저를 선택해야 할까요?

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● 전자동 윤활 시스템: 이 시스템은 프로그램된 간격으로 기어와 랙 메커니즘을 자동으로 윤활합니다. 사실상 유지 보수가 필요 없어 가동 중단 시간을 줄이고 주요 구동 부품의 수명을 연장합니다.

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결론

판금 레이저 절단은 틈새 기술에서 현대 제조의 필수 요소로 발전했습니다. CO2 레이저 초창기부터 오늘날의 고효율 파이버 레이저 혁명에 이르기까지, 이 기술은 정밀성, 속도, 그리고 효율성의 한계를 끊임없이 확장해 왔습니다. 이를 통해 설계자와 엔지니어는 복잡한 디지털 개념을 정밀한 물리적 부품으로 구현할 수 있는 전례 없는 자유를 누리게 되었습니다.

기술 요약: 파이버 레이저는 높은 효율과 낮은 유지 보수 비용으로 인해 현재 얇고 중간 두께의 금속 절단 분야에서 우위를 점하고 있으며, CO2 레이저는 매우 두꺼운 판재 및 비금속 재료 절단에 독보적인 장점을 보유하고 있습니다. 주어진 재료 및 품질 요구 사항에 맞는 적절한 절단 방식을 선택하려면 융합, 화염, 승화 절단 등 다양한 공정을 이해하는 것이 중요합니다.

서비스 권장 사항: 신규 장비에 대한 아웃소싱이나 투자를 고려하는 기업을 위해 Hymson Laser 와 같은 업계 리더는 최첨단 기술 솔루션과 글로벌 지원을 제공하여 사용자가 레이저 기술의 잠재력을 최대한 활용할 수 있도록 보장합니다.

독자를 위한 조언: 첫 기계 구매를 고려 중이든, 아웃소싱 서비스를 통해 프로토타입을 제작하려 하든, 레이저 절단의 기본 원리, 장점, 그리고 설계 제약 조건을 이해하는 것이 성공의 열쇠입니다. 우수한 설계 사례를 따르고 적합한 파트너를 선택함으로써, 이 강력한 기술을 경쟁 우위로 활용할 수 있습니다.

질문과 답변

1. 레이저로 금속을 얼마나 두껍게 절단할 수 있나요?

레이저의 출력과 종류에 따라 다릅니다. 고출력(예: 12kW 이상) 파이버 또는 CO2 레이저는 두께 50mm(2인치) 이상의 강철을 절단할 수 있습니다. 그러나 대부분의 상업용 응용 분야에서는 최대 두께 30mm까지의 금속을 레이저로 절단하는 것이 가장 비용 효율적입니다.

2. 레이저 절단은 비싼가요?

초기 장비 투자 비용이 높습니다. 그러나 외주 서비스의 경우, 부품당 비용은 소재 종류, 두께, 절단 복잡성, 주문량 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 대량 생산의 경우, 레이저 절단은 빠른 속도와 소재 활용도로 인해 비용 경쟁력이 매우 높습니다.

3. 파이버 레이저와 CO2 레이저 중 어떤 것을 선택해야 할까요?

이는 기본 응용 프로그램에 따라 달라집니다.

• 파이버 레이저: 30mm 이하의 금속(특히 강철, 스테인리스 강철, 알루미늄, 황동, 구리)을 주로 절단하는 경우, 속도, 효율성, 낮은 유지 보수 비용 때문에 파이버 레이저가 가장 좋은 선택입니다.
• CO2 레이저: 매우 두꺼운 강철판(30mm 이상)을 최상의 모서리 품질로 절단해야 하는 경우나 다양한 비금속 재료(목재, 아크릴 등)를 절단해야 하는 경우 CO2 레이저가 더 다재다능한 옵션입니다.

4. 열영향부(HAZ)는 무엇이고 중요한가요?

열영향부(HAZ)는 절단면을 따라 열에 의해 소재의 미세 구조와 기계적 특성이 변화하는 작은 영역입니다. 레이저 절단은 매우 작은 HAZ를 생성하지만, 열에 민감한 합금이나 후속 정밀 가공이 필요한 응용 분야의 경우 이 영역이 경도나 내식성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 경우 워터젯 절단과 같은 무열 가공이 더 나은 선택일 수 있습니다.