가공 현상을 이론적으로 설명하기 위해서는, 현 상태를 정밀하게 관찰할 필요가 있습니다. 가공 상태를 다양한 각도에서 관찰한 결과를 기록하고, 그것이 어떤 이론에서 발생하는지 추측해야 합니다.
전자 현미경으로 측정한 관찰 이미지를 수치화하는 것도 중요합니다. 또한, 관찰로는 파악할 수 없는 가공물의 상태(열, 응력 등)도 관찰할 필요가 있으며, 전문적인 분석 방법을 이용하여 데이터화하고 있습니다.
도구 가공은 도구를 접촉시켜 피가공물을 소성 변형시키는 가공입니다.
그 중에서도 절삭 가공은, 소성 변형으로 균열을 생성하고 유리와 같은 취성 재료를 절단하는 기술입니다. 예를 들어, 유리 기판에 휠을 접촉시켜 스크라이브하면 휠이 접촉한 기판 표면에 소성 변형이 생겨 스크라이브 라인을 따라 깊은 균열이 발생합니다. 이 때, 휠 형상 및 그 외의 다양한 조건에 따라 균열의 깊이나 절단면 상태 등이 변화합니다. 더 나은 가공을 위해 기판에 어떤 변화가 일어나고 균열의 발생에 이르는 것인지, 실험 관찰 및 시뮬레이션을 통해 이론적 분석을 추진하고 있습니다.
레이저 가공으로 인한 현상은 다양합니다. 레이저 조사시의 레이저 파장으로 인해 전자가 들뜬 상태가 되거나 진동상태가 들뜬 상태가 되는 등 각기 다른 들뜬 상태가 발생합니다. 또한, 레이저의 펄스 폭이 짧은 경우에는 다광자 흡수 및 터널이온화 등의 비선형 광학현상을 일으킬 수 있습니다. 들뜬 상태가 된 물질은 온도 상승으로 증발하거나 전자가 이탈하여 이온화되는 과정을 거쳐 레이저 가공됩니다. 이러한 과정에 대해 다양한 연구를 하고 있으며, 이론적인 이해에도 접근하고 있습니다.
일례로 유리의 열 응력 크랙 진전 가공 (레이저 가열 후 워터 제트로 급냉하여 유리를 절단하는 가공 방식)에서는 가공시의 유리 온도 상태부터 유리 내부의 응력 상태를 시뮬레이션하고 그 절단 원리를 이론적으로 분석하였습니다.
시뮬레이션을 적절하게 적용함으로써, 가공 현상을 이해하기 위한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 메카니컬 가공에서의 휠과 기판 간의 미세 접촉 영역의 응력 분포, 레이저 가공에서의 고체 내부의 온도 분포 등 관측이 어려운 물리현상을 파악할 수 있습니다.
또한, 실제 가공 관찰에는 다양한 외부 요소가 있기에, 관찰 결과만을 갖고 가공 현상을 이해하는 것은 매우 어렵습니다. 그렇기 때문에 컴퓨터로 조건을 정리하여 얻은 결과와 관찰 결과를 시뮬레이션에 적용시켜 대조하고 고찰함으로써, 가공 현상을 보다 잘 이해할 수 있습니다.
