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자동차/로봇 점점 다양해지는 레이저와 가공 기술의 현재와 미래 전망

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-02-14 11:47:00
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현재의 레이저 가공기의 레이저 응용 생산 장치는 제조업의 중요한 가공 수단이며, 이제는 일반 공작기계와 같은 위치에 서게 되었다. 많은 공작기계가 레이저와 절삭공구와 융합되기 시작하였고, 기존의 공구로는 실행하기 어려웠던 복합 가공이나 레이저로만 할 수 있었던 섬세한 가공, 3D 프린터라 불리는 레이저를 이용한 광적층 조형기 등이 증가하고 있다. 더욱이 레이저 발생 장치(발진기)는 한층 더 파이버 레이저화되고 있으며, 직접 가공용 반도체 레이저 및 단파장 레이저의 탑재가 급증하고 있다. 이렇듯 크게 변모하고 있으며 점점 더 다양해지는 레이저와 가공 기술의 현재와 미래를 전망하고자 한다.

 

제조업과 레이저 가공

 

레이저가 탄생한지 59년이 되었다. 일본에서의 레이저 가공 기술은 YAG 레이저에 이어 1980년을 전후로 하여 일본산 탄산가스 레이저기가 탄생하였고, 고출력 레이저에 의한 절단 및 용접을 중심으로 기존의 열가공을 대체하는 기술로 자리 잡았다.

 

레이저가 가진 고밀도 에너지가 얇은 판부터 두꺼운 판까지를 빠르게 가공할 수 있게 하였고, 가공 기술에 혁신을 가져다주었다. 그 후 기존 기술의 대체 기술이라는 위치에서 벗어나, 레이저를 통해서만 가능한 새로운 가공 기술의 시대가 도래하였다.

 

레이저를 응용하는 방법들이 모색되었고, 최근에는 제조업의 역사를 뒤바꾼 3차원(3D) 광조형 기술이 사용되게 되었다. 또한 레이저를 통해 재료 표면에 새로운 기능을 입히는 표면 기능화 처리 등의 기술이 주목을 받게 되었다. 더욱이 레이저의 단파장화 및 단펄스화로 인해, 그 특징을 살린 미세 가공법이 개발되어, 새로운 독자적인 가공 기술도 생겨났다.

 

레이저는 목적의식이 뚜렷한 공작기계와는 달리 레이저를 기반으로하여 그것을 응용하는 방식으로 다양한 기술이 만들어졌다. 레이저 응용 가공의 잠재적인 수요는 매우 높으며, 특히 최근 수십 년 동안의 격변하는 기술 동향에 따라 달라지고 있다.

 

레이저 발진기의 변화

 

레이저광을 발진하는 레이저 발생 장치(발진기)의 출력이 높아져, 지금은 각종 파장의 레이저가 생산업계에서 사용되고 있다. 그 시작은 2005년을 기점으로 본격적으로 도입되기 시작한 파이버 레이저이다. 출력이 높아지면서 판금 가공기에 탑재되기 시작하였다. 고속화에 대한 수요에 대응하기 위해, 지금은 산업계에서 파이버 레이저기의 출력이 10킬로와트를 넘어서고 있다.

 

당초에는 글로벌 제조사 한 곳이 과점했었지만, 지금은 일본기업도 많이 생겨나, 수많은 탑재 실적을 쌓고 있다. 두꺼운 판을 절단하기에는 적합하지 않다고 여겨지던 파이버의 결함도 극복하였고, 3킬로와트 급의 빔 모드의 싱글화도 발전하였으며, 출력 역시 일부 산업용에서는 이미 15킬로와트의 고출력을 실현하고 있다.

 

레이저를 전기에서 빛으로 변환하는 효율이 50%로서 매우 뛰어난 직접 가공용 반도체 레이저(DDL)을 도입하는 가공기 제조사도 증가하였다. 반도체 레이저는 집광 기술과 방열 설계의 개량 기술 등에 있어서 기존에는 LD 바 당 20~40와트였던 것이, 현재는 1개의 바 타입의 반도체(LD)에서도 약 300와트 이상을 낼 수 있게 되어, 어레이화 및 적층화 기술로 인해 4~6킬로와트 급까지 출력을 향상시켰다.

 

또한 기술적으로는, 파장/편광의 강성(剛性)에 있어서는 수십 킬로와트도 가능해졌다. 또한 절단용에서는 반도체 레이저에서 볼 수 있는 빔 모드도 기존의 장방형에서 원형 스폿까지 실현할 수 있게 되었다.

 

디스크 레이저는 독일 기업 한 곳의 발진 방식만 존재하지만, 최대 16킬로와트까지 출력이 향상되었다. 이 레이저는 기본적으로 유닛 형식의 YAG 레이저로서, 빔 광로 상에서 히트 싱크의 역할을 하는 금속판에 디스크 모양의 얇은 YAG 결정을 여러 개를 배치하여 열변형을 억제시킨 독특한 구조를 갖고 있다.

 

파장이 가진 가공의 우위성을 이용한 단파장 레이저의 고출력 레이저가 주목을 받아왔다. 이른바 블루 레이저라 불리는 것인데, 파장이 450나노미터인 청색 반도체 레이저로서, 적층 어레이화로 인해 이미 700와트 이상을 실현하고 있다.

 

또한 파장이 515나노미터인 그린 레이저라 불리는 레이저 역시 파장 변환 기술로 인해 가공용의 평균 출력을 400와트로 향상되었다. 이들 모두 킬로와트 급의 레이저 발진도 시야에 두고 있다.

 

단파장은 금속재료의 파장 흡수가 좋기 때문에, 주로 전기자동차(EV)를 지향하는 자동차 회사의 전자 부품으로 많이 사용되는 동합금 및 고반사금속 등의 소형물 용접 가공에서 높은 기대를 받고 있으며, 동재(銅材) 등의 적층 조형에서 가공성을 향상시키는 데에도 이용할 수 있을 것으로 보인다. 산업용 레이저도 파장의 다양화 시대에 돌입했다고 할 수 있다.

 

이러한 공통되는 성질은 파이버 전송으로 인해 가능해진다. 즉 발진 파장이 파이버의 적용 범위 내에 있기 때문에, 발진기에서 나온 레이저광은 프로세스 파이버를 통해 가공 테이블까지의 목표 지점으로 파이버를 전송할 수 있다. 그로 인해 빔 전송을 하기가 쉬워지며, 융통성이 있다는 장점을 가진다. 아래 그림은 산업용 고출력 고체 레이저의 일람이다. 앞으로의 고출력 레이저는 고체 레이저화될 것이며, 그 중심은 당분간 파이버 레이저와 직접 가공용 반도체 레이저가 될 것으로 보인다.

 

가공기의 자동 라인

 

레이저 가공기는 크기가 커지고, 자동 가공기 시스템으로서 일체화되었다. 레이저 가공의 자동 생산 라인은 많은 판금 제조사에서 초기 시절부터 시도해 왔지만 시기상조였으며, 가격이 비싸고 바닥 면적을 많이 필요로 하여 일부를 제외하고는 그리 많이 보급되지는 못했다. 하지만 고령화와 심각한 인력부족에 시달리고 있는 지금, 자동화 및 무인화는 앞으로 나아가야 하는 필연적인 니즈가 되었다.

 

또한 파이버 레이저 등이 출현함에 따라 일련의 가공 작업의 속도는 빨라졌지만, 가공 후의 최후 공정에서 조인트 해제와 제품 분류 작업은 자동화의 장해물이었다. 그래서 부자재의 반입부터 가공제품 및 잔재(뼈대)의 분류까지를 포함한 자동화의 재검토와 재구축이 이루어지고 있다. 전기적인 온/오프가 가능하며 접촉 없이 가공하는 레이저는 자동화하기에 적합하며, 인공지능(AI)를 이용한 복잡한 지그나 로봇이 컴퓨터를 통해 자동 운전을 할 수 있다.

 

레이저 가공기 등을 포함하여 수많은 가공장치에서의 IoT(사물인터넷) 대응 시스템 시행 및 모색이 시작되었다. 현재는 아직 자사의 레이저 사용자를 수용하는 네트워크에 지나지 않지만, 앞으로의 전개가 기대되는 바이다. 아래 표는 최근의 레이저 가공기의 자동화와 관련된 요소 기술을 나타낸 것이다. 또한 그림은 가공기 시스템의 실제 자동화 사례이다.

 

<1> 레이저 가공기의 자동화 요소 기술

 

<그림1> 가공기 시스템의 자동화(a) 셀 생산 라인 대응 시스템

 

<그림2> 가공기 시스템의 자동화(b) 자동 분류 장치가 포함된 가공기

 

가공기술의 변천

 

레이저 발진기의 고출력화는 가공에 대한 폭넓은 가능성을 가져왔다. 절단 성능은 극박판(極薄板)에서부터 40mm 정도까지의 극후판(極厚板)까지를 포용한다. 품질은 차치하고서라도, 현재의 극후판(極厚板)을 가공하는 데 있어서는 주로 50mm 정도를 타깃으로 한다.

 

<그림3> 극후판(極厚板)의 절단 가공 알루미늄(5052) 50mm

 

고출력화에 따른 고속 가공이 트렌드를 이루고 있으며, 그에 따른 제어 기술도 고도화되고 있다. 특히 중후판(中厚板)을 중심으로 파이버 레이저를 통한 강재(鋼材)의 절단 가공에서는, 어시스트 가스에 고압 질소 가스를 사용하여 고속화 절단을 할 수 있게 되었다.

 

각 회사마다 고압 질소에서든 소비량에서든 채산이 맞도록, 공기로부터 저렴하게 질소를 생성할 수 있는 질소 생성 장치를 도입하고 있다. 또한 고속 노즐을 개발함으로써 가스압력을 낮추는 방법도 고려되고 있다.

 

자동차 산업에서는 고출력 레이저에 의한 프레임 및 도어, 차체의 용접 및 측판의 프레스를 가공한 후에 고속 절단으로 주변의 불필요한 부분을 트리밍할 때 외에는 중출력 이하의 레이저를 통해 크기가 작은 물품이나 전자 부품을 용접 가공하는 경우가 많다. 하지만 공정에 따라서는 효율적인 혼합기류를 만들기 위해 채용된 엔진 내부의 밸브시트의 레이저 클래드(패딩) 등의 표면 개질 및 알루미늄재의 용접 가공을 하기도 한다. 차체 등의 대형 부품을 용접 가공할 때에는 부재를 고정하기 위한 대규모 지그 장치가 필요한 경우가 많다.

 

레이저 용접은 임의의 자유 형태의 용접 등에 있어서는 성능이 좋지 않으며, 가공 부재에 따라서는 오래 된 기술보다 비용이 큰 차이가 없을 때도 있다. 기술적인 면에서는 안정적인 용접을 할 수 있도록, 용접 가공 시의 스패터 감소 가공 노하우가 발전하고 있다. 앞으로는 세계적으로 EV로의 전환이 일어날 것이며, 전자부품의 용접 기술 및 디포지션의 수요가 높아질 것으로 예상된다.

 

레이저 가공은 튜브나 파이프 가공은 물론, 협소한 부위의 미세 가공 및 복잡한 형태의 가공을 하기에 적합하다. 특히 매우 얇은 판이나 박육 파이프를 정밀 미세 가공할 때에는 부하가 걸리면 가공하기 어렵지만, 비접촉 가공이기 때문에 매우 얇은 판이라도 휘어짐 없이 가공할 수 있다. 그림4는 그 중 한 예이다.

 

<그림4> 스테인리스(SUS304) 저왜곡 정밀 미세 가공(a) 박육 원통 가공(두께 0.5mm)

 

<그림5> 스테인리스(SUS304)의 저왜곡 정밀 미세 가공(b) 얇은 판 가공(두께 0.2mm)

 

최근, 일본에서는 철골공사 JASS6이 개정되면서 건축 구조 부품의 볼트 구멍을 레이저로 가공하는 공법이 인가를 받았다. 그래서 최근에는 건축업계에서의 실증 가공 의뢰가 증가했다고 한다. 또한 항공기와 관련해서는 경량화를 위해 알루미늄 합금이나 항공기 재료의 구조 부재에 레이저 용접이 사용되어 가공 공정의 생산성이 향상되었다. 이렇듯 새로운 가공 기술은 언제나 생겨나고 있다.

 

AM의 기술 동향

 

광적층 조형(AM) 기술의 응용이 급속도로 증가하고 있는데, 그 중심에는 분말 바닥 용융법 및 용융 금속 퇴적법이 있다. 분말 바닥 용융법에서는 소결 후, 엔드밀 등에 의해 고속으로 정밀도 높은 절삭 가공을 통해 표면 바닥을 고르게 하고 형태의 정밀도를 향상시키는 방법을 사용한다. 통칭 3D 프린터라고 한다.

 

기술이 개량됨에 따라 입체적인 형상을 만들 수 있게 되었다. 디포지션에서는 금속 분말을 공급하고 와이어를 용융시켜 적층하는 덧붙이는 방식이 사용된다. 해당 기술에서 사용되는 금속 분말은 비교적 고가이기 때문에, 와이어 공급법은 필요에 따라 선경(線徑)을 선별할 수 있어 낭비가 없고 깔끔한 방법으로 여겨지고 있어, 독일의 자동차 회사에서 많이 사용된다.

 

레이저 디포지션은 재료 표면에 퇴적함으로써 피복 처리를 하는 것이며, 주로 비교적 얇은 경우에 사용되는데, 살짝 얇은 용해 덧붙임이라는 의미에서도 사용되고 있어, 레이저 클래딩이라고도 불리는 레이저 적층과 큰 차이가 없게 되었다. 두 가지 모두 금속 적층에 사용되고 있다. 그림 6은 최신 광적층 조형 기술의 가공 사례이다.

 

<그림6> 레이저와 관련된 광적층 조형 기술

 

<그림7> 광적층 조형 기술의 가공 사례(a) 엔진의 밸브시트

 

<그림8> 광적층 조형 기술의 가공 사례(b) 정밀 입체 구조물

 

 

레이저에 의한 3D 적층 조형 기술은 일찍이 레이저 공예적 요소를 갖고 있었다. 가공의 자유성이 향상되면서 완성도가 예술 작품의 영역에 달하게 되었다. 아래 그림처럼 와이어 공급법에 의해 도예적인 가공을 실험하고 있다. 그밖에도 절단하여 금속 문이나 난간(欄間 : 천장과 미닫이문 사이에 나무로 만들어진 통풍겸 채광용 교창)에 무늬(문양)를 넣을 수도 있게 되었다. 앞으로는 하이테크와 전통 문화를 융합시킨 레이저 공예로서 주목받게 될 것이다.

 

<그림9> 레이저 공예의 가공 사례 (a) 도예풍 표현(광적층 조형)

 

<그림10> 레이저 공예의 가공 사례 (b) 파이버 레이저 절단

 

아래 그림은 로봇과 연동된 반도체 레이저에 의한 표면 담금질 사례이다. 또한 동재(銅材)의 와블링 용접도 생겨나게 되었다. 블루 레이저는 물론이고, 싱글 모드의 파이버 레이저에서도 가공할 수 있다.

 

이처럼, 산업용 고출력 레이저가 확장되면서 가공의 용도 및 영역이 다양해지게 되었다. (3)

 

<그림11> 반도체 레이저에 의한 표면 처리(a) 로봇을 통한 가공

 

<그림12> 반도체 레이저에 의한 표면 처리(b) 원통 모양의 담금질 가공

 

세계의 기술 경쟁

 

레이저 가공기 등의 레이저 응용 생산 장치는 독일을 중심으로 이탈리아, 스위스 등 유럽 국가들이 제조/판매하고 있다. 독일은 정부와 기업에 의한 산관학 공동체를 만들어 개발에 힘을 쏟고 있다. 독일의 주요 레이저 제조사에서는 영업 이익의 약 10% 정도를 기초개발 연구에 투자하고 있다. 그 연구개발 비용은 하나의 회사에서만도 약 4000억 원이 넘는다.

 

그에 더해, 중국과 일본이 국가적으로 맹추격하고 있다. 그 중에서도 독일과 중국은 국가의 주도 하에 개발이 이루어지고 있다. 반대로 일본은 기업의 인력과 비용이 줄어들고 있으며, 일개 기업이 국가적인 경쟁을 벌이고 있는 세계의 정세 속에서 외롭게 경쟁하고 있다. 그 결과, 한때는 신흥국가였던 국가의 기술이 발전하여 중급 가공기 분야에서 자국의 생산 장치를 제작하게 되었다. 그리고 가격이 저렴하여 동남아시아 시장에서도 존재감을 드러내고 있다.

 

기술적으로 간단한 것은 추격당하고, 쉽게 가격 경쟁에 휘말리게 된다. 그러므로 기술 개발에 있어서 뒤를 쫓는 것이 아니라 창조적인 연구 테마를 통해 요소 개발 및 가공 현상에 역점을 두고 착실하게 수준을 올려야 한다.

 

해외에서는 (1)파이버 레이저의 보급과 장치의 클래스1’, (2)단펄스 레이저의 파이버화와 산업 응용의 가속화, (3)IoT의 확대와 스마트 공장화, (4)여러 가지 빔에 의한 재료 표면에서의 간섭 현상을 가공에서 이용하는 등 가공 양상과 그 다양화, (5)빔 형성 등 가공에 적합한 광학계 연구, (6)유체 거동 연구 및 가공에 따른 특수 노즐 개발 등이 정력적으로 연구개발되고 있다. 당분간은 정밀 절단 가공, 미세한 제거 및 접합 가공, 광적층 조형 기술, 이렇게 3가지 분야가 산업계를 뒷받침하고 이끌어나갈 것으로 보인다.

 

기초 연구의 중요성을 지적받고 있는 상황에서 최근에 검증된 현상도 있다. 예를 들어, 레이저 발생기로부터는 일정한 형태의 빔이 출력되는데, 일단 재료에 조사(照射)되면 재료와 빛이 상대적으로 이동하는 레이저 가공에 있어서 재료상에서 발생하는 열원 스폿 현상은 일정하지 않으며 속도와 시간이 모두 변화한다. 이른바 가공 현장에서 생기는 다이내믹 현상이다. 이것은 장단 펄스 레이저의 가공 현상과도 관련된 부분이 있다.

 

이처럼, 정확하게 조사하지 않고 넘어가는 현상도 의외로 많다. 따라서 장기적으로 생산성을 향상시키고 효율성을 향상시키고자 AI를 올바로 사용하기 위해, 기계학습에 필요한 대량의 정확한 지도 데이터를 수집하는 것이 중요하며, 그 기본이 되는 가공의 기초 현상을 철저하게 해명해야 한다. 그런 의미에서는 첨단 레이저 기술을 실현하기까지는 아직 갈 길이 멀다고 할 수 있겠다.

 

출처 : https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00524817

 

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