디퍼렌셜 하우징을 위한 이중 레이저 용접

에너지 정책이 모빌리티 세상을 바꾸고 있다. 하이브리드 자동차와 전기 자동차는 최신 기어를 필요로 한다. 이런 맥락에서 한 기계에서 두 대의 레이저로 디퍼렌셜 기어를 제조하는 것이 보다 생산적이라 할 수 있다.

Dr.안드레아스 무츠(Andreas Mootz): Emag Automation GmbH 대표, 생산 레이저 용접 기술 개발 담당.

하이브리드 자동차, 완전 전기자동차 또는 연료셀을 장착한 자동차 여하튼 미래의 모빌리티는 열려있고 흥미진진하다. 한 가지 확실한 점은 변화가 이미 시작되었고, 이 변화를 위해 제조 산업은 유연한 솔루션을 찾아내야 한다는 것이다. 이런 큰 변화 외에도 새로운 제품의 성공에 있어서 결정적인 역할을 하는 수많은 작은 변화들이 현재 일어나고 있다. 디퍼렌셜 기어와 같은 전통적인 부품들은 드라이브를 위한 에너지 형태가 어떤 것이든 상관없이 미래에도 만들어질 것이다. Emag은 디퍼렌셜과 관련한 제조 솔루션을 제공하고 있는데, 특히 중요한 제품은 디퍼렌셜 하우징과 크라운 기어의 레이저 용접을 위한 시스템으로, 이 시스템은 Emag 레이저 셀 ELC 250 DUO를 기반으로 하고 있다.

크라운 기어와 디퍼렌셜 하우징 연결하기

기어 구성품 제작의 최적화에 대해서 말한다면, 두 가지 측면에 초점을 맞추게 된다. 하나는 품질이나 무게와 관련한 구성품 자체의 최적화이고, 또 하나는 구성품 비용을 낮추기 위한 제조 공정 개선이다. 레이저 용접 기술이, 레이저 용접기 ELC 250 DUO가 이런 두 가지 경우에 결정적인 장점을 제공하고 있다.

크라운 기어와 디퍼렌셜 하우징 사이의 „전통적인“ 나사 체결부를 대체하는 이 방법은 두 개의 “핵심“ 즉 무게 절감과 비용 축소할 수 있다. 이 두가지는 차축 드라이브를 제조하는 업체라면 누구든 솔깃할 문제이다. 용접 제작한 디퍼렌셜은 승용차 드라이브의 경우 약 0.6 ~ 1.2 kg 정도 무게가 절감된다. 고강도 나사를 포함하여 절삭과 조립 조작을 생략하고 재료를 적게 사용한다는 점을 생각해보면 비용도 확실히 절감된다. 그렇다면 특수한 요건과 관련하여 유의해야 할 점은 무엇인가? 우선 사용하는 재료들이 각기 다르다. 디퍼렌셜 하우징은 주조 재료로 제조하는 반면, 크라운 기어는 표면 경화강으로 제조한다. 재료 경도로 인해 캐스팅 용접은 까다로운 공정이며, 주조 공정을 반드시 각각의 구성품에 맞추어 조정해야 한다. 또다른 문제는 디퍼렌셜 하우징을 사전 조립함으로써 생겨난다. 앞선 제조 공정에서 발생하는 오일이나 조립 페이스트 같은 오염물이 용접을 방해할 수 있고, 그로 인해 용접 심에 균열을 초래할 수 있고, 용접 구역의 청소도 불가피하다.

ELC 250 DUO – 디퍼렌셜 하우징 가공용 완성 레이저 용접기. 더블 스핀들 디자인으로 작업 스핀들을 동시에 로딩과 언로딩할 수 있는 2-스테이션 모드가 가능하다.

더블 스핀들 머신이 지향하는 바는 생산성이다

대체로 인산염으로 표면을 처리하는 크라운 기어도 마찬가지이다. 인산염 처리가 용접 강도를 저하하므로, 구성품 세척이 필요하다. Emag Automation는 이미 디퍼레셜 접합 및 레이저 용접을 위한 20개 이상의 완성 시스템을 제공하며, 이들은 각각 자동화 정도, 유연성, 레이아웃, 프로세스를 고객 별로 완벽하게 조정한다. 각 시스템의 핵심부는 레이저 용접기 ELC 250 DUO이며, 이 역시 Emag Automation이 개발, 제작한다. ELC 250 DUO를 생각하면, 먼저 두 개의 작업 공간이 떠오른다. 기계의 더블 스핀들 설계는 전체 시스템의 생산성에 방향을 맞추고 있다. 이때 ELC 250 DUO는 셀프 로딩되는 작업 스핀들의 전형적인 Emag Pick-up 원리를 충족한다. Pick-up 스핀들은 여러 장점을 제공한다. 이 원리 덕분에 광학 장치를 고정 설치할 수 있다. 공작물은 움직이지만 공구는 움직이지 않기 때문이다. 또 동시적인 타임 사이클로 로딩과 언로딩이 가능하며, 이는 다운타임을 줄일 수 있다. 이로 인해 고정 장착된 광학 장치를 통해 안전 측면에서 장점이 있다. 즉 레이저가 항상 기계 내부를 향하여 사용자를 보호하고, 고정된 광학 장치는 최적의 공정 안전을 의미한다. 전체 레이저 기술 및 로지스틱스가 레이저 작동을 중심으로 한 번에 셋업되어야 하고 그런 다음은 변함없이 유지되기 때문이다. 그로부터 생겨나는 작동 안전성 상승과 우수한 정비 특성과 같은 장점들은 전문가라면 단번에 알 수 있다. 광학 시스템은 극도로 간단하고 견고하다. 공작 기계 제조 분야의 Emag 노하우와 연결하면 매우 정밀하고 안정적인 제조 솔루션이 생기고, 이는 공정 안정적인 대량 양산의 전제 조건이기도 하다.

ELC 250 DUO 작업 공간을 들여다보면 Pick-up 스핀들이 잘 보인다.

안전한 대량 양산을 위한 공정상 모든 전제 조건

최적의 빔 가이던스와 산발적인 진공 배출이 용접 공정 시 광학 장치의 오염을 방지한다. ELC 250 DUO는 구성품 요건과 고객 주문에 따라 최신 레이저 기술을 구비한다. 가공은 ELC 250 DUO 내 두 개 스테이션에서 이루어지지만, 필요한 레이저 소스는 하나이다. 이 레이저 빔은 두 개의 용접 스테이션 사이를 왕래한다. 빔 스위치가 포커싱 옵틱 사이에서 레이저 전환을 제어한다. 따라서 레이저 부하가 최적화되고 레이저 용접 시스템의 생산성이 올라간다. 기계의 높은 기본 정확도와 장비 장착(추가 센서 장치, 브러시)의 유연성을 결합함으로써 이 완성 시스템이 시장에서 크게 성공할 수 있는 근거를 마련하였다. 이 레이저 용접기의 장점은 다음과 같다.

■ 높은 출력 밀도;

■ 높은 공정 속도;

■ 보다 낮은 열 부하와 구성품 변형 최소화;

■ 높은 공정 안전성;

■ 최신 고체 레이저 사용.

프로세스 개발은 Emag 서비스에 통합된 한 요소이다. 공작물들은 각각 다르고, 고객마다 요건도 다르다. Emag은 자사의 제조 콘셉트로 레이저 용접을 이용한 기어휠 제조에 대한 산업 표준을 세웠다는 점에 자부심을 느낀다. Emag Automation은 최신 레이저 용접기 제조사일 뿐만 아니라, 무엇보다도 자신을 완성 제조 시스템의 개발자로 생각하고 있으며, 이러한 자기 이해로 시장에서 크게 성공하였다.

Emag Automation은 파워트레인 콤포넌트뿐만 아니라, 피트먼암 샤프트, 캠샤프트 등 차량 컴포넌트의 레이저 용접과 관련하여 고객별 제조 솔루션을 제공한다. Emag Automation은 용접 공정과 레이저 용접기만 생각하는 것이 아니라, 자동화와 부품 로지스틱스, 클램핑 수단, 부품 세척에서 업체 내 초음파 검사 기술을 제조 시스템에 통합하고 이를 이용하여 자동차 산업에서 레이저 기술을 이용하도록 더욱 촉진하는, „턴키 제공자“로 보아야 할 것이다.