워터젯과 레이저빔을 결합한 가공 시스템

레이저 마이크로젯은 레이저빔이 머리카락 굵기의 물줄기를 따라간다. 이를 통해 부품은 열 손상으로부터 보호하고 섬세한 부품 가공이 가능해진다.

클라우스 폴라트(Klaus Vollrath): 자유 기고가

핵심 내용

  • Synova가 워터젯 안에서 레이저빔을 안내하는 레이저 가공 시스템을 만들었다. 이 시스템은 가공 결과에 매우 긍정적인 영향을 끼친다.
  • 워터젯으로 안내되는 레이저는 기존의 레이저 시스템에 비해 부품을 통과하는 경로에서 일정하게 초점이 유지할 수 있다.
  • 레이저 마이크로젯의 또 다른 장점은 두 자릿수 마이크로미터 범위의 매우 가는 갭이 형성될 만큼 레이저가 정밀하게 작동한다.

스위스 초정밀 제조업체인 Synova가 레이저 마이크로젯 프로세스를 개발하였다. 시계 무브먼트와 같은 초정밀 기계 부품과 의료 장비 그리고 전자 산업의 관련 부품을 미세 물줄기를 통한 레이저로 제조할 수 있다. 이 시스템으로 공구 제조사나 항공우주 산업 분야가 혜택을 누릴 수 있게 되었다. 레이저 마이크로젯이 시장에 나와 있었지만, Synova는 이를 완전 자동화하였다.

워터젯 레이저가 긴 구간에서 초점을 유지하는 반면(오른쪽), 레이저 빔의 강도는 초점을 지나면 매우 빠르게 약화된다(왼쪽).

기존의 레이저 가공에 비해 중대한 차이점

“레이저 마이크로젯 프로세스는 기본적으로 다른 모든 레이저 가공법과 차이가 있습니다.”(Dr. 아메데 츠리드, Synova S.A. 애플리케이션 R&D 디렉터) 이 시스템이 특이한 것은 냉각 방식에만 있는 것이 아니다. 에너지 집약적인 레이저 펄스가 짧지만 렌즈 대신 ‘광섬유’를 통해 층류로 흐르는 머리카락 가늘기의 워터젯을 통해 공작물로 안내된다. 워터젯은 약 50mm 거리까지 일정한 굵기를 유지하기 때문에, 워터젯 안에 있는 레이저빔은 표면 반사를 통해 초점이 맞추어진다(일반 레이저 시스템과 그렇지 않다). 실제 이런 방식으로 수직 방향의 매끄러운 표면을 갖는 깊은 커팅이 가능하다. 가공은 반복적인 단계를 통해 처음의 홈이 점점 깊어지며 커팅 부가 재료를 완전히 통과할 때까지 이루어진다. 이러한 레이저 펄스는 공작물에서 미세한 양의 재료를 일시적으로 용융시킨다. 이때 이런 현상이 일어나는 지점을 50 ~ 800bar의 압력으로 생성되는 워터젯이 안정적으로 냉각한다. 워터젯은 용융된 입자를 안전하고 신속하게 씻어내 배출시킨다. 이로 인해 표면이 청결하게 유지되고 가공되지 않은 재료의 특성과 일치하는 재료 특성이 형성된다. 또한 가는 ‘물 줄기’로 인해 플랭크 거칠기가 경미한 25 ~ 80µm의 좁은 커팅 갭이 가능하다. 경금속을 포함한 금속이나 광물, 세라믹, 반도체, 복합 재료 등을 가공할 수 있으며, 재료들의 경도도 중요하지 않다. 그에 비해 레이저는 다이아몬드를 포함하여 경질 재료 및 초경질 재료에서 강점을 발휘한다.

그렇지만 몇 가지 장애가 있다

Synova의 레이저 마이크로젯 프로세스를 위한 레이저 가공 시스템

“전통적인 공작기계 가공의 장점은 공구 매개변수가 매우 엄격한 공차로 정의한다는 점입니다.”(아메데 츠리드) 예를 들어, 직경 3mm의 드릴은 이 직경으로 정확하게 정의 가능한 깊이로 보어 홀을 만들 수 있다. 따라서 기계적인 가공 프로세스가 전체적으로 매우 우수하게 통제된다. 그에 비해 레이저 마이크로젯 프로세스에서는 상황이 보다 복잡하다. “우리는 이 프로세스를 구사하기 위해 수년 전부터 체계적이고 공격적인 혁신을 추구했습니다.”(아메데 츠리드) 이 혁신은 필수 매개변수를 모두 안정화하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 포괄적인 자동화를 가능하게 하는 특수 센서와 새로운 유형의 측정 방법 그리고 모니터링 방법을 개발하였다. 최대한 폭넓은 폐쇄 회로를 통해 작업 결과가 가능한 엄격한 공차를 충족하도록 프로세스를 제어한다. 시스템의 매개변수 안정화로 인더스트리 4.0이 제시하는 요건을 충족하는 길을 열었고 그 목표에 점점 가까워졌다. 오늘날 많은 레이저 마이크로젯 시스템은 안전하고, 취급하기 어렵지 않기 때문에 작업장 수준에서 숙련 인력들도 조작할 수 있다.

지금까지 구현된 많은 특허들 가운데 가장 중요한 것을 여기에서 소개하고자 한다. “금속 공구는 길이와 직경, 가공 매개변수가 정확하게 정의되지만, 레이저 마이크로젯은 작동하는 데 훨씬 많은 노력이 필요합니다.”(아메데 츠리드) 예를 들어, 레이저 출력과 워터제트 흐름의 일관성과 균일성이 부분적으로 크게 달라질 수 있고, 이는 구현 가능한 절삭 능력을 저하시키기 때문에, 자동 제어 메커니즘 패키지를 개발하였다. 이 패키지는 중요한 매개변수를 보완하는데, 이때 레이저 빔을 워터 제트 중앙에 정확하게 위치시키는 것이 중요하다.

카메라 시스템이 가공할 공작물의 위치와 정렬을 결정한다.

Makino와 공동 개발한 프로세스는 카메라 시스템을 기반으로 한다. 이 카메라 시스템은 해상도 1µm로 노즐 내부에서 레이저 빔의 위치를 파악하고 액추에이터를 통해 노즐 개구부 중앙으로 정확하게 이동시킨다. 공작물 표면에 작용하는 레이저 빔의 에너지를 정확하게 결정하기 위해 특수한 측정 셀을 개발하였다. 빔 각도를 정확하게 제어하는 것도 중요하다. 헤드에서 생성되는 빔은 기술적 요인에 의해 빔 헤드의 수직 축에 대해 대체적으로 작지만 중요한 각도 오차를 갖는다. 이러한 오차는 교정 장치의 날카로운 모서리에 빔이 ‘접촉’되면서 감지된다. 이 교정 장치는 기계에서 마이크로미터 수준의 정확도로 레이저 워터젯의 위치를 결정하며, 자동 재조정을 통해 전체 빔 헤드의 경사각을 수정한다.

또 다른 중요한 측면은 노즐에서 나온 후 워터젯의 층류성과 관련된 것으로, 층류성은 주변 공기와의 경계면에서 레이저 빛의 전반사를 위한 전제 조건이 된다. 층류성 품질은 노즐에서 발생하는 마모로 인해 저하되며, 이는 공작물에 작용하는 레이저 펄스의 영향을 감소시킨다. Synova는 이를 감지하기 위해 라만 방사선을 측정하는 특수 센서 유닛을 개발하였다. 라만 방사선이 제트의 상당 구간에 걸쳐 위치와 시간 측면에서 안정적이면 센서 유닛이 노즐 품질이 우수하다는 의미이며, 라만 방사선이 감소하거나 변동하는 경우 노즐을 교체해야 한다.

공작물 위치 및 정렬을 올바르게 파악한다

“전통적인 가공법과 마찬가지로 레이저 마이크로젯도 공작물의 위치와 정렬을 측정해야 합니다.”(아메데 츠리드) 이를 위해 센서나 카메라 시스템을 선택적으로 사용할 수 있다. 카메라 시스템의 경우 공작물에 광학 인식 마크와 레퍼런스 마크를 표시하여 카메라가 이를 자동으로 파악한다. 이 장치를 이용하여 공작물의 위치를 X, Y, Z 방향과 각도 오차를 자동으로 결정할 수 있다. 재료가 관통하는 것을 확인하기 위해 두 가지 방법이 개발되었다. 이 방법들은 공작물에서 반사되는 방사선의 강도를 등록한다. 3D 가공을 위해 헤드에도 사용하는 첫 번째 버전의 경우, 레이저 유닛에서 직접 측정이 이루어진다. 그에 비해 2D 헤드에서는 반사 빔이 먼저 전환되어 광 섬유를 통해 센서로 안내된다. 관통 구는 미리 정의된 임곗값과 비교하여 감지한다. 이러한 신호는 목적에 따라 다르게 사용할 수 있다. 천연 다이아몬드와 같이 벽 두께가 변하는 부품을 가공하는 경우, 위의 방법을 통해 전체 가공 시간을 줄일 수 있다.

레이저 마이크로젯의 레이저 빔이 얼마나 정확하게 작업하는지 우측에서 비교적 확인할 수 있다. 레이저 빔이 니켈 베이스 합금을 뚫고 원통형 구멍을 만들었다.

웨이퍼용 플라즈마 에칭 챔버에서 가스 처리에 허용하는 7mm 두께의 대형 실리콘 웨이퍼에 슬롯을 절삭할 경우 사이클 시간을 10 ~ 15% 줄일 수 있다. “현재는 3D 가공 또는 퀵체인지 헤드와 같은 프로젝트를 연구하고 있습니다.”(아메데 츠리드) 3D 가공과 터닝 시에 가공 깊이를 확인하는 센서가 함께 작동한다. 가능한 적용 분야는 절삭 공구에 칩브레이킹 형상을 만드는 경우와 시계 산업을 위한 초정밀 선삭 부품 제조이다. 또한 퀵체인지 헤드를 개발하여 셋업 시간을 줄이는 점에도 많은 절감 잠재력이 있지만, 유감스럽게도 현재는 두 번째 커플링 피스를 사용하는 임시 솔루션만 있다. 시스템 밖에서 헤드에 새 노즐을 장착할 수 있다면, 지금까지 걸리던 20분이 아닌 약 10분 만에 교체할 수 있을 것이라고 아메데 츠리드는 아쉬움을 남겼다.