빔 최적화로 레이저 잠재력 최대한 활용하기

레이저가 잠재력을 완전히 발휘하는지는 매개변수를 어떻게 설정하는지에 달려 있다. 이 부분에서 Primes의 PMM(Power-Measuring-Module, 파워 측정 모듈)과 FPM(Focus-Parameter-Monitor, 초점 매개변수 모니터)와 같은 레이저 진단 시스템을 사용하는 것이 유리하다.

Dr. 바발 슈툼프(Barbara Stumpp): 자유 기고가

핵심 내용

  • 레이저는 인더스트리 4.0에 가장 이상적인 공구이다. 레이저는 매우 유연하게 조정할 수 있고 효율적으로 제어 가능하며 설정 변경 시간은 무시할 만한 수준이다.
  • 제조 재현성에 필요한 레이저 빔 품질을 보장하기 위해 초점 및 성능 분석 장치를 사용할 수 있다.
  • 파워 측정 모듈 및 초점 매개변수 모니터와 같은 시스템은 연속적인 측정을 통해 최적의 레이저 매개변수를 확인하고 기록할 수 있다.

레이저는 어려움 없이 성형 가능한 품질로 테일러드 블랭크(Tailored Blanks) 접합과 경금속에서 고강도 강철 재료, 주철 및 니켈에 이르기까지 경량 구조를 보다 효율적으로 절단하고 용접할 수 있으며 그 이상도 가능하다. 디스크 레이저 및 섬유 레이저 분야의 새로운 기술이 등장하면서 지금까지 도달하지 못했던 포커싱 능력과 높은 성능으로 원격 용접이나 절단 과정에서 빠른 가공 속도가 가능해졌다.

레이저 용접 시 오버랩과 플랜지 그리고 양면 접근이 필요하지 않기 때문에 오늘날의 모든 판금 가공, 파이프 가공, 차체 구조용 프로파일 가공이 가능하고 새로운 설계 컨셉트가 가능하다. 레이저는 인더스트리 4.0에 가장 이상적인 공구이다. 레이저는 매우 유연하게 조정할 수 있고 효율적으로 제어 가능하며, 설정 변경 시간은 무시할 만한 수준이다. 따라서 레이저는 현재 제조 분야에서 최적의 공구 중 하나이지만, 높은 성능 밀도와 긴 작동 시간으로 인해 빔 매개변수가 변할 수도 있다.

제품 품질은 높이고 비용은 낮춘다

레이저 소스에서 이상적인 값을 갖는 레이저 빔은 로봇 핸드의 가공 지점까지 이르는 경로 상에 편향 미러나 빔 가이드 그리고 포커싱 유닛 등의 개입에 의해 변할 수 있다. 레이저 매개변수가 변하면 용접심 품질이 떨어지고, 부하를 받을 경우 용접심이 파손될 수 있다. 최악의 경우 작업자가 다치거나 시스템이 고장 날 수도 있다. 따라서 일정한 레이저 빔의 이점은 분명하다. 제품 품질은 높아지고 품질 관리 비용은 낮아진다. 용접심 테스트는 대부분 다양한 금속 공학적 시험이 필요하고, 그에 따라 시간과 비용이 많이 들어 생산에도 제동이 걸린다. 따라서 레이저 빔을 주기적으로 점검하면 시간과 비용을 절감하고 생산 비용도 많이 낮아질 수 있다.

재현성 측면은 특히 적층 가공에서도 중요하다. 빔 출력, 빔 위치, 초점의 빔 형태는 최적의 결과를 얻기 위해 전체 작업 필드에서 모든 레이어에 여러 빔이 가능하면 여러 시스템에 걸쳐 매우 안정적이어야 한다. 여기에서 생산 재현성을 위해 빔 품질을 보장하고 초점 및 출력 분석 장치가 필요하다. PMM(파워 측정 모듈)과 FPM(초점 매개변수 모니터)이 한 예이다. PMM은 제조 중에 레이저 출력을 빠르게 측정할 수 있고, FPM은 초점 측정을 출력 측정과 결합한 것이다. 두 측정 시스템은 거친 산업 환경에 맞게 설계되어, 온라인 초점 트랙커로 초점 위치를 실시간으로 파악하고 정보를 완성할 수 있다.

Beam Machine의 Modulo 250은 Siemens의 최신 컨트롤 시스템 Sinumerik One으로 작동하는 첫 번째 적층 제조 기계이다.

PMM은 레이저 출력을 열량계로 측정한다

FPM과 PMM 모두 견고한 하우징에 들어 있다. 프로세스 빔은 보호 창을 통해 들어간다. 대기 모드에서는 덮개가 입구 창을 덮고 있지만 필요한 경우 빔은 장치 내에서 레이저 빔 출력 측정을 위한 출력 빔과 빔 프로파일의 출력 밀도와 기하학적 치수 측정을 위한 진단 빔으로 분할된다. PMM은 레이저 출력을 열량계로 측정한다. 시험 편의 열용량과 레이저 조사로 인한 온도 상승 그리고 노출 시간을 이용하여 광 출력을 몇 초 만에 계산한다. 조사 시간 측정은 결과의 신뢰성을 높인다. 흡수기는 열전도를 통해 주변 공기로 냉각된다. 이는 시스템 측정 주파수를 다소 제한한다. 파워 측정 모듈은 기계 제어를 통해서만 작동된다.

초점 매개변수 모니터의 빔 입구에 있는 전기 셔터와 보호 유리가 측정 장치를 오염으로부터 보호한다. 레이저와 처리 헤드에서 나오는 빔은 편향 거울을 통해 장치에 들어간다. 출력 외에 카메라 기반 빔 분석 장치는 CCD 센서를 사용하여 빔 형상과 빔 위치를 측정한다. 마지막으로 필드버스 인터페이스는 측정 데이터를 시스템 컨트롤러로 전달하여, 컴퓨터가 따로 필요하지 않다.

FPM은 이미 많은 테스트를 통과하였다

PMM 시스템은 수년 동안 자동차 산업의 가혹한 환경에서 테스트되었다. FPM은 시장을 정복하는 과정에 있으며 이미 많은 실제 테스트를 통과하였다. 이 시스템은 최대 8kW의 레이저 출력과 0.1~2mm의 초점 직경과 함께 사용할 수 있다. 파워 측정 모듈과 초점 매개변수 모니터는 모든 관련 레이저 응용 분야에 적합하다. 파워 측정 시스템은 ±3%의 측정 정확도와 ±1.5%의 반복성으로 작동한다. FPM은 x 및 y 방향의 치수를 결정하여 레이저 빔이 일반적으로 원형이 아니라는 점을 고려한다. 파워 측정 모듈은 레이저 파워를 측정하는 데 약 15초가 필요하고, 초점 매개변수 모듈도 레이저 빔 파워와 빔 위치 그리고 빔 치수를 결정하는 데 거의 같은 시간이 필요하다.

측정을 통해 높은 시스템 안정성이 드러났다

“지능형 디자인, 수랭 방지, 출력 측정 및 출력 밀도 분포 측정의 조합이 FPM의 핵심 속성입니다. 또한 설치는 거의 ‘플러그 앤 플레이’ 방식입니다.”라고 Dr. Primes의 국제 기술 지원 및 영업 담당자인하랄트 슈베데가 FPM의 속성을 설명하였다. 측정 분석은 높은 재현성과 안정성을 보여준다.

빔 특성 연속 기록

파워 측정 모듈과 초점 매개변수 모니터는 인터페이스를 통해 직접 프로세스 컨트롤 시스템에 통합하고, 수 밀리 초 ~ 수 초 만에 전체 데이터 세트를 컨트롤 시스템에 전송할 수 있다. 이를 위해 다수의 필드버스 인터페이스가 제공되고, 이 가운데 고객이 선호하는 것을 선택할 수 있다. 이 두 측정 시스템으로 빔 특성을 연속적으로 기록할 수 있어 산업 영역에서 무시할 수 없는 이점이 되고 있다. 이 두 시스템은 품질 보장에만 기여하는 것이 아니라, 효율적인 상태 모니터링에도 이용할 수 있으며 시간 손실과 예상치 못한 시스템 정지도 예방한다.

레이저 빔 매개변수를 연속적으로 기록하는 것은 또 다른 이점도 제공한다. 레이저 매개변수를 알아야 프로세스를 각각의 구성품 지오메트리와 재료 선택에 따라 가장 적합하게 조정할 수 있고 프로세스 창 너비를 안전하게 산출할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 프로세스 창은 레이저 출력과 관련하여 경고 임곗값 ± 4%, 오류 임곗값 ±8%로 정할 수 있다. 이 크기는 프로세스 창에 크게 좌우된다.

고체 레이저를 이용한 용접은 대부분 로봇 가이드 방식으로 사용되어 기계 컨트롤에 대한 인터페이스로 용접 절차뿐만 아니라 측정 절차도 제어할 수 있다. 측정 절차에서는 먼저 레이저 포커싱 헤드가 각각의 측정 위치로 이동하고, 파워 측정 모듈과 초점 매개변수 모니터의 셔터가 열리며, 레이저가 지정된 시간 동안 조사된 후 PMM과 FPM의 셔터가 다시 닫힌다. 이후 포커싱 헤드가 다시 ‘정상적으로’ 작동된다. 측정 빈도를 사용자가 정하고 컨트롤 시스템에 저장한다. 이러한 절차는 보통 5회 ~ 10회의 용접 후에 이루어지고, 드물게는 안전 관련 부품 등에서는 용접 전에 매번 이루어진다. 조사된 에너지가 적절히 유지되는 경우(300J), 다음 측정까지 보통 30 ~ 60초가 경과한다.

빠른 오류 감지 가능

“기계에 통합 가능한 센서에서 빔 출력과 빔 위치 그리고 빔 치수를 측정하기 위한 초점 매개변수 모니터는 시장에서 유일합니다. 시스템 컨트롤에 연결하여 측정 결과를 자동으로 기록할 수 있고 신속한 오류 감지도 가능합니다. 작업자가 필요하지 않습니다. 그로 인해 레이저 재료 가공에서 빔 진단을 점점 많이 받아들이고 있습니다.”(하랄트 슈베데)