레이저 제조 공정 지속가능성 향상

레이저는 다양한 제조 공정에 사용되며, 최근 몇 년간 스펙트럼이 점점 더 넓어지고 있습니다. 센서 기술의 VCSEL, 배터리 셀 용접용 청색·녹색 레이저, 적층 제조용 고출력 파이버 레이저, 의료 기술용 양자 계단 레이저 등 레이저 기술은 현재 수많은 산업을 혁신하고 있습니다. 하지만 한 가지 눈에 띄는 점은 현대 생산 공장에서도 레이저 시스템 자체를 측정하여 레이저 기반 공정을 더 지속 가능하게 만들 기회가 종종 간과된다는 것입니다.

레이저 기반 공정에서 생산 품질을 높이고 문서화를 간소화하며 자원을 절약하는 많은 새로운 기술과 기기가 있습니다. 오늘날 로봇 셀의 매우 짧은 로딩 시간이나 적층 제조의 밀폐된 빌드 챔버에서 사이클 타임 중립적인 완전 자동 측정으로 빔 코스틱 전체를 특성화하는 것도 가능합니다.

위험을 동반한 역설

여러 해 동안 레이저 빔은 도구처럼 '무뎌지지 않기 때문에' 본질적으로 '유지보수 불필요'라는 지속적인 믿음이 있었습니다. 오늘날에도 최첨단 생산 설비에 투자하지만 레이저를 너무 드물게 측정하고 구식 측정 기술을 사용하는 회사가 여전히 있습니다. 현실은 레이저 공정이 시간이 지남에 따라 변한다는 것입니다. 업계 사람들은 초점 레이저 빔을 확인하는 것이 얼마나 중요한지 깨닫기 시작했습니다. 부품 품질에 대한 요구 증가와 많은 기업이 직면한 경제적 압박 외에도 지속가능성이 중요한 결정 요소가 되고 있습니다. 하지만 여기에서 레이저 기술과 환경 의식은 함께 가야 합니다. 목표는 명확합니다:

• 스크랩 없음
• 소재 소비 감소
• 에너지 소비 감소
• 재작업 최소화

공정 설계 시 한 가지를 명심해야 합니다: 레이저는 빔 전달만큼만 잘 작동합니다. 그리고 내장 구성 요소는 시간이 지남에 따라 마모되고 더러워집니다. 이는 종종 초점 직경을 전반적으로 키우거나 초점 위치를 이동시켜 더 큰 빔 직경을 초래합니다. 어느 경우든 가공 지점에서 전력 밀도를 감소시킵니다. 이러한 변화가 눈에 띄지 않으면 추가 비용이 발생합니다. 불량 부품의 소재 낭비 및/또는 문제 해결에 낭비되는 시간과 노동력. 실제 원인을 고치지 않고 공정 변화를 보상하기 위해 사용자는 가공 속도를 줄이고/또는 레이저 출력을 높입니다. 둘 다 에너지와 공정 가스 소비를 증가시킵니다. 즉, 요즘 누구도 원하거나 감당할 수 없는 일입니다!

초점 품질과 단위 비용

레이저 공정의 지속가능성을 높이기 위해 몇 가지 다른 진입점에서 시작할 수 있습니다. 첫째, 빔 초점이 전반적으로 어떻게 행동하는지, 레이저 출력과 초점 위치 변화가 공정에 어떤 영향을 미칠지 아는 것이 가장 중요합니다. 이러한 조사는 보통 개발 중에 수행됩니다.

[그림 1]은 초점 품질과 단위 비용 관계를 보여줍니다.

그러나 레이저 공정이 가동되면 측정을 통해 레이저가 개발 환경에서처럼 생산 환경에서도 여전히 작동하는지 알 수 있습니다. 작업이 계속됨에 따라 필수 유지보수 작업에는 광학 렌즈와 보호 윈도우 확인 및 필요시 교체가 포함됩니다. 오류와 불량이 발생하면 레이저 시스템을 빠르게 가동 상태로 되돌리는 방법을 정의하는 명확한 측정 전략을 갖는 것이 권장됩니다.

다음 절차가 보통 좋은 결과를 낳습니다:

1. 절단 노즐에서 빔 정렬 확인(해당 시).
2. 보호 윈도우 교체.
3. 빔 경로 정렬 확인.
4. 레이저 출력 빔의 전력과 빔 프로파일 확인.

측정해야 할 핵심 매개변수는 레이저 출력, 초점 직경, 초점 위치(x, y, z), 초점 이동, 빔 프로파일 및 발산, 빔 품질 M², BPP(빔 매개변수 곱)입니다. 그러나 이 모든 측정에 대해 어떤 측정 기술을 사용할지는 레이저 출력뿐만 아니라 레이저 출력 밀도도 알아야 결정해야 합니다.

레이저 출력 밀도는 단위 면적당 전력(와트/cm²)으로 정의됩니다. 초점 직경 변화(예: 잘못 냉각된 렌즈나 더러운 보호 윈도우로 인해)는 레이저 빔의 출력 밀도에 직접 영향을 미치며 여러 결과를 초래할 수 있습니다:

• 이동 속도를 줄여야 할 수 있습니다.
• 절단 또는 용접 공정에서 가공 부품 품질이 저하될 수 있습니다.
• 생산 시간과 전력 소비가 증가할 수 있으며, 가공에 사용되는 비싼 가스 필요성도 증가할 수 있습니다.
• 열영향부(HAZ)가 커져 교정, 디버링, 폴리싱 같은 후공정 마무리가 더 많이 필요합니다. 특정 상황에서는 감지되지 않은 제품 품질 저하로 강도 저하가 발생할 수 있습니다. 일단 인식되면 비용이 많이 드는 리콜로 이어질 수 있는 결함입니다.

이러한 기술적 효과는 필연적으로 비용과 지속가능성에 상당한 타격을 줍니다. 가공 지점의 빔 품질 편차가 클수록 에너지와 공정 가스에 더 많이 지출하게 됩니다.

효율적인 전력 측정

이러한 명확한 상관관계에도 불구하고 비평가들은 레이저 빔 측정이 너무 비싸고 기기가 너무 취약하다고 주장하곤 합니다. 하지만 산업 응용 분야에 최적으로 적응된 새로운 기술들이 있습니다.

예를 들어 MKS Instruments는 최근 레이저 응용 분야의 넓은 범위를 커버할 뿐만 아니라 꽤 작고 콤팩트하며 견고한 새로운 전력계를 출시했습니다. Ophir Ariel은 에너지를 빠르게 측정하여 최대 8kW 레이저 출력을 결정합니다. 연속 모드에서도 최대 500W 전력 수준을 측정할 수 있습니다. 440-550nm, 900-1100nm, 10.6µm, 2.94µm 등 다양한 파장 범위를 한 장치로 캘리브레이션하고 측정할 수 있습니다. 포함된 디퓨저를 쉽게 부착하여 빔 직경이 작을 때 같은 높은 출력 밀도에서도 기기가 작동하게 할 수 있습니다.

레이저 측정이 사용되는 산업 설정 종류를 고려할 때 시스템 설계는 견고해야 합니다. 가급적 충격방지, 방진, 방수이며 물이나 공기 냉각이 필요 없습니다. 이는 적층 제조나 로봇 셀에서처럼 밀폐된 빌드 챔버에서 측정을 가능하게 합니다. 측정값은 블루투스로 앱이나 PC에서 읽을 수 있고 고해상도 디스플레이에 직접 표시됩니다. 대안으로 내부 메모리에 저장하고 USB-C 인터페이스로 전송할 수 있습니다. 개발자, 운영자, 서비스 기술자는 이러한 콤팩트 기기로 레이저 전력을 빠르게 결정하여 공정 품질에 대한 첫인상을 얻을 수 있습니다.

자동화 공정

자동화 레이저 생산 시스템에서 성능 측정을 위해 물 냉각이 필요 없는 콤팩트하고 견고한 시스템도 있습니다. 이러한 시스템은 레이저 빔을 빠르고 안정적으로 측정하고 적절한 네트워크 인터페이스를 통해 중앙 데이터 저장 시스템으로 데이터를 전송합니다. 이러한 시스템에는 표준 RS232 인터페이스가 포함됩니다. Ophir Helios Plus 같은 더 현대적인 시스템은 Profinet 또는 Ethernet/IP 인터페이스도 가집니다. 열 측정 방법을 사용하여 이러한 장치는 단 몇 초 만에 10kW 이상의 레이저 출력을 결정할 수 있습니다.

배터리 팩 용접이나 연료전지 제조 같은 매우 복잡한 공정에서도 레이저 전력 사전 측정이 빠르고 정밀할 수 있습니다. 그러나 레이저 전력 측정은 더 복잡한 공정에 대한 첫눈에 불과하다는 점에 유의해야 합니다.

레이저 빔 코스틱에 대한 신뢰할 수 있는 결론을 내리기 위해서는 카메라 기반 측정 시스템이나 비접촉 측정 방법이 필요합니다. 그림 3 왼쪽은 결정된 빔 프로파일로 초점 위치를 찾기 위해 z축을 따라 이동해야 하는 카메라 기반 측정 장치를 보여줍니다. 따라서 초점 위치 급격한 변화를 감지하기 어렵습니다. 오른쪽은 비접촉 측정 기술의 개략적 표현으로, 빔 전체 코스틱이 한 번에 기록됨을 보여줍니다. 여기서 초점 위치 변화는 즉시 나타나며 공간과 시간으로 해상됩니다.

[그림 3]은 카메라 기반 vs 비접촉 측정 비교를 보여줍니다.

특히 자동화 생산 분야에서 레이저 빔 비접촉 측정은 밝은 미래가 있습니다. 기어박스나 배터리 팩 제조 같은 민감한 영역에서 새로운 제품들은 단일 시스템에 여러 측정 방법을 결합합니다. 예를 들어 Ophir BeamWatch Integrated 시스템에서는 비접촉 측정 기술로 빔 코스틱을 기록할 수 있고, 고출력 레이저용 수냉 측정 헤드가 레이저 전력을 결정하며, 측정 데이터가 통합 인터페이스(Profinet, Ethernet/IP, CC-Link, GigE)를 통해 생산 네트워크로 전달됩니다. 다양한 용접 헤드와 매개변수도 테스트할 수 있습니다. 비디오 프레임 속도로 빔을 포착하여 초점 이동을 준실시간으로 감지할 수 있습니다(그림 4). 여기서는 더러운 보호 윈도우가 초점 이동의 원인이었습니다.

[그림 4]는 초점 이동 감지 예시를 보여줍니다.

더 큰 지속가능성

레이저 시스템은 다양한 복잡한 제조 공정의 핵심입니다. 측정 기술의 새로운 혁신 덕분에 제조업체와 사용자는 이제 레이저 빔을 사전에 측정하기 위한 다양한 옵션을 가집니다. 핵심 레이저 매개변수를 빠르고 정확하게 기록하고 조정할 수 있습니다. 이는 공정이 최적 조건에서 실행되도록 보장하고, 낭비되는 에너지와 소재로 인한 추가 비용이 없으며, 제조된 제품이 최고 품질 요구사항을 충족하도록 합니다. 레이저 측정 기술은 따라서 지속가능한 생산에 크게 기여합니다.

이 기사는 Ophir(미국 유타주 노스로건) 비즈니스 개발 이사 Christian Dini가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.