하이브리드 워터젯-레이저 가공, CFRP·CMC 부품 효율성 향상

탄소섬유강화폴리머(CFRP)와 세라믹 매트릭스 복합재(CMC) 소재가 항공기 엔진, 우주 부품, 극초음속 응용 분야에 확산되면서, 정밀도와 효율이 프로그램 결과를 가르는 가공 이슈가 대두되고 있다. CFRP와 CMC에 고신뢰도·고정밀 피처를 가공하려 할 때 경도와 마모성으로 인해 가공 속도 저하, 소재 물성 악영향, 부품 사양 미달, 공구 교체 반복 등 높은 운영 비용이 발생한다.

이 과제 해결을 위해 다양한 레이저 기술이 첨단 복합재 가공용으로 개발됐다. 레이저는 효율 증대와 반복 공구 비용 제거 잠재력을 제공하지만, 발생 열이 소재로 확산돼 미세 크랙과 소재 변형 가능성이 있다. 레이저는 빛 빔 초점에서 절단돼 V자형 절단면이 생기는데, 이는 정밀 공차에 문제가 될 수 있다.

시노바(Synova, 스위스 뒤일리에)가 개발한 레이저 마이크로젯(Laser MicroJet) 기술은 레이저 빔을 워터젯 내부에 완전히 가둔다. 레이저는 공기-물 경계면에서 반사돼(광섬유와 유사 원리) 물이 절단 구역을 냉각하고 커프(kerf)에서 이물질을 씻어낸다. 기존 레이저 대비 레이저 마이크로젯의 장점으로는 열화·탄화 없음, 적은 버(burr)로 매끄러운 표면, 직선 절단면, 높은 정밀도 등이 보고된다.

CW는 2017년 GE 에비에이션(GE Aviation) 미국 노스캐롤라이나주 애슈빌 CMC 엔진 부품 생산 공장 견학에서 레이저 마이크로젯을 처음 접했다. 여기선 LEAP 항공기 엔진용 CMC 슈라우드(shroud) 홀 가공에 쓰인다. "이 기술로 홀 직경의 높은 정확도를 유지합니다"라고 GE 에비에이션 CMC 생산 매니저 라이언 허스(Ryan Huth)는 말한다. "마이크로젯으로 이 홀들을 2분 만에 뚫는데 기존 가공으론 1시간 걸립니다." CW 자매지 모던 머신 숍(Modern Machine Shop)도 레이저 마이크로젯 정보 기사를 게재한 바 있다.

물과 빛의 힘

시노바는 1997년 베른홀트 리허르차겐(Dr. Bernold Richerzhagen) 박사가 1990년대 스위스 연방공대(EPFL, 로잔) 연구 후 레이저 마이크로젯 기술을 특허 내며 설립됐다. 2001년 반도체 웨이퍼 다이싱에 광범위 채택됐다. 2003년 미국, 일본, 인도, 한국에 현지 법인 설립, 근래 대만과 중국 확장 예정. 2009년 마키노 밀링 머신(Makino Milling Machine Co. Ltd., 일본 도쿄)과 협력 개발 파트너십 체결, 의료기기, 시계 메커니즘, 가스터빈·제트엔진 터빈 블레이드, 반도체 소재, 초경 소재 절삭 공구 등 신규 머신 시리즈 개발·발전시켰다.

레이저 마이크로젯 시스템에서 레이저 빔은 가압 수조 챔버를 통과해 노즐에 초점 맞춰진다. 레이저는 일반적인 산업용 타입(고체 상태 Nd:YAG)으로 10~200와트 출력, 1,064nm(적외선), 532nm, 355nm 파장. 머리카락 굵기(50~70미크론)의 여과된 탈ion수 제트가 200~650바 저압으로 사용된다. 이로써 물 소비량은 시간당 2~3리터, 소재에 가해지는 힘은 0.1뉴턴 미만으로 무시할 만하다.

물 속에서 어떻게 효율적 레이저 에이블레이션(ablation)이 가능할까? "레이저가 초당 약 10,000회 펄스됩니다"라고 시노바 미국 비즈니스 매니저 자크 코데르(Jacques Coderre)는 설명한다. "각 레이저 펄스마다 플라즈마가 생성돼 물을 위로 밀어내며 에이블레이션이 일어납니다. 펄스 끝에서 플라즈마가 붕괴되고 물이 표면을 세척하고 열을 발산시킵니다." 워터젯이 건식 레이저 시스템에서 통상 필요한 레이저 초점 유지의 복잡성과 공정 변이도 제거한다고 그는 덧붙인다. "이로써 초점 걱정 없이 두껍거나 평평하지 않은 부품 절단이 가능합니다. 기술은 원통형 레이저를 만들어 완벽한 평행 벽면과 타이트한 커프 폭을 만듭니다."

복합재용 구성

레이저 마이크로젯은 CMC뿐 아니라 CFRP와 적층 라미네이트에도 우수한 성능을 보인다. 테스트 중 2.6mm 두께 CFRP 라미네이트에 3mm 직경 홀을 최대 분속 1,440mm 속도로 가공했다. "기존 레이저론 열 때문에 속도를 늦춰야 합니다"라고 코데르는 지적한다. "일반 밀링도 비슷한 속도 가능하지만 공구 교체 필요로 운영 비용이 더 높습니다."

레이저 마이크로젯은 1인치(25.4mm) 두께 CMC 라미네이트 절단 가능. "속도는 꽤 일정한 에이블레이션 비율 1mm³/분 기반입니다"라며 코데르는 관찰한다.

시노바는 다양한 머신을 보유하며 작년 5축 CNC LCS 305 시스템 출시. "이 머신은 고정밀 3D 절단에 뛰어나 소형 CMC 부품에 적합합니다"라며 코데르는 설명한다. "하지만 대형 CFRP 부품엔 맞지 않습니다." 이를 위해 시노바는 레이저 마이크로젯을 2m × 3m 이상 부품 가공 가능한 갠트리 머신에 통합했다. "로봇과 통합하기도 쉽고 프로그래밍도 쉽습니다." 2D 절단은 마이크로젯 소프트웨어가 CAD 파일을 머신 코드로 변환. 검증 후 운영자가 버튼만 누르면 절단 루틴 수행. 3D 절단은 포스트프로세서가 CAD 파일에서 필요 3D 데이터 추출해 레이저 마이크로젯용으로 포맷.

팩토리 4.0 역량으로 레이저 파워 미터, 포지셔닝 센서, 자동 제트 각도 보정이 레이저 마이크로젯 시스템에 통합됐다. "매우 유연해 단독 시스템이나 완전 자동화 라인의 운영자 없는 대량 생산 일부로 부품 생산에 쉽게 통합 가능합니다"라고 코데르는 말한다. 기술은 LEAP 항공기 엔진용 CMC 부품에서 이미 검증됐다. "복합재엔 더 빠른 생산 속도, 낮은 운영 비용, 높은 신뢰성, 높은 수율로 제조 비용 절감을 제공합니다." 새로운 소재, 시장, 경쟁 금속 기술이 계속 진화하는 가운데 복합재에 꼭 필요한 효율성이다.