파이버 레이저의 파워 업: 절단 성능의 혁명

절단 애플리케이션에서 파이버 레이저가 시장을 지배할 뿐만 아니라 품질도 향상되고 있습니다. 레이저 파워, 속도, 역량 증대로 새로운 애플리케이션이 가능해집니다.

포괄적인 레이저 절단 시스템 구현은 담대한 사람만 할 수 있는 작업이 아닙니다. 재정적 투자 외에도 레이저뿐만 아니라 전체 시스템을 계획해야 한다고 아마다 아메리카(Amada America Inc.) 레이저 사업부 제품 매니저 더스틴 딜(Dustin Diehl)은 말합니다. 설치 부지 선정과 로더, 언로더, 칠러, 컨트롤 등 레이저 유닛 및 장비 조달도 필요합니다. 마지막으로 전체 리포팅 및 피드백 루프에 시스템을 통합해야 합니다. 그 결과 놀랍게도 짧은 시간에 상당한 ROI를 창출할 수 있는 시스템이 완성됩니다.

레이저 절단의 형성기였던 CO2 레이저는 최신 파이버 레이저에 밀렸지만 여전히 시장에서 입지를 갖고 있습니다. 무라타 머시너리 USA(Murata Machinery USA Inc.) 북미 영업 매니저 제프 타일(Jeff Tyl)은 "현대 CO2 레이저는 일반적으로 1인치 이상의 소재 절단에 사용되며 깨끗한 절단이 가능합니다. 또한 테이블 크기 제한이 없습니다. 조선과 방위 같은 중요 산업에서 여전히 중요한 요소지만, 파이버 레이저가 기존 판금 애플리케이션에서 단연 가장 인기 있는 선택입니다."라고 설명했습니다.

오늘날 판매되는 대부분의 파이버 레이저는 1~6kW 범위지만, 더 높은 파워 구성은 특정 애플리케이션에서 진입하고 있으며 시장 존재감을 계속 키울 것입니다. 비스트로닉(Bystronic Inc.) 레이저 및 자동화 제품 매니저 브렌든 디빈첸조(Brendon DiVincenzo)는 "강재 서비스 센터는 현재 10~12kW 작동 능력을 가진 고출력 장치의 등장을 환영했습니다. 속도가 빨라짐에 따라 수요가 더 늘어날 것입니다."라고 말했습니다.

오늘날 파이버 레이저는 아마다의 딜이 언급한 것처럼 일반적으로 완전한 가공 시스템의 일부입니다. "레이저를 독립형 유닛으로 볼 수 없습니다. 시스템의 일부여야 합니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 고객과 함께 '숙제'를 해서 로딩, 언로딩, 유닛 자체 등 모든 모듈이 함께 엔지니어링된 패키지를 제공합니다. 파워는 방정식의 일부지만, 애플리케이션에 따라 전체 시스템을 고려해야 합니다."

파이버 레이저는 다양한 소재를 가공할 수 있는 다재다능함도 필요합니다. 예를 들어 아마다의 엔시스(ENSIS) 시리즈는 독자 파이버 레이저 기술로 절삭 렌즈 교체나 수동 설정 없이 얇은 소재와 두꺼운 소재 모두를 가공합니다. 3kW 파이버 엔진은 가공 중인 소재 두께에 따라 레이저 모드와 빔 파라미터 제품(BPP)을 최적화하는 아마다의 엔시스 기술을 적용합니다. 엔시스 시리즈는 얇은 소재 고속 절단(파이버 기술의 핵심 역량)과 후판 효율 가공이 모두 가능하다고 아마다 아메리카는 밝혔습니다.

절단 기술의 품질 향상

절단 기술의 개선은 파이버 레이저의 인기 증가에 중요한 요소입니다. "초기 파이버 유닛은 거친 모서리를 남기는 문제가 있었습니다."라고 트럼프(Trumpf Inc.) 레이저 영업 책임자 마크 브론스키(Mark Bronski)는 말했습니다. "추가 파워와 개선으로 5/8~3/4인치(15.9~19.05mm) 후판에서 CO2와 비교 가능한 마감을 달성할 수 있게 되었습니다."

MC 머시너리 시스템즈(MC Machinery Systems Inc.) 소프트웨어 시스템 매니저 행크 화이트(Hank White)는 고객이 레이저 파워 선택에 신중하다고 말했습니다. "8kW 시스템 시장 성장을 목격하지만, 고객은 개별 애플리케이션의 파워 요구사항을 매우 신중하게 결정합니다. 저출력 유닛으로 작업이 가능하면 그 카테고리에 머무르는데, 대형 유닛은 구매와 운영 비용이 더 들고 많은 경우 더 빠르지 않기 때문입니다."

특수 절단 분야

고출력 레이저 절단은 더 전문적인 분야에서 상당한 진전을 보이고 있습니다. 이에는 3D 애플리케이션, 홀메이킹, 코일 및 튜브 가공이 포함됩니다. 프리마 파워 레이저다인(Prima Power Laserdyne LLC) 영업 및 마케팅 부사장 마크 배리(Mark Barry)는 "2차원 절단에서 업계는 6kW 수요 증가를 보지만, 터빈 엔진 냉각 홀 드릴링 같은 고정밀 애플리케이션에서는 고출력 QCW(준연속파) 레이저가 필요한 정밀도를 제공합니다."라고 말했습니다.

BLM 그룹 USA 북미 레이저 제품 매니저 로버트 아델만(Robert Adelman)은 튜브 절단 애플리케이션에서 파워 요구사항이 3kW에서 5kW로 올라갔다고 말했습니다. "파이버 레이저는 모두 더 빠르고 빠르게 절단하지만, 튜브의 반대쪽 면을 항상 고려해야 하므로 평판 세계에서 일반적인 출력 파워를 사용하지는 않습니다. 이는 기존 2D 기계와 45°까지의 3D 유닛 모두에 해당합니다. 기계에 따라 직경은 1/2~24인치(12.7~610mm) OD 범위이며, 대형 기계는 드릴링과 탭핑도 가능합니다."

오하이오주 나폴레옹의 레이저코일 테크놀로지스(LaserCoil Technologies LLC)는 코일 블랭킹 작업에 통합할 레이저를 구매합니다. 제이 핀(Jay Finn) GM 겸 CTO는 "광학계에 확신이 생기면 파워를 올립니다. 현재 0.5~35mm 소재를 가공하면서 원하는 엣지 품질을 내는 시스템에 8kW 레이저를 사용합니다. 우리 시스템 대부분은 다중 헤드를 갖추고 완전한 자재 처리 시스템을 포함합니다."

레이저와 자동화의 결합

파이버 레이저에서 자동화는 삶의 일부입니다. 소규모 공장이 간단한 로딩 시스템으로 시작할 수 있지만, 곧 전체 잠재력을 발휘하려면 더 많은 구성요소가 필요함을 깨닫게 됩니다. 그러면 상당한 계획과 헌신이 필요함이 명확해집니다.

주요 고려사항 중 하나는 공간입니다. 레이저는 오염물질이 적당히 차단되고 추가 자동화 장비를 위한 충분한 공간을 갖춘 전용 구역이 필요합니다. 아마다의 딜은 "평방피트당 달러를 추정하는 것이 현명합니다. 진입 전 다양한 모듈러 시스템을 숙지해 설치 진행 방식을 이해하세요. 우리는 독립형 레이저를 거의 판매하지 않습니다. 우리가 제공하는 시스템은 확장성과 유연성을 지향합니다. 생산 속도를 고려할 때 주요 과제는 기계에서 나오는 부품 스트림 관리입니다."라고 말했습니다.

비스트로닉의 디빈첸조도 동의했습니다. "자동화는 대형 OEM과 소규모 공장 모두에 중요한 요소지만 공정 니즈는 다릅니다. 예를 들어 강재 서비스 센터는 주로 '레이저 베드를 통과하는 톤수' 측면의 양에 관심이 있는 반면, 잡숍은 속도와 효율적인 자재 흐름을 추구합니다." 구성요소의 다양성으로 사용자는 자신에게 맞는 개별 자동화 전략을 개발할 수 있게 되었습니다.

무라타 머시너리의 타일은 "우리는 크게 세 가지 시스템을 판매합니다. 팔레트 로더, 4~8단 서랍 타워, 파트 소터 시스템. 타워가 소재를 공급하고 파트 소터 시스템이 절단된 부품을 다음 스테이션으로 이송합니다. 앞으로는 다기능 하이브리드 레이저가 인기를 끌 것으로 봅니다." 소규모 공장은 비용 제약이 있을 수 있습니다. "다양한 소재를 사용하는 공장은 단일 팔레트 로더를 프로그래밍해 진입할 수 있습니다. 비즈니스가 성장하면 빠른 ROI 덕분에 자동화가 거부할 수 없는 선택이 됩니다."

절단 자동화가 생산 증대를 이끌면 추가 자동화가 필요해집니다. "후공정이 다음 개척 분야입니다. 엣지 클리닝과 성형이 포함됩니다."라고 MC 머시너리의 화이트는 말했습니다. "핵심은 서로 다른 제조사의 모듈을 통합 프로그램으로 끌어올 수 있는 소프트웨어 개발입니다."

튜빙의 다양한 형상과 구성에는 더 전문적인 접근이 필요합니다. "기존에는 튜브 레이저에서 맞춤 형상의 번들 로딩이 불가능했습니다."라고 BLM 그룹 USA의 아델만은 설명했습니다. "오늘날 튜브 레이저는 '땅콩' 같은 특수 형상을 자동으로 번들 로드할 수 있습니다. 특수 카메라를 사용해 튜브 방향을 감지해 적절한 클램핑과 부품 방향을 보장합니다."

"유연성이 코일 가공의 핵심입니다."라고 레이저코일의 핀은 설명했습니다. "우리가 판매하는 모든 시스템은 연속 및 인덱스 모드로 작동하며 어떤 유형의 스태킹과도 인터페이스할 수 있습니다. 또한 구형 기계식 블랭킹 장비와 동일한 설치 면적을 갖도록 모듈을 설계해 업데이트 과정을 용이하게 했습니다."

프리마 파워 레이저다인의 배리가 요약했습니다: "레이저 절단을 하려면 자동화도 해야 합니다. 레이저는 개별 품목이 아니라 구성요소입니다."

컨트롤, 자동화, 작업자

자동화 레이저 절단 시스템으로의 전환을 지원하는 다양한 정교한 컨트롤이 통합되어야 합니다. "이상적인 컨트롤 패러다임은 ERP 시스템과의 원활한 통합으로 관리 프로세스의 낭비를 없애는 것입니다. 성공의 핵심은 지속적인 모니터링과 유지보수 알림입니다. 목표는 비계획 다운타임 제로입니다."라고 트럼프의 브론스키는 말했습니다.

현대 자동화 시스템은 작업자의 위상을 크게 높였습니다. 이는 통합 시스템의 컨트롤 진화에서 특히 잘 드러납니다. 아마다 아메리카의 딜은 "20년 전 레이저 시스템 컨트롤은 비행기 콕핏만큼 복잡했습니다. 이제 아이패드처럼 터치스크린 인터페이스와 더 나은 그래픽을 제공합니다. 시스템은 더 나은 편집 기능과 크게 향상된 피드백을 가집니다. 작업자는 과거 또는 현재 알람의 서비스 이슈, 서비스 이력, 알람 상태를 원격 모니터링할 수 있습니다."

비스트로닉의 디빈첸조는 표준화된 컨트롤에 대한 고객 수요 증가를 언급했습니다. "고객은 레이저 절단 시스템뿐만 아니라 다른 기계 및 ERP 시스템과 인터페이스할 수 있는 호환 가능한 컨트롤을 요구합니다. 작업 주문을 처리하고 데이터와 부품을 다음 작업으로 전달합니다." 화이트도 동의하며 "프로세서 측면에서 각 제조사마다 고유한 '비법'이 있습니다. 그럼에도 표준화는 오고 있지만, 그에 따라 보안이 중요합니다."라고 덧붙였습니다.

컨트롤과 소프트웨어는 코일 가공에 엄청난 차이를 만들었습니다. 소프트웨어 시스템은 특정 코일 폭에 최적화된 절단 패턴으로 네스팅을 계산하고, 최상의 수율을 제공할 코일 폭을 결정할 수 있습니다. 핀은 "최종 네스팅은 코일 피딩 공정에 의존합니다. 선단부가 말단부와 일치해야 합니다. 채택을 쉽게 하기 위해 네스팅과 절단 경로 최적화를 자동화하는 소프트웨어를 개발했습니다. 이는 레이저를 운영에 도입하는 것을 덜 위협적으로 만듭니다."

컨트롤과 소프트웨어 시스템은 레이저 조작의 광범위한 발전을 만들었습니다. "기존 및 복잡한 부품 모두의 체인지오버 타임이 크게 개선되었습니다. 이제 펄스 단위로 파워를 변경할 수 있으며 반응 시간은 말 그대로 밀리초를 넘습니다."라고 프리마 파워 레이저다인의 배리는 말했습니다. "이는 다목적 작업에서 엄청난 유연성을 가능하게 했습니다. 예를 들어 어떤 각도에서든 어떤 형상의 홀을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 드릴링에서 용접으로 전환할 수 있습니다. 파워와 펄세이션을 조정해 탄소 매트릭스 복합재(CMC) 같은 신소재도 처리할 수 있습니다."

컨트롤은 튜브 소재 가공의 유연성도 발전시켰습니다. "최신 통합 시스템은 기계에서 작업을 떼어내 생산 계획 단계로 옮겼습니다."라고 BLM 그룹 USA의 아델만은 말했습니다. "이제 네스팅 소프트웨어는 부품을 작업에 네스팅할 뿐만 아니라 튜브 용접 심 방향 같은 필요한 옵션을 선택해 전체 생산 런을 생성할 수 있고, 초보 작업자는 자재 로딩과 부품 포장 관리에 집중할 수 있습니다. 컨트롤 기능은 생산 일정 생성과 정확한 작업 시간 및 비용 계산이 가능합니다. 고객이 다양한 컨트롤 역량의 혜택을 누릴 수 있도록 우리 시설과 고객 현장 모두에서 교육을 제공합니다."

파이버 레이저 품질 개선

파워와 컨트롤 기능의 조합 덕분에 오늘날 파이버 레이저는 품질 면에서 한 단계 도약했습니다. 이는 어느 정도 사용자 경험과 특정 소재 유형에 적합한 파라미터를 정의하는 컨트롤 능력 덕분입니다. "플로우 기술, 다이오드와 광학 활용 개선, 가스 혼합 비율 정의에 대한 더 세심한 관리가 모두 기여했습니다."라고 MC 머시너리 시스템즈의 화이트는 말했습니다. "레이저 헤드에서의 개선에도 불구하고 비용 방정식은 여전히 존재하며, 일부 사용자는 레이저 조절에 노력을 들이기보다 후속 마무리 공정을 채택하는 것이 더 경제적이라고 느낍니다."

품질 관리의 두 가지 가장 중요한 요소는 예방 유지보수와 자재 관리라고 트럼프의 브론스키는 말했습니다. "레이저 시스템의 복잡성은 높은 수준의 예방 유지보수를 요구하며, 교육은 절대적으로 필수적입니다. 또 다른 핵심 요소는 공정에 관여하는 자재입니다. 사용자는 고품질을 보장하기 위해 입고 자재를 검사해야 하며, 그렇지 않으면 성능에서 손해를 봅니다."

아마다 아메리카의 딜은 가스 혼합의 중요성을 언급했습니다. "적절한 가스 혼합 사용으로 2차 작업을 없앨 만큼 엣지 품질을 개선할 수 있습니다. 여과, 부스터 펌프, 저장 탱크를 이용한 사내 질소 생성의 인기 증가를 목격하고 있습니다. 또한 3D 이미징과 비전 시스템을 통한 부품 검사 트렌드도 있습니다."

속도 대비 품질의 균형은 여전히 주요 고려사항입니다. 시스템이 발전함에 따라 고속에서 품질 유지를 위한 노력에는 랙 앤 피니언 대신 고정밀 리니어 드라이브 사용, 서보 모터 채택이 포함되었습니다. 실시간 검사는 튜브와 코일 작업에서 핵심입니다. 스캐닝으로 튜브 소재의 꼬임을 감지하고 보정할 수 있습니다. 마찬가지로 코일 소재를 '온더플라이'로 검사해 적절한 품질 관리를 보장할 수 있습니다. 비스트로닉의 디빈첸조는 품질의 경제성을 요약했습니다: "이제 노동 비용이 아니라 노동 속도에 관한 것입니다."

레이저 절단과 자동화 기술의 개선이 진행됨에 따라 제조업체와 최종 사용자는 절단 작업뿐만 아니라 OEM의 경우 전체 제조 공정에 영향을 미칠 다양한 선택에 직면하게 될 것입니다. 레이저 속도와 더 광범위한 자동화의 도래는 조립 라인이 자동차 생산에 한 일을 제조 가공에도 가져올 수 있습니다.

최종 사용자 경험: 햇코(Hatco Corp.)

위스콘신주 스터전 베이에 제조 시설을 둔 밀워키 본사의 햇코(Hatco Corp.)는 상업용 식품 서비스 장비 제조업체입니다. 푸드워머, 푸드 머천다이저, 토스터 등 제품을 만듭니다. 생산 로트는 편의점이나 패스트푸드점에 납품하는 수백 대부터 특정 시설용 특수 기능 워머 1대까지 다양합니다. 회사 모토는 "단 1대의 경제적 주문 수량."

이 목표를 위해 회사는 최신 장비와 기술로 제조 시설을 지속적으로 확대하고 업데이트해왔습니다.

햇코 제조 부사장 스티브 크리스토퍼슨(Steve Christoferson)에 따르면 "많은 제조업체와 공장은 '부품 중심적'으로 개별 부품을 그 자체로 목적으로 봅니다. 햇코에서는 공정이 제품 중심이며, 우리 직원들이 한 지붕 아래 전체 공정을 볼 수 있어 긴밀한 재고 관리와 효율적인 제조 흐름 유지에 대한 끊임없는 인식이 있습니다."

크리스토퍼슨은 햇코의 레이저 경험이 꽤 오래되어 "초기 레이저의 느린 속도를 보는 게 고통스러웠습니다. 이제 속도와 품질 덕분에 파이버가 미래입니다."라고 회상했습니다.

현재 햇코는 미쓰비시 레이저 4대를 사용 중이며, 그중 3대는 CO2이고 최신 1대는 4kW 파이버 레이저입니다. 가공 금속은 24, 28게이지부터 후판까지 100가지 이상의 다양한 크기와 게이지, 스테인리스, 연강, 알루미늄을 포함합니다. 공차는 0.0001인치(2.54μm)까지 엄격할 수 있습니다. "우리가 제조하는 부품 중 많은 것이 3차원이어서 부품을 '펼쳐서' 올바른 절단 패턴을 얻어야 합니다. 원자재 수율 최적화를 위해 다이나믹 네스팅을 사용합니다."라고 크리스토퍼슨은 말했습니다.

레이저는 공장 전용 구역에 위치합니다. 미쓰비시 '리버(River)' FMS가 자재 입출고를 담당합니다. "우리가 원하는 자동화 시스템으로 전환하는 데 1년 꼬박 걸렸습니다."라고 크리스토퍼슨은 말했습니다. "우리 목적에 가장 경제적인 4kW 파이버 시스템을 선택했습니다. 소재 유형과 두께, 달성 가능한 절단 품질에 따라 4대 레이저에 작업이 배정됩니다." 레이저 구역은 향후 확장을 고려해 설계되었으며, 디버링(필요 시)과 벤딩 같은 후공정 인근에 위치합니다.

품질 측면에서 크리스토퍼슨은 "모든 작업자가 검사자입니다."라고 말했습니다. 햇코 직원들은 제조 공정의 복잡성을 이해하고 문제가 발견되면 개입할 수 있도록 여러 제조 분야에서 교육받습니다. 몇 년 전 회사가 직원들에게 인수되었고, 모든 구성원이 '소유권 이익'을 가지고 있습니다.

전 엔지니어링 책임자였던 데이브 롤스톤(Dave Rolston) 햇코 사장은 제조 현장에서 자주 볼 수 있습니다. "우리 장비의 품질과 레이저 구역에서 달성한 자동화 수준에 대단히 자랑스럽습니다."라고 롤스톤은 말했습니다. "하지만 결국 우리를 '최고 수준'으로 유지하는 것은 우리 직원들의 기술과 자부심입니다."