모바일 엑시머 레이저를 활용한
로봇식 CFRP 세척

과제

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 물리적 강도와 경량의 고유한 특성을 충실히 겸비한 복합 소재로서 특히 항공기 구조물에 적합합니다. 특히 항공기 구조물에 적합합니다. CFRP을 기반으로 한 항공기 제조에서 한 가지 중요한 생산 단계는 날개 및 기체와 같은 하위 어셈블리의 외부 표면에 보호용 래커를 도포하는 것입니다. 하지만 개별 CFRP 부품을 기존에 형성되어 있는 몰드에서 박리하기 위해 사용되는 화학적 이형제는 추후에 적용된 코팅 또는 접착물의 접착성을 떨어뜨리는 잔여물을 표면에 남깁니다. 현재까지는 작업자가 용제 세척과 함께 수동 그라인딩 작업으로 재생력에 의존하고 있습니다. 자동화를 통해 이러한 표면 오염물을 제거하기 위해 강옥 블래스팅과 여러 가지의 레이저 기반 기술을 포함하여 다양한 방법이 모색되고 있습니다. 엑시머 레이저는 CFRP 파이버에 손상을 입히지 않으며 공정 속도와 비접촉 표면 처리의 최적의 조합을 제공하므로 이러한 작업에 적합한 유망한 툴로서 각광받고 있습니다. 하지만 대부분의 엑시머 레이저는 물리적으로 크고 무거워 로봇식 암에 장착하기가 어려우며 큰 규모의 구조에 자동으로 이동할 수가 없기에 작업 표면에 빔을 적용할 수 있는 복소 빔 전달 광학 장치가 장착되어야 합니다. 독일 브레멘에 위치한 Fraunhofer IFAM(Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials)은 로봇식 자동화에 적합한 간편한 엑시머 레이저 기반 솔루션을 개발하고 있습니다.

솔루션

Fraunhofer IFAM은 물리적으로 작은 형태(650x300x400mm)의 출력 특성과 상대적으로 가벼운(66kg) 패키지 간의 고유한 조합을 제공하는 Coherent의 ExciStar 1000 엑시머 레이저를 활용하고 있습니다. 이를 통해 레이저가 로봇식 암의 말단부에 장착될 수 있기에 필요 시 많은 3차원 부품 윤곽에 따라 가공할 부품 표면을 빠르게 이동할 수 있습니다. 간단하고 곧바로 정렬된 광학 장치가 이 구성에 필요합니다.

결과

ExciStar의 높은 반복률(1000Hz)과 펄스 에너지(10mJ)는 부품 표면에서 레이저 빔의 신속한 처리와 지속적인 움직임을 가능하게 합니다. 일반적으로 CFRP 구조의 모든 지점은 2~10개의 레이저 펄스에 노출되어 표면 오염을 완전히 제거합니다. 이 방법을 사용하면 가공 속도는 최대 10m2/h까지 가능합니다. 현재, 레이저 가공 및 설치는 로봇에 의한 샘플 이동을 통한 로봇식 자동화에 맞춰져 있으며 ExciStar 시스템의 직접적인 로봇식 이동이 다음 단계가 됩니다.

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