협동 작업을 통한 정밀 레이저 용접 작업 개선

Photon Automation, Inc.(미국 인디애나주 그린필드)는 2000년부터 제조용 자동화 시스템을 설계 및 개발했습니다. Photon Automation은 생산성 증대 및 비용 절감 솔루션을 지속적으로 제공할 수 있는 능력 덕분에 매우 성공적인 비즈니스를 구축할 수 있었습니다. 현재는 에너지 저장, 의료 기기, 소비자 제품, 통신, 자동차 제조, 항공우주 등 다양한 분야에서 제품을 납품하고 있습니다.  

Photon Automation은 현재 애플리케이션 개발 연구실, 엔지니어링 사무실, 기계 제작소 및 제조 공간을 비롯하여 250,000ft²의 공간을 보유하고 있습니다. 맞춤형 자동화 시스템의 설계 및 구축 외에도, 애플리케이션 개발 서비스, 프로토타입 제조 및 테스트, 제조 가능성 설계(DFM) 컨설팅도 제공합니다. Photon Automation 제품은 반자동 독립형 도구 또는 설비부터 완전 자동화된 생산 라인에 이르기까지 다양합니다.

2023년 Photon Automation은 에너지 저장 분야용 버스바를 배터리 단자에 결합하는 용접 시스템에 대한 입찰을 요청 받았습니다. 입찰 요청자는 과거 다른 프로토타입 제작사와 레이저 용접 시스템 작업을 한 적이 있었지만 결과에 완전히 만족하지는 못했습니다. 

특히 최종 사용자가 수행한 용접 공정에서 상당한 양의 스패터가 생겼습니다. 입찰 요청자는 이 스패터가 일반적으로 용접 기공과 용접 강도의 부족과 관련이 있음을 알았습니다. 과거 Photon Automation과의 긍정적인 협업 경험을 바탕으로 이 회사가 문제의 근원을 파악하고 제거하는 데 필요한 용접 기술을 제공할 수 있을 것으로 판단했습니다. 또 Photon Automation이 이 모든 작업을 일정 안에 끝낼 수 있을 것으로 확신했습니다.  

성공적인 공정 식별

Photon Automation은 우선 미시간주 플리머스에 있는 Coherent 연구소에 연락했습니다. 조정 가능한 링 모드 파이버 레이저(ARM FL)를 사용하여 고객이 제공한 샘플에 대한 몇 가지 테스트를 할 것을 요청했습니다. 이 레이저에 대한 과거 경험에 따르면, 저면 반사 내성, 뛰어난 빔 품질 및 폐루프 전력 제어를 위한 고급 기능이라는 고유한 조합으로 이런 난해한 용접을 성공적으로 수행할 수 있었습니다. 

이 테스트를 통해 ARM FL의 기능을 확인했으며, 특히 레이저 전력이 전달되는 방법에 대한 공간적 및 시간적 제어를 제공하여 스패터 문제를 해결했습니다. 또한 테스트에서는 이 특정 공정 관련 부품의 두께 때문에 8kW의 전력이 필요함을 알 수 있었습니다. Photon Automation의 William Huffman 대표이사는 “우리는 ARM FL의 결과에 놀라지 않았습니다. 과거에도 이런 매우 까다로운 용접 공정을 잘 수행할 수 있음이 입증되었으니까요”라고 말했습니다. 

또 Coherent는 용접 인발 시험을 수행하여 기계적 강도를 측정했습니다. 이를 통해 ARM 파이버 레이저 공정으로 필수 접합 품질을 달성할 수 있음을 확인했습니다. 또한 Photon Automation은 자체 CT 스캐너를 사용하여 용접 단면을 자세히 볼 수 있었습니다. 겉으로 보기에는 좋아보여도 아래에는 결함이 존재할 수 있기 때문에 필요한 장비입니다. 연마 및 에칭 단면은 샘플의 앞뒤에는 기공이나 균열이 보일 수도 있고 보이지 않을 수도 있지만, CT 스캔은 3차원으로 전체 용접면을 보여줍니다.

ARM 레이저 용접의 CT 스캔에서 Photon Automation이 원했던 것을 확인했습니다. 용접 기공이 감소했고, 용접에서 응력 라이저의 농도가 낮아진 것입니다. 응력 라이저는 용접 조인트의 국소 영역에 응력이 집중되는 기능입니다. 이러한 응력 집중은 하중이나 진동이 일어날 때 균열이나 피로와 같은 고장의 가능성을 상당히 높일 수 있습니다. 

Photon Automation은 고객에게 CT 스캔을 포함한 용접 비교를 제시했습니다. 고객의 의사 결정에는 여러 요소가 관련되어 있었지만, Photon Automation은 입증된 용접 품질이 용접 시스템 생산 계약을 따낸 주요 결정 요인으로 판단합니다. 

속도 향상

초기 적용 테스트에서 ARM 파이버 레이저로 필요한 공정을 수행할 수 있음이 입증되었지만, Photon Automation은 이를 중심으로 생산에 바로 사용할 수 있는 도구를 개발하는 데 여전히 많은 노력이 필요하다는 것을 알고 있었습니다. 

가장 중심적인 문제 중 하나는 레이저의 고유한 속도 기능과 기타 주요 기능을 최대한 활용할 수 있는 제어 시스템을 만드는 것이었습니다. 특히 센터 및 링 빔에서 매우 빠르고 독립적으로 전력을 변경할 수 있는 ARM 파이버 레이저의 기능은 이러한 기능이 없는 다른 레이저에 비해 뚜렷한 이점을 가집니다. 이러한 기능을 최대한 활용하면 공정 품질이 향상되고 고객의 요구를 충족하는 처리율도 제공할 수 있을 것으로 기대했습니다. 

그러나 이 과제는 Photon Automation의 핵심 역량과도 직접적으로 연관이 있었습니다. 구체적으로는 레이저 소스, 빔 전달 시스템, 모션 제어 및 부품 처리 로봇을 가장 어려운 용접 작업을 수행하는 데 필요한 수준의 정밀도 및 제어 기능과 결합하는 능력이었습니다. 이 작업은 고가의 재료, 고성능 접합부 요건, 또는 매우 상이한 재료 같은 요소가 연관된 용접입니다. 이러한 모든 조건은 공정 윈도우를 줄이므로 더 높은 수준의 제어를 필요로 합니다.  

당시 Photon Automation에 제시한 기본 제공 제어 시스템의 지연 시간은 8ms~12ms였습니다. 컨트롤러가 전력 변경을 개시하는 시점과 레이저가 실제로 해당 변경에 응답하는 시점 사이의 이러한 지연은 리튬 이온 배터리 셀에 도체를 용접하려고 할 때 상당히 문제가 되었습니다. 그 이유는 레이저에서 전력을 변경할 수 있는 것보다 훨씬 빠르게 스캐너가 작업 표면에서 빔을 움직일 수 있었기 때문입니다. 

기존 제어 하드웨어의 지연 한계에 직면한 Photon의 소프트웨어 팀은 이렇게 정확히 규정할 수 없는 지연을 보상하기 위해 코드에 대기 시간을 포함해야 했습니다. Photon Automation의 엔지니어 Michael Dupont은 이러한 장애에 대한 보다 정밀한 해결책은 지연이 심한 하드웨어를 보정하기 위해 인공적인 지연으로 코드를 ‘속이는' 대신에 전용 신호 프로세서를 사용하는 것임을 알고 있었습니다. 

Michael은 Photon 관리 팀에 자신이 조립한 와이어로 감싼 마이크로프로세서 기반 제어 보드를 가진 발명품을 시연했습니다. 이것이 바로 맞춤형 레이저 경로 계획 소프트웨어를 통해 작업물에서 레이저의 공간적 위치와 함께 레이저 중심과 링 파워를 개별적이고 독립적으로 제어하는 것을 유일한 목적으로 가지는 고속 전용 제어 플랫폼, Photon Automation WonderBoard™의 시작이었습니다.

Coherent와 긴밀히 협의하여 Photon Automation은 ARM 파이버 레이저의 정확한 작동에 대한 심층적인 지식을 얻을 수 있었습니다. 이를 통해 새로운 컨트롤러의 성능을 완벽하게 최적화할 수 있었습니다. WonderBoard™를 Coherent ARM 파이버 레이저와 함께 사용하면 전체 시스템(컨트롤러, 스캐너, 레이저)의 지연 시간이 2.5µs로 줄었으며, 무려 5,000배가 개선되었습니다! Photon Automation의 이 반응형 컨트롤러, 빔 전달 시스템, 부품 처리 로봇과 Coherent ARM 파이버 레이저의 조합이 Photon Automation이 제공한 용접 시스템의 핵심이 되었습니다.

Photon Automation의 William Huffman 대표이사는 이렇게 말했습니다. "이 프로젝트를 시작하기 전에 Coherent ARM 파이버 레이저가 고유한 기능을 가지고 있으며 이런 까다로운 용접 작업을 할 때 크게 유리할 것임을 알고 있었습니다. 하지만 프로젝트의 성공을 위해 마찬가지로 중요한 것은 두 응용 팀 간의 협력과 조정이었습니다. 우리 기술 인력은 지속적으로 연락하고 매우 긴밀하게 협력합니다. 질문이 있거나 Coherent 응용 연구소에서 테스트가 필요할 때 즉시 응답을 받습니다. 그리고 우리는 다양한 장비를 보유하고 있고 Photon의 CT 스캐닝 기능을 포함하여 직접 이용할 수 없는 테스트를 수행할 수 있기 때문에 Coherent에 도움이 될 것입니다. 이러한 준비를 통해 가능한 한 최상의 레이저 성능을 도출할 수 있고 매우 빠르게 목표를 달성할 수 있습니다. 이를 통해 고객을 만족시키고 경쟁 우위를 유지할 수 있습니다.” 

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