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작성자 관리자
작성일 2015-04-10 (금) 14:49
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레이저 커팅 헤드의 효율성

 
Highyag

파이버 레이저 헤드 분야에서 자동 빔 조절 기능을 탑재하여 다양한 커팅 작업에 사용할 수 있는 제품에 관한 한 Highyag의 경쟁 기업은 아마도 없을 것이다.
레이저에 대해 잘 모르는 비전문가들은 레이저를 대략 레이저소스, 공진기, 파이버, 렌즈, 콜리메이터 등으로 간단히 상상하곤 할 것이다. 하지만 레이저의 실체는 매우 복잡한 세계이다. 예를 들어 금속과 같은 작업재들은 서로 연결되거나 분리되기 위해서 용해되어야 하고, 최대한 효과적이고 사용 목적에 적합해야 한다. 작업재들을 이와 같이 만들기 위해서는 하나의 레이저 광선 또는 다수의 레이저 광선을 생성, 측정, 분배, 통합, 확장, 집중, 굴절, 유도 및 밀집시켜야 하며 이러한 방법들은 모두 사용 방법과 필요에 맞추어 다르게 실시해야 한다.
 어떤 레이저 설비도 작업자의 모든 요구사항을 충족시킬 수 없을 것이다. 금속 커팅용 레이저 헤드만 보더라도 이러한 모든 조건을 충족시킬만한 만능 기계를 찾을 수 없다. 하지만 레이저 기술 전문 업체인 Highyag가 소개하는 제품은 적어도 이러한 조건들의 대부분을 충족시킨다. 레이저소스 개발자였던 Highyag사의 창업자는 1995년에 베를린 남쪽의 슈탄스도르프(Stahnsdorf)에 다양한 레이저 전문가들이 모여 근무하는 이 회사를 설립하였으며, 현재 베를린에 위치한 이 회사에는 약 200명에 이르는 종업원이 근무하고 있다.
YAG 및 파이버 레이저빔 전달 케이블, 커넥터 및 레이저 가공 헤드를 전문적으로 생산하는 Highyag사는 이 분야에 있어서 최고의 기업에 속하며 이는 이 회사의 기술을 사용하는 고객을 살펴보면 확인할 수 있다. 주요 고객으로는 글로벌 자동차 제조업체, 특히 독일에서 차량을 생산하는 업체뿐만 아니라 여러 부품을 공급하는 업체, 항공기 제조업체, 시스템 개발 업체, 레이저 생산 업체 그리고 연구소 등이 포함된다.
 Highyag사의 3D 스캔 용접 헤드 RLSK를 사용하면 용접 공정의 생산성을 극대화할 수 있다. RLSK는 3차원 작업 방식에 의해 포커스 포지션을 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 로봇을 이용하여 헤드를 빠른 속도로 이동하며 일정 면적 내에서 레이저 빔을 빠른 속도로 스캔하며 용접할 수 있도록 해준다. 이를 통해 용접 작업간 처리 시간이 최소화되고 용접 로봇과 레이저 빔 효율이 개선될 수 있다.
지금까지 Highyag사는 전세계에서 3,500개 이상의 레이저 헤드를 판매하였다. 세계적 자동차 기업인 폭스바겐(Volkswagen)사는 Highyag사의 레이저 헤드를 양산 시스템에 도입한 최초의 자동차 제조업체였다. Highyag사는 2012년 미국의 II-VI사에 100% 인수되어 현재 중국,일본, 한국의 II-VI 지사를 통해 제품을 판매하고 있다.
Highyag사는 파이버 레이저를 이용한 용접, 3D 스캔 용접 및 브레이징 헤드 뿐만 아니라,커팅용 헤드도 개발하여 유럽의 OEM을 중심으로 사용되고 있다. 고성능 커팅 헤드인 BIMO-FSC는 빔 직경을 120~320um, 초점 위치를 -30 ~ +10mm 범위에서 연속적으로 미세하게 제어하는 기능을 제공, 파이버 레이저를 이용하여 금속 박판과 후판을 별도의 세팅 작업 없이 가능하도록 개발되었다. 레이저 헤드는 최대 6KW의 레이저 출력까지 견딜 수 있으며 이 출력을 최대한 활용할 수 있도록 설계되었다. 기존의 파이버 레이저 설비들이 6mm 이상의 두께를 갖는 금속판(강철, 스테인리스 스틸) 작업에 CO2 레이저에 비해 경쟁력이 없는 것으로 여겨진 것과는 달리, BIMO-FSC는 이러한 한계를 뛰어넘는 성능을 보여준다. 이 레이저 헤드는 이미 16mm 이상 두께의 연강(Mild steel) 및 3T 이상의 알루미늄(Aluminum) 판에 대한 Clean 커팅 능력을 보여준 바 있다. 이러한 놀라운 성능은 어떻게 가능한 것일까?
 
설정 방법이 더 자유롭기 때문에 더 다양해진다

 Highyag사는 이러한 성능에 대해 다음과 같이 설명하고 있다.
“레이저 소스와 어플리케이션 사이에는 두 가지 연결 고리가 필요합니다. 그 하나는 레이저 빔을 적절한 형태로 피가공물에 전달할 수 있는 도구입니다. 레이저 빔 전달 시스템과 레이저 헤드가 바로 그것입니다. 헤드를 보다 자유롭게 설정할 수만 있다면 그 사용 범위 역시 매우 다양해질 수 있습니다. 이 점이 핵심입니다. 고객은 항상 여러 종류의 금속판을 가공하고 싶어합니다.”
다른 업체에서도 레이저 헤드가 생산되고 있지만 이 중 하나인 Highyag사는 특별한 장점을 강조한다. “당사의 레이저 헤드는 빔 직경과 초점 위치를 매우 폭넓게 조절할 수 있습니다. 그리고 이 조절은 커팅 작업 중 기계에서 완전히 자동으로 실행됩니다. 이러한 기술은 아직까지도 커팅 장비 부문에서 유일무이하다고 할 수 있습니다. 또 고객의 수요도 높은 편입니다. 이러한 기술을 사용하면 다양한 두께의 금속판을 별도의 수동 작업 없이도 절단할 수 있기 때문입니다. 수동 작업이 필요 없는 만큼 더 빨리 원하는 작업을 마칠 수 있습니다.”
세부적인 부분에 대해서 Highyag사는 “기본적으로 레이저 출력이 높아질수록 레이저 빔 응용제품에서는 증가된 출력에 따른 영향이 있기 마련입니다. 성능은 레이저빔의 직경과 초점 거리에 따라 결정됩니다. 100μm 레이저 출력 빔직경과 200mm 콜리메이터 초점 거리를 사용하여 출력되는 포커싱 된 출력 빔은 160~420μm까지 조절이 가능하고, 초점 위치는 +-20mm 이상 변경할 수 있습니다.”
이러한 범위의 값을 설정하는 것이 중요하긴 하지만 실제 완벽한 커팅 작업에는 부족하다. 포커싱된 레이저 빔의 높은 에너지 밀도에 의해 금속재의 특성이 바뀌고 헤드내의 렌즈도 열 에너지에 의해 변할 수 있기 때문이다. Highyag사의 BIMO-FSC 커팅 헤드는 광학적 설계와 헤드를 구성하는 재료의 선택을 통하여 이러한 물리적 현상을 가능한 한 최소화하여 레이저 빔 밀도와 렌즈 사이의 상호 영향을 통해 발행하는 초점위치 변경을 최소화하여 커팅작업에 거의 영향을 주지 않도록 설계 및 제작되었다.
또 다른 혁신적인 기능도 매우 중요한 의미를 갖는다. 빠르고 정확한 거리 측정 기능이 바로 그것이다. 이 기능은 많은 금속판의 표면이 균일하지 않기 때문에 중요하다. 이러한 금속판 표면의 비균일성으로 인해 고정 초점의 위치가 금속판의 Z 축에서 지속적으로 변하게 되며 이로 인해 커팅 품질 및 생산성에 좋지 않은 영향을 주게 된다. BIMO-FSC는 표면이 균일하지 않은 금속판을 100μs 주기로 상시 측정하여 레이저 헤드와 절삭 노즐의 위치를 금속판과 비교하여 실시간으로 조절한다. 광학 부품의 수가 적기 때문에 이 절차는 매우 빠르게 진행되며 경우에 따라 20m/min 이상의 처리 속도를 보여주기도 한다. 이 레이저 헤드는 경량화 디자인되어 있음에도 매우 견고하다. 일부 OEM 업체에서 속도를 6G까지 높여 사용하기도 하는데, 레이저 헤드는 어떠한 영향 없이 사용되고 있다.

정비가 쉽고 수명이 길다

 Highyag사는 많은 고객에게 있어서 또 다른 중요한 기준은 긴 수명일 것이라고 믿는다. 이점을 고려하여 Highyag사는 BIMO-FSC 헤드의 포커싱 렌즈와 콜리메이터 등이 Protect Window에 의해 차단된 상태로 사용하도록 제작하였다. 이렇게 함으로써 헤드 내부의 광학계에 오염이 방지되고 수명이 길어지게 된다. 초점 렌즈는 커팅 노즐로부터 최대한 멀리 장착되어 있으며 Protect Window를 통해 렌즈가 커팅 공정 중 발생한 금속 파편에 의해 손상되지 않도록 보호된다. 보호 유리는 슬라이드 방식의 카세트에 보관되어 빠르고 손쉽게 교체할 수 있다. 보호 유리의 오염 상태는 항상 모니터링 되어 적기에 조치를 취할 수 있으며 이를 통해 출력 빔 품질이 저해되지 않도록 하고 있다.
BIMO-FSC 레이저 커팅 헤드는 모듈 방식으로 조립되어 있어서 다양한 어플리케이션과 상황에 맞추어 계속 조절할 수 있고, 다양한 커팅장비에 맞게 조정이 가능하다.

가장 중요한 것은 동시 초점 조정

하지만 가장 중요한 장점은 아마도 BIMO-FSC의 조정 범위가 매우 넓다는 점일 것이다. 커팅 공정시에 동시 초점 조정 기능을 통해 레이저 헤드를 다양한 커팅 작업에 사용할 수 있게 되며, 이를 통해 추가적인 장비세팅 작업 없이도 장시간 사용할 수 있게 된다. 이러한 장점은 고객이 동일한 시간 동안 더 많은 금속판을 높은 품질로 커팅할 수 있다는 점에서 생산성과 품질을 동시에 높이는 결과를 갖게 된다. 이에 따라 고객은 헤드 속에 감춰진 효율성을 끌어낼 수 있는 것이다.
 
II-VI Korea
jchoi@ii-vi.com
www.iivikorea.com
   
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본문내용 작성일
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