Ponticon은 pE3D 시스템을 통해 레이저 클래딩의 생산성, 정밀성 및 재료 유연성을 동시에 구현한다. © Beckhoff
오늘날 레이저 클래딩은 회전 대칭형 구성 부품을 코팅하는 데 자주 사용된다. 독일 비스바덴에 소재하는 Ponticon GmbH는 pE3D 시스템을 사용하여 모든 형상의 코팅 및 적층 제조를 포함하도록 어플리케이션 범위를 확장하고 있다. Beckhoff의 TwinCATCNC, EtherCAT, eXtreme Fast Control Technology(XFC)가 없었다면 삼각대, 로터리/스위블 테이블 및 레이저의 정밀한 제어 및 조정과 관련된 요건을 구현하기 어려웠을 것이다.
TwinCAT과 C6930 컨트롤 캐비닛 산업용 PC가 경로 제어 및 모든 축의 조율을 처리한다. © Beckhoff
Ponticon의 pE3D 시스템은 산업용 어플리케이션의 잠재력이 클 뿐만 아니라 최대 20cm 두께의 단단한 화강암 슬래브와 높이가 3m가 넘고 무게가 7톤이 넘는 베이스 프레임으로 구성될 정도로 거대하다. Ponticon의 경영이사인 Thomas Horr는 다음과 같이 설명한다. “고도로 동적이고 정밀한 공정에서 대형 구성 부품들을 구축하거나 초박형 코팅을 적용하려면 견고한 구조가 필요합니다.” 구체적으로 설명하자면, 최대 직경이 700mm이고 높이가 800mm인 구성 부품을 시스템 상에서 단지 50~200µm의 두께로 재료를 코팅하거나 완전히 재구축하거나 수리할 수 있다. 후자 어플리케이션 분야의 경우 Ponticon은 최근 유럽연합과 바덴뷔르템베르크 주 과학연구예술부로부터 자금을 지원받아 독일 카를스루에에 소재하는 KIT 생산과학연구소(Institute of Production Science)에 pE3D 시스템을 포함한 제조 셀을 납품하였다(인포박스 참조). Ponticon이 개발한 3DMD(동적 재료 증착) 공정의 경우 레이저 클래딩을 사용하여 형상이 복잡한 구성 부품이라도 사실상 모든 재료 조합으로 매우 생산적으로 제조할 수 있다. 그렇기 때문에 높은 이송 속도와 최소한의 편차가 매우 중요하다. Thomas Horr에 의하면 수백분의 일 밀리미터의 경로 정확도를 지닌 pE3D 시스템은 정밀한 움직임 뿐만 아니라 최대 200 m/min의 이송 속도 및 최대 5 g의 가속도로 탁월한 동적 동작까지 구현한다.
높은 이송 속도는 병렬 키네마틱 시스템이라는 특수 설계에서 비롯된 성과이다. 일반적으로 병렬 키네마틱 시스템은 매우 빠르지만 반드시 정밀한 것은 아니다. Ponticon은 특수한 기계 요소를 사용하여 삼각대에 내재하는 이러한 단점을 극복할 수 있었다. 네 번째와 다섯 번째 축인 로터리/스위블 유닛은 복잡한 형상을 가공할 때 추가적인 유연성을 제공한다.
구성 부품에 따라 작동 모드가 결정된다: 단순한 구성 부품의 경우 삼각대에 고정되어 고정형 레이저 헤드 아래에서 최대 200 m/min의 속도로 유도되며(3축 작동), 복잡한 구성 부품의 경우 레이저가 삼각대에 고정되고 구성 부품은 그 아래의 로터리/스위블 테이블에 고정된다(5축 작동). © Beckhoff
유연성과 속도의 결합
표준 작동 모드에서 가공할 때는 부품이 삼각대에 고정되어 고정 위치에 있는 레이저 장치 아래로 이동한다. 하지만 두 번째 구성인 5축 CNC의 경우 전체 레이저 헤드가 삼각대에 장착된다. Thomas Horr는 다음과 같이 설명한다. “기존에 작업물 이송에 사용하던 프레임을 활용하여 이 문제를 해결하는 데 성공했습니다.” 그런 다음 부품이 로터리/스위블에 고정되는데, 부품 또한 회전 및 기울이기 동작이 가능하다. 따라서 분말 금속 및 합금을 형태와 상관없이 표면에 증착할 수 있다. 예를 들어, 작업물의 기하학적 형상 때문에 돌출부나 특정 각도에서의 작업을 위해 방향을 바꾸어야 하거나 회전 대칭형 부품을 제작해야 할 때는 테이블이 필요하다. Thomas Horr에 따르면 회전 축의 빠른 회전 속도 덕분에 이 작동 모드에서도 최대 200 m/min의 이송 속도를 구현할 수 있다.
이와 같은 주요 특징으로 인해 기계 구조에 대한 요구가 까다로워지고 있다. 또한 제어 시스템이 특히 주변 디바이스의 제어와 관련하여 시스템의 동역학적 움직임을 따라잡을 수 있어야 한다. Thomas Horr는 다음과 같이 얘기한다. “가장 중요한 것은 레이저가 올바른 위치에서 작동하여 소재를 녹일 수 있도록 레이저의 스위칭 시점을 정밀하게 구현해야 한다는 점입니다.”
모션 시퀀스는 G 코드로 프로그래밍하거나 CAD/CAM 프로그램에서 읽어들일 수 있으며, CP3924 멀티 터치 컨트롤 패널을 통해 호출한다. © Beckhoff
XFC를 통한 정밀한 레이저 제어
Ponticon은 이를 위해 Beckhoff의 XFC를 EL2262 오버샘플링 터미널과 함께 사용한다. XFC는 첨단 산업용 PC, 확장 가능하며 실시간 기능을 갖춘 초고속 I/O 터미널, EtherCAT 고속 이더넷 시스템, TwinCAT 자동화 소프트웨어로 구성된 최적화 제어 및 통신 아키텍처를 기반으로 한다. XFC를 사용하면 100 µs 미만의 I/O 응답 시간을 구현할 수 있다.
삼각대를 동적으로 움직이려면 높은 주파수에서 축 설정값 지정이 가능해야 하며 실제 값도 똑같이 빠르게 반환되어야 한다. EtherCAT은 이에 필요한 성능을 제공한다. FSoE(Safety over EtherCAT) 또한 세이프티 요건을 구현하는 데 도움이 된다.
삼각대 및 로터리/스위블의 경로 제어는 TwinCAT CNC를 통해 구현된다. 이를 위해 동적 특성이 극대화되고 최소한의 지연으로 작동이 이루어지도록 축 컨트롤러가 구성된다. Thomas Horr는 다음과 같이 강조한다. “제어 최적화에 사용하는 해당 펑션블록에 대한 많은 개발 작업이 집중적으로 진행되었습니다.”
Thomas Horr, Ponticon 경영이사: “TwinCAT CNC 삼각대의 키네마틱 변환 덕분에 개발에 들이는 노력과 시간을 크게 줄일 수 있게 되었습니다.”© Beckhoff
시스템 키네마틱스에 적합한 TwinCAT CNC
TwinCAT에서 이미 구현되고 있는 삼각대의 키네마틱 변환은 Ponticon이 PC 기반 제어와 TwinCAT CNC를 사용하게 된 또 다른 이유였다. 이는 개발자가 키네마틱스만 구성하고 추가적인 개발 작업은 할 필요가 없다는 것을 의미한다.
Thomas Horr는 플랫폼의 유연성 및 모듈화가 가지는 중요성을 강조하면서 다음과 같이 얘기한다. “특히 작업을 명확하게 규정하기 어려운 초기 단계에서는 유연성이 필요한데, Beckhoff의 TwinCAT과 라이선스 기반 모델이 그와 같은 유연성을 제공해 줍니다. 사실 모든 것을 그렇게 빨리 계획하고 실행할 수 있었다는 사실에 놀랐습니다. 예를 들어, 오버샘플링 터미널의 구현에 관한 질문과 같이 해결해야 할 문제가 있을 경우 신속한 지원을 받을 수 있었습니다. 시스템 파트너를 선정할 때 Beckhoff 전문가와의 협업이야말로 우리가 가장 기대했던 것이었습니다.” WBK 연구소장인 Frederik Zanger 교수는 Ponticon과의 협업에 대해 다음과 같이 회고한다. “프로젝트는 경제가 불확실한 시기에 시작되었습니다. 다양한 구성 부품의 납품 시점에 대해서는 누구도 장담할 수 없는 상황이었습니다. 지금은 Ponticon과의 협업에 있어 모든 것이 매우 순조롭게 그리고 전문적으로 진행되고 있어 기쁘게 생각합니다."
EtherCAT 터미널의 범위는 세이프티 기술(EL6910), 오버샘플링 기능이 탑재된 EtherCAT 터미널을 통한 정밀한 레이저 제어(EL2622), PROFINET(EL6631) 및 PROFIBUS(EL6731)를 통한 서브시스템 통합까지 모든 시스템 요구사항을 포함한다. © Beckhoff
다른 키네마틱스로의 기술 접목
PC 기반 제어 기술의 유연성은 향후의 프로젝트에서도 탁월한 유용성을 발휘할 것이다. 이는 레이저 클래딩이 임의의 특정한 키네마틱스에 한정되는 것이 아니기 때문이다. Beckhoff는 기존 플랫폼에 대한 개발을 6축 로봇과 같은 다른 키네마틱스에 접목할 수 있을 거라 확신한다. 어떤 경우에서도 해당 키네마틱 모델은 TwinCAT에서 이미 사용이 가능하다.
순환 생산에 사용되는 레이저 클래딩
순환 생산에서의 현실적인 시나리오: 기어의 결함 부위를 정밀하게 밀링 가공하고(왼쪽) 레이저 클래딩을 통해 재건한 다음(오른쪽) 최종적으로 가공한다. © Beckhoff
Ponticon 레이저 클래딩 시스템은 칼스루에 공과대학(KIT)의 생산과학연구소(wbk)에서 시작한 InRePro 연구 프로젝트의 필수 구성 부품이다.
InRePro는 “디지털 자율 제조 공정을 위한 공정 통합 멀티 센터 기술 기반 검사 및 제조 셀”을 의미한다. 중고 서브 시스템과 구성 부품을 리컨디셔닝하면 자원(원자재 및 에너지) 소비를 줄이고 자동화를 통한 대규모 생산에 적합한 새로운 유형의 순환 경제에도 일조할 수 있다. EU(REACT-EU) 및 독일 바덴뷔르템베르크 주로부터 자금을 지원받은 이 프로젝트의 목적은 산업 수준에서 구성 부품의 순환 생산을 조사하는 것이다.
5축 레이저 클래딩 시스템을 5축 머시닝 센터와 결합함으로써 구성 부품의 신축적인 리컨디셔닝을 구현할 수 있다. pE3D 시스템에 통합된 멀티 센서 공정 모니터링 솔루션은 제조 공정 동안 제조 품질에 대한 즉각적인 정보를 제공한다. 이를 위해 용융 구역을 모니터링할 수 있는 센서(OCT, 비중 고온계, WeldWatcher)가 레이저 헤드에 통합되어 있다. 추적형 3D 레이저 스캐너는 공정 직후 기하 영역에서의 재료 증착 결과를 측정할 수 있는 기능도 제공한다. 따라서 pE3D 시스템을 사용하면 공정에서 처음 발생하는 전형적인 결함의 원인을 체계적으로 관찰하고 조사할 수 있다.
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Beckhoff Automation Co., Ltd
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