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[기획기사]JIMTOF 2018로 보는 새로운 기술 - 레이저 가공·AM/워터젯

입력 : 2019.07.23 16:35

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[첨단 헬로티]


아라이 타케지 (新井 武二)   추부대학


제29회 일본국제공작기계전시회(JIMTOF 2018)이 도쿄국제전시장(빅사이트)에서 개최됐다. 이번 테마는 ‘미래를 연결하는 기술의 대투’였다. 필자는 해당 전시회인 JIMTOF의 정보 수집에 관여한지 4회째가 된다. 이 전시회를 통해 공작기계장치, 특히 레이저 생산응용장치(레이저 가공기 등)의 변천을 지켜봐왔다.


레이저는 가공기계로서는 후발 기술이지만, 그 성장은 현저해 파이버 레이저, 반도체 레이저, 단파장 레이저 등 잇달아 투입되어 왔다. 또한 새롭게 참가한 레이저 응용 광적층 조형장치(3D 프린터)의 비율도 급속하게 늘어나고 있다.


기존의 공작기가 기술적으로 성숙, 마이너 체인지를 제외하고는 기술적인 어려움에 빠진 가운데 새로운 레이저 관련 기계장치의 출품 수가 증가하고 있다. 이와 같이 오늘날의 공작기계 업계도 큰 변화를 이루고 있다. 여기에서는 레이저 가공기와 AM(애디티브 매뉴팩처링) 및 워터젯 절단기에 한정해 서술한다.


레이저 응용 생산장치


1. 레이저 응용 가공기의 구별


강판의 절단가공기는 물론이고, 공작기계 분야에서도 레이저 응용 생산장치가 서서히 침투하고 있다. 가공기에 탑재되는 레이저 발진기의 출력은 점점 더 고출력화되는 경향에 있다.


또한 기존 장치의 고기능화에 동반해 공작기계에 레이저를 직접 도입하던가, 레이저와의 융합이 도모되고 있어 선반이나 머시닝센터 등과 조합한 레이저 복합기가 일정 지위를 확보하고 있다. 또한 레이저 가공에 의해서만 실현하는 미세 가공이나 표면에 기능을 부가하는 가공을 위한 레이저 응용 가공기가 다시 등장했다.


광적층 조형(3D 프린터)는 별도로 레이저 디포지션의 응용으로, 레이저와 절삭공구를 조합시킨 광조형 가공기가 일반화되어 왔다. 또한 기존의 탄산가스 레이저를 대신해 파이버 레이저가 대두해, 그 비율이 시간이 지날수록 확대되고 있다. 이번의 레이저 응용 생산장치의 출품 상황으로부터, 가공기장치의 관점에서 분류해 보니 다음과 같이 됐다.


ⅰ) 고출력 레이저 가공기 : (금속․비철금속 판금가공용)
ⅱ) 중출력 레이저 가공기 : (미세 구멍가공, 박육 원통)
ⅲ) 단펄스 레이저 가공기 : (표면처리, 표면기능화)
ⅳ) 레이저 복합가공기 : (레이저 디포지션+절삭공구)
ⅴ) 광적층 조형장치 (AM) : (분말 바닥 용융형, 레이저 디포지션형)


각 항목의 상세에 대해서는 이 글 중에서 서술하기로 한다.


2. 고출력 레이저 가공기 시스템


① 아마다홀딩스
전시회에는 ENSIS3015 AJ로 9kW 파이버 레이저 가공기가 출품됐다. 가공 테이블은 5×10″(3,048×1,524mm) 사이즈로, 셔틀 테이블이 붙어 있다. 데모 가공에서는 SUS 6mm를 2m/min으로 가공, 연강은 4.5mm를 16m/min으로 가공하고 있었다.


단면의 직각도는 나타내는 베벨각에서는 25mm의 경우 표면․안쪽면의 차이는 0.3에서 0.1mm로 감소했다고 하고, 연강 25mm의 피어스 가공은 1초로 가능하게 실현해 그 절단가공 속도는 1.5m/min이다. 이 기계는 가공 판두께에 따라 빔 모드를 변경할 수 있으며, 박판의 경우에는 싱글 모드로, 후판의 경우에는 멀티 모드로 변환하는 등 오토콜리메이션으로 선택할 수 있는 기능을 갖추고 있다.


가공 성능은 연강, 알루미늄, 스테인리스의 판두께 25mm 가공을 보증하고 있으며, 실제 가공 능력은 연강 36mm의 가공 샘플 전시가 있고, 스테인리스 50mm, 60mm, 알루미늄 50mm 등이 달성됐다. 또한 전시에서는 판두께 25mm의 연강으로 1면이 1.2mm인 사이코로 형상(육면체)의 4측면에 춘하추동의 모양을 가공해, 교창과 같은 가공을 실시한 것을 전시했다.


각각의 작은 샘플이 아니라 큰 판의 표준재 전면에 미스 없이 가공해 가공의 안정성을 나타낸 것이다. 가공 시간은 4.5시간이었다. 이 파이버 레이저의 가공 품질 면정도는 CO2 수준으로, 전기료는 1/3, 어시스트 가스비는 70~80% 절감했다고 한다.

 


또한 이번 전시에는 없었지만, 동사는 L(로더), UL(언로더)의 라인 대응 시스템을 일찍부터 도입해 광범위하게 전개하고 있다. 가공 부품이나 잔재 분류는 TK3015 L 등으로 실현되고, 암 신축, 로더 회전, 소형물에서 대형물까지를 망라할 수 있는 복수(수십) 개의 부품 흡착부가 준비되어 있다. 표준재로 판두께 12mm에 대응하고 있다(그림 1).


② 미쓰비시전기
탑재한 레이저는 신형의 8kW의 파이버 레이저로, 이 기계의 가공기는 EX 시리즈의 발전형이라고 하며 미래에는 더 고출력화를 고려하고 있다고 한다. 동사는 아스텍 4(ASTEC 4)사를 완전 자회사화함으로써 이번에는 가공 전후의 주변장치(L, UL, 제품선반 등)의 충족을 도모한 가공기 시스템이 전시됐다.


기존에는 표준재로 많은 부품 파츠를 가공했을 때에, 미크로 조인트 등으로 임시로 연결해 두고 가공 후에 부품을 제거하는 작업을 거의 수작업으로 분류하고 있었다. 이 수고스러운 작업을 자동화 분류장치로 분류할 수 있게 한 것으로, 네스팅 데이터에 의해 제품의 중심위치를 인식하고 오토매틱 소팅 시스템으로 부품을 파지할 수 있다.


제품 사이즈에 따라서는 자동 툴체인지 방식으로 툴을 변경할 수 있다. 자동 분류의 제어 암은 독립형으로, 보통 제어 암은 타사가 2개인 것에 대해 이 기계의 경우는 4개가 있고, 픽업에는 진공 흡착패드와 마그넷 방식을 이용하고 있다.


가반 가능한 판두께는 표준 타입 25mm까지, 라이트 타입으로 판두께가 9mm의 2종류가 있다. 이러한 레이저 가공의 전자동화에 의해 레이저 가공 공정의 라인화를 도모한 것으로, 이것에 의해 작업 시간을 30~40% 절감할 수 있다고 한다.


신형 발진기 탑재로 탄산가스 레이저와 비교해, 동사 대비 가스비가 90% 절감되는 등 고속으로 저러닝 코스트를 실현했다. 또한 AI를 이용해 주로 가공음으로 가공 불량을 감지하고, 가공 조건을 자동으로 조정하는 등 안정된 연속 가공을 가능하게 했다고 한다.


이 기계에 의한 질소 절단은 스테인리스의 질소 절단에서는 25mm를 180mm/min, 연강의 산소 절단에서는 25mm(최대 30mm)를 800mm/min로 절단하고 있다(그림 2).

 


③ 트럼프 재팬
트럼프는 본사를 독일에 둔 레이저와 판금가공기 종합 메이커로, 세계를 리드하고 있는 회사의 하나이다. 이번에 출품한 것은 자사제 파이버 전송식 디스크 레이저 가공기로, TruLaser 3030 fiber의 6kW 레이저였다. 이 시리즈에는 출력 3, 4, 6kW 레이저가 있다.


이번 가공 데모에서는 공기(air)에서 질소를 생성하는 장치를 이용한 부화 질소를 특징으로 해, 순도 95~99%의 고순도 질소를 빼낼 수 있는 것을 준비했다. 이것을 이용해 중후판의 가공에서는 산소 절단에 필적하는 가공 속도를 실현하고 있다.


예를 들면 연강의 판두께 6mm의 가공 속도는 산소 절단에서 6.1m/min, 질소 절단에서 6m/min이고, 판두께 19mm에서도 절단 속도는 1.3m/min의 가공 속도를 얻었다. 중후판의 질소 사용에 의한 클린 컷 시의 어시스트 가스 비용의 대폭 절감을 달성했다고 한다.


또한 저압 질소 절단이라고 해서 노즐부에 커버를 설치, 어시스트 가스의 질소를 효율적으로 작용시키는 노즐을 채용함으로써 판두께 4mm 이상의 절단에서는 기존대비 약 70%의 가스 소비량을 절감했다고 한다. 특수 노즐을 사용한 하이 스피드 에코 절단을 이번에는 6kW의 레이저 머신에서도 채용했다.


동사는 이전부터 가공 시스템으로서 L과 UL은 긴 전통을 가지고 있다. 팰릿, 타워 방식 등도 있고, 시스템이 레이저 네트워크에 대응하고 있다.

 

가공 샘플에서는 해당 6kW 레이저 가공기에 의한 판두께 1mm인 SUS304의 질소가스에 의한 미세 가공에서 피어스 시간은 10ms라고 하는 속도로 무수한 구멍가공을 한 것 및 어시스트 가스로 질소가스를 이용한 판두께 3.2mm의 연강(SPCC)를 절단 속도 9.5m/min으로 절단한 것을 전시․실연 가공했다(그림 3).


④ 야마자키마작
이번에 새롭게 야마자키마작은 파이버 레이저를 대신하는 출력 6kW의 직접 가공용 반도체 레이저(DDL : Direct Diode Laser) 레이저 가공기를 출품했다. 탑재 레이저의 파장은 λ=975nm으로 파이버 전송이 가능하다.


이 레이저는 파나소닉제라고 한다. 파나소닉은 미국 테라다이오드사의 전 주식을 취득하는 계약을 체결, 산업용 다이렉트 다이오드 레이저(DDL)의 개발과 제조를 취급하고 이번에 야마자키마작이 처음으로 탑재하게 됐다.


이번에는 OPTIPLEX3015 DDL+SMART MANUFACTURING CELL3015/140이라고 하는 가공 시스템으로, 앞에서 말한 DDL을 탑재한 레이저를 자동화 시스템과 결합해 절단가공 후에 제품을 로봇으로 분류하는 장치를 전시해 실연했다. 절단 후의 자동화를 도모한 시스템으로 로봇의 가반중량 5×10″(3,048×1,524mm)의 표준재로 판두께 4mm까지 가능하다. 위치 정보는 네스팅의 프로그램 데이터에서 판별되어 산출된다.


가공에서는 연강은 산소 절단으로 25mm, 질소 절단으로 6mm의 판두께를 가공했다. 또한 스테인리스재(SUS304) 25mm의 질소가스 절단, 동재 12mm의 산소 절단 등이 실연․전시됐다. 절단 속도는 동일한 출력의 파이버 레이저 가공에 비해, 판두께 6mm 스테인리스의 네스팅 가공에서 가공 시간에 거의 손색없게 하고 있다.

 


가공 속도는 출력 6kW의 경우, 스테인리스(SUS304)의 질소 절단에서는 판두께 6mm가 4.7m/min, 동 25mm가 220mm/min이 되고, 연강 25mm의 산소 절단의 경우 6kW에서 700mm/min이다. 가공 면조도는 양호하다고 한다(그림 4).


⑤ 무라타기계
동사의 전시품은 파이버 레이저 가공기 LS3015GC로, 레이저 출력 2.5kW, 5kW, 6kW의 시리즈가 있다. 가공 테이블 사이즈는 3,070×1,550×100mm로, 레이저 가공기 시스템은 저중심, 고강성 프레임을 캐치프레이즈로 하고 있다.


동사는 판금가공기 종합 메이커의 하나로, L, 스토커 등의 라인 대응 시스템을 비교적 일찍부터 도입하고 있으며, 소팅 로더, 스토커 시스템을 광범위하게 전개하고 있다. L, UL에 더해 제품선반을 갖춘 셀 로더도 이미 개발했다.


주로 미크로 조인트 가공에 대응해 미크로 조인트 분해, 분류 공정의 절감이 가능하다고 한다. 소재 제품선반을 갖추어 장시간의 무인 연속 운전이 가능하다. 팰릿 가공으로 판두께 16mm의 소재 운반이 가능. 데이터 작성의 수고와 시간을 줄이면서 수율과 가동 시간을 향상시킬 수 있다고 한다. 생산성 향상을 위한 팰릿 체인지 방식이나 스토커 시스템에 연결이 가능하다.


⑥ 기타
기존부터 가공기를 판매하고 있었는데, 이번에는 카탈로그나 패널 등에 의한 전시로 전환한 메이커도 몇 사 보였다. 패널 전시에서는 바이스트로닉 재팬이 있었다. 동사는 스위스 바이스트로닉의 일본 법인으로, 독자의 L, UL 장치와 제품선반, 분류장치를 가지고 있다.


Bystar Fiber로 6, 8, 12kW를 탑재할 수 있다. 테이블 사이즈는 4×2m, 가공 가능한 판두께는 0.8mm에서부터 30mm이다. 기타 카탈로그 전시로는 코이케산소공업이 있었다.


3. 레이저 전용 가공기

 


① 엔슈
동사는 공작기계 메이커로, 머시닝센터 등의 기계가공기 시스템을 제작․판매하고 있다. 2012년부터 레이저 관계로는 반도체 레이저 가공기를 주로 취급하고 있다. 이번에는 4kW 반도체 레이저(DDL : 직접 가공용 반도체 레이저)에 의한 레이저 용접․클래드 가공기로, 표면처리(표면 담금질, 용사․클래딩)를 전시했다.


로봇에 결합된 2kW의 DDL 가공기는 2.5mm 사각의 호모지나이저를 이용해 10×25mm의 폭으로 구운봉 모양의 재료에 담금질을 실연했다 반도체 레이저는 용접 및 담금질에 위력을 발휘하고 있으며, 자동차의 새로운 보디 외판의 테일러드 블랭크 등에 응용되고 있다. 넓은 갭에 최적으로 대형 부품의 부분 담금질 등에도 이용된다(그림 6).


② 시티즌머시너리
얇고 작은 가공 부품에 가공을 하는 것은 기계가공으로는 어렵다. 동사의 미세 레이저 가공기는 펄스 폭이 10피코초 이하의 고피크의 단펄스 레이저광을 이용해 미세 제거가공을 하는 것이다. 정밀한 광학계 헤드에 의해 미세 구멍뚫기의 정밀 가공을 고정도로 할 수 있고, 파장 변환도 가능하다.


전시한 기계는 L20 레이저 가공장치로 출력 200W 파이버 레이저를 탑재하고 있다. 특히 기존의 공구에 의한 접촉가공에서는 변형이나 진동을 동반해 가공이 어려운 소형물이나 박육 원통 등의 미세 가공의 전 행정을 레이저 가공한 것으로, 대체법이 없는 획기적인 용법이라고 생각된다.


가공 가능한 재료 두께는 0.1~1mm라고 한다. 전시된 가공 샘플은 SUS304 판두께 0.3mm의 원관 100×0.5t이었다. 가공 샘플의 가공 시간 ; 2분 20초라고 한다(그림 7).


③ 발터에바그 재팬
발터에바그사는 유럽의 공작기계 메이커 그룹인 United Grinding Gr.의 일원이다. 절삭공구 가공 전용기로, 레이저를 조합한 가공기 LASER LINE ULTRA를 출품했다. 레이저 라인 울트라는 공구의 제조나 재연삭용 레이저 가공을 하는 장치로, 공구는 고경도 공구재 CND, PVD, 단결정 공구에도 대응할 수 있다.

 


레이저는 50W의 피코초 펄스의 레이저를 이용하고 있기 때문에 3차원 고정도 가공 정도를 실현하고 있다. 1대로 가공할 수 있는 올인원 타입으로, 가공 영역은 440×140×170mm의 범위를 가진다. 초경, CBN(질화붕소 : 보라존), 세라믹, CVD(화학기상성장법) 등의 공구 소재를 가공할 수 있다(그림 8).


④ 마키노후라이스제작소 (참고 출품)
공작기계 메이커의 노포 중 하나이다. 이번에는 참고 출품했는데, 레이저 응용 생산장치를 출품했다. LFS(Laser Functional Surface)라고 하며, 표면에 미세 가공을 실시함으로써 재료 표면에 기능을 부가하는 표면기능화 전용의 레이저 가공기이다. 탑재한 레이저는 출력 40W의 트럼프제 펨토초 레이저(Trumicro)라고 한다.


딤플 가공 등의 요철가공을 실시함으로써 금속 표면에 내마모성 등의 새로운 기능을 부가하는 것으로, 전시회장에서는 SiC, Al, 지르코니아 등 난삭재의 가공, 허니콤 구조의 미세 가공을 한 샘플을 전시했다(그림 9).


⑤ 테크노코트
동사는 레이저를 이용해 용접과 패딩을 하고, 부품의 부분 결손이나 보수를 하는 업무와 레이저 보수기를 판매하고 있다. 용접, 금형 보수나 기계 부품에 고기능 재료를 코팅함으로써 이들 표면을 개질해 장수명화를 도모할 수 있다. 또한 작은 마모나 긁힘, 부식, 상처 등을 수정할 수 있고, 부품의 크랙이나 금형 표면의 결손 등에서 그 보수로 위력을 발휘하고 있다.

 


대부분의 강재, 알루미늄, 티탄, 동합금, 스테인리스, 금 등에 대한 패딩․용접이 가능하고, 이종 금속 간의 패딩․용접도 가능하게 했다. 카메라 내장의 핸디 타입의 파이버가 있는데, 실연 가공을 하고 있었다. 펄스 발진, 연속 발진의 레이저에 의한 용접․패딩으로 재생 보수를 하는 장치, 출력은 300W(파장 : 1,070nm) 가공점이 보이는 고글 등을 전시했다(그림 10).


⑥ 미쓰비시전기 (참고 출품)
신규 출품한 전용기는 세혈 구멍뚫기 가공기의 레이저 드릴. 레이저에 의한 미세한 세혈가공을 실현하는 가공기로, 출력 2kW의 IPG사 파이버 레이저를 이용해 Q 스위치로 피크 출력을 20kW까지 높여 구멍가공을 실시하는 것으로, 매우 미세한 구멍을 가공할 수 있는 것을 가능하게 했다고 한다. 동 기계는 150mm까지의 깊이를 고속으로 성형가공할 수 있다. 현재는 참고 출품으로 2년 후의 상품화를 겨냥하고 있다.


⑦ YKT
동사는 수입상사로, 이번에는 중국제 SUN인스트루먼트사제의 레이저 마커를 출품했다. 이 기계는 2D 레이저 마커 : YS SERIES YS-60-JP로 출력 60W 파이버 레이저를 탑재한 가공기이다. 동축가공에서 갈바노 스캐너를 이용한 것도 있고, 초경합금, 다이아몬드, CBN 등의 경질 재료 공구에 마킹 가공을 실시할 수 있다.


기타 일본전자는 전자빔을 이용한 복층 전자빔 3D 프린터의 카탈로그를 전시했다. 또한 SIC Corporation1사의 레이저용 가공 헤드의 전시도 있었다.


레이저 발생장치(발진기 단체)


① 화낙
동사의 파이버 레이저는 FF500iA, FF3000iA, FF6000iA 등 500W에서 6kW까지 시리즈화되어 있다. 후루카와전공과의 합병회사에 의해 개발한 레이저 발전기로, 출력 제어, 미소 출력 제어, 에지 가공 기능 등 제어성을 충실하게 했다고 한다. 또한 당초부터 판매하고 있던 CO2 레이저와의 호환성 있는 인터페이스에 의해 레이저 가공기의 라인업이 용이해졌다.


또한 동사는 시스템 메이커는 아니지만, 가공용 데모기를 설치해 판두께 1mm의 스테인리스를 주속 120m/min의 홈가공과 마킹의 실연가공을 실시했다(그림 11).


② 후지쿠라
일본 국내 유수의 파이버 레이저 발진기 메이커로, 이번 전시품은 8kW 멀티 모드 파이버 레이저엿다. 파이버 레이저 가공기 메이커용으로 개발한 출력 8kW의 멀티 모드 파이버 레이저는 독자의 내반사특성을 향상시켜 고출력화를 실현, 고속․고정도의 절단․용접가공을 가능하게 했다고 한다.


또한 일본 국내 최초의 3kW 싱글 모드 출력의 파이버 레이저와 갈바노 스캐너를 조합해, 레이저광을 금속 워크면에 나선 모양으로 주사하면서 가공하는 와블링 용접을 할 수 있다. 전시장에서는 1kW 싱글 모드 레이저로 동재의 샘플이 전시됐다. 기 타 알루미늄․철 등의 이종 금속 용접이 가능하고 폭넓은 가공기에 대한 응용을 의도하고 있다.

 


동사는 레이저 다이오드의 팁과 고출력 반도체 레이저, 냉각 기술 등을 자사에서 일관적으로 개발하고 있으며, 각 부품의 최적화를 도모한 파이버 레이저의 개발도 추진하고 있다(그림 12).


광적층 조형기 및 그 복합기


광적층 조형 기술(AM : Additive Manufacturing)의 응용장치가 급속하게 증가하고 있다. 그 중심은 분말바닥용융법(3D 프린터) 및 용융금속퇴적법(레이저 디포지션)이다. 분말바닥용융법은 소결 후에 엔드밀 등에 의해 고속, 고정도 절삭가공으로 표면의 면조도나 제품 정도를 높이는 방법이 들어진다. 또한 이번의 디포지션은 와이어를 용융시키는 본래의 패딩 방법이 도입되어, 필요에 따라 선지름을 변경하는 등 낭비가 적은 효율적인 방법을 실현하고 있다.


1. 분말바닥용융법 (3D-Printing)


① 마츠우라기계제작소
전회와 마찬가지로 하이브리드 금속 3D 프린터 LUMEX Advancew-60으로 1kW 파이버 레이저(파장 1,070mm) 탑재기가 전시됐다. 워크 사이즈는 W600×D600×H500, 허용 질량은 1,300kg의 대형기로, 전자동 분말 공급․회수와 재이용 시스템을 채용하고 있다.


파이버 레이저에 의한 금속 광조형과 머시닝센터에 의한 절삭가공을 결합한 기계로, 레이저에 의한 소결 조형이 갖는 정도와 면조도의 한계를 머시닝센터에 의한 절삭가공으로 다듬질을 하고 있는 원 머신․원 프로세스 가공기이다.


항공우주 산업이나 자동차 산업 등에서 이용이 기대되며, 일본 국내에서는 실적을 가지고 있다. 알루미늄 드론이 가공 샘플로서 전시됐다. 금형이나 자동차 부품에 실적을 가지고 있다(그림 13).


② 야마자키마직
분말 공급 방식의 AM기로 동 기계는 출력 300W의 멀티 모드의 풀 레이저(시마츠제작소제)를 탑재했다. 본 방식은 중심축에서 금속분말을 공급, 주위에서 레이저광을 조사하는 타입으로 일체형 노즐이다. 그 반대로 노즐 중심축에서 레이저광을 통과시키고, 주위에서 금속분말을 공급하는 타입도 있다.

 


풀 레이저(파장 λ=450nm)는 파장 흡수성이 좋기 때문에 동재의 가공 등은 특히 적합하다고 한다. 회전공구의 날끝 등에 페라이트강을 부가해 가공 후에 공구로 다듬질한다. 회전 2축을 가지는 동시 5축 세로형 VARIASIS j-600/5xAM에 AM 기술을 결합한 공정집약을 실현, 용융 조형 기술을 프로그래머블하게 자동화했다. 기타 아크 방전으로 중심에서 금속 와이어를 공급하는 타입도 있다(그림 14).


③ 씨케이비
이번에는 콘셉트 레이저사의 분말바닥용융법에 의한 3D 프린터를 전시했다. 콘셉트 레이저(CONCEPT LASER)사는 GM사와 제휴했다. 이것에 의해 동사는 새로운 체제로 전시회에 도전했다.


전시 기계는 금속 3D 프린터 : Mlab cusing m1, m2, X2000R인데, 동사는 대소 6종류의 기종을 가지고 있다. 분말에 대한 방진장치를 갖추고 있고, 티탄, 스테인리스, Al, 인코넬, 코발트의 가공을 할 수 있으며, 항공기 관계 등으로 판로를 넓히고 있다(그림 15).


④ 트럼프
동사는 발진기의 서플라이어로, 전회에 이어 TruPrint1000의 장치와 가공 샘플 전시를 했다. 지금 이 분야에서는 독일에서 실적을 쌓고 있다. 이 기계를 3D 프린터에 도입하고 있는 기업은 세계적으로 많다. 실제 도입한 회사에 의한 전시물이 전시되어 있었다.


⑤ 아이치산업 (AM장치 : 패널 전시)
동사는 SLM솔루션사 3D 금속적층 조형 시스템 : SLM280HL, SLM500HL 등의 사진을 전시했다. 동 기계는 파우더 베드 퓨전 방식의 금속적층 조형 시스템으로, 기종에 따라 최대 4대 레이저 탑재가 가능하고, 베이스 플레이트 가열기구를 탑재하고 있다. 이번에는 카탈로그 전시만 했다.

 


2. 레이저 디포지션법


① 미쓰비시전기
3D 프린팅의 참고 출품으로, AM 분류로는 와이어 타입의 레이저 디포지션으로 와이어 지름 ø1.2mm의 와이어를 2kW의 파이버 레이저로 용융해 가는 방식이다. 이 방식은 와이어를 이용해 필요한 부분에 필요한 양만큼을 공급해 고화시켜 가는 것으로, 낭비 없는 효율적인 가공이 가능하다. 장치는 모듈 타입으로 전후의 가공이 필요한 경우는 유저에 맡긴다. 약 2년 후의 상품화를 겨냥한다고 한다.


② 무라타니기계제작소
동사의 레이저 클래딩 시스템 장치로 ALPION 시리즈로서 판매하고 있다. 축의 중심에서 원료분말을 공급하고, 주위에서 복수의 레이저광을 조사하는 방식을 취하고 있다. AM의 기술을 사용해 금형이나 부품의 결함을 보수하고, 표면 코팅, 결손 부위 재생 등을 할 수 있는 장치이다. AM용 애플리케이션 소프트웨어도 취급하고 있다.


레이저 복합기


① 오쿠마
동사의 전시에서는 레이저 기술의 융합에 의한 공정집약형 복합기로, MU-6300V LASER EX 및 MU-4000V LASER EX가 전시됐다. 적층조형형 레이저와 동시 5축 복합기로, 적층가공 후에는 절삭공구에 의해 절삭가공을 하고 있다.


MU-6300V LASER EX는 선반가공과 밀링 가공 및 연삭가공이 가능하고, 레이저로 담금질가공이나 금속적층 조형 등을 할 수 있게 한 공정집약형 머신이다. 레이저 디포지션, 0.4~5mm 스폿의 디스크 레이저의 4kW를 탑재한 레이저 디포지션 가공 시스템이다.


레이저 담금질, 메탈 디포지션(MD)에 의한 부분 패딩으로 금속 부품의 보수도 가능하다. 이 기계에 의한 항공기용 터빈 등의 복잡한 형상의 금속적층 조형품을 전시했다. 이번 가공에서는 SCM440의 소재에 SKD61, Stllite6 등을 디포지션법으로 적층했다. 적층 후에는 절삭공구로 표면을 가공할 수 있다. 롤 다이의 가공이 실연․전시됐다. 사진의 가공 시간은 100분이었다(그림 17).


② DMG모리세이키
이번 전시에서는 파우더 노즐 방식의 LASERTEC 65 3D 하이브리드와 파우더 베드 방식의 LASERTEC 30 SLM 2nd Generation 2대의 합계 3대가 출품됐다. 이 SLM 2nd Generation은 생산성, 안전성, 조작성 등을 개량한 최신 모델로, 이것에 의해 공작기계 메이커로서 파우더 노즐 방식과 파우더 베드 방식의 양 방식을 갖추게 됐다.


워크를 적층 조형으로 작성한 후 면품위를 높이기 위해 5축가공기로 다듬질가공을 하는 것이 일반적인데, 새로운 기종은 적층 조형 부품의 전처리, 후처리 공정의 정보 플로를 일괄 관리할 수 있기 때문에 각 기계의 설정, 프로세스․파라미터, 다종다양한 소재에 맞춘 조정이 가능하고, 밀링 가공 완료의 워크에 지지기구를 사용하지 않고 다듬질가공을 하는 것이 가능해졌다고 한다.

 


또한 파우더 모듈 시스템에 의한 신속한 파우더 교환이 가능하다. 파이버 레이저 100W, 파이버 피코초 레이저는 50W, 반도체 레이저는 2.5kW로, 3차원 5축 제어의 머시닝센터와 AM을 융합해 레이저와 밀링에 의한 적층 조형+절삭을 올인원으로 가공할 수 있다. 공구와 레이저에 의한 가공을 전환, 부품가공 레이저 헤드 자동 교환이 가능하다(그림 18).


워터젯 가공장치


① 스기노머신
동사는 가는 고압 물줄기로 가공하는 워터젯에서는 일본에서 독보적인 기업으로, 물줄기에 의한 워터젯 장치가 주된 제품이다. 전시회장에서는 어브레이시브젯 커터 : NC-5AX 5축의 큰 데모기를 놓고 실연 가공을 했다.


동 기계는 600MPa의 초고압과 그 대응의 에너지절감 서보 기구, 펌프 유닛 등 대부분을 유닛 형식으로 해 유연하고 스페이스 절감화를 실현했다. 전체 시스템 치수 : 5563mm×4803mm×2656mm로, 노즐 헤드는 일점지향형, 회전축으로 원가공, 코너 R가공에 성능을 발휘한다.


가공 성능은 압력 343MPa의 상태로 스테인리스강재 50mm를 7mm/min, 알루미늄합금 50mm를 50mm/min으로 절단가공할 수 있고, 기타 CFRP 60mm 등의 절단 샘플 전시가 있었다(그림 19).


② 플로 재팬
플로 재팬은 미국의 초고압 워터젯을 판매하고 있는 Flow(플로)사의 일본 법인으로, 워터젯 가공기와 워터젯 시스템의 개발․제조 판매를 하고 있다. 2018년 9월에 발표했다고 하는 가공 영역 1,000×700mm의 소형 워터젯 시리즈 Mach3가 전시됐다.


워터젯은 절단가공기로 Mach3b(Waterjet Cutting System Mach3b)라고 한다. Flow사의 특허 기술인 자동 테이퍼 보정 기술을 탑재한 5축 제어의 2차원 어브레이시브젯으로, 펌프의 압력은 379MPa, 볼 스크류 구동으로 위치결정 정도는 +/-0.03mm를 실현하고 있다.

 


CFRP 등 난삭재의 형상가공을 할 수 있다. 플로 하이퍼젯(600MPa) 인코넬 등의 난삭재, 100mm 이상의 극후가공이 가능하다. 그 중에서 미세한 가공 샘플로는 판두께 1.5mm의 놋쇠와 스테인리스를 창살 폭이 0.8~1.0mm로 가공한 것을 전시했다. 물에 혼합하는 어브레시브로는 60μm의 가넷이 이용됐다(그림 20).


③ SYNOVA JAPAN : 카탈로그 전시
레이저와 워터젯으로 구성되는 레이저 마이크로젯 : Synova Launches Ultra-Precise Laser Machining Center LCS 305 등이 패널 전시됐다. 이번에 출품한 신제품은 Slimmer Compact Head로, 이것을 탑재한 장치 MCS500이 미국 GE사의 양산공장에서 사용되는 예를 소개했다. 이외에 공구 메이커용으로 설계해 판매한 스위스제의 5축가공기, LCS305도 비디오로 소개했다.


JIMTOF 2018로 보는 특징


① 레이저 가공기 시스템은 기존에는 미크로 조인트 가공 후에 수작업 등으로 분리하고 있었는데, 파이버 레이저에 의한 가공의 고속화와 함께 후공정의 분류 작업은 라인 생산가공의 시스템 구축에서 장해가 되고 있었다. 작업을 자동화해 가공 후에 가공 부품을 자동으로 분류 작업하고, 시간 단축과 함께 작업의 효율화를 도모하는 것이 일반화되어 왔다.


② 연강재의 절단에서는 산화반응을 주체로 한 산소 절단은 절단 속도에 한계가 있기 때문에 질소 절단으로 고속화를 도모하는 움직임을 볼 수 있다.


단, 질소가스는 비교적 고가이기 때문에 각사가 공기에서 질소를 빼내는 저렴한 장치나 방법으로 대응하고 있다. 이것에 의해 연강 중후판의 고속 절단이 가능해졌다. 이것으로 질소 절단 시의 가공 코스트에서 50% 이상의 코스트 절감을 예상할 수 있다.


③ 레이저 발진기에서는 파이버화가 추진되고 있다. 그 한편으로, 고출력 레이저에 반도체 레이저를 채용하는 메이커가 증가하고 있다. 또한 광적층 조형(3D 프린터)에서는 탑재하는 발진기에 풀 레이저의 응용을 볼 수 있었다. 출력은 작지만 동재 등의 특정 용도에 유효하다.


④ IoT화와 Ai의 이용이 시행되어 계속 실용으로 확대되고 있다. 또한 고출력 레이저 응용의 약 80% 가까이가 절단가공이었던 것에 더해, 공작기계․가공기계 분야의 레이저 복합 응용장치가 확산되고 있다.


⑤ 광적층 조형 기술(AM법)의 응용에서는 그 중심은 분말바닥용융법인데, 이번에는 용융 금속 퇴적법(레이저 디포지션)으로 참가한 기업이 많이 보였다. 분말바닥용융법은 소결 후에 절삭공구에 의해 가공면의 면조도나 제품 정도를 높이는 방법이 채용되고 있다. 또한 디포지션은 와이어를 용융시켜 필요에 따라 선지름을 변경하는 등 낭비 없는 효율적인 방법이 채용되고 있다.


⑥ 각사 공통으로 참고 출품이 있어 미래에 대한 상품 전략의 확대를 암시하고, 미래를 겨냥한 전략의 한 편을 엿볼 수 있었다.


또한 이미 레이저 가공기 및 복합기 등의 제작 실적을 가지고 있는 레이저 가공기 메이커의 몇 사는 이번 전시회에 참가하지 않거나, 혹은 카탈로그나 패널 전시로 대체하는 것을 볼 수 있었다. 신규 참가 기업을 포함하는 레이저 응용 생산장치의 메이커는 상당히 수가 많았다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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