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[TECH REPORT]금속 첨가제 제조공정에서 Aerotech의 활용방안

입력 : 2020.03.25 11:33

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[첨단 헬로티]


그림 1. 에어로텍 고성능 갤보 스캐너 AGV 시리즈

산업 현황


금속 첨가제 제조는 기존의 제조 공정으로는 생산할 수 없거나 이전에는 비용이 많이 들어 불가능했던 부품의 생산을 가능하게 할 방법으로서 엄청난 가능성을 가지고 있다. 이에 따라 산업계와 학계는 금속 첨가제 공정을 더욱 발전시키기 위해 공동의 노력을 기울이고 있다. 최종 사용자는 이 기술에 익숙해지고 유용한 용도를 찾기 위해 매년 OEM 제조업체로부터 더 많은 완성 장비를 구매하고 있다. 많은 OEM 업체들은 그들만의 분말 제조 기계를 만들고 있지만, 대부분의 설계는 매우 유사한 처방을 따르고 있으며, 결과적으로 유사한 제품을 생산하게 된다.


그림 2. 로켓 엔진 원형은 로렌스 리버모어 국립 연구소에서

 NX-01 소형 위성 발사체용으로 만들어졌다. 

(* 로렌스 리버모어 국립 연구소 이미지 제공)


여기저기서 사소한 설계 변경이 있지만, OEM이 실제로 성능의 차이를 구별하는데 도움이 되는 확연한 차이점은 거의 없다. 더구나 일부 대형 최종 사용자들은 자신의 특정 공정과 생산 요구에 맞게 OEM 기계를 맞춤화하거나 직접 제작하고 있다. 특정 산업을 위한 고품질 부품을 성공적으로 제작하기 위해서는 공정에 대한 심층적인 내부 지식을 습득하고 숙달해야 하며, 종종 사용자의 특정 요구에 맞게 공정을 미세 조정해야 한다.


그림 3. 자유형 금속 형상 설계는 최신 DMLS 분말형 제조 기계로 만들 수 있다.


대형 최종 사용자는 성공에 필요한 사내 제조 전문 지식을 구축하기 위해 보다 다재다능하고 유연한 공정 제어가 필요하다. 소결 공정은 매우 복잡하며 최종 사용자는 그들 자신의 특정한 요구를 만족시킬 수 있는 도구들을 제공하는 요소들을 찾고 있다.


기술적 과제


분말형 공정에서 품질 좋은 부품을 추구하는 데 있어 기술적인 과제가 많다. 이러한 과제들 중 다수는 상호의존적이기 때문에 보통의 해상도를 갖고 원하는 작업 부피 이하인 첨가제 기계를 만드는 타협이 자주 이뤄진다. 에어로텍(Aerotech)의 기술과 전문성은 이러한 타협점을 제거해 OEM과 최종 사용자 기계 제작자들이 FOV를 넓히고 에너지·전력 밀도의 변화를 제한하며, 위치 함수로 레이저 펄스를 제어하고 수율을 최대화하며 열 불안정성을 제거할 수 있는 능력을 제공한다.


그림 4. 분말형 적층제조를 통해 만들어진 대퇴골 임플란트는 생물학적 침투, 골밀도 증가 및 

환자에게 전반적인 결과를 향상시킨다.


이 도구는 기계에서 가장 중요한 공정 파라미터의 상호의존성을 완화하기 위해 존재한다. 이들의 제거를 통해 다용도 방식으로 고정밀 부품을 제작하는 기계의 능력에 영향을 미치는 타협 또한 배제할 수 있다.


다른 성능 영역과 타협하지 않고 중요한 공정 파라미터를 보다 세부적으로 제어할 수 있다면, 고객(OEM) 또는 최종 사용자를 위해 더 나은 제품을 만들 수 있을 것이다. 이것은 더욱 치밀한 경쟁 분야와 차별화를 이룰 것이다. 


그림 5. 공정 파라미터 제어는 금속 첨가제 제조에서 고품질의 정밀 부품을 

생산하는데 중요하다. 로렌스 리버모어 국립 연구소와 같은 기관에서는

 부품 출력을 위해 공정을 연결하는 관계를 파악하고 있지만,

 사용자의 모션 시스템에는 연결을 위한 컨트롤러 도구가 필요하다. 

(*로렌스 리버모어 국립 연구소 이미지 제공)


2세대 분말형 첨가제 기계는 바로 목전에 있다. 이러한 변화는 잠재적인 고정밀 기술을 실현하는 데 도움이 될 것이며, 이러한 변화의 선두에 서게 되면 시장 점유율이 크게 상승할 수 있다는 것을 의미한다.


1. 스폿 크기 대 FOV 문제

기계 제작자가 만든 F-Theta 렌즈의 선택은 FOV(사용가능한 작업 영역)의 크기와 스폿 크기(도구 직경)를 좌우한다.


이 두 가지는 서로 상충한다. 더 큰 부품을 만들기 위해 큰 FOV를 원한다면 더 큰 도구(스폿 크기)를 얻어야 하는데, 이는 미세한 형상을 만드는 것을 더 어렵게 할 수 있다.


정말로 큰 부품을 만들고 싶지만 공정상의 이유로 스폿 크기를 제한해야 한다면, 유일한 옵션은 스캐너를 2개 이상 가지고 그것들의 FOV를 조정하거나 스티칭하는 것이다.


다수의 스캐너 FOV의 스티칭은 그 자체로 많은 복잡성을 갖고 있으며, 매우 크고 흠이 없는 부품을 생산하는데 바람직하지 않은 방법이다. 하지만 유일한 옵션이라는 잘못된 생각을 갖고 있다.


- 에어로텍 솔루션 : IFOV

에어로텍의 IFOV(Infinite Field of View) 기능을 사용하면, 하나의 컨트롤러로 서보와 스캐너 모션을 원활하게 동기화하여 필드 크기와 스폿 크기 사이의 상호의존성을 제거할 수 있다. 기계 설계자는 이제 공구 직경과 에너지 밀도 모두를 위해 원하는 스폿 크기를 달성하는데 필요한 렌즈를 선택할 수 있다. 작업 영역은 IFOV 기능을 사용하여 스캐너를 운반하는 위치결정 스테이지와 스캐너 자체 이동 사이의 모션을 쉽게 조정해 원하는 만큼 확장할 수 있다.


IFOV를 통해 사용자는 간단하게 2D 공간에 원하는 모션 경로를 프로그래밍하고, 프로파일은 자동적으로 스캐너와 서보 스테이지 사이에 분할된다. 또한, 스캐너는 서보에서 발생한 동적 추적 오차를 제거해 무한 필드 전체에 걸쳐 스캐너 기반의 동적 성능을 생성한다.


이 모든 것을 통해 사용자는 시스템이 단순한 2축 조립체인 것처럼 행동할 수 있지만, 스캐너 덕분에 전체 작업 영역에서 엄청나게 빠르고 정확한 모션 성능을 얻을 수 있다. 이것은 오늘날 상용화된 기계를 사용하여 큰 부품 가공이 어려운 항공우주나 자동차 같은 산업에서 가치가 있다.


2. 소결 변동성 문제

소결 과정은 복잡하고 그것을 직접 제어하는 것은 기하학적으로나 금속 형태학적으로 생산되는 부품의 품질에 영향을 미친다. 시간 기반 레이저 펄스 시스템에 의존하면, 레이저 스폿의 속도가 변화함에 따라 분말 표면에 적용되는 에너지 및 출력 밀도의 변화로 이어진다. 분명한 이유가 없는 한 에너지/출력의 변화는 바람직하지 않다. 


소결에서 변동성을 최소화하기 위해 모션 프로그래머는 장비에서 일정 속도를 지령하게 된다. 이것은 높은 동적 이동으로 추적 오차를 증가시키고 주기 시간에 영향을 주며, 보상의 수단으로 더 복잡한 프로파일로 이어질 수 있다.


많은 기계 제작업체들이 다양한 센서를 사용하여 소결 공정의 클로즈드 루프 제어를 위해 노력한다. 하지만 그들은 센서 피드백과 소결 출력 사이의 가교 역할을 위해 레이저 제어 기능이 필요하다. 레이저 제어 기능은 일반적으로 레이저 벤더 업체의 영역이므로, 그것들을 모션 하드웨어와 조정하기가 어렵다. 이 기술이 발전하기 위해서는 모션 공급자가 모션과 레이저 제어 사이의 조정 기능에 대해 좀 더 심도 있게 살펴볼 필요가 있다.


- 에어로텍 솔루션 : PSO와 아날로그 설정


그림 6. 외곽선을 따라 속도와 상관없이 일정한 간격


에어로텍의 PSO(Position Synchronized Output)는 모션 프로그래머에게 원하는 에너지 밀도를 부품 전체에 걸쳐 선택하고, 위치함수로서 레이저 펄스를 지령하여 설정을 유지할 수 있는 능력을 부여한다. 이를 통해 모션 장비는 펄스 중첩 및 그 영역에서 열악한 소결 품질 제공의 염려 없이 동적 정확도를 유지하기 위해 예리한 코너에서 속도를 늦출 수 있다.


심지어 PSO는 완전히 비동기적인 위치에 구동 펄스 배치를 프로그래밍할 수 있는데, 이는 사용자가 레이저 펄스가 출력되기 원하는 위치를 사전에 설정할 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 발사 이벤트에 위치 배열을 사용하여 달성할 수 있다.


가장 중요한 것은 PSO 함수가 전체 모션 시스템의 결합 피드백에서 벗어나서 결합된 모션이 IFOV 기능과 같은 것과 사용되더라도 진정한 벡터 위치 기반 레이저 제어를 생성한다는 점이다.


그림 7. 에어로텍의 아날로그 설정 기능은 레이저 스폿이 부품을 통과할 때 레이저 스폿의 벡터 속도의 함수로써

 레이저 시스템의 평균 출력량을 자동으로 변화시켜 복잡한 품질의 부품을 만드는 데 필요한 미세한

 전력 및 에너지 밀도 제어를 가능하게 한다.


Power = fn(Velocity)는 에어로텍의 ‘Analog Set’ 제어 기능을 사용해 달성할 수 있다. 이 기능은 사용자에게 좌표계 모션 시스템의 벡터 속도의 함수로 아날로그 출력 전압을 조정할 수 있는 능력을 제공한다.


PSO와 유사하게 아날로그 설정은 사용자가 레이저 스폿 속도를 높이고 낮출 때, 레이저의 평균 파워 출력을 변경할 수 있게 한다.

이것은 경로를 통해 분말에 대한 전력 밀도를 제어 하는데 사용될 수 있다. 이것은 또한 클로즈드 루프 소결 제어에 사용할 수 있는 또 다른 다재다능한 통합 레이저 제어 도구다.


3. 효율성 및 수율 문제

경제적 효율성을 위해서 기계 사용자는 기계가 운영되는 시간 동안 가능한 많이 사용 가능한 작업 영역을 채우려고 노력한다. 종종 이것은 많은 동일한 부품을 나란히 만드는 것을 의미한다.


하지만 현재의 기계는 F-세타 렌즈의 FOV에 의존해 작업 영역을 생성하기 때문에 레이저 스폿은 작업 영역의 다른 부분에서 심각하게 왜곡된다. 


이것은 작업 영역의 한 구역부터 다른 구역까지 에너지 밀도의 변화와 불가피한 부품의 품질 변화를 일으킨다. 이 문제를 완화하기 위해 사용 가능한 작업 영역을 자체 제한해 작업 용량을 줄임으로써 기계의 효율을 줄이거나, 불량 수율의 추가 위험을 가진 채 전체 용량을 활용해야 한다.


- 에어로텍 솔루션 : 전력 보정 매핑


그림 8. 에어로텍의 전력 보정 매핑 기능은 스폿 직경의 변화 및 왜곡을 계산하여 갤보의 FOV를 걸쳐 

레이저 출력 배율을 조정하도록 보정 파일을 실행한다. 아날로그 설정처럼 이것은 부품의 

에너지 밀도를 안정화시키고, 작업 전체 영역에 걸쳐 수율과 일관성을 향상시킨다.


에어로텍의 전력 보정 매핑(Power Correction Mapping) 기능은 스캐너의 FOV 내에 있는 위치 함수로서 아날로그 출력을 통해 레이저의 출력 배율을 조정할 수 있게 해주는 내장된 컨트롤러 기능이다. 


F-세타 렌즈에 의한 스폿 크기 왜곡의 영향은 레이저 스폿의 직경이 변경되도록 레이저 출력을 변경함으로써 크게 무효화될 수 있다. 전력 보정 맵을 사용하면 작업 영역의 어느 위치에 있든 분말에 적용되는 에너지 밀도를 매우 균일하게 만들 것이다. 부품 수율은 향상되고 작업 영역의 중앙에서 소결된 부품이 작업 영역의 가장 자리에서 소결된 부품과 동일하게 나올 것을 알기 때문에 전체 작업 영역을 자신 있게 채울 수 있다. 


4. 열 안정성 문제

층 두께는 일반적으로 20~100um 정도이며, 중간 크기의 부품이라도 시간이 오래 걸릴 수 있다. 결과적으로 모든 작업은 시간과 자원에 대한 상당한 투자를 나타낸다. 더구나 작업 플랫폼은 일반적으로 주변 구조를 서서히 가열해 온도가 상승되도록 가열된다. 말할 것도 없이 열적으로 안정된 환경이 아니며, 작업이 매우 길기 때문에 열 변형은 갤보 스캐너를 포함하여 모든 구성요소에 문제가 될 수 있다.


- 에어로텍 솔루션 : 열적으로 안정된 갤보 스캐너 AGV 


그림 9. AGV-HP는 오랜 동작 기간 동안 매우 안정적이도록 설계되었다. 위 플롯은 80시간 동안 갤보가 측정 사이에 

매우 강력한 전체 스트로크 진동을 하고 있음에도 최소 드리프트로 일정한 정확도를 보여주고 있다. 

이 갤보는 연중무휴 생산 환경에서 고정밀 공정을 위해 만들어졌다.


보다 정확한 부품을 위해서는 열적으로 안정한 스캐너를 필요로 한다. 작업시간 동안 갤보 스캐너에서의 드리프트는 생산되는 부품의 기하학적 정확도에 직접적인 영향을 준다. 


에어로텍의 AGV는 < 10 µrad/°C 드리프트를 가지고 있어 시장에서 열적으로 가장 안정된 갤보이다. 또한, 다양한 환경에서 안정성을 보장하기 위해 수냉식을 적용할 수 있다.


5. 고속 환경에서의 기능성 문제

금속 첨가제 산업은 아직 상대적으로 신생이기 때문에 공정 개발 및 기계 설계에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 다른 모든 갤보 시스템은 데이터 수집 능력, 위치 피드백 및 컨트롤러 트리거에 대한 실시간 접근 기능을 거의 제공하지 않으며, 대부분 블랙박스 방식으로 작동된다.


일반적인 갤보 스캐너는 구식이며, 지나치게 단순화된 모션 컨트롤러와 궤적 생성기를 사용하여 역동적이고 정밀한 작업에서 성능을 방해한다.


- 에어로텍 솔루션 : AGV와 A3200 

에어로텍 AGV 갤보 스캐너와 A3200 컨트롤러는 개방형 데이터 아키텍처와 정밀한 이동을 수행할 수 있는 동적 기능 모두를 최적으로 조합하여 제공한다. A3200은 레이저 발사와 다른 공정이 조정된 스캐너의 실제 위치를 포함해 수백 개의 다른 데이터 항목을 모니터하고 캡처할 수 있는 기능을 제공한다.


에어로텍의 최첨단 컨트롤러와 궤적 생성기는 당사의 정밀한 설계 전문성과 결합해 AGV를 현재 시장에서 가장 정확하고 동적인 성능을 갖춘 갤보로 만든다.


자료 제공 : 에어로텍

/임근난 기자(fa@hellot.net)

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어드밴텍 2019.11.25
디지키 2020.04
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