[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 최근 레이저 클래딩은 회전 대칭형 구성 부품을 코팅하는 데 자주 사용된다. 독일 비스바덴에 소재하는 Ponticon는 pE3D 시스템을 사용해 모든 형상의 코팅 및 적층 제조를 포함하도록 애플리케이션 범위를 확장하고 있다. Ponticon는 Beckhoff의 TwinCAT CNC, EtherCAT, eXtreme Fast Control Technology(XFC)가 없었다면 삼각대, 로터리/스위블 테이블 및 레이저의 정밀한 제어 및 조정과 관련된 요건을 구현하기 어려웠을 것이라고 말한다.

Thomas Horr, Ponticon 경영이사는 “TwinCAT CNC 삼각대의 키네마틱 변환 덕분에 개발에 들이는 노력과 시간을 크게 줄일 수 있게 됐다”고 밝혔다. [사진=Beckhoff]

Ponticon의 pE3D 시스템은 최대 20cm 두께의 단단한 화강암 슬래브와 높이가 3m가 넘고 무게가 7톤이 넘는 베이스 프레임으로 구성될 정도로 거대하다. Ponticon의 Thomas Horr 경영이사는 “고도로 동적이고 정밀한 공정에서 대형 구성 부품들을 구축하거나 초박형 코팅을 적용하려면 견고한 구조가 필요하다”고 말했다.

Ponticon은 최근 유럽연합과 바덴뷔르템베르크 주 과학연구예술부로부터 자금을 지원받아 독일 카를스루에에 소재하는 KIT 생산과학연구소(Institute of Production Science)에 pE3D 시스템을 포함한 제조셀을 납품했다. Ponticon이 개발한 3DMD(동적 재료 증착) 공정의 경우 레이저 클래딩을 사용해 형상이 복잡한 구성부품이라도 사실상 모든 재료 조합으로 매우 생산적으로 제조할 수 있다.

높은 이송 속도와 최소한의 편차가 매우 중요한데, Thomas Horr에 따르면 수백분의 일 밀리미터의 경로 정확도를 지닌 pE3D 시스템은 정밀한 움직임뿐만 아니라 최대 200m/min의 이송 속도 및 최대 5g의 가속도로 탁월한 동적 동작까지 구현한다.

높은 이송 속도는 병렬 키네마틱 시스템이라는 특수 설계에서 비롯된 성과다. 일반적으로 병렬 키네마틱 시스템은 매우 빠르지만 정밀도는 보장할 수 없다. Ponticon은 특수한 기계 요소를 사용해 삼각대에 내재하는 이러한 단점을 극복할 수 있었다. 네 번째와 다섯 번째 축인 로터리/스위블 유닛은 복잡한 형상을 가공할 때 추가적인 유연성을 제공한다.

Ponticon은 pE3D 시스템을 통해 레이저 클래딩의 생산성, 정밀성 및 재료 유연성을 동시에 구현한다. [사진=Beckhoff]

유연성과 속도의 결합

표준 작동 모드에서 가공할 때는 부품이 삼각대에 고정돼 고정 위치에 있는 레이저 장치 아래로 이동한다. 하지만 두번째 구성인 5축 CNC의 경우 전체 레이저 헤드가 삼각대에 장착된다. Thomas Horr는 “기존에 작업물 이송에 사용하던 프레임을 활용해 이 문제를 해결하는데 성공했다”고 말했다. 그런 다음 부품이 로터리/스위블에 고정되는데, 부품 또한 회전 및 기울이기 동작이 가능하다. 분말 금속 및 합금을 형태와 상관없이 표면에 증착할 수 있다는 뜻이다. 예를 들어 작업물의 기하학적 형상 때문에 돌출부나 특정 각도에서의 작업을 위해 방향을 바꿔야 하거나 회전 대칭형 부품을 제작해야 할 때는 테이블이 필요하다. Thomas Horr에 따르면 회전축의 빠른 회전 속도 덕분에 이 작동 모드에서도 최대 200m/min의 이송 속도를 구현할 수 있다.

이와 같은 주요 특징으로 인해 기계 구조에 대한 요구가 까다로워지고 있다. 또한 제어 시스템이 특히 주변 디바이스의 제어와 관련해 시스템의 동역학적 움직임을 따라잡을 수 있어야 한다. Thomas Horr는 “가장 중요한 것은 레이저가 올바른 위치에서 작동해 소재를 녹일 수 있도록 레이저의 스위칭 시점을 정밀하게 구현해야 한다는 점”이라고 강조했다.

TwinCAT과 C6930 컨트롤 캐비닛 산업용 PC가 경로 제어 및 모든 축의 조율을 처리한다. [사진=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 100µs 미만의 I/O 응답 시간을 구현할 수 있다.

삼각대를 동적으로 움직이려면 높은 주파수에서 축 설정값 지정이 가능해야 하며 실제 값도 똑같이 빠르게 반환돼야 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 “제어 최적화에 사용하는 해당 펑션블록에 대한 많은 개발 작업이 집중적으로 진행됐다”고 설명했다.

순환 생산에서의 현실적인 시나리오: 기어의 결함 부위를 정밀하게 밀링 가공하고(왼쪽) 레이저 클래딩을 통해 재건한 다음(오른쪽) 최종적으로 가공한다. [사진=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 “특히 작업을 명확하게 규정하기 어려운 초기 단계에서는 유연성이 필요한데, Beckhoff의 TwinCAT과 라이선스 기반 모델이 해결해줬다”면서, “시스템 파트너를 선정할 때 Beckhoff 전문가와의 협업이야말로 우리가 가장 기대했던 것”이라고 밝혔다. WBK의 Frederik Zanger 연구소장은 Ponticon과의 협업에 대해 “프로젝트는 경제가 불확실한 시기에 시작됐고, 다양한 구성 부품의 납품 시점에 대해서는 누구도 장담할 수 없는 상황이었다”면서, “지금은 Ponticon과의 협업에 있어 모든 것이 매우 순조롭게 그리고 전문적으로 진행되고 있어 기쁘게 생각한다”고 말했다.

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.

[최종윤 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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