레이저는 이제 자동차 생산의 거의 모든 영역에 활용되고 있습니다. 3차 부품 및 소재 공급업체부터 세계 최대의 OEM에 이르기까지 공급망의 모든 단계에서 사용되고 있습니다.
레이저는 이제 용접 이상의 역할을 수행하고 있습니다. 구조물 조립을 넘어 배터리 제조, 전력 전자 제품 생산, 표면 처리, 추적성 확보 등 10년 전만 해도 존재하지 않았던 다양한 응용 분야를 지원합니다.
이 글은 현대 자동차 제조에서 레이저가 차지하는 위치를 개괄적으로 살펴봅니다. 또한 레이저 가공의 독특한 특성 – 산업이 더 높은 정밀도, 더 큰 자동화, 그리고 전기 모빌리티의 급속한 성장으로 나아감에 따라 레이저가 주도권을 유지하게 할 요소들입니다.
레이저가 뭐가 그렇게 특별한가요?
오늘날 많은 산업이 동일한 근본적 압박에 직면해 있습니다. 더 높은 정밀도, 더 우수한 품질, 더 작은 폼 팩터, 더 낮은 에너지 소비를 갖춘 제품을 제공해야 합니다. 제조 수준에서는 더 높은 처리량 요구, 더 엄격한 지속가능성 요건, 그리고 끊임없는 원가 절감 압박에도 맞서야 합니다.
레이저는 대체 기계적, 열적, 화학적 공정보다 이러한 목표들을 더 일관되게 달성하는 경우가 많아 제조 도구로 널리 사용되고 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다:
레이저는 비접촉식입니다: 공구 마모나 가해되는 힘이 없으므로 레이저 가공은 시간이 지나도 일관성을 유지합니다.
레이저는 공간적으로 매우 선택적입니다: 레이저 빔은 마이크론 단위로 집중되거나 수 평방피트에 걸쳐 확장될 수 있어, 시스템과 운영자가 에너지를 필요한 곳에만 정확히 전달할 수 있도록 돕습니다.
레이저는 간섭이 없고 밝습니다: 높은 출력 밀도는 깊은 침투 용접, 빠른 절단, 깨끗한 절단면, 그리고 최소한의 열영향부를 가능하게 합니다.
레이저는 효율적이다: 레이저는 전기를 높은 효율로 광학 에너지로 변환한 후, 그 에너지를 재료에 거의 손실 없이 전달하여 열 투입과 후처리를 줄인다.
레이저는 자동화가 용이합니다: 거의 모든 레이저 출력 매개변수를 실시간으로 원격 조정할 수 있습니다. 이는 복잡한 공정 레시피와 신속한 전환을 지원합니다.
레이저는 다양한 재료에 적용됩니다: 동일한 레이저 플랫폼으로 강철, 알루미늄, 구리, 니켈 합금, 코팅 강철, 플라스틱, 복합 재료 및 세라믹을 가공할 수 있습니다.
레이저는 고급 모니터링 및 폐쇄 루프 제어를 지원합니다: 공정 피드백 – 단순 출력 측정부터 인라인 용접 깊이 측정까지 – 자동화된 레이저 제어를 가능하게 하여 우수한 제품 간 일관성을 달성하는 데 기여합니다.
자, 이제 자동차 제조 분야에서 레이저가 가장 큰 영향을 미치고 있는 분야들을 간단히 살펴보겠습니다.
백차체
차체 백판(Body-in-white) 공정은 1970년대 레이저가 자동차 생산에 처음 도입된 분야이며, 그 이후로 레이저의 역할은 지속적으로 확대되어 왔습니다. 현재 레이저는 고속 용접, 트리밍, 맞춤형 블랭크 생산에 일상적으로 활용되고 있습니다.
레이저 용접은 열입력이 최소화되면서도 좁고 깊은 용접 이음매를 생성하는 특성을 지녀 유리합니다. 이는 변형을 줄이고, 조립 정밀도를 향상시키며, 대형 조립체에서 엄격한 치수 공차를 유지하는 데 기여합니다.
낮은 열입력은 고강도 및 초고강도 강철을 포함한 현대의 첨단 소재를 다룰 때 특히 유용합니다. 이러한 소재들은 기존 용접 방법 하에서 뒤틀리거나 균열이 생기거나 고유한 기계적 특성을 상실할 수 있습니다. 낮은 열입력은 또한 서로 다른 열팽창 계수와 용융 특성을 지닌 혼합 소재를 접합할 때도 도움이 되는데, 이러한 특성들 때문에 기존 용접 방식으로는 변형이나 균열이 발생하기 쉽습니다.
레이저는 실시간 용접 및 로봇 장착 스캔 헤드를 통해 연속적이고 중단 없는 동작을 지원합니다. 이를 통해 제조업체는 정지-시작 지연을 제거하고 생산량을 증가시킬 수 있습니다.
레이저 공정은 청정하고 일관되며 반복 가능하기 때문에 재작업과 후속 검사 부담을 줄여줍니다. 용접 깊이와 이음새 위치에 대한 인라인 모니터링과 결합된 레이저는 현대식 자동화 차체 공장에 쉽게 통합될 수 있는 고품질 접합 방식을 OEM에 제공합니다.
파워트레인 및 차체 구성품
레이저는 정밀도와 반복성이 차량 성능, 내구성 및 안전성에 직접적인 영향을 미치는 파워트레인 및 섀시 부품 생산에서도 점점 더 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 이러한 부품들 중 다수 – 변속기 하우징, 구동 장치 케이싱, 냉각판, 마운팅 브래킷, 서스펜션 부품 등 – 복잡한 형상과 다양한 두께의 재질을 특징으로 합니다.
이러한 모든 용접 응용 분야는 레이저가 제공하는 정밀한 열 제어의 혜택을 받습니다. 열 입력에 대한 정밀한 제어는 최소한의 변형으로 강력하고 일관된 접합부를 생성하는 데 도움이 되며, 이는 제조업체가 지속적인 하중 하에서 작동하는 부품의 정렬 및 기계적 무결성을 유지하는 데 기여합니다.
최근 개발된 이중빔 파이버 레이저 구성은 주조 및 가공 부품의 스패터 없는 용접을 가능하게 함으로써 이러한 장점을 더욱 확대합니다. 이는 과거 CO₂ 레이저가 주류를 이루던 응용 분야입니다. 이중빔 레이저는 특히 윤활유, 베어링 또는 오염이 발생해서는 안 되는 정밀 표면을 포함하는 조립체에 중요한 깨끗하고 안정적인 공정을 제공합니다.
전기 이동성 배터리 제조
어디에서도 레이저 도입이 – 또는 전기차 배터리 제조 분야에서보다 더 중대한 역할을 수행한 곳은 없습니다. 배터리 셀, 모듈, 팩 모두 구리, 알루미늄, 니켈 부품의 정밀하고 반복 가능한 접합이 필요합니다. 이러한 모든 재료는 기존 공정으로는 용접하기가 매우 어렵기로 악명 높습니다.
레이저는 기계적으로 강하고 저항이 낮은 전기적 연결을 형성하는 데 필요한 정밀한 열 제어를 제공합니다. 또한 이 과정에서 인접한 분리막, 접착제 또는 절연층을 손상시키지 않습니다. 레이저는 고속 탭-버스바 용접, 포일 용접 및 전류 수집기의 정밀 절단을 가능하게 하며, 이 과정에서 발생하는 버나 잔해물을 최소화합니다.
이중 빔 및 워블 빔 파이버 레이저 구성이 여기서도 핵심적입니다. 이를 사용하면 스패터가 감소하고 다공성이 최소화됩니다. 이로 인해 팩당 수천 개의 접합부 전체에 걸쳐 일관된 연결 품질이 보장됩니다.
인라인 광학 모니터링 기술의 혁신은 용접 깊이, 이음새 위치 및 일관성에 대한 실시간 검증을 제공함으로써 공정 품질을 한층 더 향상시킵니다. 이 모든 것은 전기차 제조업체에게 현대 전기 이동성의 핵심인 셀, 모듈 및 팩 구조를 구축하기 위한 확장 가능하고 고수율 공정을 제공합니다.
전기 모터
레이저 가공은 전기차(EV) 견인 모터 제조, 특히 헤어핀 권선 설계를 기반으로 제작된 모터에서 중요한 역할을 합니다. 구리 도체는 정밀하게 피복을 제거하고 성형하며 용접해야 전기 저항을 최소화하고 최종 조립된 권선의 엄격한 기계적 공차를 충족시킬 수 있습니다.
레이저는 종종 에나멜 절연체를 깨끗하고 정밀하게 제거하는 데 최초 단계로 사용됩니다. 기계적 접촉, 변형 또는 열 손상 없이도 그 아래의 구리를 노출시킬 수 있습니다. 이러한 결과는 연마제나 화학 박리 방법으로는 달성하기 어렵습니다.
최종 전기적 연결을 생성하기 위해 레이저 용접은 최소한의 열 입력으로 강하고 스패터가 적은 접합부를 생성합니다. 이는 인접한 절연체, 적층판 및 에폭시 포팅 재료를 보호합니다. 듀얼 빔 – 특히 워블 빔 구현 방식 – 은 갭 브리징과 용접 일관성을 더욱 향상시켜 수천 개의 헤어핀에 걸쳐 균일한 성능을 보장합니다.
실내 및 트림
레이저는 다양한 실내 및 트림 작업을 지원합니다. 정밀성과 속도를 결합하여 종종 외관상 우수한 결과를 제공하기 때문에 유용합니다. 특히 소비자에게 노출되는 플라스틱, 직물, 복합재 및 코팅 부품들은 깔끔한 절단, 밀착된 천공 또는 구멍 패턴, 또는 장식적 요소가 필요합니다.
기계 공구는 거칠기나 변형을 유발하지 않고 이러한 가장자리를 생성하는 데 어려움을 겪습니다. 레이저는 열적 영향을 최소화하면서 매끄럽고 반복 가능한 가장자리를 제공합니다. 이는 외관을 개선하고 외관 복원을 위한 후속 후가공의 필요성을 줄여줍니다. 복잡한 윤곽을 절단할 수 있는 능력 덕분에 계기판 개구부, 센서 창, 스피커 그릴, 미적 천공 등에 이상적입니다.
레이저 마킹, 특히 주야간 마킹은 자동차 내장재 전반에 걸쳐 활용됩니다. 매력적이고 가독성이 높으며 때로는 복잡한 마킹이 필요한 백라이트 버튼, 스위치, 트림 부품에 이상적입니다. 공구 없이도 다양한 소재에 적용 가능한 레이저 마킹은 재공구 없이도 신속한 옵션 변경 및 변종 전환을 용이하게 합니다.
추적성 및 규정 준수 표시
레이저 마킹의 바람직한 특성 덕분에 자동차 추적성 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그중 가장 큰 장점은 접촉이나 공구 마모가 없어 섬세한 표면이 변형될 위험이 없다는 점입니다. 또한 레이저는 극히 작은 마킹부터 매우 큰 마킹까지 생성할 수 있어 미세 일련번호부터 크고 대비가 높은 식별자까지 모든 것을 지원합니다.
소프트웨어를 통한 레이저 마킹 제어 기능은 재공구 없이도 마킹 내용의 실시간 변경이나 일련번호 부여가 가능합니다. 또한 레이저는 금속, 플라스틱, 코팅, 복합재 등에 적용 가능하므로 단일 플랫폼으로 차량에 사용되는 다양한 소재에 마킹할 수 있습니다.
주요 마킹 적용 분야로는 브레이크 부품, 에어백 모듈, 구조용 패스너 등이 있습니다. 이러한 부품들은 차량 수명 주기 동안 열, 유체, 진동에 견딜 수 있는 내구성 있는 영구 식별자가 필요합니다. 제어 장치, 센서, 전원 모듈을 포함한 전자 부품 및 하우징에는 내부 구성 요소를 손상시키거나 밀봉 상태를 해치지 않는 마킹이 요구됩니다. 또한 공급망 전반에 걸쳐 일련번호 부여 및 데이터 매트릭스 코딩은 부품 추적, 변형 관리, 산업 및 규제 요건 준수를 지원합니다.
표면 청소
레이저는 재료 제거 깊이를 정밀하게 제어하고 기초 구조를 보존해야 할 때 표면 처리로 점점 더 많이 사용됩니다. 레이저 세정은 기계적 접촉이나 연마재 없이 녹, 산화물, 접착제, 도료를 제거함으로써 이를 실현합니다. 이 공정은 블라스팅이나 연삭 시 발생할 수 있는 변형, 기판 손상 또는 불규칙한 결과를 피하면서 깨끗하고 균일한 표면을 노출시킵니다.
낮은 열 입력은 주변 재료의 특성을 유지시켜 용접이나 접착 접합을 위한 부품 준비 시 중요합니다. 레이저는 제어된 패턴으로 표면에 질감을 부여하여 접착 강도를 향상시키거나 습윤성을 촉진할 수도 있습니다. 이 공정은 프로그래밍이 가능하기 때문에 제조업체는 마스킹이나 고정 장치 없이도 특정 영역에 이러한 처리를 적용할 수 있습니다.
분체 도장 경화
고출력 다이오드 레이저 시스템을 분체 도장 경화에 활용하는 기술은 이제 막 자리 잡기 시작했습니다. 이는 레이저 경화가 기존의 대류식 또는 적외선 램프 오븐에 비해 여러 가지 장점을 제공하기 때문입니다.
레이저는 국소 가열을 제공하므로 코팅된 영역만 용융 및 유동 온도에 도달합니다. 좁은 파장의 적외선 레이저 광은 분말 입자에 의해 강하게 흡수되어 경화 효율을 높이고 기초 부품의 대량 가열을 최소화합니다. 다이오드 레이저의 전기 변환 효율 또한 다른 적외선 광원보다 현저히 높아, 입력 전력의 상당 부분이 과잉 열로 손실되지 않고 직접 경화에 사용됩니다.
이러한 특성들이 결합되어 레이저 경화는 다른 방법보다 훨씬 빠르고 에너지 효율적입니다. 또한 레이저 분말 코팅 경화는 인라인 공정 제어에 적합하여 매우 일관된 결과를 제공합니다.
레이저 솔루션 시작하기
레이저 가공이 분명히 다양한 이점을 제공하지만, 특정 응용 분야에 대해 최상의 비용 효율적인 결과를 얻으려면 경험이 풍부한 레이저 솔루션 공급업체와 협력하는 것이 가장 효과적입니다.
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