자동화 프로젝트에서 툴링은 종종 뒷전으로 밀려나는 경우가 많습니다. 하지만 레이저가 관련되면 툴링은 중요한 설계 요소가 됩니다. 용접, 절단, 표면 처리 등 레이저 시스템은 다른 공정 기술보다 더 높은 수준의 툴링 정밀도, 일관성, 반복성을 요구합니다. 최고의 레이저 장비라 하더라도 부품 표현이 불량하면 이를 극복할 수 없습니다.
툴링의 역할은 놀라울 정도로 간단합니다. 레이저가 제 역할을 할 수 있도록 공작물을 고정하고 방향을 맞추는 것입니다. 그러나 부품 형상, 작업자 하중, 열 왜곡, 빔 접근의 변화를 고려하면서 수천 번의 사이클에 걸쳐 안정적으로 이를 수행하는 것은 결코 간단하지 않습니다.
여기에서는 레이저 자동화를 위한 툴링을 설계할 때 고려해야 할 주요 사항을 간략하게 설명합니다. 그리고 가장 중요한 것은 레이저 툴링에 다른 사고방식이 필요한 이유를 강조할 것입니다. 이를 통해 더 나은 툴링을 제작하고 대부분의 자동화 장비 공급업체가 툴링 요구 사항을 충족하지 못하는 이유를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
레이저 툴링 요구 사항
레이저 공정은 일반적으로 다른 방법, 특히 레이저 용접에 비해 고정 불량에 대한 관용도가 낮습니다. MIG 용접과 같은 방법은 작은 간격이나 정렬 불량을 허용할 수 있지만, 레이저는 더 엄격한 공차와 높은 반복성을 요구합니다.
예를 들어, 부품 모서리 위치가 일정하지 않은 필렛 용접은 용접 간격, 언더컷, 용접 강도 저하를 초래할 수 있습니다. 따라서 툴링은 용접 애플리케이션에 적합한 핏업(일반적으로 0.040" 미만)은 물론 복잡한 형상에 걸쳐 일관된 스탠드오프 거리와 빔 접근성을 보장해야 합니다.
또한 레이저 시스템은 일관성이 요구되며, 반복 가능한 입력을 통해 전반적인 자동화 수율이 크게 향상됩니다. 부품이 이동하거나 휘어지거나 사이클마다 달라지면 레이저가 항상 보정할 수 없습니다. 효과적인 툴링은 공정이 항상 같은 위치에서 이루어지도록 보장합니다.
그리고 열 입력 문제도 있습니다. 레이저 공정은 빠르지만 긴 용접이나 반복적인 노출은 여전히 열로 인한 왜곡을 일으킬 수 있습니다. 툴링은 완성된 용접물에 부정적인 영향을 미치기 전에 이러한 힘을 예측하고 대응해야 합니다.
부품 자체는 툴링 설계(그리고 종종 전체 자동화 프로세스)에도 필수적인 요소입니다. 흔히 저지르는 실수는 부품 설계를 최적화하여 이점을 최대한 활용하지 않고 생산, 품질 및 정밀도를 위해 레이저 공정을 활용하는 것입니다.
때로는 필렛에서 랩 조인트로 전환하는 것과 같이 비교적 사소한 변경으로 레이저 공정의 안정성을 높이고 레이저 친화적인 툴링을 더 잘 지원할 수 있습니다. 그러나 이러한 유형의 최적화는 부품 고정에만 집중하는 툴링 공급업체에게는 항상 분명하지 않습니다.
툴링의 광범위한 역할
방금 언급한 모든 세부 사항 외에도 자동화 시스템과 프로세스에서 툴링이 수행하는 전반적인 역할을 이해하는 것이 중요합니다. 툴링은 단순히 부품을 고정하는 것이 아닙니다. 전체 레이저 공정이 얼마나 안정적이고 효율적이며 정확하게 수행되는지에 영향을 미칩니다.
즉, 좋은 툴링은 부품뿐만 아니라 프로세스를 염두에 두고 설계되어야 합니다. 이를 효과적으로 수행하려면 네 가지 상호 의존적인 기능을 수행해야 합니다:
- 효율적인 로딩 및 언로딩 허용
- 공정 중에 부품을 안전하고 반복적으로 고정합니다.
- 레이저 빔의 처리 위치에 방해받지 않는 접근성 제공
- 시간이 지나도 기계적 무결성과 신뢰성 유지
이를 최적화하려면 각각 다른 디자인 전략이 필요합니다. 그리고 각각에는 잠재적인 함정이 있습니다. 개별적으로 살펴보겠습니다.
로드/언로드
로딩 및 언로딩 주기는 자동화 생산성, 안전 및 가동 시간에 직접적인 영향을 미칩니다. 완전 자동화 시스템이든 작업자 보조 시스템이든, 툴링은 신속하고 정밀하며 반복 가능한 부품 배치가 가능해야 합니다.
수동으로 적재되는 부품의 경우 잘못 설계된 픽스처는 정렬 오류, 작업자의 피로 또는 안전 위험으로 이어질 수 있습니다. 픽스처는 전체 워크셀의 맥락에서 설계하는 것이 이상적입니다. 즉, 부품 방향과 클램핑을 고려하여 작업자 및 자동화 시스템과의 상호 작용을 최적화해야 합니다(경로 계획).
처리량이 많은 시스템의 경우 로드 시간을 최소화하는 것이 중요합니다. 자동 위치 지정 네스트 또는 가이드 핀과 같은 기능을 사용하면 빠르고 쉽고 오류 없이 부품을 배치할 수 있습니다.
로봇으로 공작물을 적재하는 경우 로봇 로봇 엔드오브암 툴링(EOAT)의 특성과 기능을 고려해야 합니다. 이는 픽스처가 사이클마다 안정적이고 반복적으로 EOAT와 인터페이스할 수 있도록 하기 위해 필요합니다.
또한 가상 도구를 사용하여 설계 단계에서 로딩 순서를 시뮬레이션하고 도달 범위와 안전거리를 검증할 수 있습니다. 이를 통해 예상치 못한 상황을 방지하고 실제 사용 조건에서 자동화 시스템이 원활하게 작동할 가능성을 높일 수 있습니다.
부품 보유
레이저 자동화를 위한 부품 고정에 있어 모든 경우에 맞는 한 가지 방식은 없습니다. 궁극적으로 모든 애플리케이션은 고유합니다.
동시에 부품을 올바르게 고정하는 것은 타협할 수 없는 문제입니다. 간단히 말해서, 레이저든 다른 어떤 공정도 올바른 위치에서 수행되지 않으면 작동하지 않습니다.
다양한 부품 모델을 고려하여 신속하게 부품을 고정할 수 있도록 설계된 레이저 용접 고정 장치입니다.
하지만 부품을 고정하는 것은 단순히 클램핑에만 국한되지 않습니다. 변동 제어가 중요합니다. 데이텀 정렬이나 슬립 플레인 이동의 작은 변화만으로도 레이저 공정이 중단될 수 있습니다.
다행히도 프로토타이핑과 초기 생산 단계에서 변수로 인한 문제를 파악하기 위해 항상 기다릴 필요는 없습니다.
종종 변형 시뮬레이션 분석(VSA)과 같은 툴을 사용하면 제조가 시작되기 전에 부품 고정 문제를 파악할 수 있습니다. 부품 형상과 모든 데이텀 및 공차가 VSA 소프트웨어에 입력됩니다. 그런 다음 다양한 통계적 방법을 사용하여 제조 변형으로 인해 툴링에서 부품이 어떻게 이동하는지, 그리고 이러한 이동이 용접 위치 및 절단 정확도 등에 어떤 영향을 미치는지 예측합니다.
VSA를 사용하면 부품 공차와 픽스처 설계가 상호 작용하는 방식을 모델링하고 툴링이 공정 요구 사항 내에서 부품을 일관되게 배치할 수 있는지 예측할 수 있습니다. 이 분석은 데이텀 전략을 평가하고 품질에 영향을 줄 수 있는 변동의 원인을 찾는 데 도움이 됩니다. 문제가 확인되면 VSA는 공정 역량을 개선하는 데 필요한 픽스처 개념, 부품 형상 또는 용접 조인트 설계를 변경하는 데 필요한 통찰력을 제공합니다.
특히 용접의 경우, 용접 왜곡 분석(WDA)은 부품의 열 반응을 모델링하여 왜곡이 발생할 수 있는 위치를 파악합니다. 다른 형태의 VSA와 마찬가지로 모델링된 동작에서 잠재적인 문제가 발견되면 부품, 툴링 또는 공정을 변경하여 문제를 제거할 수 있습니다.
프로세스 액세스
부품 고정이 아무리 효과적이라도 레이저 빔이 공정 영역에 도달하지 못하거나 올바른 각도로 접근하지 못하면 공정이 작동하지 않습니다. 공정 접근은 툴링 설계에서 가장 간과되는 요소 중 하나입니다.
레이저 공정에는 특정 입사 각도, 간격 또는 모션 경로가 필요한 경우가 많습니다. 복잡한 용접 또는 공정 경로에는 동적 빔 이동 또는 사이클 중간에 부품의 위치 변경이 필요할 수 있습니다. 세척 애플리케이션에서는 측면 접근만큼이나 이격 거리도 중요합니다.
고속 레이저 스캐닝 프로세스를 위한 빔 액세스를 허용하면서 단일 부품에 여러 피처를 고정하도록 설계된 툴링입니다.
프로세스 액세스 고려 사항은 통합까지 기다릴 수 없습니다. 이러한 선택은 툴링 설계 단계에서 이루어져야 합니다. 때로는 툴링 선택이 자동화 시스템 자체의 사양(예: 필요한 로봇 팔 도달 거리)에도 영향을 미칠 수 있습니다.
내구성
모든 자동화 공정에서 일관성은 매우 중요합니다. 기계 방식에 비해 레이저의 주요 장점 중 하나는 레이저 공구 자체가 마모되지 않는다는 것입니다. 높은 공정 안정성과 공구 교체로 인한 가동 중단 시간이 거의 없다는 점이 레이저가 산업용 재료 가공 분야에서 인기를 끌고 있는 주요 이유입니다.
이상적으로, 픽스처는 시간이 지나도 비슷한 수준의 일관성을 보여야 합니다. 레이저 시스템에서 이는 반복적인 클램핑, 열 순환, 심지어 가끔씩 발생하는 스트레이 빔 노출로 인한 마모에 견딜 수 있어야 함을 의미합니다.
내구성은 단순히 기계적 강도에만 국한되지 않는다는 점을 명심하세요. 가장 중요한 지표는 수천 회에 걸친 반복성입니다.
레이저 자동화 시작하기
성공적인 레이저 자동화는 단순히 좋은 장비 (물론 그것도 중요하지만) 그 이상에 달려 있습니다. 공정을 지원하는 툴링의 품질에 달려 있습니다. 레이저는 대부분의 다른 제조 방법보다 더 엄격한 공차, 더 일관된 부품 배치, 더 스마트한 픽스처 설계를 요구합니다. 레이저 자체는 기계 공구와 같은 방식으로 마모되지는 않지만 장기적인 공정 안정성은 주기마다 정밀도를 유지하는 툴링에 달려 있습니다.
고려해야 할 요소가 너무 많기 때문에 숙련된 레이저 통합업체와 협력하는 것이 좋습니다.
IPG는 레이저 재료 분석부터 공정 개발, 통합, 지속적인 지원 및 툴링 설계에 이르기까지 완벽한 레이저 자동화 파트너로서 고객과 협력합니다.
시작 방법은 간단합니다. 샘플 부품을 보내거나 글로벌 애플리케이션 연구소를 방문하거나 애플리케이션에 대해 알려주시기만 하면 됩니다.
