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Solution for Laser Cutting Technology

“SH가 제안하는 로봇 이용한 레이저 커팅에 주목하

라!”

자동차 산업에서 로봇은 주로 용접이나 도장 등에 주력해왔다. 그러나 최근 들어 레이저를 이용한 커팅에도 로봇이 사용되고 있다. 여기 한 중소기업이 레이저 커팅에 로봇을 도입, 시스템 구축에 성공한 사례를 소개하고자 한다. (주)SH레이저솔루션은 동사가 개발한 3D 레이저 커팅 로봇 시스템으로 현재 자동차 b-pillar를 가공하며 양산에 들어갔다. 지금까지 가공 분야에서 로봇을 접목한 사례가 많지 않았기 때문에 이번 소식은 관련 업계에 신선한 로봇 어플리케이션 사례가 될 듯하다.
취재▶▶문정희 기자(press3@engnews.co.kr)

로봇 커팅 헤드 레이저 = 3D 레이저 커팅 로봇 시스템
경상북도 경산에 위치한 (주)SH레이저솔루션이 로봇을 이용한 3D 레이저 커팅 시스템을 개발해 자동차 b-pollar의 가공에 이 시스템을 적용하는데 성공했다고 밝혔다. 이 업체는 FANUC 로봇에 프레씨텍의 커팅 헤드를 탑재하고 거기에 레이저를 접목해 하나의 시스템을 구축했다. 
3D 레이저 커팅 로봇 시스템은 로봇 티칭에 의한 유연한 동작으로 헤드가 제품의 라인대로 커팅하면서 빠른 시간 내에 손쉽게 제품을 완성하기에 대량 생산이 가능하다는 특징이 있다.

(주)SH레이저솔루션의 이상진 대표는 “사이클 타임(Cycle Time)이 빨라 라인의 효율성을 높일 수 있다”며, “90,000대/년 생산 차종에서는 한 라인으로도 생산 가능하므로 투자비를 줄일 수 있다”고 전했다.
경제적이면서 높은 생산성으로 기대가 되는 3D 레이저 커팅 로봇 시스템은 품질력에도 우수함을 보인다. 동사는 이 시스템으로 가공한 제품을 협력 업체에 제공하고 있는데 지금까지 불량에 대한 리콜이 한 번도 없었다고 전했다.

이상진 대표는 또한, 3D 레이저 커팅 로봇 시스템을 성공할 수 있었던 배경에 로봇, 커팅 헤드, 레이저의 조합이 절묘하게 잘 맞아 떨어진 것이라고 밝히며, 앞으로 시스템 공급 업체로도 발전해보고 싶다는 뜻을 내비쳤다.
“국내에서 레이저 커팅에 로봇을 도입한 사례가 거의 없기 때문에 그 노하우를 갖고 있는 곳이 별로 없다”는 그는, “이번 계기로 로봇을 통한 관련 시장의 점진적인 확대를 기대하고 있다”고 말했다.

자동차 산업에 레이저 커팅이 필요한 이유?
자동차 차체를 제작하는 기술에는 하이드로포밍(Hydroforming)과 핫스탬핑(Hot-Stamping, 핫포밍(Hot-forming)이라고도 함) 공법이 대표적이다.

하이드로포밍은 고정된 틀 안에서 높은 수압을 이용하여 가공하는 것으로 이 기술을 사용해 만들어진 b-pollar는 프레스로 가공이 된다. 하지만 하이드로포밍 공법은 차체가 무거워지는 단점을 가지고 있다.
따라서 최근에는 자동차 차체의 제조에 핫스탬핑 공법이 많이 적용되고 있다. 핫스탬핑은 말 그대로 뜨거운 상태의 철강소재를 도장을 찍듯 프레스로 성형한 뒤 냉각시키는 공법으로, 이를 적용할 경우 원소재는 가공 전에 비해 3~5배 정도의 높은 강도를 지니게 되고, 25%의 경량화 효과를 구현할 수 있다.

또한 적은 양의 소재로도 높은 안전도를 유지할 수 있어 제조원가 절감은 물론, 중량감소로 인한 연비개선, 연료절감으로 인한 환경보호 등 연쇄적인 효과를 누릴 수 있다.
이 공법을 통해 만들어진 b-pollar는 옵션을 위한 가공 작업이 이루어지는데, 고장력이기 때문에 일반 프레스의 사용이 어렵다. 따라서 레이저 커팅 기술이 적용되고, 주로 커팅 전용기(가공기)를 사용한다. 하지만 전용 가공기는 가격이 워낙 비싸 대부분 대기업에서 사용하고 있고, 2차, 3차 협력업체들은 엄두도 내지 못한다.
이러한 가공기를 대체할만한 시스템으로 ‘3D 레이저 커팅 로봇 시스템’이 개발됐고, 앞으로 레이저 커팅에 중요한 부분으로 자리 잡게 될 것으로 기대되고 있다. 

▲ 3D 레이저 커팅 로봇 시스템의 자동차 b-pillar 공정 모습

생산성, 경제성, 유연성 3박자를 모두 갖춘 3D 레이저 커팅 로봇 시스템

“3D 레이저 커팅 로봇 시스템은 중소기업에서 운영할 수 있도록 구성한 최적의 시스템이다. 빠른 사이클 타임(Cycle Time)으로 생산량이 높고, 생산원가, 품질에서도 충분히 경쟁력이 있다.”

회사에 대한 소개를 부탁한다.
이상진 대표(SH레이저솔루션). (주)SH레이저솔루션은 2009년 7월에 법인으로 설립해 레이저 커팅을 위주로 사업을 하고 있다. △자동차 차체 패널 시작품 제작용 2D 레이저 커팅 △자동차 차체 3D 레이저 커팅 △로봇을 이용한 3D 레이저 커팅 시스템 제작 및 솔루션을 제공하고 있다.

김경석 사장(한국프레씨텍). 한국프레씨텍(주)은 독일 프레씨텍의 레이저 헤드를 공급하고 있는 업체다. 최근에 당사의 헤드를 장착한 레이저 커팅 로봇 시스템이 자동차 산업 분야에 적용되는 사례가 늘어나고 있고, (주)SH레이저솔루션이 개발한 3D 레이저 커팅 로봇 시스템에도 한국프레씨텍(주)의 커팅 헤드가 적용되어 이번에 함께 월간 로봇기술에 소개하게 됐다.  

(주)SH레이저솔루션이 2010년 8월부터 자동차 b-pillar의 레이저 커팅에 로봇을 적용하고 있다. 도입하게 된 배경은. 
이상진 대표. 핫스탬핑 공법 이전부터 구상을 했었다. 핫스탬핑에는 3D 레이저 커팅이 필수적이다. 보통 이 레이저 커팅에는 5축 가공기가 주류를 이루고 있다. 그러나 전용 가공기는 초기 투자비와 유지보수비용이 상당히 높다. 이는 2차 협력업체가 사용하기에는 부담이 크다. 따라서 가공기보다 적은 비용으로 고객이 요구하는 품질의 제품을 공급하기 위해서 로봇을 이용한 3D 레이저 커팅 시스템이 최적이라고 판단했다.

기존 레퍼런스가 없어서 시스템을 구성하기까지 많은 어려움이 있었을 것 같다.
이상진 대표. 로봇의 모션과 속도, 레이저 가스 압력, 레이저 파워, 빔 포커싱 등 모든 조건들이 잘 맞아야 했고, 커팅품질을 위해 많은 시간이 소요됐다. 예를 들면 지름 10㎜정도의 작은 원의 품질을 확보하는데 3일 정도의 Try-out이 필요했다.
 
레이저 가공기와 비교했을 때 3D 레이저 커팅 로봇 시스템의 장점은 무엇인가.
이상진 대표. 앞서 말한 것처럼 우선 초기 설치비용과 유지보수비용이 저렴하다. 그리고 생산 유연성에도 경쟁력을 갖고 있다. 로봇 시스템은 로봇 1대 고장 시 다른 1대를 운영해 대체할 수 있지만, 가공기는 1대가 고장 나면 보수될 때까지 제품을 생산할 수가 없다.

레이저 가공기의 유지보수비용이 비싼 이유는.
김경석 사장. 일반적으로 커팅전용 가공기와 로봇 시스템에 적용하는 레이저의 종류가 다르다. 레이저는 주로 기체 레이저(CO2 Laser)와 고체 레이저(Solid State Laser)로 나누는데, 고체 레이저의 경우 Mirror를 이용한 전송방식이 아닌 광케이블을 이용하여 레이저가 생성되는 발진기에서 헤드까지 전송이 가능한 방식이다.
때문에 로봇 시스템에는 주로 고체 레이저를 적용하고 있다. 그러나 두꺼운 재질(후판) 커팅 시 아직까지는 기체 레이저가 유리한 측면이 있으므로 커팅 전용기는 기체 레이저를 주로 사용하고 있다.

두 레이저를 비교할 때 초기 설치 비용은 고체 레이저가 더 많이 필요로 하지만 설치 후 유지보수 비용은 기체 레이저가 더 들게 된다. 고체 레이저는 레이저 시스템의 소모품 비용과 전기료 정도만 소모되고, 기체 레이저의 경우는 시스템의 소모품 비용 및 전기료 이외에 기본적으로 레이저 생성을 위한 CO2 가스의 공급이 끊임없이 필요하기 때문이다. 또한 Mirror를 통한 전송방식이기 때문에 레이저 발진기에서 커팅 시스템(예를 들면 로봇이나 Flat Bed 같은)까지 레이저 전송을 위한 별도의 설비가 필요하다.

이것이 입체적인 3D 로봇 커팅에 기체 레이저가 적합하지 않은 가장 큰 이유이다.
현재 주로 기체 레이저를 사용하여 Flat Bed 커팅 시스템을 제작해온 많은 회사들이 이런 추가비용 문제로 인하여 고체 레이저를 적용하는 시스템 개발에 매진하고 있는 현실이다.

3D 레이저 커팅 로봇 시스템이 성공하리라는 확신이 있었나.
이상진 대표. 아직까지는 고정밀도를 요하는 가공 작업에서 로봇을 사용하는 것이 어려움이 있다. 하지만 사용자가 로봇을 어떻게 핸들링 하느냐에 따라 좋은 품질을 확보하면서 제품의 생산을 이끌 수 있다고 생각한다.
레이저 커팅이라는 것이 천문학적인 정밀도를 요구하지 않기 때문에 시스템을 구성하면서 0.01~0.02㎜ 정도의 오차는 품질에 영향을 끼치지 않을 것이라고 생각했다. 이러한 확신으로 H사 1차 협력업체인 S업체에 제안을 했고, 현재 3D 레이저 커팅 로봇 시스템을 이용하여 자동차 b-pillar를 가공해 공급하고 있다.

S업체는 (주)SH레이저솔루션이 가공한 제품에 대해 만족하고 있는지.
이상진 대표. S업체는 현재 레이저 가공기를 사용하고 있고, (주)SH레이저솔루션은 로봇 시스템을 이용하고 있는데, 로봇을 이용한 레이저 커팅의 생산성이 더 높다. 그리고 작년 8월부터 시작해 지금까지 제품을 공급하고 있는데, 아직까지 불량이 발생된 적이 없다. 이 정도면 품질에 대해서 확신을 가져도 되지 않을까 생각한다.

3D 레이저 커팅 로봇 시스템은 어떻게 구성되어 있나.
이상진 대표. 로봇, 커팅 헤드, 레이저로 시스템을 구성했고, 이 3개는 PLC 기반으로 이루어졌다. PLC가 로봇, 헤드 및 레이저의 모든 입출력 신호를 제어하고, 지그(Jig), 컨트롤 패널(Control Panel) 및 주변의 여러 안전장치를 연동시켜 일괄 컨트롤한다.

김경석 사장. A라는 회사가 있다고 가정하자. A는 로봇, 커팅 헤드, 레이저 회사의 제품을 모두 구매해서 하나의 시스템을 만든다. 이런 회사를 SI(System Integrator) 업체라고 한다. 레이저 시스템을 오랫동안 사용해 온 외국의 경우, 이런 SI 업체들이 레이저, 헤드, 로봇 등의 Supplier들에게 제품 공급을 받아 한 시스템을 구축한 후 최종 고객에게 납품하는 것이 일반적인 비즈니스의 형태이다. 그러나 우리나라는 레이저 시스템 자체가 아직 생소한 면이 있기 때문에 A와 같은 역할을 하는 기업이 거의 없다.

따라서 국내에서는 각 Supplier가 모두 시스템 구축에 투입돼야 하고 설치 시점부터 커팅 조건을 맞추는 작업을 사용자(User)가 배워 사용해야 한다. 즉, 커팅 제품의 품질을 유지하는 업무는 (주)SH레이저솔루션과 같이 시스템을 적용한 업체가 해결해나가야 한다.

(주)SH레이저솔루션은 로봇, 커팅 헤드, 레이저 업체의 선정 기준이 무엇이었나.
이상진 대표. 정밀도, 신뢰성, 메인터넌스(Maintenance) 등을 고려해 선정했다.

3D 레이저 커팅 로봇 시스템에 적용된 한국프레씨텍(주) 커팅 헤드의 장점은 무엇인가.
이상진 대표. 빔 포커싱이 좋고, 사용자 설정에 맞게 유지되며, 무엇보다 한국프레씨텍(주) 기술 전담으로 빠른 대응력이 장점이다. 

김경석 사장. 한국 최초로 로봇에 3D 레이저 커팅을 도입한 시기부터 현재까지 한국 내에서 프레씨텍 커팅헤드가 주로 사용되고 있다.
또한 유럽, 일본, 미국 등지에서도 경쟁사 대비 월등한 Market Share를 차지하고 있다. 특히 당사의 커팅헤드는 로봇 커팅 시스템에 중요한 조건인 미세 거리 조정에 매우 강하다. 이 기능은 커팅 품질에 절대적인 영향을 끼칠 수 있기 때문에 매우 중요한 장점이다.

한국프레씨텍(주)의 커팅 헤드는 어떤 로봇에 적용할 수 있는 것인지.
김경석 사장. 커팅 헤드 자체는 무게에 따른 가반하중을 실현할 수 있으면 어떤 로봇이든 적용이 가능하다. 지금까지 ABB, FANUC, YASKWA 등 로봇 메이저하고 작업을 해왔다. 그러나 3D 레이저 커팅에 절대적인 영향을 끼치는 것은 로봇의 브랜드가 아닌 모션이다.

물론 당사의 커팅헤드가 미세 거리 조정을 이용하여 커팅 품질에 영향을 끼칠 수 있고 레이저 품질 및 커팅가스의 압력 등의 영향이 있을 수 있으나 주로 커팅 자체의 모션은 로봇 모션에 의존한다.
따라서 로봇의 모션을 실현할 로봇 엔지니어의 숙련도에 따라 커팅의 품질을 좌우한다고 볼 수 있다.

시스템 구축을 완료해 공정에 들어갔는데, 기대했던 만큼 아쉬운 부분도 있을 것 같다.

이상진 대표. 3D 레이저 커팅 로봇 시스템은 빠른 사이클 타임(Cycle Time)으로 생산량이 높고, 생산원가, 품질에서도 충분히 경쟁력이 있다.
무엇보다 중소기업에서 운영할 수 있도록 최적의 시스템을 구성했기 때문에 비용적인 측면에서 만족할만한 수준이다. Fiber 케이블, 냉각수 라인 및 각종 케이블 처리 등의 사소한 것들이 좀 더 보완된다면 거의 완벽한 시스템이 될 것으로 기대하고 있다.

최근 레이저 커팅 산업에서 로봇을 적용하는 사례가 늘고 있나.
이상진 대표. 몇몇 업체에서 적용하고 있다. 아직까지는 만족할만한 수준이 아니지만 앞으로 로봇을 이용하는 업체가 계속 생겨날 것으로 예상한다.
이 시스템은 로봇, 커팅 헤드, 레이저의 조합과 거기에 레이저 커팅에 관한 노하우가 있어야 하기 때문에 시스템 구성에 따라서 성공할 수 있느냐가 판가름 날 것으로 생각하고 있다.

김경석 사장. 대기업들은 거의 대부분 전용 가공기를 사용한다. 가공기는 사용 편리성이 좋아 커팅 조건을 세팅하기만 하면 된다. 가격이 비싸지만 그만큼 신경을 덜 쓸 수 있다. 그에 비해 로봇 시스템은 가스압력이나 레이저 출력, 커팅 헤드의 각도, 온도나 습도 등 여러 가지 변수가 많다.
그럼에도 불구하고 로봇을 적용한 레이저 커팅은 조금씩 성장하는 분위기다. 왜냐하면 자동차 산업은 앞으로 계속 핫스탬핑 공법을 사용할 것이고, 그렇게 되면 단가가 떨어질 수밖에 없기 때문이다.

3D 레이저 커팅 로봇 시스템과 관련한 동사의 목표는.
이상진 대표. 로봇 시스템을 더 추가해서 안정된 양산 기반 체제를 갖추는 것이 1차 목표다. 그리고 (주)SH레이저솔루션이 구축한 시스템을 보완하여 별도의 시스템 공급 분야로 사업을 확장하는 것이 2차 목표다.
산업의 미래 지향적으로 봤을 땐 로봇으로 가야한다고 생각한다. 로봇은 어플리케이션 응용 능력이 굉장히 좋다. 그리고 로봇은 계속 발전하는 기술이기 때문에 앞으로 더 기대되는 분야다.

김경석 사장. 현재 한국프레씨텍(주)의 헤드도 시대에 따라 더 나은 테크놀로지로 바뀌고 있다. 또한 3D 레이저 커팅 로봇이 계속 확산될 것이고, 올해도 몇 차례 관련 헤드를 공급할 계획이 있다.
최근 로봇 어플리케이션에 관심이 집중되어 시스템화하려는 시도가 전개되고 있고 시장 전망도 밝기 때문에, 당사는 로봇 자동화를 통한 자동차 산업이나 정밀 용접에 집중하여 더욱 적극적이고 공격적으로 영업 활동을 진행해 나갈 계획이다.

한국프레씨텍(주) www.precitec.com