한·독 국제 공동연구 통해 용접과 절단이 동시에 가능한 ‘Top-Lamp 복합가공기’ 개발

선박, 비행기 등에 활용되는 연료전지는 효율 향상을 위해 무게가 가벼워지고, 이에 따라 분리막의 두께가 줄어들고 있는 가운데, 연료전지의 생산 효율과 품질을 향상할 박판 분리막 레이저 가공 기술이 국제 공동연구를 통해 개발됐다.

한국기계연구원(원장 박상진)은 국내 중소기업 케이랩(대표이사 권구철), 독일 프라운호퍼 연구소, BBW Lasertechnik GmbH사 등과 한·독 국제 공동연구를 통해 0.075㎜ 두께 연료전지 분리막 소재의 레이저 용접과 절단이 동시에 가능한 스캐너 적용, 새로운 ‘2D on the fly’ 복합 장비를 개발했다.

‘평면 레이저 스캐너-스테이지 실시간 연동 제어 기술(2D on the fly) 기술’이란 최적 경로 생성 알고리즘을 통해 스테이지가 연속으로 이동하고, 스캐너가 위치 오차를 보정 하는 방식의 레이저 가공 기술이다.

기계연구원 레이저기술실용화연구실 이수진 책임연구원과 공동 연구팀은 다양한 형상의 대면적 박판 용접과 부분적으로 고품질의 절단이 동시에 요구되는 연료전지 제조업체의 수요에 주목했다. 기존 스테이지와 스캐너를 함께 움직이는 기술을 활용하고 절단 가스 공급 노즐을 스테이지로 연동해 넓은 면적(400㎜*400㎜ 이상)을 다양한 형상으로 용접 및 절단할 수 있는 Top-Lamp(이번에 개발한 장비 명칭이자, 국제 공동과제명 : Technology platform for advanced laser beam processes of metallic fuel cell plates) 복합가공기 개발에 성공했다.

또, 연구진은 실시간으로 스캐너 동축 및 외각 비전시스템을 통해 작업 영역을 자동 보정, 가공정밀도를 유지하는 기능을 개발 및 활용했다. 이를 통해 부착된 노즐 구경 내의 중심 위치를 보정해 공정 중 노즐 직경 3㎜ 내에 레이저 빔을 조사(照射 : 햇빛, 광선 등을 내리쬠) 할 수 있는 기술로 적용했다. 이를 통해 개발된 고속도 용접과 노즐 절단을 동시에 수행할 수 있는 하이브리드 복합 장비는 독일 협력기관인 BBW Lasertechnik GmbH사에 설치돼 운용 중이다.

기존 2D on the fly 기술은 가공체 가공 중 방향 전환(코너링) 시 가감속에 의한 속도 변화가 있어 가공체의 형상을 정밀하게 제어하기 어렵고, 가공 공정의 보정이 어려워 품질 향상이 필요했다. 그리고 일반 고속 스캐너에는 절단 가스용 노즐 부착이 어려워 용접과 절단 공정을 위한 장비를 따로 사용해 공정시간 및 투자 비용이 많이 드는 문제가 있었다.

이번에 개발한 기술은 스캐너의 비전시스템으로 더욱 정밀한 위치 보정을 통해 연동 오차를 줄여 가공 품질을 향상한다. 또한, 절단 가스용 노즐을 스캐너 혹은 다른 스테이지에 별도 부착, 노즐 구경 중심 위치를 보정해 고속도 용접과 부분 절단을 동시 수행할 수 있어, 비용 및 공정시간을 줄일 수 있다.

기계연구원 이수진 책임연구원은 “국제 공동연구를 통해 개발한 이번 기술이 협력 파트너인 독일 연구진에게도 다양한 분야에 적용 가능할 것이라는 기대를 심어주고 있다”며 “이번 기술 개발은 연료전지 분리막이 얇아짐에 따른 가공 품질의 향상에 대한 연료전지 시장의 수요에 대응할 수 있다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 국제협력개발사업 ‘연료전지 제조를 위한 레이저 가공 고도화 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐으며 기계연구원은 이번 국제 공동연구를 수행한 독일 프라운호퍼 연구소와 지난 2022년 5월 국제협력 확대 및 상호 주력 분야의 지속적인 연구자 교류 및 협력을 위한 MoU를 체결한 바 있다.