탄소섬유복합소재 가공을 위한 로봇기반 연마재 워터젯 시스템

2.1 로봇기반 연마재 워터젯 시스템 설계

로봇기반 연마재 워터젯 시스템은 로봇의 작업 반경을 고려한 공간효율성, 작업공정, 로봇 간 인터페이스 유연성, 작업 공정률 등을 고려하여 설계하였다. 이를 위해 Fig. 1과 같이 시뮬레이션 프로그램을 통해 다품종 대량생산이 가능한 구조의 최적 레이아웃을 도출하였고, CFRP 자동차 후드를 가공하기 위해 연마재 워터젯 절단공정, 드릴링/라우팅 공정 및 CFRP 분진 제거 공정으로 구성하였다.

Fig. 1

Robotic manufacturing system for CFRP cutting

연마재 워터젯 시스템은 워터젯 가공 시 노즐에서 분사되는 초고압의 젯스트림(Jetstream) 에너지로부터 야기될 수 있는 박리문제를 해결하기 위해 드릴로 예비 홀을 가공한 후, 워터젯 공정으로 전환할 수 있도록 듀얼헤드(Dual Head) 모듈을 Fig. 2와 같이 로봇 말단장치에 장착하였고, 드릴링/라우팅 전용 자동공구교환장치(Automatic Tool Changer)와 인터페이스에 의해 작업공정에 따라 공구의 교환이 가능하도록 하였다. 또한, CFRP 부품의 가공이 완료되면 최종 취출 전, 자동차 후드에 잔존해 있는 CFRP 분진을 제거하기 위한 집진 로봇을 구비하였다.

Fig. 2

Dual waterjet cutting head

2.2 캐처 개발

일반적인 갠트리 타입(Gantry Type)의 워터젯 시스템은 평판의 수직 절단이나 부품의 외곽 트리밍을 하기 위해 노즐에서 분사되는 에너지를 흡수하는 캐처탱크(Catcher Tank)가 설치되어 있지만, 복잡한 내부구조를 가진 형상이나 3차원 형상의 경우, 캐처탱크 위에서 가공할 수 없는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 Fig. 3과 같이 로봇의 말단장치에 연마재 워터젯 모듈과 캐처가 장착된 로봇기반 연마재 워터젯 시스템을 개발하였다.^5-7

Fig. 3

Robotic abrasive waterjet cutting system with catcher

Figs. 4와 5에서 보듯이 캐처는 노즐에서 분사되는 젯스트림 에너지의 흡수와 물과 연마재 혼합물의 회수처리장치이다. 연마재 워터젯 가공은 Fig. 6처럼 젯 스트림 에너지의 10%만 소재 절단에 활용되고, 90%는 캐처로 방출된다. 기존의 갠트리 타입 워터젯 시스템은 캐처 탱크에서 약 90%의 젯 스트림 에너지를 흡수하는데, 로봇기반 연마재 워터젯 시스템에서는 캐처가 이러한 기능을 수행한다.

Fig. 4

Pipe type catcher

Fig. 5

Waterjet stream

Fig. 6

Abrasive waterjet cutting

캐처는 노즐에서 분사되는 젯 스트림 에너지를 흡수 및 감쇄시키기 위해 텅스텐 카바이드(WC)로 된 플레이트(Plate)나 디스크(Disk) 형상의 전용팁을 사용하였으나, 이러한 전용팁은 소모품이며 제작비용이 고가인 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 규격 제품인 세라믹 재질의 인서트 팁을 사용함으로써 비용절감 및 교환이 용이하도록 했다. 또한, 캐처에서 받은 물과 연마재 혼합물은 진공펌프를 통해 캐처 암(Catcher Arm) 내부의 유로를 통해 배출된다.

Fig. 7과 같이 3차원 형상의 CFRP 자동차 후드를 대상으로 갠트리 장비, 연마재 워터젯 로봇+지그, 연마재 워터젯 로봇+그리퍼 로봇의 가공 조건을 비교했을 때, 우선 갠트리 장비에서 3차원 형상인 자동차 후드를 가공하면 직선 절단은 가능하나, 곡면 형상의 법선 절단이 어렵다. 그리고 연마재 워터젯 로봇+지그의 경우에는 연마재 워터젯 젯 스트림이 자동차 후드를 절단한 후 지그를 손상(Pure 워터젯 가공인 경우는 가능)시키는 문제가 발생하며, 이런 방식으로는 연마재 워터젯을 이용하여 가공할 수 없다.

Fig. 7

Robotic abrasive waterjet cutting excellence

따라서 2가지 가공방식을 보완하여 로봇기반의 연마재 워터젯 로봇+그리퍼 로봇으로 3차원 형상인 자동차 후드를 가공하면, 그리퍼 로봇이 부품을 세팅하고, 연마재 워터젯 로봇이 가공을 수행하여 캐처탱크 위에서 자동차 후드를 가공할 수 있게 된다.

또한, Fig. 8과 같이 로봇의 말단장치에 캐처를 장착한 연마재 워터젯 모듈로 항공기용 탄소섬유복합재 부품인 I-Beam과 같은 형상 가공이 가능하다.

Fig. 8

Robotic abrasive waterjet cutting with CFRP I-Beam

2.3 고압펌프 개발

연마재 워터젯 시스템에서 가장 중요한 핵심 장치인 고압펌프는 증압기(Intensifier) 펌프와 직접 구동(Direct Drive) 펌프가 있다. 직접 구동 펌프는 하나의 모터에 3개의 피스톤이 연결되어 있는 크랭크 축을 회전시키며, 크랭크 축이 회전하면서 피스톤은 120°의 위상차를 가지며 압력을 생성하여 각각의 실린더에 공급한다. 즉, 압력과 유량은 크랭크 축의 회전속도에 의해 결정된다.

따라서, 직접 구동 펌프는 증압기 펌프에 비해 맥동현상이 적고, 압력발생 공정의 감소와 효율 향상 및 소음 감소, 소모품 수명 증가, 제작비 절감 등의 이점이 있다. Fig. 9는 본 연구에서 개발한 로봇기반 연마재 워터젯 시스템에 적용된 직접 구동 펌프의 부품별 설계도면과 외관사진을 나타내었다.

Fig. 9

Components of direct drive type high pressure pump

고압펌프의 핵심부품인 실린더의 구조 건전성을 검토하기 위해 Fig. 10과 같이 실린더 내경에 3,000 bar까지 압력을 가압했을 때, 최대응력 798Mpa, 최대변위 0.02486 mm가 발생하였다. 고압실린더 3개의 내경에 각각 3,000 bar의 압력을 가압했을 때 실린더 블록에 최대응력 51.5Mpa, 최대 변형률 0.0066 mm가 발생하였다.

Fig. 10

The result of FEM analysis of direct drive type high pressure pump

구조해석 결과 인장강도는 1,112 Mpa로써 응력과 변형률은 안전한 것으로 판단된다. 또한, 크랭크 샤프트의 경우 최대응력 284.6 Mpa, 최대 변형률 0.00558 mm가 발생하였고, 인장강도는 655 Mpa 로써 응력과 변형률 모두 안전하게 나와 구조적으로 안전함을 확인하였다.

2.4 연마재 워터젯 상태 모니터링

Fig. 11은 로봇 기반 연마재 워터젯 시스템의 상태 모니터링의 HMI로서 통합 제어시스템내의 로봇을 포함한 다수의 주변장치들이 서로 연동되고, Digital I/O를 통한 신호로 이루어진다는 점에 착안하여 개발하였다. 다수의 로봇들은 I/O신호로 동기화하며, 작업명령에 따라 이송, 절단, 드릴링/라우팅, 분진 제거 등 일련의 작업을 수행하게 된다. 이때 작업자는 CCTV에서 제공하는 화면을 통해 실시간으로 모든 공정의 진행상황, 알람, 각 공정의 운영상태 및 장비상태 등을 확인할 수 있다. 이외에 다양한 시스템의 확장 요구를 고려해서 외부 응용 어플리케이션이 통합 제어시스템과 연동할 수 있도록 Fig. 12와 같이 특화된 프로토콜을 정의하였으며, 프로토콜의 형식은 웹과의 연동이 용이한 JSON (Javascript Object Notation) 형식을 사용하여 구현하였다. 또한, 긴급상황 시 원격으로 시스템을 강제로 제어하는 것이 가능하도록 시스템을 구성하였다.

Fig. 11

Robotic abrasive waterjet cutting monitoring system

Fig. 12

Definition of protocol

3.1 가공조건 및 방법

CFRP 자동차 후드를 가공하기 위한 로봇기반 연마재 워터젯 시스템은 2대의 워터젯 로봇과 1대의 그리퍼(Gripper) 로봇으로 구성되어 있다. CFRP 가공 전에 로봇 시뮬레이션 프로그램(Robot Studio)에서 생성된 OLP (Off Line Programming)을 통해 최적의 작업 경로와 로봇 제어 명령에 대한 정의를 설정하였다. 이는 가상의 공간을 통해 CFRP 부품의 가공에서 취출에 이르기까지 모든 일련의 과정을 확인할 수 있으며, 초기의 OLP 프로그램 구성 또는 구성변경 후, 작업자가 시뮬레이션과 실제 데이터를 비교하고 검증할 수 있는 도구가 되며, 장비보호, 작업효율성 향상 및 생산성 극대화를 실현할 수 있는 장점이 있다.

CFRP 자동차 후드를 가공하기 위한 가공조건은 Table 1과 같다. 실험에 사용된 펌프압력은 3,600 bar, 노즐 직경은 0.7 mm이며, 연마재로는 워터젯 가공에 주로 사용되는 가넷(Garnet) #120, 350 g/min을 사용하였고, 이격거리(SOD, Stand of Distance)는 3 – 5 mm로 설정하였다.^8-10

Table 1

Specification of robotic abrasive waterjet cutting

3.2 연마재 워터젯 로봇에 의한 CFRP 가공

연마재 워터젯 로봇의 성능을 평가하기 위해 CFRP 자동차 후드를 대상으로 워터젯 가공 실험을 수행하였다. Fig. 13과 같이 로봇 시뮬레이션의 결과물인 OLP를 통해 먼저 가공 원점을 월드 좌표계가 아닌 작업 개체 좌표계(Work Object Coordinate)로 정의하였다. 이후 2대의 워터젯 로봇에 대한 가공범위 및 가공경로를 지정할 때 충돌을 방지하기 위해 서로 시작점이 다른 대칭구조의 절단경로 및 로봇 제어명령을 설정하였다.

Fig. 13

Definition of work object coordinate

그리고 실제 로봇에 적용하기 전, 가상의 공간에서 실제 가공 환경을 모사하여 로봇이 명령한 가공경로를 따라 움직이는지 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 시뮬레이션의 결과를 통해 확인된 가공경로를 실제 워터젯 로봇 시스템에 적용하였고, 시뮬레이션과 로봇의 좌표값을 측정하고 캘리브레이션(Calibration) 작업을 거쳐 좌표값을 보정하였다. 또한 CFRP 자동차 후드의 경우 3차원 형상이기 때문에 부품의 높낮이가 달라서 이격거리를 3 – 5 mm로 설정하여 노즐과 소재와 충돌을 방지하였다.

CFRP 소재의 특성상 연마재 워터젯 가공 시 노즐에서 분사되는 초기 초고압의 젯 스트림으로 인해 박리(Delamination)현상이 야기될 수 있어 가공 초기 드릴링을 통해 홀 가공을 한 후, 워터젯 절단 실험을 진행하였다. 이후 OLP경로에 따라 로봇 트리밍 가공을 수행하였다. Fig. 14는 드릴링 공정과 워터젯 피어싱(Piercing), 트리밍(Trimming) 공정을 보여주고 있다.

Fig. 14

Robotic abrasive waterjet cutting of CFRP automobile hood inner panel

4.1 로봇 기반 연마재 워터젯 가공

3차원 형상의 난삭재인 CFRP 부품의 가공 품질을 확보하기 위해서 로봇기반 연마재 워터젯 시스템을 개발 하였으며, 이를 바탕으로 가공 성능평가를 수행하였다.

각각의 로봇들이 I/O신호를 따라 가공 초기점에서 끝점까지 가공위치 결정이 가능함을 확인하였고, 또한 3차원 형상을 가진 제품의 경우 갠트리 타입의 워터젯 시스템보다 로봇기반의 연마재 워터젯 시스템이 로봇이 가진 높은 자유도로 인해 원하는 형상의 가공이 수월함을 확인하였다. Fig. 15는 CFRP 자동차 후드를 가공한 최종 제품사진으로, 성형 시 발생된 외곽의 플래쉬(Flash)나 내부의 불필요한 부분을 절단한 후의 제품 사진이다.

Fig. 15

CFRP automobile hood inner panel cutting tested sample

절단면에 대하여 육안으로 확인한 결과, 들뜸이나 박리, 미절단 구간이 발생하지 않았으며, 예비 홀을 통한 피어싱 가공 원점도 일치함을 확인하였다. 로봇기반의 가공오차는 갠트리 타입의 워터젯 시스템보다는 정밀 가공을 할 수 없지만 본 연구에서는 ±0.5 mm으로 진행하였다.

Fig. 16은 로봇기반 연마재 워터젯 시스템의 드릴용 스핀들을 이용하여 CFRP 시편을 가공했을 때의 사진으로, 스핀들 6,000 RPM에서 18,000 RPM 조건에서 홀 가공한 결과를 보여준다. 8 mm 홀을 가공했을 때 최대 진원도는 0.73 mm로 나타났으며, RPM이 낮고 두께가 얇을수록 출구부에 버가 나타나며, RPM이 높고 두께가 두꺼울수록 입구부에 버가 나타나는 현상을 확인하였다.

Fig. 16

CFRP drill hole tested sample

Fig. 17은 엔드밀 가공 후의 CFRP 단면 사진으로 표면거칠기(Ra)를 측정한 결과, 6,000 RPM에서 Max.2.47 μm, 10,000 RPM에서 Max.4.24 μm, 15,000 RPM에서 Max.3.03 μm, 18,000 RPM에서 Max.3.88 μm으로 10,000 RPM에서 표면거칠기(Ra)가 가장 크게 측정되었음을 확인하였다.

Fig. 17

Cross-sectional photograph of CFRP

4.2 고압펌프

기존의 단일 직접 구동 펌프(Single Direct Drive Pump)보다 유량이 많은 이중 직접 구동 펌프(Double Direct Drive Pump)로 구성함으로써 동일한 압력에서 고유량(8.5 L/min)의 토출이 가능하여 절삭속도에 영향이 없고, 압력이 낮은 환경에서 가공이 가능하기 때문에 고압펌프의 소모품 수명이 증가하였음을 확인하였다.

Fig. 18은 본 연구를 통해 개발된 100 HP 이중 직접 구동 펌프의 사진이다.

Fig. 18

100HP direct drive pump