e-모빌리티의 필수 조건, 레이저 기술과 디지털화
LASERCOMPONENTS
e-모빌리티(E-Mobility)는 트렌드 그 이상이다. 특히 자동차 제조업체 시장은 대량 생산을 위한 혁신적인 기술을 필요로 하기 때문에 e-모빌리티는 훌륭한 기회라고 볼 수 있다.
오늘날 소량 생산에서 대량 생산에 이르기까지 신속하게 확장할 수 있는 강력한 프로세스가 필요하다. 이를 위해서는 레이저 기술과 디지털화라는 두 가지 전문 지식이 필요하다. 레이저 기술은 전기 구동 장치, 전력 전자 장치 및 배터리와 같은 e-모빌리티의 주요 구성 요소를 효율적이고 저렴하게 제조할 수 있으며, 디지털화는 자동차 산업의 생산 요구 사항(최대 용량 활용률 및 최대 유연성)을 충족한다.
세계적으로 e-모빌리티는 증가하고 있다. 2017년에는 한해 처음으로 100만대 이상의 전기 자동차가 등록되었다. 이는 전년도에 비해 57% 증가한 수치다. 전기 자동차는 중국의 신규 등록차의 약 60%를 차지하고 있으며, 유럽과 미국의 배달 서비스 및 물류 서비스 제공 업체는 무연 전기 자동차로 전환하고 있다. 전기 자동차의 수가 증가할수록 엄격한 배출 기준과 더 나은 연료 마일리지에 대한 요구가 늘고 있다.
TRUMPF 레이저 기술 최고 책임자 Christian Schmitz는 “우리는 미래의 모빌리티에 필요한 핵심 부품을 경제적으로 제조할 수 있는 제조 공정을 갖추고 있다. 레이저 만이 전기 드라이브, 고성능 전자 제품 및 배터리를 유연하고 최고 수준의 성능으로 생산할 수 있다”고 말했다.
새로운 헤어핀 기술로 E-모터 비용 절감
자동차 제조업체는 전기 모터의 소위 말하는 헤어핀 기술(Hairpin Technology)에 점점 더 의존하고 있다.
안정적인 자기장을 생성하기 위해, 고정자는 일반적으로 구리 와이어로 감겨있다. 캐리어 유닛의 각 개별 홈은 봉재 바늘이 사용되는 방식으로 싸여 있다. 자동차용으로 설계된 강력한 전기 모터에는 두꺼운 구리선이 사용되므로, 너무 복잡하고 시간이 많이 소요된다.
헤어핀 공정에서, 압축 공기 권총은 직사각형 구리 와이어로 만들어진 미리 형성된 ‘헤어핀’을 모터의 가장자리에 있는 홈으로 쏜다. 그런 다음 와이어를 함께 감아 용접한다. 구리의 전기 전도성(conductivity)를 유지하려면 최고 정밀도가 필요하다.
이러한 깨끗하고 정밀한 용접은 레이저로만 가능하다. Christian Schmitz는 “헤어핀 용접 공정을 통해 전기 모터를 빠르고 안전하며, 효율적인 비용으로 제조할 수 있다. 강력한 전기 모터를 위해 두꺼운 구리선을 사용하여 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리는 코일 권선이 더 이상 필요하지 않다. 이로 인해 대량 생산이 훨씬 쉬워졌다” 고 말한다.
고성능 전자 제품을 위한 ‘녹색 기술’
24V 배터리가 연소 엔진의 전체 전자 장치에 충분한 전력을 공급하는 반면, 전기 자동차에서는 약 800V의 전압이 빠르게 생성된다. 이 부하를 견디기 위해 설계자들은 구리의 우수한 열 및 전력 전도 특성을 사용한다.
레이저 용접은 일반적으로 적외선을 사용한다. 그러나 구리의 반사율은 대략 1000nm의 파장 범위에 있다. 따라서 표면 상태에 따라 균일한 용접 이음새는 어느 정도까지만 보장 될 수 있으며 산업 용도를 위해서는 충분하지 않다. 딥 관통 용접(Deep penetration welding)은 스패터(spatter)를 생성하여 구성 요소를 손상시키고 최악의 경우 보드의 합선을 초래할 수 있다.
TRUMPF는 녹색 레이저를 사용하여 솔루션을 개발했다. 녹색 파장은 구리에 의해 훨씬 잘 흡수된다. 재료가 용융 온도에 더 빨리 도달하기 때문에 용접 공정이 더 빨리 시작되므로 더 적은 레이저 출력이 필요하다. 적외선 레이저는 2.6kw의 피크 펄스 전력으로 작동하지만 녹색 레이저는 1.4kw를 사용하여 동일한 용접 이음새를 만든다. 이 프로세스는 에너지 효율이 높고 스패터가 훨씬 적다. 이는 모든 유형의 표면에서 구리 용접부가 항상 일관된 품질로 생산됨을 의미한다.
LASER COMPONENTS USA 영업 엔지니어 Mike Tuohy는 “레이저 광학은 레이저 용접 공정의 정밀도에 매우 중요한 역할을 한다. 산업용 레이저의 높은 에너지로 인한 손상 임계값을 확인해야 한다. 상황별 요구 사항을 위해 DOE를 사용하여 다양한 빔 모양을 구현할 수 있다”고 말했다.
전자 부품에 대한 레이저 프로세스를 사용하면 전기 모터의 200회 정도의 용접을 1분 이상 수행할 수 있다. 충전기 플러그, 변류기 및 정류기는 자동차에 도입되는 새로운 전력 전자 장치의 예다.
안전한 배터리 생산을 위한 디지털화
레이저 기술은 모터 및 전자 제품 생산 외에도 배터리 생산에 중요한 역할을 한다. TRUMPF는 이미 500대 이상의 레이저를 판매했다. 배터리는 레이저로 절단되는 웨이퍼 얇은 구리 및 알루미늄 호일의 여러 층으로 구성된다. 배터리는 액체 전해질로 채워지고 뚜껑을 용접하여 밀폐한다. 이 용접부는 단단히 밀봉되어야 한다. 작동 중에 배터리가 고장나면 화재 및 부상의 위험이 생긴다.
배터리 모듈을 통해 배터리 셀에서 배터리 팩에 이르기까지 레이저는 모든 용접 공정을 담당한다. 레이저 시스템에는 센서 시스템이 있으며 소프트웨어를 통해 클라우드 솔루션에 연결된다. 센서는 품질 보증 및 문서화를 위한 값을 제공하고 용접 프로세스를 제어한다.
배터리 생산에는 레이저 기술뿐만 아니라 디지털화에 대한 노하우가 필요하다. 공정 모니터링은 안정적인 생산, 특히 전기 자동차의 배터리 생산에서 중요한 기초이기 때문이다. Schmitz는 “배터리 제조업체는 생산 공정이 끝날 때 배터리의 기능만 테스트 할 수 있냐는 문제에 직면해 있다. 배터리는 공정이 끝날 때 제대로 작동하려면 지속적으로 모니터링 해야 한다”고 말한다. 디지털화는 성능 데이터, 속도 데이터 및 용접 결과와 이음새 너비를 모두 나열하는 센서 데이터를 포함하여 최종 고객이 관심을 갖는 데이터를 생성할 수 있다.
이 데이터를 사용하여 제조업체는 생산 품질을 문서화하고 표준 편차를 감지하며 초기 단계에서 대응할 수 있다. 또한 제조업체는 시스템의 최대 유연성이 중요하다. 하나의 동일한 생산 라인에서 다양한 유형의 엔진(내연 기관과 전기 자동차 모두)을 생산하기 때문이다. 이러한 유연성은 시스템이 디지털화되고 지능적으로 네트워크화가 된 경우에 달성할 수 있다.
자동차뿐만 아니라 전기 구동
전기 견인 구동을 통한 이동성은 전기 자동차 이상의 것을 의미하기 때문에 e-모빌리티의 시장 잠재력은 이제 막 전개되기 시작했다. 전력 공급선(overhead line)으로 움직이는 완전한 전기 트럭이 현재 스웨덴과 독일에서 실용 테스트 중이다. 노르웨이에서는 배터리로 구동되는 최초의 여객 및 자동차 페리가 이미 운행 중이다. 세계 도처의 지방 자치 단체는 전기 도로 청소와 재설 차량을 사용하고 있다.
최초의 완전 전기 트랙터는 벌써 들판에서 고랑을 쟁기질하고 있다. 전기 모터에 의해 지지되는 자전거는 점점 인기를 얻고 있다. 전기 스쿠터는 연간 수백만 대, 특히 동아시아 및 동남아시아에서 판매되고 있다. 이러한 모든 차량에는 배터리, 전력 전자 장치와 전기 모터가 필요하다.
자료 제공: LASERCOMPONENTS(www.lasercomponents.se)
