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경제적 효율성 및 지속 가능성 플러그인 하이브리드 자동차용 배터리 하우징을 용접하는 KR FORTEC

친환경 기술과 결합된 최고의 용접 품질 저융점 비철금속뿐만 아니라 금속 재료에서도 Friction Stir Welding(FSW)이라고도 불리는 마찰교반용접은 최적의 공정입니다. KUKA는 이 분야의 노하우를 한 대규모 자동차 제조사에 적용했으며 지금까지 3개소의 마찰교반용접 셀을 생산 라인에 접목했습니다.


어려운 과제: 플러그인 하이브리드 차량용 배터리 하우징

이제 많은 사람들이 내연기관 자동차 대신 전기 자동차를 선호합니다. 그러나 그 특성에 대해서는 잘 알려져 있지 않습니다. 전기 자동차는 배터리가 작동하기에 ‘적당한 온도’가 필요합니다. 적정 온도를 유지하는 경우에만 최적의 출력을 발휘하고 최대 설계 수명에 도달할 수 있기 때문입니다. 따라서 리튬 이온 배터리는 작동 중에는 냉각이 필요하고 낮은 주변 온도에서는 워밍업이 이루어져야 합니다. 특히 플러그인 하이브리드 타입의 차량에서 이 작업은 배터리 트레이 하단에 통합된 냉각 시스템에서 수행됩니다. 이러한 하우징의 제조는 매우 어렵기 때문에 로봇 기반 FSW 공정을 위한 최적의 애플리케이션을 적용합니다.

Friction Stir Welding(마찰교반용접) 플러그인 하이브리드 차량의 용접 공정

배터리 제조 공정의 로봇 기반 Friction Stir Welding(마찰교반용접) 작동 방식

플러그인 하이브리드 전기 자동차를 위한 마찰교반용접

한 대규모 자동차 제조사는 배터리 하우징을 먼저 접착제와 나사로 접합했습니다. 그러나 이 방법이 원하는 성공을 거두지 못했고 고심 끝에 시장에서 새로운 솔루션을 찾았습니다. 배터리 하우징에는 까다로운 조건이 요구됩니다. 모듈 장착 표면의 평탄도, 엔드 홀의 밀착성 및 압력 테스트 요건이 보장되어야 합니다. 로봇 기반의 마찰교반용접으로 KUKA는 플러그인 하이브리드 전기 자동차 생산 시 배터리 하우징의 안전성과 기능성을 보장하는 신뢰성있고 경제적인 프로세스를 자동차 제조사에 제공했습니다.

배터리 하우징 용접을 위한 타당성 연구

KUKA는 초기 기획 단계에서부터 테스트 및 배송에 이르기까지 고객을 지원했습니다. "우리는 이미 프로토타입을 개발했고 다양한 테스트를 거쳤습니다. 타당성 연구에서는 용접 적합성을 확인하고 접근성 분석 및 공정 시뮬레이션을 수행했습니다. 모든 테스트가 양호 이상의 성적을 얻었을 때 우리는 시스템을 고객 사이트에 설치했습니다."라고 KUKA의 프로세스 솔루션 FSW 수석 관리자인 Stefan Fröhlke가 설명합니다. 마찰교반용접 셀인 KUKA cell4_FSW는 성장하는 E-모빌리티 시장을 위해 특별히 개발되었으며 모듈식 콘셉트를 통해 뛰어난 경제적 효율성을 제공할 뿐만 아니라 최고의 다양성 및 구성 옵션을 제공합니다.

KUKA cell4_FSW 마찰교반용접 셀은 2개의 워크스테이션을 통해 최대의 공정 활용도를 제공합니다.

타당성 연구에서는 용접 적합성을 확인하고 접근성 분석 및 공정 시뮬레이션을 수행했습니다. 모든 테스트가 양호 이상의 성적을 얻었을 때 우리는 시스템을 고객 사이트에 설치했습니다.

Stefan Fröhlke, KUKA 프로세스 솔루션 FSW 수석 관리자

올바른 FSW 도구를 이용한 마찰교반용접의 이점

플러그인 하이브리드 모델의 냉각 시스템을 밀봉하기 위해 마찰교반용접을 이용하여 바닥 시트를 정확히 냉각 덕트를 따라 주조 하우징에 연결합니다. 교류 압력을 견디는 내압 회로에서는 큰 연결 단면과 잘 혼합되고 압축된 심이 필요합니다. "마찰교반용접은 열 주입을 통해 구성요소가 최대한 적게 변형되므로 적절한 접합 기술로 판명되었습니다."라고 Stefan Fröhlke는 이 공정을 설명합니다. KUKA는 고정 숄더 마찰교반용접(Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW)을 사용합니다. 즉 이 공법에서는 기존 방식의 마찰교반용접과 달리 고정 숄더에 있는 용접핀만 회전합니다. 이런 방식으로 이송 동작 중 용접심을 따라 평편하고 매끈한 용접심 표면이 형성됩니다. 따라서 후가공에 대한 비용과 노력이 줄어듭니다.
마찰교반용접은 플러그인 하이브리드 타입 전기 구동 차량의 배터리 하우징에 이상적입니다.

인더스트리 4.0: 품질 데이터를 투명하게 기록

KUKA cell4_FSW 용접셀을 통해 고객이 얻을 수 있는 추가적 이점 KR FORTEC 시리즈의 헤비듀티 로봇은 우수한 강성과 수명으로 대형 구성품의 경로 정확도를 높일 수 있습니다. "동시에 고객은 KUKA의 공정 제어 시스템 및 문서화 시스템(PCD)을 사용하여 모든 필수 공정 파라미터를 추적하고 품질 데이터를 투명하게 기록할 수 있습니다."라고 포트폴리오 매니저인 Till Maier는 강조합니다. 이를 통해 KUKA는 Industrie 4.0 통합을 위한 기반을 마련했습니다. 또한 KUKA Remote Service를 이용해 쉽게 데이터를 교환할 수 있어 문제를 신속하게 해결할 수 있고 가동 중지 시간이 길어지는 것을 방지할 수 있습니다.

환경을 생각하는 운영 방식 전기 자동차를 위한 친환경 기술

이 프로세스는 경제적이고도 고품질을 생산할 뿐만 아니라 친환경 기술로 간주됩니다. "에너지 소비가 적기 때문에 마찰교반용접은 친환경적이며 연기 배출 장치나 눈부심 방지 조치가 필요하지 않습니다."라고 Stefan Fröhlke는 설명합니다. 이러한 품질, 경제성 및 지속 가능성의 조합은 고객에게 확신을 주었습니다.
FSW 프로세스는 에너지를 적게 소모하므로 지속 가능한 방식입니다.

마찰교반용접: 전기차의 성공 스토리는 계속됩니다

첫 번째 시스템은 프로토타입 및 테스트 단계를 거친 후 2016년 독일에서 처음으로 생산에 들어갔고 이후 그룹의 전기 구동 자동차 배터리 하우징 생산을 위한 청사진 역할을 했습니다. 마찰교반용접 용량을 확장하기 위해 이 자동차 제조업체는 공정 책임을 재구성하고 특별히 이를 위해 새로운 작업장을 건설한 스웨덴의 자회사에 이 과제를 인계했습니다. 또 이와 관련하여 KUKA에서 2개의 마찰교반용접 셀을 추가로 주문했습니다.

새로운 자동화 콘셉트로 사이클타임 25% 절감

첫 번째 셀은 2020년 9월에 스웨덴으로 이전되었으며 2021년 5월에는 아우크스부르크에서 두 개의 새로운 KUKA cell4_FSW 셀이 사전 승인되었습니다. 이로부터 불과 두 달 후인 2021년 7월에 이 두 개의 시스템이 고객사 현장에서 가동되었습니다. 첫 번째 셀과 비교하여 개선된 사항은 모든 관계자들에게 깊은 인상을 남겼습니다. 복합적인 유압 클램핑 시스템을 자동화함으로써 구성품 핸들링을 포함한 전체 사이클 시간이 20분에서 15분으로 단축되었으며, 동시에 클램핑 시스템을 최적화하여 용접 심과 같은 제품의 품질이 향상되었습니다.
냉각 채널 밀폐를 위한 톱니형 심의 예 용접 심은 전기 자동차에서 중요한 역할을 합니다.

알루미늄 합금 용접에 대한 높은 기대치

자동차 배터리 하우징의 안전 관련 구성품에 대한 요건은 매우 까다로웠습니다. 용접 심은 매우 높은 파열 압력을 견디는 강도 테스트를 통과해야 했으며 이를 위한 특수 클램핑 장치와 적절한 공구를 용접 파라미터와 함께 새로 개발해야 했습니다. 알루미늄으로 된 다양한 합금(알루미늄 다이캐스트의 가공 합금)을 용접해야 했기 때문에 이는 FSW 기술로만 구현할 수 있었습니다.
마찰교반용접은 플러그인 기술이 탑재된 자동차를 위한 경제적이고 친환경적인 공정입니다.

고객과의 협업은 매우 개방적이고 서로 신뢰할 수 있는 분위기에서 목표 지향적으로 진행되었으며 고객은 구현이 신속히 이루어지는 것에 놀랐습니다.

프로젝트 팀장 Adel Ben Hassine, KUKA Sales & Proposal Engineering

신속한 구현으로 고객 만족도 향상

6개월 이내의 빠른 배송 또한 고객 주문의 조건이었습니다. 이 분야에 대한 KUKA 전문성의 결과로 모든 고객 요구 사항을 충족할 수 있었습니다. 고객은 최상의 만족감을 표시했습니다. KUKA의 Sales & Proposal Engineering 프로젝트 팀장인 Adel Ben Hassine은 "고객과의 협헙은 매우 개방적이고 서로 신뢰할 수 있는 분위기에서 목표 지향적으로 진행되었습니다. 그리고 고객은 구현이 신속히 이루어지는 것에 놀랐습니다"라고 강조했습니다. 또한 지속 가능성 측면에서도 그 목표를 달성했습니다. "이 공구를 고객과 함께 개발했으며 이로써 핀의 수명이 이제 두 배로 늘어났습니다."

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