효율적인 용접 기술인 FSW는 K-배터리 전략의 성공을 위한 핵심 요소입니다

틸 마이어: 한편으로는 OEM에 부품을 공급하는 Tier-1 기업에 제품을 공급하고 있습니다. OEM 분야의 직접 고객 그룹도 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 고객들에게 우리는 총괄 계약자로서 전체 물류와 전후 공정(예: 용접면 후속 디버링 또는 브러싱)도 담당합니다. 세 번째 그룹은 KUKA의 R&D 로봇 셀을 사용하여 공정과 기술을 연구하는 과학 연구소들입니다.

슈테판 프로엘케: 그렇습니다. 공정은 산업 적용 전 반드시 충분히 검증되어야 합니다. 이를 위해 공정을 정의하고 우선 지식을 구축하는 공정 기술이 존재합니다. 예를 들어, 많은 고객들이 먼저 R&D 셀을 구매한 후 다양한 매개변수를 테스트하여 공정을 조정합니다. 이는 완성된 제품을 설치하는 일반적인 제품 사업과는 크게 다릅니다. 그래서 저희는 솔루션이라고 말합니다. 여기에는 제품 뿐만 아니라 수십 년간 쌓아온 전문가들의 경험도 포함됩니다. 이들은 공정을 설정하고, 테스트를 수행하며, 고객에게 가장 적합한 솔루션이 무엇인지 파악할 수 있습니다. 그런 다음 우리는 이를 조합합니다. 여기에는 스핀들과 제어 장치가 장착된 로봇뿐만 아니라 이에 맞춰진 공구와 홀더 또는 장치의 설계도 포함됩니다. 우리는 사전 검수를 포함한 완성형 패키지를 제공하고, 최종 검수는 고객사에서 진행됩니다. 우리에게서 FSW 셀을 구매하는 것은 단순히 장비를 구입하는 것이 아니라 즉시 사용 가능한 솔루션을 구입하는 것입니다!

스테판 프로엘케: 초기 조사 단계는 이론적 수준에서 진행됩니다. 먼저 가공할 합금에 대해 논의하고 용접이 가능한지 분석합니다. 이후 3D 모델을 기반으로 접근성 연구를 수행합니다: 로봇이 모든 관련 지점에 도달할 수 있는가? 부품, 클램퍼 또는 공구와의 충돌 위험이 있는가? 그 다음에는 실용적인 테스트 단계가 이어집니다: 데모용 샘플 부품 등을 사용하여 용접 이음매를 철저히 검사합니다. 예를 들어, 연마면 사진을 생성하는 등 실험실 분석을 통해 이음매를 내부에서도 관찰할 수 있습니다. 또한 굽힘 및 인장 시험도 수행합니다. 이 과정은 스포츠의 녹아웃 라운드와 유사하게 단계별로 진행됩니다: 각 단계에서 모든 기술 사양과 품질 요구 사항이 충족되는지 확인합니다. 모든 테스트가 성공적으로 완료되고 설비를 적절하게 구성할 수 있게 된 후에도 고객을 홀로 내버려 두지 않습니다: 인수 후에는 직원 교육 등을 담당합니다. 그리고 나중에 설비가 가동 중일 때 공정 기술적 질문이나 문제가 발생하면 계속해서 조언과 지원을 제공합니다.

슈테판 프로엘케: 기본 수준은 우선 KUKA College에서 진행하는 로봇 교육입니다. 여기서는 역할과 업무에 따라 시운전 담당자나 설비 운영자 등 다양한 교육을 제공합니다. 이 기본 교육은 2~3일 또는 5일 동안 진행되는 FSW 공정 교육으로 보완할 수 있습니다. 이 교육은 공정의 특수성에 초점을 맞춥니다: 생산 과정에서 주의해야 할 사항은 무엇인가? 기본 조건, 기준 및 매개변수는 무엇인가? 공정을 어떻게 설정해야 하는가? 신뢰할 수 있는 공정 및 품질 관리는 어떻게 이루어지는가? 기본적으로 모든 교육은 아우크스부르크 본사 또는 전 세계 고객 현장에서 진행할 수 있으며, 고객의 개별 조건에 매우 구체적으로 대응할 수 있습니다.

틸 마이어: 기본적으로 저희 로봇 포트폴리오에는 세 가지 솔루션이 있습니다. 첫째, 300kg의 적재 하중과 최대 2,800mm의 작업 반경을 가진 MT 사양의 새로운 KR FORTEC ultra(KR 300 R2800-2 MT)입니다. 이 로봇은 복잡한 2D 및 3D FSW 애플리케이션을 위한 범용 로봇 기반 3D 애플리케이션 모듈로 제공됩니다. 둘째, 모듈식 FSW 셀 KUKA cell4_FSW midsize single로, 위에서 언급한 로봇과 결합하여 HEV 배터리 하우징과 같이 공정 활용도가 가장 높은 중형 애플리케이션에 사용됩니다. 마지막으로, FSW 셀 KUKA cell4_FSW large dual은 위에서 언급한 로봇과 함께 BEV 배터리 박스와 같이 공정 활용도가 가장 높은 대규모 애플리케이션에 사용됩니다. 당사의 FSW 로봇 셀은 성장하는 E-모빌리티 시장을 위해 특별히 개발되었습니다. 모듈식 구조로 다양한 생산 규모에 맞게 확장 가능하며, 다양한 구성 옵션으로 매우 다용도로 활용할 수 있습니다.  
스테판 프로엘케: 우리의 KR FORTEC ultra MT는 일반적인 픽 앤 플레이스 기계가 아니라 특수한 MT, 즉 머신 툴링 변형입니다. 축 1부터 3까지는 특수 기어 전단과 모터로 최적화되어 최대 12킬로뉴턴, 경우에 따라 그 이상의 엄청난 공정 힘을 가능하게 합니다. 새로운 더블 스윙 암과 새로운 기계 데이터 덕분에 KR FORTEC ultra MT는 매우 높은 강성을 자랑하며 특히 FSW 공정을 위해 개발되었습니다. 높은 힘을 정밀한 반복 정확도로 가할 수 있는 이 능력은 우리를 다른 로봇 제조업체와 차별화합니다. KUKA는 이 분야에서 절대적인 선구자였습니다. 또한 로봇에 장착된 개별 공구와 클램핑 장치도 고객 맞춤형으로 보완됩니다.

틸 마이어: 다양한 FSW 공구의 가능성은 매우 광범위합니다. 어깨와 핀이 모두 회전하는 기존 공구부터, 핀만 회전하는 고정식 어깨 공구, 보빈 공구 및 기타 여러 특수 설계에 이르기까지 다양합니다. KUKA는 FSW 공구 개발에 적극 참여하며, 새로운 공구 형상을 설계하거나 마모 메커니즘을 연구합니다. 공구의 내구성을 높이고 수명을 연장하기 위한 코팅 기술을 개발하고 있으며, 최적의 가격 대비 성능을 제공하는 신소재를 찾기 위해 공급업체와 공동 개발 프로젝트를 진행하고 있습니다. 이러한 과정에서 고정형 숄더 용접 공구가 최상의 솔루션으로 입증되었습니다. 이 공구는 높은 용접 품질을 보장하고 매끄럽고 균일한 용접 표면을 제공하여 후가공 비용을 크게 절감합니다.

스테판 프로엘케: 분명합니다. 우리의 새로운 KR FORTEC ultra MT와 마찬가지로 이미 널리 보급된 KR 500 MT는 충분한 강성과 동시에 높은 정밀도를 갖추고 있으며, 더 강력한 모터 덕분에 대부분의 전기 모빌리티 응용 분야에서 FSW를 정밀하게 수행하는 데 필요한 출력을 제공합니다. 또한 로봇을 위한 일종의 경로 보정 시스템을 개발했습니다. 이를 통해 전체 용접 공정 동안 레이저 트래커로 로봇의 위치를 측정하고, 실시간으로 온라인으로 대응하며 로봇을 제 경로로 유지할 수 있습니다. 0.5mm 미만의 경로 정확도 덕분에 고정밀 용접이 가능합니다. 간단히 말해, 이 로봇 시스템은 FSW의 높은 힘에 매우 잘 대응합니다.
틸 마이어: 새로운 KR FORTEC ultra MT는 최대 20%의 추가 공정 힘을 발휘할 수 있어 한 단계 더 발전했습니다. 2025년 봄부터 새로 출시된 모델은 최대 3,400mm의 작업 반경을 제공하여 KUKA 고객의 FSW 작업 영역을 효과적으로 확장합니다. 하지만 KR FORTEC은 이미 그 전부터 매우 인기가 높았습니다. 지난 몇 년간 FSW 응용 분야에서 이보다 더 많이 판매된 로봇은 없었습니다!

틸 마이어: 현재 우리는 미국 대형 자동차 제조업체로부터 12개의 FSW 셀에 대한 후속 주문을 받았습니다. 이 업체는 이전에 이미 23개의 셀을 우리에게 주문한 바 있습니다. 이 셀들은 여러 제조 단계에서 사용됩니다: 로봇은 배터리 지지대를 용접하고, 두 번째 생산 단계에서 냉각판을 배터리 지지대에 연결합니다. KUKA는 단순히 기술을 공급하는 데 그치지 않고, 조립, 시운전, 교육 및 최종 검수를 포함한 전체 마찰 교반 용접 공정을 책임지고 있습니다. 특히 흥미로운 점은, 포괄적으로 개조된 생산 설비에서 내연기관 차량, 하이브리드 차량 및 전기 차량을 동일한 생산 라인에서 제작할 수 있다는 것입니다.
스테판 프로엘케: 이는 하이브리드 전기차와 순수 배터리 차량이 생산에 있어 매우 다른 요구 사항을 가지고 있기 때문에 주목할 만합니다. 하이브리드 차량의 경우 알루미늄 주조로 만들어진 더 작은 배터리 하우징이 있습니다. 이 하우징에는 냉각 채널이 있으며, 우리의 임무는 이 냉각 채널을 막는 것입니다. 반면 순수 배터리 구동 차량의 경우 배터리 하우징이 훨씬 더 크고 무게도 훨씬 더 무겁습니다. 이는 많은 부품이 다양한 알루미늄 합금으로 만들어져야 함을 의미합니다. 
틸 마이어: 2022년부터 포르투갈의 한 대형 자동차 부품 공급업체에도 당사의 로봇 8대가 설치되어 있습니다. 이 중 3대는 KR 500 MT FORTEC이 장착된 FSW 애플리케이션 모듈로, 3개의 KUKA cell4_FSW 셀에 배치되어 있습니다. 해당 업체는 다른 제조업체의 설비에서 용접 품질에 만족하지 못했습니다. 우리는 먼저 두 개의 셀과 각각 KR 500 MT FORTEC을 갖춘 설비를 개발했습니다. 한 설비에서 다양한 배터리 케이스를 용접할 수 있는 유연성에 고객사가 매우 만족하여 바로 추가 설비를 주문했습니다. 로봇 한 대로 세 가지 장치를 조작할 수 있는 셀입니다. 이를 통해 세 가지 다른 용접 작업을 수행할 수 있으며, 그렇지 않으면 세 대의 비로봇 기반 설비가 필요했을 것입니다. 용접 공정 중 장치들이 별도의 안전 구역에서 이미 적재 및 하역될 수 있기 때문에 FSW 로봇은 최대 95%까지 가동률을 달성할 수 있습니다.

틸 마이어: 자동차 산업에서는 용접이 100% 정확하고 안전해야 합니다. 결국 배터리 하우징은 충돌과 관련된 부품이기 때문입니다! 값비싼 리콜을 피하기 위해서는 전체 공정과 그 매개변수에 대한 공정 안정성과 문서화가 핵심적이고 필수적인 요구 사항입니다. 그래서 KUKA에서는 공정 모니터링을 위한 특별한 제어 시스템인 PCD(Parameter Control and Documentation)를 개발했습니다. 이를 통해 공정의 모든 관련 데이터를 100밀리초 간격으로 모니터링하고 저장할 수 있습니다. 또한 인터페이스를 통해 데이터를 다른 시스템에서 쉽게 추가 처리할 수도 있습니다.

슈테판 프로엘케: 매우 큰 역할을 할 것입니다. 그래서 우리는 아우크스부르크 대학의 AI 생산 네트워크 내 다른 파트너들과 함께 바이에른 연합 연구 프로그램의 공공 지원 프로젝트에서 AI 기반 공정 모니터링 시스템을 개발하고 있습니다. 이 시스템에서는 다양한 센서가 용접 시 발생하는 힘, 온도 및 진동을 기록합니다. 특히 초음파 영역의 신호 분석에 중점을 둡니다. AI가 방대한 센서 데이터를 해석하고 연구진은 이를 용접 공정의 단계에 할당합니다. 데이터 내 특정 패턴은 용접 이음매가 제대로 수행되지 않았음을 나타낼 수 있습니다.

틸 마이어: 경쟁사와 차별화되는 점은 산업 생산 분야에서 FSW에 대한 폭넓은 포트폴리오입니다. FSW 애플리케이션 모듈부터 표준화된 생산 셀, 턴키 솔루션에 이르기까지 다양합니다. 자동 공구 교환기 및 FSW 공구용 자동 세척 스테이션과 같은 옵션을 통해 24시간 연중무휴 운영이 가능합니다. 또한 우리의 종합적인 역량도 강점입니다. 일부 기업은 로봇을 공급하고, 다른 기업은 스핀들이나 특수 공구를 공급하지만 필요한 공정 노하우를 갖추지 못한 경우가 많습니다. 우리는 이러한 모든 구성 요소, 공정 및 지식을 원스톱으로 제공할 수 있습니다. 마지막으로, 우리는 고객의 개별 요구 사항에 최적화되도록 로봇을 설계하고 프로그래밍합니다. 개념 설계부터 구현까지 모든 관련 공정 단계에 영향을 미칠 수 있습니다.

스테판 프로엘케: 또한 최종 고객과의 다양한 직접 협력을 통해 얻은 귀중한 경험을 솔루션에 반영합니다. 지난 20년간의 수많은 참고 프로젝트가 이를 증명합니다. 우리는 FSW를 비롯한 다양한 용접 공정에 대한 풍부한 엔지니어링 노하우를 보유하고 있으며, 직접 수행을 통해 지속적으로 이를 확장하고 있습니다. 통합 업체로서 우리는 또한 설비의 품질을 책임지며 다양한 방법으로 까다로운 과제까지 해결합니다. 고객이 원할 경우, 개별 요구 사항에 완벽하게 부합하는 완전한 턴키 솔루션을 제공할 수 있습니다. 다시 말해, KUKA는 전기 모빌리티 분야의 FSW 관련 프로젝트 전 과정—제품 아이디어 단계부터 완성된 턴키 솔루션까지—를 함께할 수 있는 최적의 파트너입니다.

마찰 교반 용접(FSW)은 회전하는 핀 모양의 공구를 부품의 접촉면 사이로 이동시키는 방식입니다. 마찰열로 인해 재료가 가소화되어 부품들이 서로 결합됩니다. 이를 통해 알루미늄과 마그네슘, 구리 또는 강철과 같이 용접이 어렵거나 상이한 재질도 용접할 수 있습니다. 이 공정은 기존 용접 공정에 비해 에너지와 재료 소비가 적습니다. FSW는 1990년대 초 영국 용접 연구소(TWI)에서 개발되었습니다. 이후 항공우주, 자동차, 조선 등 다양한 산업 분야에서 자리 잡았습니다. 전기 모빌리티의 급속한 성장과 배터리 수요 증가로 FSW는 부흥기를 맞이하고 있습니다. 이는 지속적인 연구 개발을 통해 지속적으로 개선되고 확장되면서 더욱 가속화되고 있습니다. ISO 25239는 FSW를 규제하고 표준화하는 특정 규격입니다.