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가까운 미래에 전기 자동차는 내연 기관을 대체할 것이라고 전문가들은 확신합니다. 그래서 크고 무거운 배터리 하우징에 특별한 요건이 적용됩니다. KUKA는 한 글로벌 자동차 공급업체를 위해 세 가지 시스템을 개발했습니다. KUKA FSW 애플리케이션 모듈과 KUKA cell4_FSW를 사용하는 로봇 기반 마찰교반용접(friction stir welding/FSW)은 품질 면에서뿐만 아니라 경제적, 생태학적 측면에서도 제조 공정을 새로운 차원으로 높여줍니다.
3개의 cell4_FSW 셀에서 KR FORTEC을 이용해 마찰교반용접 작업을 하기 위해 투입된 3대의 애플리케이션 모듈을 합하여 총 8대의 KUKA 로봇이 2022년부터 포르투갈에 위치한 한 주요 자동차 공급업체와 협력하고 있습니다. 드라이빙의 미래가 될 구성품이 여기서 제작되고 있습니다. 가능한 최고 경량의 차량을 위해 다양한 알루미늄 합금으로 제작되는 전기 자동차용 배터리 하우징. 이러한 맥락에서 특히 FSW 공정은 매우 중요한 의미를 갖습니다. 왜냐하면 로봇 기반의 이 공정은 우수한 경제성과 함께 최고의 용접 품질을 제공할 뿐만 아니라 에너지 소비가 적어 친환경 기술로 간주하기 때문입니다. 전기 자동차 배터리용 홀더의 생산이 완전히 새로운 차원으로 격상됩니다. 고객사의 정보에 따르면, 1미터의 마찰교반용접 비용은 오늘날 가스차폐 아크 용접 시 1미터 와이어 소비 비용보다 저렴합니다.
전 세계적으로 e 모빌리티는 지속적으로 증가하고 있습니다. 전기 자동차의 핵심인 배터리는 차량의 바닥에 하우징과 함께 고정됩니다. 이 하우징은 압출 프로파일로 만든 가스 차폐 용접 프레임으로 구성되어 있으며, 압출 프로파일은 판금 플레이트 또는 이중벽 압출 프로파일로 밀폐됩니다. KUKA는 수년 동안 하우징 생산에서 고객을 지원해 왔으며 이미 3가지의 다른 시스템을 공급했습니다. “우리는 개별 용접 과제에서부터 완전 자동화된 생산 라인에 이르기까지 고객 요구 사항을 통해 함께 성장해왔습니다”라고 Patxi Blanco는 말합니다. 그는 처음부터 경량 배터리 하우징 프로세스를 함께 한 KUKA의 Global Key Account 관리자입니다.
이 모든 것은 2019년에 시작되었습니다. 당시 고객은 다른 제조업체의 시스템 타입을 사용하고 있었지만 용접 품질에 만족하지 못했습니다. 전기차 배터리 하우징에서는 용접심에 대한 요건이 매우 까다롭기 때문입니다. 하이브리드 차량과는 다르게 순수 전기 자동차 배터리는 더 크고 무거우며 차량 바닥에 직접적으로 통합됩니다. “이를 위해서는 높은 수준의 강성이 필요하며, 차량 바닥에 통합되므로 하우징은 충돌을 견딜 수 있어야 합니다. 즉, 배터리 하우징은 엄청난 힘을 견딜 수 있어야 합니다.”라고 KUKA의 프로세스 솔루션 수석 관리자인 Stefan Fröhlke가 설명합니다.
마찰교반용접(Friction Stir Welding)은 배터리 상자에 대한 요건을 충족하는데 이상적입니다. KUKA는 글로벌 자동차 공급업체의 용접 품질을 개선하기 위해 먼저 두 개의 셀과 셀당 각 한 대의 KR FORTEC이 있는 시스템을 개발했습니다. 한 시스템에서 다양한 배터리 상자를 용접할 수 있는 유연성에 대해 고객은 매우 만족하여 같은 해에 또 추가 시스템을 KUKA에 주문했습니다. 이 추가 시스템은 한 대의 로봇이 있는 한 개의 셀이었지만, 이전처럼 하나의 픽스처가 아닌 세 개의 픽스처를 사용할 수 있었습니다. 이를 통해 세 가지 다른 용접 과제를 한 시스템에서 수행할 수 있었으며, 만약 이런 방법이 없었다면 비로봇 기반의 시스템이 3대가 필요했을 것입니다.
Patxi Blanco는 “이 솔루션을 통해 동일한 생산량에서 두 대의 시스템과 인력 및 생산 공간에 대한 관련 비용을 절약할 수 있습니다.”라고 말합니다. KUKA 솔루션은 매우 경제적입니다: 마찰교반용접 로봇은 최대 95%까지 활용이 가능합니다. 용접 과정 중에 이미 별도의 안전 영역 내에서 픽스처에 제품을 로드 및 언로드할 수 있기 때문입니다. 추가적 장점: 이 공정은 로봇으로 인해 더 역동적일 뿐만 아니라 설치 공간도 더 적게 요구됩니다.
설비의 설치와 시운전은 아우크스부르크에 있는 KUKA 공장에서 진행되었습니다. 고객이 그곳에서 시스템을 승인했기 때문에 현장에서 설치가 빠르고 원활하게 진행되었습니다.
그리고 이것은 시너지 효과를 불러왔습니다. 그로부터 3년 후 이제는 로봇의 도움으로 간단한 용접 공정이 이루어질 뿐만 아니라 전체 생산이 자동화되었습니다. 3개의 KUKA cell4_FSW 셀에서 까다로운 요건에 맞추어 다양한 알루미늄 합금으로 된 배터리 하우징을 생산하기 위해 8대의 로봇이 4단계로 작업하고 있습니다. 먼저 베이스 플레이트를 용접한 다음 두 번째 단계에서 디버링을 수행합니다. 플레이트가 완성되면 로봇은 프레임을 베이스 플레이트에 용접하고 마지막으로 4단계에서 전체 배터리 상자의 버를 제거합니다. “설비의 설치와 시운전은 아우크스부르크에 있는 KUKA 공장에서 진행되었습니다. 고객이 그곳에서 시스템을 승인했기 때문에 현장에서 설치가 빠르고 원활하게 진행되었습니다.”라고 Patxi Blanco는 e 모빌리티의 장기적 프로젝트에 대해 말합니다.
성장하는 e 모빌리티 시장을 위해 특별히 개발된 마찰교반용접 셀 KUKA cell4_FSW는 뛰어난 경제적 효율성과 더불어 최대의 다양성 및 구성 옵션을 제공합니다. “0.5mm 미만의 경로 정확도로 인해 고도로 정밀하고 완벽한 용접심 처리가 가능합니다.”라고 Stefan Fröhlke는 설명합니다. 정확한 경로 가이드 기능은 우수한 강성과 긴 사용 수명을 자랑하는 KR FORTEC 500 R2830 MT의 사용을 기반으로 합니다. 또한 경로 편차를 보정하기 위한 레이저 지원 정밀 경로 보정 기능은 마찰교반용접의 용접심이 기밀 및 충돌에 대한 까다로운 요건을 충족하는 데 중요한 역할을 합니다.
마찰교반용접에서 공구의 수명은 개발 과정에서 특히 어려운 도전 과제로 밝혀졌습니다. 새로운 재료와 코팅을 적용하여 로봇의 숄더와 핀을 지속적으로 개선함으로써 공구의 수명이 크게 연장되었습니다. “이를 통해 고객은 생산성을 두 배로 늘릴 수 있었습니다. 추가 재고를 확보하여 필요한 경우 며칠 이내에 공급을 보장할 수도 있습니다.”라고 Patxi Blanco는 말합니다.
장기 프로젝트를 통해 KUKA와 자동차 공급업체 간에 좋은 파트너십이 형성되었으며 새로운 배터리 플랫폼에 대한 논의가 여전히 진행 중입니다. KUKA는 시스템과 엔지니어링뿐만 아니라 새로운 개발을 적극적으로 지원하는 데 필요한 프로세스 노하우를 제공합니다. 한 가지는 확실하기 때문입니다. 전기차 및 배터리용 홀더에 대한 수요는 앞으로도 계속 증가할 것입니다. 전문가들은 벌써 2032년에 처음으로 독일에서 내연기관보다 전기 자동차가 더 많이 등록될 것이라고 예측하고 있습니다. 무엇보다 CO2 배출량이 감소하기 때문입니다. 이로써 가벼울 뿐만 아니라 적절한 강도를 지닌 배터리 하우징의 수요 또한 높아집니다.
