Enovasense

01 — 소개

레이저 클래딩: Euro 7 입자 배출 규제에 대한 브레이크 디스크의 해법

2024년 Euro 7 기준이 채택된 이후 자동차 제조사는 새로운 유형의 배출 규제에 직면하고 있습니다. 배기가스뿐 아니라 비배기 입자 배출도 규제 대상이며, 그중 상당 부분이 브레이크 디스크 마모에서 발생합니다. 기존 회주철 디스크는 제동할 때마다 미세 입자를 방출합니다. 이에 따라 레이저 클래딩이 핵심 기반 기술로 자리 잡았습니다. 단단하고 내마모성이 높은 층을 주철 디스크의 마찰면에 야금학적으로 접합하여 마모와 그에 따른 입자 배출을 크게 줄입니다.

브레이크 디스크는 높은 기계적 하중, 고온, 반복적인 열 사이클 등 가혹한 조건에서 작동하며, 이로 인해 마찰면이 시간이 지남에 따라 열화됩니다. 클래딩층은 이 표면을 보호하고 내마모성을 향상시키며 부품 수명을 연장합니다. 그 대신 OEM 사양은 클래딩층의 두께와 균일성에 대해 엄격한 요구 사항을 부과하며, 신뢰성 있고 반복 가능한 두께 관리가 생산 공정의 필수 단계가 됩니다.

레이저 클래딩 공정

레이저 클래딩은 고에너지 레이저가 기재 표면에 작은 용융풀을 형성하고, 그 안에 금속 분말 또는 와이어를 공급하는 표면 처리 공정입니다. 이를 통해 기재와 야금학적으로 접합된 치밀한 코팅이 형성됩니다. 브레이크 디스크에서는 일반적으로 각각 다른 기능을 가진 두 번의 패스로 공정이 진행됩니다.

분말 공급식 클래딩 와이어 공급식 클래딩 본드층 탄화물 강화 마모층

첫 번째 본드층은 주철로부터의 야금학적 전이를 담당하고, 일반적으로 경질 탄화물 입자를 포함하는 두 번째 마모층은 마찰 및 내마모 성능을 제공합니다. 클래딩 후 디스크는 최종 형상과 거칠기로 연삭되며, 이때 증착된 층의 일부가 제거됩니다. 따라서 최종적으로 중요한 것은 남아 있는 층 두께입니다.

02 — 품질 요구 사항

클래딩층 두께가 핵심 품질 파라미터인 이유

클래딩 디스크의 마모 수명, 나아가 차량 수명 전체에 걸친 입자 배출 성능은 연삭 후 남은 마모층의 두께에 의해 직접 결정됩니다. 너무 얇으면 디스크가 조기에 본드층이나 주철까지 마모되고, 너무 두꺼우면 공정 시간, 분말 소비량, 연삭 작업량이 이점 없이 증가합니다. 따라서 OEM 사양은 두께 허용 범위와 마찰면 전체에 대한 균일성 요구 사항을 규정합니다.

마찰면 전체의 두께 균일성

레이저 클래딩은 서로 겹치는 비드로 이루어진 표면을 형성하며, 용융풀 거동, 분말 공급 변동, 증착 중 디스크 전체에 형성되는 온도 구배로 인해 국부적인 두께 변동이 발생합니다. 클래딩 궤적이 시작되고 끝나는 마찰 링의 내측 및 외측 가장자리는 특히 민감합니다. 단일 지점 검사로는 규정된 최소 두께가 모든 곳에 확보되어 있는지 확인할 수 없으며, 마찰면의 고밀도 두께 맵만이 이를 확인할 수 있습니다.

두 개의 층, 하나의 총 두께

기능성 코팅은 두 번의 패스로 형성되므로, 품질 문제는 단일 층의 두께가 아니라 두 번의 증착 후 총 두께, 그리고 연삭 후 남은 두께인 경우가 많습니다. 따라서 검사 방법은 클래딩 전에 취득한 표면 기준에 의존하지 않고 완성 부품에서 전체 층 구성을 측정할 수 있어야 합니다.

공정 드리프트 모니터링

레이저 출력, 분말 또는 와이어 공급 속도, 스캔 속도, 노즐 마모, 디스크 예열은 모두 시간이 지남에 따라 드리프트하며, 전체적으로 증착 두께를 변화시킵니다. 수백 개마다 파괴적인 단면 검사를 하는 대신 모든 디스크, 또는 최소한 고밀도·고빈도 샘플을 모니터링하는 것이 대량의 부적합 디스크가 발생하기 전에 이러한 드리프트를 감지하는 유일한 방법입니다.

03 — 측정 과제

레이저 클래딩층의 측정이 어려운 이유

레이저 클래딩층의 두께 측정은 실제로 어려운 과제입니다. 증착된 상태의 표면은 거칠고 서로 겹치는 비드로 이루어져 있으며, 두께는 용융풀 거동에 따라 국부적으로 달라집니다. 또한 내마모성을 높이기 위해 마모층에 포함된 경질 탄화물 입자가 여러 측정 원리를 방해합니다. 그 결과 많은 기존 두께 측정 방법이 산업 규모에서 반복성과 재현성 있는 결과를 제공하는 데 어려움을 겪습니다.

금속 조직 단면: 기준 방법이지만 파괴적이고 국부적

디스크 단면을 절단, 마운팅, 연마한 후 현미경으로 관찰하는 방법은 여전히 모든 품질 프로토콜에서 인정되는 기준 방법입니다. 그러나 이 방법은 파괴적이고 본질적으로 국부적이며 느립니다. 하나의 단면은 수백 제곱센티미터에 이르는 마찰면 중 몇 밀리미터만을 기록하며, 결과는 디스크가 클래딩 셀을 떠난 지 몇 시간 또는 며칠 후에야 나옵니다. 대형 또는 복잡한 부품의 두께 균일성을 대표성 있게 평가할 수 없고, 공정 피드백 제어에도 활용할 수 없습니다.

높이 센서와 레이저 삼각측량: 층이 아닌 표면 측정

거리 기반 방법은 증착 전후의 표면 형상을 측정하고 그 차이로 층 두께를 추정합니다. 정확도는 표면 형상, 거칠기, 국부 방향에 크게 좌우되며, 비드 형태의 클래딩에서는 이 모든 요소가 불리합니다. 더 근본적으로, 이러한 방법은 맨 기재의 기준 측정이 필요합니다. 2층 공정이나 디스크 연삭 후에는 이 기준이 사라지므로 표면 높이만으로는 더 이상 기능층 두께를 추정할 수 없습니다.

산업용 솔루션이 갖춰야 할 요건

• 표면 위치가 아닌 층 자체를 측정 — 연삭이 완료된 디스크에서 2층 구성의 총 두께를 얻기 위함입니다.
• 거칠기와 탄화물에 대한 내성 — 측정은 비드 질감과 미세 조직에 방해받지 않고 이를 평균화해야 합니다.
• 마찰면 전체 매핑 — 균일성이 사양 항목이므로 단일 지점이 아닌 두께 맵을 제공해야 합니다.
• 생산 라인 통합 — 로봇 또는 갠트리에 장착하고, 비접촉이며, 클래딩 셀의 택트 타임을 따라갈 수 있을 만큼 빨라야 합니다.

04 — 기술 비교

레이저 광열 복사 측정이 클래딩 디스크에 적합한 도구인 이유

Enovasense의 특허 기술인 레이저 광열 복사 측정(LPTR)은 표면이 아니라 코팅 자체를 측정합니다. 변조된 레이저 빔이 클래딩층에 열파를 발생시키고, 적외선 검출기가 표면으로 다시 확산되는 열을 포착하며, 이 열 응답의 특성 시간으로부터 층 두께를 산출합니다. 이 방법은 코팅–기재 시스템의 적분된 열 응답에 기반하므로 광학식 또는 거리 기반 기술에 비해 국부적인 미세 조직 변동, 비드 거칠기, 탄화물 입자의 영향을 훨씬 덜 받으며, 동시에 완전한 비접촉·비파괴 방식으로 산업 자동화와 호환됩니다.

05 — 계측 성능

메르세데스 및 Fritz Winter와 양산 디스크에서 검증

Enovasense는 현재 및 향후 자동차 배출 요구 사항에 대응하는 레이저 클래딩 브레이크 디스크 솔루션을 개발하고 평가하기 위한 산업 검증 프로젝트에서 Fritz Winter 및 Mercedes와 협력했습니다. 이 프로젝트에서 Mercedes와 Fritz Winter는 대표적인 생산 조건에서 클래딩층 두께를 모니터링하기 위해 레이저 클래딩 브레이크 디스크에 대한 Enovasense의 레이저 기반 두께 측정을 여러 산업 성숙도 단계에 걸쳐 검증했습니다.

교정 및 단면 대비 블라인드 검증

클래딩층 두께가 200~350 µm인 디스크 3개를 Enovasense 센서로 측정하고 그 응답을 사용하여 교정을 구축했습니다. 이후 이 교정을 두께를 알 수 없는 검증 시료에 적용했으며, 이 시료들은 이후 절단되어 현미경 단면으로 검증되었습니다. 그림 3은 두 데이터 세트를 나란히 보여 줍니다.

검증 시료에서 Enovasense 측정값은 230–260 µm 구간 전체에서 단면 기준값을 밀접하게 따르며, 얇은 검증 디스크와 두꺼운 검증 디스크 사이의 단차도 포착합니다. 현미경 단면으로 얻은 값과 Enovasense 센서로 얻은 값 사이에 강한 상관관계가 있으며, 이는 소수의 기준 디스크로 구축한 교정이 미지의 양산 부품에도 적용될 수 있음을 확인해 줍니다.

전면 균일성 매핑

점 측정을 넘어 Enovasense 센서를 모션 시스템에 통합하면 클래딩된 마찰면 전체를 스캔할 수 있습니다. 그 결과로 얻은 두께 맵(그림 4)은 어떤 단면으로도 알 수 없는 정보를 보여 줍니다. 즉, 마찰 링의 내경과 외경 사이의 반경 방향 두께 구배, 클래딩 궤적과 관련된 원주 방향 변동, 그리고 궤적이 시작되고 끝나는 링 가장자리의 국부적인 얇은 부위입니다.

성능 수치는 검증 프로젝트에서 사용한 측정 구성에 해당합니다. 특정 애플리케이션의 실제 성능은 선택한 광학 시스템, 클래딩 합금 및 탄화물 함량, 측정하는 층의 두께 범위에 따라 달라집니다. 클래딩 재료 시스템마다 전용 교정을 구축합니다.

06 — 산업 통합

브레이크 디스크 검사를 위한 Enovasense 센서 통합의 세 가지 방법

동일한 비접촉 센서를 실험실, 양산 전 단계, 본격 양산 단계에서 모두 사용할 수 있습니다. Enovasense는 탁상형 매핑 스테이션부터 클래딩 라인에 직접 장착하는 센서까지 세 가지 통합 수준을 제공합니다.

HKL2 검사 스테이션 — 마찰면의 3축 두께 매핑