대형 정밀 광학 부품의 처리 속도 향상

Coherent는 1.5미터 구경 TMT(30미터 망원경) 거울 세그먼트의 "육각형 가공" 속도를 높이기 위해 첨단 초음파 공작 기계를 설치하고 있습니다.

2023년 8월 24일, Coherent

망원경 거울의 경우는 크기가 클수록 좋습니다. 광선 관련 기초 물리학에서는 망원경 조리개의 크기가 클수록 이미지가 더 밝고 세밀해진다고 밝히고 있습니다. 이론상으로는 그렇습니다.

실제로는 거울 크기가 클수록 고품질의 이미지를 생성할 수 있을 만큼 정밀한 표면 형상을 갖춘 거울을 제작하는 것이 더 어려워집니다. 현재, 거울 크기에 대한 실질적인 한계는 약 8.5미터 구경입니다.

그러나 과학자들은 이러한 한계를 극복하기 위해 아주 독창적인 해결책을 개발했습니다. 즉, 이제는 하나의 대형 망원경 거울을 제작하는 것이 아니라 하나의 대형 거울처럼 작동하는 작은 거울들로 구성된 모자이크를 사용하고 있습니다. 이러한 개별 세그먼트는 서로 매우 가깝게 배치될 수 있도록 보통 육각형 모양으로 되어 있습니다.

그림 1. 위의 JWST(제임스 웹 우주 망원경) 주경과 같은 대형 망원경 거울의 경우는 대개 서로 가깝게 배치된(2mm 이내) 수많은 육각형 세그먼트로 구성되어 있습니다. (이미지 제공: NASA 고다드 우주 센터)

이것이 바로 TMT(30미터 망원경)를 조립하는 데 사용되고 있는 접근 방식입니다. 이 지상 관측소에서는 허블 우주 망원경보다 12배 이상, 그리고 JWST보다 4배 더 선명한 (적외선) 이미지를 제공하게 됩니다.

TMT 주경은 492개의 육각형 세그먼트로 구성되며, 각 세그먼트는 모서리에서 모서리까지 길이가 1.44미터입니다. Coherent는 이러한 거울 세그먼트 중 230개를 제작하고 있습니다.

이러한 거울은 먼저 1.5미터 구경의 원형으로 제작됩니다. Coherent에서 거울의 축외, 쌍곡선 및 자유형 형상을 만드는 데 사용하고 있는 "응력 거울 연마" 기법은 단단하고 대칭적인 원형 기판을 필요로 하기 때문에 이 단계가 필수적입니다. 초기 연마 공정 후에, 이러한 원형 거울("원형판")은 육각형 모양으로 만들어집니다("육각형 가공").

그림 2. Coherent에서 제작하고 있는 230개의 TMT 원형판 각각은 구경이 1.5미터이며, 이 원형판은 모서리에서 모서리까지 길이가 1.44미터가 되도록 "육각형 가공"이 수행됩니다.

이 단계에서 기타 정밀 마운팅 피처도 거울의 측면에 추가됩니다. 특히 이러한 "센서 포켓"은 가능한 최상의 이미지 품질을 유지하기 위해 실시간으로 거울의 위치를 지정하는 센서 및 액추에이터 네트워크를 위한 것입니다. 이를 통해 지상 기반 TMT는 우주 기반 계기의 적외선 공간 분해능을 능가할 수 있습니다.

유리의 기계적 가공

이러한 종류의 성형은 광학 제조에서 흔히 볼 수 있으며 기본적으로 전통적인 밀링 머신(대개 컴퓨터 수치 제어(CNC)로 작동됨)을 사용하여 수행되는 경우가 일반적입니다. 그러나 광학 부품에 사용되는 다양한 유리 재료는 부서지기 쉽고 금속보다 기계적 가공이 더욱 어렵습니다. 그렇기 때문에 이러한 재료에는 다이아몬드 공구가 필요합니다.

다이아몬드 공작 기계는 한 세기가 훨씬 넘도록 사용되어 오고 있습니다. 이와 같은 공작 기계는 뛰어난 성능을 제공하며 광학 산업 전반에서 널리 활용되고 있습니다. 그러나 최신 자동화를 통해 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있음에도 속도는 여전히 비교적 느립니다. 이는 대형 광학 부품에서 많은 양의 재료를 제거할 때 가끔 문제가 됩니다.

Coherent(이전 명칭: Tinsley Optical Systems) 엔지니어들은 TMT를 위해 제작하고 있는 230개의 원형판을 육각형으로 가공하는 작업을 맡았을 때 이러한 한계에 정면으로 직면하게 되었습니다. 그리고 향후 몇 년에 걸쳐 이 작업 일정을 완료할 수 있기를 바라고 있습니다.

시간이 충분할 것 같지만, 사실은 그렇지 않습니다! 각 원형판이 연속적으로(단일 기계에서 하나씩 차례대로) 육각형으로 가공되는 경우, 전통적인 밀링 시스템을 사용하여 그렇게 많은 원형판을 육각형으로 가공하는 데에는 보통 10년 넘게 걸릴 수도 있습니다.

육각형 가공 속도 향상

지난 몇 년 동안 공구 제작업체는 첨단 형태의 초음파 기계적 가공을 통합하는 시스템을 개발했습니다. 특히 여기에는 표준 고속 공구 회전 외에도 다이아몬드 공구의 축을 따라 이러한 다이아몬드 공구의 작은 진폭과 빠른 진동(수십 kHz 범위에서)이 필연적으로 포함됩니다.

이 기술은 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다. 우선, 전통적인 다이아몬드 공구 밀링보다 6~10배 빠른 속도로 훨씬 더 높은 재료 제거율을 달성합니다. 그리고 초음파 공구는 기존 공구보다 가공물에 더 적은 힘을 가하기 때문에 일반적으로 기계적 응력이 거의 발생하지 않아서 물리적인 부품 왜곡을 방지할 수 있습니다. 이 덕분에 표면 아래 손상이 줄어들고 보다 매끄럽게 마감할 수 있으며 더 얇은 두께의 피처를 생산할 수 있습니다.

또한 힘이 낮을수록 공구 마모가 줄어들므로 수명이 연장됩니다. 게다가 초음파 공구는 "자가 드레싱"입니다. 즉, 사용 과정에서 새로운 다이아몬드 알갱이가 공구에 자동으로 노출되므로 절단력이 유지됩니다. 일반적으로 공구는 주기적으로 제거하여 별도의 작업을 통해 드레싱해야 합니다. 공구 교체 빈도와 유지보수 빈도가 낮아지면 장비 가동 중지 시간이 줄어듭니다.

대형 고정밀 부품 제조업체, 특히 반도체 산업에서는 바로 이러한 이유로 초음파 지원 기계적 가공을 채택했습니다. 그러나 현재까지 이 기술은 항공우주 및 천문학 응용 분야를 위한 대형 광학 구성품에 사용된 적이 없습니다.

초음파 시스템 구축

Coherent는 TMT 원형판을 육각형으로 가공할 수 있을 만큼 충분히 큰 초음파 지원 기계적 가공 시스템을 설치하여 이러한 작업을 수행한 최초의 기업이 되었습니다. 또한 절단 공정 중에 머시닝 센터 내에서 광학 부품을 고정하기 위한 매우 특수한 툴링을 개발했습니다.

1.5미터 구경 원형판의 무게는 0.25미터톤(550파운드)이지만 두께는 45mm에 불과하기 때문에 이러한 툴링이 매우 중요합니다. 따라서 비대칭적이거나 국부적인 기계적 힘을 가하는 방식으로 고정하면 형상이 왜곡되기가 매우 쉽습니다. 이로 인해 절단 후 고정 장치에서 부품이 분리되면 부품이 "튀어 나올 수" 있습니다. 결과적으로, 기계적 가공된 피처가 더 이상 사양을 충족하지 않을 정도로 형상이 달라집니다.

따라서 "제로 응력 마운팅"을 사용해야 합니다. 특히 이는 원형판 표면 형상이 왜곡되는 것을 방지하는 동시에 광학 부품이 밀링 공정의 힘에 의해 휘지 않게 유지할 수 있는 마운팅 방법입니다.

기계적 가공을 위한 광학 부품 마운팅 시, 일반적인 접근 방식은 진공 처크를 사용하는 것입니다. 하지만 이 방법으로는 TMT 원형판의 크기 및 정밀도에 맞는 자유형(비대칭 및 비구면) 광학 부품의 제로 응력 마운팅을 달성할 방법이 없습니다. 거울과 일치할 정도로 정확한 형상을 가진 마운팅 표면을 만드는 것은 불가능합니다.

그림 3. Coherent에서 현재 제조 중인 230개 원형판의 정밀 육각형 가공을 처리할 수 있도록 초음파 지원 기계적 가공 시스템을 구축할 예정입니다.

그 대신에 Coherent 엔지니어들은 지지 시스템 및 클램핑 시스템의 다중 기술 네트워크를 이용하는 독자적인 툴링 접근 방식을 고안했습니다. 이 방식은 조금도 굽히지 않고 모든 자유도에서 부품을 고정합니다.

원형판을 육각형으로 가공하는 데 필요한 절단 정밀도를 유지하기 위해 전체 머시닝 센터를 매우 안정적인 기반 위에 놓여 있게 하는 것도 매우 중요합니다. 그리고 주변 환경 조건도 일정하게 유지되어야 합니다. 하지만 이러한 공작 기계는 픽업 트럭보다 크고 무겁다는 점을 유념해야 합니다.

그래서 Coherent는 이와 같은 공작 기계를 수용할 수 있는 특별히 제작된 설비를 마련해야 했습니다. 먼저, 기계의 무게를 지탱하고 필요한 기계적 안정성을 제공하기 위해 철근으로 광범위하게 보강된 새로운 콘크리트 마운팅 패드를 붓는 작업부터 시작했습니다. 또한 주변 환경의 변화를 없애기 위해 전체 생산 구역 내의 온도 관리를 개선했습니다.

육각형 가공에 앞서 수행되는 원형판 광학 제조 공정에 대한 자세한 내용은 여기서 알아보십시오.

대형 정밀 광학 부품의 처리 속도 향상