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샌드빅코로만트, 한치의 오차 용납 않는 우주항공 복합소재 가공 솔루션 선봬
CoroDrill 863-O 드릴로 고인성 복합 소재 가공 및 예측가능성 개선

[샌드빅코로만트 제공] 최근의 조사에서 제조업체의 1/3은 자동화 공구에 대한 투자를 가속화하겠다고 밝혔다. 하지만 자동화로 나아가다 보면 복합 소재 가공이라는 난관에 봉착하는 경우가 적지 않다. 이 같은 과제에 가공 자동화가 어떻게 적용이 될까? 샌드빅코로만트의 글로벌 제품 매니저 애런 호크로프트(Aaron Howcroft)가 제조업체들이 화학 기상 증착(CVD) 기술이 적용된 CoroDrill 863-O 절삭 공구를 통해 복합 소재 가공에 대한 접근법을 어떻게 제고할 수 있는지 설명한다.

제조업체들에게는 대부분의 우주항공 부품에서 홀을 드릴링 할 때 홀을 올바르게 가공할 수 있는 세 번의 기회가 주어진다. 이 기회를 놓치면 설계 사양대로 홀을 재가공하는 것이 불가능하기에 주의가 요망된다. 한 홀만 이러한 기회(직경, 표면 조도, 박리)를 놓쳐도 전체 부품을 폐기해야 한다. 고가의 우주항공 부품을 가공한다는 것은 이처럼 위험부담이 크다.

고가의 우주항공 부품을 가공한다는 것은 위험부담이 클 수밖에 없다. [사진=utoimage]

홀 가공은 복합 소재에서 가장 일반적인 가공 공정으로 꼽힌다다. 물리·화학적 특성이 서로 다른 두 가지 이상의 소재가 결합되는 복합 소재 가공에는 소재의 섬유 부분을 절단하는 과정이 수반된다. 과정이 온전하게 수행되지 않으면 복합 소재의 층은 본래 자리에서 떨어져 나k게 된다. 이를 ‘박리’라고 하는데, 제조공정상 생산을 제한하는 가장 큰 요인이다. 

박리는 홀 품질과 반복성, 최종 제품의 품질과 무결성 그리고 제조업체의 수익에 영향을 미친다. 무결성이 영향을 받는 이유는 홀 품질의 향상은 부품 불량을 방지하기 위해 매우 중요하고 홀의 가공 또는 정삭에 사용되는 제조 공정에 의해 대부분 결정되기 때문이다. 

복합 소재 가공 중에 발생하는 열의 정도도 좌시할 수 없다. 소재의 열전도가 나쁘고 칩 조각이 없어서 소재의 섬유를 결합하는 수지에 적지 않은 위험을 안긴다. 즉, 복합 소재의 가공은 간과할 수 있는 가공 공정의 약점을 보여주는 것이다. 

이러한 맹점은 시중에서 판매되는 복합 소재가 더욱 다양해지고 있다는 점과 복합 소재의 예측 불가능성에 의해 더욱 악화되고 있다, 결국 경쟁력 있는 가공이 어려워진다.

지금 이를 언급하는 이유는 무엇일까? 아마도 코로나 시대에서는 홀 품질이 전보다 더욱 중요하기 때문일 것이다. ‘Euromonitor International’의 조사에 따르면 기업의 약 50%는 디지털 전략을 재구상할 계획이다. Euromonitor의 2020년 Voice of the Industry 조사에서 응답자의 1/3은 자동화 공구에 대한 투자를 가속화할 것이라고 대답했다. 즉, 무인 또는 야간 생산에서도 홀을 올바르게 가공해야 한다.

따라서 제조업체들은 복합 소재의 드릴링에 대해 지속적으로 재고할 필요가 있다. 

마모 예측

지금까지 홀 표면 무결성이 우주 항공 제조업체들의 중대한 우려사항이라는 알 수 있었다. 하지만 이러한 우려사항을 해결하기 위해 공구가 어떤 역할을 할 수 있으며, 더 좋은 드릴이 자동화 전략에 어떤 이점을 줄 수 있을까? 

먼저, 제조업체들이 추구하는 이상을 살펴보자. 제조업체들은 품질이 우수하고 일관되며 반복 가능한 홀을 원한다. 물론 어떤 공구라도 결국에는 마모된다. 하지만 적어도 마모가 공구 간에 일관되고 예측 가능해야 한다. 

예측 가능한 마모의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 일반적으로 CNC는 고장 시 공구를 빼내도록 프로그래밍 되기에 드릴의 수명이 일관되지 않으면 구매하는 대부분의 제품의 공구 수명이 50%까지 단축될 수 있다. 따라서 고객에게 드릴을 공급할 때 어떠한 환경에서도 예측 가능한 드릴 수명을 보장할 수 있어야 한다!

설계 통한 성능 향상 

샌드빅코로만트가 탄소 섬유 강화 소재(CFRP)나 유리 섬유 강화 소재(GFRP) 같은 복합 소재를 위한 CoroDrill 863-O 고성능 드릴을 개발한 이유가 여기에 있다. 이 드릴은 항공기 프레임이나 기타 부품의 제조에 복합 소재를 사용하는 우주항공 산업처럼 복합 소재를 광범위하게 사용하고 공구당 드릴링하는 소재의 양이 많아야 하는 산업에 중점을 두고 개발됐다.

CoroDrill 863-O 공구(이름에서 O는 복합 소재 전용을 의미)를 개발하기 위해 가장 먼저 한 일은 박리가 가장 잘 발생하는 우주 항공 산업의 소재에 적용하는 것이었다. 구체적으로 날개와 동체에서 가장 일반적으로 사용되는 필 플라이나 우븐 백이 없는 일방향 라미네이트에 적용했다. 또한 공구 수명 전체에 걸쳐 정확하게 얼마나 많은 박리가 발생하는지 알아내기 위해 박리를 디지털 방식으로 매핑했으며, 컴퓨터 시스템에서는 특정 홀에서 허용할 박리의 양, 즉 공차를 매우 엄격하게 설정했다. 결과로 얻은 데이터로부터 헬릭스 각이나 드릴 주위의 나선형 홈 같은 드릴 설계의 필수적인 측면을 최적화할 수 있었다. 헬릭스 각이 클수록 칩 배출이 유리해져 출구 측의 박리가 감소한다. 이와 반대로, 헬릭스 각이 너무 크면 입구 측에서 복합 소재의 층이 분리될 수 있다. 어느 쪽이든 홀에 층이나 섬유가 돌출될 수 있다. 

CoroDrill 863-O의 다른 주요 특징은 프로파일과 재종이다. 복합 소재는 균질하지 않으며, 생산 중인 모든 신소재의 외형에는 두께, 구성 등 고유한 과제가 존재한다. CoroDrill 863-O은 탁월한 설계상의 특성으로 모든 소재에서 사용할 수 있다. 

홀 가공은 우주 항공 부품의 품질과 성능에 매우 중요하고, 코로나 시대에서는 전보다 더욱 중요해질 수 있다. [사진=샌드빅코로만트]

그 다음은 재종이다. 초경 드릴은 우주항공 부품의 가공에 적합한데, 초경이 절삭 형상과 섕크를 통해 공구를 강화하기 때문이다. 이는 절삭 수행을 최적화하고 공차와 소재 배출을 극대화한다. 그러나 복합 소재의 연마성 때문에 초경도 빠르게 마모된다. 이는 특히 자동화 생산 환경에서 문제가 될 수 있다.

이를 극복하기 위해 CoroDrill 863-O에 화학 기상 증착(CVD) 기술을 적용했다. CVD는 복합 소재와 겹판 소재의 가공에 이상적인 고경도 공구 재료이다. 전체 절삭날에 걸쳐 CVD 층을 적용하면 공구 수명이 훨씬 더 길어지고, CVD의 마찰 계수가 낮고 열전도율이 높기 때문에 공구의 절삭날이 구성인선(BUE)의 영향을 덜 받는다. CVD가 날카롭게 유지되기 때문에 열이 제거되고 마찰이 적으며 홀에서 문제 발생이 최소화된다. 

따라서 CVD 재종은 홀 개수가 많고 높은 생산성이 요구되는 가공에서 선호된다.

모든 장비를 갖춘 로봇 및 현장 테스트

CoroDrill 863 제품군은 이미 생산 라인의 CNC와 로봇을 비롯한 제조업체의 자동화 생산 환경에 혜택을 주고 있다. 이 드릴은 초경, PCD(다결정 다이아몬드) 및 CVD 코팅 옵션으로 제공되기 때문에 무인 또는 야간 공정에서 복합 소재, 알루미늄, 티타늄, 내열합금, 스테인리스강 등 모든 종류의 난삭재를 가공할 수 있다.

한번은 실험실 밖에서 탄소 섬유 가공물에 홀을 드릴링하여 CoroDrill 863-O의 성능을 테스트했다. 탄소 섬유는 탁월한 강도 대 중량비 덕분에 엔지니어들이 항공기 구조를 경량화하고 있는 우주 항공 분야에서 인기가 높은 소재이다. 

복합 소재에서 향상된 내마모성을 제공하기 위해 O1AD라고 부르는 CVD 버전을 사용하는 CoroDrill 863-O 형상으로 평균 두께가 0.25인치인 가공물에서 드릴링을 두 세트 수행했다. 먼저 863-O 드릴을 사용해 6.37mm (0.25인치)의 절삭 직경(DC)으로 가공물을 가공한 다음, 4.85mm (0.191인치)의 DC로 가공했다.

두 세트 모두에서 863-O은 탁월한 결과를 보여주었다. 탄소 섬유에서 6.37mm (0.25인치)의 DC로 400개의 홀을 드릴링했고, 4.85mm (0.191인치)의 DC로 560개의 홀을 드릴링했다. 전체 공구 수명 중 초기 단계이기는 했지만, 결과는 실험실 테스트와 거의 일치했다. 공구 수명 예측 시스템인 샌드빅코로만트의 ‘Capacity Data Management’ 시스템을 사용하여 공구 수명을 정확하게 예측했다. 전반적으로 복합 소재 가공에서 탁월한 공구 수명, 공구 교환 횟수 감소, 반복 가능하고 신뢰할 수 있는 성능을 제공하는 제품의 능력을 보여줬다. 무엇보다도 두 테스트 모두에서 모든 홀의 입구와 출구에서 박리의 수준이 낮았다. 

분명한 점은 특히 복합 소재나 겹판 소재 가공물에서 성공적인 홀 가공을 위해서는 전용 절삭 공구가 필수적이라는 사실이다. 또한 863-O 드릴 같은 공구는 복합 소재를 가공하는 경우에도 공정을 완전히 자동화하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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