스마트한 재료의 고속 브레이크

공작 기계에서 공기압 시스템이 없어지면, 리니어 가이드의 클램핑 시스템을 위한 다른 솔루션을 찾아야 한다. 큰 힘을 생성하는 방법으로 형상기억합금을 사용하는데, 이는 리니어 브레이크 시스템을 번개처럼 빠르게 한다.

공학박사 베른트 라호르(Bernd Rachor): Hema Maschinen-und Apparateschutz GmbH 클램핑 시스템 개발 & 설계 담당,

공학박사 알렉산더 체허비즈: ZAF(공구 및 재료 연구 협회 응용 형성기억기술 센터) 형상기억기술 부문 매니저

리니어 가이드에서 클램핑 시스템은 사람과 기계를 보호하는 역할을 한다. 클램핑 시스템은 직선 운동 슬라이드를 위험 상황이나 프로그래밍 상황에서 정밀하게 정지시킬 수 있어야 한다. 이에 공기압 스프링 스틸 다이어프램을 바탕으로 한 견고하고 신뢰할 만한 클램핑 시스템이 시장에 보급되어 있다. Hema Maschinen- und Apparateschutz의 Linclamp 시리즈는 유연성 면에서 신뢰도가 높다. 공작 기계의 소형화와 전기화 그리고 디지털화에 대한 과제와 함께, 공기압 시스템이 갈수록 줄어들고 있다. 이에 Hema사는 ZAF와 협력하여 미래에 대한 전망을 보여주고 있다.

Linclamp K-SMA와 Linclamp G-SMA는 메인 드라이브를 공기압 대신 형상기억합금으로 구현하는 프로토타입이다. 형상기업합금이란 무엇인가? 스마트 재료인 형상기억합금이란 임계 온도를 초과하면 합금 형상에 변화가 일어난다. 이 형태 변화 과정에는 엄청난 힘을 동반하게 된다. 사례를 보면, 형상기억합금 와이어를 90°C의 뜨거운 물에 넣으면 불과 34ms만에 예전 형태인 서류를 고정하는 클립 모양으로 되돌아간다. 형상기억합금은 여성의 브래지어에도 사용되고 있어 주변에서 흔히 볼 수 있는 사례이다.

그림 2: 곧은 형상기억합금 와이어가 스틸 스프링에 의해 예압된다. 시스템을 가열하면 와이어가 짧은 형태로 변화가 일어난다. 이때 상태 센서나 경로 센서로 사용할 수 있을 만큼 재료의 전기 저항이 강하게 발생한다.

클램핑을 위한 두 가지 컨셉트

이런 효과는 그림 2개를 통해 개략적으로 확인할 수 있다. 곧은 형상기억합금 와이어가 스틸 스프링으로 예압된다. 전기 전류를 통해 시스템을 따뜻하게 가열하면 와이어가 짧은 형태로 변화가 일어난다. 이때 상태 센서나 경로 센서로 사용할 수 있을 만큼의 전기 저항이 강하게 발생한다. 이러한 효과는 태블릿이나 밸브 컨트롤, 도어 시스템 등 전자 제품에 이미 사용되고 있으며, 사이클 수는 250,000번의 스위칭을 초과한다. 위의 두 프로토타입은 클램핑을 실현하기 위해 각기 다른 컨셉트를 사용한다.

Linclamp G-SMA는 복잡한 기계적 기어를 스위칭하기 위해 보덴 케이블에 유연한 형상기억합금 와이어 액추에이터를 사용한다. 이 시스템은 스트로크 15mm의 조정 운동과 브레이크 힘 2kN에 80N 힘을 형성하고 브레이크 회수마다 최대 0.3mm의 제동 거리를 형성한다. 형상기억합금 와이어에서 이완되는 콘덴서 시스템을 통해 트리거 반응이 일어난다. 이완은 상위 시스템 컨트롤의 제어 명령에 의해서 또는 정전 시에 이루어진다. 형성기억합금 와이어의 전기화를 통해 형성기억합금 와이어가 40ms 이내에 110 °C가 넘는 온도로 가열된다. 이때 브레이크 제동에 필요한 조정 운동을 만들어낸다.

Linclamp K-SMA는 두 가지 형상기억합금 와이어 액추에이터를 사용한다. 최대 4kN 수준의 예압력은 2mm 두께의 형상기억합금 와이어 액추에이터(힘 액추에이터) 두 개를 통해 형성된다. 이 액추에이터들은 브레이크의 개방 상태를 능동적으로 유지한다. 액추에이터를 일정한 온도로 유지하기 위해, 이 액추에이터들은 특별히 개발된 가열 엘리먼트를 통해 통제된 방식으로 에너지 효율적으로 규정 수준을 유지하게 된다. 제3의 형상기억합금 와이어(트리거 액추에이터)는 볼 캐치 원리에 따라, 예압력과 제동 기계 장치 사이의 연결을 분리하는 복잡한 릴리즈 기계 장치가 활성화된다. 트리거 액추에이터는 매우 가는 형상기억합금 와이어로 구동되기 때문에, 릴리즈를 작동하기 위해 비교적 적은 전류 펄스만 있으면 된다.

테스트에서 Linclamp-K-SMA 프로토타입 시리즈는 20ms도 되지 않는 브레이크 유닛이 활성화된다는 것을 확인하였다. 이는 현재 활성화 시간의 약 10% 범위이다. Hema와 ZAF는 공압 시스템이 없는 장치에 미래 시스템의 잠재력을 걸었다.

그림 3: 테이블 원형톱의 직선 이동 테이블 등에 안전 브레이크로서 위와 같은 브레이크 시스템 사용

직선 이동 테이블 사용

프로젝트 팀은 프로토타입을 사용하는 첫 시나리오를 제시하였다. 원형톱 테이블에서 직선 이동 테이블은 사람 손에 의해 밀리는 경우가 있다. 압축공기 컴프레서가 항상 있는 것이 아니기 때문에 안전 브레이크 시스템을 작동하기 위해서는 순수한 전기 안전 및 브레이크 시스템을 사용해야 한다. 그림 3이 적용 시나리오를 보여주고 있다. 위치 센서가 RFID나 광학 평가장치를 통해 사용자의 손이 원형톱날에 접근하는지를 확인한다. 사람과 원형톱날 사이의 간격이 안전 규정에 미치지 못하면 이동 테이블이 멈추고, 사람이 원형톱니에 위험하게 접근하는 것을 예방하기 위해 제동이 이루어진다. 안전 트리거링을 위해서나, 지정된 커팅 깊이를 촉각적으로 피드백하기 위해 이용할 수 있다.