중요한 트렌드에 대응하는 매시브 성형

지난 2월 독일 뒤셀도르프에서는 제 32회 냉간 매시브 성형업체 연례회의가 개최되었다. 같은 시간 제5차 VDI 열간 매시브 성형 컨퍼런스도 함께 열렸는데, 두 행사에서는 각 섹터의 트렌드와 공구, 재료와 시스템 기술에 대한 심포지엄이 있었다.

안네도레 문데(Annedore Munde): 경제 및 기술 분야 프리랜서 저널리스트

*VDI(Verein Deutscher Ingenieure, 독일 공학자협회)

위에서 언급한 두 성형 심포지엄에서의 주요 주제는 인더스트리 4.0과 디지털 네트워킹이었다. Kamax Automotive GmbH의 연구 엔지니어 루카스 파이는 스크류 생산에 필요한 네트워크 프로세스에 대해 논의하였다. “매시브 성형 프로세스를 디지털화와 네트워킹으로 연결하여 잠재력과 최적화가 새로이 열리게 되었습니다. 관련 있는 프로세스들은 종속성과 관련성으로 최적화할 수 있으며, 전체적으로 견고성을 높일 수 있습니다.“

중소 공구 제조사를 위한 디지털화

루카스 파이는 자신의 강연에서 매시브 성형 프로세스에 센서를 통합하는 방법과 네트워킹에 대해 설명하였다. “가치 창출 체인을 전체적으로 보면 알지 못했던 프로세스 단계의 관련성을 확인할 수 있습니다. 지속적인 오류를 피할 수 있고, 공정 매개변수를 최적화하여 생산성을 높일 수 있습니다.” 인더스트리 4.0 주제를 다루기 위해서는 어느 정도의 비용이 필요하다. 중소기업의 입장에서는 인더스트리 4.0이 일상의 작업 환경에서는 어려운 경우가 많다. 알스펠트에 위치한 LS-Mechanik GmbH의 연구 개발 프로젝트 엔지니어인 마누엘 루드비히도 “공구 제작과 인더스트리 4.0이 수반하는 가능성”이라는 자신의 강연에서 인더스트리 4.0이 데이터 네트워킹과 디지털화 영역에서 투자하는 소규모 업체에게 장래 이익이 될 것이라고 역설하였다. ” LS-Mechanik의 시각에서 인더스트리 4.0의 네트워킹은 장기적으로 생산 증대로 이어질 수 있습니다. 특히 회사 내부의 프로세스와 제조, 물류, 품질 관리 등의 부서들은 인더스트리 4.0에서 이루어지는 발전의 혜택을 누릴 수 있습니다. 많은 기업들에게 지금까지는 데이터를 수집하고 처리할 수 있는 방법이 없다는 점이 문제였습니다. 이 주제를 앞으로 어떻게 실현할 수 있는지에 대한 제안을 드리고자 합니다.“ (마누엘 루드비히)

로터리 스웨이징과 액시얼 성형을 연결하여 파워 트레인, 엔진, 변속기, 스티어링에 사용하는 경량 콤포넌트를 제작한다.

냉간 매시브 성형의 유압 프레스

대량생산을 위한 서보 메커니즘 방식의 단조 프레스가 주류이던 제조 시대에는 유압 프레스의 필요성에 대한 의문이 있었다. “저는 강연에서 유압식 단조 프레스를 초점에 두고, 유압식 단조 프레스가 폭넓은 응용 영역에 대한 해법이라는 것을 강조하려고 합니다.“(프랑크 피에로, Schuler Pressen GmbH 매시브 성형 마케팅) “유압 프레스는 유연성 덕분에 거의 모든 응용 사례에서 사용이 가능하여, 그 용도는 다단계 냉간압출에서 자유형태 부품과 낙하 단조부품을 위한 대형 다기능 프레스에까지 이릅니다.“(프랑크 피에로) Schuler Technologie의 ‘Efficient Hydraulic Forming(효율적인 유압 성형)’은 응용 사례에 따라 기존의 유압 드라이브에 비해 20 ~ 60%의 절감된다.

쾨니히스바하 슈타인에 위치한 Felss Systems GmbH의 개발 및 혁신 매니저인 공학박사 미하엘 마레는 로터리 스웨이징과 프레스의 프로세스 체인을 예로 들어 매시브 경량 구조에 대한 잠재력을 보여주었다. 이 방법의 주요 응용 사례는 자동차 제조이다. 로터리 스웨이징은 중공 샤프트를 바로 장착하기 위한 핵심 기술이며, 스플라인 제조 등을 위해 축방향 성형과 연결하여 사용한다. 이를 통해 파워트레인, 엔진, 변속기 및 스티어링 등에 사용하는 경량 컴포넌트를 제작한다.”매시브 구성 요소보다 중공 구성요소를 사용하면 재료를 절감하여 제조비용을 낮출 수 있으며, 구성품의 무게를 줄어 연료 소비량도 줄어듭니다. 또한 로터리 스웨이징과 축방향 성형 같은 성형법은 구성품 제조 시 폐기물이 발생하지 않아 자원을 아낄 수 있습니다. 전동기의 로터 샤프트는 로터리 스웨이징과 축방향 성형과 같은 방법으로 최대 50%의 무게를 줄여, 기어 샤프트의 경우 구성품당 1.9kg 이상을 줄일 수 있습니다.” (미하엘 마레)

마모 최소화는 성형공구의 수명과 관련이 있는 중요한 문제이다. “냉간 매시브 성형 시 PVD/CVD코팅(물리적/화학적 기상 증착을 통한 박막)을 사용하는 것이 경제적으로 매우 중요합니다. 성형 시 공작물과 공구 사이에 발생하는 높은 접촉 압력은 공구의 마찰공학적 스트레스를 동반합니다. 이런 스트레스에서 경제적 제조를 위한 공구의 수명은 PVD/CVD 경질막을 사용하여 마모를 최소화할 수 있습니다.”(데이지 오펠, Eifeler Werkzeuge GmbH 기술 응용 컨설팅 및 마케팅) “냉간 단조에 코팅층을 사용하는 것은 마찰과 마모 또는 접착제 마모를 줄이는 효과적인 수단입니다. 또한 성형된 재료의 접착과 용착을 방지할 수 있어, 공구의 유지보수를 줄이고, 다운타임이 줄여 결국, 생산 공정의 비용 효율성을 크게 높아집니다.“ (데이지 오펠)

„이번 행사를 계기로 생산에 대한 개발 트렌드가 제시되고, 요구되는 구성품 특성을 적절하게 만들기 위한 방법도 소개되었습니다.“ Dr. 헨드릭 샤프슈탈, Simufact Engineering GmbH General Manager & CTO, VDI 컨퍼런스 열간 매시브 성형 의장

실질적인 트렌드를 추구하는 것이 매시브 성형을 위해 중요하다

올해의 냉간 매시브 성형업체 연례회의 회장은 다름슈타트 공과대학의 생산 기술 및 성형기계 연구소 소장인 페터 그로헤 교수이다. Dr. 헨드릭 샤프슈탈(Simufact Engineering GmbH, General Maganer & CTO)은 컨퍼런스의 의장으로서 냉간 매시브 성형 심포지움과 동시에 개최되는 VDI 열간 매시브 성형 심포지움을 이끌고 있다. 참가자들이 매시브 성형의 부분적인 측면들에 대한 인식을 얻고 깊이 있게 이해하는 것이 중요하다. “두 행사를 계기로 생산에 대한 개발 트렌드가 제시되고, 구성품 특성을 적절하게 만들어내기 위한 방법도 소개되었습니다. 이 외에도 미리 예측하고 최적화하기 위한 다양한 가상의 방법들도 제시되었습니다.“(헨드릭 샤프슈탈) 지식 포럼은 교육을 위한 훌륭한 플랫폼이고, 포럼을 통해 장기적으로 미래를 대비한 아이디어 교환도 이루어지고 있다. 헨드릭 샤프슈탈에 의하면 인더스트리 4.0은 계속될 것이며, 이 주제를 민감하게 받아들이고 논의해야 한다고 한다. 매시브 성형업체에게 다른 트렌드를 추구하는 것도 중요한데, 예를 들면, 전기 이동성, 적층 가공, 하이브리드 제조 또는 복잡한 현실을 가상 이미지를 통해 예측 정확성을 높이는 것이다. 여기에서 경제성과 효율성을 향상시키는 제조 방법의 조합이 생긴다. 요즘은 적층 가공기술이 강력한 성장세를 보이고 있다. 전세계 매출액은 2011년에 17억 US 달러에서 2015년에 52억 US 달러로 증가하였고, 2021년까지 265억 달러로 달할 것으로 예상된다 (출처: Wohlers Report 2016: https://wohlersassociates.com/2016report. htm). 적층 가공은 기존 제조 기술의 보완책이기도 하지만, 오늘날 관련 산업의 섹터 파괴자이기도 하다.

Rosswag의 단조-SLM-Hybrid Forge Brid는 단조된 링과 그 위에 적층 방식으로 가공되며, 안쪽에 표면과 가까운 채널 구조가 있는 블레이드 형상으로 구성된다.

Rosswag GmbH 대표 공학박사 스벤 도니스의 말이다. “적층가공은 구성 요소를 최종 윤곽에 가깝게 그리고 층별로 제조할 수 있는 가능성 덕분에 선택적 레이저 용융 등은 기존의 제조법으로는 실현할 수 없거나 또는 실현하는 데에 비용과 시간이 많이 들어가는 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다. 무게를 절감하고 기능적으로 최적화된 구성품 지오메트리를 혁신적으로 구현할 수도 있습니다. 다른 제조법과 조합할 수 있으며, 이종의 제조법을 조합하여 부품을 제작할 때에는 사용하는 제조법 각각의 장점을 이용하여, 적층가공법의 경제성이 한층 높아집니다.”

스벤 도니스는 Rosswag의 단조-SLM-Hybrid Forge Brid를 예로 들었다. 이 구성품은 단조된 링과 그 위에 적층 방식으로 가공되며, 안쪽에 표면과 가까운 채널 구조가 있는 블레이드 형상으로 구성되었다. “기존 방식으로 제작된 임펠러에 비해 하이브리드 방식으로 제조하면 제작 비용이 최대 95%까지 절감되고, CNC 가공 센터에서 시간은 최대 90%까지 줄어듭니다. 종래의 제조법으로 또한 도면상으로는 실현할 수 없는 채널 구조도 경계층에 영향을 끼치는 요소로서, 블레이드에서 터뷸러스 생성에 긍정적으로 작용하고 효율이 높습니다.“

시간 압박과 최적화 압박 속에서 제품 개발

오늘날 매시브 성형으로 대부분의 형상을 묘사할 수 있게 되었다. 그러나 제조산업에서 시간 압박으로 모든 방법을 사용하는 것은 아니다. 모든 원리가 충분히 검증된 것이 아니고, 개발 시간이 극도로 짧은 경우가 많다. “자동차 산업의 발전은 OEM 공급자들의 R&D에 강하게 영향을 미칩니다. 중소기업에게는 필요한 시간과 도구가 충분하지 않습니다. 따라서 고객과 밀접하게 협력할 수 밖에 없는 부분에 우선 순위를 두게 됩니다.“ (공학박사 파블로 구엘 로페즈, Linamar Seissenschmidt Forging 기술부 FEM 프로젝트 매니저) 파블로 구엘 로페즈의 이 말은, Seissenschmidt GmbH에서 현재 매시브 성형을 이용한 제품개발 현황을 현실적으로 보여주는 것이어서, 경제적 의의도 표현한다. ” 개발자들은 수익성이 중요하기 때문에 비용적인 면에서 최적화할 수 밖에 없고, 개발 비용과 제품 수익 간에 균형을 유지해야 합니다.“ (파블로 구엘 로페즈) 행사 참가자들에게는 냉간 매시브 성형이든 열간 매시브 성형이든 관계없이 다양한 주제와 폭넓은 포트폴리오의 강연이 제공되었다. 동시에 열리는 두 행사에 모두 참여할 수 있으며, 발상을 전환해 볼 수 있는 기회가 되었다.