머시닝 센터를 필요로 하는 블리스크 생산

HSM(고속 머시닝)은 생산성과 출력 증대, 다운타임 단축, 비용 절감을 가속화한다. 특히 항공기 모터를 생산하는 경우 이러한 요소들이 매우 중요하다. 전망에 따르면 2036년까지 약 83,000개의 새로운 모터가 필요하다고 한다.

 

블리스크(블레이드와 디스크의 합성어)는 뛰어난 표면 품질과 얇은 두께 그리고 좁은 채널이 필요한 굉장히 까다로운 생산공정이다. 복잡한 형상과 윤곽 등 정밀한 제어를 요구하고, 머시닝 센터, CAD/CAM 시스템 그리고 절삭 공구에 까다로운 요건으로 가공 시간이 오래 걸려, 보다 새롭고 효율적인 머시닝 기술이 필요하다.  

블리스크같은 구성 요소를 디자인하려면 일반적으로 티타늄이나 니켈 베이스 합금과 같이 비강도가 높은 재료를 사용한다. 기존의 가공 방법은 일반적인 황삭을 사용하여 단계적인 피니싱이 뒤따르고, 이때 재료 자체를 지지 수단으로 사용한다. 이러한 방법은 일련의 단점을 내포하여 에어 배플의 형상으로 인해 오버행이 큰 공구가 필요하다. 하지만 큰 공구는 절삭 토크가 높고 진동현상을 초래한다. 따라서 피니싱은 단계적으로 이루어져야 하며, 가능한 오버행이 짧은 공구를 사용한다. 이는 각 단계마다 흔적을 남기는데, 밀링 공구는 회전축의 방향이 바뀌는 지점에서 종종 에어 배플에 스코링이 생긴다. 이러한 단점이 폴리싱과 같은 후가공을 수반하여 총 생산 시간이 길어지게 된다.    

             Makino는 5축 고속가공 시에 블리크스의 러브 가공뿐만 아니라 중간과 최종 마무리 단계에서 엄청난 진보를 달성하였다. 개선 전략은 블리스크 제조의 3가지 중요한 영역, CAD/CAM 프로그래밍, 공구 전략, 가공 프로세스의 최적화를 포함한다.

 

일정한 5축 모션을 위한 역동적 컨트롤

HSM의 최적화된 CAD/CAM 프로그래밍의 가장 중요한 특성은 칩 두께 제어와 운전 최적화, 부차적인 모션의 동적 제어 그리고 일정하고 역동적인 5축 모션을 위한 공구 벡터 제어이다. 또한 고객 별 절삭 공구 사용 프로그래밍도 최적화하였다. 공구 전략은 HSM에서 황삭뿐만 아니라 피니싱에서도 중요한 역할을 한다. 트로코이달 밀링 단계와 같이 가볍거나 부드러운 경우, 새로운 첨단 기술이 필요하다. 기술적으로 선도적인, 최적화된 형상은 절삭과정에서 힘이 덜 들고, 불규칙적인 기어치 간격이 있을 수 있는 채터링을 줄인다. 폴리싱된 칩 플루트 형상이 마찰을 줄이고 동시에 많은 칩을 제거한다. 새로운 코팅과 코팅된 탄소, 세라믹, 다결정 다이아몬드(PDC) 또는 정육면체 보니트라이드(cBN)와 같은 재료는 HSM에 특히 티타늄과 니켈 합금과 같은 난삭 재료 시에 또 다른 장점을 제공한다.

             고객별 절삭 에지 형태는 필요한 밀링 횟수를 줄인다. 예를 들면 배럴 형태의 엔드 밀 커터를 고속 피니싱에 사용하면 횟수를 현저히 줄일 수 있다. 이는 볼 형태의 엔드 밀 커터의 경우 큰 반경을 사용하기 때문이다. 유사한 밀링 조건에서 이러한 피니싱 방법이 종래의 방법에 비해 거의 40%의 개선을 제공한다. 머시닝 센터가 블리스크의 효율적인 HSM 가공 시에 중요한 역할을 한다. 이러한 까다로운 기술은 기계에 심한 부담을 주게 되는데, 특히 가이드와 스핀들과 같은 구성 요소에 큰 부담을 준다. Makino 기계의 가장 중요한 특성 중 하나는 장기적인 신뢰성을 보장하기 위해 지능적이고 견고한 디자인, 고도로 유연하며 다이렉트 구동 모터로 제어되는 회전 인덱스 링, 적합한 스핀들 기술, 빠르고 정밀한 CNC, 높은 기계 가용성, 충돌 보호 기능 등이다.

HSM 가공에서 새로운 머시닝 센터가 핵심적인 역할을 하였다. Makino는 견고한 디자인, 적합한 스핀들 기술, 빠르고 정밀한 CNC를 제공하였다.

Makino는 두 가지 수직 머시닝 센터를 제공하며, 이들은 앞에서 언급한 조건을 모두 충족한다. 직경이 최대 450mm에 대해서는 DA300이, 직경 최대 650mm에 대해서는 D500이 제공된다. Makino의 블리스크 생산기술은 민첩한 머시닝 센터에만 국한되지 않았다. 기계의 역동성과 능력을 보완하기 위해 Super GI (Super Geometric Intelligence ), Inertia Active Control, Collision Safeguard와 같은 다수의 지능적 기능을 제공한다. 블리스크 HSM 제조를 위한 기술적 장점은 표면 품질이 우수하고 가공 시간이 짧아진다는 점이다. 종래의 기계에서는 프로그래밍된 피드 레이트에 비해 실제 피드 레이트가 느려지고, 특히 전면 에지와 후방 에지에서 그러하다. Super GI.5 모션 컨트롤은 기계 실제 피드 레이트가 일정하게 유지되고 스코링 없이 높은 표면 품질을 유지할 수 있어, 후가공이 필요 없고 슬라이드 연삭시간도 줄어든다. 이는 지속적인 가속과 제동 동작이 필요하지 않기 때문이다. 또 다른 지능적 기능으로 IAC (Inertia Active Control)가 있다. 이 기능을 통해 역동적 특성을 바탕으로 빠른 기계 동작이 가능하다. IAC는 서보 모터로부터 피드백을 수신하고 특정 팔레트의 가속과 제동을 적절하게 조정한다.

 

5축 어플리케이션을 위한 실시간 충돌 보호 시스템

Makino는 생산성 개선 외에 Collision Safe Guard(충돌 보호 가드)라는 기술적으로 앞선 안전 시스템을 도입하였다. 특히 5축 어플리케이션에서 충돌 보호 시스템이 중요하고 효율적으로 작용한다. 통계적으로 충돌은 스핀들 손상의 가장 큰 원인이 되고 있는데, 운전, 설정, 가공, 셋업 그리고 클램핑 등 작업자에 의해 자체에서 발생하는 오류가 크다. 이 충돌 보호 시스템은 충돌을 방지하기 위해 실제 가공 조건을 고려한다.

왼쪽부터, 공학박사 사샤 기어링스 (프라운호퍼 IPT)와 프란티섹 하시크 (Makino):
Makino는 아헨에 위치한 유명한 ICTM과 협력하여 블리스크 생산을 더욱 발전시키고 있다.

             아헨의 ICTM (International Centre for Turbomachinery Manufacturing )은 Makino와 협력하여 차세대 터보 기계 생산 디자인을 개발하고 있다. ICTM을 처음 시작한 주체는 프라운호퍼 생산 기술 연구소(IPT)와 아헨에 위치한 프라운호퍼 레이저기술 연구소(ILT), 공작기계 연구소(WZL) 아헨 공과대학 레이저기술 교수이다. 2036년까지 에어버스 A320 neo 또는 C 시리즈와 같은 신형 항공기 모델에 약 83,000대의 새로운 모터가 필요할 것이라는 예측이 있다. 이를 위해 현재의 생산 프로세스를 최적화하고 개선하는 것이 무엇보다 중요하다.    

             다음은 프라운호퍼 IPT의 사샤 기어링스의 설명이다. “시제품 단계를 완전하게 하는 것이 중요합니다. 그렇게 함으로써 모터 컴포넌트에 대해 높아지는 수요를 충족할 수 있습니다. 디자인이 갈수록 복잡해지고 있습니다. 실제 생산에서 현대적인 블리스크의 컴퓨터 지원 다이어그램을 구현하려면, 아키텍처 실제 적용 사례에 중심을 맞춘 연구가 성공의 열쇠입니다. 이러한 영역에서 당사의 산업계 파트너가 핵심적 역할을 하고 있습니다.”