두 가지 기술이 이룬 최상의 기술

하나의 기계에 다양한 가공 단계를 조합할 수 있다는 것은 여러 가지 이유에서 매우 매력적인 일이다. 공간을 절감하고, 한 번의 클램핑으로 구성품을 가공하고, 정밀도도 높일 수 있다. 요즘은 가공 센터에 적층 가공을 통합한 하이브리드 머신이 트렌드이다. 이름있는 업체 DMG Mori, Hamuel, Hermle, Mazak 등이 이런 기계들을 선보였다.

뤼디거 크로(Rüdiger Kroh)

오랜 시간 한 단계씩 밟아왔다. 쾌속 성형법이라는 개념으로 시작한 것이 서서히 Tooling과 Manufacturing 방향으로 발전하였다. 오늘날 적층 가공은 3D 프린팅이라 불린다. 적층 가공의 성장을 아무리 전망한다 하더라도 모든 부품이 프린터에서 나올 수는 없다. 볼러 리포트에 따르면 전세계 적층가공 물품과 서비스 시장이 2020년까지 30억 US 달러에서 210억 US 달러로 성장할 것이라고 한다. 그러나 절삭 없이 모든 것이 가능할 수는 없다.

공작 기계 제조사들이 적층과 절삭 두 가지 기술을 접목하여 절삭 가공의 경쟁 가공법(적층 가공법)이 오히려 기회가 되었다. 점점 많은 공급업체들이 하이브리드 머신을 내놓고 있다. 이는 업계 선두인 DMG MORI가 지난 2013년 12월 Euromold 박람회에서 Lasertec 65 3D를 처음으로 선보이면서 관심이 집중되기 시작하였다.

Berthold Hermle AG사도 적층 가공에 일찌감치 뛰어들었다. 2013년 봄, 뮌헨 근처 오토브룬에 위치한 100% 자회사인 Hermle Maschinenbar GmbH사는 금속 분말 도포법(MPA)을 제공하였다. 이는 도포 유닛을 5축 가공센터에 통합하는 방법으로 하이브리드 가공 프로세스가 가능해졌다. „이런 기술은 Hermle 고객에게만 제공하기로 결정하였습니다. 고객들은 MPA 시스템에 투자하지 않아도 오랜 시간 MPA 개발 노하우를 자신들의 제품에 이용할 수 있습니다.“(루돌프 데른틀, Hermle Maschinenbar GmbH 대표)

적층과 절삭가공이 교대로 5축으로 이루어진다

„당사는 MPA 테크놀로지를 시장에 이미 있는 기존의 가공 프로세스에 대한 적합한 보완책으로 확립하고자 합니다.“ 루돌프 데른틀, Hermle Maschinenbar GmbH 대표

MPA 기법은 금속분말 용사법이다. 재료 도포를 위해 25 ~ 75μm 크기의 분말 입자를 운반기체를 통해 고속으로 가속한 후 노즐을 통해 기판에 도포한다. 재료 도포는 각 구성품 윤곽이 밀링 가공에 이용할 수 있을 때까지 층별로 이루어진다. 윤곽 가공 후 다시 적층법으로 교체한다. „Hermle사 자체적으로 개발한 CAM, MPA Studio를 이용하여 적층과 5축 절삭 공정이 교대로 이루어집니다. 최대 6개의 분말 공급라인을 동시에 구동할 수 있고 경사 기능 재료(functional gradient material)의 제조 외에 혼합재료도 만들 수 있습니다. 즉 금속분야에서는 방법의 한계가 없습니다.“(루돌프 데른틀)

루돌프 데른틀에 따르면 MPA 기술은 냉각 채널과 같은 공동부와 히팅 와이어를 조합하여 프리폼 표면을 지닌 반제품에 많은 양을 도포할 수 있다는 것이 장점이다. „여타 다른 적층 가공법이 커버하지 못하는 분야가 우리 기술을 사용할 수 있는 분야입니다.  0.5m x 0.5m 크기에 무게는 수백 kg인 공작물도 전혀 어렵지 않습니다.“ 루돌프 데른틀은 레이저 용접도 제공하지 못하는 재료 혼합 방법을 내세웠다. „MPA 기법은 레이저 용접과 달리 도포한 분말도 용융되지 않고, 구성품에 나타나는 응력이 매우 근소합니다.“(루돌프 데른틀)

DMG MORI 하이브리드 머신 Lasertec 65 3D의 작업 공간. 레이저 헤드를 자동으로 교체할 수 있다.

DMG MORI의 하이브리드 머신은 2kW 다이오드 레이저를 장착하고 있다. 이 머신은 DMU 65 Monoblock을 기반으로 Sauer Lasertec사가 DMG Mori USA와 협력하여 개발하였다. „Lasertec 65 3D의 독보적인 특징은 한 번의 클램핑으로 레이저 용접과 5축 밀링을 조합하여, 복잡한 구성품을 한번에 가공할 수 있다는 것입니다. 언더컷이 포함된 복잡한 3차원 형상도 가공할 수 있습니다. 이를 통해 지금까지는 생각할 수 없었던 구조를 제작할 수 있습니다.“(프리데만 렐, DMG MORI AG 레이저 머신 마케팅 매니저). 구성품은 제조 공정상 제약을 염려하지 않고 기능이 최적화되도록 디자인할 수 있다.

냉각 장치와 프로세스 감시장치가 내장된 레이저 헤드

„레이저 헤드 교체를 위한 자동 셔틀 핸들링과 HSK 63 인터페이스에서 볼 수 있듯이 하이브리드 머신에는 당사의 레이저 헤드 통합기술이 고스란히 녹아 있습니다. 하지만 레이저 용접 시에는 냉각 장치, 프로세스 감시장치 그리고 프로세스를 시각적으로 제어하고 레이저 성능을 온라인으로 조정하는 카메라가 내장된 새로운 레이저 헤드를 사용합니다.“

동축 불활성 가스가 제작 공정 중 산화를 막는다

„레이저 용접이 분말 베드의 레이저 용융에 비해 10배 빠릅니다.“ 프리데만 렐, DMG MORI AG 레이저 머신 마케팅 담당자

DMG MORI에 따르면 하이브리드 머신의 경우 분말 노즐을 통해 금속 분말(스테인레스 스틸RHK 알루미늄 베이스, 니켈 베이스 등의 다양한 합금)을 층별로 기본 물질 위에 도포한다. 이후 레이저가 공급 및 균열이 발생하지 않도록 기본 물질을 녹이는데, 제작 공정 중 동축 불활성 가스로 산화를 막는다. 냉각하면 기계로 가공할 수 있는 금속층이 생긴다. 제작 속도는 최대 1kg/h이다. „레이저 용접이 분말 베드의 레이저 용융에 비해 10배 정도 빠릅니다. 벽부 두께는 0.1 ~ 5mm입니다.“(프리데만 렐) 분말 베드의 레이저 용융에 비해 금속 분말 노즐을 이용하는 레이저 용접은 대형 부품도 제작할 수 있으며, 지지 형상 없이 복잡한 3차원 윤곽을 층층이 만들 수 있다.

약 1년 전부터 Hamuel사는 HSTM 시리즈의 수평 5축 로터리 밀링 센터에 „하이브리드“ 옵션을 제공하고 있다. „이 부가 옵션에는 기본적으로 분말 공급장치, 냉각장치 적용 레이저 소스, 특수 레이저 석션 장치, 측정 버튼 구비 적응형 소프트웨어, 레이저 툴과 도킹 스테이션을 포함하고 있습니다.“(알렉산더 필러, Hamuel Maschinenbau GmbH & Co. KG. Global Key Account 매니저) 이 하이브리드 머신은 더하는 방식으로, 즉 금속 분말 형태의 재료를 입히는 방식으로 작동하고 조정하는 방식으로 작업한다. 즉 계산된 값을 바탕으로 하거나 다수의 CNC 프로그램을 가공 전에 계산 작성한다. „레이저 분말 용접과 피니쉬 절삭 후에 공정 중 측정을 통해 돌출되거나 변이되는 부분 없이 구성품의 원래 윤곽을 달성할 수 있습니다.“

터빈 블레이드 수리에 적합하다

Hamuel 하이브리드의 경우 HSK 인터페이스의 레이저 헤드를 공구 체인저로 교체한다.

Hamuel사 기계를 이용한 가공의 장점은 수평형 머신 구조의 회전축에서 볼 수 있다. „이 머신은 터빈 블레이드나 블레이드 디스크와 같은 구성품의 수리에 적합합니다. 공작물을 로터리 테이블에 배치하거나 테이블에서 이동할 필요가 없습니다.“ (알렉산더 필러) 이를 통해 구성품에 정확도와 최대 7개 축의 동시적인 상호 작용을 통한 축의 역동성이 훨씬 높아진다. 또한 수평으로 공작물을 클램핑하여 가공하는 동안 작용하는 토크는 수직 가공 센터에 비해 훨씬 근소하다.

알렉산더 필러에 의하면 내장된 공구 체인저를 통해 HSK 인터페이스가 적용된 콤팩트한 구조의 레이저 용접 유닛을 교체할 수 있다. 불활성 가스와 운반가스, 금속 분말, 레이저 에너지를 레이저 공구에 연결하는 것은 특허 받은 인터페이스를 통해 이루어진다. „이 인터페이스는 범용 구조로, 레이저 드릴링, 레이저 마킹, 레이저 지원 절삭 또는 레이저 경화와 같은 다른 가공에도 이용할 수 있습니다.“

동경 국제 공작기계전(JIMTOF)에서 호평을 받은 Mazak사의 하이브리드 다기능 머신 Integrex i-400 AM에는 적층 가공법이 통합되었다.

Mazak(야마자키마작)도 2014년 JIMTOF(동경 국제 공작기계전)를 통해 적층가공에 참여하였다. 하이브리드 다기능 머신 Integrex i-400 AM은 금속 분말을 섬유 레이저로 용융한다. 코팅 헤드는 용융된 재료를 층층이 도포한다. 이어 정삭법으로 구성품을 마무리 가공한다. 코팅 헤드는 머신의 공구 매거진에 장착하고 자동 공구 체인저를 통해 밀링 리볼버에 로딩된다. Mazak은 두 가지 종류의 코팅 헤드를 제공한다. 하나는 고속 헤드이고 또 하나는 정밀 헤드이다.

Mazak에 의하면 이 시스템을 이용하여 각기 다른 유형의 재료를 함께 용접할 수 있어, 마모되거나 손상된 부품을 수리하기에 유리하여 효율적인 방법을 제공한다고 한다. 터빈 블레이드를 이런 방식으로 수리할 수 있으며, 이 기술이 특히 유용한 분야는 항공 우주 기술 분야이다. 하이브리드 머신은 에너지 분야와 의학 기술 등 절삭하기 어려운 소재의 부품 소량 생산에 적합하다.

어떤 분야의 고객에게 관심이 있는지에 대한 질문에 업체들의 비슷한 답을 들을 수 있었다. „공구와 금형 엔지니어링, 항공 기술, 자동차 엔지니어링, 의학 분야에 응용할 수 있다고 생각합니다.”(프리데만 렐, DMG MORI 매니저) Hamuel사는 자사 하이브리드 머신이 에너지 생산, 항공 분야의 손상된 터빈 블레이드와 블레이드 디스크 수리 그리고 새로운 제품 생산에 사용할 수 있을 것으로 보고 있다.

기업들은 이러한 전세계 틈새 시장에서 시간이 지나면서 점차 호평을 듣고 전문 지식을 쌓아가며 적층 가공 및 적응형 가공에 사용하고 있다. „그렇다고 다른 시장과 응용 사례들을 배제한다는 뜻은 아닙니다.“(알렉산더 필러)

Hermle 자회사는 현재 MPA 시스템 3개와 가공 센터 2개를 사용한다. 기계 증설은 수요와 주문 상태에 따라 좌우된다. “당사 제품은 프로토타입 가공 외에 양산 가공에도 적합합니다. 자동화 MPA 시스템과 재현 가능한 가공 품질을 겸비하여 쾌속 프로토타입 조형(rapid prototyping)에서 쾌속 제작(rapid manufacturing)으로 이미 선회하였습니다. 목적은 MPA 테크놀로지를 시장에 이미 있는 기존의 가공 프로세스에 대한 보완책으로 확립하는 것입니다.“(루돌프 데른틀)