기관차 부품의 적층 가공

기차와 기관차 그리고 전동차의 가용성은 철도의 시간 엄수에 결정적인 역할을 한다. 유지 보수 부서가 대체 부품을 기다리는 일이 종종 있지만, 이제 대체 부품 가운데 하나를 3DMP로 대체한다.

외르크 란취(Jörg Lantzsch): 프리랜서 작가

DB(도이체 반)의 차량 유지 보수 부서에는 70,000명이 넘는 직원들이 일하고 있다. 이들은 수천 대에 이르는 전체 차량을 관리하고 있다. 특히 이들에게 대체 부품 가용성과 구매는 큰 도전이 되고 있으며, 한 파일럿 프로젝트에서 Gefertec의 3DMP법을 처음 사용하였다. 적층 가공이 구매하기 어려운 부품 대체 문제를 덜어준다는 것을 DB는 이미 알고 있다. 우리 회사에게 가용성은 정말 큰 주제입니다.라고 Dr. 티나 쉴링만이 강조하였다. 그는 지난해부터 DB(독일 철도)에서 적층 가공이 가능한 응용 분야를 연구하고 있다. 티나 쉴링만은 프로토타입과 툴링 영역 외의 대체 부품 사업에 특히 관심을 갖고 있다. DB는 기관차, 트롤리, 완전한 기차를 구매하고 직접 차량을 유지 보수한다. 수천 대의 차량 관리 가운데 문제는 다소 오래된 모델의 경우, 제조사들이 대체 부품 생산을 중단하는 일이 점차 많아진다는 점이다.  

9개월의 납기

11.5kg 무게의 휠세트 베어링 커버를 Rolf Lenk사의 Gefertec ARC 605로 프린팅한다.

DB 도이체 반은 지난 몇 년간 100개가 넘는 사용 사례에서 적층 가공 방법을 조사하였다. 우리는 가용성과 관련된 대체 부품에 특히 관심이 많습니다.(티나 쉴링만) 현재는 BR 294 타입의 기관차 휠 세트 베어링 커버가 문제가 되고 있다. 이 타입의 기관차는 1960년과 1970년대에 운행을 시작하였다. 이 부품이 없으면 윤활제가 베어링 밖으로 흘러나와 베어링 손상을 초래한다. 그로 인해 최악의 경우 기관차가 탈선할 수도 있다. 현재 이 대체 부품의 납기는 9개월이다. 따라서 기관차가 일 년의 3/4을 측선에 정차해야 하기에 큰 비용을 초래한다.

순정 주조 부품은 11.5kg이고 직경은 374mm이며, 높이는 78mm이다. DB는 타당성 조사 범위에서 대안 솔루션을 찾기 위해 Rolf Lenk사와 협업하였다. 이 기업은 지난해에 Gefertec의 ARC 605에 투자하였고, 이 장비는 3DMP 법으로 작동하여 대형 부품을 빠른 속도로 프린팅한다.

3DMP법

3DMP (3D Metal Print)은 오버레이 용접 분야에 속한다. 이 기술은 출발 물질로 와이어를 사용하며 와이어의 용접 비드 하나하나를 이용하여 공작물을 형성하는 적층 가공이다. 이 제조법은 분말 베드법에 비해 다음과 같은 장점을 제공한다.

분말 취급이 없다.

대부분의 표준 금속은 와이어 형태로 존재하여 금속 분말에 비해 저렴하게 구매할 수 있다.

형성 속도가 재료에 따라 빠를 경우 600cm3/h이다.

이로 인해 ARC 기계는 강, 니켈 베이스, 티타늄 또는 알루미늄 재질의 다소 큰 공작물을 빠르고 경제적으로 제작할 수 있다.

Gefertec의 기계는 최대 약 3m3 크기의 공작물에 대한 3축 버전, 최대 0.8m3 크기의 공작물에 대한 5축 버전 그리고 0.06m6 크기의 공작물에 대한 콤팩트한 5축 버전으로 구매할 수 있다. 특수 개발된 CAM 소프트웨어는 공작물 CAD 데이터에서 CNC가 용접 헤드를 정확하게 배치할 때 이용하는 데이터를 형성한다. 이후 기계는 최종 윤곽에 가까운 공작물을 전자동으로 제조한다. 최종 가공은 종래의 CNC 밀링 기술로 실행할 수 있다. 응용 사례에 따라 제조 비용을 최대 60%까지 줄일 수 있는데, 이는 허비되는 재료가 없기 때문이다.

2개월의 납기 리버스 엔지니어링 포함

3DMP 법으로 휠세트 베어링 커버를 프린팅하고(좌측) 이어서 절삭 가공한다(우측).

오래된 DB 차량 대체 부품의 경우, 대체적으로 3D 데이터가 디지털로 존재하지 않기 때문에 전체적인 리버스 엔지니어링이 필요하다. 이 작업 단계가 완료되면 ARC 기계를 위한 3D 데이터를 처리해야 한다. 이를 위해 사용하는 3DMP CAM 소프트웨어는 부품의 디지털 모델에서 특수한 CNC 데이터를 생성하며, 이 데이터를 이용하여 ARC 기계가 공작물을 용접 라인 별로 제작한다. Gefertec 기계에서 이루어지는 실질적인 제작은 셋업을 포함하여 약 8시간이면 충분합니다.(마티아스 오테, Rolf Lenk 프로젝트 담당) 이후 최종 윤곽에 가깝게 부품을 절삭 처리해야 한다. 전체 프로젝트는 구상에서 리버스 엔지니어링과 제작까지 총 2개월이 걸렸다. 하지만 이 시간은 공작물을 처음 제작하는 경우에만 소요됩니다. 이 부품은 이후 기계 가용성에 따라 2 ~ 3주 만에 제작을 마칠 수 있습니다.(오테)

완성된 부품은 DB에서 세심하게 점검하였다. 일반적인 재료 과학적 조사 외에 컴퓨터 단층 촬영도 실시하였습니다.(쉴링만) 결과는 매우 유망하였고 3DMP법의 잠재력을 입증하였다. 따라서 이러한 부품을 정기적으로 제작하려면 필요한 표준을 개발해야 할 것이다.

디지털 대체 부품

휠세트 베어링 커버의 적층 가공을 위한 타당성 조사는 이제 초기 단계이다. 앞으로 DB는 이 분야에 계속해서 관심을 기울일 것이다. 번거롭고 비용이 많이 드는 대체 부품 창고를 운영하는 갓보다 이 창고를 디지털화할 수 있다. 그곳에 필요한 모든 부품이 디지털 파일 형태로 보관되고, 필요할 경우 곧바로 해당 파일을 적층 가공하면 된다. 이 컨셉트는 보다 빠른 가용성 외에 비용에도 큰 영향을 미친다. 제조 비용 외에 운반과 보관 비용도 생각해야 하기 때문이다.

또한 수명이 다한 위험한 부품은 바로 폐기해야 한다. 쉴링만은 이러한 방법의 환경적 측면도 강조한다. 모든 부품은 CO2 백팩을 메고 있으며, 부하는 제조 공정을 통해 확연히 낮출 수 있습니다.