적층 가공을 지원하는 Lehmann 영점 클램핑 시스템

부품을 가공하는 공정에서 클램핑은 최대한 적게 바꿀수록 유리하다. 이 글에서 소개하는 새로운 영점 클램핑 시스템은 부품 가공 중에 클램핑을 전혀 바꾸지 않고 전체 가공 단계를 제어할 수 있다.

볼프강 클링아우프(Wolfgang Klingauf): 자유 기고가

핵심 내용

  • 한때 전통적인 제조 방법이 대부분을 차지하던 영역이 적층 가공으로 대체되고 있다. 하지만 적층 가공이라는 사실만으로 필요한 경제성을 달성할 수는 없다.
  • 부품을 적층 가공하기 위해서는 부품을 여러 번 고정했다 풀어야 하는 준비 단계와 후처리 단계가 필요하다.
  • pl Lehmann은 시간이 많이 걸리고 정밀 안정성 측면에서 까다로운 클램핑 변경 과정을 줄이기 위해, 모든 프로세스 단계를 커버하는 클램핑 시스템을 만들었다.

AM(Additive Manufacturing, 적층 가공)은 이전의 전통적인 제조 프로세스가 지배적이었던 곳에서 호응을 얻고 있다. 현재 금속 3D 프린팅 부품과 관련하여 LMD(레이저 메탈 증착) 외에 SLM(선택적 레이저 용융) 또는 LMF(레이저 금속 용융) 기술이 확산되고 있다. 금속 및 플라스틱 부품의 3D 프린팅은 지금까지 일반적인 제조 프로세스로는 달성할 수 없었던 설계 자유도면에서 강점을 발휘하고 있다. 하지만 산업적으로 적합한 3D 프린팅 방법이라는 이유만으로 유일한 성공의 열쇠가 되는 것은 아니다. pl Lehmann의 견해에 따르면 적층 가공은 데이터와 재료가 균형을 이루어 진행할 수 있는 적합한 제조 환경에 자리 잡아야 하고, 작업이 매끄럽게 진행될 수 있도록 기존 설비 용량의 수준을 조정해야 한다고 한다. 이때 자동화 조치만으로는 충분하지 않으며, 이 자동화 조치가 언제 어디서나 합리적인 것만은 아니다.

AM-Lock 팔레트는 최대 650°C를 견딜 수 있다. 따라서 적층 가공된 부품을 기본 판에서 분리하지 않고 가열로로 바로 이동할 수 있다.

마찰 없이 진행되는 프로세스 시퀀스

이에 대한 한 예시가 적층 가공 범위 내에서 전체 프로세스를 커버할 수 있는 pl Lehmann의 새로운 AM-Lock 영점 클램핑 시스템이다. 이 클램핑 시스템은 부품을 최대 650° C로 가열하는 공정에서도 그대로 사용할 수 있다. 이 클램핑 시스템은 마찰 없는 생산 프로세스를 보장하며, 수동 모드의 공정 비용을 확연히 낮추고, 필요할 경우 언제든 자동화가 가능하다. 또한 Lehmann은 AM-Lock이 가장 적합하게 작동하기 위해, 소프트웨어 전문가 CADS Additive 에서 개발한 다양한 소프트웨어가 플러그인되어 있다는 점도 강조하였다. 이는 영점 클램핑 시스템과 소프트웨어 도구가 서로 조합하여 금속 3D 프린팅 부품 생산을 가속화하는 것이 목적이다. 이를 통해 부품의 품질을 높이고 제조 비용은 낮출 수 있다. 적층 가공은 금속 분말이 채워진 베드에서 층 별로 3D 프린팅 부품을 구성하여, 원리 상 디자인에 한계가 거의 없이 외부, 내부의 기능 요소 모두를 쉽게 구현할 수 있다. 적층 가공은 생산 개수가 적은 경우에도 적합하며 물론 연속 생산도 가능하다. 하지만 적층 가공 부품을 사용하기 전에 감수해야 할 것이 몇 가지가 있다. 예를 들면, 제작되는 부품을 지지하는 구조물이 필요하며, 이 지지 구조물은 함께 프린팅되어 나중에 제거해야 한다. 어떠한 기능면이 표면 품질과 정밀성 측면에서 목표로 하는 특성을 얻기 위해서는 추가로 밀링 공정이 필요한 경우가 많다. 코팅 또는 오븐에서 가열하고, 품질 보장의 일환인 부품 측정도 이에 속한다.

다양한 기계와 장치로 옮기는 운반 프로세스는 대부분 수작업으로 이루어져 비교적 힘들고 번거로웠다. 여기에 Lehmann AM Lock의 영점 클램핑과 포지셔닝 시스템이 이에 대한 해결책을 제시한다. 이 시스템은 Coherent, Concept Laser, DMG MORI, EOS, Trumpf, Renishaw, SLM Solutions 등과 같이 일반적인 적층 가공 기계에도 모두 적용 가능하다. 이 영점 클램핑 시스템 AM-Lock은 본질적으로 격자판과 그 위에 있는 세그먼트 팔레트로 구성된다. AM 기계의 조형 플랫폼에 설치되는 격자판은 컴팩트한 50mm 그리드로 수많은 센터링 핀을 달고 있다(On-Top 버전). 대안으로 이 핀을 직접 조형 플랫폼에 만들 수 있으며(Built-in 버전), 이 그리드 시스템에 다양한 형태와 크기의 세그먼트 팔레트를 원하는 대로 배치할 수 있다.

AM-Lock의 핵심은 특허 받은 ‘서모 록’ 포지셔닝과 클램핑 원리이다.

특허받은 서모 클램핑

세그먼트 팔레트는 두 부분으로 이루어져 있다. 쉽게 교체할 수 있는 알루미늄 강 또는 티타늄 소재의 기판 플레이트와 격자판 상에서 영점 클램핑을 위해 구멍이 있는 베로 보드 형태의 베이스 팔레트로 구성된다. 여러 개의 세그먼트 팔레트는 AM 기계에서 하나의 격자판에 다양한 부품을 한 번의 프린팅 작업으로 제작할 수 있기 때문에 유리하다. 또한 후처리를 위해 세그먼트 팔레트를 개별적으로 필요한 각각의 공정으로 제공하고 그곳에서 AM-Lock 척에 직접 장착하거나 또는 어댑터 클램핑 핀을 이용하여 다양한 영점 클램핑 시스템에 장착할 수 있다. AM-Lock 시스템은 영점을 잃지 않고, 유명한 제조사들의 클램핑 시스템 대부분과 조화를 이룬다.

Lehmann은 AM-Lock 시스템이 AM 기계를 위한 핵심 AM-Lock 요소가 특허받은 ‘서모 록’ 포지셔닝과 클램핑 원리이기 때문에 매우 특별하다고 설명한다. 서모 록 격자판(50mm 격자)는 6mm 높이 핀 여러 개를 가지고 있으며, 이 핀들은 수용 구멍과 열팽창이 달라 유격 없는 클램핑을 유지한다. 즉 세그먼트 팔레트는 70° C 미만의 온도에서는 풀리지만, 80에서 100° C까지는 격자판에 고정된다. 핀 형태는 열기계적 응력이 있을 때에 반복 정확도 ± 0.005mm를 달성하는 셀프 센터링을 제공한다.

서모 록 격자판은 푼 상태에서 에어로 청소가 가능하다. 이후 압력 모니터링을 이용하여 청소 상태와 제자리 회귀 여부를 점검하고, 이때 AM 프로세스에서 아르곤 가스는 아래쪽에서 격자판과 핀을 지나서 흐른다. 아르곤 가스는 백업 압력이 낮은 경우 핀과 세그먼트 팔레트 사이로 흐르며, 팔레트가 밀착되거나 고정되지 않는다. 백업 압력이 높은 경우, 팔레트가 견고하게 밀착하여 고정되고 3D 프린팅을 시작할 수 있다.

볼 록 척은 공압식으로 작동하고 최대 40kN의 클램핑 힘을 형성한다. 따라서 적층 가공 부품의 절삭도 안정적으로 실행할 수 있다.

또 다른 장점

AM-Lock 시스템은 기본적으로 히터 없이 작동한다. 서모 록 없이 0.015 ~ 0.025mm 범위의 피팅 공차를 가지며 반복 정확도는 ±0.01mm이다. 기계 프린팅 정밀도보다 높은 수준이다. 기계에 히터가 있는 경우 또 다른 이점이 있다. 전체 구조 높이가 낮고 면적이 넓어 시스템을 빠르고 균일하게 가열할 수 있다. 제조사에 따르면 컴퓨터 시뮬레이션과 측정 결과, 가열을 시작한 지 500초(약 8분 남짓) 만에 기판 플레이트 온도가 리프팅 플랫폼 온도와 거의 같아진다고 한다. 이는 빠른 열전달과 우수한 열 분배 효과를 증명하는 것이다.

서모 록 시스템은 격자판이나 세그먼트 팔레트 등 기계적으로 움직이는 부품을 포함하지 않기 때문에, 작동을 위해 압축 공기나 오일이 필요 없으며, 씰도 필요 없기 때문에 씰이 파손되거나 기계 장치 부품이 걸리는 일이 없다. 이 시스템은 열 기계 원리에 따라 전류나 압축 공기를 공급할 필요가 없으며, 내열성이 뛰어난 소재 덕분에 최대 500° C까지 작동한다.

AM-Lock은 절삭 머시닝 센터나 측정 기계에도 사용할 수 있다. 이런 경우에는 볼 록 척 시스템 Quattro가 필요하다.

열처리 공정으로 바로 연결

pl Lehmann은 절삭 머시닝 센터의 영점 클램핑이나 측정 기계의 영점 클램핑을 위해 자체 개발한 볼-록(Ball-Lock) 시스템에 기반한 척 콰트로(Quattro)와 우노(Uno)를 제공한다. 이 유형의 척은 수동이나 최대 40kN의 공압으로 고정할 수 있으며, 이를 통해 고출력으로 절삭할 수 있다. 콰트로 척(150mm × 150mm × 34mm)의 클램핑 스피곳은 4개이고, 우노의 클램핑 스피곳은 1개이다. 두 척 모두 기계 테이블에 간단히 설치할 수 있으며, 청소하기가 용이하고 정비가 거의 필요 없다. 이미 언급했듯이 AM-Lock 팔레트는 최대 650° C까지 견딜 수 있기 때문에, 프린트되는 부품을 사전에 기본 팔레트에서 잘라내거나 연마로 잘라낼 필요가 없어 바로 열처리하여 공급할 수 있다. 하지만 AM-Lock 시스템 사용자는 pl Lehmann에서 적당한 어댑터도 제공하기 때문에 기존의 수많은 다른 영점 클램핑 시스템도 후처리에 계속 사용할 수 있다. Schunk, Erowa, System 3R, AMF, Lang, Gressel, Zeroclamp의 시스템에 맞는 클램핑 스피곳이 이미 준비되어 있다. 뜨거운 세그먼트 팔레트를 꺼내는데 이용할 수 있는 수동 그리퍼와 로봇 그리퍼도 있다. 예를 들어 AM-Robogrip은 팔레트의 사다리꼴 홈에 정확하게 맞는 손가락이 있는 공압식 수평 그리퍼이다. 이 그리퍼는 일반적인 로봇 및 핸들링 장치를 위한 표준 인터페이스에 적용 가능하다.

매우 복잡한 3D 프린팅 부품도 AM-Lock 시스템으로 고정하기 위해, CADS.Additive의 AM-Lock 컨피규레이터라 하는 적합한 구성 소프트웨어가 있다.

적합한 소프트웨어

AM-Lock 하드웨어에 적합한 CADS.Additive의 AM-Lock 컨피규레이터라는 소프트웨어가 있다. 이 소프트웨어는 현재 Ansys와 Creo에서 플러그인으로 사용 가능하다. 이 소프트웨어는 사용 가능한 다양한 팔레트를 사용하여 조형의 세그먼트화를 결정할 수 있고, 절삭 후처리와 관련하여 지지 구조물을 최적화할 수 있는 디지털 기반 역할을 한다. 이때 팔레트 영점과 격자 간격은 자동으로 계산된다. 필요한 후처리 공정도 AM-Lock 컨피규레이터로 준비할 수 있다. 하지만 이를 위해 고객 별 소프트웨어 컴포넌트에 맞는 인터페이스가 있어야 한다.