형상기억합금을 이용한 공작기계의 진동 감쇠

아헨 공대 공작기계 연구소와 렘샤이트에 위치한 FGW-IFW가 연구 프로젝트의 일환으로 형상기억합금 감쇠 거동을 연구하고 있다. 핵심은 형상기억합금을 감쇠 요소로서 공작 기계 내부에서 사용할 수 있느냐에 있다.

공학박사 크리스티안 브레허(Christian Brecher) 교수: 아헨 공과대학 공작기계 연구소 이사 / 니클라스 클룸펜(Niclas Klumpen): 동 연구소 연구원 / 공학박사 슈테판 노이스(Stephan Neus): 시니어 엔지니어 / 공학/경제학 박사 페터 뒬트겐(Peter Dültgen): FGW – Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe 이사 / 공학박사 랄프 타이스(Ralf Theiß): 동 협회 연구 감독 / 파비안 호프만(Fabian Hoffmann): 연구원

핵심 내용

  • 공작 기계의 진동 문제에서 부족한 부분을 보상하기 위해 의탄성 형상기억합금의 특성을 사용한다.
  • 이는 형상기억합금에서 적절한 요소를 개발하고 이를 도구 인터페이스에 통합하여 달성된다.
  • 가공 공정에 대한 원치 않는 진동 영향을 크게 줄이거나 제거할 수 있다.

많은 기술 분야에서 지능형 기능 소재를 기반으로 발전이 계속 이루어지고 있다[1]. 의도적으로 변화시킬 수 있는 이러한 소재의 특수한 특성은 기술 혁신을 위한 새로운 기회를 열어 단순화와 비용 절감 및 시장 성장의 잠재력을 제공한다. 형상기억합금은 이러한 지능형 소재 가운데 하나이다. 현재 이 소재는 산업 분야에서 주로 액추에이터 애플리케이션을 위해 사용된다. 하지만 형상기억합금의 속성으로 인해 매우 유연한 댐핑 요소를 만들 수 있다. 현재 이러한 유연한 요소는 의료 분야에서 많이 사용되고 있다[2]. 하지만 산업 부문에서 매우 유망한 용도는 역시 공구 진동 감쇠이다.

그림2: 의탄성 효과가 있는 변환 동작 [2].

형상기억합금은 유사가소성과 의탄성을 지니고 있다

SMA(형상 기억 합금)는 특수한 탄성 특성과 감각 특성 그리고 액추에이터의 특성을 가진 다기능 재료이다. 형상 기억이란 사전에 설정된 형상을 기억하는 재료의 속성을 의미한다. 이 소재는 두 가지 효과를 지니는데, 재료에 가열을 통해 형상 기억이 이루어질 때 발생하는 유사 가소성과 기계적 구동력의 결과로 발생하는 의탄성 이 두 가지가 바로 그것이다.

두 효과 모두 결정학적으로 가역적인 마르텐사이트-오스테나이트 상 변환에 기반한다[2]. 고온 상을 오스테나이트라고 하고 저온상을 마르텐사이트라고 한다. 변형의 가역성은 형상 기억 효과 발생을 위한 가장 중요한 전제 조건이다. 따라서 이 과정은 확산이 없는 온도 범위, 즉 원자 위치의 변화가 없는 온도 범위에서 이루어져야 한다. 특정 그룹의 합금 시스템(예: NiTi, CuZn, AlNi)의 변환 온도는 너무 낮아서 무확산 변환이 발생할 수 있다[1].

형상 기억 효과의 긍정적 특성 가운데 두드러지는 것은 높은 에너지 밀도이다. 형상기억합금의 또 다른 장점은 높은 내식성과 무소음 변환 그리고 전자기 호환성이 있다. 형상기억 소재의 사용 가능성은 상전이 동안 전기 저항이 변하는 특성으로 인해 증가한다. 위상 변화에 미치는 영향은 저항 곡선을 통해 감지할 수 있으며, 이는 해당 요소를 센서로 사용할 수 있음을 의미한다[2].

형상기억합금을 사용하면 응력-변형 거동이 구조용 강과 같은 기존 금속 재료보다 각각의 온도에 훨씬 더 많이 좌우된다. 각각 다른 온도 범위에서 형상기억합금의 다른 응력-변형 거동으로 인해 형상기억합금 효과는 다른 형태로 나타난다. 열 유도 형상기억효과는 액추에이터 애플리케이션과 연결 요소에 적합하며, 이미 산업 분야에 적용되고 있다. 이에 비해 스트레스로 인한 마르텐사이트 변형으로 인한 의탄성 효과는 뼈 클립[5] 또는 스텐트[1]와 같은 우수한 생체 적합성으로 인해 지금까지 주로 의료 분야에서 많이 사용되어 왔으며, 산업 분야에서 의탄성 물질 효과는 지금까지 거의 사용되지 않았다.

하지만 의탄성 효과를 사용하면 고무와 같은 매우 높은 탄성을 얻을 수 있는 장점이 있으며, 최대 10%의 탄력적 확장이 가능하다. 의탄성 변환 거동은 그림 2에 있다.

감쇠 잠재력이 있는 의탄성 효과

부하가 가해지면 우선 대략적인 선형 탄성 변형이 일어나고 응력 고원이 뒤따른다. 여기에 기계적 응력은 연신율이 증가할 때 거의 동일한 수준으로 유지되고 응력에 의해 마르텐사이트가 형성된다. 기계적 장력이 해제된 후에 응력 고원이 형성되지만, 이는 히스테리시스에 의한 변환으로 상당히 낮은 값으로 나타난다. 발생하는 히스테리시스로 인해 의탄성 효과는 댐핑 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 제공한다. 히스테리시스에 포함되는 영역은 댐핑 거동의 척도이다. 여기에서 기계적 에너지는 열로 변환된다.

소재가 어떤 범위의 온도에 있느냐에 따라 기계적 소재 거동과 마찬가지로 댐핑 특성도 변한다. 높은 수준의 댐핑을 달성하려면 마르텐사이트 고원 내에서 작동되어야 한다[3]. 응력 유발 상전이 온도 범위를 각 응용 분야의 온도 요건에 맞게 조정하는 것은 다양한 요인에 좌우되며, 이러한 요인들은 대부분의 경우 최소한의 변화에도 높은 영향을 미친다.

주요 요인에는 특히 합금 조성과 열 기계적 전처리가 있다. 이것은 응력 고원의 특성과 높이, 형상 기억 효과의 크기 변화, 성능 및 온도 안정성과 같은 다른 매개 변수에 영향을 미친다[4]. 댐핑 특성에 영향을 미치는 또 다른 변수는 정적 예압, 동적 진폭, 여기 및 고유 주파수, 재료 피로이다[3]. 진동 감쇠 영역의 적용 사례는 지진으로부터 건물을 보호하기 위해 사용하는 PE 와이어이다. 시뮬레이션 결과 PE 형상기억합금을 사용하면 고무에 비해 건물 바닥의 이동이 적다는 점이 밝혀졌다. 하지만 주파수 범위는 최대 4Hz의 상대적으로 낮은 값이다[5].

원형 톱날 댐핑

고주파 진동의 경우 FGW-IFW를 통해 PE 형상기억합금을 이용하여 원형 톱날의 감쇠 조사를 예로 들 수 있다. 목표는 형상기억합금으로 만든 적절한 감쇠 요소를 톱날과 공구 플랜지에 통합하여 진동 거동에 긍정적인 영향을 주는 것이다. 그림 3은 공구 플랜지에서 PE 형상기억 핀을 사용하기 위해 개발한 솔루션과 정적 스펙트럼의 주파수 대 진폭 비교 그래프를 보여준다. 측정 결과 형상기억합금을 사용함으로써 250Hz에서 고유 주파수가 상당하게 감쇠되는 것으로 나타났다[6]. 원형 톱날의 형상기억합금 댐핑 결과는 진동 문제가 있는 다른 가공 공정에서 사용할 수 있는 가능성을 보여준다. 많은 가공 공정에 경제적으로 합리적인 진동 감쇠 솔루션이 거의 없기 때문에 형상기억합금을 사용하는 것은 유망한 대안이 될 수 있다. 따라서 공작기계 분야에서 추가적인 연구가 필요하다.

그림 3: 공구 플랜지에 PE 형상기억 핀 사용 및 일련의 시험 결과 [6].

진동 현상과 그로 인한 불량 부품은 절삭 분야에서 여전히 해결하지 못한 과제로 남아 있다. 절삭 가공 과정에서 시간에 따라 변하는 동적 부하로 인해 진동이 발생할 수 있다. 절삭 조건이 좋지 않으면 공정이 불안정해질 수 있다. 이는 전체 기계 공작물 시스템의 주파수 응답 함수에서 공진 증가로 알 수 있다. 특정 조건에서 이러한 불안정성은 채터 진동으로 이어지고, 이는 가공 결과의 품질 손실과 공구의 수명 단축으로 이어질 수 있다. 결과적으로 댐핑 특성은 공작물의 안정적인 가공과 더 나은 치수 정확도에 기여하기 때문에 공작기계에 매우 중요한 요소이다[7]. 목적에 따른 댐핑으로 공명 컴플라이언스를 감소시킬 수 있다. 이러한 감소는 그림 4에 잘 표현되어 있다. 이러한 맥락에서 자기 여기 진동과 외부 여기 진동, 즉 구조 역학과 프로세스 관련 영향 변수 사이에 차이가 있다[8]. 안정성 문제를 해결하기 위한 현재의 접근 방식은 수동 및 능동 추가 시스템으로 구분된다.

수동 및 능동 추가 시스템을 통한 댐핑

수동 추가 시스템을 기반한 감쇠는 에너지 변환을 통해 달성된다. 진폭을 줄이기 위해 구조물에 진동 흡수기 또는 보조 질량 댐퍼와 같은 추가 질량체를 부착하여 에너지를 열 또는 몸체 간의 상대 이동으로 변환한다[9]. 이로써 특정 작업 지점과 관련하여 우수한 댐핑 효과를 생성할 수 있다. 계속해서 변하는 공정 관련 요인들이 공작기계 내 기계 역학에 영향을 미치기 때문에 수동 추가 시스템은 제한적으로만 사용 가능하다. 반대로, 능동적인 추가 시스템을 통해 공구 진동을 감쇠하는 방법이 있다. 이 방법을 사용하면 지속적으로 변화하는 프로세스 관련 영향이 센서에 의해 기록되고 액추에이터의 도움으로 역진동이 생성된다. 액추에이터에 필요한 에너지는 외부에서 공급되어야 한다[10]. 이 시스템 솔루션은 필요한 제어 하드웨어로 인해 비용이 훨씬 많이 들기 때문에 산업적인 용도로 사용하기에 수익성이 없다는 의미이다.

그림 4: 전체 기계 공작물 시스템의 주파수 응답 함수.

요약하면, 다양한 방법으로 공작기계의 진동 감쇠가 가능하다고 설명할 수 있다. 하지만 이러한 방법은 사례별로 다르고 추가 비용이 들어간다. 따라서 형상기억합금과 같은 단순하고 저렴한 재료를 사용하여 의도에 따라 감쇠하는 것을 더욱 자세히 조사해야 한다. 현재 공작기계의 진동 문제 결함을 보상하기 위해 아헨 공과대학 공작기계 연구소 WZL과 렘샤이트에 위치한 FGW 공구 연구 및 재료 연구소의 공동 연구 프로젝트에서 의탄성 형상기억합금의 특성을 사용하여 공구 진동을 댐핑하는 새로운 접근 방식을 연구하고 있다. 이는 적합한 형상기억합금 요소를 개발하여 이를 공구 인터페이스에 통합함으로써 달성할 수 있다. 이로써 가공 공정에 대한 원치 않는 진동 영향을 크게 줄이거나 제거할 수 있다. 이는 공작물 표면과 높은 치수 정확도로 인해 기술 및 경제적 이점을 제공한다. 이를 통해 공구 수명이 길어지고 오류에 대한 민감도도 낮아지며 작동 시간이 단축된다.

참고 문헌

[1] Gümpel, P.: Formgedächtnislegierungen: Einsatzmöglichkeiten in Maschinenbau, Medizintechnik und Aktuatorik, Renningen: Expert Verlag, 2004

[2] Langbein, S., Czechowicz, A.: KonstruktionspraxisFormgedächtnistechnik, Vieweg-Springer Fachbuch, Springer-Vieweg, 2013.

[3] Schröder, B.: Dämpfungseigenschaften von Formgedächtnislegierungen, Dissertation am InstitutfürStatik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen der Universität Stuttgart, Stuttgart, 2001.

[4] VDI 2248: ProduktentwicklungmitFormgedächtnislegierungen, Blatt 2, Werkstoffauswahl und Nomenklatur, Verein DeutscherIngenieuree.V., 2017.

[5] Schmidt, I.: UntersuchungenzurDämpfungskapazitätsuperelastischer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen, Dissertation, Helmut Schmidt Universität, Universität der Bundeswehr Hamburg, Hamburg, 2004.

[6] InstitutfürWerkzeugforschung und Werkstoffe: Dämpfung von Schwingungen an KreissägeblätternmitformgedächtnisbasiertenDämpfungselementen, AIF Abschlussbericht 17828N, Remscheid, 2016.

[7] Weck, M.; Brecher, C.: Werkzeugmaschinen. 8. Aufl. Berlin: Springer 2006.

[8] Brecher, C.; Weck, M.: WerkzeugmaschinenFertigungssysteme 2. Berlin: Springer 2017.

[9] Schauerte, G.: PiezoaktorischeAchsenimPräzisionsmaschinenbau am BeispieleinesaktivenBohrwerkzeugs. Aachen: Apprimus-Verlag 2010.

[10] Waibel, M.: AktiveZusatzsystemezurSchwingungsreduktion an Werkzeugmaschinen. München: Herbert Utz Verlag 2012.