영점 클램핑 시스템이 셋업 시간을 줄인다

영점 클램핑 시스템으로 기준점을 정하고, 생산성을 현저히 높일 수 있다. 공작물과 장치 그리고 클램핑 수단을 한 번의 절차로 동일하게 클램핑하기 때문이다.

공학박사 안네도레 보세 문데(Annedore Bose-Munde): 자유 기고가

핵심 내용

  • 영점 클램핑 시스템으로 적층 제조와 이어지는 가공 프로세스에서 셋업 시간을 현저히 낮출 수 있다.
  • 공작물과 장치 그리고 클램핑 수단을 한 번의 작업 절차로 매번 동일하게 클램핑하고, 다양한 기계에서 가공할 수 있다.

피드 힘과 체결 힘 그리고 유지 힘이 큰 고정밀 클램핑 모듈은 금속 가공 업체의 다양한 영역에서 꼭 맞는 클램핑을 담당한다. 최적화된 장치 교체와 공작물 교체는 제조 과정에서 셋업 시간을 최소화한다. 이러한 장점이 Matsuura에게도 중요했다. 적층 공정과 절삭 공정이 결합된 Matsuura의 하이브리드 머신에서 AMF (Andreas Maier Fellbach )의 영점 시스템 덕분에 모든 것이 마찰 없이 신속하게 진행되고 수익성에도 긍정적으로 작용한다. “AMF 영점 시스템 덕분에 Lumex 시스템의 셋업 절차가 정확하고 공정 안정적이며 효율성도 최고입니다.”(홀거 헤르만, Matsuura Europe GmbH AM Technology 응용 기술 매니저)

Matsuura는 Lumex 적층 가공 시스템은 SLS(선택적 레이저 소결)과 HSM(고속 밀링)을 하나의 기계에 결합한 하이브리드 머신이다. 레이저 소결과 고속 밀링을 결합하여 가공물을 하나의 기계에서 완전하게 가공할 수 있다. 따라서 다른 기계에서 후처리를 따로 하는 것은 특수한 경우에만 필요하다.

두 가지 제조 방법을 위한 영점 클램핑 시스템

Matsuura가 Lumex 시스템에서 제공하는 이 공정에는 금속 분말이 선택적 레이저 용융을 통해 분말 베드에서 적층되어 임의의 3차원 형태가 형성된다. 이때 기계 사양에 따라 갈바노미터 거울이 500 또는 1000W의 섬유 레이저를 목표 지점에 정확하게 안내한다. 섬유 레이저가 통과한 이후 아래쪽으로 내려가는 기계 테이블 위에서 와이퍼가 금속 분말을 프린트한다. 이는 지금까지 익히 알려진 3D 프린팅 공정이다. 각각 50µm 두께의 분말 층 10개가 적층된 후, 코팅기가 다음 분말층에 도포할 수 있도록 기판 또는 기저부가 더 이상 아래로 내려가지 않도록 멈춘다.

이후 밀링 커터가 고성능 스핀들에 의해 최대 45000min-1까지 가속되어, 외부 윤곽에서 R2 볼 커터로 가공물을 황삭한다. “이때 최종 치수로 밀링하면 안 됩니다. 재료가 더 냉각되면서 형태가 줄어들 수 있기 때문입니다.”(홀거 헤르만) 레이저에 의해 10개 층이 형성될 때마다 이 절차가 반복된다. 이를 위해 공구 체인저가 20개의 공구를 제공하며, 그 가운데 레이저 용융으로 형성되는 가공물을 황삭하기 위한 일차 밀링 커터가 준비되어 있다. 세 번째 10개 층이 형성되고, 1.5mm가 적층되면 조형물이 약간 냉각된 상태에서 공구로 최종 윤곽을 형성할 수 있다. “순수한 적층 가공 프로세스에 비해 정확도를 높일 수 있고, 사후에 접근하기 어렵거나 접근할 수 없는 부분을 가공할 수 있습니다.”(홀거 헤르만) 정확도는 0.0005mm와 최대 Rz=3.5 µm이며, 기존의 적층 가공 프로세스에서는 0.05mm 및 Rz=25 µm이다. 따라서 공구 및 금형 제조 과정에서 냉각 채널을 형성하는 방법이 최적화된다. AMF에 따르면 조형물은 절차 마지막 부분에 가공 완성된 상태로 기판과 함께 영점 클램핑 모듈에서 분리할 수 있다고 한다.

영점 클램핑 시스템은 셋업 시간을 1/10로 줄일 수 있다.

적층 제조에 맞추어 조정하다

특별히 적층 제조에 맞춘 이 영점 클램핑 모듈은 이 프로세스의 요건에 맞게 설계하여 셋업 시간을 단축할 수 있다. 3D 프린팅에서는 클램핑 시 고려해야 하는 특수한 요건이 있기 때문에 절삭 가공에서 일반적으로 사용하는 종래의 클램핑 모듈은 적층 가공에 사용할 수 없다. 3D 프린팅 공정에서는 매우 높은 온도가 유지되며, 분말 베드에서 금속의 용융점은 1400°C 정도이다. 클램핑 모듈이 30mm 두께의 판 아래에 있지만, 최대 150°C 이상으로 온도가 올라가기 때문에 이를 견디기 위한 씰과 매체를 사용해야 한다. AMF는 계속되는 가열과 냉각의 온도 변화에 프로세스 안전과 반복 정확도가 손상되지 않도록 적절히 선택한 재료와 방법을 적용한다. 경화된 표면은 한 가지 예시에 불과하다. 클램핑 모듈은 절삭 공정의 일반적인 요건도 충족해야 한다. “절삭 가공도 전혀 문제가 되지 않습니다. 이러한 작업은 원래 우리가 전공입니다.”(마누엘 나우, AMF 판매 매니저)

기판이 제품의 일부이다

Matsuura의 Lumex 모델은 AMF의 K5.3 장착 클램핑 모듈을 적층 제조에 사용한다. 이 모듈은 생산 현장에서 사용 가능한 작동 압력 5bar부터 공기압에 의해 열린다. 다섯 개의 모듈이 3D 프린팅 기판 아래에 부착되는 클램핑 핀을 수용하는데, 이는 공작물 클램핑과 유사하다. “공구와 금형 제조 업계의 고객들은 나중에 완성된 3D 제품에서 기판을 분리하지 않습니다.”(홀거 헤르만) 홀거 헤르만에 따르면 이는 경화된 금형이 변형되기 때문이라고 한다.

K5.3 장착 클램핑 모듈은 피드 힘 1.5kN과 홀딩 힘 13kN을 구현된다. 스프링 힘에 의해 걸리기 때문에, 클램핑 핀이 열리고 유입되면 압축 라인을 언제든지 분리할 수 있다. AMF에 따르면 클램핑 핀 윤곽이 조정되어 기울어지지 않고, 기판이 살짝 기울어진 채 안착되었어도 클램핑 모듈이 안전하게 고정된다고 한다. 옵션으로 통합되는 클램핑 모듈의 유출부와 자동 프로세스 범위에서 점검을 위한 접촉 점검 기능은 Lumex 시스템에는 장착되어 있지 않으나 제공이 가능하다.

Matsuura는 셋업 과정에서 신속성을 포기하지 않았다. 그 이유를 홀거 헤르만은 다음과 같이 설명한다. “이 하이브리드 머신으로 사출 성형 공구에서 제조 시간을 65% 정도 단축된다면, 고객에게 엄청난 수익으로 돌아옵니다. 이 영점 시스템은 많은 응용 사례에서 전체 프로세스의 경제성에 기여하는 최적의 보완책이 될 것입니다.”

3D 프린팅 제조 공정에서 영점 클램핑 기술로 이어지는 후속 프로세스를 포함하여 광범위하게 표준화할 수 있다.

새 클램핑 기술은 수익성을 상징한다

홀거 헤르만이 이 영점 솔루션을 제안하기 전에는 기존의 클램핑 기술을 사용하였다. 기판을 네 개의 나사로 기계 테이블에 체결하였기 때문에, 매번 다이얼 게이지를 설치하고 영점 센서로 측정해야 했으며, 공작물마다 번거로운 측정 작업을 새로 수행해야 했다.

“이 영점 클램핑 시스템으로 셋업 시간을 1/10로 줄일 수 있습니다.”(홀거 헤르만) Matsuura 판매 매니저인 귄터 브룬은 다음과 같이 강조한다. “Lumex 시스템을 사용하면 빠른 셋업 절차를 통해 클램핑 단계에서 경쟁 우위에 설 수 있으며 수익성을 크게 올릴 수 있습니다.”

클램핑된 대상이 프린팅 공정 이후 바로 장착하는 경우는 매우 드물다. Matsuura의 경우, 이와 같이 실질적인 적층 제조 프로세스 후에 대부분 조형물이 가공 완성되기까지 후속 프로세스가 이어진다. 이후 세척 과정이나 측정, 밀링, 드릴링, 분리 작업까지 이어지는 경우가 많다. 이런 모든 프로세스 체인을 위해 영점 클램핑 시스템은 다양한 옵션을 제공한다.