한계가 없는 복합소재
공구 제조업체들은 CFRP, 복합소재 등을 위한 경제적인 작업 방법과 관련하여 어느 지점까지 도달해 있는가? 또한 그것을 위한 어떠한 새로운 공구 컨셉이 있는가? 무엇이 미래를 보장할 것인가? 케나메탈(Kennametal)의 전문가들은 오랫동안 현장에서 연구해 왔으며, 상당한 전문지식을 축적할 수 있게 되었다.
경량 구조의 소재를 추구하는 경향은 가속화될 것이며, 이는 항공우주 분야만이 아니다. 경량구조를 고려했을 때 티타늄, 알루미늄, 마그네슘과 함께 섬유 강화 플라스틱이나 이들의 복합소재들이 특히 미래 시장을 주도하게 될 것이다. 현재는 틸로 뮬러 (Thilo Müller) 가 보는 바와 같이 최소한의 기술적 추동력은 여전히 항공기 산업에 머물러있다. 그는 »우리는 고객들이 CFRP 및 복합소재를 위한 작업방법과 관련한 요구가 공구에 특화된 방향으로 나아가고 있음을 분명히 알 수 있다.»고 언급했다.
그러나 독일 퓌르트에 있는 케나메탈(Kennametal) 솔리드 초경 밀링 장비 파트의 이 시니어 매니저는 다른 분야에서도 CFRP등의 경량 복합소재에 상당한 관심이 확인되고 있다며, 그는 »주요 자동차 제조업체의 내부 기술부서들이 이러한 소재에 지대한 관심을 두고 있는 것으로 알려졌다.»고 말하고 »따라서 자동차 산업은 섬유 강화 플라스틱 가공을 주도하는 차세대 기술주자가 될 것»이라고 확신했다.
그의 판단은 우연이 아니다. 롤랜드 버거 (Roland Berger) 의 온라인 모바일 조사에 따르면, 2025년까지 등록된 신차의 약 40%가 하이브리드 혹은 완전 전기구동 시스템을 장착하게 될 전망이다. 경제적인 관점에서 볼 때 이는 새로운 경량구조의 컨셉이 채택되어야 타당하다. 공구 제조업체에게 이는 축복이자 저주가 될 수 있다. 결과적으로 엔진/모터 및 드라이브 분야의 작업은 줄어들 것이지만, 다른 한편으로 새로운 경량구조 소재가 비즈니스 활동의 매력적인 분야로 자리잡게 될 것이기 때문이다.
금속 가공 작업의 수준이 떨어지는가?
케나메탈의 유럽 항공우주 마켓을 담당하는 워너 팬케르트(Werner Penkert) 매니저는 향후 10년에 걸쳐 이러한 추세는 확실하게 뒤바뀌게 될 것이라고 예견했다. 그는 »알루미늄 및 강 소재에서 복합소재로의 전환은 금속 가공 양을 확실하게 감소시키게 될 것이다. 그렇더라도 여전히 CFRP 소재에서도 표면 커넥팅 및 메이팅과 같은 어느 정도의 기계적작업은 존재할 것이다.»고 언급했다.
운송 산업의 행보 가속화
비록 의도된 것은 아니지만, CFRP 소재에 대해 짧아진 서비스 수명 특성등으로 공구를 많이 소모함에 따라 지금은 공구 제조업체들이 이득을 보고 있다. 새로운 개발작업은 안전 고려사항으로 인해 부분적으로 긴 시험기간과 리드타임이 수반되기 때문에 항공우주 산업은 어느 정도까지는 이를 수용하기 위해 애쓰고 있지만, 자동차 산업은 매우 다른 접근방법을 취하고 있다. 상당한 수준의 CFRP 부품을 갖춘 자동차의 대량 생산이 진행된다면, 매우 역동적인 개발 및 전환단계에 접어들 수 있다. 틸로 뮬러는 »만약 자동차의 대량생산이 이루어지면, 다음 단계는 항공기 산업과는 매우 다른 형태가 될 것이다. 대량생산 가동은 즉각적으로 제조업체 및 해당 공급업체들 모두에게 영향을 줄 것이다.»고 언급했다.
케나메탈은 이에 만반의 준비를 하고 있다. 항공기 분야에서의 수년 간의 작업 경험을 토대로 복합재 공정 이슈에 대해 충분히 검토할 수 있었다. 그 동안 수많은 프로젝트를 진행하면서 상당한 노하우를 축적했으며, 솔루션 또한 확보하였다.
박리(섬유 조직이 파괴되거나 떨어져 나가는 현상)와 짧은 서비스 수명과 같은 흔한 문제뿐만 아니라 다른 근본적인 주제들에 대해서도 케나메탈의 전문가들은 면밀하게 살펴보고 있다. 한 가지 매우 중요한 분야는 CFRP 소재의 분류이다. 타일로 뮬러는 »고객들과의 논의에서 우선 최소한 고객들과 동일한 생각을 하는 것이 중요하기 때문이다.»라고 지적했다. 지금까지 CFRP 소재는 소재목록에서 ´CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) ´ 대신 ´C´로 표기되었던 것이 사실이다. 하지만 모든 CFRP 소재는 순수 탄소섬유 매트릭스 부류와 다루기 힘든 스택들, 알루미늄 복합재, CFRP, 티타늄 등이 함께 묶여있다.
이러한 명명법이 사용자들과의 목적을 가진 기술적 토론에 유용하지 않기 때문에 케나메탈의 직원들은 5개의 서브-그룹을 만들었으며, 보다 명료한 소재 프로파일과 일관된 기준을 확보했다. 다음과 같은 등급으로 정의되었다:
-Cl: 순수 CFRP
-C2: 비철 금속이 결합된 CFRP
-C3: 고온 내열강이 결합된 CFRP
-C4: 스테인리스 강이 결합된 CFRP
-C5: 비철 금속 및 고온 내열강이 결합된 CFRP
캡션: 새로운 케나메탈의 밀링 커터 제품인 KCN05 Beyond는 특히 CFRP의 밀링 가공을 위해 개발되었으며, 특수 서브스트레이트와 다이아몬드층을 결합하여 공구 수명을 늘리고 높은 표면 품질을 약속한다.
틸로 뮬러는 시스템은 이러한 주제에 대해 완벽하게 포괄할 수 없다는 것을 잘 알고 있다. 그는 문제 해결을 위한 노력에 착수하는 것이 중요하다며, »우리는 이러한 매우 복잡한 주제를 체계적인 방법으로 접근하고자 하는 최초의 기업 중 하나다. 또한 우리는 사용자들에게 각 소재가 고유의 매우 특화된 요건을 가지고 있음을 보여줄 준비가 되어있고 그에 따라 특화된 솔루션을 공급할 것이다" »고 말했다.
공구의 관점에서 본다면, 기본적인 요구조건은 여전히 그대로다. 주요 과제는 여전히 박리현상 및 서비스 수명이고, 이미 상당한 논의가 진행되었다.
가장 큰 도전과제는 드릴링
특히 박리문제를 야기하는 주요 분야인 드릴링 작업에서의 문제로 인해 케나메탈은 뛰어난 효과를 보여주는 다양한 공구를 개발했다. 케나메탈의 보어링 및 정밀 표면가공 분야를 담당하는 틸로 뮬러는 2가지의 주요 방안을 제시했다. CFRP를 가공하기 위한 다이아몬트-코팅 초경 공구와 복합소재 및 CFRP 소재와 같은 스택을 가공하기 위한 PKD 공구다.
틸로 뮬러는 »순 CFRP를 가공하기 위해서는 우리의 다이아몬드-팁 SPF 드릴이 확실한 선택이며, 이는 서비스 수명 측면에서 최상의 가치를 부여하고, 박리현상에 대해서 최상의 결과를 제공한다.»고 말했다. 수백 번의 드릴링 시퀀스가 수행될 수 있다.
PKD 공구는 서비스 수명을 30%~50%까지 향상시킬 수 있지만, 사용자들은 공구의 직경이나 형상치수에 대한 제약을 받아들여야 한다. 여기에 솔리드 PKD공구가 제공할 수 있는 솔루션이 있다.
이러한 공구를 위해 다이아몬드 크리스탈을 초경 지지 샤프트에 직접 성장시킨다. 장점은 PKD 절삭선 브레이징이 가능하고, 포지티브 전면 경사각으로 차별화된 그라운드 섹션을 제공할 수 있다는 것이다. 또한 콘토르된(Contored) 절삭선도 공급이 가능하다. 워너 펜케르트(Werner Penkert)는 »즉, 우리는 초경 코어를 위한 것들과 유사한 콘토르(Contors)를 만들 수 있다.»고 말했다.
비교적 최근 방법으로 오비탈 드릴링(Orbital Drilling)이 있다. 이는 서큘러 밀링과 유사한 방법으로 이 드릴링은 밀링 공구로 수행된다. 이 공구의 축은 자유롭게 절삭할 수 있도록 Z-축을 따라 약간 기울어져 있다. 이 개발 작업은 스웨덴의 장비 제조업체인 노바토(Novator)와의 긴밀한 협력을 통해 수행되고 있다.
항공기 산업에서 흔하게 사용되는 일반적인 수동 드릴 이송장치에 비해 노바토 장비는 CNC-제어 가공 장치를 가지고 있다. 워너 펜케르트는 이는 매우 흥미로운 대안이라며, »측정 절차는 서큘러 이동을 수정함으로써 공구 마모를 보상하는데 사용될 수 있다.»고 말했다.
드릴링 시스템뿐만 아니라 케나메탈은 CFRP 등을 위한 밀링 시스템 작업도 진행하고 있다.
틸로 뮬러에 따르면, 무엇보다도 V-모양의 형상과 팁의 오른쪽과 샤프트의 왼쪽으로 나선형으로 되어 있는 소위 컴프레션 스타일 라우터는 홈 가공 및 트리밍 작업을 위한 최적의 설정을 제공한다. 그는 »V-형상은 나선형 프레스를 매트릭스 레이어와 함께 도치시킨다. 이를 통해 매우 정교한 표면 가공 작업을 실행할 수 있다.»고 설명했다.
다양한 분야: 버 스타일(Burr Style) 라우터
순수 CFRP의 가공을 위해 케나메탈은 버 스타일 라우터 형태의 가장 보편적인 공구를 제공한다. 추가적인 개발을 통해 지속적으로 최적화하고 있으며, 프레임 가공에서는 이미 25m의 서비스 수명이 구현되고 있다.
하향식 스타일 라우터는 밀링 리세스(Milling Recesses) 및 표면가공 작업을 위해 특별히 설계되었다. 좌향-나선형 공구의 주요 장점은 보다 더 높은 절삭 속도에 있다. 이 공구를 위해 개발자들은 다이아몬드 레이어의 부착력을 향상시키고, 낮은 코발트 함유량을 가진 특질을 재분류하였으며, 이를 통해 매우 쉬운 절삭을 위한 공구를 만들었다.
이러한 개발 작업을 통한 이득은 고객의 인정에 국한되지 않는다. 사실 물 분사 가공과 같은 경쟁 기술들은 궁지에 몰릴 수 있다 워너 펜케르트는 이를 확신하고 있다.
그는 »우리의 라우터로 이미 매우 효과적인 가공 시간과 서비스 수명을 공급하고 있으며, 물은 이제 더 이상 유일한 투자 솔루션이 아니다. 이제 이러한 혁신적인 라우터를 사용할 수 있다.»고 말했다.
케나메탈(Kennametal) 소개
케나메탈(Kennametal Inc.,NYSE: KMT)은 혁신적인 맞춤형 및 표준형의 견고한 솔루션을 제공함으로써 까다로운 조건에서도 최고의 성능을 필요로 하는 고객들에게 뛰어난 생산성을 제공한다. 이러한 탁월한 생산성은 케나메탈의 첨단 재료과학 및 애플리케이션 지식을 통해 실현되었다. 또한 이 회사는 지속 가능한 환경을 구축하기 위한 노력을 통해 고객들에게 부가가치를 제공한다. 항공기 기체에서 탄광, 엔진에서 유전, 그리고 터보차저에서 건축에 이르기까지 모든 분야의 기업들은 자신들의 가치 체인 상에서 케네메탈이 상당한 기여를 하고 있음을 인지하고 있다. 60개국 이상의 지역에서 약 12,000여명의 유능한 직원들을 통해 공급되고 있는 케네메탈의 제품과 서비스는 지난 2011년 회계연도에 고객들이 약 24억 달러 규모를 구매했으며, 이러한 매출의 50% 이상은 북미지역을 제외한 나라에서 달성되었다. 보다 자세한 정보는 웹사이트 www.kennametal.com에서 제공된다.
