기존 케이블 심선 구조와 다른 번들형 편조

탄력적인 igus의 번들형 편조

igus의 케이블인 chainflex에 적용된 번들형 편조 방식은 레이어 방식과는 완전히 다르다. 레이어형은 심선들이 케이블을 중심으로 여러 층으로 감싸는 구조를 갖추고 있으며, 레이어 사이의 빈 공간은 보통 필름 또는 플리스로 채워진다. 이 같은 제조 방식은 비용 효율적이기는 하지만 에너지 체인이 움직일 때마다 체인 반경의 심선들이 높은 인장력과 압축력에 노출된다는 단점을 보유하고 있다. 게다가 장거리 이동, 글라이딩 모션, 심선 수가 많은 케이블은 이와 같은 힘에 의해 심선이 큰 영향을 받게 되어 콕 스크류 현상을 겪게 된다. 반면, 이와는 다른 번들형 편조 방식이 적용된 igus의 chainflex(18 코어 chainflex의 경우)는 전체 코어를 하나씩 포개어 여러 층으로 감는 방법 대신에 처음부터 3가닥씩 번들 구조로 감는 방식과 이후 3가닥씩 구성된 6개의 번들을 다시 엮어 완전한 케이블을 형성하는 방식을 따른다.

번들형 편조의 심선은 움직이는 체인의 반경에서도 과도한 인장 응력을 받지 않으며, 전체 편조 구조는 충실 압출형 내피와 외피의 지원을 받는다. 한편, igus는 비틀림과 같은 격렬한 모션에 대해서는 또 다른 케이블 디자인을 적용하는데, 이에 해당하는 예로는 주로 산업용 로봇과 다축 모션에 활용되는 chainflex 로봇 케이블을 들 수 있다. 이 케이블은 극심한 굽힘과 비틀림 모션에 대해 손상 없이 대처해야 하는데, 그 이유는 케이블이 더 많이 구부러지고, 대응 가능한 스트레스 한계에 가까워질수록 비틀기가 더욱 어려워지기 때문이다.

비틀림 응력에서 이뤄지는 수백만 사이클이 발생한 후, 로봇 케이블에는 힘 보정 요소, 느슨한 스트랜딩 요소, 서로 다른 미끄럼면과 완전히 다른 쉴드 개념이 필요하다. 이유는 로봇 기술에 활용되는 케이블이 로봇의 움직임에 따라 이동 방향을 반복적으로 변경하기 때문인데, 이 때 편조 구조의 직경은 비틀림 각도에 맞게 변할 수 있다. igus는 쉴드 와이어에 작용하는 힘을 완화하고 전체 편조 구조와 외피에 상응해 쉴드가 자유롭게 움직일 수 있도록 쉴드에 상하 부분에 슬라이딩 요소를 둔다. 이와 같은 부드러운 구조 방식은 전체 케이블 이동에 필요한 자유로움을 제공하고, 케이블에 작용하는 인장력과 압축력을 줄여 조기 도체 손상으로 인해 발생할 수 있는 기계의 다운타임을 사전에 방지한다.

차이를 만드는 올바른 재질

케이블의 편조 구조만큼 중요한 것으로 올바른 절연 재질과 외피 재질이 꼽히는데, igus는 직접 모든 구성품을 제조하고 테스트한다. 이 때문에 최적의 에너지 체인과 케이블 조합을 통한 긴 사용 수명이 사용자에게 제공되는데, igus는 시험 연구실에서 이뤄진 테스트에서 ‘플라스틱+케이블’의 조합이 체인 안에서 긴 수명을 보장하는 주요 요소라는 것을 발견했다. ‘긴 수명을 위한 플라스틱’이라는 콘셉트를 추구하는 igus는 케이블과 에너지 체인에 적용되어 서로 지속적으로 접촉하는 플라스틱의 기능 향상과 비교에 집중해 왔는데, 이는 온도, 매체, 방사 가능성 등의 외부 요소와 함께 체인과 케이블의 상호 작용에서 중요한 역할을 수행한다.

반복적인 테스트

가동형 케이블을 위한 규정과 표준은 현재까지 존재하고 있지만, 실제로 에너지 체인에 사용하도록 규정된 케이블에 적합한 국가 표준과 국제 표준은 물론 관련 텍스트가 존재하고 있지 않다. 그래서 igus는 지난 수십 년간 케이블 디자인, 재질 테스트 및 평가와 관련된 자체 표준을 개발해 왔는데, 이 같은 igus의 노력은 에너지 체인의 내구성을 보장하는 데에 긍정적으로 작용했다. 케이블 산업에는 각기 다른 표준 기관이 발표한 테스트 방식들이 있는데, 이들은 일반적이어서 에너지 체인 내의 지속적인 모션 적용과 같은 구체적인 요구사항에는 대응하지 못 하며, VDE 굽힘 피로 테스트와 마모 테스트도 체인-케이블 조합에 관한 요구사항을 충족시키지 못 한다.

굽힘 사이클 테스트에 있어서 케이블 모션은 에너지 체인 내부에서와는 전혀 다른데, 이 같은 요구사항을 충족해 온 많은 케이블 디자인은 igus의 표준에 따라 진행한 무빙 에너지 체인 테스트에서 실패를 경험했다. 일반적으로 바늘, 사포 또는 면도날에 기반을 두고 있는 재질의 마모도를 정의하는 표준 마모 테스트가 일반적인 조건에 적합할지도 모르지만, 보통 에너지 체인 내부에서 사포나 면도날을 찾을 수 없듯이 이 테스트를 통해서는 에너지 체인과 접촉하는 외피 재질의 내구성에 대해 아무 것도 알 수가 없다. 결국 이 때 중요한 것은 두 개의 글라이딩 파트너, 즉 체인과 케이블의 재질을 서로 테스트하고 일치시키는 것이다. 한편, 가스와 물 등의 매체는 물론 사용 온도 역시 지속적으로 움직이는 가동형 케이블의 외피 재질 개발 및 테스트에서 중요한 역할을 수행한다.

케이블 산업에서는 가동형 케이블의 저온 유연성을 정의하기 위한 목적으로 EN 60811-504 저온 굽힘 테스트가 활용되는데, 케이블은 테스트 온도에 도달할 시 맨드릴에서 케이블을 풀어낸다. 이 때 눈에 보이는 외피 균열이 없다면 케이블이 테스트롤 통과한 것으로 간주할 수 있으며, 테스트를 통과한 외피 재질은 해당 테스트 온도에서 활용 가능한 것으로 여겨질 수 있다.

저온 룸에서 진행되는 실제 테스트 방식

테스트를 수행하는 데 있어서 중요한 것은 실제 환경을 시뮬레이션한 실용적인 테스트를 창안하는 것이다. igus의 테스트는 케이블을 맨드릴에 한 번 감아 테스트 온도까지 냉각한 후 한 번만 움직이는 방법과는 다르다. igus의 테스트 방식은 테스트 목적에 따라 -40℃~+60℃ 공조 컨테이너에서 실제와 동일한 에너지 체인에 케이블을 포설해 지속적으로 움직이는 방식으로 이뤄지는데, 이는 수백만 번에 걸쳐 진행된다.

온도 응력과 지속적인 굽힘 응력이 결합된 테스트 속에서 외피 균열이 일어나지 않아야만 케이블이 테스트를 통과한 것으로 간주된다. igus는 다양한 재질과 체인 적합성 케이블로 저온 룸에서 대규모 테스트를 진행하는 동안 현재 시장에서 활용 가능한 어떤 혼합물도 카탈로그 또는 데이터시트에 명시된 온도에서 에너지 체인 내부의 지속적인 모션을 견디지 못한다는 것을 발견했다. 이에 igus는 특정 조건에 따라 케이블의 곡률 반경과 사용 온도를 정의했는데, 그 조건은 다음과 같다.

• 고정해 사용하는 비가동형 케이블

• VDE/IEC 표준을 따르는 유연성 가동형 케이블

• 에너지 체인 내부에서 사용하는 가동형 케이블

정확한 것은 실제 조건과 동일하게 진행한 장기간의 테스트만이 에너지 체인 내부에서 활용되는 케이블의 사용 수명에 관한 신뢰할 수 있는 정보를 제공한다는 것이다.

상황 예측

igus는 자사가 제조한 모든 제품의 사용 수명을 예측할 수 있도록 에너지 체인용 가동형 케이블 전문가를 위한 2,750㎡ 규모의 시험 연구실을 운영하고 있다.

제품의 신뢰성은 실제 작업 조건과 일치하는 시뮬레이션에 달려 있기에 65종의 테스트 장치에서 다양한 이동 거리, 가속도, 기후 조건을 통해 제품의 복원력과 하중 수용력 등을 테스트한다. 크레인 등에 적용되는 대형 에너지 체인 시스템은 최대 이동 거리 240m의 실외 테스트 공간에서 테스트를 받는데, 이곳에서 이미 이동 속도 4m/s, 충진 중량 8kg/m, 총 이동 거리 25,000km 이상의 테스트가 이뤄진 바 있다. igus는 다양한 실험을 통해 얻은 데이터를 케이블 디자인 및 제조 절차의 지속적인 개선을 위해 활용하는데, 이는 제품 사용자에게 제품에 대한 만족도를 주는 요소로 작용한다. 한편, igus는 지속적으로 신제품을 개발하고 테스트한 후 자체 제조 공정을 모니터링하는데, 특정 알고리즘에 따라 생산 중인 케이블을 배치 테스트에서 평가한다.

이는 제조된 모든 케이블의 20% 이상에 해당하는데, 배치 테스트에는 에너지 체인 내의 모션 테스트와 그 후 전체적인 케이블 구조를 분석하는 테스트가 포함된다. 이와 같은 테스트가 진행되면서 케이블의 굽힘 현상에 부정적인 영향을 미치는 제조상의 오류가 발생하는 확률이 줄어들게 된다.

도체 결함을 방지하는 ‘AutΩMeS’ 시스템

테스트 또는 실제 사용 중에 케이블이 손상되었다는 사실이 케이블 디자인 개선 여부를 결정하는 지표라고 할 수는 없지만, 케이블이 손상되기 시작했음을 빠르게 파악하는 것은 매우 중요하다. 이는 곧 결함 때문에 실제 손상이 발생하기 전에 케이블이 언제 피로 징후를 보이기 시작했는지 파악해야 함을 의미하는데, 결국 이것만이 추후 조사에서 원인 방지 방법을 찾을 수 있는 유일한 방법으로 작용한다. 이 때문에 igus는 연간 140만 회 이상에 달하는 엄청난 양의 측정 데이터를 기록하는 AutΩMeS 시스템을 개발했다.

이 시스템은 다양한 테스트 장비에 따라 모듈형으로 조정 가능한 완전 자동 측정 시스템으로, 끊임없이 케이블의 전기적 특성을 모니터링해 결함을 빠르고 안정적으로 감지해낸다.