세정 장비 애플리케이션을 위한 리니어 모션 설계 방안

PBC Linear

1. 소개

세정 환경에서 프로세싱과 패키징, 취급, 자동화 장비의 설계와 구축은 설계 엔지니어가 시스템 내의 구성 요소를 지정하기 어렵게 한다.   장비 생산과 유지 관리에 필요한 규정과 표준, 검사는 식품이나 음료, 의약품을 취급하는 산업 분야에 더욱 큰 부담을 준다. 이 기사는 위생과 화학적 세정 환경에서 리니어 모션 구성 요소의 성능을 보장하는 데 필요한 엔지니어링 사례와 설계 원리를 중점으로 다룬다.

'세정 환경'은 물이나 화학 약품 또는 혼합물을 사용해 수작업이나 자동 기계로 청소하는 것이다. 방법은 천이나 양동이를 이용한 단순 세정부터 호스를 이용한 스프레이, 정교한 고압과 제어 시스템을 이용한 세정까지 여러 가지이다. 산업용 장비의 자동 청소 작업은 CIP(clean-in-place, 현장 청결)이나 SIP(steam-in-place, 스팀 인 플레이스)라고 한다.   세정은 질병을 유발하고 퍼뜨리는 박테리아나 미생물을 제거하기 위해서 하는 것이다. 최근에는 광우병 같은 박테리아가 발생할 수 있는 가공 장비를 의무적으로 정밀 조사하고 있다.

2. 세정 디자인을 위한 규제 기관과 표준

리니어 운동 시스템을 승인하거나 비승인하는 특정 기관이나 표준은 없지만, 설치해서 사용 중인 장비를 검사할 지역과 자치단체의 여러 기준이 있다.   기관 중 상당수는 완제품의 성능과 청결 기준을 충족하기 위해 제조업체가 준수할 표준과 지침을 발표한다.

규제 기관과 표준 단체

3. 세정 장비 디자인을 위한 최적의 부품

세정 환경에서 리니어 운동 설계의 핵심은 베어링과 샤프트, 레일, 실 부품에 쓰이는 재료를 선택하는 일이다. 내식성과 적절한 표준 또는 규정 준수, 기계 성능에 필요한 요구 사항을 충족하려면 적절한 부품을 선택해야 한다.   스테인리스강은 뛰어난 내식성과 내구성 덕분에 식품 관련 업계에서 선호된다. 스테인리스강 등급에는 여러 종류가 있으며 대부분 크롬과 니켈의 비율 등급에 따라서 나뉜다.

300 시리즈 스테인리스강

300 시리즈 스테인리스강은 식품과 의료용으로 가장 널리 쓰인다. 부드럽고 경화되지 않으며 자성이 없다. 아래의 각 등급은 스테인리스강 혼합물의 다양한 강도와 여러 배합 유형을 나타낸다.

303: ISO 표준에 따라 ‘A1’이라고도 불린다. 304의 자유 가공 버전(free machining version)에 황과 인이 추가된 것이다.

304: 크롬 18%와 니켈 8%로 구성되며 ISO의 ‘A2’나 ‘18/8’로 알려졌다. 304는 스테인리스강의 가장 일반적인 등급이다.

316: ISO 표준이나 ‘18/10’에 따라서 ‘A4’로도 알려졌다. 일반적으로 식품과 의약품용으로 쓰인다. 최대 3% 몰리브덴을 첨가하면 산업 화학 물질과 용제, 염화물 때문에 발생할 수 있는 피팅(pitting)으로부터 부식을 방지하는 데 도움이 된다.

400 시리즈 스테인리스강

여러 400 시리즈 중에서 440이 업계에서 가장 광범위하게 사용된다.

440: 열처리와 경화를 할 수 있다. 날붙이 류(cutlery)와 리니어 샤프트, 우수한 내마모성이 요구되는 분야에 쓰인다. RC58 정도까지 경화된다. 그러나 440는 구성 재료에 보충된 탄소 때문에 세정 조건에 따라 산화할 수도 있다.
스테인리스강은 녹처럼 표면에

붉은색의 산화물로 부식되지 않는다. 스테인리스강 표면에 부식되는 경우, 그 표면이 오염됐거나 베어링 내의 충전재에서 나오는 철 미립자 때문일 가능성이 크다. 표면 정화에는 실온에서 질산 10%와 불화수소산 용액 2%가 효과적이다.

알루미늄과 코팅

알루미늄은 무게가 부담되는 일부 세정 환경에서 쓰인다. 그러나 노출된 알루미늄은 내식성이 좋지 않으며 이음새와 균열에 취약하므로 코팅을 해야 한다. 대개 양극 산화 처리나 세라믹 코팅, PTFE 또는 기타 충전재로 코팅한다. 그러나 알루미늄은 스테인리스강보다 수명이 짧고 내구성이 떨어진다. 따라서 부식성이 강한 화학 세정 환경에서는 스테인리스강이 선호된다.

무전해 니켈 코팅

부식과 마모에 강하다. 부드럽고 광택이 있는 외관 덕분에 인기가 높아지고 있다. 부드러운 성질을 위해 PTFE을 주입하기도 한다. 이 코팅은 대부분 FDA에도 부합하다.

플라스틱, 고분자, 충전재

이런 비금속 재료는 시간이 지나면 스테인리스강 같은 금속처럼 내부식성과 내구성을 갖지 않는다. 그러므로 식품과 의약품 장비의 주요 구성 요소로 자주 쓰이지 않는다. 반면에 비용과 무게 등 덕분에 기계식 구동 부품과 가이드, 베어링, 패스너와 같은 것의 내부에 많이 쓰고 있다. 사출 성형된 베어링 인서트와 같은 고체 플라스틱은 대부분이 액체를 흡수해 구성 요소의 팽창과 결합, 파손 가능성을 증가시키므로 세정 용도로는 적합하지 않다.

각 표준 기구에는 수용할 수 있는 다양한 플라스틱 재료에 대한 광범위한 정보가 있다. 그러나 기본 플라스틱과 함께, 각각의 고분자(polymer) 물질은 통상적으로 제조자가 혼합한 충전재를 가질 것이다. 이러한 충전재는 하중 용량 증가, 마찰 계수 감소 등과 같은 영역에서 성능을 향상하기 위해 추가됐다.

4. 세정에서 리니어 모션을 위한 최상의 설계 기법

세정 애플리케이션을 위한 리니어 모션 구성 요소 설계에는 고유한 문제가 있다. 회전 구성 요소는 제한된 영역에서 장착하고 밀봉해야 한다. 그러나 베어링과 슬라이드, 액추에이터 시스템의 이동 구성 요소가 리니어 방식으로 이동하므로, 밀폐공간과 청소해야 하는 공간이 훨씬 넓어져 수 미터(m)에 이르기도 한다.

리니어 베어링과 가이드 설계

리니어 재순환 볼 베어링: 기준을 준수하는 실 재질과, 승인된 윤활제가 있는 스테인리스강 밀폐형 베어링만 사용해야 한다.

플레인 베어링: 플레인 베어링 적용 시 고려할 때 알아야 할 두 가지 기본 유형이 있다. 플라스틱 인서트를 사용할 때 베어링 재료의 팽창 때문에 발생하는 수분 흡수에 유의해야 한다. 이것은 결합(binding) 문제를 발생시킨다. 팽창을 해결하려고 내경을 키우면 시스템에서 허용 오차가 발생해 부정확해진다.

  박테리아가 쌓일 수 있는 곳에 홈이나 인서트가 있는 개방형 베어링은 피하는 것이 좋다. 이와 같은 2피스형 베어링은 박테리아가 균열과 홈, 베어링 외부 셸, 플라스틱 베어링 삽입물 사이에 서식하게 한다. 원피스 결합 베어링(one-piece bonded bearing)은 이런 가능성을 없앤다.

식품 등급 환경에서 사용할 땐 재료와 충전재가 해당 표준에 적합한지를 확인해야 한다. 원형 리니어 볼 베어링과 프로파일 레일과 같은 재순환 볼 베어링 유형 제품에도 동일한 원리가 적용된다. 낮은 마찰 혹은 좁은 공차 같은 장점과, FDA를 준수하는 윤활을 갖춘 스테인리스강 재질이 종종 사용된다.

그러나 금속끼리의 접촉으로 그리스 윤활이 필요한 단점이 있다. 이 윤활제는 가공되는 음식물로부터 재료를 집어내고, 베어링 주위의 여러 틈새와 내부에 스며들게 된다. 따라서 잠재적인 박테리아 번식지가 된다.

거의 모든 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션은 일체형 결합 베어링을 이용하는 것이다. 베어링 재질은 PTFE을 기본으로 하며 자체 윤활 방식이다. 오염 가능성이 있는 재료가 모이는 외부 윤활은 필요 없다. 또한 라이너(liner)와 베어링 셸 사이에 홈이나 틈, 공간이 없으므로 잔유물이 박혀 박테리아가 자랄 수 있다. 베어링 소재와 외부 셸이 결합되면 진정한 원피스 베어링이 된다.

수직 애플리케이션에 즉, 인라인(in-line)과 회전 캐루젤 병(carousel bottle) 채움 기계에서는 상단에 봉인된 베어링을 사용하는 것이 좋다. 이것은 오염을 제거하고 충진과 세정 공정에서 많은 유체가 베어링 내부로 투입되는 것을 막아준다. 또한 베어링 시스템으로 들어가는 액체가 어셈블리의 바닥으로 쉽게 흘러 빠져나가도록 한다.

평행 축으로 설계한 여러 개의 부품을 가진 하위 어셈블리는 정렬 불량으로 베어링이 붙는 문제가 생길 수 있다. 또한 구성 요소의 커넥터와 마디 주위에 박테리아가 쌓이기 쉽다. 듀얼 레일 부하 용량과 기능을 단일 레일 설계로 통합하면 오염이 쌓이는 부분을 줄일 수 있다.

가이드 레일 설계와 선택

세정 환경에서는 많은 구성 요소를 조립하는 일을 최대한 피해야 한다. 기존의 리니어 어셈블리는 샤프트와 지지 레일을 볼트로 결합한 다음 장착 플레이트나 캐리지에 볼트로 고정한다. 각 연결과 접합부는 시간이 지나면 균열이 발생하거나 액체가 침투해 박테리아가 서식하게 된다.

리니어 모션의 새로운 기술로 기존의 여러 구성 요소와 커넥터가 필요 없는 슬라이드 어셈블리가 만들어졌다. 독특한 2피스 슬라이드 시스템은 세정 환경에 이상적이다. 또한 새로운 스타일의 리니어 모션 구성 요소는 오염이 쌓이는 홈이 없도록 부드러운 곡선으로 디자인했다.

리니어 롤러 베어링(캠 팔로워 스타일): 일반적으로 V 가이드 레일이나 캠 팔로워와 함께 쓰인다. 내부 베어링 전동 면에 윤활유가 공급되며 고무 실이나 스테인리스강 실드로 영구적으로 밀봉된다. 식품 등급 환경에서 사용할 경우 실과 윤활제가 해당 표준에 적합한지를 확인해야 한다.

샤프트와 레일: 303과 304, 316, 440, 코팅된 알루미늄 등 다양한 재질을 사용할 수 있다. 선택한 등급이 특정 환경의 세정 조건과 규정이 호환되는지 확인해야 한다.

리니어 슬라이드: 일반적으로 트윈 레일 시스템으로 장착 플레이트에 설치된다. 원형 레일이나 프로파일 레일, 재순환 볼 베어링을 사용하며 상단 플레이트가 있다. 이 슬라이드는 다양한 세정 관련 소재로 제작된다.

리니어 액추에이터: 일반적으로 벨트 구동 리니어 액추에이터의 외부 하우징에는 알루마이트 처리된 알루미늄이 쓰인다. 알루미늄은 쉽게 구멍이 나고 부식되므로 세정 작업에 적합하지 않다.

간격 유지기(Standoffs)

리니어 레일을 장착할 때 오염과 박테리아 형성이 염려되면 리니어 모션 시스템 주위의 세척을 극대화하는 방법으로 간격 유지기를 사용하는 것이 좋다. 다음은 간격 유지기를 장착했을 때 장점이 나타나는 사례이다.

참고: 간격 유지기를 사용할 때 샤프트나 레일 편향을 계산해야 올바르게 작동한다.

고정 위치
가능하면 세정 면에 장착하지 않아야 한다. 돌출돼서 오염 물질이 모일 수 있다. 커넥터는 장착할 레일 아래쪽에 두는 것이 가장 좋다. 커넥터가 세척 영역에 들어가게 되면 더 쉽게 청소할 수 있도록 돔형 너트를 사용한다.

리니어 구성 요소의 위치

식품 애플리케이션에서는 가공되는 식품을 고려해 리니어 모션 장치의 장착 위치를 정해야 한다. FDA를 준수하지 않거나, 음식 접촉에 대한 다른 규정을 충족 못 하는 구성 요소가 음식이 이동하는 열린 경로나 식품이 접촉하는 위치에서 쓰이면 위험하다. 스테인리스강 실드로 구성 요소 위를 덮어서 위험을 방지한다.

차폐나 다른 덮개를 만들 때, 패널과 판이 어떻게 연결되는지에 따라서 설계를 고려해야 한다. 스플래시 부분의 용접이 균일하지 않으면 습기 때문에 부식이 발생하거나 박테리아가 서식하게 된다. 최대한 모든 구석을 둥글게 처리하는 것이 좋다.

  수분 구멍과 배수 채널, 슬롯, 잠재적인 풀링(pooling) 영역에 수분 유입 방지 설계된 다른 포팅 기능을 추가하는 방법도 있다.
  아래 그림은 세정 환경에 평평하게 장착된 긴 레일이다. 액체는 레일을 따라 모여서 고인다. 레일을 따라 전략 지점에 슬롯을 추가해 수분이 고이는 지점을 쉽게 제거할 수 있다.
  스탠드 오프와 결합할 때, 이 유형은 완전히 노출돼 소독될 수 있는 리니어 가이드 시스템을 제작해야 한다.

5. 세정 장비 설계를 위한 PBC Linear 제품

PBC Linear는 세정과 식품 가공 애플리케이션 분야를 위한 광범위한 리니어 모션 솔루션을 제공한다. 핵심은 애플리케이션을 파악하고 정확한 구성 요소를 맞추는 것이다.

RST(Round Shaft Technology)-자체 윤활 베어링

'FL' Inch와 'FM' 미터법 시리즈: 표준 베어링의 외부 셸은 알루마이트 처리된 알루미늄이다. 세정과 식품 등급 베어링은 316 스테인리스강 베어링 셸(옵션)을 사용하는 것이 가장 좋다.

FrelonGOLD?: FrelonGOLD 베어링 라이너는 내화학성이 우수하지만 FDA 기준으로 직접 식품 접촉에 적합하지 않다. 습한 환경에서 사용할 수 있지만 충전재 소재 때문에 시간이 지나면 표면이 산화할 수 있다. 따라서 이온수와 함께 사용하면 안 된다.

Frelon? J(선택 사양 라이너 재료): FDA 기준에 부합하지 않지만 세척과 부식 애플리케이션에서 우수한 성능을 발휘하는 폴리머 기반 소재이다. 300 시리즈 스테인리스강과 투명 알루마이트 샤프트와 호환된다.

- Frelon? W(선택적 주문 라이너 재료): 식품이 직접 접촉할 때 적합하며 PBC Linear의 특별 주문 품목으로 제공되는 FDA 준수 소재이다. 300 시리즈 스테인리스강 샤프트와 호환된다.

Redi-Rail?: (CRT)캠 롤러 기술 리니어 가이드

세정할 때 부식에 강한 레일은 '항균성 파우더 코팅'으로 코팅된 알루미늄으로 제작된다. 440 스테인리스강 샤프트가 알루미늄에 내장됐다. 3, 4, 5륜 슬라이더에는 440 스테인리스강 베어링과 예압 조절 기능을 위한 하드웨어가 있다.

상용 레일 리니어 가이드

세척 애플리케이션을 위한 비정밀 또는 비용 효율적인 리니어 가이드 솔루션이다. 롤 형식의 304 스테인리스강 레일에는 440 스테인리스강 베어링으로 구성된 3륜 슬라이더가 장착돼 있다.

V-Guide System-(CRT)캠 롤러 기술: V-휠 베어링과 리니어 가이드 레일

세정을 위한 V-Guide System은 400 시리즈 스테인리스강 레일을 제공한다. V-휠 베어링은 420 스테인리스강 레이스웨이와 304 스테인리스 실드나 니트릴 고무 실로 구성된다. 동심/편심 휠이나 장착 부싱은 303 스테인리스강으로 만든다.

자료 제공: PBC Linear(www.pbclinear.com)