제조 라인의 생산속도 향상을 위한 하이브리드 폴리머 적용 방안

Intech

빠른 기계는 느린 기계보다 더 많은 제품을 생산하고 더 많은 수익을 가져다준다. 기존 생산 라인의 속도를 높이거나 새로운 더 빠른 기계를 설계해야 하지만 엔지니어링 관점에서 볼 때 비용이 문제다. 또한 빠른 생산 라인은 일반적으로 공명 및 진동 문제를 겪고 있다. 기어 및 기타 움직이는 구성 요소들이 임계 속도에 근접하게 작동되는 경향이 있고, 더욱 거칠게 흔들릴 수 있다. 결과적으로 마모가 증가하고 보다 많은 유지 보수와 윤활 시간이 필요하다.

빠른 라인은 일반적으로 더 큰 모터, 액추에이터 및 기어 박스 뿐만 아니라 더 높은 대역폭 제어를 요구한다. 기계 프레임도 강화돼야 한다. 이러한 인프라 업그레이드는 라인 속도가 수익성을 향상시키는 경우 비용 커버가 될 수 있지만 상당한 엔지니어링 노력이 필요하다.

라인 속도를 향상시키는 간단한 방법이 있다. 캠 팔로워, 트랙 롤러, 기어, 캠 또는 리니어 액츄에이터와 같은 모션 구성 요소를 업그레이드하면 기계의 생산 속도를 15~20%, 때로는 더 향상시킬 수도 있다. 어떤 경우는, 캐플릿(caplets) 제조 기계의 출력을 두 배로 늘릴 수 있다.

이러한 구성 요소를 업그레이드하는데 막대한 자본 지출이 필요하지 않다. 모든 캠 팔로우, 트랙 롤러 또는 기어가 속도에 적합한 것은 아니다. 강성을 저하시키지 않으면서도 질량을 줄이는 구성 요소를 선택해야 한다. 과도한 윤활 시간을 요구하지 않으면서 마모에 견딜 수 있는 부품이 필요하다.

폴리머(Polymers)가 더 빠르다

첨단 고속 기계의 특징 중 하나는 구성 요소가 부분적으로 또는 전체적으로 첨단 폴리머로 만들어진 경향이 있다는 것이다. 올바른 재료로 올바르게 설계하고 제조하면, 폴리머 기계 구성 요소의 무게는 유사한 금속 구성 요소보다 훨씬 작아진다. 예를 들어, 폴리머 베어링 표면과 금속 샤프트 및 정밀 볼 베어링을 결합한 캠 팔로워는 동일한 크기의 모든 금속 캠 팔로워보다 무게가 약 40% 작다.

무게를 줄이면 관성이 줄어들고 회전 저항이 낮아서 보다 효율적인 고속 작동이 가능하다. 기어와 트랙 롤러에도 동일한 논리 및 중량 절감 효과를 적용할 수 있다.
모든 금속 부품이 장착된 고속 기계에는 중앙 윤활 시스템, 오일 충전 기어 박스 또는 오일 스프레이로 연속 윤활이 필요하다. 윤활 중단은 일반적으로 치명적인 고장과 가동 중지 시간을 초래한다.

폴리머 기계 부품은 윤활 및 마모 문제를 해결하고 금속과 관련된 유지 보수에 대한 주의를 줄여준다. 마모는 지속적인 윤활을 제공해야 하므로 기계의 속도가 느려진다. 그리스(grease)나 오일(oil)은 장비의 제품을 오염시켜 검사를 요구할 수 있다.

폴리머 모션 구성 요소는 일반적으로 자체 윤활 재료로 만들어 지므로 윤활할 필요가 없다. 또한 금속 기계 구성 요소에 영향을 주는 다양한 마모 메커니즘(예: 부식성 마모 및 마찰성 마모)에 강하다. 결과적으로 폴리머 구성 요소는 긴 수명주기 동안 매끄러운 베어링 표면을 유지할 수 있다.

물론 모든 엔지니어링 폴리머가 기계 구성 요소에서 동일하게 작동하는 것은 아니다. 일부 폴리머에는 필요한 인장 특성이 없으며 또 다른 폴리머는 열, 화학 또는 습기 저항에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 없다. 습기는 특히 많은 제조 현장에서 존재하기 때문에 문제가 될 수 있으며, 대부분의 엔지니어링 폴리머가 인장 특성을 잃거나 치수가 변하게 된다.

폴리머 기계 구성 요소가 현재 작업에 적합한 특성을 갖는지 확인하는 것이 성공의 필수 요소이다. Intech에서는, 폴리머 특성이 적용 요구 사항과 잘 일치하는 한 다양한 폴리머가 우수한 모션 컴퍼넌트를 만들 수 있음을 확인했다. 기어 및 기타 모션 구성 요소를 위한 엔지니어링 폴리머인 아세탈은 많은 분야에서 잘 작동할 수 있다.

가장 까다로운 모션 분야의 경우는, 부타디엔(butadiene)을 기반의 재료인 Power-Core™ 으로써 특히 고속에서 모션 구성 요소에 사용하기에 매우 적합하다.

• 안정성과 강도: Power-Core는 지속적인 습도 또는 전체 침수에도 인장 특성과 치수 안정성을 유지한다. 대조적으로, 대부분의 엔지니어링 폴리머는 수분을 흡수한다. 이러한 흡습성 폴리머는 최대 50%까지 약화 될 수 있으며 더 이상 설계 하중을 전달하지 않는다. 또는 3% 이상 팽창하여 다른 일치하는 구성 요소와 호환되지 않을 수 있다.

• 윤활이 필요 없음: Power-Core 부품은 자체 윤활 특성과 매끄러운 가공 표면을 가지므로 윤활 및 이와 관련된 점성 저항이 필요하지 않다.

• 진동 감쇠: Power-Core는 금속에서는 없는 고유한 감쇠 기능을 제공한다. 플라스틱과 달리 Power-Core의 댐핑 기능은 고속 제조 라인의 일반적인 작동 온도에 근접한 최대 지점에 도달한다. 플라스틱의 댐핑 기능을 통해 폴리머 모션 구성 요소는 라인 속도가 증가함에 따라 소음과 진동을 줄인다.

플라스틱의 한계

금속이 고부하 기어, 캠 팔로워, 트랙 롤러 및 유사한 구성 요소의 대부분을 구성하는 데는 이유가 있다. 동일한 크기의 잘 설계된 플라스틱 부품조차도 적용 요구 사항에서 충분한 구조적 강도를 제공하지 않을 수 있다.

폴리머 및 기타 복합 재료는 금속의 인장 또는 압축 강도를 갖지 않지만, 금속 구성요소가 전체 허용 하중으로 적용되지 않는 많은 애플리케이션이 있다. 이러한 분야는 폴리머가 아주 적당하다. 가볍기 때문에 관성, 운동 에너지 및 힘이 낮을 뿐만 아니라 윤활 및 마모를 줄이거나 없애기 위한 다양한 자체 윤활 특성이 있다. 마찰이 적은 경량 부품은 드라이브 전력 요구량과 에너지 비용을 줄이는 데 도움이 된다.

두 성분의 좋은 특성을 활용하기 위해 플라스틱과 금속을 함께 사용하는 하이브리드 방식을 사용하여 플라스틱 재질 표면을 구조용 강철 또는 알루미늄 요소 위에 씌운다. 예를 들어, 고속 롤러 볼 베어링 위에 폴리머 베어링 표면을 적용할 수 있다. 이는 금속 캠 팔로워에 사용되는 그리스 니들 베어링으로 인해 속도가 느린 애플리케이션에 적합하다. 또한 금속 샤프트와 기어 허브를 사용할 수 있다.

이러한 하이브리드 시스템은 설계주의가 필요하다. 고급 응력 분석을 사용하여 플라스틱 vs. 금속의 올바른 비율을 결정할 수 있다. 잘 설계된 부품은 금속 샤프트에 안전하게 기어를 부착하기 위해 금속 코어를 사용하는 등 각 유형의 재료를 최대한 활용할 수 있다.

분석 및 재설계

경량 폴리머 구성 요소에서 힘을 계산하고 그 결과로 나타나는 응력을 시뮬레이션하기 위해서는 대체하는 금속 구성 요소와 동일한 크기의 플라스틱 구성 요소가 로드를 전달하지 못할 수도 있다는 점을 염두에 두고 전체 시스템의 로드 특성을 이해해야 한다.

더 빠른 속도를 위해 설계 할 때 종종 더 큰 부품 크기의 요구 사항을 충족해야 한다. 예를 들어 폭 또는 외부 직경을 늘려 하중을 감당 할 수 있는 부품을 설계 한다.물론, 기어 톱니 메쉬(mesh)와 캠 팔로워 타이어(tire) 디자인 역시 중요한 역할을 한다. 설계 프로세스는 장비 설계를 담당하는 엔지니어와 긴밀한 협력이 필요하다.

한 예로 페인트 로봇 팔이 있다. 페이로드를 감당하고 1000mm 길이 전체에 응력을 균등하게 분배하기 위해, 원래 100x100mm 정사각형 알루미늄 튜브 단면을 260x150mm 단면의 테이퍼 모양으로 끝 단의 폭을 변경한다. 플라스틱 재료사용의 목적은 정전기 페인트 공정에서 로봇 팔 부위에 전기 절연을 제공하는 것이었다.

또 다른 예는, 기저귀 생산 기계의 19인치 OD anti-backlash Power-Core 기어이다. 이 기어는 비상 정지와 관련된 힘을 견뎌야 한다. 이 힘은 30ms 동안 10HP 모터의 최대 토크와 기계의 기어 트레인 질량의 충격 하중에 해당한다. 계산에 따르면 기어 폭을 2인치에서 2.5인치로 늘리면 기어가 높은 비상 정지 하중을 감당할 수 있다. 이 폭 변경은 애플리케이션에서 기계 구동 끝단에 보다 두꺼운 기어를 수용할 공간이 있었기 때문에 가능했다.

속도의 극대화

새로운 생산 라인과 기존 생산 라인에 관계없이 금속 모션 구성 요소로 인한 속도 한계는 다음과 같은 네 가지로 나타난다. 금속 구성 요소는 무게 때문에 모션 시스템을 제한 할 수 있다. 무거운 구성 요소는 더 많은 관성, 낮은 임계 RMP 그리고 가속 시에는 더 많은 힘이 필요하다. 금속 부품에는 윤활이 필요하며 마모된 부품은 교체해야 하므로 정지 시간이 길어질 수 있다.

마지막으로, 가장 중요한 것은 금속 모션 구성 요소에는 댐핑 기능이 없다. 또한 많은 생산 라인이 충격, 진동 및 소음 문제로 인해 증가되는 생산 요구사항을 충족시킬 수 없다. 이러한 금속의 한계를 염두에 두고 플라스틱 모션 구성 요소가 생산 라인의 라인 속도를 높이는데 도움이 된 몇 가지 예를 살펴 본다.

• 금속 캠 팔로우 및 캠과 이들이 작동되는 레일은 금속의 마모 대상이다. 금속 캠 팔로우에 들어있는 니들 베어링에 그리스가 과다하게 도포되면, 미끄러짐이나 별개의 마모를 유발할 수 있다. 고속 기계의 캠 팔로워는 종종 미끄러짐을 방지하기 위해 무거운 스프링 하중으로 캠을 눌린다.

높은 스프링 하중은 단지 캠 및 캠 팔로워 마모 모두를 가속화하기만 한다. 구명 볼 베어링 용으로 사전 윤활 처리된 폴리머 캠 팔로워는 베어링과 캠 표면 모두에 윤활할 필요가 없다. 또한 올바르게 설계되면 스프링 없이 캠과 완전히 접촉하여 설계를 단순화할 수 있다. 가장 중요한 것은, 캠 표면의 마모가 없어 비싼 가동 중지 시간을 막는다.

• 금속보다 최대 7배 가볍고 유지 보수가 필요 없는 폴리머로 기어를 만들면, 동일한 크기의 금속 기어에서 발생할 수 있는 진동이 제거되어 RPM과 기계 출력이 모두 증가한다. 캐플릿 제조 기계의 경우, 3.5인치 폭의 캐스트 금속 기어(외부 직경 17인치, 무게 170파운드)를 무게가 약 40파운드 미만인 금속 허브를 포함하는 Power Core 기어로 교체했다.

이것은 기계 출력을 400에서 800cpm으로 증가시켰다. 고객의 캐 플릿 생산에서 그리스는 제거되었고, 업계 표준의 두 배 출력인 기계로 생산하게 됐다. 폴리머 성분은 이처럼 예기치 않은 이점을 제공한다.

자료 제공: Intech(www.intechpower.com)