폴리머 베어링 기술적 장점을 이용한 모션시스템 성능 개선
롤러 혹은 캠 팔로워를 잘못 선택할 경우 잦은 유지보수, 서비스 수명 단축, 오염 문제 및 속도 제한으로 이어질 수 있다. 또한 기계 운영 비용뿐만 아니라 기계 제작 비용 등 예상치 못한 방식으로 비용이 증가할 수 있다. 반면 올바른 구성 요소는 기계 제작자와 구매자가 기대하는 안정적이고 빠른 동작을 실현한다.
그렇다면 현재 작업에 적합한 롤러 또는 캠 팔로워는 어떻게 선택해야 할까? 크기와 하중뿐만 아니라 롤러의 베어링 표면을 구성하는 소재도 고려해야 한다. 이러한 구성 요소는 패키징, 의료, 반도체 및 기타 산업용 기계에 사용되는 모션 시스템의 성능을 좌우할 수 있기 때문이다.
많은 엔지니어들은 여전히 하중이 많이 가해지는 애플리케이 션에는 금속 롤러나 캠 팔로워가 필요하다고 생각한다. 하지만 폴리머 베어링 표면은 제대로 설계하면 엄청난 힘을 견딜 수 있다.
예를 들어, Intech는 8톤의 힘을 견딜 수 있는 폴리머 롤러를 공급해 왔다. 이러한 견고한 설계는 스키 리프트와 건물 전체를 들어 올릴 수 있는 장비에 사용되었다. 그러나 이러한 고강도 애플 리케이션에는 베어링 표면이 금속이든 플라스틱이든 상관없이 적지 않은 맞춤형 엔지니어링이 필요하다.
대부분의 애플리케이션은 부하가 그리 크지 않다. 롤러 또는 캠팔로워의 주요 역할은 무거운 하중을 지탱하는 것이 아니라 모션을 전달하는 것이다. 이러한 애플리케이션에서는 맞춤형 엔지니 어링 솔루션 없이도 기성품 롤러와 캠 팔로워로 충분한 성능을 발휘할 수 있다.
그리고 점점 더 많은 기성품이 금속으로만 만들어지지 않는다. 대신 금속 롤러 베어링 또는 구조적 허브 위에 폴리머 하중 지지 표면으로 구성된 하이브리드 디자인으로 제작된다. 표준 크기의 금속 롤러를 대체할 수 있는 크기의 하이브리드 롤러는 폴리머를 사용하기 때문에 몇 가지 매력적인 기술적 이점을 제공한다.
▲ Intech의 복합 캠 팔로워와 롤러는 금속 허브를 탑재한 중력 주조 나일론-12 베어링 표면과 롤러 베어링을 결합한 제품이다. 폴리머를 사용하기 때문에 윤활이 필요 없으며, 이러한 부품은 금속으로 이루어진 제품에 비해 훨씬 더 조용하다.
• 폴리머는 스스로 윤활할 수 있다: Power-Core 나일론과 같이 롤러에 가장 잘 사용되는 엔지니어링 폴리머는 부품의 수명 동안 지속되는 내부 윤활성을 자랑한다. 이러한 폴리머로 만든 베어링 표면은 롤러와 레일 사이에 외부 윤활이 필요하지 않다. 폴리머 베어링 표면을 평생 윤활 롤러 베어링과 함께 사용하면 윤활과 관련된 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 더 중요한 것은 자체 윤활을 통해 금속 롤러와 레일을 정기적으로 윤활하지 않을 때 발생하는 성능 손실과 치명적인 고장을 막을 수 있다는 점이다.
• 폴리머는 마모를 잘 견딘다: 약간의 윤활을 하더라도 금속과 금속이 접촉하면 과도한 마모와 갈링(galling)이 발생할 수 있다. 금속 대 금속 마모는 롤러 자체뿐만 아니라 레일에도 영향을 미쳐 교체 비용이 훨씬 더 많이든다. 플라스틱 롤러는 이러한 마모 메커니즘을 근본적으로 없앨 수 있다.
• 폴리머는 부드럽고 조용하게 작동한다: 금속과 달리 Power-Core 나일론과 같은 폴리머는 충격과 진동을 완화하는 기능이 있다. 캠 팔로워 애플리케이션에서 폴리머는 왕복 운동으로 인한 손상 충격과 진동을 흡수한다. 이러한 감쇠 능력은 특히 고속 애플 리케이션에서 기계 베어링의 수명을 연장시킨다. 롤러 애플리케 이션에서 댐핑 능력은 조용한 동작에 기여한다. 폴리머 롤러는 일반적으로 일반 롤러보다 약 10dB 더 조용하게 작동한다. 금속 제품과 비교해도 손색이 없다. 정밀한 진원도 사양 덕분에 원활하게 작동한다. 예를 들어 1.5인치 OD를 가진 가공된 PowerCore 캠 팔로워의 총 런아웃은 +/-0.001인치 미만이다.
• 폴리머가 더 위생적이다: 자체 윤활 폴리머는 두 가지 잠재적 오염원, 즉 스프레이 윤활제와 금속 대 금속 접촉으로 인한 입자를 제거한다. 이러한 이유로 폴리머 캠 팔로워와 롤러는 의료, 반도 체, 식품 가공 및 클린룸 애플리케이션에 사용하기에 적합한 선택이다. 자체 윤활 폴리머는 세척 사이클 후 움직이는 부품을 다시 윤활하는 데 걸리는 시간을 없애는 추가적인 이점이 있다.
• 폴리머는 빠르고 효율적이다: 폴리머 롤러는 세 가지 방식으로 고속의 에너지 효율적인 모션을 지원한다. 첫째, 폴리머 롤러는 비슷한 크기의 금속 롤러보다 무게가 약 40% 가벼워 관성을 줄여 준다. 둘째, 폴리머 롤러는 일반적으로 고속 롤러 베어링을 사용 하는데, 이는 기존 금속 롤러의 그리스 니들 베어링보다 구름 저항이 낮다. 마지막으로 폴리머는 윤활유의 점성 항력과 마모된 금속 베어링 표면으로 인한 저항을 제거한다.
• 폴리머는 열악한 환경에서도 잘 견딘다: Power-Core 폴리머 롤러는 습기에 팽창하지 않으며 화학 물질과 온도 변화에 대한 내성이 뛰어나다. 이러한 특성 덕분에 세척 애플리케이션, 실외 노출및 기타 열악한 환경에 적합하다. 부식이 발생할 수 있는 애플리 케이션에서는 폴리머가 아닌 금속 캠 팔로워 부품에 대해 걱정 해야 한다. 따라서 부식이 우려되는 경우에는 스테인리스 스틸 베어링과 샤프트가 밀폐된 캠 팔로워를 선택하는 것이 좋다.
• 폴리머는 비용이 저렴하다: 캠 팔로워와 롤러의 실제 비용은 구매 가격과 거의 관련이 없으며 수명 주기 비용과 관련이 있다. 또한 폴리머는 윤활이 필요 없고 유지보수 주기를 연장하며 에너지 비용을 절감함으로써 장기적으로 비용을 낮출 수 있다. 그러나더 큰 투자 회수는 금속 대 금속 마모를 제거할 수 있다는 점에서 비롯된다. 예를 들어 폴리머 롤러는 모션 시스템의 레일 수명을 연장하면 몇 배 이상의 투자 비용을 회수할 수 있다.
▲ Power-Core 나일론 롤러의 주요 장점 중 하나는 값비싼 레일 소재를 사용하게 만드는 금속 대 금속 마모의 위험이 없다는 점이다. 폴리머 롤러는 연마 경화 강철보다 훨씬 저렴한 알루미늄 레일에도 사용할 수 있다.
잘 알려지지는 않았지만 폴리머 캠 팔로워와 롤러를 사용하면 기계를 더 비용 효율적으로 제작할 수 있다. 폴리머의 마모 특성 덕분에 값비싼 케이스 경화 및 연삭강 대신 저렴한 알루미늄을 레일과 캠에 사용할 수 있기 때문이다. 또한 폴리머를 사용하면 중앙 윤활 시스템 없이도 기계를 제작할 수 있어 비용을 더욱 절감할 수 있다.
▲ Intech의 컴포지트 캠 팔로워와 롤러는 표준 크기로 제작되어 기존 금속 모델의 진정한 드롭인 대체품이 될 수 있다.
단순한 플라스틱이 아니다
모든 플라스틱이 캠 팔로워와 롤러에 똑같이 적합한 것은 아니라는 점을 명심해야 한다. 같은 광범위한 폴리머 제품군에 속하는 여러 등급의 플라스틱이라도 캠 팔로워, 롤러 및 기타 동력 전달 응용 분야에서 베어링 표면의 성능은 매우 다를 수 있다.
롤러에 사용할 다양한 플라스틱을 평가할 때는 명시된 하중 용량뿐만 아니라 예상 작동 조건에서 폴리머의 안정성도 살펴보는 것이 특히 중요하다. 모든 폴리머는 수분, 온도, 하중, 화학물질 및기타 노출의 변화에 따라 변화할 수 있는 특성을 가지고 있다. 폴리머 전력 전송 부품의 경우 이러한 모든 요인으로 인해 물리적 특성이 저하되어 조기 고장을 일으킬 수 있다.
폴리머 동력 전달 부품에 대한 수십 년의 경험에서 엔지니어가 가장 자주 무시하는 노출 유형은 습기이다. 많은 엔지니어링 폴리머는 습기에 장기간 노출되면 인장 강도의 상당 부분(많게는 50%)을 잃을 수 있다. 또한 흡습성 엔지니어링 폴리머는 때로는 3% 이상 크게 팽창하여 원활하게 함께 작동해야 하는 구성 요소의 원활한 상대 운동을 방해한다.
약화되거나 치수 허용 오차를 벗어난 동력 전달 부품은 잘 설계된 모션 시스템에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 하지만 엔지 니어들은 수분 흡수의 가능성과 영향을 고려하지 않는 경우가 많다. 또는 수분의 유해한 영향을 알고 있더라도 폴리머를 아예 사용하지 않는 경우도 있다.
다른 유형의 환경 노출도 마찬가지이다. 엔지니어들은 작동 조건에 따라 폴리머가 변화할 수 있다는 사실을 인지하지 못하거나 폴리머를 피한다.
▲ Intech의 변속기 부품은 기어와 베어링 표면이 주조 및 가공된 Power-core 나일 론으로 제작된 정밀 회전 스테이지에 결합되어 있다. 그 결과 윤활유 없이도 스테이 지가 작동한다.
Intech에서는 올바른 유형의 폴리머를 선택함으로써 습기 및기타 환경 노출과 관련된 문제를 해결할 수 있다는 사실을 발견했 다. Intech는 독점적인 Power-Core 나일론을 거의 독점적으로 사용한다. 물리적 특성과 비용의 고유한 균형을 바탕으로 PowerCore 나일론은 플라스틱 동력 전달 베어링 표면에 관한 한 최고의 표준이다. 보다 이색적인 엔지니어링 폴리머도 롤러 및 캠 팔로워 애플리 케이션에 사용할 수 있지만 훨씬 더 많은 비용을 지불해야 한다.
적용 사례, 클린룸 등을 위한 무급유 로터리 포지셔닝
Intech의 Power-Core 롤러는 산업용 기계에서 운송에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 대부분은 어떤 종류의 선형 모션 시스템에 사용되어 왔지만, 새로운 로터리 인덱스 테이블과 같은 회전 모션 시스템에도 이러한 Power-Core 나일론 롤러를 통합하지 못할 이유가 없다.
타사 서보 시스템에 통합할 수 있도록 설계된 이 새로운 회전 인덱스 테이블은 Power-Core 나일론으로 만든 롤러와 기어링을 광범위하게 사용한다. 테이블의 구동 메커니즘은 나선형 톱니 모양으로 마모와 백래시가 없는 피니언 구동 링 기어로 구성되어 있다.
나일론 기어는 알루미늄 링 주위에 주조된 폴리머 블랭크로 가공된다. 이 링은 원형 레일과 페이로드의 장착 표면 역할을 하며, 유닛의 베이스 플레이트에 장착되는 Power-Core 나일론 롤러는 회전 기어와 통합 장착 표면을 지지한다. 이 롤러는 밀폐형 스테인리스 스틸 베어링이 장착되어 있어 세척 및 기타 부식성 환경에 적합하다. 드라이브와 베어링 요소에 Power-Core 나일론을 사용한 이 로터리 테이블은 여러 가지 면에서 전체 메탈 설계보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 윤활 없이도 마모가 적다: 이 설계는 모션 시스템의 작동 수명을 단축시킬 수 있는 금속 대 금속 접촉을 방지한다. 유일한 접촉은 두 개의 파워 구동 메커니즘의 경우 코어 나일론 부품이, 지지 레일의 경우 Power-Core와 알루미늄 사이에 있다. PowerCore 나일론은 내부 윤활제가 배합되어 있어 외부 윤활제가 필요하지 않다. 금속 베어링도 평생 윤활 처리된다.
• 백래시가 없다: Power-Core 나일론 기어는 백래시를 줄이는 데있어 몇 가지 본질적인 이점을 제공한다. 우선, 치수 안정성으로 인해 습기에 민감한 플라스틱에 필요한 백래시 보정이 필요하지 않다. 또다른 장점은 파워 코어 나일론의 균일한 결정 구조와 중력 주조 생산 방식 으로 내부 응력이 매우 낮고 가공 저항이 균일한 기어 블랭크를 생산할 수있다는 점이다. 이러한 특성 덕분에 금속에서는 달성하기 어려운 백래시 감소에 최적화된 톱니 프로파일을 매우 정밀하게 가공할 수 있다.
• 빠르고 부드럽다: 기어와 롤러의 관성이 낮아 테이블이 더 빠른 속도로 작동 하는 데 도움이 된다. 기준 모터와 구동 부하 사이의 관성비가 더 엄격해지 며, 파워 코어 드라이브 구성 요소의 낮은 관성으로 인해 특히 가벼운 페이 로드를 이동할 때 부드럽고 정밀한 모션 프로파일을 위해 제어를 더 쉽게 조정할 수 있다.
• 세척 및 내화학성: Power-Core 나일론은 습기가 있을 때 치수 안정성과 열안정성이 뛰어나 세척, 고습 및 고온에 적합한 로터리 테이블이다. 성능이 낮은 폴리머의 사용을 금지하는 애플리케이션이다. 예를 들어, 나일론 6은 습기와 높은 열에 노출되면 인장 특성이 급격히 저하되고 치수 변화가 일어날 수 있다. 파워 코어 나일론 12는 또한 나일론 6 및 송전 애플리케이션에 사용되는 다른 폴리머에 비해 뛰어난 내화학성을 제공한다.
• 클린룸 친화적: Power-Core 나일론은 마모에 강하고 외부 윤활 처리된 금속 동력 전달 부품과 관련된 미립자를 배출하지 않기 때문에 클린룸에서 사 용하는 것이 이 로터리 테이블 디자인에 자연스럽게 어울린다.
• 확장 가능: 기어와 롤러 구성 요소의 크기를 조작하여 온스부터 톤까지 다양한 페이로드를 처리할 수 있도록 테이블 설계를 확장할 수 있다.
자료제공: Intech(www.intechpower.com)
