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제목 [절대 간과할 수 없는 가치 ‘Green’] 극청정/초정밀 가공기술이 미래를 가른다
담당자 김유생 담당부서 전시홍보팀
연락처 02-3459-0027 등록일 2018-12-10 15:44:11.947
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자료_ 중소벤처기업부

 

 

환경 가공기술은 기존 절삭 가공공정에서 과다한 절삭유 사용으로 인한 가공비용 및 에너지소모 증가, 환경오염 및 낮은 효율성 등의 문제를 개선하기 위해 절삭유를 최소화하거나 절삭유를 사용하지 않으면서 가공효율을 높이는 것을 말한다. 친환경 가공기술이 주목받는 이유는 비단 환경오염의 방지에만 국한되지 않는다. 가공의 효율성과 정밀성에도 밀접한 관련이 있다. 다시 말하면 환경오염 방지뿐 아니라 정밀한 가공물을 더 빠르게 생산할 수 있다는 이야기도 된다.

 

 

친환경 가공기술 점점 커지는 시장

현재 진행되는 친환경 가공기술개발은 건식가공 또는 극소량의 절삭유를 사용하는 친환경가공기술관련 개발과 친환경 가공을 위한 공구개발로 나눌 수 있다. 친환경 가공기술로는 액체질소(-196°C)를 사용하는 극저온 가공기술, 레이저 보조가공(Laser assisted machining) 기술, 극소량윤활(Minimum Quantity Lubrication)가공기술 등이 있다. 공구개발은 공구의 소재개발, 마찰계수가 작거나 윤활기능이 있는 코팅개발 등이 있다.

 


이러한 친환경 가공기술의 수요는 점점 커지고 있는 추세다. 전세계 고속·복합 및 대형 가공시스템 시장의 규모는 2013년에 598억 달러에서 2018년에는 839억 달러로 연평균 약 7%의 성장률을 유지할 것으로 예상된다. 또한 초정밀 및 하이브리드 가공 시스템 시장 역시 확대될 것으로 전망하고 있다. 극청정/초정밀 가공기계 시장의 경우 2016년 9,193백만 달러에서 2021년에는 12,488백만 달러로 연평균 약 6.3%의 성장률을 유지할 것으로 예상한다.
국내 가공공작기계 산업의 경우, 2015년 13.7조 원에서 연평균 9.46%의 성장률을 기록하며 2018년에는 17.5조 원에 이를 전망이다.
고속·복합 가공시스템의 국내시장은 2015년 5.6조 원에서 연평균 13.67%의 성장률을 기록하여 2018년에는 8조 원 규모에 이를 것으로 전망이다. 
극청정/초정밀 가공기계 시장의 경우 2016년 22,342억 원에서 2021년에는 약 45,800억 원으로 연평균 약 19.5%의 성장률을 유지할 것으로 예상하고 있다. 이 때문에 극청정/초정밀 가공기술의 개발 역시 활발하게 진행되고 있다. 
 

 

세계 극청정/초정밀 가공기계 기술개발 트렌드

티타늄 가공을 위한 절삭공구는 대부분 비철계열 초경(Non-steel grade Carbide)과 다결정질의 다이아몬드(Polycrystalline Diamond, PCD)가 쓰이는데, PCD는 마모측면에서 카바이드보다 확실히 좋지만 부서지기 쉽고 매우 고가여서 한정된 범위 내에서만 사용되고 있다. 따라서, 대부분 산업현장에서는 카바이드를 사용하는데 실험결과에 의하면 코팅된 카바이드는 코팅이 쉽게 벗겨져 실제로 비용측면에서 코팅이 안 된 카바이드가 사용되고 있지만, 최근 다이아몬드 코팅기술 개발에 힘입어 다이아몬드 코팅된 카바이드 사용 비중이 늘어나고 있다.
관련해서 미국 등 선진국에서는 공구의 마모메커니즘에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 중요 마모메커니즘 으로는 공구입자가 가공 칩으로의 용해/확산(dissolution-diffusion)에 의한 마모 또는 마찰에 의한 마멸(attrition) 등으로 확인되었으며 이에 따라 새로운 공구 코팅(나노복합 코팅, BAM 코팅 등) 개발이 진행되고 있다.

 

 

복합재료 절삭가공에서는 공구가 파이버(fiber)를 자르므로 공구의 기하적인 특성이 매우 중요하며 특히, 끝단 반경은 공구(stagger drill, core drill, step drill, candle stick drill)의 성능을 결정하는 매우 중요한 기하특성이다. 
미국 Pre-corp의 Vein-drill과 같은 초고가 드릴이 있지만 주로 카바이드(straight carbide가 steelgrade보다 좋음)가 쓰인다. 기존의 복합재료 가공에서 공구코팅(TiN-과 DLC)은 공구수명에 도움이 안 되는 것으로 알려졌으나, 새로 개발된 다이아몬드 코팅은 복합재료 가공에 성공적으로 사용되고 있다. 다이아몬드 코팅 드릴은 코팅이 안 된 초경드릴과 강도가 CBN만큼 좋은 AlMgB14(or BAM) 코팅 드릴보다 훨씬 성능이 뛰어나다.

탄소복합재료(CFRP)는 고감쇠성, 저열팽창 등으로 기계 구조물의 주요부위에 적용이 확대되고 있으며 이를 위한 밀링가공, 연삭가공 영역이 확대되고 있다.

 

 

CGI(compacted graphite iron)는 경량화 및 내수성 향상을 도모할 수 있지만 가공도를 고속화 할 수 없는 단점 때문에 Gray iron에 비해 가공시간이 약 3배 정도 더 소요된다. CBN, 세라믹 및 다른 공구들은 미세조직 및 황성분의 부족으로 인해서 CGI 가공이 어렵다. 일본, 유럽의 공구, 공작기계, 자동차 부품업체를 중심으로 CGI의 가공 생산성을 높이기 위한 연구를 진행하고 있지만 기존 회주철에 비해서는 생산성이 떨어지는 편이다.
일본의 Makino와 스웨덴의 Sandvik Coromet가 CGI 가공 생산성을 높이기 위한 연구를 수행 중이고, 특히 스웨덴의 Sandvik Coromet 사의 경우, CGI 가공 시 공구의 수명을 늘리기 위한 코팅 기술에 관해서 특허를 출원했다. 

극저온 가공기술에서 초저온 냉각방식은 연삭가공, 구멍가공 및 밀링가공에도 일부 적용하고 있지만, 아직은 대부분 선삭공정에 집중된다. 선삭공정과 반대로 밀링작업은 절삭공구에 열균열(thermal cracks)이 발생하기 때문에 실용화에 어려움을 겪고 있다. 하지만 간헐적으로 밀링작업에 초저온 냉각(cryogenic cooling)을 적용하기도 한다. 가령 고속도강 절삭공구로 합금강을 밀링 가공할 경우 초저온 냉각방식이 건식가공(dry cutting)방식보다 10배 이상 공구 수명이 길어지는 장점이 있다.
극저온 가공법은 일반 습식 공정과 고압 제트 공기압 가공법(high pressure jet air machining)에 비해 매우 단순하고 CO2, water use, 폐기물 등을 생성하지 않는 친환경 가공법이다. 특히, 독일의 MAG사는 세계 최초로 극저온 가공기를 출시하며 세계 시장을 선도하고 있다.

 

 

MQL(극소량절삭유) 가공은 기존의 습식가공에 비해 극미량(1- 100ml/min이하)의 윤활유를 압축공기와 혼합하여 절삭 부위에 미스트(mist) 형태로 분사하는 윤활가공 방법으로 가공비용을 낮출 수 있고, 공구 수명을 늘릴 수 있다. MQL 가공의 오일 미스트는 공구와 소재 및 칩과의 마찰부위에 침투하여 마찰력을 줄이는 동시에 고압의 압축공기로 칩 배출을 용이하게 할 수 있다. 또한 무해한 식물성 절삭유를 사용하고 폐기물이 발생하지 않기 때문에 환경 친화적인 가공기술이다. 
최근에는 그라핀, 나노튜브, HBN(hexagonal born nitride) 등의 나노 입자를 절삭유와 혼합하여 사용한 나노유체 극미량 절삭유(MQL with nano-particle) 가공 방법도 개발되었다.
MQL 가공은 스틸재의 금형가공, 절단가공, 오일 구멍가공 등 많은 분야에 적용되고 있으며 난삭 재료에서는 티탄합금이나 인코넬 등에 적용하고 있다.

 

 

하드터닝(Hard Turning)의 경우 미국은 Purdue 대학의 Liu를 중심으로 베어링 회사(Timken), 자동차 회사(GM), 공구회사(Kennametal) 등이 공동으로 하드터닝을 이용해 슈퍼피니싱을 이루기 위한 연구를 진행하며 목표에 근접한 결과를 얻었다.
독일의 경우 아헨공대 및 베를린 공대 등을 중심으로 하드터닝에 대한 연구가 활발하다. 아헨공대의 Klocke 등은 유정압 베어링이용 고정밀 선반으로 0.86㎛의 표면조도를 얻었고, 베를린 공대에서는 하드터닝에 있어서 표면품위, 모니터링 등의 연구가 이루어지고 있다.
일본 자동차 산업계의 경우 Hard Turning을 이용하여 5등급(IT5)의 치수공차를 가지는 기어부품의 연속 생산을 하고 있으며, 4등급(IT4)을 요하는 ABS용과 연료분사 시스템용 부품을 하드터닝으로 가공하고자 하는 연구가 진행 중이다.
 

 

미래 신산업의 핵심기반, 기술 개발이 최우선

현재 공작기계 기술은 고속화, 다축화, 복합화, 정밀화의 추세로 흐르고 있다. 오늘날 제조업은 다품종 소량생산, 변종변량생산, 짧은 납기, 원가절감, 경량화, 기능의 복합화에 따른 복잡형상부품의 증가, 숙련된 작업자 및 기능공의 부족 등이 진행되고 있어 이러한 환경을 반영할 수 있는 제조장비로서 복합가공기계가 개발되고 있다. 공작기계 산업은IT, BT, NT 등 융복합 기술 및 초정밀 공작 기술 기반의 미래 신산업 분야의 핵심 기반 산업으로 공정이동 간 발생하는 비가공시간, 공정교체 시 발생하는 치공구 오차 등을 제거하기 위해 1대의 기계에서 다양한 기능성 가공을 수행하는 가공기계가 보편화되고 있다. 아울러 공작기계의 고속화에 따른 절삭공구의 개발은 필연적인 관심대상으로 고속가공용 공구 재종은 고항절력(인성)의 초경재종과 코팅박막을 적용해 고온에서의 안정성 확보가 요구된다. 이 분야에서 경쟁력을 가지기 위해서는 설계인력의 전략적 양성 등을 통해 고속·복합 가공시스템 관련 산업의 국가 경쟁력 획득이 필요하다. 공작기계는 핵심 기간재 산업으로 전후방 연관 산업과의 연관성은 타 산업에 비해 높은 수준으로 정밀 가공·소성 등 기반공정기술, 메카트로닉스 등 기계분야의 공통기반 원천기술 혁신을 위한 진흥전략을 추해야 한다.