생산 기계의 경제성에서 중요한 요소는 속도다. 실행되는 순간부터 더 빠른 기계가 느린 기계보다 더 많은 수익을 창출할 수 있게 한다. 그렇다면, 기존 생산 라인의 속도를 높이거나 더 빠르고 새로운 기계를 설계해야 할까? <편집자>

빠른 속도의 경제적 이점은 분명하다. 하지만, 이러한 속도를 달성하기 위한 비용 증가가 문제이다. 더 빠른 속도는 대용량 모터와 액추에이터 뿐 아니라 고 대역폭 제어를 필요로 한다. 회선 속도의 증대가 수익성을 뚜렷하게 향상시킬 수 있다면, 인프라 업그레이드의 투자 비용은 회수될 것이다. 하지만 이 경우에도 프레임 강화 등에 대한 적지 않은 엔지니어링 요구가 걸림돌이다.

그렇다면 간단하게 속도를 향상시키는 방법은 없을까? 결론부터 말하면, 있다. 모션 구성요소(캠 팔로워, 트랙 롤러, 기어, 캠 또는 선형 액추에이터 등)를 업그레이드하면 라인 스피드의 15~20% 향상이 가능하다. 이는 막대한 투자가 필요한 인프라 업그레이드보다 훨씬 간단한 방법이다.

플라스틱이 더 빠르다
최근 고급 고속 장비의 특징 중 하나는 하이테크 폴리머를 적극적으로 채택하고 있다는 점이다. 금속보다 가벼운 폴리머로 장비의 극적인 성능 향상을 이뤄낼 수 있기 때문이다.

예를 들어, 폴리머 베어링 표면과 금속 샤프트 및 정밀 볼 베어링을 결합한 Intech의 캠 팔로워는 동일한 크기의 모든 금속 캠 플로워보다 약 40% 더 가볍다. 무게를 줄이면 낮은 회전 저항과 관성의 감소로 보다 효율적인 고속 작동이 가능하기 때문이다. 이는 캠 팔로워뿐만 아니라 기어에서도 마찬가지다.

또한 금속 부품을 지닌 모든 장비에서는 윤활이 반드시 필요한 반면, 폴리머 부품은 자체 윤활 재질로 만들어져 윤활이 필요 없다. 즉 유지보수에 대한 시간을 줄일 수 있을 뿐 아니라 윤활에 사용되는 그리스나 오일이 제품을 오염시킬 우려도 없다. 이외에도 부식 등 금속 부품에서 불가피한 마모 메커니즘에서 자유로워 더 긴 수명주기 동안 매끄러운 동작이 가능하다.

물론 엔지니어링 폴리머가 만병통치약은 아니다. 생산 현장의 열, 화학 또는 내습성에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 없는 경우도 있고, 요구되는 인장 특성을 갖지 못할 수도 있다. 따라서 폴리머 부품이 작업에 적합한 특성을 갖추고 있는지를 반드시 먼저 확인해야 한다.

플라스틱에는 한계가 있다
고하중 기어, 캠 팔로워, 트랙 롤러 등에서 금속이 대부분인 데에는 분명한 이유가 있다. 이러한 분야에서는 플라스틱이 충분한 강도를 제공하지 못하기 때문이다.

하지만 금속이 전체 부하 용량에 활용되지 않는 많은 응용 분야가 존재한다. 가벼우면서 윤활과 마모를 줄이고, 낮은 관성과 운동 에너지를 필요로 하는 부분들에서는 금속보다는 폴리머가 적합하다. 경량 저마찰 부품은 또한 에너지 요구 사항과 비용 절감에도 도움을 준다.

따라서 하이브리드가 필요하다. 금속 위에 플라스틱 베어링 표면을 입히는 플라스틱·금속 하이브리드로 금속과 플라스틱의 장점을 최대한 활용할 수 있는 것이다.

그리고 이러한 하이브리드 시스템에는 몇 가지 추가 설계가 필요하다. 가장 우선적인 작업은 고급 응력 분석을 사용하여 플라스틱과 금속의 적절한 비율을 결정하는 것이다. 잘 설계된 구성 요소는 금속 샤프트에 안전한 기어 부착을 위해 금속 코어를 사용하고 폴리머로부터 유익한 표면 특성을 사용하는 것과 같이 각 유형의 재료가 제공해야 하는 최선의 기능을 통합한다.

장점을 결합한 속도 극대화
신규 또는 기존 생산 라인을 보유하고 있든, 금속 모션 구성 요소는 네 가지의 속도 제한을 받게 된다. 먼저 금속 구성 요소는 더 무거운 구성 요소가 모션 시스템을 제한할 수 있다. 무겁기에 가속에 더 많은 힘이 요구될 뿐만 아니라 사용 중 윤활과 마모된 부품 교체 등으로 작동을 중지해야 하는 시간이 발생한다. 또한 금속 모션 구성 요소에는 감쇠 기능이 없어 충격, 진동 및 소음 문제도 발생시킨다.
금속의 이러한 한계를 염두에 두고, 플라스틱 모션 구성 요소를 살피면, 플라스틱이 어떤 도움을 주는지 쉽게 알 수 있다.

예를 들면 금속 캠 팔로워는 금속간 마찰로 마모가 발생할 수 있으며, 과도한 마모는 미끄러짐과 추가 마모를 발생시킨다. 이에 고속 장치의 캠 팔로워는 무거운 스프링 하중으로 캠에 밀착되어 미끄러짐을 방지하도록 설계되는데, 이러한 높은 스프링 하중이 캠과 캠 팔로워의 마모를 가속화한다.

하지만 사전 윤활 처리된 폴리머 캠 팔로워를 사용한다면 베어링과 캠 표면의 윤활에 대한 필요성이 없어 마모의 위험을 줄인다. 또 스프링 없이도 캠과 완전히 밀착되어 설계를 보다 단순화할 수 있고, 캠 표면의 마모를 방지함으로써 비용이 많이 드는 가동 중지 시간을 줄일 수 있게 한다.

나아가 금속보다 폴리머로 기어를 제작하면 메탈 기어와 같은 진동이 없어 RPM과 기계 출력이 모두 증가한다. 한 카페트 제조기의 경우, 직경 3.5인치, 무게 170파운드의 주철 기어를 40파운드의 금속 허브와 17파운드의 폴리머를 사용한 Power-Core로 대체함으로써 출력을 400cpm에서 800cpm으로 증가킬 수 있었다.