플라스틱 베어링의 오해와 진실
플라스틱 베어링의 오해와 진실
  • 윤진근 기자
  • 승인 2018.07.21 12:40
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금속 베어링 대체자로 등극 … 다양한 분야로 ‘성큼’ 진출
저렴한 가격과 경량, 게다가 다양한 적용 조건 및 거친 환경에서도 긴 수명을 유지하는 우수한 내구성으로 플라스틱 베어링이 업계의 주목을 받고 있다.  
 
니들 베어링이나 볼 베어링, 일반 금속 베어링들의 대체품으로 플라스틱 베어링을 선택하는 사례가 나날이 증가하고 있다. 하지만 지금도 엔지니어링 측면에서 플라스틱 베어링과 금속 베어링 간의 치열한 비교 전쟁은 계속되고 있다. 

어떤 이들은 플라스틱 베어링이라 하면 무조건 고가의 폴리머를 사용해야 한다는 생각을 가지고 있다. 
하지만 사실은 다르다. 저가형 재질임에도 불구하고 뛰어난 강성과 열적 특성으로 인해, 회전·순환· 직선 등 움직임의 종류를 불문하고, 금속 베어링을 능가하는 플라스틱 베어링은 무수히 많다.

자가 급유 방식의 플라스틱 베어링은 오일로 운용되는 금속 베어링에 비해 40%의 비용 절감 효과 및 더욱 긴 서비스 수명을 보장한다. 디자인·크기·재질·색상 등이 다양해 거의 모든 종류의 소비자 요구를 만족시킬 수 있다.

이러한 장점에도 불구하고, 플라스틱 베어링에 대한 경험이 적은 기술자들은 고가의 기계에 저렴한 플라스틱 베어링을 설치하는 것은 위험요소가 크다고 생각할지도 모른다. 현재 플라스틱 베어링을 사용하고 있는 사람들의 처음 모습이 이러했다. 
 
하지만 이들이 모든 적용 대안들이 실패했을 때 마지막으로 선택한 것이 플라스틱 베어링이었다. 플라스틱 베어링의 긴 수명·무급유·크기와 무게의 절감 등이 이들의 생각을 완전히 바꿔놓았다. 생각의 변화는 더욱 많은 응용사례 분야에서 플라스틱을 선호하는 결과를 가져왔다.

플라스틱의 장점
플라스틱 베어링은 일반적으로 열가소성 합금 소재와 고체 윤활제 그리고 섬유 매트릭스로 구성된다. 마찰에 의한 저항 및 강성을 위해서다. 가장 흔한 저가형 재질로는 나일론·PE섬유(UHMW)·폴리에틸렌·테프론 등이 있다. 이들보다 한 단계 위인 고성능 엔지니어링 플라스틱으로는 베스펠(Vespel)·톨론(Torlon)·피크(PEEK)등이 있다. 이들은 고하중 및 고온 견딤이 우수하나 가격이 비싸다는 단점이 있다.
 
최근 몇 년 간 플라스틱 베어링에 있어 가장 눈에 띄는 변화는 크게 향상된 고하중 수용력과 고온 내성이다. 하지만 금속 베어링과 비교해 가장 압도적인 장점은 뭐니뭐니해도 급유가 필요 없다는 점이다.
 
이구스 베어링에 함유되어 있는 열가소 성분, 섬유 매트릭스, 고체 윤활제 등의 모든 성분은 서로 어우러져 자체윤활효과와 낮은 마찰계수를 실현한다. 이는 초기 시작 단계에서 결정적인 역할을 한다.
 
미세하게 조합되어 있는 베어링 성분들이 샤프트의 표면 결함을 부드럽게 채우면서 지속적 무급유 운용을 위한 표면 최적화 작용을 한다. 베어링이 설치됨과 동시에 이 안에 함유되어 있는 고체 윤활제와 열가소 성분이 샤프트 표면을 매끄럽게 연마시킨다.
 
이는 테프론 코팅 베어링 또는 DU부시 같은 제품이 어느 정도 마모가 가속화되어야만 급유 기능이 유지되고 마찰 계수가 줄어드는 것과 달리, 초기단계부터 낮은 마찰계수 및 완벽한 무급유 운용이 가능한 이구스 베어링의 차이점을 드러낸다. 이러한 차이는 또한, 슬립스틱(slip-stick) 현상과 마모율을 최소화하고 수명을 한층 연장시켜 일반 금속 베어링이나 볼 베어링 그리고 니들 베어링과 비교하여 현격한 성능의 차이를 꾀하는 데에 큰 도움이 된다.
 
반대로, 오일이 충진되어 나오는 동 베어링이나 기타 급유를 필요로 하는 일반 플레인 베어링은 별도의 윤활 필름이나 코팅을 필요로 한다. 하지만 이러한 윤활 작용은 고속 또는 회전 운동의 경우에만  제대로 작동할 수 있다. 베어링 자체가 아닌 대응 샤프트의 회전 정도나 저속 운동, 간헐적 사용 등은 정상적 윤활 작용을 저해한다. 작동이 멈추면 오일이 묻은 베어링 표면이 말라버리기 때문이다. 결과적으로 마찰력을 높이고 불쾌한 소음을 유발하는 등 기계의 가동을 방해하는 요소로 작용하게 된다.

대응 샤프트의 급유 또한 같은 문제다. 베어링이 샤프트 표면을 따라 오일을 밀어내기 때문에, 균일한 급유 표면막 형성을 위해선 주기적인 급유가 필수적이다. 

하지만 많은 실제 적용 사례에서 알 수 있듯, 급유는 특정한 계획 없이 이루어지는 것이 보통이며, 결국 베어링의 수명을 더욱 짧게 만든다.

또 다른 문제점으로는 제품의 기름막이 공기 중의 먼지나 분진과 같은 이물질과 혼합되는 작용을 한다는 것이다. 점착물로 인해 베어링 작동을 정지시키거나, 제품까지 오염시키는 경우가 있어 식품·의료 등 환경에 민감한 산업에 적용하는 데에 있어서 치명적인 문제를 초래한다. 
 
이러한 문제를 한 번에 해결해 줄 수 있는 것이 급유가 필요 없는 플라스틱 베어링이다. 플라스틱 베어링은 극심한 오염 환경 혹은 다량의 먼지·분진·미립자 등의 영향을 받지 않는 성질이 있다.
 
플라스틱 베어링은 탄화수소·알코올·알칼리 용액 등 같이 부식을 촉진시키는 화학물과의 접촉에도 내구성이 뛰어나다. 예를 들어, 테프론 소재는 산성 물질을 포함한 화학물도 견딜 수 있으며, FDA승인 재질의 플라스틱 베어링은 음식 및 의약 접촉에도 무해하다는 장점이 있다.
 
플라스틱 베어링이 금속 베어링에 비해 불리한 평가를 받는 부분도 있다. 고온 적용 분야가 그것이다. 하지만 예상과 달리 저가형 플라스틱 베어링조차 온도 적용범위가 260℃부터 최대 315℃에 이른다. 최저 온도 제한은 보통 -40℃이다. 엔지니어링 플라스틱의 경우, 이러한 온도 범위는 더욱 넓어진다.
 
뿐만 아니라, 플라스틱 베어링은 조용한 저소음 주행과 진동 흡수 기능도 뛰어나다. 소위 기계 구동 요소로 불리는 진동 흡수 능력 지수를 살펴보면, 플라스틱 베어링이 금속 베어링에 비해 250배나 뛰어난 것으로 나타났다.
 
서비스 수명을 예측하라
과거 인정할 수밖에 없었던 플라스틱 베어링의 단점이 있다면, 정확한 수명 계산이 불가능하다는 것이었다. 하지만 베어링 제조업체들의 새로운 소프트웨어 보급을 통해 이러한 단점들을 완전히 극복했다.
 
이구스는 플레인 베어링부터 구면형 베어링·직동 베어링·스크류 나사에 이르기까지 다양한 베어링의 온라인 수명 계산 시스템을 제공하고 있다. 베어링 직경, 최대 하중, 노출 환경, 운동 형태(회전·직선·복합), 온도 범위, 화학물 접촉 여부, 사용주기(지속·간헐)와 같은 사용자 환경에 따른 특정 적용 데이터를 입력하면 정확한 수명을 도출한다.
 
급유를 하고 있는 상황인지 아닌지, 먼지·분진에 노출이 되지는 않는지, 전도성이 있는지 등과 같은 자세한 환경적 영향과 다양한 산업 분야·음식 처리·실외 사용·클린룸·방사능 노출 등의 정보 입력에 따라서도 결과가 달라진다.
 
결과 수치는 시간 단위까지 계산되며, 제품에 따른 이동거리도 상세하게 도출된다. 기타 포함되는 결과로는 마모율·PxV계산값·가격/수명 데이터·전반적인 적합성 정도 등이 있다.

이구스만의 광범위한 실제 테스트 정보 기반을 통해 이러한 자료를 도출할 수 있다. 이구스는 제품 자체 실험뿐 아니라 고객들의 적용사양에 맞춘 실제 실험을 시행하여 완벽하게 통과된 제품만 시장에 출시하고 있다.

이러한 실험은 천차만별의 적용 사양에 가장 적합한 베어링 재질 및 디자인을 선택하는 데에 있어서도 중요한 역할을 한다. 딱 한 가지의 재질 또는 스타일이 최고의 솔루션이 될 수는 없다. 따라서 소비자에게 직접 여러 제품의 사양과 성능을 실제로 비교할 수 있도록 하는 것이다.
 
베어링에 대한 일반적인 오해
플라스틱 부싱과 금속 부싱은 두께에도 차이가 있다. 일반 금속 베어링의 두께는 0.0625~0.156in.이며, 플라스틱 베어링의 두께는 0.0468~0.0625in.다.

벽이 얇은 부싱은 두꺼운 부싱보다 더 많은 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 방열 부분에 있어서도 얇은 벽이 더 유리하다. 열이 축적되지 않고 샤프트 및 하우징으로 방출되기 때문에 부싱의 마모가 가속화되지 않는 것.

하지만, 금속 부싱의 경우 열을 축적하게 되어 방열값이 낮다. 방열값이 낮으면 수행능력의 측정치를 나타내는 PxV값도 낮게 나타난다. 즉, PxV값이 높을수록 고속 및 하중에서 더 우수하다는 것을 의미한다. 또한 얇은 두께의 플라스틱 부싱은 공차가 작으며 금속 부싱에서 흔하게 일어나는 변형 가능성도 낮다.
 
적합한 적용 분야로는 중량 또는 연료 소비를 중요시 하는 분야가 있다. 그 외에도 레이싱 자전거·모터 사이클· 자동차·오토바이 등이 있다.
 
이렇듯 많은 장점에도 불구하고, 기술자들은 몇 가지 오해로 인해 플라스틱 부싱의 활용을 꺼리는 경우가 있다.
잘못된 오해 중 첫 번째는 내구성이다. 사람들은 얇은 플라스틱 부싱이 두꺼운 금속 부싱만큼 강하지 않을 것이라 생각한다. 하지만, 사실은 두께와 강도 사이에는 직접적인 연관성이 없다. 오히려 강도를 위해 고려해야 할 더 중요한 요인으로는 베어링의 무게와 마찰계수, 마모율 등과 연관이 있다.
 
두 번째는 표면 압력이다. 얇은 두께의 프레스 압입 베어링은 표면 압력에 영향을 미칠 것이라는 잘못된 예상을 하는 이들이 있다. 그러나 실제로는 프레스 압입 방식의 부싱 표면 압력은 하중을 표면 면적으로 나눈 값에 의해 결정된다(일반적으로 평방인치(PSI) 당 파운드로 평가).
 
Ps = L/(D x I)
Ps는 표면 압력, L은 하중, D는 내경, I는 부싱 길이를 의미한다.
 
세 번째 오해는 수명이다. 작업자들은 보통 플라스틱 부싱이 금속 베어링보다 오래가지 못할 것이라고 생각한다. 금속 베어링에 비해 얇은 두께를 가진 플라스틱 베어링은 우선 제작에 사용된 재질의 양이 적다. 따라서 이 생각은 어떻게 보면 설득력을 지닐 수도 있다. 하지만 사실은 다르다. 열 방출 능력이 뛰어난 플라스틱 베어링은 마모율을 낮추는 데에 효과적이기 때문이다.
 
금속 베어링은 마모를 보상하기 위해 더욱 벽을 두껍게 만든다. 하지만 베어링 표면은 재질이 첨가되었음에도 불구하고 지속적인 마모 영향을 받게 된다. 

회전 적용에서 계속적인 급유를 해준다면 이러한 마모를 늦추는 데에 도움이 될 수도 있다. 하지만 저속 회전 또는 전·후방 순환 등 서로 다른 모션의 적용에서는 마모의 가속화가 심해지고 샤프트와 베어링 사이의 공차도 더욱 증가한다. 이러한 문제는 나아가 정밀도 손실·마찰 계수 증가·과도한 소음에 이어 기기 고장까지 초래하게 된다.
 
마모 수치에 영향을 미치는 것은 베어링의 재질이지 두께가 아니라는 사실을 기억해야 한다.

적용 사례
플라스틱 부싱은 이미 농기계·잔디 깎는 기계·의료 기기·운동기구·펌프·밸브 등 다양한 산업 분야에서 금속 베어링을 대체하고 있다. 특히 민감한 제품을 다루거나 높은 수준의 위생이 필요한 식품·포장 산업 분야에서는 그 활용도가 더욱 높다. 
 
플라스틱 베어링의 적용 이점으로는 금속 볼 베어링에 비해 경제적인 가격적 혜택과 내부식성 그리고 무보수 등이 있다. 결정적으로 자가 급유 방식으로 인해 급유가 필요 없으므로 위생적인 문제로 대부분의 윤활제를 금하고 있는 FDA의 기준을 충족한다.

실제 적용 사례를 살펴보자. 한 파스타 제조업체는 최근 플라스틱 플레인 베어링을 카토닝 기기 안의 트랙 가이드 롤러에 적용했다. 이 기계는 24시간 운용되는 기기로 1파운드 단위의 파스타를 버킷으로 이동시키는 장치다. 버킷의 이동 거리는 18in.로, 1분에 240회 움직인다.
 
빠른 사이클과 극한의 가속도에도 불구하고 플라스틱 베어링은 이전의 금속 롤러 베어링에 비해 3배나 더 긴 서비스 수명을 제공한다. 또한, 무급유 특성으로 인해 파스타 혹은 포장에 대한 오염 걱정도 줄였으며, 매년 7천 8백 불에 달했던 유지보수 비용도 없앴다.
 
교체 작업에 소요되는 시간은 2시간이 채 걸리지 않는다. 롤러 한 세트를 교체하는 데에 하루의 다운타임이 소요되는 것에 비하면 매우 적은 시간이다. 뿐만 아니라 업체가 직접 제공한 실험 보고서에 따르면, 이전에 문제가 되었던 진동 및 소음 문제가 없어졌다.
 
또 다른 예로, 밀가루와 설탕 그리고 다양한 애완동물 음식을 포장하는 한 OEM업체도 기존의 금속 베어링을 플라스틱으로 교체했다. 기계 장비는 24시간 내내 운용되며, 목표 수명은 20 내지 30년이다.
 
까다로운 내구성 요구사항을 충족하기 위해, 회사 기술자들은 기계의 절삭 및 판금부에 들어가는 직선 베어링을 강화했다.
알루미늄 레일 위를 주행하는 플라스틱 직선 라이너를 설치함으로써 기계는 50파운드 용기를 최대 30개씩 운반하는 작업을 하루 4만 3천 200회씩 구현할 수 있게 되었다. 무급유 운용 방식으로 인해 밀가루나 설탕 등이 윤활유에 점착되지 않아 제품 및 포장을 오염시킬 일도 없어졌다.

결론
플라스틱 베어링은 뛰어난 내구성과 광범위한 온도 적용범위, 무급유 등 여러 혜택을 제공한다. 또한 가볍고, 경제적이며 먼지나 분진의 영향을 받지 않는다는 장점도 있다. 
 
산업 분야의 종류를 막론하고 플라스틱 베어링이 금속 베어링을 능가하는 날이 도래했다. 나날이 발전하고 있는 폴리머 엔지니어링이 만든 결과다.

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