롤러와 캠 팔로워에 대해 큰 관심을 갖고 있는 사람은 드물다. 규모와 크기 그리고 하중 능력(Load Capacities)을 대충 검토하고 넘어갈 뿐이다. 하지만 롤러와 캠 팔로워에 대한 검토는 필수적이다. 롤러와 캠 팔로워는 포장·의료·반도체·여타 산업용 장비에서 발생하는 모션시스템 작업의 성패를 좌우하기 때문이다.
자료｜Intech Corporation(www.intechpower.com)

롤러 혹은 캠 팔로워를 잘못 선택할 경우 잦은 수리와 수명 감소, 오염 관련 문제 그리고 장치 속도 저하 등의 문제를 일으킨다. 또한 예상치 못한 장비 운영비용 및 구축비용을 야기하기도 한다. 이와 대조적으로 적절한 부품은 신뢰도 증가는 물론 제조업체와 사용자가 기대하는 빠른 장비 가동 및 움직임을 실현한다.

그렇다면 특정한 응용사례 및 과제에 당면했을 때 이에 적합한 롤러 혹은 캠 팔로워를 선택할 수 있는 방법은 무엇일까? 크기 및 부하에 대한 것뿐 아니라 롤러의 베어링면을 구성하는 요소, 즉 재질에 대해서도 생각해보아야 한다.

많은 기술자들은 여전히 부하가 큰 응용사례에서 금속 재질의 롤러 혹은 캠 팔로워가 필요하다고 믿는 경향이 있다. 하지만 고분자(폴리머) 베어링면 역시 적절하게 설계하기만 한다면 막대한 힘(물리력)도 견뎌낼 수 있다. 예를 들어 Intech에서는 최대 8t에 달하는 힘을 견딜 수 있는 폴리머 롤러를 만들었다. 

안정적이고 튼튼한 설계는 스키 리프트 및 건물 전체를 들어올리는(Lifting) 장비 등에 쓰이고 있다. 이처럼 튼튼한 설계가 필요한 응용사례에서는 베어링면이 금속이든 플라스틱이든 상관없이 사용자 정의 설계(Custom Engineering)가 필요 없다.

대부분의 응용사례는 그렇게까지 커다란 부하를 필요로 하지 않는다. 롤러 혹은 캠 팔로워의 1차적인 역할은 움직임을 전달하는 것이지 크고 무거운 부하를 지지하는 것이 아니다. 이러한 사례에서는 맞춤 설계 솔루션 없이, 즉 상용화된(기존에 판매되고 있는) 롤러 및 캠 팔로워만으로도 원활한 작업을 실현한다.

시간이 지남에 따라 상용화된 제품을 금속 재질만으로 제작하는 사례가 점차 줄어들고 있다. 대신 금속 롤러 베어링 혹은 허브 구조 위에 폴리머 베어링면을 씌운 혼합(하이브리드)형 설계가 증가하는 추세다. 표준 치수의 금속 롤러를 즉각적으로 대체할 수 있을 크기의 혼합형 롤러는 폴리머를 사용한 덕에 몇몇 뛰어난 기술적 장점을 제공한다. 

·폴리머는 자가 윤활이 가능하다. 공업용 폴리머(Engineering Polymer)를 롤러에 적절하게 사용하면 구성요소의 수명이 이어지는 동안에는 내부가 안정적이며 매끄럽다는 특징이 있다. 공업용 폴리머를 활용해 제작한 베어링 표면은 롤러와 레일 사이에 외부의 윤활 급유가 필요 없다. 폴리머 베어링 표면을 제품 수명주기 내내 윤활을 공급하는(Lubed-For-Life) 롤러 베어링과 함께 사용하면, 윤활과 관련한 유지보수 비용을 완전히 없앨 수 있다.

더 중요한 사실은, 자체 윤활은 금속 롤러와 레일에 정기적인 윤활을 제공하지 못했을 때 발생하는 성능저하 및 심각한 고장의 가능성을 완전히 없앤다는 점이다.

·폴리머는 마모에 강하다. 몇몇 윤활 기능을 활용한다 하더라도 금속 대 금속 접촉은 과도한 마모 및 벗겨짐 등을 일으킬 수 있다. 금속 대 금속 마모는 롤러 자체에뿐 아니라 레일에까지도 큰 피해를 야기한다. 손상을 입은 레일은 교체 및 수리비용이 훨씬 비싸다. 플라스틱 롤러는 이러한 마모 구조를 근본적으로 없앨 수 있다.

·폴리머는 조용하고 부드럽게 작동한다. 금속과 달리 Power-Core 나일론을 비롯한 폴리머 재질은 충격과 진동을 낮추는 특성을 가지고 있다. 캠 팔로워 응용사례에서 폴리머는 왕복운동으로 인해 발생하는 유해한 충격 및 진동을 흡수한다. 이러한 제동 및 흡수 기능은 기계장치 베어링의 수명을 늘린다. 고속 응용사례에서 특히 그렇다.

롤러 응용사례에서 제동 및 흡수 기능은 부드럽고 조용한 운동에 공헌하는 요소다. 폴리머 롤러는 경쟁제품인 금속 제품 대비 10㏈가량 조용하다. 또한 정밀한 진원도(Roundness) 특성 덕에 부드럽게 작동한다. 예를 들어 1.5in. OD로 절삭가공을 마친 Power-Core 캠 팔로워의 총 흔들림(Total Runout)은 ±0.001in. 미만이다.

·폴리머는 깨끗하다. 자체 윤활 폴리머는 두 가지 오염의 잠재적 요인을 제거한다. 제 위치를 벗어난(방향을 잃은) 윤활유와 금속 대 금속 접촉으로 인해 발생한 미립자가 그것이다. 이러한 이유로 폴리머 캠 팔로워 및 롤러는 의료·반도체·식품제조·클린 룸 응용사례 등에 적합하다. 또한 자가 윤활 폴리머는 부품을 세척한 뒤 다시 윤활할 필요가 없어 작업시간을 줄인다는 추가적 이점을 가지고 있다.

·폴리머는 빠르고 효율적이다. 폴리머 롤러는 세 가지 측면에서 빠른 속도와 에너지 효율적인 운동을 제공한다. 첫째로, 폴리머 롤러는 비슷한 크기의 금속 롤러 대비 무게가 40%가량 가볍다. 따라서 관성(Inertia)이 더 적다. 둘째로, 폴리머 롤러는 보통 고속 롤러 베어링을 사용한다. 롤러 베어링은 기존 금속 롤러에 사용되는 윤활 처리된 니들 베어링보다 구름저항(Rolling Resistance)이 낮다. 셋째로, 폴리머는 윤활제의 점성저항(粘性抵抗) 및 마모된 금속 베어링 표면에서 오는 저항을 없앴다.

·폴리머는 거친 환경에서 빛을 발한다. Power-Core 폴리머 롤러는 습기가 많아도 팽창하거나 늘어나지 않으며, 각종 화학물질 및 온도 변화에도 높은 저항력을 가지고 있다. 이 특성으로 인해 폴리머 롤러는 세척 관련 응용사례나 야외에 노출되어있는 등 비교적 열악하고 거친 환경에 적합하다. 부식과 관련한 응용사례에서 폴리머가 아닌 금속 캠 팔로워 제품을 사용하는 경우 근심걱정에 시달리게 된다. 이 경우 부식의 위험이 있는 위치에 놓인 스테인리스강 베어링 및 샤프트를 밀봉한(Enclosed) 특정한 캠 팔로워를 고려하는 것이 바람직하다.

·폴리머는 가격이 저렴하다. 캠 팔로워와 롤러를 사용하는 데에 드는 비용을 살펴보자. 제품을 구매하는 비용은 전체 비용 중 매우 적은 부분에 불과하다. 캠 팔로워와 롤러의 실질적인 비용은 수명주기비용(Lifecycle Cost)이다. 폴리머는 또한 많은 시간과 노력을 절약할 수 있다. 윤활이 필요 없어 정비 및 유지보수주기를 늘리며 에너지 비용을 줄이기 때문이다. 하지만 보다 큰 자금 회수의 순간은 금속 대 금속 마모가 없다는 점에서 찾아온다. 이러한 이점으로 인해, 예를 들어 모션시스템의 레일의 수명을 연장하는 경우, 폴리머 롤러는 구매비용을 몇 번이나 회수하고도 남는다.

폴리머 캠 팔로워 및 롤러는 장치를 더욱 비용 효율적으로 만든다. 폴리머의 마모 특성으로 인해 레일과 캠을 값비싼 재질, 예를 들어 표면에 열처리를 한 철이나 그라운드 스틸로 만드는 대신 가격이 저렴한 알루미늄을 사용할 수 있기 때문이다.

모든 플라스틱이 캠 팔로워 및 롤러에 사용하기에 적합한 것은 아니다. 플라스틱의 종류에 따라 사용하기에 알맞은 재질이 따로 있는 것. 같은 폴리머 제품군이라 하더라도 플라스틱 등급이 제각각이다. 또한 캠 팔로워와 롤러 그리고 여타 동력전달 응용사례에 따라 베어링 표면에서의 기능과 역할 역시 상이하다.

롤러에 사용하려는 플라스틱들을 평가할 때는 규정된 부하능력만이 아닌, 예상 작동조건 하에서의 폴리머 안정성 등을 동시에 살피는 것이 특히 중요하다. 폴리머가 가진 모든 속성 및 조건은 바뀔 수 있다. 다양한 변화에 대응해 그 특성 역시 변화하는 것. 수분·온도·부하·화학약품 및 기타 물질에 대한 노출 등이 대표적이다. 폴리머 동력전달장치(Power Transmission Component)를 사용하면 이러한 모든 요소들의 물리적 성질을 상실하게 되며, 조기 실패 및 장치고장의 원인으로 이어진다.

Intech Corporation이 폴리머 동력전달장치를 수십 년 동안 다뤄온 경험에 비추어보건대, 기술자들이 가장 등한시하는 노출 형태는 바로 수분에 대한 노출이다. 공업용 폼리머 중 대부분이 수분에 장기간 노출되었을 때 상당한 양의 인장강도를 잃을 수 있다(50% 정도는 드문 일도 아니다). 

검습(하이그로스코픽, Hygroscopic) 공업용 폴리머가 수분에 노출되면 팽창하게 되며(경우에 따라 3% 혹은 그 이상도 가능하다), 이로 인해 서로 원활하고 부드럽게 작동해야 하는 구성요소들 사이의 상대운동을 방해 및 저해한다.

약화되거나 허용오차를 벗어난 동력전달장치는 잘 설계된 모션시스템이 아닌 경우 파멸을 야기한다. 현재로써는 기술자들이 수분 흡수의 가능성과 이에 따르는 효과를 설명하지 못하고 있는 실정이다. 현상을 명확히 이해하고 이를 해결하지 못하는 것. 또한 수분의 해로운 영향에 대해 알고 있는 이는 대체로 폴리머라는 재질 자체를 기피하는 실정이다.

다른 환경에 노출되는 것도 마찬가지다. 기술자들은 폴리머가 작동조건 및 상태에 따라 특징을 바꾼다는 점을 인지하지 못하거나, 폴리머를 기피한다.

Intech에서는 올바른 종류의 폴리머를 선택하는 과정에서 수분을 포함한 다양한 환경적 노출과 관련한 문제에 대해 독자적인 해결책을 만들었다. 

Intech은 거의 모든 경우에 독자적인 Power-Core 나일론을 사용한다. Power-Core 나일론은 물리적 특성과 비용 사이의 독특한 균형을 바탕으로 플라스틱 동력전달 베어링 표면에서의 황금 표준으로 등극했다. 물론 더욱 색다른 공업용 폴리머를 롤러 및 캠 팔로워 응용사례에 사용할 수도 있다. 하지만 더 많은 비용이 따른다.