CNC 밀링을 이용한 맞춤형 심 제조

금속 심은 물체 사이의 작은 틈을 메우는 데 흔히 사용되는 얇고 평평한 금속 조각입니다. 맞춤형 심 제조가 유용한 다른 용도로는 지지대 역할, 표면의 수평 유지, 또는 기계의 공차 조정 등이 있습니다.

금속 심은 티타늄, 스테인리스강, 알루미늄, 구리 또는 황동으로 제조될 수 있습니다. 금속 심이 다양한 산업 분야에서 사용되는 이유로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 높은 강도와 내구성: 이 소재는 플라스틱에 비해 고온 및 응력에 대한 내성이 매우 뛰어나, 고부하 용도에 적합합니다.
• 장기적으로 비용을 절감할 수 있습니다: 금속 심은 진동과 마모를 흡수하여 복잡한 기계가 손상되는 것을 방지합니다. 이를 통해 수리 비용과 가동 중단 시간을 줄일 수 있습니다.
• 매우 다용도로 활용 가능: 이 제품들은 자동차 산업에서 엔진 부품 간 간격 조절, 기계의 정확한 정렬, 구조물에서 보의 수평 조정, 그리고 고르지 않은 표면에 기계를 장착하기 위한 산업용 고정 용도로 널리 사용됩니다.

금속 시임 제조 시 고려해야 할 주요 사항으로는 용도나 환경 조건에 따라 적합한 재료를 선정하는 것, 정확한 정렬을 보장하기 위한 정밀 공차, 그리고 하중 요구 사항 등이 있습니다. 또한 두께, 형상, 평탄도 등도 생산 과정에서 고려해야 할 요소입니다.

고객 요구 사항

한 고객이 맞춤형 소량 심(shim) 제조를 위한 CNC 밀링 서비스를 의뢰하기 위해 퍼스트 몰드(First Mold)의 시설을 방문했습니다. 이 제품을 제작하는 데 고객이 선호한 소재는 티타늄이었습니다. 제작된 심은 표준적인 광택 마감 처리와 ±0.0254mm라는 매우 엄격한 공차를 갖춰야 했습니다. 고객은 평탄도와 두께 공차에 대해 특히 엄격한 기준을 강조했습니다.

“퍼스트 몰드의 제임스 리 총경리는 ”특히 엄격한 공차와 소재의 특성상 이는 작은 난제라고 볼 수 있습니다“라고 말했다. ”하지만 우리 회사는 항상 고객의 요구를 최우선으로 여기는 데 중점을 두어 왔습니다.”

과제 및 솔루션

비록 이 제품은 겉보기에는 비교적 단순해 보였지만, 사용된 소재와 맞춤형 티타늄 심(shim) – 소량 생산을 위한 CNC 밀링 가공 – 은 독특한 난제를 안겨주었습니다. 티타늄은 가격이 비싸기 때문에, 단 하나의 부품이라도 폐기되면 막대한 손실로 이어집니다.

얇은 티타늄 합금 부품은 CNC 가공 시 특히 가공이 어렵습니다. 티타늄 합금은 절삭이 어렵고, 부품이 얇을수록 변형되기 쉬우므로, 대부분의 경쟁사들은 보통 이러한 주문을 기피합니다. 또한 소량 생산은 경제성이 떨어집니다.

소량 맞춤형 심 제조

대부분의 공급업체가 소량 심(shim) 제조를 기꺼이 거절하는 이유는 경제성이 떨어지기 때문입니다. 맞춤형 심을 제작하기 위해 티타늄을 CNC 밀링 가공할 경우, 기계 설정, 프로그래밍, 공구 선정, 검사 등으로 인해 초기 고정 비용이 많이 듭니다. 이 초기 고정 비용을 소량의 부품 수에 분산시켜 상각해야 하므로, 결과적으로 단위당 비용이 높아지게 됩니다. 공급업체들이 소량 맞춤형 심 생산을 거절하는 다른 이유로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 자재 구매에서 규모의 경제가 실현되지 않는 점: 소량 쉼을 생산할 경우, 제조업체는 대량 구매 시 적용되는 할인 혜택을 누릴 수 없어 원자재 비용이 높아지게 됩니다.
• 노동 투입량 증가: 소량 생산의 경우 대개 수작업 개입이 더 많이 필요하고, 맞춤형 조정이 필요하며, 숙련된 작업자의 시간이 소요되기 때문에 전체 생산 비용이 증가합니다.
• 엄격한 품질 관리 요건: 자동화 공정의 이점을 누리는 경우가 많은 대규모 제작과 달리, 소규모 제작의 경우 철저하고 시간이 많이 소요되는 수작업 검사가 필요합니다.

First Mold는 원자재 공급업체들과 탄탄한 협력 관계를 구축했을 뿐만 아니라, CNC 밀링에 필요한 첨단 하드웨어 및 소프트웨어 역량을 갖추고 있습니다. 이러한 요소들이 결합되어, 다른 공급업체들이 감히 맡지 못하는 소량 생산 티타늄 심을 제작할 수 있게 되었습니다.

얇은 티타늄 부품의 변형

모든 공급업체가 티타늄을 이용한 맞춤형 심(shim) 제조에 능숙한 것은 아닙니다. 이는 티타늄의 탄성 계수, 즉 탄성이 낮기 때문입니다(강철의 약 200 GPa에 비해 약 110 GPa). 또한 티타늄은 열전도율이 낮고(강철의 약 1/7 수준) 화학적 반응성이 높습니다. 이러한 특성들로 인해 가공 과정에서 상당한 처짐, 잔류 응력 불균형 또는 열에 의한 변형이 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 가공 과정에서 절삭날에서 발생하는 열의 영향이 칩을 통해 배출되지 않아, 1000°C를 초과할 수도 있는 고온이 국부적으로 집중되는 현상이 발생합니다. 이러한 국부적인 열로 인해 얇고 약한 티타늄은 절삭 과정에서 고르지 않게 팽창하게 됩니다. 이 열이 식으면 뒤틀림이나 심각한 변형이 발생할 수 있습니다. 티타늄 가공 시 변형을 유발할 수 있는 다른 요인으로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 클램핑으로 인한 변형: 고르지 않게, 방사형으로, 또는 과도하게 클램핑하면 심에 사전 변형이 발생할 수 있습니다. 가공 후 클램핑이 해제되면 심이 뒤틀리거나 원상 복귀됩니다.
• “스프링백” 현상에 의한 변형: 금속 심 제조 과정에서 공작 기계가 지나갈 때마다 얇은 심이 변형되었다가 다시 원래 위치로 되돌아옵니다. 이로 인해 치수 오차가 발생할 수 있습니다.
• 작업 경화: 이는 30%로 인해 표면층이 경화될 때 발생합니다. 이 경우 절삭력이 증가하게 되며, 이로 인해 내부 응력이 발생합니다.

First Mold에는 오랫동안 티타늄을 다뤄온 엔지니어 팀이 있습니다. 이들은 힘을 합쳐 CNC 밀링을 통해 맞춤형 심을 제조하는 과정에서 발생하는 몇 가지 난제를 극복하기 위한 해결 방안을 마련했습니다. First Mold가 고객의 요구 사항을 충족하기 위해 적용한 해결 방안 중 일부는 다음과 같습니다:

• 소프트 조 클램프 사용법: 이를 통해 압력이 고르게 분산되어 과도한 압력 집중을 방지할 수 있습니다.
• 고압 냉각수 통합: 이는 절삭면 주변의 열을 조절하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 칩을 제거하는 데도 용이하게 해줍니다.
• 날카로운 절단 도구 사용 시: 절삭 공구가 날카로울수록 절삭력은 줄어듭니다. 이로 인해 발열이 줄어들고 심에 가해지는 압력도 감소합니다.
• 스트레스 해소: 팀은 마감 가공을 진행하기 전에 심에 어닐링 처리를 하여 내부 응력을 제거했습니다. 이러한 조치를 통해 평탄도와 두께 공차를 엄격하게 준수할 수 있었습니다.

시제품 제작을 위한 맞춤형 솔루션 및 신속한 납품

중국의 대다수 공급업체들은 소량 생산되는 맞춤형 티타늄 심(CNC 밀링 가공) 주문을 거절하지만, First Mold는 첨단 기술과 수년에 걸쳐 구축해 온 파트너십 덕분에 소량 프로젝트도 신속하게 납품할 수 있습니다.

예를 들어, 이 프로젝트에서 제조사는 4주 이내에 시제품을 납품해 줄 것을 요청했습니다. 프로젝트에 필요한 티타늄을 조달하는 데만도 사용 가능한 시간의 대부분이 소요되었을 것입니다. 퍼스트 몰드와 당사의 파트너사들은 다양한 원자재를 재고로 보유하고 있습니다. 원자재의 확보 덕분에 팀은 맞춤형 심 시제품의 제작 속도를 높일 수 있었습니다.

자재 조달에 소요되던 시간을 절약하여 시제품의 CAD 설계를 완성하는 데 투자했습니다. 또한 First Mold는 첨단 5축 CNC 가공기를 사용하여 세팅 시간을 최대 40%까지 단축하고 정밀도를 높였습니다. 시제품은 좌표 측정기(CMM)를 사용하여 치수 정확도, 평탄도 및 두께에 대한 테스트를 거쳐 고객의 도면 사양을 충족하는지 확인했습니다.

고급 산업용 금속 심 제조

이 고객사는 고급 제품 제조업체였습니다. 항공우주, 의료 기기, 고급 스포츠 장비, 정밀 기계와 같은 고급 산업 분야를 위한 맞춤형 심을 생산할 때 직면하는 과제는, 결함을 제거하기 위해 재료의 무결성, 정밀도, 제조 기술에 극도의 주의를 기울여야 한다는 점입니다.

예를 들어, 가장자리의 거친 부분은 정렬 불량을 초래하거나 마찰이 심한 부위를 만들 수 있으므로 제거해야 합니다. 고급 맞춤형 심 제조 시 고려해야 할 주요 사항으로는 다음이 있습니다:

• 일정한 두께: 심(shim)은 치명적인 기계 고장을 방지하기 위해 매우 엄격한 두께 공차를 충족해야 합니다. 응력 집중이나 하중 불균형을 방지하기 위해 전체 표면에 걸쳐 두께가 일관되어야 합니다.
• 표면 마감: 마모와 마찰을 최소화하려면 표면이 매끄러워야 합니다. 이 프로젝트는 소량 생산이었기 때문에, First Mold는 래핑 기법을 사용하여 원하는 수준의 표면 평활도와 평탄도를 달성했습니다.

고성능 용도를 위한 CNC 밀링 가공이 완료된 후, First Mold는 오염을 방지하기 위해 심을 세척하고 포장합니다. 이는 항공우주 및 의료 산업에서 미세한 입자만으로도 고장이 발생할 수 있기 때문입니다.

First Mold의 솔루션을 통해 고객이 얻은 이점

고객은 예정보다 일찍 맞춤형 심(shim) 시제품을 수령하고는 기쁨을 감추지 못했습니다. 검사를 마친 후, 고객은 치수 공차, 평탄도, 두께 및 표면 마감 상태가 도면에 명시된 대로 정확하다는 것을 확인했습니다.

“First Mold가 이 소량 심(shim) 제조 프로젝트를 맡아주기로 해 주셔서 정말 감사드립니다,”라고 고객사는 말했다. “사실, 저희가 접촉한 12여 곳의 공급업체 중 이 프로젝트를 수락한 곳은 First Mold가 처음이었습니다. 정말 큰 안도감이 들었습니다.”

First Mold는 단순히 몇 개의 시제품을 고객에게 배송한 데 그치지 않았습니다. 당사는 필요한 수량만큼의 맞춤형 심을 정확히 납품했습니다. 첨단 기술과 티타늄 가공 전문 지식을 갖춘 전담 엔지니어 팀을 활용하여, 이 프로젝트는 고객의 예산 범위 내에서 성공적으로 완료되었습니다.

자주 묻는 질문