[첨단 헬로티]

제조업계는 첨단공구를 주목한다. 자동차, 항공우주, 전기·전자, 의료, 에너지 등 국내 주력산업은 에너지 저감, 친환경을 고려한 부품 경량화와 소형화에 따른 난삭재 사용 증가로 첨단공구의 필요성을 체감하고 있다.

첨단공구기술지원센터, 첨단공구를 주목하다

첨단공구는 기존 절삭공구의 성능과 품질을 향상시켜 난삭재의 가공효율을 높이고, 가공시간 단축 및 후속공정 생략이 가능한 공구다. 제조 현장에서는 기존 절삭공구를 활용한 부품제조와 가공 과정에서 어려움을 겪으면서, 첨단공구의 가치가 높아졌다.

첨단공구기술지원센터(이하 기술지원센터)는 첨단공구 개발로 첨단 신소재 적용 부품이 증가하는 제조업 트렌드에 대응하고자 했다. 이뿐 아니라 첨단절삭공구의 국산화 제조기술 및 글로벌 선도기술 확보, 기업 생산성 향상을 위한 첨단공구산업 육성, 신규 일자리 창출, 품질·납기·원가 경쟁력 향상을 도모하고 있다. 이를 통해 첨단절삭공구산업의 글로벌 기술강국 실현을 향해가는 중이다.

첨단공구기술지원센터는 절삭공구 분야 국내 유일의 전문기술지원센터다. 공구제조 핵심 분야의 연구 개발 및 기술 지원 시스템을 구축해 운영하고 있다. 절삭공구 제조기술은 분말야금, 공구형상 설계·가공, 코팅, 툴링 등의 기술이 융합된 융·복합 기술이다. 이에 기술지원센터는 첨단공구 생산에 적합한 장비 및 인프라를 구축하고 있다.

기술지원센터는 첨단공구를 생산하는 전 과정을 지원하며, 이외에도 시험 분석, 장비 및 기술 지원, 교육 및 정보 제공 등을 담당한다. 연구 분야는 공구용 소재(원료분말 제조, 분말합성, 소결 등), 공구 제조(절삭공구 형상설계, 형상 정밀가공 등), 후처리(절삭공구 열처리, 표면처리 등), 공구성능평가다.

이러한 연구를 기반으로 기술지원센터는 ‘One-stop 기업지원 시스템’을 정립해 기업에 적용하고 있다. 기업지원 시스템은 첨단공구제조 핵심기술개발을 시작으로 시제품 제작, 공구기업 및 공구수요기업을 대상으로 한 연계형 기술개발까지 이어진다.

한편, 기술지원센터는 크게 ‘연구동’과 ‘기업지원동’으로 분리돼있다. 연구동은 연구 개발 및 시험평가용 중대형 장비 운영을 위한 곳으로서 신소결연구실, 분체·성형연구실, 재료물성평가실, 표면기술연구실, 초정밀가공연구실 등이 있다. 기업지원동에는 소형장비 운영을 위한 곳으로서 성능평가준비실, 미세조직연구실, 설계해석실, 첨단공구연구실, 기술상담 및 성과홍보관 등으로 구성돼있다.

현재 기술지원센터에서는 기술개발 사업을 진행 중이다. ‘탄소섬유복합재(CFRP) 및 고경도 신소재 가공용 첨단절삭공구 개발’ 사업은 세계 최고수준의 난삭재 가공용 첨단절삭공구 개발 및 사업화를 목표로 삼았다. 난삭재가 적용된 친환경 첨단부품 증가와 글로벌 절삭공구 시장의 지속적 증가, 선진국 기업의 시장지배력 심화 등이 개발 배경이 됐다.

지난 2016년 6월에 시작해 오는 2020년 5월까지 진행될 이 사업은 세 가지 세부과제인 ‘CFRP용 공구 개발’, ‘내열합금용 공구 개발’, ‘초정밀가공용 공구 및 폐초경 재활용 기술 개발’로 분할해 체계적으로 진행되고 있다.

▲첨단공구기술지원센터 기업지원동에 있는 공구성능평가툴링연구실

다양한 산업에서 활용되는 첨단공구

첨단절삭공구가 활용되는 산업 분야는 무궁무진하다. 국내 주요 수요산업인 자동차와 기계를 비롯해 항공, 금형, 전기·전자, 건설, 의료, 에너지 등 손꼽기 어려울 정도다. 무엇보다 첨단절삭공구 분야는 제조업 전반의 핵심 부품·소재를 가공할 뿐 아니라 최종 제품의 품질·가격·납기 경쟁력을 좌우하고, 소모성이기에 지속적인 수익이 창출된다는 특징이 있다.

첨단절삭공구가 활용되는 주요 산업 분야를 몇 가지 알아보자. 자동차 산업은 해당 부품 수가 2만 개에서 3만 개로 절삭공구의 사용 비중이 가장 높은 산업 중 하나다. 여기에 화석자원 고갈과 지구온난화에 따른 에너지 절약 및 환경규제 대응이 주된 이슈로 떠올랐다. 자동차 연비 향상과 클린에너지 자동차 수요가 급증해 고강도·경량 난삭재의 적용이 증가하고 있다.

 또한, 차체의 경량화를 위해 탄소섬유복합재(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)의 적용이 확대되고 있으며, 전기자동차와 자율주행차 개발로 인해 광학계 부품 등 초정밀 가공 수요가 증가하는 추세다. 이에 지난 2015년부터 자동차 산업의 절삭공구 소비량은 연평균 6.7% 성장률을 보이고 있다.

첨단절삭공구는 고강도·경량 난삭재의 고효율 가공 및 초정밀 가공에 활용된다. 주요 피삭제는 T합금, Al합금, 인코넬, STS, CFRP 등이 있다. 주요 사용처는 엔진 부품, 트랜스미션, 스티어링 & 브레이크 부품 등에 활용된다. 항공 산업 역시 자동차 산업과 마찬가지로 부품 경량화·고강도화를 위한 신소재 적용이 확대되는 중이다.

난삭재 가공에 최적화된 첨단공구를 개발해 글로벌 환경규제와 고효율·고성능 부품 제조에 대응하고 있다. 한 예로, 세걔 최대의 항공우주기업인 보잉(Boeing) 사는 항공기 동체의 50% 이상을 CFRP로 제작한다. 이에 지난 2015년부터 항공 산업의 절삭공구 소비량은 연평균 4.0%의 성장률을 보이고 있다. 주요 피삭재는 내열합금(Ni-based Superalloy), Ti합금, Al합금, CFRP 등이다. 절삭공구 활용 시 주로 엔진 부품, 랜딩기어 부품, 날개 부품, 동체 부품 등의 가공에 쓰인다.

에너지 산업은 원자력, 화력, 신재생에너지에 이르기까지 에너지 효율 극대화를 위해 고온용 내열재료와 경량재료가 지속적으로 개발되고 있다. 에너지 산업에서는 발전의 고효율화로 연료비와 온실가스 배출량을 줄이기 위해 터빈을 더욱 고온화·고압화 하는 가혹한 조건을 적용한다.

이에 인성과 강도가 높아 스테인리스강과 Ti합금 등의 내열합금을 사용하는 터빈 블레이드는 초정밀가공이 요구되는 부품이다. 주요 피삭제로 Ti합금, STS를 활용하며, 주요 사용처로는 터빈 블레이드, 터빈 케이싱, 터빈 로우터, 발전기 로터, 열 교환기 등이 있다. 의료 산업에서는 노화되는 인체기관의 대체품 제작을 주목하고 있다.

대체품은 인체에 안전한 소재를 사용하고, 사람마다 형상이 다양하기에 높은 기술력이 요구된다. 첨단공구는 개인 맞춤형 인체기과 대체품 제조에 활용되고 있다. Ti합금이나 STS, 특수합금 등의 소재를 활용해 임플란트, 인공관절 등을 가공한다.

▲공구 원료의 품질을 높이는 과정은 좋은 공구를 만드는 첫 걸음이다.

국내 절삭공구의 개발동향

지난 7월 2일, 첨단공구기술지원센터에서 진행된 기술세미나에서는 절삭공구에 관한 기술동향을 파악할 수 있었다. 주제발표를 담당한 대구텍의 안동길 박사는 국내 절삭공구 개발기술이 이미 글로벌화 했음을 시사했다. 안 박사는 “공구 원료 개발은 매우 중요하다. 텅스텐과 같은 원료의 품질을 높이는 과정은 좋은 공구를 만드는 첫 걸음이다”고 말했다.

세미나에서는 공업용 초경 리사이클 기술인 ‘아연법(Zn-process)’이 소개됐다. 아연법은 간단하면서도 고품질로 재활용할 수 있기에 국내외에서 다양하게 활용되고 있다. 간단하면서 효율적인 기술인 아연법은 상업화하는데 주요한 기술로 손꼽힌다.

유럽, 일본 등의 국가에서는 빈번하게 활용되나 국내에는 아직 보편화돼있지 않다. 성형기술에서는 과거 메카니컬 프레스가 주로 사용되다가 유압 프레스, 일렉트릭 프레스가 보급됨에 따라 활용도가 높아지고 있다. 유압 프레스와 일렉트릭 프레스는 정밀하게 제어할 수 있기에 향후 주목받는 기술이 될 것으로 보인다.

다만 유압 프레스는 온도에 민감하고 소음이 발생하며, 일렉트릭 프레스는 대형 사이즈 성형이 어렵다는 단점이 있다. 안동길 박사는 성형기술 부분에서 성형 크랙을 제어할 수 있어야 한다고 말했다. 성형 밀도가 충족돼야 소결이 잘 되면서 원하는 치수의 공구를 얻을 수 있기 때문이다.

소결 분야에서는 진공소결이 전통적으로 활용되고 있으며, 카본 함량에 따라 기계적 성질이 달라진다는 점을 강조했다. 안 박사는 최근 활용되고 있는 연속 소결로에 대해 설명했다. 연속 소결로는 연속 생산이 가능하고 효율적인 급속냉각이 가능하다는 장점이 있다. 연속 소결로와 함께 소개된 신터 힙(SInter-Hip)은 소결하면서 아르곤 등의 가스를 넣어 내부에 있는 것을 쉽게 배출시키면 고밀도의 공구가 만들어질 수 있다.

안동길 박사는 카본 함량에서도 언급했다. 그는 “초경을 다루는 업체에서는 카본 함량이 중요하다. 너무 낮거나 높아도 좋지 않으며, 온도나 습도에 따라 변화하기에 작업환경을 그에 맞게 개선할 필요가 있다”고 말했다.

코팅에 대해 안 박사는 “최근 업계에서는 PVD 코팅을 많이 활용하는 편이다. 하이핌스는 국내외에 도입되고 있다. 테스트해보면, 내열합금, SUS 등에서 효과가 있다. 전체적으로 하이핌스가 기존 아크 코팅보다 성능이 좋은지는 좀 더 지켜볼 필요가 있다”고 덧붙였다.

한편, 안동길 박사는 3D프린팅 기술을 초경공구 생산에 적용하려는 연구가 진행되고 있다고 말했다. 그는 “이를 위해서는 3D프린터용 초경 분말 제작이 선행돼야 한다. 단단하면서도 구형의 분말이어야 하며, 초경 제품을 3D프린트를 위해서는 직접 소결하면서 적층하는 방법, 간접적으로 하는 방법(간접조형) 등을 고려하고 있다. 3D프린팅 기술은 향후 양산화에 대한 기술 개발이 지속된다면, 활용도가 높아질 것”이라고 덧붙였다.