[첨단 헬로티]
스즈키 타케오 (鈴木 健夫) 오에스지(주)
이번 JIMTOF 2018에서는 전세계 기계 메이커 각사가 금속 적층 조형의 기능을 가진 장비를 전시했다. 기존의 제조는 금속 덩어리에서 깎아내어 제품을 만들고 있었던 반면, 애디티브 매뉴팩처링[Additive Manufacturing(부가 제조), 이하 AM]은 베이스가 되는 금속에 금속 분말을 적층해 제품을 만드는 방법이다.
AM은 제품의 단납기화와 저코스트화, 재료의 낭비를 생략하는 것을 목적으로 하는 제조 방법으로서 생각되며, 3차원 데이터의 활용이나 3D 프린터를 사용한 조형 방법의 발달이 배경에 있다.
AM는 적층 소재로, 금속 타입과 수지 타입으로 분류할 수 있다. 금속 타입은 적층 방식에 따라 2종류로 분류되며, 지향성 에너지 퇴적(Directed Energy Deposition, 이하 DED)와 분말 적응 용융 결합(Powder Bed Fusion, 이하 PBF)로 나뉜다.
또한 ‘적층만 가능’한 기계와 ‘적층에서 열처리, 코팅, 절삭가공’까지 하는 것이 가능한 하이브리드 머신의 2종류로 나뉘며, 일본의 대형 기계 메이커에서는 하이브리드 머신의 제조․판매를 개시하고 있다.
동사는 이 하이브리드 머신 중에서도 특히 금속 타입의 DED 방식용으로 AM용 엔드밀 개발을 하고 있으며, 이 글에서는 이 공구를 소개한다.
DED 방식 조형품의 가공에 적합한 ‘AM-EBT’, ‘AM-CRE’
DED 방식은 표에 나타냈듯이 많은 장점이 있지만, PBF과 비교하면 적층 정도가 떨어진다는 큰 단점이 있다. 이 단점은 2차가공에 미치는 영향이 크고, 제품으로 마무리되어 가는 과정에서 절삭가공에 큰 영향을 미친다는 것을 알게 됐다.
그림 1은 DED 방식에 의한 SKD11(60HRC) 적층 후의 사진이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 적층 후에 1mm 이상의 단차를 확인할 수 있다. 절삭가공에서는 1mm를 넘는 절삭값의 불균일한 변화는 공구 수명에 큰 영향을 미치고, 수명 저하의 큰 요인이 된다.
그렇기 때문에 절삭값 불균일의 영향을 받을 것으로 미리 예상되는 경우, 절입량이 목표의 절입 깊이로 안정될 때까지는 에어컷을 포함한 가공 패스를 설정하여 공구의 결손, 파손을 방지하는 것이 일반적이다. 그러나 본래 이 AM 기술의 활용은 단납기화, 저코스트, 재료의 낭비를 절약하는 것이 목적으로, 에어컷에 의한 가공 시간 증가는 목적에 반하는 것이 된다.
이에 동사에서는 AM에 의한 고경도 피삭재에 대해 효율적으로 단수명, 깊은 절입에 대응할 수 있는 공구 볼 엔드밀 ‘AM-EBT’(그림 2 왼쪽, R3～R10의 6아이템)과 래디어스 엔드밀 ‘AM-CRE’(동 그림 오른쪽, Ø6～Ø20의 6아이템)을 개발했다.
이 AM용 공구는 깊은 절입에도 견딜 수 있는 강인한 3차원 네거티브 형상이 특징이고, 코팅에는 최신 DUROREY 코팅(그림 3)을 채용했다. 기존의 고경도용 코팅에 대해, 높은 내열성과 내마모성, 우수한 인성을 겸비한 코팅으로, 절삭값 변화가 큰 가공에 대해서도 장수명화를 실현했다.
AM 후의 2차가공은 금형 패딩 수정에도 유사한 점이 많고, 금형가공(수리․수정)의 현장에서는 실제로 에어컷을 반복적으로 시간을 들여 가공하고 있는 것을 여러 번이나 보아 왔다. 이 AM용 에어컷을 사용함으로써 고능률, 장수명 가공을 기대할 수 있고, 실제로 테스트에 협력해 준 고객들로부터 좋은 평가를 받았다.
PBF 방식의 조형품에 대응
PBF 방식은 표에 나타낸 적층 속도가 느리고 대형 적층을 잘 못하는 과제도 있지만, 최대 특징은 가공 정도가 높다는 점이다. 한편, PBF 방식의 하이브리드 머신은 절삭 시에 피삭재에 적합한 쿨런트를 사용할 수 없다는 과제가 있다. 쿨런트에는 냉각, 윤활, 절삭칩의 강제 배출 등의 효과가 있고, 가공 면품위, 공구 수명에도 큰 영향을 미친다.
PBF 방식의 조형품의 경우는 동사의 표준품 공구로도 대응이 가능하다. 단, 피삭재(특히 알루미늄합금)에 따라서는 용착이라는 과제가 있고, 코팅의 선정을 잘못하면 공구, 워크 모두 파손될 우려가 있다.
동사에서는 철계로 DUROREY 코팅이나 DUARISE 코팅, 비철금속계로는 DLC(다이아몬드 라이크 카본) 코팅이나 DIA(다이아몬드) 코팅의 선택이 가능하며, 적절한 코팅 선정으로 공구 수명의 연장에 공헌할 수 있다.
또한 PBF 방식은 가공 정도가 양호하기 때문에 절삭값의 불균일한 변화가 적고, 표준 타입의 공구 형상이라도 문제없이 가공할 수 있다. 적층 후에 언더부가 발생한 경우에도 특수 T 슬롯커터의 실적이 있다.
AM용 기계의 판매대수는 확실히 늘어나고 있으며, 이와 함께 2차가공도 증가할 것으로 예상된다. AM에 관련된 절삭가공이나 금형 패딩 가공 등 절삭 업계의 생산성 향상과 업계 발전에 계속 공헌해 갈 것이다.
