Sharp-E 뉴스 레터 2021 년 1 월

ANCA가 Precorp(지금은 Sandvik-Coromant 그룹의 일부)와 함께 팀을 만들어 2011년에 ANCA EDG(Electro Discharge Grinding)기계를 탄생시켰을 때 그 임무는 분명했습니다. 두 회사는 모두 동급 최강의 공구 형상을 만들 수 있었을 뿐만 아니라 시장을 선도하는 사이클 타임을 제공하는 고성능 EDM(Rotary Electro Discharge Machining) 플랫폼을 만들고 싶었습니다.

이는 ANCA 창립자이자 전무 이사인 Pat Boland의 아이디어였습니다. 기존 경쟁자들을 능가하기 위해서는 힘보다 두뇌가 필요하다는 것을 금방 깨달았습니다. “침식 공정은 그 복합성 속에서 간단합니다. 이 공정의 기본은 전해질과 함께 양극 및 음극을 사용하여 재료를 따라 스파크를 생성하는 것입니다. ANCA는 세계 최고의 초경 및 HSS 도구 제작에 45년의 역사를 가지고 있어 우리는 PCD 도구에 일련의 이 기술들을 사용하고 싶었습니다.” 라고 Pat은 언급했습니다.

ANCA EDG 기계의 주요 동인은 모든 유형의 브레이징 전단 플루트 도구를 쉽게 만들 수 있을 만큼의 간단함이 필요였으며, 반면 팁이 무한히 다양한 나선형의 솔리드 팁, 베인, 셰브론 툴을 만들 만큼 충분히 복합적이어야 한다는 것이었습니다. Pat은 다음과 같이 덧붙였습니다: "우리는 고객이 생성 가능한 도구 형상의 복합성으로 인해 정확한 침식 간격을 유지하면서는 5축 보간이 어려울 것이라는 사실을 일찍이 깨달았습니다."

이때 멜버른 대학의 전기 공학 석사인 Boland가 RMIT University Melbourne의 문을 두드렸고 전기 공학 박사 후보였던 지금의 Kotler Tee 박사를 만나게 되었습니다. Tee 박사는 훌륭한 적합한 의견을 제시하여 ANCA에서 신속하게 EDG 침식 프로세스의 개발 및 배포를 지휘했습니다. Boland와 Tee 박사는 공동으로 작업하며 아이디어를 만들어내 오늘날 시장에서 기술적으로 가장 진보된 침식 프로세스를 만드는 작업에 착수했습니다.

 
1 단계: IAC를 사용하여 최적의 스파크 침식 간격 유지

그들의 첫 번째 작업은 단순한 2D 및 복잡한 3D 경로 보간 모두에 대해 최적의 스파크 침식 간격을 유지하는 것이었습니다. “침식 공정 중에 최적의 스파크 침식 간격을 유지하는 것은 높은 효율로 작업하는 공정의 기본이 됩니다. 이것은 로터리 2D 경로 보간에 매우 간편합니다. 그러나 3D 경로 보간에 4축 또는 5축이 동시에 이동하는 경우에는 표면적과 부피 및 경로 변경이 걸림돌이 됩니다.” 라고 Tee 박사는 설명했습니다. “테스트를 통해 우리는 이 표준은 단순히 기계 이송 속도를 사용 가능한 스파크 간격 거리를 유지하기 위해 허용 가능한 최저 속도로 설정하는 것임을 알게 되었습니다. 이로 인해 '에어 타임'이 많이 발생하게 되어 이송 속도는 크게 감소합니다."  이송 속도를 빠르게 유지하고 최적의 스파크 침식 간격을 유지하기 위해 IAC(Intelligent Adaptative Control)라는 아이디어가 탄생했습니다.

IAC(Intelligent Adaptive Control)는 작업 중인 침식 간격 거리를 자동으로 모니터링하고 제어하는 인 타임 서보 제어 기능을 가지고 있습니다. ANCA Motion AMD5x 제어 시스템의 EtherCAT 기능을 활용하여 IAC는 기계 이동과 발전기 성능을 동기화합니다. IAC는 드릴 및 엔드밀의 PCD 홈 및 틈과 같은 3D 형상을 침식할 때 매우 중요한 최적의 스파크 간격 거리를 조정하고 유지합니다. 한 번에 최대 5축으로 형상이 변경되는 IAC는 간격 거리와 기계 이송 속도를 자동으로 조정하여 침식 속도와 표면 마감을 최적화합니다. 여기에는 침식이 선형 경로를 따라 있을 때 이송 속도를 높이는 것뿐만 아니라 경로 변경이 발생할 때 이송 속도를 낮추는 것도 포함됩니다.

“침식 경로를 따라 뒤틀리고 회전하면 전극 휠이 툴에 밀착되거나 툴에서 떨어질 수 있는 상황이 발생할 수 있습니다. 이는 궤적을 따라 최적, 불량, 손실된 스파크로 이어질 수 있습니다.” 라고 Tee 박사는 덧붙였습니다. IAC는 이를 자동으로 처리하고 변경 가능한 경로의 길이를 따라 가능한 가장 빠른 이송 속도를 유지합니다. 이로써 이송 속도 증가, 열 손상 최소화, 우수한 표면 마감, MRR 증가 및 사이클 타임 감소가 자동으로 따라옵니다.

IAC의 또 다른 이점은 PCD 및 초경 마이크로 툴을 쉽게 제조할 수 있다는 것입니다. IAC는 최적의 거리를 유지하기 때문에 휠 충돌 및 공구 파손 가능성이 매우 낮습니다. 이것은 0.5mm 미만의 툴을 침식할 때 중요합니다.

2 단계: ASC를 사용하여 침식 프로세스 최적화

다음 과제는 침식 과정을 촉진하기 위한 최적의 스파크를 만드는 것이 었습니다. 전류, 전압, 지속 시간, 타임 오프, 스파크의 강도는 침식되는 물질에 따라 달라집니다. 즉, PCD는 초경(HM) 및 고속 강철(HSS)과는 달리 특정 매개 변수가 필요합니다. 문제는 PCD 웨이퍼가 일반적으로 1mm 카바이드 백킹이 있는 0.6mm PCD라는 것입니다. Precorp-Sandvik의 "베인(veined)" 공정과 마찬가지로 소결된 PCD, 쉐브론툴 및 솔리드 팁 툴도 카바이드 백킹에 형성됩니다. 황삭 작업과 같이 공격적으로 침식되면 구리 전극 휠이 PCD-카바이드 경계를 따라 침식됩니다. PCD에 최적화된 침식 매개 변수는 카바이드 백킹을 의도치 않게 과도하게 침식합니다. 이것은 차례로 PCD 아래의 카바이드를 선택적으로 침식하기 때문에 "언더컷"이라고 명명된 PCD-카바이드 경계에서 과도한 침식으로 이어집니다. 또한, PCD 바인더인 코발트가 우선적으로 침식되어 노출된 PCD 증가를 남기는 "코발트 침출"을 유발할 수 있습니다.

이것은 포장된 길의 밑바닥을 파는 것과 유사합니다. 길 밑에서 너무 많은 재료를 파내면 결국 길은 붕괴되고 맙니다. 기계 테스트에 따르면 언더컷과 코발트 침출은 해비 황삭 중 절삭 날을 따라 부서지기 쉬운 경계와 조기 툴링 마모로 이어집니다. 이를 방지하고 침식 과정을 최적화하기 위해 ASC(Adaptive Spark Control)가 개발되었습니다.
ASC는 발생기 자체에서 DSP(디지털 신호 프로세서) 및 FPGA(필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이)와 함께 초고속 EtherCAT 서보 시스템을 사용합니다. EDG 침식 발생기는 모든 스파크를 실시간으로 모니터링하고 처리할 수 있습니다. 각 스파크의 파형은 침식되는 물질, 침식 간격 및 최적 침식 과정에 필수적인 기타 요인을 기반으로 자동으로 모니터링되고 분류됩니다. 그런 다음 발전기는 침식되는 재료에 맞게 각 스파크(전류, 전압, 지속 시간 및 타임 오프)의 에너지 수준을 동적으로 조정할 수 있습니다.

ASC는 침식 과정을 최적화하여 코발트 침출을 줄이고 PCD-카바이드 경계에서 언더컷을 줄입니다.  이로 인해 더 강한 절삭 날과 치핑이 덜 발생하는 완성된 툴을 만들 수 있습니다. 이는 툴 수명 연장, 툴 마모 감소, 툴 비용 절감에 도움이 됩니다. CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 가공에 적합한 툴링 테스트에서 툴 수명이 최대 60% 증가함이 확인되었습니다

이러한 지능형 침식 제어는 이제 ANCA가 획득한 특허로 보호 받습니다.

 

3 단계: ANCA Motion SparX Erosion Generator로 전력 전자 장치 강화

이 작업의 마지막 퍼즐은 매우 높은 표면 마감 결과를 유지하면서 훨씬 더 높고 공격적인 침식을 가능하게 하는 전자 장치를 최적화하는 것이었습니다. 이를 위해 ANCA는 자매 회사인 ANCA Motion의 전문 지식을 활용했습니다. 선임 전기 엔지니어인 Richard Colin은 AMD5x Servo 플랫폼을 기반으로 업계 최고의 침식 발생기를 만드는 임무를 맡았습니다. ANCA Motion에서 일하기 전에 이전에 항공 산업을 위한 지상 전력 장치(GPU)를 설계한 적이 있는 Richard는(현재까지 Richard는 Pratt and Whitney 가죽 재킷을 입고 살고 있습니다) 고주파, 고전력 전자 장치에 능숙했습니다. “저는 기회에 뛰어들었죠. 광대역 갭 스위칭 속도를 위한 최신 동급 최강의 반도체 전력 전자 장치 작업 기회를 기다리고 있었기 때문이죠.”

동급 구성 부품과 비교할 때, ACNA 고객은 펄스 당 메가 암페어 기술을 사용하여 액세스하고 활용할 수 있는 전력 범위를 넓힐 수 있습니다. ANCA Motion SparX Erosion Generator는 고 에너지-밀도 절제를 위해 나노 및 피코 펄스 기술을 활용하여 초중 황삭(Extra-Heavy Roughing)에서 초미세 정삭(Ultra-Fine Finishing)까지의 범위에서 우수한 성능을 보여줍니다. 이를 통해 고객에게 최적화된 이송 속도, 우수한 표면 품질 및 대폭 단축된 사이클 시간을 제공함으로써 매우 뛰어난 제어가 가능합니다. 이 펄스의 높은 정밀도로 인해 탁월한 초미세 마감을 위한 초저 에너지 펄스에서 재료를 빠르게 제거할 수 있는 고 에너지 펄스까지 다양한 침식이 가능합니다.
PCD 침식 공정에서 사이클 타임은 재료 제거율(MRR)과 직접 관련이 있습니다. 완전히 새로운 ANCA Motion SparX Erosion Generator는 새로운 Extra-Heavy Roughing, Super Fine Finishing 및 Ultra-Fine Finishing 작업을 활용하여 타의 추종을 불허할 정도의 MRR 증가를 가능케 합니다. 이것은 타의 추종을 불허하는 MRR의 증가 및 경쟁 기계에 비해 50% 감소된 사이클 타임을 의미합니다. 단언코 시장에서 가장 빠른 사이클 타임입니다. 또한 침식 표면 품질로 인해 모든 전력 모드에서 개선을 확인하실 수 있습니다. Ra <0.1µm 및 Rz <0.5µm의 연마된 표면 마감은 Pico-pulse 기술이 적용된 새로 출시된 "Ultra-Fine Finishing" 공정을 사용하여 쉽게 달성할 수 있습니다. 이러한 작업을 통해 가장 까다로운 절삭 공구 작업에 필요한 우수한 절삭 날을 생산할 수 있습니다.
한때 공격적으로 전자 장치가 지배하던 영역에 지능을 결합하게 되면 ANCA 고객은 경쟁에서 우위를 차지할 뿐만 아니라 툴 제작에 대한 더 스마트한 접근 방식이 가능해집니다. “우리의 접근 방식과 경쟁사의 접근 방식의 차이점은 ANCA는 고객이 침식 공정을 통해 달성하고자 하는 고객의 목적에 초점을 맞추고 있다는 사실입니다. 고객들은 나선형 및 원형 PCD 툴링에 최적화된 프로세스를 원한다고 강력하게 말했습니다. 우리는 ANCA Motion과 긴밀히 협력하여 원래 Wire-EDM(Wire Electro Discharge Machining)을 위해 개발된 생성기 기술을 재사용하는 대신 전단 툴링 뿐 아니라 매우 복잡한 형상의 무한 배열에 적합하도록 침식 생성기를 설계했습니다. 우리의 접근 방식은 업계에 혁명을 일으켰습니다. 우리는 프로세스가 사용 가능한 기하 구조를 지시하는 것이 아니라 기하 구조가 프로세스를 지시하도록 만듭니다.”

“우리는 토끼처럼 지능을 사용하여  여우의 완력을 능가하는 방법으로 이겨 버립니다.” 라고 Dr. Tee는 말합니다.
 

15 1월 2021