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복합소재 가공 전용 공구 수요의 증가 : 복합소재 가공용 공구는 2025년까지 탄소 섬유 강화 플라스틱의 9.3% 성장을 예측하는 전문 절삭 공구 제조업체에 더 많은 기회를 제공합니다*

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매트릭스에 내장된 탄소섬유를 사용하는 아이디어는 개발 초기부터 현재까지 적용되어 오고 있습니다.  시작 초기의 짚과 섞어 보강된 진흙 벽돌부터 목재, 뼈, 송진등을 섞어 제작한 최초의 복합소재 활까지 복합 재료는 각 단일 재질로 사용하는 경우보다 복합되어 우수한 특성을 가진 것으로 알려져 있습니다.

우주항공 방위, 풍력 에너지, 자동차, 토목 건설 스포츠 용품 산업은 모두 고성능 애플리케이션을 위한 복합소재를 채택하고 있으며, 수요는 계속 증가하고 있습니다. Credence 리서치에 따르면 2017-2025년 기간동안 탄소 섬유 강화 플라스틱의 CAGR 9.3% 추정했습니다. ANCA 제품 매니저 던컨 톰슨은 분야에서 판매 문의가 증가했다고 지적합니다.  이는 전문 시장에 필요한 절삭 공구을 생산해야 하는 공구 제조업체의 요구가 증가하고 있음을 반영하는 것입니다.

덩컨 다음과 같이 말합니다. "복합 재료에 대한 상용 애플리케이션은 지속적으로 증가하고 있으며, 이를 통해 전문 절삭공구의 시장 공간도 확장됩니다. 절삭 공구 제조업체는 오늘날 사용되는 광범위하고 다양한 복합소재 가공을 위한 특수 공구를 개발하는 다양한 절삭 공구 설계와 기술을 채택해야 합니다. ANCA 고객과 협력하여 이러한 요구사항의 충족을 위한 혁신적인 소프트웨어의 개발을 통해 새로운 공구 형상 구조를 만들고, 시장을 선도하는 CFRP 절삭 공구 솔루션을 연삭하거나 방전 가공 있는 기계를 설계하고 있습니다."


복합 소재 시장에 대한 이해  

오늘날의 복합 소재 산업은 다양한 용도에 적합하도록 다양한 매트릭스 재료(서모셋 에폭시, 페놀릭, 폴리이미드 ) 섬유(탄소, 케블러, 유리 ) 사용합니다. 폴리머 매트릭스 복합 재료에서 매트릭스 자체는 금속처럼 연성이 있는것이 아닙니다. 대신에, 그것은 부드럽지만 매우 강한 경향이 있습니다. 금속 절삭시에는 절단 지점에서 가공열을 머금고 성형되는 칩을 생성합니다.

이와는
반대로 마이크로 레벨에서 분석할 경우 폴리머 매트릭스의 가공은 칩을 형성하는 것이 아니라 국부적인 파쇄 인해 발생하는 미세한 '먼지' 형성합니다. 전도율이 낮기 때문에 매트릭스에 의해 절단면으로부터 가공열이 쉽게 전달되지 않습니다. 다음 과제는 내장형 섬유로 인해 발생하는데, 내장형 섬유는 절단 강하고 단단하며 매우 거칠게 가공 공구에 반응합니다. 다른 복합 제조 방법에서는 애플리케이션에 적합하도록 서로 다른 방향으로 층을 이룬 단방향 테이프(Unidirectional tape) 또는 양방향 직물(Fabric weave) 사용해야 합니다. 이러한 현상은 가공시 다르게 작용합니다.


 
복합소재는 단방향과 양방향 구조를 형성합니다


더욱 복잡한 문제로는 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fibre Reduced Plastic -이후 CFRP라 칭함)구조물 애플리케이션에서 알루미늄 또는 티타늄과 층으로 함께 쌓아서 형성되는 구조입니다.  이러한 조건에서는 절삭 가공 작업이 이루어질때, 하나의 공구를 사용하여 다른 속성의 소재 극적으로 가공하여야 합니다.

다양한 요구 사항에 따라 연삭


덩컨은 이렇게 말합니다. "이런 종류의 거칠고 서로 다른 종류의 소재 가공시 예를들면 드릴링, 트리밍 또는 포켓가공 같은 작업에 가장 적합한 공구를 신중하게 고려해야 합니다. 렇기 때문에 절삭 공구 제조업체는 이러한 요구 사항을 충족하기 위한 새로운 공구를 끊임없이 설계하고 제조하고 있습니다."

가장 널리 사용되는 복합 재료 하나는 CFRP이며, 주로 중량 대비 강도 대비율과 부식 저항성이 뛰어나기 때문입니다. 하지만 재료를 가공할 경우 올바른 공구 선택이 매우 중요합니다. 그렇지 않을 경우 아래와 같은 다양한 품질 문제가 발생할 있습니다:

매트릭스와 파이버가 분리되는 현상
절단 가장자리에 파이버(버어) 존재
매트릭스 파편의 부서짐
불안정한 절단 현상 발생으로 허용 공차를 벗어남
드릴링 구멍 출구 버어 발생
매트릭스의 열 손상
빠른 절삭 공구 마모

이러한 유형의 문제점들로 인해 빠르게 마모되는 공구와 함께 작업 시간과 비용을 낭비하지만, 더 중요한 것은 작업물의 손상과 그로인한 폐기품 발생으로 인한 손실이 큽니다.

오늘날 ANCA 기계는 절삭 공구 제조업체에서 다양한 복합 소재 가공에 적용할 수 있는 다양한 옵션과 솔루션을 제공하고 있습니다.

CFRP가공 전용 공구의 필수 조건


첫째, 복합 소재 절삭 공구는 가지 재료 하나로 제공됩니다. 초경, 코팅된 초경 또는 PCD입니다. 각자 장단점이 있습니다.

초경 재질의 경우 필요한 설계 형상으로 쉽게 제작할 수 있으며 날카로운 절삭 모서리를 만들 수 있지만 빠르게 마모될 것으로 예상됩니다. 따라서 일반적으로 최종 절삭의 정확도가 중요하지 않은 수동 및/또는 거칠기 작업에만 사용됩니다. 이는 코팅된 초경 또는 PCD로 만든 마무리 공구로 작업을 마무리하기 때문일 가능성이 높습니다.

이와 유사하게 코팅된 초경공구도 다양한 기하학적 구조로 연삭될 수 있다는 점에서 유연성을 제공하지만, 공구 수명을 크게 늘릴 수 있는 추가(CVD) 코팅이 적용되었습니다. 이러한 공구의 단점은 공구를 재연삭하는 것이 일반적으로 비경제적이라고 여겨진다는 것입니다.

세 번째 등급의 공구는 폴리 크리스털린 다이아몬드(PCD) 도구입니다. 이러한 공구의 절삭날은 일반적으로 ANCA EDGe 또는 레이저 어블레이션 같은 전기 방전기계를 사용하여 생성합니다.
  
 
방전 작업에 사용되는 ANCA EDGe
 
Sandvik Coromant PCD Vein드릴제작 전용 ANCA EDGe장비

이렇게 하면 일반적으로 CVD 코팅된 공구보다 더 날카로운 절삭날을 생성할 수 있으며, 추가로 재연삭하여 이 공구의 사용 수명을 연장할 수 있습니다. PCD 공구에는 세 가지 일반적인 형태가 있습니다. 첫째, 초경위에 PCD를 용접하여 직선 절삭날을 형성합니다.  . 이러한 종류의 공구는 일반적으로 복잡한 스텝 또는 프로파일 공구를 제작하는 데 사용되며 PCD 공구 시장에 진출하려는 공구 제조업체에서 쉽게 생산합니다.

 
초경 공구몸체에 용접된 PCD인서트.  EDGe방전 공정은 정밀한 코너반경 형상을 생성합니다


다음 대안으로는 Sandvik-Coromant Spanish Fork (미국)의 자체 개발된 Veined PCD 기술이 있습니다. 이것은 초경 몸체에 작은 홈을 가공한 후 PCD 나선 Vein을 소결시키는 기술입니다. 나선형 절삭날은 직선 절삭날 공구에 비해 뛰어난 절삭성능을 제공하는 것으로 보이며, 또한 초경 몸체에 냉각수 구멍을 만들 수 있어 절삭 조건이 개선됩니다. 이러한 공구의 경우 절삭날 형상은 소결된 PCD Vein에 의해 지정됩니다.
초경 본체의 홈에 나선 PCD Vein 소결한 드릴

이 문제에 대한 답은 일반적으로 초경 본체에 솔리드 원통 PCD 팁을 용접한 방식입니다. 미국 캘리포니아에 본사를 둔 RobbJack사는 앞으로 비용이 많이 들기는 하지만 ANCA EDGe에서 EDG방전 기술을 적용하여 이러한 종류의 공구를 생산합니다. 이를 사용하면 원하는 모든 공구(드릴) 형상을 자유롭게 제작할 수 있습니다.

 
솔리드 PCD팁을 붙인 드릴은 자유롭게 드릴 형상을 구현할 있습니다

CFRP드릴링 작업

드릴링 작업은 CFRP 구조물 결합을 위해 일반적으로 수행되는 작업입니다. CFRP 드릴은 금속 절삭 드릴과 구별되는 형상을 가지고 있습니다. ANCA ToolRoom 소프트웨어는 연삭 또는 PCD 방전 공정에 상관없이 복합점 각도, 브래드 또는 W-포인트 형상을 포함하여 CFRP절삭 작업에 최적인 다양한 특수 드릴 포인트를 만들 있습니다. 드릴 포인트는 드릴이 CFRP 층을 관통할 분리가 최소화되어 가공된 구멍 형상(진원도) 유지되고 공구 수명을 개선시킵니다.   

구멍 제작을 위한 다른 방법은 밀링 커터로 작업하는 방법입니다. CNC 기계를 사용해야 하는 느린 공정이기는 하지만, 공작물에 큰 구멍이나 곡면에 구멍을 있다는 장점이 있습니다. , 추진력이 작으므로 구멍의 출구 지점 버어 발생이 줄어듭니다.

CFRP 밀링 작업


다른 일반적인 절삭 작업은 특수 밀링 커터로 CFRP 다듬거나 절단하는 것입니다. 이번에도 코팅된 초경과 PCD 커터를 사용합니다.

트리밍 또는 에지 컷의 경우 업다운 커터가 가장 일반적으로 사용됩니다. 서로 반대방향으로 작용하는 절삭날은 절삭력이 CFRP 층의 중간을 서로 향하도록 하여 분리의 가능성을 줄입니다.  또한 얕은 플루트 깊이는 공구 강성을 높이는 도움이 됩니다.     

 

CFPR 층들의 중간으로 절삭력이 작용하도록 설계된 컴프레션 라우터는 절삭면의 버어 발생을 최소화 줍니다.

버어 스타일 라우터는 칩 브레이커가 포함된 얕은 플루트 형상을 많이 사용합니다. 이러한 형태의 커터는 절삭시 광섬유를 효과적으로 절단할 수 있는 국부적인 절단력을 발생시킵니다.

ANCA 연삭기는 전용 컴프레션 라우터 또는 버어 공구 소프트웨어 패키지로 이러한 유형의 공구 제조를 지원합니다.

표면 또는 포켓 밀링의 경우, 하향 절단 엔드밀은 절삭면 거침 현상을 최소화하는 하향 절단력을 생성합니다. 용접된 PCD 라우터는 이 애플리케이션에 공통적으로 사용되며, 볼 또는 코너 반경 절삭날 형상으로ANCA EDGe장비에서 제작할 수 있습니다.


소프트웨어로 제작되는 고유 형상의 CFRP절삭 전용 공구들
 
덩컨 톰슨씨는 "전문화된 복합 소재 가공 공구에 대한 수요는 계속 증가할 뿐이며, 올바른 노하우 및 제조 기술을 갖춘 공구 제조업체에게 좋은 시장 기회를 제공할 것입니다. ANCA는 업계 최고의 공구 설계 소프트웨어와 공구 제작 기계를 통해 복합 소재 가공 전문 공구 시장의 최선봉에서 고객과 긴밀하게 협력하고 있습니다."

 

20 9월 2019