에너지체인과 케이블 – 이들의 관계가 항상 조화로웠던 것은 아니다. 1980년대 후반, “유연성” 또는 “체인 적합성” 이라는 케이블을 실제로 에너지체인에 사용하면 케이블의 손상이 더 자주 발생했다. 가속화되는 자동화 창고 물류 시스템에서 케이블은 “콕 스크류(Cork Screw)” 현상을 보이며 결국 기계 및 장비의 다운타임을 초래했다. 이를 막기 위해 수많은 케이블 공급업체가 노력했지만 지속적인 성공으로 이어지진 않았다. 약 25년 전, 이는 igus GmbH (이하 : 이구스)가 독자적인 케이블 공급업체로 출발하는 신호가 되었고, 이구스는 그 이후로 오랜 시간 케이블 시장에서 벤치마크로 자리를 잡아왔다.

케이블 플리스

케이블 전문가 이구스는 기존 케이블의 심선 구조와는 다른 번들형 편조 구조에서 새로운 솔루션을 찾았다. 번들형 편조는 오늘날에도 자주 사용되는 일반 레이어형 케이블 구조와는 그 개념이 확연히 다르다. 레이어형은 심선들이 케이블 중심을 여러 층으로 감싸고 있으며, 레이어(층) 사이의 빈 공간에는 보통 필름 또는 플리스가 채워져 있다. 이러한 제조 방식은 비용효율적이긴 하지만 에너지체인이 움직일 때마다 체인 반경의 심선들이 높은 인장력과 압축력에 노출된다는 단점이 있다. 특히 장거리 이동, 글라이딩 모션, 심선 수가 많은 케이블의 경우, 이러한 힘이 심선에 크게 영향을 미쳐 결국에는 “콕 스크류”와 같은 케이블 손상이 발생한다.

에너지체인이 구부러질 때 체인 내부의 케이블 심선에

과부하가 걸리지 않도록 도와주는 멀티 번들형 편조 (출처: igus GmbH)

더욱 탄력적인 이구스 번들형 편조

이구스가 chainflex (이하 : 체인플렉스) 케이블에 사용하는 번들형 편조 방식은 앞에서 언급한 레이어 방식과는 완전히 다르다. 예를 들어 18 코어 체인플렉스 케이블의 경우, 앞에서 언급한 것처럼 전체 코어를 하나씩 포개어 여러 층으로 감지 않고 처음부터 3가닥씩 번들 구조로 감는다. 그 후에 3가닥씩 구성된 6개의 번들을 다시 엮어 완전한 케이블을 형성한다. 번들형 편조의 심선은 움직이는 체인의 반경에서도 과도한 인장 응력을 받지 않게 된다. 특히 중요한 점은 전체 편조 구조가 충실 압출형 내피와 외피의 서포트를 받는다는 것이다. 심선 사이의 공간이 자켓 재질로 완전히 채워져 있기 때문에 심선의 꼬임이 풀어지지 않는다.

광범위한 체인플렉스 케이블 제품군 : 컨트롤 케이블, 서보 케이블, 모터 케이블부터 로봇 케이블, 버스 케이블, 엔코더 케이블은 물론 FOC 광 케이블, 데이터 케이블까지 모든 종류를 포함한다. (출처 : igus GmbH)

비틀림(토션)과 같이 격렬한 모션에는 또 다른 케이블 디자인을 사용한다. 주로 산업용 로봇과 다축 모션에 사용하는 이른바 체인플렉스 "로봇" 케이블은 극심한 굽힘(구부러짐)과 비틀림 모션에서 손상 없이 이를 유연하게 대응할 수 있어야만 한다. 이는 케이블이 더 많이 구부러질수록, 대응 가능한 스트레스(응력) 한계에 가까워질수록 비틀기가 더욱 어려워지기 때문이다. 특수 쉴드 구조와 외피 재질 역시 케이블의 내구성을 최적화하는 데에 도움을 준다. 비틀림 응력에서 수백만 사이클 후에도 계속 올바르게 기능하려면 로봇 케이블에는 힘 보정 요소, 느슨한 스트랜딩 요소, 서로 다른 미끄럼 면과 완전히 다른 쉴드 개념이 필요하다. 로봇기술에 사용하는 케이블은 로봇의 움직임에 따라 이동 방향을 반복적으로 변경해야 하기 때문이다. 예를 들어 편조 구조의 직경은 비틀림 각도에 따라 변할 수 있다. 쉴드형 케이블에 대한 요구사항은 특히 더 까다롭다. 이구스는 쉴드 와이어에 작용하는 힘을 완화하고 전체 편조 구조와 외피에 상응하여 쉴드가 자유롭게 움직일 수 있도록 쉴드의 상하에 슬라이딩 요소를 둔다. 이 "soft" 구조 방식을 통해 전체 케이블 이동에 필요한 자유로움을 제공하고, 케이블에 작용하는 인장력과 압축력을 줄여 조기 도체 손상으로 인한 기계의 다운타임을 방지한다. “CFROBOT” 체인플렉스 시리즈는 최대 +/- 180°/m 적용 가능하며, 이구스는 최소 5백만 사이클 또는 36개월 중 먼저 도래하는 만큼의 사용 수명을 보장한다.

모든 차이를 만들어내는 올바른 재질

케이블 편조 구조만큼이나 중요한 것이 올바른 절연재질과 외피재질이다. 이구스는 모든 구성품을 제조하고 테스트한다. 따라서 최적의 에너지체인-케이블 조합으로 가장 긴 사용수명을 제공 가능하다. 여러 가지 테스트에서 인상적이었던 것은 재질 자체는 물론 재질 간 상호 의존도에 대해 얻은 지식이다. 지속적으로 성장 중인 이구스 시험 연구실의 테스트에서 분명해진 것은 “플라스틱+케이블” 조합이 체인 안에서의 긴 수명을 위한 성공 열쇠였다는 것이다. "긴 수명을 위한 플라스틱" 콘셉트를 추구하는 플라스틱 전문가 이구스는 케이블과 에너지체인에 사용되어 서로 지속적으로 접촉하는 플라스틱의 기능 향상과 비교에 집중했다. 이는 온도, 매체, 방사 가능성 등의 외부 요소와 함께 체인과 케이블의 상호 작용에서 중심적인 역할을 한다.

이구스 laboratory test 모습

반복적인 테스트 – 왜 다른 테스트 방식은 부적절한가

가동형 케이블을 위한 규정과 표준은 과거에도 있었고 지금도 있다. 그러나 실제로 에너지체인에 사용하도록 규정한 케이블에 적합한 국가 표준과 국제 표준은 물론 관련 테스트는 없다. 그래서 이구스는 지난 수십 년간 케이블 디자인, 재질 테스트 및 평가와 관련된 자체 표준을 개발해왔다. 이러한 노력은 에너지체인의 내구성을 보장하는 데에 결정적인 역할을 한다. 케이블 산업에는 각기 다른 표준 기관이 발표해온 테스트 방식들이 있지만 이들은 너무나 일반적이어서 에너지체인 내 지속적인 모션 적용과 같이 구체적인 요구사항을 대응하지 못하기 때문이다. VDE 굽힘 피로 테스트와 마모 테스트도 체인-케이블 조합에 대한 요구사항을 만족하지 못한다. 굽힘 사이클 테스트의 경우 케이블의 모션은 에너지체인 내부에서와는 완전히 다르다. 이러한 요구사항을 충족해온 수많은 케이블 디자인은 이구스 표준에 따라 진행한 무빙 에너지체인 테스트에서 매우 빠른 시간 안에 실패했다.

바늘, 사포 또는 면도날을 기반으로 재질의 마모도를 정의하는 표준 마모 테스트가 일반적인 조건에는 매우 적합할 지도 모른다. 바늘 등에 압력을 가해 외피의 표면을 긁으면 케이블에는 마모가 발생한다. 그러나 일반적으로 에너지체인 내부에서 사포나 면도날을 찾아볼 수 없듯이 이 테스트에서는 에너지체인과 접촉하는 외피 재질의 내구성에 대해서 아무것도 알 수 없다. 중요한 것은 두 개의 글라이딩 파트너, 즉 체인과 케이블의 재질을 서로 테스트하고 매치하는 것이다.

가스, 물 등의 매체는 물론 사용 온도 역시 지속적으로 움직이는 가동형 케이블의 외피 재질 개발 및 테스트에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어 케이블 산업에서는 가동형 케이블의 저온 유연성을 정의하기 위해 EN 60811-504 저온 굽힘 테스트를 사용한다. 케이블 직경에 따라 맨드릴 직경을 조정하고 케이블을 맨드릴에 감아 일정 온도까지 냉각한다. 케이블이 테스트 온도에 도달하면 맨드릴에서 케이블을 풀어낸다. 이 때 눈에 보이는 외피 균열이 없다면 케이블은 테스트를 통과한 것으로 간주되고, 테스트를 통과한 외피 재질은 해당 테스트 온도에서 사용할 수 있는 것으로 여겨진다.

한국이구스 - 김주미 사원

Tel 032 821 2911

Email : jukim@igus.kr

< 다음 회에 계속… >