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[SIMTOS 2020] 공작기계의 진화 그리고 미래, 초정밀·하이브리드 가공시스템!
작성자 : 관리자
2020-02-10 |
조회 : 3033
[초정밀·하이브리드 가공 시스템 개발현황] 공작기계의 진화 그리고 미래, 초정밀·하이브리드 가공시스템!
Feature 자료_ 중소벤처기업부
초정밀 가공기계는 3축 이상 가공기가 1㎛ 이하의 가공품질을 구현하기 위해 초정밀 베어링 기술, 공간 오차 보정 기술, 초정밀 유체베어링 스핀들 기술, 전자식 능동 스핀들 기술, 환경제어 기술 등이 적용된 가공기계를 의미한다. 기존 가공시스템에 레이저, 초음파, 에너지빔 등을 융합하여 가공효율을 극대화하고 다품종소량생산에 따른 수요자 맞춤형 생산은 물론 다목적에 가능하도록 최적화하며, 고세장비의 증대 및 가공면의 평탄화에 적합한 가공시스템으로 향후 성장 가능성에 큰 기대를 모으고 있다.
초정밀 하이브리드 가공시스템의 경쟁력
하이브리드 가공시스템이란 두 개 이상의 제조공정이 각 공정의 장점을 극대화하거나, 각기 다른 공정(화학, 물리, 제어 등)이 하나의 공정영역에서 동시에 또는 순차적으로 작용하는 시스템이다. 최근 스마트폰, 스마트 자동차 등 제품에 센서 및 카메라 수요가 급증함에 따라 핵심 렌즈부품에 대한 수요가 커지고 있다. 이에 렌즈금형 가공기에 대한 수요가 국내외에서 급증하는 상황이다. 더불어 IT고사양 제품들에 세라믹재료의 채용이 적극 검토되고 있는데, 가공면 품위 향상을 위한 초음파 가공 스핀들 및 가공시스템, 공정에 대한 개발 요구가 크다. 국내 해당 분야 중소기업들은 기업 경쟁력 확보 및 신시장 개척을 목표로 앞서 언급한 하이브리드 가공기 시스템 개발이 시급한 상황으로 지원과 관심이 요구된다.
초정밀 가공시스템의 산업적 요구도 증가
현재 공작기계 기술의 흐름은 고속화, 다축화, 복합화, 정밀화에 집중되는 추세이다. 초정밀 가공시스템은 산업 구조의 고도화와 제조업의 경쟁력강화를 실현하기 위한 핵심 산업으로 전후방 산업관련 효과가 매우 크다. 특히, IT, BT, NT 등 융복합 기술 및 초정밀 공작 기술 기반의 미래 신산업 분야의 핵심 기반 산업이다. 최근에는 공정이동 간 발생하는 비가공시간, 공정교체 시 발생하는 치공구 오차 등을 제거하기 위해 1대의 기계에서 다양한 기능성 가공을 수행하는 가공기계가 보편화되었다. 초정밀 공작기계는 핵심 기간재 산업으로 전후방 연관 산업과의 연관성은 타 산업에 비해 높은 수준이다. 현재 정밀 가공·소성 등 기반공정기술, 메카트로닉스 등 기계분야의 공통기반 원천기술 혁신을 위한 진흥전략이 추진되고 있다.
공작기계 산업에서는 복잡한 형상의 가공물 제작을 위해 필요했던 다수의 공정을 1대에서 수행할 수 있는 기능을 가진 기계를 개발하기 시작했다. 이것이 일반적인 하이브리드 가공기라 불리는 공정집약형 가공으로 1970년대 중반부터 80년대 초에 일본은 이미 히다치 전기에서 NC선반[5LC]에 밀링용 주축 및 Y축, ATC(자동 공구 교환장치), 선반 주축의 각도 분할 기능(C축)을 구축한 복합가공기를 출시한 바 있다. 우주항공·방위·에너지·자동차·의료 산업 등에서 급격히 수요가 증가하는 고융점 금속 기반 기능성 부품 제작 및 부품 가공시스템 수요에 대응하기 위해, 전 세계적으로 고융점 금속 하이브리드 가공 시스템 개발 경쟁이 치열하다. 글로벌 공작기계 기업에서는 단일·다종 고융점·난삭 소재를 이용한 다양한 일체형 형상의 제품을 정밀하고 빠르게 제작하기 위해 적층·가공·열처리를 한 기계에서 수행할 수 있는 하이브리드 가공기들을 앞 다투어 출시하고 있다. 실례로 현재 DMG Mori(독일), Mazak(일) 등은 공작기계 플랫폼에 적층·열처리·기계가공 헤드를 장착한 하이브리드 가공기를 경쟁적으로 출시하는 상황이며, Norsk Titanium사는 절삭·적층 혼합 하이브리드 가공으로 티타늄 합금 부품을 Airbus사에 공급한 바 있으며, 이를 통해 비행기 1대 당 200-300만 달러의 비용절감 효과가 있을 것으로 예측된다.
초정밀 가공시스템 분야의 산업 구조와 시장전망
공작기계는 핵심 기간재 산업으로 전후방 연관 산업과의 연관성은 타 산업에 비해 상대적으로 높은 수준이라고 할 수 있다. 공작기계의 전방산업으로는 자동차, 전기전자 및 통신기기, 조선, 금형업종 등이 해당되고 후방산업으로는 부품소재, 철강, 공구업종 등이 해당된다. 실제로 공작기계 투자수요를 유발시키는 연관성은 전방산업의 발전보다는 후방산업의 발전에 보다 큰 영향을 받는다. 공작기계와 연관성이 가장 강한 업종으로 전방산업은 자동차, 후방산업은 부품·소재로 이들 업종은 향후에도 변동이 없을 것으로 예상된다. 이 같은 산업구조 사이에서 공존하는 공작기계산업이기에 세계경제의 부침에 따른 그 영향도 크다. 더불어 전후방 산업의 기술 고도화에 비례해 공작기계 역시 초정밀 하이브리드 가공기술 시스템의 요구와 수요도 커지고 있다. 현재 세계 정밀기계 시장은 2016년 약 1,793억 달러에서 연평균 8%의 성장률을 기록하며 2022년 2,852억 달러 수준에 이를 것으로 전망된다. 더불어 4차 산업혁명 및 스마트 공장의 확산에 따라 3차원 적층제조시스템, 스마트 시스템, 미세 전자기계시스템의 성장세가 가파르다. 초정밀 및 하이브리드 가공 시스템 시장의 경우 2016년 290억 달러에서 2022년에는 약 681억 달러로 연평균 약 15%의 성장률을 유지할 것으로 예상된다.
현재 국내 가공공작기계 산업 시장은 2017년 17.4조 원에서 연평균 약 5.49%의 성장률을 기록하며 2022년에는 약 22.8조 원에 이를 것으로 전망된다. 레이저 복합 가공 시스템이 포함된 초정밀 및 하이브리드 가공 시스템의 국내시장은 2017년 6조 원에서 연평균 2.35%의 성장률을 기록하여 2022년에는 약 6.7조 원 규모에 이를 전망이다.
초정밀 가공시스템 기술개발 방향
난삭재의 가공기술 관련된 기술개발은 크게 공작기계, 공구 및 신(新)가공기술로 나누어 생각할 수 있다. 공작기계의 경우 독일과 일본을 중심으로 고성능 난삭재 가공을 위한 공작기계 개발을 주도하는 반면, 국내는 아직까지 연구개발 실적이 미흡한 상황이다. 난삭재 가공을 위한 공구개발은 미국, 스위스 및 일본을 중심으로 공구의 코팅 및 형상개발위주의 개발을 진행하고 있으며 국내에서는 일부기업을 중심으로 연구가 진행 중이다. 초음파, 레이저 등을 이용한 신(新)가공기술은 대만과 호주, 독일을 중심으로 연구가 진행되고 있다. 현재 국내에서는 일부 대학과 연구소에서 연구가 진행 중에 있다. 기술개발 방향의 측면에서 살펴보면 몇 가지로 축약된다. 하이브리드 공정과 장비의 기반이 되는 ‘플랫폼’측면에서 접근하면 기존 공작기계 또는 3차원 프린터를 플랫폼으로 이에 새로운 기능을 추가하는 것과, 하이브리드 제조공정을 위한 연구실 기반으로 새로운 플랫폼을 구성해 볼 수 있다. 더불어 다양한 공정을 ‘모듈화’해 개발된 플랫폼에 적용하는 방법도 접근 가능하다. 각 공정마다 필요한 환경적 요인을 모듈화하고 표준화하면 하나의 플랫폼에서 다양한 하이브리드 제조공정을 소비자 요구에 맞게 유연하게 대체할 수 있을 것으로 전망된다. 플랫폼과 모듈의 통합기술(하드웨어/소프트웨어) 측면에서도 접근할 수 있다. 설계, 제조, 제어 등을 통합하기 위한 요인들을 연구하고 소프트웨어와 하드웨어가 통합되면 각 공정의 단점을 보완하고 장점을 최대화할 수 있는 다양한 조합의 하이브리드 제조공정 개발이 가능할 것이다. 미래 하이브리드 제조공정은 3차원 형상, 다종재료 사용(Multiple Workpiece Material), 다기능(구조적, 기계적, 전기적, 자기적, 광학적, 바이오 기능) 구현, 재료 특성 향상을 위한 조율 가능한 재료(Tunable materials) 사용, 초정밀도(Ultraprecision) 구현이 필요하다. 다양한 물리-화학적 시너지 효과에 대한 연구는 아직 초기 단계이며, 일반적인 제조공정에서 요구되는 공정계획 소프트웨어의 최적화뿐 아니라 최근 이슈가 되는 IoT, 빅데이터 등 ICT 기술과 결합된다면 제조업 쪽의 혁신을 이끌 수 있을 것으로 기대된다.
일본 등 주요 선진국 제품개발 동향
현재 해외 초정밀 하이브리드 공작기계 동향을 살펴보면 선진국인 일본의 여러 기업들이 관련 기술을 개발에 박차를 가하고 있다. FANUC의 터닝기반 5축 가공기인 Robo Nano에 적용된 공기베어링 스핀들과 이송계는 회전정밀도 50nm와 나노미터의 이송분해능을 갖는 요소들을 적용하고 있다. 또한 회전과 직선이송이 동시에 가능한 공기테이블, 공기 베어링을 이용한 스크류 동력전달 등의 기술을 보유하고 있다. 이는 일본의 초정밀 가공기술을 한 단계 발전시킨 모델로 평가받고 있지만 일본 외에는 판매하지 않고 있다.
Toshiba 기계는 V-V 롤러를 이용하는 독자기술을 개발해 이를 초정밀 가공기에 적용하였으며, 이를 통해 진직도 300nm를 달성하는 성과를 거뒀다. Sodick은 초정밀 머시닝센터인 Nano 100을 통해 최대 5축의 초정밀 가공기를 개발했으며 더불어 워터젯과 와이어 방전의 Hybrid 가공시스템 및 모듈 등을 개발한 바 있다. Toyoda공업(현 JTEKT), Nagase 등의전통적 공작기계업체들은 상대적으로 뒤늦게 초정밀 가공기를 개발했으나 대부분의 다축 초정밀 가공기의 일본외 수주는 어려운 상황이다. 일본기업 Mazak, DMG/Mori-Seiki 등 선두업체들은 단일 플랫폼에, One-Chucking Multi- Machining, Done-In-One(All-In-One) 등 융복합 장비를 개발했고 초음파/레이저 등 비절삭 공정을 절연삭 공정에 가미(Assist)해 가공 품질과 생산성을 향상시켰다.
미국의 초정밀 가공기용 운동요소는 로렌스 리버모어 국립연구실의 초정밀 가공기 연구개발을 시작으로 출발했으며, 실제 공기베어링 및 이를 이용한 운동요소에 있어 가장 성공적으로 상용화시키고 다수의 모듈기업이 활동하고 있다. Danaher motion, Aerotech, Professional Instruments, Precitech, Moore, Nelson air, Newway 등의 전문기업들이 현재 미국 초정밀기술의 근간이 되고 있다. 유럽에서는 독일이 전통적인 초정밀기술을 가지고 있는 나라다. 대표적으로 독일 기업 Kugler Precision는 3축에서 5축의 다양한 구성이 가능한 초정밀 가공기를 개발했고, 이송계 모듈 및 회전 테이블 등의 요소들을 상품화 시켰다.
아시아 권역에서는 일본 이외에 한국과 싱가폴, 대만 등이 관심을 갖고 개발을 진행 중에 있다. 특히 싱가포르의 관련기술 개발이 눈길을 끄는데. 싱가포르의 Mikrotool는 하이브리드 가공이 가능한 마이크로 가공시스템을 최근 상용화에 성공해 주목받고 있다.
현재 국내 공구업체는 공구 원자재의 해외수입 의존도가 매우 높고 영세하여 주로 초경 엔드밀과 코팅공구에 집중하고 있어 해외 선진국과의 기술격차가 존재하고 있다. 신소재 및 난삭재 가공기술의 경우 원천기술 부족으로 글로벌 트렌드에 발 빠르게 대응하지 못하고 있어 정부지원 및 기업들의 노력이 요구된다.
