기존 금속 베어링을 플라스틱 베어링으로 바꾸면 어떤 효과가 있을까? 독일 기업 이구스의 iglidur (이글리두어) 폴리머 베어링은 금속 베어링 대비 최대 40%의 비용 절감으로 높은 비용 효율과 더욱 긴 서비스 수명을 제공한다. 공작 기계, 충진 설비, 공압식 실린더와 같은 산업 환경은 물론 주방용 기기나 자전거, 자동차와 같은 일상 생활에서도 고성능 플라스틱은 상당 부분 금속 베어링을 대체해 이용되고 있다. 윤활과 유지보수가 필요 없는 트리보 폴리머 소재가 주는 이점이 가장 큰 대체의 이유다.
그림 1. 16개 표준 재질 포함, 50종까지 제공 가능한 iglidur 폴리머 재질. 작동 수명 내내 무급유 운용과 일정한 마찰계수를 제공한다.
트리보 폴리머로 각종 기계 부품을 생산하는 독일 기업 igus의 ”motion plastics”은 비, 염분 및 극한 온도에 내성을 지니며, 오일과 화학 물질에 영향을 받지 않는다. 금속 솔루션과 비교하여 큰 경량 효과와 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다. 이미 다양한 산업 분야와 어플리케이션에서 플라스틱 베어링이 금속 베어링을 대체하고 있는 이유는 뛰어난 성능뿐만 아니라 특별한 재료 속성 때문이기도 하다. 고정된 응력을 견디는 능력이 더욱 뛰어난 금속 베어링은 실제 움직이는 모션에서 너무 쉽게 마모가 되버린다. 반면, 플라스틱 베어링은 사용 수명 내내 일정한 마찰 계수와 내마모성을 제공하기 때문에 사용 수명을 예측할 수 있다는 장점이 있다.
어떤 어플리케이션에든 적용할 수 있는 다양한 제품 선택
igus GmbH가 폴리머 베어링을 개발하고 생산한 지는 올해로 30년이 넘었다. 이들의 플라스틱 베어링 고유 브랜드 ”iglidur(이글리두어)”는 16개 표준품을 포함해 약 50개의 재질로 생산된다. 수많은 연구 결과를 통해 플라스틱이라 가벼우면서도 자체 윤활이 가능하고 유지보수가 필요 없는 것이 가장 큰 장점이다.
16개 표준품뿐만 아니라 약 50개 재질과 DIN ISO3547에 따른 113개 이상의 치수 생산은 약 830평 규모의 업계 최대 규모의 테스트 연구소에서 비롯된다. 매년 1천 3백 5십억 회 이상의 테스트 동작으로 다양한 모션과 환경 조건을 대응할 수 있는 제품을 개발한다. 제품의 형태는 일반 슬리브 타입이나 플랜지 형태 뿐만 아니라 환봉형 소재나 플레이트 판형, 3D 인쇄 필라멘트 또는 SLS 파우더 용으로도 생산된다. 최대 50 밀리미터까지의 샤프트 직경이 표준품으로 생산되며, 카탈로그에 기재된 내경의 최대 규격은 195 밀리미터로 확장 규격품도 선택할 수 있다 전 제품이 최소 주문 수량 없이 24 시간 내 발송을 원칙으로 하고 있다.
금속보다 뛰어난 폴리머 기술력
폴리머를 사용하면 설계가 매우 자유로워진다. 다른 재질에 비해 약간의 가공만 하면 매우 복잡한 부품도 쉽게 만들 수 있고, 특정 첨가제만으로도 그 특성에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이는 igus가 폴리머 소재를 최적화하는데 있어서도 큰 핵심 역량으로 작용한다.
igus는 자체 재질 개발 부서를 두어 특정 분야 사용에 맞는 새로운 재질의 연구 개발을 지속해오고 있다. iglidur 플라스틱 베어링의 탁월한 성능은 우선 균일한 구조로 구성된 열가소성 폴리머에 기반한다. 여기에 섬유 및 충진재를 추가해 베어링의 하중 능력을 증가시킨다. 추가적으로 고체 윤활제가 포함되어 무급유 특성이 더해진다. 이 모든 요소들이 균일한 구조로 어우러져 사용 수명 내내 동일한 마찰 계수 및 마모 속성을 제공하게 되는 것이다.
이에 반해 금속 베어링은 다층 구조를 가진다. 내부 층이 매우 얇기 때문에 큰 충격이나 전단 하중, 진동, 심지어 급유로 인한 먼지와 오염물의 퇴적으로 내부 층은 쉽게 벗겨지거나 손상된다.
코팅막이 벗겨지지 않았다 하더라도 계속적인 윤활 작업은 비용과 시간이 많이 드는 단점으로 작용한다. 게다가 그리스나 오일로 인한 위생 및 생태학적 이유는 최근 이들의 인기를 추락시키는 주 요인이 되고 있다. 이러한 이유로 시중에는 내부에 윤활유가 통합된 소결 베어링도 있긴 하나, 이것도 건식 베어링이라고 보기는 어렵다. 롤링 베어링도 마찬가지이며, 특히 니들 베어링의 경우 기술 및 경제적인 이유로 플라스틱 베어링으로 교체되는 경우가 많다.
그림 2. 830평 규모의 업계 최대 테스트 연구소에서는 매년 1,350억회 이상의 테스트가 실시된다.
적용 사례 – 농기계
다양한 산업 시장 중 농기계는 플라스틱 베어링의 기술력을 증명하기에 아주 좋은 예라고 igus는 설명한다. 농기계에 현재 적용되고 있는 iglidur Q2나 Q290은 마모에 대한 내성이 매우 크고 높은 표면 및 전단 하중을 대응할 수 있다. 부식이 없고 충격과 충돌에도 강하다. 비료, 슬러리, 또는 연료의 접촉에도 영향을 받지 않기 때문에 장기간 사용에도 기계를 안정적으로 가동시킬 수 있다. 특히, 기계가 엄청난 양의 분진에 노출될 수 있는 농업 환경에서 iglidur 베어링은 최적의 기능성과 긴 작동 시간을 보증한다.
적용 사례 – 식품 산업
식품 및 포장 산업의 엄격한 위생 및 안전 표준을 고려하면 무급유는 더욱 중요한 역할을 한다. 식품의약청(FDA) 규정에 따라 제품이 윤활유나 기타 물질에 의해 오염되지 않아야 하기 때문이다. 결과적으로 식품과 함께 사용하는 데 적합성을 인증받은 FDA 준수 플라스틱만 적용될 수 있다는 이야기다. 금속과 대조적으로 유기적 구조를 지닌 플라스틱은 부식이 없으며 수분 함유 염분 용액을 포함해 산, 가성소다 등 무기질 매체에 내성을 갖는다. 실제 igus의 고객, Singer & Sohn GmbH의 설계 엔지니어 Dieter Koller는 ”식품 산업 적용 기계 설계에 있어 고려해야 할 점은 오작동이나 의도치 않은 셧다운을 방지하는 것은 물론이고 모든 내부/외부 구역이 습한 환경과 화학 약품을 견딜 수 있어야 한다는 점입니다.”라며 해당 산업의 환경 조건을 설명하며 본인의 교체 경험에 대해 이야기했다.
Singer & Sohn 社는 식품 산업용 특수 기계를 만드는 회사로, 소시지 분리 기계의 수동 작업을 대체할 베어링으로 iglidur 를 처음 사용했다. ”iglidur 베어링은 소시지 분리기에서 수동으로 이루어지고 있는 작업을 대신해 먼지와 오염에 대응합니다. 전에는 니들 베어링을 설치하곤 했었는데 작동 중이나 세척 중에 거의 매일같이 오작동을 일으켰어요. 세척 중에는 물이 몇 방울만 튀어도 즉시 베어링을 교체해야 할 정도로 매우 민감해서 장기적으로는 너무 많은 비용 소모를 발생시켰습니다. 반대로 플라스틱으로 바꾸고나서는 수분이나 화학물질에 대한 내성으로 유지 보수 걱정을 완전히 덜 수 있었습니다”라고 덧붙였다.
특정 산업과 어플리케이션, 맞춤 재질로 차별화된 서비스
iglidur 재질 중 가장 소요가 많은 대부분의 재질은 5가지 정도다. 하지만 동시에 점점 더 많은 회사들이 전문화된 부품 생산에 집중하면서 차별화된 생산 환경과 그에 따른 특정 재질에 대한 수요도 커지고 있다. 예를 들어 무급유이면서 내균성을 갖춰야 하는 의료 및 실험 장비나 정전기 방지 플라스틱을 사용해 방직 산업에서 베어링이 보풀이나 먼지를 끌어들이지 않도록 하는 것들이 그렇다. 수중 사용부터 높은 하중 적용까지, 자동차 산업에서 항공 장비에 이르기까지, igus는 이러한 모든 경우에 맞춤 재질을 개발한다.
유저가 스스로 각각의 사용에 대해 어떤 재료가 적합한지 검색할 수 있도록 온라인 제품 검색기나, 구성기, 사용 수명 계산기, 3D CAD 구성기와 같은 온라인 도구도 제공한다. 해당 프로그램은 igus 테스트 연구소에서 매년 10,000회 이상 수행한 베어링 테스트를 기반으로 운영된다.
‘건식 작용, 내분진성, 진동 완화, 내화학성, 전단 하중’ 등 해당되는 특정 요구 사항과 허용 표면 압력, 장기간 사용 상한/하한 온도 등도 입력해 적합한 제품을 검색하고 사용 수명도 계산할 수 있다.
그림 3. 유저들로 하여금 간편한 재질 선정을 제공하기 위해 온라인 툴을 제공하고 있다.(iglidur.igus.kr)
플라스틱 베어링이 금속 베어링보다 더 저렴할 수 있는 이유
광전지 시스템, 농업과 해양, 외관 차양막이나 유압 실린더, 액추에이터, 산업 분야를 막론하고 폴리머 베어링이 금속 베어링을 대체해 온 것은 이미 오래 전 부터의 일이다. 엔지니어의 경우, 무급유와 내부식성, 마모 저항과 마찰계수는 필수적으로 고려해야 하는 요소가 되었고 igus가 표방하는 모션 플라스틱은 이에 더해 기계의 사용 수명을 증가시키고 무엇보다 금속 베어링보다 최대 40% 저렴한 가격적 이점을 제시한다.
베어링 자체 가격 뿐만 아니라 대응 샤프트를 다양하게 쓸 수 있다는 건 추가적 가격 절감 가능성을 의미한다. iglidur 베어링은 금속 베어링과 달리 연질 샤프트와도 고효율성을 발휘해 샤프트에 대한 추가적 비용을 더욱 절감할 수 있다. 알루미늄, 강철, 스테인리스, 탄소 섬유와 같은 대부분의 샤프트 재료는 베어링과 함께 igus에서 직접 주문할 수도 있다. 샤프트 또한 적용 환경과 어플리케이션에 따라 가격과 성능 면에서 최적합 재질을 선택하는 것이 매우 중요하다.
미래를 대비하는 일관된 연구 개발
좋은 품질과 저렴한 가격을 동시에 제공하기 위해서는 일관된 연구 개발 작업이 필수라고 igus는 이야기한다. igus는 실제 매년 하노버 전시회를 통해 150가지 이상의 신제품과 제품 라인의 확장을 발표한다.
특히, 3D프린팅 산업은 igus와 유저 모두에게 새로운 가능성을 열어준 좋은 예다. 엔지니어링 설계에 높은 자유도를 보증하는 동시에 사용되는 구성품에 대해 높은 수준의 내마모성을 제공할 수 있다. 서로 완벽하게 상호작용 할 수 있는 두 가지의 최신 기술은 2014년 iglidur 트리보 필라멘트를 최초 개발한 이후로 지속적인 확장을 거듭하고 있다. 현재까지 6개의 트리보 필라멘트가 제품군에 포함되었으며, 작년에는 최초로 SLS 트리보 파우더 개발에도 성공했다.
3D 프린터를 직접 소유하고 있지 않은 업체를 위해 원하는 형상의 부품을 직접 인쇄할 수 있게 하는 3D 인쇄 서비스도 오픈했다. 특수 형상은 물론 사출 금형까지 3D 인쇄를 통해 단 시간에 제작이 가능하다.
이는 특히 테스트 단계에서 큰 이점을 제공한다. 테스트에서 이미 생산 제품에 매우 근접한 상태의 제품을 받을 수 있기 때문에 적용 적합성의 판단을 아주 적은 비용으로 빠르게 해결할 수 있다. 그리고, 어플리케이션에 따라 화학 물질, 온도, 하중 등 매개 변수를 계산해 다양한 iglidur 재료를 폭 넓게 선택할 수 있는 것은 설계자에게 있어 더할 나위 없는 메리트로 작용한다.©
오윤경 기자 news@icnweb.co.kr
