최신 제품 디자인은 더 가볍고, 더 강하고, 더 오래 지속되는 소재를 향해 나아가고 있습니다. 이러한 변화는 복합재 절단 및 성형에 있어 새로운 과제를 야기합니다. 복합재용 CNC 가공은 부품을 더 정확하게 제작하고 더 빠르게 납품함으로써 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 이 기사에서는 오늘날의 워크샵에서 복합재 제작 방식을 개선하는 방법, 용도 및 아이디어를 살펴봅니다.
복합재 CNC 가공은 첨단 장비를 사용하여 탄소 섬유 및 유리 섬유와 같은 거친 소재를 절단하고 성형합니다. 특수한 도구와 방법으로 공구 마모를 줄이고 부품을 튼튼하게 유지합니다. 이 공정을 통해 항공우주, 자동차, 의료와 같은 산업에 필요한 경량 부품을 만들 수 있습니다.
복합재는 기업의 부품 설계 및 생산 방식을 바꾸고 있습니다. 새로운 도구와 기계가 더 많은 가능성의 문을 열어주고 있습니다. 이러한 변화가 다음 프로젝트에 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보세요.
복합 소재란 무엇인가요?
복합재는 두 가지 이상의 재료를 결합하여 만들어집니다. 하나는 강도를 부여하고 다른 하나는 모든 것을 하나로 묶어줍니다. 일반적인 예로는 탄소 섬유, 유리 섬유, 케블라 등이 있습니다.
가볍지만 강하고 열과 부식에 강합니다. 그렇기 때문에 많은 산업 분야에서 고성능 부품에 사용합니다.
합성 섬유는 크게 두 부분으로 구성됩니다. 보강재(탄소 또는 유리 섬유 등)는 강도를 더하고 매트릭스(에폭시 또는 수지 등)는 섬유를 제자리에 고정합니다. 이 두 부분이 합쳐져 부품 하나만 있을 때보다 더 강한 소재가 만들어집니다.
복합재는 시트, 튜브, 레이어드 블록 등 다양한 형태로 제공됩니다. 각 형태마다 다른 가공 전략이 필요할 수 있습니다.
왜 복합재에 CNC 가공을 해야 할까요?
CNC 가공을 통해 복합 부품을 정밀하게 절단할 수 있습니다. 공차가 엄격한 복잡한 형태를 형성하는 데 도움이 됩니다. 이 프로세스는 컴퓨터 제어를 사용하여 공구를 이동하고 재료를 제거합니다.
기존 공구는 섬유가 닳거나 수지가 과열될 수 있습니다. 복합재 가공에는 날카로운 공구, 낮은 속도, 특별한 전략이 필요합니다.
CNC 기계는 반복 가능한 절단을 수행하고 인적 오류를 줄이며 소규모 프로토타입과 대규모 생산 작업을 동일한 정확도로 처리할 수 있습니다.
복합 재료의 유형
복합재는 두 가지 이상의 재료를 결합하여 개별 부품보다 더 견고한 것을 만듭니다. CNC 가공의 경우 일부 복합 재료는 다른 재료보다 더 잘 작동합니다. 다음은 가장 일반적인 유형입니다:
탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)
CFRP는 탄소 섬유와 폴리머 수지를 결합한 소재입니다. 가볍고 강력하며 부식에 강하고 높은 하중을 견딜 수 있습니다.
이 소재는 항공우주, 스포츠 장비 및 레이싱 부품에 표준으로 사용됩니다. 하지만 깨지기 쉽습니다. 특정 응력 하에서 균열이 발생할 수 있습니다. CFRP를 가공할 때는 섬유가 빠지거나 박리되지 않도록 주의해야 합니다.
유리 섬유 강화 폴리머(GFRP)
GFRP는 탄소 대신 유리 섬유를 사용합니다. CFRP보다 저렴하면서도 강도와 강성이 우수합니다.
해양 부품, 풍력 터빈 블레이드 및 전자 인클로저에 사용됩니다. GFRP는 CFRP보다 유연하지만 유리 섬유의 경도로 인해 공구가 더 빨리 마모됩니다.
케블라 복합재
케블라는 내충격성으로 잘 알려져 있습니다. 방탄복, 헬멧 및 보호 패널에 사용됩니다.
케블라는 견고하지만 가공하기에는 단단합니다. 닳고 보풀이 생기기 쉬우므로 특수 절단 도구와 매우 날카로운 모서리가 필요합니다. 공구 수명이 짧은 경우가 많습니다.
열경화성 수지 대 열가소성 수지 복합재
열경화성 복합재는 영구적으로 경화되는 수지를 사용합니다. 한 번 굳으면 모양을 바꿀 수 없습니다. 고온에서도 안정적이며 화학 물질에 강합니다.
열가소성 복합소재는 열을 가하면 부드러워지고 모양을 변형할 수 있습니다. 재활용에 더 좋고 가공이 더 빠릅니다. 또한 충격에도 더 잘 견딥니다.
복합재 CNC 가공에 대한 단계별 가이드
합성물로 작업할 때는 박리, 닳음 또는 도구 손상을 방지하기 위해 세심한 계획이 필요합니다. 최상의 결과를 얻으려면 다음 단계를 따르세요:
1단계: 소재 선택
부품의 용도에 따라 적합한 합성물을 선택합니다. 하중, 열, 화학 물질에 대한 노출을 고려하세요. 또한 소재가 절삭력에 어떻게 반응하는지 확인하세요.
2단계: 가공을 위한 설계
부품 디자인을 단순하게 유지합니다. 날카로운 내부 모서리를 피합니다. 가능하면 반경을 사용합니다. 트리밍을 위해 여분의 스톡을 추가합니다. 공구 진동을 유발하는 피처를 줄입니다.
3단계: 도구 선택
다결정 다이아몬드(PCD) 또는 카바이드로 만든 도구를 사용하세요. 날카로운 모서리와 특정 플루트 디자인을 선택하여 마모를 줄이세요. 코팅된 공구는 수명과 절삭 품질을 향상시킬 수 있습니다.
4단계: 고정
공작물을 단단히 고정합니다. 진공 테이블이나 부드러운 죠를 사용하여 공작물이 찌그러지지 않도록 합니다. 절단 중 휘어짐이나 진동을 방지하기 위해 얇은 부분을 지지합니다.
5단계: 가공 매개변수
금속보다 낮은 속도와 이송량으로 기계를 작동합니다. 사용 클라임 밀링 를 사용하세요. 갑작스러운 공구 이동을 피합니다. 절삭유가 아닌 공기 또는 미스트를 사용하여 절삭 구역을 시원하게 유지합니다.
6단계: 품질 확인
부품의 박리, 섬유 찢어짐, 열 손상 여부를 검사합니다. 카메라나 센서를 사용하여 특징을 확인합니다. 치수 검사는 반복성과 정확성을 보장하는 데 도움이 됩니다.
7단계: 가공 후
먼지나 섬유를 깨끗이 닦아냅니다. 필요한 경우 가장자리를 사포질합니다. 노출된 섬유를 보호하기 위해 실런트 또는 코팅제를 도포합니다. 일부 부품은 사용하기 전에 접착 또는 결합이 필요할 수 있습니다.
금속 CNC 가공과의 주요 차이점
복합재에 대한 CNC 가공은 금속 가공과 다릅니다. 공구, 기계 설정 및 절단 프로세스를 조정해야 합니다.
머티리얼 동작 및 툴 상호작용
금속은 보통 부러지기 전에 구부러지지만 복합재는 그렇지 않습니다. 잘못된 방식으로 절단하면 금이 가거나 갈라질 수 있습니다. 금속을 절단할 때 공구는 단단한 블록을 통과하여 움직입니다. 복합재에서는 공구가 섬유와 수지의 층을 통과하여 절단하므로 섬유가 들리거나 벗겨지거나 부러질 수 있습니다.
또한 복합재는 대부분의 금속보다 마모성이 더 강합니다. 따라서 절삭 공구가 더 빨리 마모됩니다. 표준 공구는 빠르게 무뎌지고 모서리가 거칠어질 수 있습니다.
절삭력 및 공급 속도
복합재는 금속보다 절삭력이 낮지만 갑자기 힘이 변할 수 있습니다. 부품이 손상되지 않도록 공구 경로가 매끄럽게 유지되어야 합니다.
이송 속도도 느려야 합니다. 너무 빠르거나 갑자기 움직이면 표면에 금이 가거나 층이 분리될 수 있습니다. 한 번 깊게 자르는 것보다 여러 번 가볍게 자르는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 열을 제어하고 표면을 깨끗하게 유지하는 데 도움이 됩니다.
열 민감성 및 박리 위험
금속은 가공 중 높은 열을 견딜 수 있지만 복합재는 그렇지 못합니다. 너무 뜨거워지면 수지가 녹거나 강도를 잃을 수 있습니다. 열을 낮추려면 공기 또는 미스트 냉각을 사용하세요. 수분이 너무 많으면 소재에 손상을 줄 수 있으므로 홍수 냉각수를 사용하지 마세요.
박리는 흔한 문제입니다. 이는 도구가 레이어를 분리하여 부품을 약하게 만들고 실패할 가능성이 높을 때 발생합니다.
복합 CNC 가공을 위한 공구 선택
올바른 도구를 선택하면 깔끔한 컷과 망가진 소재의 차이를 만들 수 있습니다. 합성물에 가장 적합한 공구는 다음과 같습니다:
카바이드와 다이아몬드 코팅 공구
카바이드 공구는 강하고 날카롭습니다. 짧은 생산량이나 GFRP와 같은 부드러운 복합재 절단에 적합합니다. 하지만 탄소나 유리처럼 단단한 섬유를 절단할 때는 빨리 마모됩니다.
다이아몬드 코팅 공구는 훨씬 더 오래 사용할 수 있습니다. 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 다이아몬드와 유사한 코팅과 같은 옵션은 연마 섬유로 인한 마모를 방지합니다. 이러한 공구는 가격이 비싸지만 장시간 작업과 엄격한 허용 오차에 이상적입니다.
도구 지오메트리 최적화
공구 모양은 절단 품질에 영향을 미칩니다. 날카로운 모서리는 섬유 마모를 줄이는 데 도움이 됩니다. 업컷 및 다운컷 플루트는 칩을 멀리 이동시키고 표면을 손상으로부터 보호하는 데 도움이 됩니다.
나선형 또는 버형 라우터는 복합 패널에 일반적으로 사용됩니다. 언제 교련구멍에 들어가거나 나올 때 레이어가 쪼개지지 않도록 설계된 포인트 각도가 있는 도구를 사용합니다.
냉각수 및 윤활 전략
복합 소재는 냉각수 범람에 잘 반응하지 않습니다. 수분이 너무 많으면 수지가 손상될 수 있으며, 온도 변화가 심하면 균열이 발생할 수 있습니다.
압축 공기를 사용한 건식 절단이 가장 좋은 선택인 경우가 많습니다. 공구를 식히는 동시에 칩을 제거하는 데 도움이 됩니다.
일부 설정에서는 소량의 액체로 미스트 냉각을 사용합니다. 이렇게 하면 부품을 적시지 않고도 열과 공구 마모를 줄일 수 있습니다.
복합재 가공 기술
다양한 가공 기술을 통해 부품 품질을 개선하고 공구 마모를 줄이며 생산 속도를 높일 수 있습니다. 가장 적합한 방법은 복합재 유형과 부품의 요구 사항에 따라 다릅니다.
고속 가공
고속 가공 는 더 빠른 스핀들 속도와 더 낮은 절삭력을 사용합니다. 따라서 더 깔끔하게 절단할 수 있고 섬유가 빠지거나 박리되는 등의 문제를 줄일 수 있습니다.
이 방법을 잘 사용하려면 올바른 도구가 필요합니다. 특수한 모양의 다이아몬드 코팅 또는 카바이드 공구가 가장 효과적입니다. 또한 손상을 방지하기 위해 공구 경로를 매끄럽게 유지하는 것이 중요합니다.
펙 드릴링 및 레이어드 커팅
펙 드릴링은 재료를 단계별로 제거합니다. 드릴이 들어가고 나가면서 칩을 제거하고 열을 낮추어 섬유 마모와 공구 마모를 줄입니다.
레이어드 커팅은 또한 재료를 작은 단계로 제거합니다. 높은 절단 압력을 피하고 층이 분리되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.
워터젯 및 초음파 보조 CNC 가공
워터젯 가공 연마 입자와 혼합된 고압의 물줄기를 사용하여 복합재를 절단합니다. 열을 발생시키지 않으며 두껍거나 겹겹이 쌓인 재료에 적합합니다.
초음파 보조 가공은 공구에 진동을 추가합니다. 이렇게 하면 소재가 더 부드럽게 파쇄되어 절삭력이 감소하고 정확도가 향상됩니다.
CNC 가공 복합 재료의 이점
CNC 가공은 복합 재료로 작업할 때 많은 이점을 제공합니다. 이러한 장점 덕분에 견고하고 정확한 부품을 제작할 때 신뢰할 수 있는 선택이 될 수 있습니다.
높은 정확도 및 반복성
CNC 기계는 프로그래밍된 지침에 따라 정확한 경로를 따라 정밀한 절단과 매끄러운 모서리를 만들어냅니다. 모양이 복잡하거나 공차가 엄격한 경우에도 부품의 일관성을 유지합니다.
재료 낭비 감소
복합 재료는 비용이 많이 듭니다. CNC 가공은 필요한 부분만 절단하므로 스크랩을 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 전체 부품을 낭비할 수 있는 오류의 가능성도 낮춥니다.
부품 설계의 유연성
CNC 가공을 통해 부품 설계를 빠르게 변경할 수 있습니다. 새로운 도구나 설정 없이도 프로토타입에서 전체 생산으로 전환할 수 있습니다. 이는 맞춤형 부품이나 디자인이 자주 변경되는 경우에 유용합니다.
깔끔한 가장자리와 섬세한 마감
적절한 설정을 통해 CNC 기계는 가장자리와 구멍을 깔끔하게 절단할 수 있습니다. 이렇게 하면 섬유가 닳는 것을 줄이고 추가 마감 작업의 필요성을 줄일 수 있습니다.
확장 가능한 프로덕션
CNC 가공은 소규모 및 대규모 생산 모두에 적합합니다. 부품이 하나이든 수천 개이든 상관없이 공정이 정확하고 일관되게 유지되므로 테스트 및 본격적인 생산에 모두 적합합니다.
산업 전반의 애플리케이션
CNC 가공을 통해 다양한 산업 분야에서 신뢰할 수 있는 복합 부품을 생산할 수 있습니다. 가장 큰 영향력을 발휘하는 분야는 바로 여기입니다:
항공우주 부품
항공우주 분야에서 부품은 가볍고 튼튼해야 합니다. 부품이 가벼우면 연료 사용량을 줄이면서도 안전 및 성능 기준을 충족하는 데 도움이 됩니다. CNC 가공 복합 부품은 내부 패널, 브래킷, 커버 및 지지 구조물에 일반적으로 사용됩니다.
자동차 경량 구조
자동차 제조업체는 차량 무게를 줄이기 위해 복합 소재를 사용합니다. 이는 연비 향상으로 이어지며 전기 자동차의 충전 거리를 늘리는 데 도움이 됩니다. CNC 가공은 대시보드, 범퍼 지지대, 외장 패널과 같은 부품을 성형합니다.
스포츠 장비
고성능 스포츠 장비는 견고해야 하지만 무겁지 않아야 합니다. 자전거, 헬멧, 테니스 라켓, 서핑 보드 등은 복합 소재를 사용하는 경우가 많습니다. CNC 가공은 이러한 부품에 깔끔한 외관과 정확한 모양을 제공합니다.
의료 기기
의료용 도구와 지지대는 튼튼하고 가벼우며 환자에게 편안해야 합니다. 복합재는 보철물, 보조기 및 영상 장비용 부품에 사용됩니다. CNC 가공을 사용하면 엄격한 공차를 충족하고 복잡한 형상을 쉽게 만들 수 있습니다.
효율적인 복합재 가공을 위한 모범 사례
컴포지트로 깔끔하고 정확한 결과를 얻으려면 설정을 조정해야 합니다. 프로세스를 최적화하려면 다음 모범 사례를 따르세요:
올바른 툴링 사용
항상 복합재용으로 설계된 공구를 선택하세요. PCD 또는 다이아몬드 코팅 공구는 수명이 길고 날카로움을 유지합니다. 마모와 칩 축적을 줄이려면 올바른 플루트 스타일을 사용하세요. 금속용으로 제작된 범용 공구는 피하세요.
제어 절단 매개변수
금속보다 낮은 스핀들 속도와 이송 속도를 설정합니다. 얕은 절삭 깊이를 사용합니다. 속도가 빠르면 수지가 과열되어 박리가 발생할 수 있습니다. 공구 경로를 매끄럽게 유지하여 갑작스러운 움직임을 방지합니다.
먼지 제어
복합재 가공 시 미세하고 유해한 먼지가 발생합니다. 집진 시스템이나 진공청소기를 사용하세요. 보호 장비를 착용합니다. 작업자를 보호하고 기계의 정확성을 유지하기 위해 작업 공간을 청결하게 유지합니다.
클램핑 및 고정
부품을 부수지 않고 단단히 잡습니다. 필요한 경우 부드러운 죠 또는 진공 테이블을 사용합니다. 가공 중 부품이 움직이거나 휘어지는 것을 방지하기 위해 부품을 완전히 지지합니다. 안정적인 설정은 정확도와 표면 조도를 향상시킵니다.
박리 및 조각화 방지
날카로운 공구를 사용하고 공구 압력을 줄입니다. 일반 밀링 대신 클라임 밀링을 적용합니다. 출구 쪽을 지지하기 위해 백킹 플레이트로 드릴링합니다. 펙 드릴링과 레이어드 커팅도 손상 가능성을 최소화합니다.
결론
제조업체는 복합 CNC 가공을 통해 다양한 산업 분야에서 튼튼하고 가벼우며 정밀한 부품을 생산할 수 있습니다. 올바른 도구, 설정 및 방법을 사용하면 재료를 손상시키지 않고 복잡한 형상을 절단할 수 있습니다. 금속에 비해 복합재는 열, 속도, 먼지에 대한 더 많은 제어가 필요합니다.
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지난 10년 동안 저는 다양한 형태의 판금 제작에 몰두해 왔으며 다양한 워크숍에서 얻은 경험에서 얻은 멋진 통찰력을 이곳에서 공유했습니다.
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케빈 리
저는 레이저 절단, 굽힘, 용접 및 표면 처리 기술을 전문으로 하는 판금 제조 분야에서 10년 이상의 전문 경험을 갖고 있습니다. Shengen의 기술 이사로서 저는 복잡한 제조 문제를 해결하고 각 프로젝트에서 혁신과 품질을 주도하는 데 최선을 다하고 있습니다.
