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똑똑한 서보 프레스
 
프리모션 제어로 백만 가지 공정을 뚝딱
 
월간 기계기술기자 | 2012.03.06 | 2012년 3월호
 
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거대한 크랭크가 아래위로 움직이며 도장을 찍어내듯 제품을 만들어낸다. 틀의 모양에 따라 붕어빵처럼 똑같은 모양으로 찍어져 나오는 것은 밀가루가 아니라 쇳덩어리다. 금형으로 금속을 눌러 모양을 만든다는 것이 이해가 되지 않겠 지만 유압이나 기계식 장치, 서보모터를 통해 수십 톤, 수백 톤으로 압력을 가하면 가능한 일이다.
프레스 산업의 동향
프레스가공은 상·하 한 쌍의 금형 사이에 재료를 넣고 직선으로 왕복·압축 운동하는 프레스로 가압하여 원하는 형상과 치수를 얻는 가공 방법이다. 프레스는 비교적 단순한 동작을 행하는 기계지만 프레스의 종류 및금형에 따라 복잡한 형상의 제품성형 또한 가능하며, 균일한 제품을 높은 정밀도로 생산할 수 있다.
  국내 사용되는 프레스는 대부분 기계식 프레 스이다. 기어를 이용한 기구학적인 구조로 2,500톤에서 3,000톤까지의 압력을 낼 수 있다. 설계에 따라 5,000톤까지도 가능하다. 기구 설계에 따라 모션을 고정하여 사용할 수있고 빠른 생산속도 때문에 국내에서는 95% 이상의 점유율을 보인다. 하지만 부품이 많고 복잡한 구조를 가진다. 유압식 프레스의 경우 유압의 압축량에 따라 얼마든지 큰 힘을 낼 수 있어 대형 프레스에 많이 사용된다.
  하지만 모션의 자유도가 떨어지기 때문에 특정 제품에만 활용되고 있으며 국내에서는 5% 가량의 점유율을 보인다. 서보 프레스의 경우 서보모터 성능의 발전으로 지속적인 개발이 이루어졌으나 일부 공정과 연구소를 중심으로 사용되며 그 사용량이 많지 않은 실정이다.
새로운 수요의 등장
SIMPAC의 700톤급 서보프레스 SV4P-700
 
 프레스 산업의 주요 수요는 자동차 산업에서 이루어진다. 중대형 프레스의 90% 이상은 자동차 부품과 차제를 만드는데 사용되고 있다. 그래서 프레스 산업과 자동차 산업은 함께 성장할 수 밖에 없다. 주요 수출국의 연비 규제가 늘어나면서 에너지 효율 향상과 탄소 배출 감소를 위해 자동차 구조재에 대한 경량화가 중요한 이슈가 된지 오래다. 철강 재료는 차체의 약 70%를 차지하고 있다. 알루 미늄, 마그네슘 등의 경금속과 고장력 강판은 인장강도가 높아 두께를 줄일 수 있어서 사용비율이 늘어나는 추세다. 이에 대응할수 있는 고기능 서보 프레스, 에너지 절감형 에코머신의 필요성 또한 늘어났다.
프리모션 프레스의 요구
알루미늄, 티타늄, 마그네슘 등의 난삭재는 상온에서의 냉간 성형이 불가능하다. 높은 인장 강도 때문에 높은 압력으로 가공하려고 해도 금형의 마모가 일어나고 제품의 품질이 떨어지기 때문이다. 주물이나 다이캐스팅의 경우는 프레스에 비해 생산성이 현저히 떨어진다. 이럴 때 300℃ 이상의 온간 성형을 이용하게 되는데 기존의 유압식 프레스나 기계식 프레스에서는 가공물을 가열하고 찍어 내는 동안의 모션을 제어할 수가 없기 때문에 생산성이 낮을 수 밖에 없다. 하지만 서보 프레스를 사용하면 이야기가 달라진다.
  프레스의 슬라이드는 규칙적인 진자 운동을 한다. 유압 프레스의 경우 유압량 조절을 통해 속도를 제어할 수 있다. 기계식 프레스의 경우 기구 설계를 통해 모션을 제어할 수 있으나 한정적이다. 하지만 서보 프레스는 서보 모터의 정밀 제어를 통해 전자적으로 모션을 구성할 수 있다. 가압 시간을 늘리고 상하 운동을 조절하여 유효하지 않은 구동시간을 최소화한다. 일반 기계식 프레스에 비해 2배 정도의 가격대를 보이지만 생산성과 다른 이점 들을 고려해 본다면 어떨까?
슬라이드 모션 비교
슬라이드는 상하 운동을 하며 일정한 진자 형의 그래프를 나타낸다.
  서보 프레스의 프리 모션은 상사점의 높이와 하사점의 정지시간을 제어하여 생산성과 정밀도를 높인다. 뿐만 아니라 내려가는 속도와 올라오는 속도도 필요에 따라 제어할 수 있다.
 
 
 
 
고정도
 
유연성
 
 
 
 
 
에너지 절약 ·친환경
•전력 소모량 절감 : 기계식 대비 13%
 •윤활유 소비량 절감 : 약 60% 습식 클러치 브레이크를 사용하지 않아 윤활유 사용량 절약
 •운전 및 유지 비용 절감 : 약 55% 보전 비용, 검사 조정 비용, 금형 보수 비용 등
서보 프레스 도입으로 기대되는 효과
  
 프레스 공정에서 일어날 수 있는 문제점을 확인하고 화살표를 따라가보자.
 
국내 서보 프레스 현황
현대위아, SIMPAC, 화일프레스 등은 이미 2006년에 개발 시제품을 서울국제공작기계전(SIMTOS2006)에 출품한 바 있다. 현재 현대위아에서는 자동차 시장을 목표로 800톤 2포인트 서보 프레스를 개발 완료하였고, 화일프레스는 300톤, 심팩은 200~400톤 및 4포 인트 700톤 서보 프레스 개발한 바 있으며 다수의 프레스를 결합해 2,000톤 규모의 서보 프레스까지 제작이 가능하다.
  국내 동신프레스는 고가의 서보 모터와 드라 이버를 필요로 하지 않는 멀티 서보 프레스로 일본시장 공략을 목표로 하고 있다. 멀티 서보 프레스는 일반 모터에 인버터와 자체 개발한 제어시스템으로 서보 프레스와 동일한 성형모션을 구현할 수 있으며, 제품 공급가를 크게 낮출 수 있다. 서보 모터만큼의 하중 발생이 어려워 성형성이 떨어진다고 하지만 중소형 프레스에서는 안정적이라는 평을 받고 있다.
서보 프레스는 비싸다?
소형 서보 프레스에는 수십 kW급 서보 모터가 필요하며 수백 톤 급의 중형프레스에는 400∼500kW급의 대형 서보 모터가 필요하다. 서보 프레스에 사용 가능한 대형 서보 모터의 국내 생산체계가 부재해 전량 해외에서 수입해야 하는 상황으로 수입단가가 매우 높다. 프레스 제조원가에서 서보 유니트가 차지하는 비율이 50%까지 육박하고 있을 정도이다. 서보 프레스의 핵심기술인 100∼500 kW급 서보 모터 및 드라이브 등의 국산화가 필수 과제이다.
  국내 업체의 경우 서보 프레스의 사용량은 극히 미미하다. 제조 물량의 대부분은 해외 자동차 공장의 라인에 적용된다. 과연 비싸 다는 것만이 그 이유일까?
  국내의 유효한 적용사례가 소개된 적은 없지만 전문가의 의견에 따르면 200% 비싼 서보 프레스 비용에 대한 투자 회수 기간은 1년이 라고 한다. 보수 유지 비용에 에너지 소비량, 생산력의 향상에 대한 이익이 그 정도라는 것이다. 게다가 10대로 가능한 작업을 5대로 대체 가능하면 그 자체로 공간이 절약되고 소음 등의 근로 환경, 에너지 절약까지 금전 적인 이익 이외에도 이중 삼중의 효과를 누릴 수 있다.

 
 
 
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