친환경 제조: 수익과 평판을 높이는 지속 가능한 실천 방안

'친환경 제조(Green Manufacturing)'는 미국 최대 산업 분야의 많은 사람들이 사용하는 일반적인 용어가 되었습니다. Goodwin College는 이를 '제조 분야에서 생산 공정의 갱신과 환경 친화적 운영의 확립'으로 정의합니다. 구식 공정을 재고하는 시간을 갖는 것은 시간과 비용을 절약하고, 최첨단 비즈니스라는 평판을 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다. 환경 친화적 가공 공정의 확립은 친환경 비즈니스를 만드는 올바른 방향으로의 큰 도약입니다.

친환경 제조는 산업의 다음 논리적 진보 단계입니다.

친환경 제조 시작하기

더 지속 가능한 기계 작업장과 친환경 제조를 향한 행진에서 가장 먼저 취해야 할 단계는 시설의 환경 영향 평가입니다. 제조 공정의 환경 영향 평가에 가장 일반적인 방법은 전과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA)입니다. ISO 14040은 LCA를 제품 시스템의 전 생애주기에 걸쳐 투입물, 산출물, 잠재적 환경 영향을 수집하고 평가하는 것으로 정의합니다.

자문해야 할 4가지 질문:

1. 목표 정의 및 범위 설정 – 이 조사에서 무엇을 달성하려는가?
2. 목록 분석 – 정량화된 투입물(에너지, 물, 소재 등)과 산출물(대기 배출, 폐수)은 무엇인가?
3. 영향 평가 – 이러한 것들이 환경에 어떻게 영향을 미치는가?
4. 해석 – 공정을 더 효율적이고 친환경적으로 만들기 위해 무엇을 변경할 수 있는가?

목록 분석을 돕기 위한 데이터베이스가 있습니다. 이 데이터베이스는 이송 속도, 절삭 속도, 공구 직경, 절삭 시간, 냉각수 특성 등의 정보를 수집한 다음 모든 소재 및 에너지 투입물과 산출물을 계산합니다.

절삭유 영향 이해하기

절삭유는 기계 작업장에서 가장 큰 오염원일 가능성이 높으며, 친환경 제조 달성을 방해하고 있습니다. Modern Manufacturing Processes에 따르면, 북미 제조업체들은 2002년에 20억 갤런 이상을 소비했으며, 금속 가공유 시장은 그 이후로만 성장했습니다. 절삭유는 주로 절삭 영역 냉각, 윤활, 칩 배출 등 가공 공정에 여러 이점을 제공합니다.

오염 물질

냉각수에서 최대한의 효과를 얻는 것은 모든 기계 작업장의 비용 효율성의 핵심 요소입니다. 따라서 직면할 가능성이 가장 큰 문제 중 하나이거나 현재 직면하고 있는 문제는 오염 물질로 인한 절삭유 성능 저하입니다. 가장 일반적인 오염 물질 유형은 다음과 같습니다:

1. 유리유(Free oils, 트램프 오일 또는 섬프 오일) – CNC 기계의 기어와 장비를 윤활하는 액체가 절삭유로 스며드는 것
2. 조대 입자(Coarse Particulates) – 상대적으로 큰 고체 폐기물, 칩, 절삭 가루
3. 미세 입자(Fine Particulates) – 공작물이나 절삭 공구에서 나온 극도로 작은 조각들로, 보통 코발트, 카드뮴, 크롬, 알루미늄, 납 같은 중금속으로 구성
4. 미생물(Microorganisms) – CNC 기계 벽과 파이프 내부에 자라는 박테리아와 곰팡이

칩과 절삭 가루 같은 조대 입자는 일반적으로 H-체인, 체인 앤 플라이트, 푸시 바, 플룸 시스템을 사용하여 쉽게 추출할 수 있습니다. 미세 입자는 침전 탱크, 폼 분리기, 원심 분리, 자기 분리기 형태의 분리 또는 여과가 필요하므로 더 어렵습니다. 유리유도 여과로 제거할 수 있지만, 스키머(skimmer)로 빠르고 쉽게 처리할 수도 있습니다.

올바른 여과 시스템은 기계 작업장에 비용 절감과 환경 보호 모두를 가져다줍니다.

미생물은 미세 입자의 10분의 1 크기까지 될 수 있어 제거가 가장 어렵습니다. '월요일 아침 악취(Monday morning stink)'는 대사 과정에서 황화수소를 배출하는 혐기성 박테리아의 흔한 부작용입니다. 이 생물들은 냉각수가 몇 달마다 기계에서 배출되고 교체되어야 하는 주요 이유 중 하나입니다. 지난 몇 십 년 동안 기술 발전으로 막 미세여과 시스템이 바이오매스와 냉각유에서 오일을 분리하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 시스템으로 운영자는 환경과 직원 모두에 골치 아픈 건강 영향을 미치는 살생물제(biocides)를 더 이상 사용할 필요가 없습니다. 그러나 대부분의 미생물은 냉각유가 아니라 기계 벽/파이프 위나 탱크 바닥의 칩 잔여물에 묻혀 자라고 있다는 점에 유의해야 합니다.

작업장에서 미생물 축적을 줄이는 몇 가지 방법:

• 기계 청결 유지 – 슬러지, 절삭 가루, 칩은 박테리아 번식지가 될 수 있음
• 유기 오염 감소 – 침, 땀, 담배 즙, 유기물은 모두 미생물의 먹이 공급원
• 트램프 오일 양 줄이기 – 이것도 먹이 공급원이 될 수 있음

박테리아가 자라며 기계를 악취나게 만드는 더러운 칩 더미.

절삭유 유형

좋은 절삭유는 높은 인화점, 좋은 접착성, 높은 열 안정성, 높은 산화 안정성을 가져야 합니다. 높은 인화점은 고온에서 유체가 발화하지 않아야 하므로 필요합니다(가솔린은 인화점이 낮음). 좋은 접착성은 유체가 공작물 표면에 달라붙게 합니다. 이는 절삭 공구와 공작물 사이에 층을 만들어 그들을 분리하고 마찰을 줄여줍니다. 더 많은 마찰은 더 높은 절삭 힘을 초래하고, 이는 더 높은 절삭 온도로 이어집니다.

높은 절삭 온도는 문제가 되는데, 이는 절삭 공구가 더 빨리 마모되고 공작물이 가공 경화될 수 있기 때문입니다. 높은 열 안정성은 고온에서 유체가 낮은 점도를 가져야 함을 의미합니다(실온에서 꿀은 높은 점도의 유체 예시). 절삭 영역에서 낮은 점도는 더 적은 마찰을 허용하므로 더 적은 열과 절삭 힘으로 이어집니다. 절삭유의 산화 안정성은 궁극적으로 그 절삭유를 얼마나 오래 사용할 수 있는지 결정합니다. 시간이 지나면 오일이 산화되기 시작하여 점도와 슬러지 퇴적량이 증가합니다.

과도한 냉각수 양은 과도한 폐기물을 의미할 수 있습니다.

이 문서의 목적을 위해 절삭유를 생분해성과 비생분해성이라는 두 가지 광범위한 범주로 분류하겠습니다.

비생분해성 냉각수

비생분해성 냉각수는 석유 기반입니다. 높은 인체 및 생태 독성을 가지며, 이는 직업적 건강 위험을 초래합니다. 또한 복잡한 폐기 공정을 가집니다.

생분해성 냉각수

생분해성 냉각수는 식물 기반입니다. 이들은 보통 콩, 코코넛, 카놀라 같은 식용 식물이나 님(neem), 카란자(karanja), 자트로파(jatropha) 같은 비식용 식물에서 제조됩니다. 이 요소는 उन्हें 재생 가능 자원으로 만들고, 인체와 환경에 덜 독성 있게 만듭니다.

최근 몇 년간 일부 변형된 식물성 오일이 표면 조도, 열 억제, 윤활 측면에서 석유 기반 오일을 능가하는 성능을 보였습니다. Science Direct에 발표된 한 연구는 304 스테인리스강 선삭을 중심으로, 붕산 첨가제가 든 코코넛 오일이 다른 두 절삭유에 비해 공구 측면 마모와 표면 거칠기 방지에서 현저히 우수함을 밝혔습니다. 이는 식물성 용액의 높은 열 안정성 덕분이었습니다.

IOP Science에 발표된 또 다른 연구에서는 님과 카란자 오일 조합이 연강 드릴링 시 SAE 20W40(석유 기반 오일)보다 윤활 측면에서 우수함을 발견했습니다. 결과는 식물성 오일 용액이 더 높은 점도와 접착성으로 인해 절삭 힘을 감소시켰음을 보여주었습니다. 이는 궁극적으로 부품의 더 나은 표면 조도로 이어졌습니다.

비용 효율적인 냉각수 변경 요약

• 기계를 청결히 유지하고 외부 오염을 줄여 기계 내 미생물 축적 감소
• 막 미세여과 시스템 설치
• 더 효율적이고 생분해성인 절삭유로 전환

건식 가공의 긍정적인 친환경 가공 영향

기회가 될 때마다 건식 가공을 활용해야 합니다. 절삭유 조달, 관리, 폐기와 관련된 비용과 환경 문제가 제거되기 때문입니다. 건식 가공의 또 다른 이점은 열충격(thermal shock) 부재입니다. 커터가 절삭을 벗어났는데 냉각수가 계속 분사되면, 큰 온도 변동(열충격)으로 인해 절삭날이 계속 뜨겁게 작동하는 것보다 더 빨리 파손됩니다. 건식 가공은 단속 절삭 가공이나 경화강 절삭 시 가장 널리 사용됩니다. 특히 고속 고이송 밀링 작업에서 인기가 있습니다. 높은 운전 파라미터로 절삭하면 대부분의 열이 공작물이 아닌 칩으로 분산됩니다. 경화강 가공 시에도 마찬가지입니다.

건식 가공에 이상적인 공구

이상적인 절삭 공구는 더 내열적이어야 하고, 덜 열을 발생시켜야 합니다. 초경은 매우 단단하고 강하므로 좋은 기판입니다. 코팅 공구는 건식 가공에 최적의 선택입니다. 향상된 단열성과 향상된 자가 윤활성을 가지기 때문입니다.

최소량 윤활(MQL)의 긍정적 효과

• 유체 소비량 대폭 감소
• 더 안전한 절삭유 및 윤활제
• 직원 건강 위험 감소
• 더 깨끗한 작업장 환경
• 유지보수 감소

MQL에서는 매우 소량의 유체가 사용되므로, 약간 더 비싼 식물성 오일을 사용하기에 완벽한 애플리케이션입니다. MQL은 톱질과 드릴링 작업에서 가장 효과적인 것으로 밝혀졌습니다.

친환경 제조의 이점

환경주의적 관점에서 현재 가공 작업을 재검토하면 시간과 비용을 절약하고 직원들을 위한 덜 위험한 작업장을 만들 수 있습니다. 위의 기술을 사용하여 작업장 효율을 근사하고 현재와 미래 세대의 이익을 위해 적절한 변경을 가할 수 있습니다.