워터젯 절단: 혁신과 정밀함의 검증된 역사

워터젯 절단 기술은 고품질 주방 대리석 상판부터 산업용 공구와 공정까지 다양한 구조물에서 찾아볼 수 있는 가장 흔한 공법 중 하나입니다.

이 공정을 가능하게 하는 장비를 보면 매우 정교하고 하이엔드해 보이지만, 그 역사는 생각보다 훨씬 깁니다.

워터젯 절단 기술의 기원과 발전사를 깊이 있게 살펴보겠습니다.

워터젯 절단을 발명한 사람은?

워터젯 절단 기계 최초의 특허는 노먼 프란츠(Norman Franz)에게 있습니다. 그는 브리티시컬럼비아 대학교 교수였으며, 10,000psi 압력의 물을 사용한 공정을 특허냈습니다.

워터젯 절단의 역사는 19세기 중반으로 거슬러 올라가며, 최초 용도는 점토와 자갈 퇴적물 제거였습니다. 물줄기를 채광에 쓰는 것을 수력 침식 채광이라 부릅니다.

1850년대 러시아와 뉴질랜드에서 석탄 광산 굴착에 워터젯이 쓰인 기록도 있습니다.

변형된 워터젯은 금 채광에도 쓰여 금맥에서 토석 불순물을 제거했습니다. 이때 수압은 약 800psi에 불과했습니다. 미국 골드러시가 워터젯 기술의 채광 활용을 크게 촉진했습니다.

1930년대에는 미국과 러시아 엔지니어들이 주물 세척에도 이 공정을 최적화했습니다. 하지만 여전히 수압은 약 1,500psi 수준이었습니다.

워터젯은 언제 발명되었나?

워터젯 절단기에는 여러 종류가 있으며, 각기 다른 시기에 개척되었습니다. 주요 워터젯 절단기의 발명 시계열은 다음과 같습니다.

순수 워터젯 절단 개발 시기

워터젯 역사는 1850년대 채광용으로 시작되었지만, 실용적 워터젯 절단 적용은 1930년대 제지 회사들이 두꺼운 종이 더미를 자르는 데 쓰면서 시작되었습니다.

최초 기록된 워터젯 적용은 1933년 위스콘신 주의 한 제지 회사가 수평으로 움직이는 종이 더미를 자르는 데 이 공정을 쓴 것입니다.

연마 워터젯 가공 개발 시기

연마 워터젯 기술은 이집트계 미국인 엔지니어 모하메드 하시시(Mohamed Hashish)가 주도적으로 개발했습니다. 이 연마 워터젯 절단기는 상업적으로 매우 실행 가능했고 빠르게 적용처를 찾았습니다.

하시시 이전에도 연마 워터젯은 존재했지만 습식 블라스팅으로만 제한적으로 쓰였습니다. 하시시의 개발로 정밀 절단 분야로 용도가 확장되었습니다.

액체 제트 가공 개발 시기

존 파슨스(John Parsons)가 1950년대 액체 제트 가공법을 즉흥적으로 개발했습니다. 6,900bar 압력으로 항공우주 장비와 플라스틱 절단에 적용했습니다.

최초 상용 워터젯 절단기 출시 시기

워터젯 절단기가 상용 시장에 나온 것은 1970년대 벤딕스 코퍼레이션(Bendix Corporation)을 통해서였습니다.

워터젯 절단 기술 발전 연대표

워터젯 절단 기술 발전의 간략한 역사입니다.

1930~1940년대

• 저압 워터젯 시스템이 제지 특허 회사에서 절단 및 가공에 적용됨. 레슬리 티렐(Leslie Tirrell)과 엘모 스미스(Elmo Smith)가 종이 절단용 워터젯 기술 개발.
• 기존 채광용 워터젯은 매우 넓은 물줄기였으나, 1930년대 새로운 워터젯 절단기에서 좁은 빔 형태의 워터젯 스트림이 개발됨.
• 당시 최대 과제는 충분한 수압을 낼 신뢰할 만한 고압 펌프를 찾는 것이었음.

1940~1950년대

• 워터젯 절단기 수압이 높아지고 자동차 및 항공 분야에 적용되기 시작함.

1950~1960년대

• 1956년 칼 존슨(Carl Johnson)이 룩셈부르크 두록스 인터내셔널에서 연질 플라스틱 형상 절단에 적용할 수 있도록 기술 혁신.
• 1958년 항공 엔지니어가 100,000psi(6,900bar) 압력의 워터젯 절단기 개발. 항공우주 소재와 플라스틱 절단에 적용. 초음속 액체 제트가 스테인리스강 등 합금도 관통 가능.
• 고압 물이 경질 소재 절단에 효과적이었으나 소재 박리(delamination) 문제가 발생해 추가 개량 필요.
• 노먼 프란츠가 연마 워터젯 기계 초기 시험 가동. 연마 워터젯 스트림으로 목재 절단 실험.

1960~1970년대

• 석재, 금속, 폴리에틸렌 절단에 워터젯 적용 시작. 압력은 낮아짐(약 4,000bar).
• 1962년 유니온 카바이드(Union Carbide) 엔지니어 필립 라이스(Philip Rice)가 약 50,000psi에서 작동하는 맥동 워터젯 절단기 실험.

1970~1980년대

• 벤딕스 코퍼레이션이 상용 워터젯 절단 시스템 출시. 큰 성공은 벤딕스가 개발한 강옥 크리스탈 워터젯 오리피스로, 초고압을 견딤.
• 모하메드 하시시가 연마 워터젯 공정을 견디는 내구성 있는 연마 워터젯 노즐 개념 창안. 업계에 혁명을 일으키고 연마 워터젯을 다양한 소재에 적용 가능하게 함.

1980~1990년대

• 보라이드 코프(Boride Corp)가 세라믹 텅스텐 카바이드 소재 연마 워터젯 노즐 개발.
• 잉거솔랜드(Ingersoll-Rand)가 주요 연마 워터젯 절단기 공급업체로 부상.

1990~2000년대

• 오맥스(Omax)가 워터젯을 움직일 수 있는 모션 제어 시스템 도입.

2000~2010년대

• 제로 테이퍼 워터젯 절단 개발로 공정 정밀도 향상.
• 다축 워터젯 개발로 공작물에 복잡한 절개 생성 가능.

2010년대~현재

• 워터젯에 6축 기능 탑재로 더욱 정교한 형상 생성 가능.
• 워터젯과 호환되는 수많은 소프트웨어 제공. 기본 절단 형상 프리셋과 맞춤 설계 기능 탑재.

미래의 워터젯 절단 기술

최신 트렌드 중 하나는 소형 워터젯 절단기 개발입니다. 소형화로 제조업체가 공간 걱정 없이 기존 작업장에 워터젯을 도입할 수 있게 됩니다.

소형 장비 개발은 전문 업체뿐 아니라 소규모 제조업체도 이 기술을 제공할 수 있게 합니다.

절단 속도 향상도 개선 분야입니다. 수압 증대, 효율적 소프트웨어, 고성능 컴퓨팅으로 달성 가능합니다.

또 다른 개선 영역은 공정에 쓰이는 초고압 워터 펌프의 한계를 밀어붙이는 것입니다. 이 펌프들이 기술의 경계를 허물어 가장 두꺼운 소재에도 적용 가능하게 할 것입니다.

맺음말

워터젯 절단은 이미 1세기 넘게 존재했지만 여전히 끊임없이 진화 중입니다. 모든 산업이 이 공정을 직접 쓰거나 이 방식으로 만든 제품을 사용합니다.

미래 트렌드를 보면 대부분의 제조업체 조립 라인에 워터젯 절단기가 들어오는 날이 멀지 않아 보입니다. 거의 모든 소재에 적용 가능한 점이 이 기계들에 대한 높은 수요를 뒷받침합니다.