연마재 워터젯 가공: 원리, 응용, 산업 임팩트

워터젯 커팅은 1850년경부터 채광부터 식품 가공까지 다양한 산업에서 특수 기술로 사용되어 왔습니다. 1960-70년대에는 기술과 설계뿐만 아니라 고압 펌프 제조 방법에서도 큰 진전이 있었습니다. 1990년까지 고압 물줄기에 연마재가 혼합되며 형상 절단의 새로운 혁명이 탄생했습니다: 연마재 워터젯 가공. 고압 제트 스트림에 연마재(가넷)를 추가함으로써 그 제트 스트림은 접촉하는 모든 소재를 관통할 수 있는 정밀 연삭 공구가 되었습니다. 이후 10년간 이 공정은 판금뿐만 아니라 말 그대로 모든 소재를 위한 정밀 절단 기술로 다듬어졌습니다. 워터젯은 강철, 알루미늄, 플라스틱, 목재, 카펫, 폼, 타일, 석재, 그리고 만질 수 있는 말 그대로 모든 것을 가공할 수 있습니다.

워터젯 커팅의 한계

많은 장점이 있지만, 몇 가지 규칙과 소재 조건도 알아야 합니다. 첫째, 워터젯은 소재를 완전히 관통해야 합니다. 일반적으로 에칭이나 제어된 깊이의 연마 가공은 정확하게 불가능합니다. 벽 사이 빈 공간과 튜브 같은 단속 절단(Interrupted cuts)은 워터젯에 적합하지 않습니다. 제트 스트림이 첫 번째 벽에서 빠져나와 벽 사이 공간으로 나갈 때 더 이상 제어되지 않기 때문 — 반대쪽 벽에서 넓은 '산탄총' 패턴을 만듭니다.

라미네이트는 워터젯에 문제 소재지만, 오직 피어싱(Piercing) 때만 그렇습니다. 제트 스트림이 소재를 깎고 갈아내는 동안(블라인드 홀에서), 레이어를 벗겨내려 시도하기도 하기 때문입니다. 일부 저압 접근법이 있지만 100% 신뢰할 순 없습니다. 따라서 라미네이트 가공의 최적 방법은 스타트 홀을 드릴링하는 것입니다. 강화 유리, 취성 세라믹 등도 절단 공정의 응력 해제로 깨지기 쉬워 문제입니다.

워터젯 절단기의 장점

이제 워터젯에서 피해야 할 것을 다뤘으니, 나머지 제조계와 소재는 연마재 워터젯 가공 공정으로 활짝 열려 있고 쉽게 가공됩니다. 워터젯 절단 시스템의 쉬운 조작은 초보자와 전문가 공장 모두에 매우 매력적입니다. 일반적으로 워터젯에 필요한 건 단순한 DXF 포맷의 형상 파일뿐 — 운영자가 소재 종류, 두께, 원하는 절단 정밀도를 입력하면 됩니다. 단순함과 유연성 덕분에 기존 작업 방식을 워터젯 커팅으로 대체하거나 보완하는 회사가 이제 많습니다. 이는 유해 가스나 폐기물 없이 정밀 절단이 가능하고 열 공정이 아닙니다. 따라서 대부분 플라스틱 같은 열에 민감한 소재로 만든 부품이 가공 공정에서 손상되거나 파괴되지 않습니다. 오늘날 워터젯 기술은 90,000 PSI(90kpsi) 이상의 절단 압력을 낼 수 있습니다.

워터젯은 세 가지 주요 요소로 정의됩니다:

1. 테이블/이동 크기 또는 용량;
2. 절단 압력; 그리고
3. 절단 마력(hp).

일반적인 워터젯 시스템은 5' x 10' 또는 6' x 12' 테이블 이동, 60,000 psi(60kpsi) 작동 압력, 30 HP 전동 유압 펌프로 그 압력을 생성합니다. 펌프 압력 — 그리고 그 압력에서의 물 생산량 — 은 기계 성능뿐만 아니라 운영 비용에도 큰 영향을 미칩니다. 40kpsi로 작동하는 펌프는 시간당 몇 달러 덜 들지만, 60kpsi로 작동하는 동일한 기계로 같은 부품을 같은 품질로 자르는 데 말 그대로 두 배 시간이 걸려 제조 비용이 두 배가 됩니다. 또 다른 예로, 60kpsi에서 30 HP 펌프는 분당 0.6갤런(GPM)의 가압수를 생산합니다. 같은 기계가 같은 압력(60kpsi)에서 60 HP 펌프를 쓰면 1.2 GPM의 가압 절단수를 생산하여, 같은 부품을 같은 공차로 절단 속도를 40% 높일 수 있습니다.

펌프(Pumps)

워터젯 시스템 구매 또는 교체용으로 두 가지 주요 펌프 타입이 있습니다. 단연 인텐시파이어 펌프가 인기 있는데, 절단 속도 증가, 일정한 작동 압력, 신뢰성 때문입니다. 직수 및 연마재 워터 커팅 용도로 구매 가능한 펌프 타입 설명:

다이렉트 드라이브(Direct Drive) 

일반적으로 세 개의 플런저가 전기(또는 가솔린/디젤) 모터에 의해 구동되어 크랭크샤프트를 돌려 최대 55kpsi를 생성. 이 펌프 타입의 주요 장점:

• 낮은 초기 투자 비용,
• 냉각수 불필요,
• 오일 유압 시스템을 통한 드라이브 손실 없음, 그리고
• 인텐시파이어 스타일 펌프보다 더 많은 고압수 생산량.

이 스타일 펌프의 단점은 펌프 가동 순간부터 실링과 내부 부품 마모로 압력이 매시간 점차 하락하여 절단 속도와 마무리에 영향을 준다는 점. 내부 마모 부품이 더 많아 유지보수 다운타임과 비용이 약간 더 듭니다.

인텐시파이어(Intensifier)

이 펌프에서 전기(또는 가솔린/디젤) 모터가 (일반적으로) 3kpsi 이상의 유압유 압력을 생성. 이 가압유가 실린더로 전달되어 피스톤을 왕복 운동시킴. 피스톤은 피스톤보다 20배 작은 플런저와 연결됨. 고압 실링이 피스톤 챔버의 오일과 플런저 챔버의 물을 분리. 피스톤과 플런저의 직경 비율 차이로 증폭 효과가 생겨, 3kpsi 유압유 압력이 60kpsi 물 압력을 만듦. 이 펌프 스타일의 주요 장점은 압력이 더 높고 일정하여 절단 속도 증가와 신뢰할 수 있는 절단 표면 마무리를 가능하게 함. 단점은 유압유 냉각수가 필요하고 전기 효율이 약간 낮음.

두 타입 고압 펌프 모두 직수 또는 연마재 워터젯 절단에 사용 가능. 연마재 워터젯 기계는 연마재 혼합만 제거하면 직수 기계로도 사용 가능. 하지만 직수 절단용으로 설계된 기계는 연마재 가공 활용 위해 상당한 개조 필요. 각 용도 예시:

• 직수(Straight Water): 식품 가공, 종이, 카펫, 폼, 유리섬유 단열재, 가스켓 등 칼이나 가위로 자를 수 있는 용도.
• 연마재 제트 가공(Abrasive Jet Machining): 금속, 플라스틱, 타일, 석재, 화강암, 기타 쉽게 자를 수 없는 소재.
• 가공 소재: 강철, 알루미늄, 스테인리스강, 구리, 황동, 플라스틱, 폼, 가스켓, 단열재, 카펫, 유리, 타일, 석재, 목재 등.

주요 워터젯 제조사로는 Bystronic, Calypso, Esab, Flow, Omax, Jet Edge, Ward Jet, Hydra Jet, Romeo Engineering, Wardjet, KMT 등이 있습니다. 워터젯이나 기타 제조 기계에 대해 더 알고 싶으시면 아래 자료를 확인하거나 연락 주십시오.