니어넷셰이프 제조: 폐기물 최소화, 시간 단축, 비용 절감

니어넷셰이프 제조가 시간과 비용을 아끼는 방법

제조 금속 객체는 주조, 단조, 가공을 통해 만들어지며, 이 과정에서 폐기물이 발생하기도 합니다. 니어넷셰이프 제조는 아이템이나 부품을 최종 형상에 최대한 가깝게 생산해 폐기물을 줄이고, 시간과 비용을 아끼며, 에너지 및 자원 수요 감소로 환경 영향을 덜 미치게 합니다.

니어넷셰이프 제조란?

니어넷셰이프 제조는 생산 공정을 계획해 객체를 최종 형상에 최대한 가깝게 만듦으로써 완제품 생산에 필요한 시간을 줄이는 관행입니다.

주조란?

주조는 보통 니어넷셰이프 제조의 첫 단계입니다. 주조는 예비 성형된 금형에 뜨거운 금속을 부어 최종 형상에 가까운 제품을 만드는 과정입니다. 대부분의 주물공장은 사형 주조(sand casting)를 사용해 금속 주물을 만듭니다. 사형 주조는 모래 금형을 사용해 뜨거운 금속을 객체로 성형합니다. 사형 주조는 중국 최초의 왕조인 상나라(Shang Dynasty) 시기인 기원전 1300년경 처음 사용되었습니다.

정밀 주조(investment casting, 로스트 왁스 주조라고도 함)는 사형 주조보다 폐기물이 적고, 니어넷셰이프에 더 가까운 객체를 만듭니다. 정밀 주조는 6000년 전 시작되었으며, 역사적으로 복잡한 조각상과 보석 제작에 쓰였습니다. 사형 주조보다 니어넷셰이프에 가깝지만, 정밀 주조는 더 복잡하고 노동 집약적인 공정이라 프로젝트에 따라 전체 생산 비용이 더 높을 수 있습니다.

주조 수축이란?

고등학교 물리에서 배운 원리—열팽창, 냉수축—가 금속 제조에도 그대로 적용됩니다. 금속은 가열 시 팽창하고 냉각 시 수축하는데, 이를 열팽창이라 합니다.

주조 공정 중 열팽창의 영향으로 수축 공동(shrinkage cavities) 같은 제품 결함이 발생할 수 있습니다. 주물공장은 리저(riser, 주조 금형에 내장된 여분의 용융 금속 저장소)를 사용해 수축을 줄이고 식는 주물 내부에 공동이 생기는 걸 방지합니다. '핫 토핑(hot topping)'이라 불리는 단열재가 리저를 뜨겁게 유지해 주물의 금속이 굳는 동안 보충해 줍니다. 리저는 최종 제품에서 제거해야 하므로 금속 폐기물이 발생합니다.

수축 허용치

금속은 원소와 조성에 따라 열팽창에 다르게 반응하지만, 수축은 주조 설계에도 영향을 받습니다. 주조 공정 중 일반적인 수축 허용치는 다음과 같습니다:

금속 선택이 주조 금속 객체의 니어넷셰이프에 영향을 줄 수 있습니다.

가공이란?

가공은 금속 제품을 깎고, 자르고, 갈고, 드릴링하고, 보링해 최종 형상으로 만드는 과정입니다. 돌을 조각하거나 나무를 깎듯, 가공은 여분의 소재를 제거해 금속을 성형합니다. 니어넷셰이프 생산은 보통 주조로 시작하는데, 처음부터 금속 형상을 가공으로 만들면 너무 많은 폐기물이 생겨 비현실적이기 때문입니다. 가공은 금속 제품 생산의 중요한 마무리 단계로, 최종 제품이 매끄럽고 정교하게 형상화되어 용도에 맞게 준비되게 합니다. 니어넷셰이프 생산은 가공을 최소화하는 것을 목표로 합니다.

단조란?

단조는 망치질, 압착, 압연 같은 압축 압력으로 금속을 성형합니다. 단조 방식에는 열간 단조와 냉간 단조가 모두 포함됩니다. 단조의 가장 좋은 예는 망치와 집게로 모루 위에서 뜨거운 편자를 두드려 만드는 옛날 대장장이의 고전적 이미지입니다. 오늘날 대부분 단조는 거대한 프레스 기계를 사용해 산업 규모로 수행됩니다. 산업 단조는 마무리를 위해 가공이 필요하지만, 가공이 필요 없거나 최소화할 정도로 성형해 완성도에 가까운 제품을 내는 단조 기계를 개발 중입니다. 단조 방식에는 드롭, 롤, 프레스, 개방형/폐쇄형 다이 단조, 정밀 단조가 있습니다. 마찰 용접은 운동과 마찰 열을 이용해 단조 금속 접합부를 만드는 또 다른 단조 기법입니다.

3D 프린팅이란?

3D 프린팅은 유망한 새로운 니어넷셰이프 기술입니다. 산업용 3D 프린팅은 적층 제조(additive manufacturing, 또는 적층 가공)라고 부릅니다. 적층 제조는 컴퓨터를 사용해 물질을 층층이 쌓아 미리 설계된 객체를 매우 적은 폐기물로 정밀하게 생산합니다. 소재를 층별로 적용해 상세한 부품과 제품을 만듭니다. 적층 제조는 개별 보청기 부품과 맞춤 신발 등 맞춤형 부품과 제품을 허용할 만큼 유연합니다. 적층 제조는 운송, 항공우주, 에너지 분야의 맞춤형 부품과 컴포넌트 제작에서 점점 더 큰 역할을 하고 있습니다.

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