애플리케이션 스포트라이트:베어링용 3D 프린팅

[이미지 제공:Bowman 적층 생산]

이번 주에는 움직이는 금속 부품 사이의 마찰을 줄이는 데 사용되는 중요한 구성요소인 베어링을 살펴봄으로써 Application Spotlight 시리즈를 계속하겠습니다.

이 기사에서는 3D 프린팅이 베어링 설계 및 생산에 제공하는 이점에 대해 자세히 알아보고 베어링 제조업체가 이러한 이점을 사용하여 근본적으로 새로운 베어링 구성요소를 생산하는 방법을 살펴보겠습니다.

이 시리즈에서 다루는 다른 애플리케이션 살펴보기:

열 교환기를 위한 3D 프린팅

자전거 제조를 위한 3D 프린팅

디지털 치과 및 투명 교정 장치 제조를 위한 3D 프린팅

의료용 임플란트를 위한 3D 프린팅

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신발 제조를 위한 3D 프린팅

전자 부품용 3D 프린팅

철도 산업의 3D 프린팅

3D 프린팅 안경

최종 부품 생산을 위한 3D 프린팅

브라켓용 3D 프린팅

터빈 부품용 3D 프린팅

3D 프린팅으로 유압 부품 성능 향상

3D 프린팅이 원자력 산업의 혁신을 지원하는 방법

베어링이란 무엇입니까?

베어링은 모션 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다.

둥근 바퀴 모양의 장치는 하중을 전달하고 움직이는 두 부품 사이의 마찰을 줄이는 데 사용됩니다. 이를 달성하기 위해 서로에 대해 움직이는 두 부품 사이에 베어링이 배치됩니다. 부품이 서로 미끄러지는 대신 베어링에 대해 굴러 마찰을 최소화합니다.

볼 베어링은 가장 일반적인 베어링 유형 중 하나입니다. 그들은 일반적으로 레이스로 알려진 매끄러운 내부 및 외부 표면, 볼 또는 실린더와 같은 롤링 요소, 롤링 요소의 분리기 역할을 하는 케이지라는 세 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 실린더 또는 볼은 장치의 로드 캐리어 역할을 하여 장치가 자유롭게 회전할 수 있도록 합니다.

베어링은 거의 모든 산업 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 모든 자동차는 엔진 및 스티어링과 같은 필수 부품에 베어링을 사용합니다. 이 경우 베어링은 엔진 내부의 피스톤 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트와 같은 회전 구성 요소를 지원하는 데 도움이 됩니다. 비행기 터빈, 조립 라인 및 의료 장비도 베어링을 사용합니다.

베어링 제조업체는 고객에게 맞춤형 솔루션을 제공하고 더 나은 베어링 설계를 개발할 수 있는 방법을 항상 찾고 있습니다. 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 되는 한 가지 기술은 3D 프린팅입니다.

베어링용 3D 프린팅의 이점

디자인 복잡성 증가

3D 프린팅을 통해 엔지니어는 베어링 설계에 더 많은 복잡성을 통합하여 성능을 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 영국에 기반을 둔 베어링 제조업체인 Bowman International은 베어링에 더 많은 구름 요소를 추가하기 위해 케이지를 재설계하여 베어링의 작동 수명을 늘렸습니다(자세한 내용은 예제 섹션 참조).

3D 프린팅을 통해 제조업체는 유연한 재료로 베어링 케이지를 생산할 수 있으므로 샤프트 주위에 케이지를 쉽게 감쌀 수 있습니다.

가벼운 무게

3D 프린팅을 사용하면 벌집 모양의 구조를 사용하여 부품을 더 가볍게 설계할 수도 있습니다. 이것은 CNC 머시닝과 관련하여 매우 어렵고 시간이 많이 소요됩니다.

또한 케이지는 강철이나 기타 금속 대신 나일론이나 복합 재료로 3D 인쇄할 수 있습니다. 이러한 방식으로 금속 대신 폴리머를 사용하면 베어링의 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 3D 프린팅된 폴리머 케이지는 기존 강철 케이지와 비교할 때 전동체의 마모를 크게 줄인다고 합니다.

공구 비용 제거

전통적인 기술을 사용하여 베어링을 제조할 때 툴링 비용은 세트당 £40,000에서 £60,000에 이를 수 있습니다. 소규모 또는 중간 규모의 베어링 배치를 생산하려는 제조업체의 경우 기존 방법은 비용이 많이 드는 것으로 판명되는 경우가 많습니다.

반면에 3D 프린팅은 도구 없이 직접 케이지와 같은 베어링 요소를 생성할 수 있는 기회를 제공합니다. 3D 프린팅으로 직접 케이지를 생산하는 것은 맞춤형 베어링의 중소 규모 실행을 위한 매우 경쟁력 있는 옵션을 제공합니다.

3D 인쇄 베어링의 예

Bowman's Rollertrain™:분할 롤러 베어링용 베어링 케이지

Bowman Additive Production은 베어링 및 소결 부품의 선두 제조업체 중 하나인 Bowman International의 적층 제조 부문입니다. 이 회사는 베어링 케이지의 설계를 발전시키기 위해 수년 동안 3D 프린팅을 사용해 왔습니다.

이러한 노력의 결과는 Rollertrain™으로 특허를 받은 고성능 분할 베어링 케이지입니다. 분할 베어링은 설치, 검사 및 교체가 용이하도록 두 부분으로 만들어집니다. 이 유형의 베어링은 컨베이어 및 환기 팬과 같은 복잡한 산업 장비에 자주 사용됩니다.

Bowman은 HP의 Multi Jet Fusion 기술과 나일론 소재(PA11)를 사용하여 맞춤형 Rollertrain™ 케이지를 생산하고 있습니다. 케이지는 롤링 요소를 사용하여 케이지의 각 섹션을 함께 고정하는 연동 구조를 자랑합니다. 이 디자인 덕분에 케이지는 기존 제품보다 최대 45% 더 많은 롤러를 통합할 수 있습니다.

증가된 롤러 수는 하중이 더 많은 수의 전동체에 분산될 수 있음을 의미합니다. 그 결과 부하 용량이 30~40% 증가하고 케이지 수명이 3배 연장됩니다.

3D 프린팅 Rollertrain™ 케이지의 비용은 기존 부품과 비슷합니다. 그러나 크게 향상된 성능과 수명은 부가 가치를 제공하여 3D 인쇄 베어링을 기존 설계에 비해 월등하게 만듭니다.

Rollertrain™ 베어링 케이지는 이제 베어링 전문업체인 John Handley Bearings에서 제조한 새로운 JHB 분할 베어링과 함께 사용됩니다.

Rollertrain™ 베어링 케이지의 설계 및 재료로 인해 JHB 분할 베어링은 반경 방향 및 축 방향 용량이 각각 최대 70% 및 1000% 증가했으며 이는 세계의 다른 어떤 분할 베어링 용량보다 높습니다.

Bowman은 3D 프린팅이 모든 유형의 베어링에 대한 기존 프로세스를 대체할 수 없다는 점을 인정합니다. 그러나 분할 베어링 시장 내에서 이 기술은 이미 표준 제조 선택이 되고 있습니다.

고급 쌍동선을 위한 더 가벼운 베어링 케이지

엔지니어링 회사인 Scheurer Swiss는 3D 프린팅과 탄소 섬유 복합 재료를 결합하여 프레임으로 연결된 두 개의 선체로 구성된 보트 유형인 쌍동선을 위한 더 가볍고 효율적인 베어링 케이지를 설계했습니다.

Moonwave라고 하는 개인 소유의 고급 범선 요트는 스티어링 메커니즘에서 볼 베어링을 위한 보다 효율적인 베어링 케이지가 필요했습니다. Moonwave의 스티어링을 더 부드럽고 쉽게 만들기 위해 부품은 가벼우면서도 강하고 내구성이 있어야 했습니다.

이러한 목표를 달성하기 위해 Scheurer Swiss는 탄소 섬유 강화 폴리아미드 12(PA12)와 3D 프린팅을 사용하여 케이지를 제작했습니다. 직경이 최대 630mm인 각 케이지의 큰 크기로 인해 조각으로 3D 인쇄된 다음 접착제를 사용하여 함께 부착되었습니다.

Scheurer에 따르면 표준 성형 공정을 사용했다면 프로젝트에 최소 3주가 걸렸을 것입니다. 3D 프린팅으로 부품을 설계하고 생산하는 데 3일밖에 걸리지 않았습니다.

이제 합성 케이지가 고급 티타늄 방향타 베어링 시스템 내부에 장착되어 고급 쌍동선의 조향이 훨씬 쉬워졌습니다.

항공우주용 경량 금속 3D 인쇄 베어링

경량 모션 시스템을 전문으로 하는 독일 회사인 Franke GmbH는 구조 헬리콥터의 환자 침대에 사용할 와이어 레이스 베어링을 만드는 작업을 맡았습니다.

베어링의 주요 요구 사항은 최대 800g의 무게와 비행 중 충격, 진동 및 큰 난기류를 견딜 수 있는 능력이었습니다. 회사는 재래식 제조 방식으로는 그러한 경량 부품을 만드는 것이 불가능하다는 것을 빨리 깨달았습니다.

따라서 Frank는 베어링을 최대한 가볍게 만들기 위해 고급 설계 기술을 적용했습니다. 이러한 기술 중 하나는 토폴로지 최적화로 Franke 팀은 구성 요소의 하중, 무게 및 크기와 같은 다양한 매개변수를 분석하여 부품 설계의 재료 분포를 최적화할 수 있었습니다.

복잡한 격자 구조를 특징으로 하는 토폴로지 최적화 디자인은 3D 프린팅을 통해서만 제조할 수 있었습니다.

알루미늄으로 3D 인쇄된 최종 베어링은 무게와 성능 요구 사항을 모두 충족했으며 헬리콥터에 성공적으로 설치되었습니다.

항공 우주 산업에서 엔지니어는 항공기에 사용되는 구성 요소의 무게를 줄이기 위해 모든 기회를 활용합니다. Franke가 보여준 것처럼 금속 3D 인쇄 베어링은 항공기 제조업체가 항공기에 실질적인 무게 절감을 도입하는 데 도움이 될 수 있는 솔루션 중 하나입니다.

미래에 대한 전망

3D 프린팅은 베어링 제조업체에 향상된 성능으로 베어링을 생산할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이 기술은 값비싼 도구를 필요로 하지 않으므로 기존 방법으로는 경제적으로 실행 가능하지 않은 형태와 기능을 비용 효율적으로 실험할 수 있습니다.

또한 베어링 제조업체는 강화 폴리머에서 금속에 이르기까지 기술을 통해 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 경우에 따라 3D 인쇄 가능한 재료는 유연성이나 강성 증가와 같은 추가 특성을 제공할 수 있으며 이는 기존 생산 공정에서 사용되는 재료로는 달성하기 어렵습니다.

미래를 내다보면 3D 프린팅은 이 기술이 베어링 생산에 가져오는 부가가치 덕분에 중소형 베어링 제조의 표준 방법이 될 것입니다.

다음 기사에서는 자전거용 3D 프린팅에 대해 살펴보겠습니다. 계속 지켜봐 주세요!