애플리케이션 스포트라이트: 3D 프린팅이 베어링 설계와 생산을 혁신하다

이번 주, 우리는 움직이는 금속 부품 간 마찰을 줄이는 데 사용되는 핵심 부품인 베어링을 애플리케이션 스포트라이트 시리즈에서 다룹니다.

이 기사에서는 베어링 설계와 생산에 3D 프린팅이 제공하는 이점을 깊이 파고들고, 베어링 제조사들이 이러한 이점을 어떻게 활용해 완전히 새로운 베어링 구성요소를 생산하는지 탐구합니다.

이 시리즈에서 다룬 다른 애플리케이션:

• 열교환기용 3D 프린팅
• 자전거 제조용 3D 프린팅
• 디지털 덴티스트리 & 클리어 얼라이너 제조용 3D 프린팅
• 의료용 임플란트 3D 프린팅
• 3D 프린팅 로켓과 우주선 제조의 미래
• 신발 제조용 3D 프린팅
• 전자 부품용 3D 프린팅
• 철도 산업용 3D 프린팅
• 3D 프린팅 안경
• 최종 부품 생산용 3D 프린팅
• 브라켓용 3D 프린팅
• 터빈 부품용 3D 프린팅
• 3D 프린팅으로 더 나은 성능의 유압 부품 구현
• 3D 프린팅이 원자력 산업 혁신을 지원하는 방법

베어링이란 무엇인가?

베어링은 모션 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다.

바퀴 모양의 둥근 장치는 하중을 지지하고 두 움직이는 부품 간 마찰을 극적으로 줄이도록 설계되었습니다. 서로 상대적으로 움직이는 구성요소 사이에 베어링을 배치하면 부품들이 베어링 위를 굴러가게 되어 마찰을 최소화합니다.

볼 베어링은 가장 일반적인 유형 중 하나입니다. 일반적으로 매끄러운 내륜, 매끄러운 외륜, 볼이나 실린더 같은 구름체, 롤러를 간격 있게 유지하는 케이지(리테이너) 세 가지 필수 요소로 구성됩니다. 구름체가 하중을 지지하여 베어링이 자유롭게 회전하게 합니다.

베어링은 자동차 엔진과 조향 시스템부터 항공기 터빈, 조립 라인, 의료 장비까지 산업 전반에 걸쳐 쓰입니다. 제조사들은 맞춤형 솔루션 제공과 성능 개선을 끊임없이 추구하며, 적층 제조가 핵심 인에이블러가 되었습니다.

베어링용 3D 프린팅의 이점

설계 복잡성 증대

3D 프린팅은 베어링 구성요소에 복잡한 형상을 내장할 수 있게 하여 직접적으로 우수한 성능으로 이어집니다. 영국 베어링 제조사 Bowman International은 이 장점을 활용해 케이지 재설계로 롤러 수를 45% 늘려 베어링 수명을 연장했습니다. 적층 제조의 유연성은 케이지가 유연한 폴리머로 제작되어 샤프트를 매끄럽게 감쌀 수 있게 합니다.

경량화

격자나 허니콤 구조를 적용해 3D 프린팅은 강도 희생 없이 무게를 줄일 수 있게 합니다. 이는 CNC 가공으로는 노동 집약적일 것입니다. 케이지를 강철 대신 나일론이나 복합 소재로 프린팅하면 질량을 줄이고 동시에 구름체 마모도 감소시킵니다.

툴링 비용 제거

전통적인 베어링 생산은 세트당 4만~6만 파운드의 툴링 비용이 들어 소량~중량 생산을 비경제적으로 만듭니다. 적층 제조는 툴링을 완전히 우회하여 제조사가 맞춤형 케이지를 온디맨드로 생산하고 한정 수주에서 가격 경쟁력을 갖게 합니다.

3D 프린팅 베어링 사례

Bowman의 Rollertrain™: 분할 롤러 베어링용 케이지

선도적인 베어링 및 소결 부품 제조사 Bowman International의 적층 제조 부문인 Bowman Additive Production은 수년간 3D 프린팅으로 케이지 설계를 개선해왔습니다.

그 결과가 Rollertrain™입니다: 인터로킹 격자를 통합한 특허받은 분할 베어링 케이지로, 기존 케이지보다 최대 45% 더 많은 롤러를 수용합니다. 이 설계는 하중을 더 많은 구름체에 분산시켜 하중 용량을 30~40% 높이고 케이지 수명을 3배 연장합니다.

Rollertrain™ 케이지 생산 비용은 기존 강철 케이지와 비슷하지만, 향상된 성능과 수명으로 더 우수한 선택입니다. 이 케이지는 이제 John Handley Bearings의 JHB Split Bearing에 적용되어 레이디얼 용량 최대 70%, 축방향 용량 1,000% 향상이라는 전 세계 분할 베어링 최고 기록을 달성했습니다.

3D 프린팅이 모든 베어링 유형에서 기존 방식을 대체하지는 않지만, 분할 베어링 제조에서는 이미 필수 생산 경로가 되었습니다.

고급 쌍동선용 경량 베어링 케이지

엔지니어링 기업 Scheurer Swiss는 적층 제조와 탄소 섬유 복합 소재를 결합해 개인 소유 고급 쌍동선 Moonwave용 더 가볍고 효율적인 베어링 케이지를 제작했습니다. 조향 볼 베어링에는 가볍고 견고한 케이지가 필요했습니다.

탄소 섬유 강화 폴리아마이드-12(PA12)로 케이지를 조각으로 프린팅해 접합했습니다. 각 케이지 직경은 최대 630mm에 달했습니다. 몰딩으로 수주가 걸렸을 작업이 단 3일 만에 완료되어 더 부드럽고 반응성 좋은 조향 시스템을 제공했습니다.

항공우주용 경량 금속 3D 프린팅 베어링

독일 전문 기업 Franke GmbH는 구조 헬기 환자 이송용 와이어 레이스 베어링 제작 과제에 직면했습니다. 엄격한 800g 중량 제한과 심한 난기류 견딜 필요성이 있었습니다. 기존 제조로는 불가능했습니다.

위상 최적화와 복잡한 격자 구조를 적용해 Franke는 금속 3D 프린팅으로만 구현 가능한 설계를 생성했습니다. 최종 알루미늄 베어링은 중량과 성능 기준을 충족했으며 비행 준비 항공기에 성공적으로 설치되어 항공우주 분야 경량화에서 적층 제조의 역할을 입증했습니다.

미래 전망

3D 프린팅은 베어링 제조사들에게 툴링의 재정적 부담 없이 고성능 구성요소를 시제품 제작하고 생산할 자유를 줍니다. 이 기술은 유연한 폴리머부터 고강도 금속까지 소재 선택도 확장하여 기존 공정으로는 불가능한 기능을 가능케 합니다.

업계가 적층 제조를 수용함에 따라, 소량~중량 배치 베어링 생산의 표준이 되어 비용, 성능, 지속가능성에서 실질적 혜택을 제공할 태세입니다.

다음 기사에서는 자전거용 3D 프린팅을 탐구하겠습니다. 기대해 주세요!