적합한 프레스 선택: 기계식·유압식·서보 프레스 전문가 가이드

프레스 기술 — 기계식, 유압식, 서보 여부와 관계없이 — 다양한 역할을 수행합니다

프레스에는 선택지가 있습니다. 이는 좋은 일입니다. 논쟁은 어느 것이 최고냐가 아니라, 현재 작업에 어느 것이 적합하냐입니다. 선택할 수 있는 주요 프레스 유형 간에는 비용, 기능, 품질 면에서 트레이드오프가 있습니다.

이는 우호적인 논쟁이며, 모든 카드가 테이블 위에 올려져 있습니다.

기술 간단 리뷰

프로메스(Promess Inc.) 수석 애플리케이션 엔지니어 스테파니 프라이스에 따르면, 업계 많은 사람이 서보 프레스 기술의 이점을 충분히 인식하지 못합니다. 반대로 그린어드 프레스 앤 머신(Greenerd Press & Machine) 기계 엔지니어 마이크 조제피악은 유압 프레스가 일부 애플리케이션에 최적 솔루션이라고 주장합니다. 그리고 코마츠 아메리카 인더스트리즈(Komatsu America Industries LLC) 부사장 짐 랜도우스키는 여전히 전통적인 기계식 프레스가 적절한 상황이 있다고 말합니다.

기계식 프레스는 플라이휠의 회전 운동을 램의 직선 운동으로 변환해 공작물에 압력을 가합니다. 랜도우스키 설명대로 "위쪽에 0, 아래쪽에 180이 있는 원을 상상해 보세요. 기계식 프레스는 0에서 180을 거쳐 0(또는 360)까지 한 번의 연속 운동으로 이동합니다." 스트로크 상단에서는 힘이 0이고 하단에서 최대입니다. "다이에 따라 160도쯤에서 소재를 밀기 시작할 수 있지만, 180도에 도달하면 슬라이드가 다시 올라가므로 부품은 완성됩니다."

밥 사우스웰 AIDA-아메리카 수석부사장(오하이오주 데이턴)에 따르면, 대부분의 서보 프레스는 같은 배열이지만 "플라이휠과 클러치 브레이크 메커니즘 대신 서보 모터로 기계 드라이브 트레인을 구동"하는 차이가 있습니다. 기계식 프레스는 고정 스트로크와 일정 속도를 가집니다. "하지만 서보 모터를 추가하면 모션 프로필을 프로그래밍할 수 있습니다. 감속, 정지, 빠른 재타격 등 기존 기계식 프레스로는 불가능한 다양한 작업이 가능해집니다." 서보 모터를 볼스크류에 직접 연결하는 다이렉트 드라이브 버전도 있으며, 서보-기계 하이브리드보다 토크 특성이 더 우수합니다.

유압 프레스는 펌프, 밸브, 호스 세트를 결합해 가압 유체로 램을 작동시킵니다. 이 방식에도 장점이 있지만, 앞서 다룬 모션 제어 기능은 포함되지 않습니다. 따라서 서보 프레스는 순수 기계식이나 유압식 프레스에서 발생하는 여러 문제를 해결하며 추가 기능을 제공합니다.

신소재, 새로운 과제

랜도우스키는 자동차 경량화 등으로 인한 첨단 합금 전환이 서보 프레스 수요를 견인한다고 관찰했습니다. 그는 "강철을 액체라고 생각하세요, 흐르게 해야 합니다... 소재를 가공하는 게 아니라 소재와 함께 작업합니다."라고 표현했습니다.

더 단단한 소재는 램 속도를 미세 조정해 "소재가 올바르게 흐르도록 해야 하며, 그렇지 않으면 엿처럼 되어 분리되기 시작합니다." 예를 들어 단단한 합금으로 컵을 성형할 때 3인치(76.2mm) 스트로크 동안 30에서 15 IPM으로 감속해야 하며, 정확하고 어쩌면 가변적인 감속률이 필요합니다.

이런 조정은 밀리초 단위로 일어나므로 오직 서보 제어만 이를 관리할 수 있습니다.

랜도우스키가 말한 서보의 주된 장점은 소재 흐름을 조절해 다양한 금속을 가공할 수 있는 유연성입니다. "그래서 사람들이 다양한 옵션을 시험하러 옵니다. 슬라이드 속도만 바꿔도 좋은 부품이나 나쁜 부품을 만들 수 있습니다."

사우스웰도 동의하며, 이러한 소재 과제로 인해 북미 자동차 제조에서 서보 프레스 시장 점유율이 약 80%에 달한다고 보고했습니다. "고강도·초고강도 강철과 알루미늄은 10~15년 전 소재보다 성형이 훨씬 어렵습니다. 서보의 성형 프로필 조정 능력이 고객 기반에 매우 유익함이 입증되었습니다."

그린어드의 조제피악은 서보 제어가 유압식 대비 응답 시간에서 우위(유압은 응답이 감쇠됨)가 있다고 인정하지만, "모션 프로필의 그런 수준의 제어가 좋은 제품을 만드느냐 아니냐에 실질적 영향을 미치는 애플리케이션을 많이 본 적은 없다"고 말했습니다. 하지만 "재타격(restriking)은 서보만의 좋은 기능 예시입니다. 바닥에 도달한 후 몇 분의 1초 안에 재타격하는 것은 유압식으로는 불가능합니다."라고 인정했습니다.

속도 제어가 필요 없다면 서보가 필요 없을 수도 있다고 랜도우스키는 주장했습니다.

"와셔나 작은 리벳 같은 걸 만든다면 프레스를 늦추거나 속도를 제어하지 않습니다. 가능한 한 많은 부품을 최대한 빨리 만들고 싶을 뿐이죠." 기계식 프레스가 빛을 발하는 영역이며, 유압 프레스가 가장 부적합한 영역이기도 하다고 그는 말했습니다.

조립에서의 서보 다재다능함

사우스웰은 서보 프레스가 다른 부품용으로 쉽게 재프로그래밍될 수 있다는 점도 고량 자동차 세계에서도 성공 요인이라고 덧붙였습니다.

"대부분 프레스 시스템은 여러 유형의 부품을 생산하도록 설계됩니다. 한 금형을 1시간 돌리고, 교체해 다른 금형을 투입합니다. 사실상 아무도 한 프레스를 세팅해 계속 돌리지 않습니다... 그래선 경쟁력을 유지할 수 없습니다. 우리는 단일 프레스로 다양한 부품군이나 다이 세트를 처리하는 많은 시스템을 OEM에 티어원, 티어투를 통해 공급합니다."

서보 프레스 다재다능함은 쉬운 프로그래밍을 넘어 섬세한 조립 작업까지 확장된다고 프로메스의 프라이스는 말했습니다.

자동차 예시를 계속 들어, 프라이스는 도어 힌지 조립을 지적했습니다. 서보 프레스는 높은 정밀도와 위치·힘을 면밀히 모니터링하는 내재된 피드백 루프를 제공합니다. 따라서 힌지를 압착하면서 조인트의 저항을 측정해 문이 너무 쉽게 열리지도, 소유자가 불편할 만큼 뻣뻣하지도 않게 할 수 있습니다.

이동 부품을 작동시키고 실시간으로 힘을 측정하는 이 능력은 부품 공차를 완화해 부품 비용을 낮추는 기회도 줍니다. 프라이스 설명대로 조립 중 피드백이 없으면 엔지니어는 부품이 제대로 맞물리도록 매우 엄격한 공차로 설계·제작해야 합니다.

"프레스가 특정 깊이까지 갔고, 엄격한 공차에 기반해 부품이 올바르게 조립되었다고 가정합니다. 이를 검증할 시그니처 분석이 없습니다."

서보 프레스라면 공차를 완화하고 조립 중 데이터를 보며 실제로 제대로 착석했는지 판단할 수 있습니다. 프라이스는 자사 서보 프레스의 내장 센싱 기능으로 스크랩률을 최대 50%까지 줄인 사례도 있다고 말했습니다.

프라이스는 애플리케이션에 추가 센싱(서보 모터 피드백 외)이 필요하면 자사 시스템과 쉽게 통합할 수 있다고도 지적했습니다.

"고객들이 9~10개의 압력 트랜스듀서, 위치 트랜스듀서, 외부 로드셀을 사용합니다. 공정 내 상황을 이해하기 위해 그 모든 정보를 받아들일 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. "공정 중에 그에 반응할 수도 있습니다. 모든 게 전기식이어서 설정도 매우 간단합니다. 트랜스듀서를 디지털 신호 컨디셔너에 꽂기만 하면 됩니다. 컨트롤러가 신호를 받아 판단을 내릴 수 있습니다."

프레스, 제어, 그리고 트레이드오프

유압 프레스도 이 영역에서 맹목적이지는 않습니다. 조제피악은 유압 시스템 전용 모션 컨트롤러가 있어 "유압 액추에이터 양쪽의 압력을 초고속 스캔 타임으로 살펴봅니다. 그리고 빠른 응답 압력 트랜스듀서로 공작물에 가해지는 실제 힘을 보여줍니다."라고 말했습니다. 한 시스템은 힘 측정을 1밀리초 미만으로 업데이트합니다. 그의 생각에 더 빠른 힘 측정이 필요한 애플리케이션은 "극소수"입니다.

사우스웰에 따르면, 서보 프레스는 일련의 다이가 필요한 복잡한 부품 제작에서 유압 프레스보다 훨씬 우수합니다. 과거에는 부품을 프레스 간 손으로 옮겼지만, 이제는 "경쟁하려면 기계적으로 부품을 단일 프레스 내 단계 간 이송하는 수밖에 없습니다." 하지만 "여러 스테이션으로 부품을 만들면 편심 하중이 발생하는데, 이는 유압 드라이브 트레인에 매우 해롭습니다."

조제피악은 "편심 하중은 기계식과 유압식 시스템 모두에 해롭습니다. 둘 다 적절한 강철 프레임 구조와 가이드로 편심 하중을 처리합니다. 우리는 오프더셀프 서보-기계 프레스보다 훨씬 큰 편심 하중을 허용하는 다중 유압 실린더 시스템을 보유하고 있습니다."라고 반박했습니다.

식품 등급 오일을 윤활유로 써야 하는 애플리케이션에 대한 논란도 있습니다. 랜도우스키는 "실린더 누유와 슬라이드 깁 드립으로 소재에 오염이 생겨 여러 고객이 유압에서 서보 기계식 프레스로 전환했습니다. 모든 부품은 성형 후 모든 오염 가능성을 제거하기 위해 세척해야 합니다. 고객들은 식품 등급 윤활유 세척이 FDA나 EPA 규제 때문에 비식품 등급보다 비용이 덜 든다고도 말했습니다."

조제피악은 "프레스 실링을 수정해 표준 공업용 오일 대신 식품 등급 오일을 사용함으로써 여러 프로젝트에서 의료 및 식품 안전 기준을 충족했습니다."라고 말했습니다. 반면 랜도우스키는 자사 표준 오프더셀프 서보 프레스는 수정 불필요하며 "프레스 드라이브와 슬라이드 윤활유에 식품 등급 오일만 쓰면 됩니다."라고 말했습니다. 한 고객은 "시험관용 고무 마개를 만듭니다. 프레스 스트로크마다 65~75개 마개가 나오는데, 비식품 등급 윤활유면 이 공정이 무효화됩니다."

유압이 딥드로(Deep-Draw)를 정복

사우스웰에 따르면, "유압 프레스의 장점은 스트로크 전체에서 풀 톤수나 힘 능력을 발휘한다는 것입니다. 200톤 프레스에 12인치 스트로크면 그 스트로크 전체에 200톤 압력을 가할 수 있습니다. 원래 기계식 프레스와 같은 기계식 편심 드라이브 트레인을 가진 서보 프레스는 기어링, 크랭크축 또는 센트릭 샤프트, 센터 기어 드라이브가 있습니다. 톤수/토크 커브가 있어 모터 샤프트가 바닥에서 얼마나 벗어났느냐에 따라 가할 수 있는 힘이 달라집니다." 이는 프로메스 같은 다이렉트 드라이브 서보 프레스에는 해당하지 않지만, 톤수가 커지면 이 시스템들은 매우 비싸집니다. 프로메스는 단일 실린더 기준 1MN(약 100톤)까지입니다.

스트로크 전체에 풀 힘을 가할 수 있는 능력은 유압 프레스를 딥드로 애플리케이션에 완벽하게 만듭니다. 조제피악은 "진정으로 의미 있는 유일한 옵션"이라고까지 말했습니다.

최근 사례로 "상대적으로 큰 압력 탱크 생산" 프로젝트를 들었습니다. "자동화 시스템으로 큰 평판 블랭크를 5피트 작업 스트로크를 가진 딥드로 프레스에 투입합니다." 시스템은 다중 공정으로, 첫 단계에서 170톤 프레스로 탱크 두 절반을 드로잉합니다. 이후 자동 펀치 프레스, 트리밍, 용접이 이어집니다. 핵심은 "그런 작업 스트로크는 서보 프레스로 쉽게 복제되지 않습니다. 그래서 딥드로는 유압이 여전히 지배하는 영역입니다. 이는 산업보다 공정 특성 때문입니다."

조제피악은 유압이 "매우 긴 사이클 타임 상황에서, 베드 영역 전체에 일정한 압력을 상대적으로 저렴한 자본 비용으로 유지하며 매우 낮은 전력 소모로 관리할 수 있어 매우 잘 작동한다"고도 말했습니다. 압축 성형이 주요 예입니다. "보통 압축 성형은 시간, 온도, 압력의 조합으로 소재를 형상으로 성형합니다."라고 조제피악은 설명했습니다. 프레스는 비교적 얇은 소재를 양/음 금형에 대고 압력을 가해 유지합니다. "지속 시간은 5초에서 2시간까지 다양합니다. 종종 300~700도 범위에서 작업 영역 전체에 일정한 플래튼 온도를 유지하고, 작업 영역 전체에 매우 일정한 압력을 제어하려 합니다." 이는 성형되는 소재가 전체적으로 균일하도록 보장합니다. 이 기술은 자동차 베드 라이너(신형 복합 베드 라이너 포함), 카펫 같은 소재로 만든 자동차 헤드라이너 등에 쓰입니다. 또 다른 예로 "알루미나 연마 휠 제조를 위한 분말 압축"을 들었습니다.

비용 고려사항

광범위하게 말해, 서보 프레스 자본 투자는 전통적 기계식이나 유압 프레스를 초과합니다. 하지만 운영 비용과 관련 요소를 고려하면 이 비교는 거의 무의미해집니다. 게다가 같은 톤수/토크 등급이라도 같은 유형의 모든 프레스가 동등하지는 않습니다.

에너지 소비부터 시작해 보겠습니다. 유압 프레스는 램을 온디맨드로 움직이기 위해 라인 압력을 유지해야 하므로 펌프를 사이클 내내 가동해야 합니다. 이는 램이 움직일 때만 전기를 쓰는 서보 프레스와 불리하게 비교됩니다. 랜도우스키에 따르면 이는 "기계 크기에 따라 약 50% 전력 절감"을 가져옵니다. 프라이스는 카셀 대학 연구를 인용해 서보 프레스가 에너지 변환 효율 90%인 반면 동급 유압 시스템은 57%라고 했습니다. 사우스웰은 혼다가 자사 시스템을 연구해 서보 프레스가 실제 전력 소비 30% 절감을 발표했다고 말했습니다.

사우스웰은 일부 AIDA 프레스가 "100% 커패시터 기반 에너지 관리 시스템"을 사용한다고도 밝혔습니다. 이는 비작동 스트로크 구간에서 재충전되는 커패시터에 필요 작업 에너지를 저장합니다. 이는 기계식이나 유압 프레스처럼 "처음 작동할 때 거대한 스파이크가 발생"하는 것과 달리 "피크 부하를 엄청나게 줄여줍니다." AIDA 전류 소비는 "꽤 평탄합니다. 실제 피크 흐름이 기계식이나 유압 시스템 피크 부하의 20~30%에 불과할 수 있습니다. 이는 중요합니다. 전력 회사는 피크 부하 기준으로 고객에게 공급할 전력을 산정하기 때문입니다."

조제피악은 고생산 환경에서는 아이들 타임이 거의 없으므로 "유압 펌프가 계속 도는 게 그리 중요하지 않다"고 반박했습니다. "10분 이상 긴 아이들 타임이 있는 시스템에서는 '소프트 스타트' 모터 제어를 설치해 모터를 정지시켜 에너지를 절약할 수 있습니다." 흥미롭게도 이 옵션은 시스템 비용의 2~3%만 추가되지만, "한 번도 강한 수요가 없었다"고 보고했습니다. 고정 변위 펌프에서 가변 변위 펌프로 전환하면 "아이들 전력 소비를 극적으로 낮출 수 있다"지만, 이 역시 미국에서는 아직 표준이 되지 않았습니다.

펌프, 밸브, 파이프, 호스가 많은 유압 기술은 서보 기반 시스템보다 더 복잡하고 유지보수 집약적이라는 평가를 받곤 합니다. 프라이스는 자사 서보 프레스가 연 2회 볼스크류 그리스 주입 외엔 아무것도 필요 없다고 말했습니다(그조차도 매우 조심스러운 편). 반면 유압 라인을 몇 달간 고압으로 유지하며 사이클을 반복하면 결국 무언가 새거나 하위 구성 요소가 고장 나기 마련입니다. 반론으로 조제피악은 "이제 NPT 피팅을 쓰는 곳은 없습니다. 더 나은 소재로 만든 금속 대 금속, O-링 스타일 실링이 누유 제어를 훨씬 잘합니다."라고 말했습니다. 또한 개별 부품이 상대적으로 저렴하고 수리하기 쉬운 반면, "서보 시스템 수리는 극적으로 더 비쌉니다."

이 마지막 점은 작업에 맞게 구성 요소를 올바르게 사이징하는 주제로 이어집니다. 몇 년 만에 서보 모터가 타버리면 큰 수리비가 듭니다. 하지만 프라이스는 자사 시스템이 2.5배 안전 계수로 설계되어 20년 이상 그런 고장 없이 돌아간다고 말했습니다. 드라이브는 서보 모터 피크 전류가 아닌 연속 전류에서 작동하도록 사이징되어 프레스가 과열·고장 없이 부품을 무한정 홀드할 수 있습니다.

마찬가지로 볼스크류는 프레스 힘 등급의 2.5배 동적 하중 용량을 가집니다. 예를 들어 프로메스 40kN 프레스의 볼스크류는 동적 하중 용량 134kN, 정적 하중 용량 320kN입니다. 프라이스에 따르면 평균 힘 30kN, 분당 16사이클, 일 14시간 작업 시 22년 이상 무고장 성능이 기대됩니다. 반면 40kN 동적 하중 등급 볼스크류면 32주, 80kN 등급이라도 5년 미만입니다.