레이저 보정 정밀 가공, 의료 부품 제조 가속화

전통 가공이든 하이브리드 공정이든, 의료 제조는 공작기계 제작사와 툴메이커에게 끊임없는 혁신 요구

오늘날 정교한 의료 부품 가공에서 속도(뿐만 아니라 공구 수명과 자동화)는 핵심이다.

공구 설계부터 완제품까지 의료 가공의 지속적 고도화는 광범위한 플라스틱·금속 소재 대응 능력뿐만 아니라, 엄격한 규제 환경에서 예측 가능한 결과를 달성하는 능력을 요구한다.

단순 선삭·밀링이든, 레이저를 스위스 선반과 결합해 한 대 기계에서 절삭·용접을 모두 수행하는 하이브리드 공정이든, 의료 제조는 공작기계 제작사와 툴메이커에게 끊임없는 혁신을 요구한다.

공구 수명 극대화와 부품 품질 확보

뼈 나사 헥살로브 같은 미세 의료 부품·형상 가공 시 공구 수명을 보존하기 위해 쯔가미/렘 세일즈(Tsugami/Rem Sales LLC, 코네티컷주 윈저)는 포트폴리오 여러 장비에 맞춤형 스피드 4배 증속 장치를 장착했다.

스위스 타입 머신 표준 스핀들은 라이브 툴을 6000~8000 rpm으로 구동한다. 데릭 브릭스 쯔가미/렘 세일즈 스위스 제품 매니저는 "미세 정삭과 5축 컨투어링, 인그레이빙, 에칭 시 공구가 매우 작아(일반적으로 0.125인치[3.175mm] 이하 볼 엔드밀) 센터 컷을 수행하므로 표면 속도를 공구 수명과 표면 조도 요건에 맞게 유지하려면 매우 높은 스핀들 속도가 필수"라고 설명했다.

쯔가미 솔루션은 기어 감속을 이용해 스핀들 모터에 부담 없이 스핀들 속도를 최대 4배(최적 속도 예: 20,000 rpm) 증속하는 어태치먼트다. NSK 아메리카 고속 스핀들을 통합해 최대 80,000 rpm까지 구동할 수도 있다.

대부분 스위스 선반은 모터 온 시 3~4개 스핀들을 동시에 구동하는 기어 트레인을 사용한다. 브릭스는 "모듈러 스핀들 하나만 기어 감속으로 더 빠르게 돌리면 다른 스핀들에 부담을 주지 않으면서 의료 시장이 점점 더 요구하는 미세 정삭과 소형 5축 가공에 필요한 고속 스핀들을 확보할 수 있다"고 말했다.

표준 스레드 월링 어태치먼트로도 작업 가능하지만, 하루 종일 뼈 나사만 생산하는 전용 머신이라면 표준 강 롤러 베어링 대신 세라믹 베어링을 고려해야 한다. 세라믹 베어링은 예압을 강철보다 강하게 조일 수 있어 시스템을 더 견고하게 하고 최대 스핀들 속도 유지에 유리하다. 미세 진동과 하모닉을 감쇠시키고 고속 회전 열을 더 잘 분산한다.

속도 추구

스핀들 속도 극대화 외에도 쯔가미/렘 세일즈는 스위스 가공에 더 많은 퀵체인지 기능을 도입 중이다. 라이브 툴 어태치먼트와 갱 툴 플레이트에 분리형 헤드를 적용해, 나사 하나만 풀면 ER 콜릿 어셈블리나 툴 카트리지 전체를 꺼내 머신 외부에서 툴 높이를 셋업하고 예비품을 30초 만에 장착할 수 있다.

터렛 장비용 퀵체인지 터렛 홀더, 페이스·앵귤러 밀링과 스레드 월링 어태치먼트용 모듈러 툴 셋업도 개발 중이다. "이 홀더들은 오퍼레이터 실수로 인한 머신 크래시나 공구 파손 위험을 줄여줍니다. 졸러(Zoller) 등 프리세팅 픽스처에서 머신 외부 작업도 가능합니다."

건 드릴링 적용 사례로 이송·속도 개선 사례를 보자.

고주파 안구 종양 제거 장치 제작 시 사양은 까다로웠다: 길이 5인치(127mm)에 직경 0.06인치(1.52mm) 홀을 전장 관통해야 했다. M4 사이언스의 고주파 맥동 트라이보맘(TriboMAM) 시스템을 적용했다.

맞춤 티타늄 소재 장치는 진공 흡입기처럼 종양만 빨아들이고 다른 연조직은 건드리지 않는다. 일반적인 건 드릴은 회전당 0.1인치 미만으로만 이송 가능하지만, 트라이보맘 통합으로 속도가 4배 빨라졌다. "공구 진동이 칩을 잘게 부수고 고압 쿨런트가 구멍 밖으로 칩을 배출하기 때문"이다. 기존 수 분 걸리던 공정이 75% 단축됐다.

또 다른 혁신인 저주파 진동(LFV) 서보 시스템 기술은 "의료 부품 생산에 쓰이는 난삭재 가공에서 가장 큰 발전 중 하나"라며 짐 세피칸 마루베니 시티즌-친컴(Allendale, NJ) 액세서리 세일즈 쇼 매니저는 말했다. LFV는 공구 수명, 칩 제어, 난삭재 가공성을 개선한다.

MCC L 시리즈 머신은 "우리가 협력하는 의료 제조사 대다수가 사용하는" 장비로, 더 빠른 가공 속도와 향상된 프로그래밍 역량을 갖췄다. "축 수가 늘었고, 복잡한 의료 부품 제조에 필수적인 B축도 포함됩니다."

L12는 의료 시장에서 특히 잘 팔린다. 글렌 크루즈 지역 영업 매니저는 "소형 크기와 고속 스핀들로 미니어처 의료 기기 부품 가공에 이상적입니다. 전 모델에 스핀들 크기 축소 옵션이 있어 소재 핸들링이 용이합니다."라고 덧붙였다.

크로스 워킹과 엔드 드릴링용 고속 스핀들도 개발돼 머신 표준 스핀들과 호환된다. 크루즈는 "기어 구동이라 전기·에어 구동 스핀들보다 더 높은 토크로 고속 달성이 가능합니다."라고 설명했다.

스핀들 선택의 중요성

결국 오늘날 의료 애플리케이션의 이송·속도 최적화를 위해 적절한 독립형 전기·공압 구동 스핀들 사용이 필수적이라고 마이클 가브리스 NSK 아메리카(일리노이주 호프만 에스테이츠) 산업 영업 매니저는 말했다.

"밀링 머신에 20,000 rpm이 있어도 0.01인치(0.254mm) 직경 드릴이라면 제대로 돌릴 속도가 안 나옵니다. 공구가 쉽게 부러지죠."

NSK 제품 매니저 마이크 시어는 "0.005인치(0.127mm)가 솔리드 초경 엔드밀·드릴 표준 직경이 되고 있다"며 "200 sfm으로 돌리려면 약 76,000 rpm, 제조사 권장 100 sfm이라도 40,000 rpm에 육박한다. 우리 스핀들이 마이크로·나노 가공 수요 증가에 부응한다"고 설명했다.

NSK 스핀들 출하 시 런아웃 1μm 미만 보장. 자체 정밀 콜릿(3~5μm 정확도) 제조, 전 고속 스핀들에 고가 세라믹 베어링 적용.

신규 머신 장착이든 기존 머신 레트로핏이든 "우리 스핀들이 모든 일을 합니다." 가브리스는 "메인 스핀들 잠그고 우리 스핀들에 전기와 에어(공압식이면 에어만) 연결하면 됩니다. 메인 스핀들은 돌지 않아 마모 없고, 우리 스핀들은 기어가 없습니다. 소량 에어 냉각·퍼징으로 24/7 가동해도 열변형·하모닉 이슈 없습니다. 상시 고생산 상황에 이상적입니다."라고 말했다. 반면 기어드 스피더 헤드만 쓰면 20~30분 사용 후 열 식히려 쉬어야 한다고 조언했다.

툴링 진화

의료 부품 소재가 플라스틱부터 코발트크롬, 티타늄까지 다양해짐에 따라 샌드빅 코로만트(Sandvik Coromant, 뉴저지주 페어론)는 최근 수년간 툴링을 크게 진화시켰다.

"더 빠르게 부품을 만들고 공차 지키는 것도 중요하지만, 공정과 툴링의 '예측 가능성'이 핵심입니다." - 패트릭 로프니, 소형 부품 가공 제품 매니저

터닝 인서트의 경우 "인베이오(Inveio) 코팅 혁신으로 기술을 획기적으로 바꿨습니다." 더 강한 기판, 더 정밀한 에지 트리트먼트, 새로운 코팅 방식 적용. "기존 공정에서 코팅 결정이 무작위 배열돼 인서트 보호만 했다면, 이제는 결정을 한 방향으로 정렬해 더 긴 공구 수명과 인서트 마모 개선을 달성했습니다." 머신 조정 횟수 감소, 안정적 가공 공정에 필수적인 예측 가능한 공구 수명 제공. 인서트 성형 후 에지 준비도 미크론 단위 공차로 실행.

"의료 특징별 전용 툴링도 개발했습니다. 무릎·고관절 커프 생산용 메디컬 보링 바, 무릎 임플란트 지지 트레이 생산용 코로밀 316 교환식 헤드 밀링 시스템(절삭 깊이 확장 적용) 등이 있습니다."

의료용 플라스틱 PEEK(폴리에터에테르케톤) 전용 터닝 인서트도 개발. "대부분 인서트 상단을 블라스팅해 플라스틱이 들러붙지 않게 합니다." 10월에는 의료·항공우주 내열 소재 전용 신규 드릴이 반기 신제품 릴리스에 포함된다.

샌드빅 코로만트 최대 과제는 스레드 월링 인서트다. "대부분 뼈 나사는 고유 나사산을 가집니다. 뼈 나사 개발 의사마다 고유 시그니처 나사 형태를 고집하니 표준 인서트로는 안 되고 케이스별 맞춤 연마가 필수입니다. 매우 유연하게 대응해야 합니다."

레이저 기술 활용

전통 가공만으론 부족할 때 레이저를 하나 이상 추가하면 제조 역량이 비약적으로 향상된다.

쯔가미/렘 세일즈의 레이저스위스(LaserSwiss) 머신 툴 라인은 의료 산업용으로 개발됐다. 레이저스위스는 전통 CNC 스위스 선삭과 레이저 절단을 한 대에 결합했다. 티나 카르넬리 쯔가미 레이저스위스 마케팅 매니저는 "의료 제조사가 스텐트 같은 복잡한 의료 부품을 원셋업, 원파트 프로그램으로 생산할 수 있게 합니다. 최근 두 번째 레이저 헤드(용접용)를 추가해 한 대에서 세 가지 작업을 효과적으로 결합했습니다."라고 설명했다.

마루베니 시티즌-친컴 리치 쿤 지역 영업 매니저는 "우리 머신에 레이저 절단·용접을 도입한 건 가장 중요한 개조 중 하나입니다. 가공과 레이저 절단을 한 대에서 하면 부품 생산 필요 공정 수를 크게 줄일 수 있습니다. 자동화와 레이저 용접 추가는 의료 고객들에게 끊임없이 늘어나는 고공차 요건 해결을 위한 추가 선택지를 제공합니다."라고 말했다.

레이저는 독립형 의료 제조 솔루션으로도 오래 쓰여 왔다. 트럼프(Trumpf) 포트폴리오는 레이저 용접·미세 절단부터 적층 제조, 추적성용 레이저 마킹까지 의료 기기 제조사들이 널리 활용한다. 살라 콰란타 트럼프 인더스트리 매니저에 따르면 적층 제조(3D 프린팅)로 트럼프에 많은 기회가 열렸다. "트루프린트(TruPrint) 1000으로 다양한 치과 크라운, 브리지, RPD를 제작해 최소 단일 배치부터 플레이트 위 시리즈까지 생성적 생산이 가능합니다. 멀티레이저 옵션으로 유연성 유지하며 생산성 80% 향상. 복잡한 형상도 CAD 설계에서 고품질 3D 금속 부품으로 빠르고 쉽게 변환됩니다."

이 설계 유연성이 금속 분말 적층 제조에서 레이저를 전통 가공과 차별화한다.

"3D 프린팅 설계 기법을 활용하면 근사 넷셰이프 제품을 만들 수 있습니다. 전통 가공처럼 스크랩이 거의 없고 야금학적 품질도 우수합니다. 임플란트, 치과 크라운부터 스캐폴드, 다양한 애플리케이션용 구조체까지 폭넓게 제작 가능합니다." - 살라 콰란타

2차 작업 자동화 확대

의료 부품 생산의 모든 측면을 규제하는 엄격한 규정과 안정적·예측 가능한 공정 필요성은 자동화에 이상적으로 보인다. 하지만 엄격한 감독이 역설적 상황을 낳기도 한다. 샌드빅 코로만트 로프니에 따르면 한번 정착된 공정은 소재·공정 혁신이 대기 중이라도 변경이 극도로 어렵고 시간·비용 면에서 비효율적이다.

"의료 제조 자동화가 늘고 있지만, 대부분 그리 엄격히 통제되지 않는 2차 작업(단조 게이트 연삭 등)에 집중됩니다. 고관절 스템 자동화 생산 같은 새로운 사례도 등장 중입니다."

의료 부품은 빈번한 체인지오버와 함께 배치 생산되는 게 일반적이라 책임 추적성과 트레이서빌리티가 최우선이다. "그런 걸 자동화하긴 좀 더 어렵습니다. 하지만 시스템과 소프트웨어가 개선돼 추적이 더 잘 되게 변하고 있습니다."

인더스트리 4.0 지속 추진 흐름에 맞춰 공작기계 제작사들도 수많은 혁신으로 대응 중.

요청 시 렘 세일즈는 쯔가미 스위스 머신을 화낙 로보틱스(로딩/언로딩), 키엔스 비전 시스템(공정 내 계측), 캐론 엔지니어링 오토컴프(AutoComp, 가동 중 오프셋 자동 보정)와 통합한다. 브릭스는 "로봇이 컨베이어에서 머신으로 부품을 꺼내 방향 맞추고 측정기 지그에 놓습니다. 측정된 치수가 공차 이탈 시 오토컴프가 가동 중 머신에서 자동 보정하고, 로봇이 불량품을 별도 빈에 격리해 양품 혼입을 방지합니다."라고 설명했다.

"오늘날 고객에게 '단일 머신으로 부품 가공'만 제공해선 안 됩니다. 고도 기술 자동화 시스템을 포함한 '완전한 가공 시스템'을 제공해야 합니다." - 짐 세피칸, MCC
MCC는 블랭크 파트를 머신에 로드해 이미 가공된 부품에 레이저 용접하는 자동 로딩/언로딩 시스템 등 여러 고도 자동화 시스템을 설계했습니다.

조지 버색 스타 CNC 머신 툴(뉴욕주 로슬린 하이츠) 제너럴 매니저는 "자동화는 의료 제조에 오래전부터 있었고 새 요건 기반으로 확대 중입니다. 뼈 나사, 치과 임플란트, 수술 기구 등 관련 부품은 큰 변화 없이 유지되지만, 우리 팀은 제조사가 직면할 새로운 도전에 대응하고 있습니다."라고 덧붙였다.