에너지 부품 제조: 지속 가능한 재생 가능한 미래 개척

기후 변화와 전 지구적 이산화탄소 농도에 대한 우려가 최근 몇 년간 그린 에너지를 운전석에 더 가깝게 앉혔습니다. 국제에너지기구(IEA) 세계 에너지 리뷰에 따르면, 대부분 전문가는 2021년 전체 전력의 거의 30%를 재생에너지가 생산할 것으로 예상하며, 풍력과 태양광 발전이 각각 17%, 18% 증가할 것으로 전망합니다.

이러한 인상적 성장에도 화석 연료는 여전히 시장을 지배합니다. IEA는 석탄 수요만으로도 전체 재생에너지 합계보다 60% 더 많을 것으로 예측합니다. 그 결과 에너지 관련 CO₂ 배출량은 사상 두 번째로 큰 연간 증가를 기록해 팬데믹으로 인한 온실가스 농도 감소분을 상쇄할 전망입니다.

역동적인 산업임은 확실하지만 한 가지는 확실합니다: 글로벌 에너지 소비—그 형태가 무엇이든—는 머신 숍과 기타 개별 제조업체에 지속적으로 새로운 기회를 창출할 것입니다. 펌프 및 터빈 하우징, 기어박스, 풍력 터빈 루트 섹션, 웰헤드 및 드릴링 부품—이는 에너지 OEM과 티어 공급업체가 매일 생산하는 부품의 일부에 불과하며, 상당수가 매우 크고 무거우며 인코넬(Inconel)과 듀플렉스 강철 같은 난삭재로 만들어집니다.

크게 가거나 포기하거나

큰 부품에는 큰 기계, 큰 워크홀딩, 큰 절삭 공구가 필요합니다—이 모든 것이 큰 투자를 요구합니다. 오하이오주 로레인의 앱솔루트 머신 툴스(Absolute Machine Tools Inc.) 영업 부사장 클라우스 밀러(Klaus Miller)는 이 중 첫 번째를 돕게 되어 기쁩니다. 그는 에너지 및 항공우주 시장이 지난 2년간 부진했지만, 팬데믹 최악기가 지나간 지금은 회복세라고 말했습니다.

"우리는 유지(You Ji) 및 기타 브랜드 CNC 기계를 수입합니다."라고 밀러는 말했습니다. "유지는 더 큰 장비 일부에 정수 베어링을 장착해 에너지 부품 제조업체들에게 인기가 높습니다. 이 공작기계들은 이 분야와 다른 가공 분야에서 마주치는 극도로 무거운 하중을 처리할 수 있고, 이 특징 덕분에 우수한 장기 정밀도를 제공합니다."

최근 사례에서 앱솔루트는 4미터 테이블을 가진 유지 수직 터렛 선반(VTL)을 설치했습니다. 구매 회사는 대형 에너지 공작물을 가공하는데, 밀러는 2006년경 청정 에너지 투자 증가로 이 분야가 활성화됐다가 약 10년 후 제조가 중국, 루마니아 등 저비용 공급업체로 이동하며 감소했다고 말했습니다. 이 새로운 설치는 오랫동안 지속된 추세의 반전을 시사할 수 있습니다.

앱솔루트는 올해 초 지역 고객을 위해 대용량 보링 밀도 설치했습니다. 숍 관리진은 구체적 용도를 밝히지 않았지만, 에너지 작업용이며 35,000 lbf(155.7 kN) 하중 용량이 필요하다고 밀러에게 전했습니다. "이미 존포드(Johnford) 브리지 밀이 있었지만 더 큰 것이 필요했습니다."라고 그는 말했습니다. "여기서도 정수 베어링과 기계의 엄청난 질량—130,000 lb(58,967 kg)—이 올바른 솔루션임이 입증되었습니다."

무거울수록 좋다

픽업 트럭보다 큰 부품에서 중절삭을 하며 정밀도를 추구할 때 기계 질량은 분명히 중요합니다. 밀러와 다른 이들은 오늘날 공작기계 제조사 중 "예전처럼 만들지 않는" 곳이 적지 않으며, 많은 머신 숍이 루카스, 기딩스 앤 루이스(Giddings & Lewis) 등 구형 철제 장비를 CNC 컨트롤로 개조해 사용한다고 말했습니다. 이는 상당한 투자였던 장비 수명을 연장하는 훌륭한 방법이지만, 아무리 많이 업데이트해도 현대 장비에 미치지 못하는 때가 옵니다.

숍이 대형 부품 가공 역량을 활용해 에너지 시장을 넘어 확장하는 또 다른 방법이 있습니다. 예를 들어 방위 산업은 초대형 부품의 주요 사용자이며, 광업, 농업, 건설 산업도 마찬가지입니다. 그러나 그런 작업을 하려면 다양한 부품에 쉽게 적응하고 가동 중단을 최소화하는 기능을 갖춘 유연한 공작기계에 투자해야 합니다.

메서드 머신 툴스(Methods Machine Tools Inc.) 매사추세츠주 서드버리의 기와 일본, OKK 일본 제품 기술 지원 디렉터 겸 제품 매니저 버나드 오토(Bernard Otto)는 이를 달성하기 위한 여러 권장사항을 제시했습니다. 그는 수많은 메서드 고객이 프래킹 산업을 지원하며 펌프, 하우징 등 대형 부품을 생산한다고 말했습니다. 여기서 경쟁력이 있으려면 강철 주조품과 단조품에서 대량 소재를 효율적으로 제거하는 것뿐만 아니라 스핀들을 끊임없이 가동시키는 것도 의미합니다.

"높은 스핀들 가동률은 머신 오퍼레이터가 17,000 lb(7,711 kg) 부품을 신속하고 정확하며 무엇보다 안전하게 장착하고 해제할 수 있어야 한다는 뜻입니다."라고 그는 말했습니다. "대부분의 경우 팔렛 체인저로 가장 잘 달성됩니다."

깊이 파고들기

오토는 다양한 스핀들 속도 범위가 유사한 유연성을 제공한다고도 지적했습니다. 그는 이 분야 많은 머시닝 센터가 50테이퍼 기어드 헤드스탁에 고속과 저속 두 범위만 있고 최대 3,600rpm에 그친다고 말했습니다. 이는 소구경 드릴과 밀링 커터 사용이나 알루미늄 합금 가공 능력을 제한합니다.

"OKK는 3단 기어 레인지와 최대 6,000rpm을 제공하는 몇 안 되는 제조사 중 하나로, 고객이 대형 페이스 밀 등으로 매우 공격적으로 절삭하면서 필요할 때 소구경 절삭 공구도 사용할 수 있게 합니다."라고 오토는 말했습니다. "이것이 다양한 공작물을 생산해야 하는 숍에 훨씬 더 다재다능하게 만듭니다."

찾아야 할 기타 기능으로는 중절삭 드릴링을 위한 높은 Z축 추력, 자동화 유압 워크홀딩을 위한 통합 배관, 보링 밀의 경우 퀼(W축)을 고정해 깊은 포켓 황삭 시 강성을 크게 높이는 기능 등이 있습니다. 이러한 이유들로 오토는 앱솔루트의 밀러와 마찬가지로 최신 공작기계 기술을 따라잡는 것이 가능한 한 경쟁력을 유지하려는 숍들에게 명확한 길임을 동의합니다.

하지만 아마도 변동하는 수요를 가진 에너지 제조업체와 기타 업체들에게 가장 중요한 권장사항은 기계를 켜두고 완전히 가동 상태로 유지하는 것입니다. 이는 특히 매우 순환적인 석유 및 가스 부문과, 오래전에 상환이 끝났지만 작업 사이에 방치되는 경향이 있는 기계 자산을 가진 기업에 해당합니다.

오토는 "이런 상황에서 우리 서비스 부서는 수개월, 때로는 수년간 사용되지 않은 기계를 가동하려다 축이 얼거나 전자 부품이 고장 난 것을 발견하는 고객들의 전화를 자주 받습니다. 그래서 숍들에게 주기적으로 기계를 가동시키고, 더 나아가 공인 대리점과 예방 정비 일정을 잡으라고 권합니다. 그렇게 하면 기계 브랜드, 크기, 작업 유형에 관계없이 불쾌한 놀라움을 피할 수 있습니다."라고 말했습니다.

일관된 클램핑

브래든 댐만(Braden Damman)은 유압 워크홀딩의 필요성에 동의했지만, 앞서 언급한 통합 배관이 필수조건은 아니라고 재빨리 지적했습니다. 캔자스주 엠포리아의 워크홀딩 부품 공급업체 벡텍(Vektek LLC) 애플리케이션 엔지니어인 댐만은 워크홀딩 고정구 자체가 유압 배관되어 외부 '어큐뮬레이터(accumulator)'로 구동되는 등 여러 추가 구성 옵션이 있다고 말했습니다. 어큐뮬레이터는 가공 중 시스템 압력을 유지하는 장치입니다.

접근 방식에 관계없이 유압 워크홀딩은 가격 면에서는 아닐지라도 일관성과 신뢰성 측면에서 확실한 승자입니다. "대부분 애플리케이션에서 유압이 가장 비싼 솔루션이지만, 초기 비용은 생산성 향상으로 빠르게 상쇄됩니다."라고 댐만은 말했습니다. "수동 클램핑 방식에서 보이는 변동을 없애고 자동화 공정에는 필수입니다."

아이러니하게도 댐만이 지원하는 대형 에너지 부품 워크홀딩 상당수는 2차 작업용입니다. "가스 터빈 부품 중 매우 엄격한 공차의 미세 디테일이 있는 것을 꽤 봅니다."라고 그는 말했습니다. "이런 애플리케이션에서 고객은 종종 CNC 연삭기에 부품을 장착해 마무리하길 원하며 자동화도 필요합니다. 높은 반복정밀도 때문에 유압 워크홀딩이 거의 항상 선호되는 방식입니다."

일리노이주 휠링의 워크홀딩 전문 SMW 오토블록(SMW Autoblok Corp.) 사장 래리 로빈스(Larry Robbins)는 반복 가능한 클램핑의 열렬한 지지자지만, 대형 부품의 가변성 때문에 재위치시키는 것이 자주 필요하다고 지적했습니다. "단조품이든 주조품이든, 직경 1미터 이상이면 거의 항상 척 내에서 위치를 조정할 방법이 필요합니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 아마도 25년 전부터 수동 및 유압 척에 독립적 턱 조정을 제공해왔지만, 최근 몇 년간 전기 구동 워크홀딩 제품군으로도 그 기능을 확장했습니다."

에너지 워크홀딩

로빈스는 자사의 MM 이모션(emotion) 척이 특허받은 선형 포지셔닝 시스템(LPS)을 탑재해 오퍼레이터가—자동이든 수동이든—터치 프로브로 기계 내 부품 위치를 측정하고, 위치 정보를 컨트롤러로 보내 척이 부품을 중앙에 정렬하게 한다고 설명했습니다. 각 턱은 자체 '이-모터(e-motor)'로 구동되고 제어되며, 이는 유도 커플러에 의해 구동되어 고정 또는 회전 애플리케이션 모두에 사용 가능합니다. 1,250mm까지 모든 형태와 크기의 부품을 수용하며, 가공 중에도 클램핑 힘 조정이 가능합니다.

여러 사람이 언급했듯 로빈스와 SMW 오토블록도 지난 2년간 에너지 및 항공우주 분야 둔화를 겪었지만 최근 회복세를 보이고 있습니다. 흥미롭게도 그는 석유 및 가스 산업에서 점점 더 큰 파이프를 잡을 수 있는 척에 대한 수요를 보기 시작했는데, 이는 워크홀딩과 공작기계 양쪽 모두에 도전적인 요청입니다.

"과거에는 마스터 턱을 재설계해 기존 척의 용량을 늘렸지만, 이제 24인치(610mm) 관통 구멍 요청으로 완전히 새로운 제품 설계에 직면했습니다."라고 그는 말했습니다. "이러한 대구경은 선반 스핀들 베어링에도 큰 하중을 가합니다. 이는 스테디 레스트(steady rests) 사용으로 어느 정도 완화할 수 있지만, 여기서도 기존 워크홀딩 기술의 한계에 접근하고 있습니다. 에너지 공급업체들이 완전히 새로운 시장을 창출하려 하고 있습니다."

자동화에 동의하다

자동화 시스템 공급업체 패스트옴스 LLC USA(Fastems LLC USA) 오하이오주 웨스트 체스터의 지역 영업 매니저 로이 맥엘도니(Loy McEldowney)는 에너지 분야가 전통적으로 자동 부품 처리에 느렸지만, 숙련 노동력 부족으로 그 사고방식이 변하기 시작했다고 말했습니다. "많은 산업처럼 전문성을 잃고 가능한 곳마다 자동화할 수밖에 없습니다."

이것에는 여러 가지가 필요합니다. 앞서 설명한 팔렛 체인징 머시닝 센터가 좋은 시작점이고, 그 다음이 어떤 형태의 자동화 워크홀딩입니다. 앞서 논의한 유압 및 전자 고정구 외에도 공기 또는 기계식 제로포인트 로케이팅 시스템도 이용 가능합니다. 맥엘도니는 이런 시스템의 리텐션 놉(retention knobs)이 종종 대형 공작물에 직접 장착되고, 짝이 되는 리시버가 팔렛에 부착된다고 말했습니다.

아마도 가장 중요한 것은 안정적이고 예측 가능한 공정 개발입니다. 이 작업은 모든 가공 부품에서 어려울 수 있지만, 특히 에너지 제조에서 흔한 저용량 고혼합 작업에서는 더욱 그렇습니다. 그럼에도 점점 더 많은 석유 및 가스 부품 공급업체가 이를 실현하고 있습니다.

"자동화 투자와 후속 공정 개발의 정당성은 높은 볼륨만큼이나 상당히 반복적인 주문이 필요합니다."라고 맥엘도니는 말했습니다. "고객과 장기 계약을 맺고 향후 18~24개월을 내다볼 수 있는 기업이라면 전용 고정구, 팔렛, 자동화 또는 반자동화 저장 시스템에 돈을 쓰는 것이 훨씬 덜 두렵습니다. 주문이 들어오면 팔렛을 적재하고 프로그램을 불러와 부품을 가공하면 됩니다. 우리 MMS(제조 관리 소프트웨어) 시스템과 통합 셀 컨트롤러를 가진 곳이라면 무인 가공도 가능합니다. 어쨌든 저용량 제조도 매우 효율적으로 만듭니다."