EDM에서 CNC 밀링으로 전환해 금형 툴링 효율성 높이기

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금형 제작 툴링 제조에는 다양한 제조 공정이 사용됩니다. 대부분의 금형 제작은 CNC 밀링이나 소재의 감산 가공(제거 가공)을 포함합니다. 밀링 외 작업으로는 적층 제조와 EDM 작업이 사용됩니다.

오늘날 제조업체는 그 어느 때보다 빠르게 부품을 만들어야 한다는 압박을 받습니다. EDM 제조가 많은 경우 유효하지만, 일부 사례를 CNC 가공 같은 더 빠른 방법으로 대체할 수 있는지 탐구하는 것이 중요합니다.

EDM이란?

EDM은 Electrical Discharge Machining(방전 가공)의 약자로, 때로는 '스파크 가공' 또는 'EDM 싱킹'이라고도 합니다. 전극을 통해 유전체 매질에서 전류를 통과시키는 방식입니다. 전극은 금형 툴링에서 제거해야 할 소재 모양으로 만들어집니다. 스파크가 소재를 침식해 원하는 최종 형태를 만듭니다. 라자렌코 형제(Lazarenko Brothers)가 제2차 세계대전 중 당시 소련에서 이 공정을 개발했습니다.

전극은 일반적으로 탄소 흑연으로 만들어집니다. 하지만 구리, 황동, 구리 합금 및 기타 재료도 전극으로 사용될 수 있습니다. 전극은 일반적으로 EDM 기계에서 사용되기 전에 제조되어야 합니다.

EDM 사용 사례

EDM 가공에는 오랫동안 인식되어 온 이점이 있습니다:

날카로운 내부 코너
이것은 EDM 제조의 가장 큰 장점 중 하나입니다: CNC에서는 아주 작은 직경의 공구가 필요하거나 단순히 불가능한 날카로운 내부 코너를 생성합니다.

금형의 깊은 영역
절삭 공구를 충분히 깊게 넣어 올바른 형상을 밀링할 수 없었기 때문에 EDM 공정이 CNC 밀링 대신 자주 사용되었습니다.

매우 복잡한 지오메트리
일반적인 통념은 복잡한 형상을 EDM 제조로 얻는 것이 더 쉽다는 것입니다.

리브 가공
금형의 리브는 일반적으로 얇고 꽤 깊을 수 있습니다. EDM 작업이 이런 특정 영역에서 흔히 사용됩니다.

무인 작업
과거에는 CNC 밀보다는 EDM 싱커 기계를 무인으로 돌리는 경향이 더 많았습니다.

EDM 표면 조도가 지정되는 경우
EDM 작업의 마감은 가공 스캘럽(scallop)이나 소용돌이 패턴 없이 일관됩니다. 때때로 이 마감이 부품 사양으로 지정됩니다.

EDM 사용의 단점

EDM을 사용할 수 없는 곳은 HAZ(Heat Affected Zones, 열영향부) 영역입니다. 용접 영역처럼 EDM 작업의 열이 해결하는 것보다 더 많은 문제를 일으킬 수 있는 구역입니다.

전극과 홀더의 공차 누적, 그리고 정확한 전기 스파크 크기를 알 수 없기 때문에 고정밀이 요구되는 영역은 종종 EDM에 적합하지 않습니다.

EDM은 느립니다

EDM 사용의 가장 큰 단점은 긴 공정이라는 것입니다. 먼저 CNC 밀로 전극을 밀링해야 합니다. 전극이 마모되기 때문에 한 EDM 영역을 위해 여러 전극을 밀링해야 하는 경우가 많습니다. 그런 다음 밀링보다 금속 제거율이 더 느린 EDM 공정 자체가 있습니다.

EDM 공정 자체가 느릴 뿐만 아니라, EDM 기계를 사용하기 전에 여전히 CNC 기계로 하나 이상의 전극을 밀링해야 합니다. 또한 흑연 전극 밀링은 많은 먼지를 만듭니다. 흑연 먼지용 고급 진공 시스템을 갖춘 전용 CNC 밀이 없다면, 금속 밀링에서 카본으로 전환할 때마다 청소 때문에 기계 다운타임이 발생합니다.

EDM이 제조 공정의 일부이고 경쟁력을 유지하기 위해 출력을 늘리고 싶다면, EDM 작업을 최대한 CNC 가공으로 대체하는 것이 한 방법입니다.

내부 날카로운 코너에 대해 CNC 밀링이 할 수 있는 일은 많지 않을 수 있지만, EDM이 한때 제공했던 다른 이점들을 완화하는 최신 하드웨어와 소프트웨어 기술이 있습니다.

깊은 영역 밀링

전극과 EDM 공정은 금형의 깊은 영역에 흔히 사용되었지만, 금형 제작 커뮤니티로의 5축 CNC 밀 성장이 이 패러다임을 바꿨습니다. 금형 제작 중 대부분의 5축 기계는 완전 동시 5축 가공보다는 3+2축 작업으로 작동합니다.

조작자와 프로그래머는 공구 축을 Z축 직진이 아닌 다른 것으로 회전시켜 EDM 작업 없이 깊은 영역을 가공할 수 있습니다. 다행히 Fusion 360 같은 최신 CAD/CAM 소프트웨어는 기계 자체의 발전만큼 다축 가공 기능을 개선하고 단순화했습니다. Fusion 360을 활용하면 리드타임을 줄이고 부품을 더 빨리 출하할 수 있습니다.

3+2 또는 5축 가공으로 깊은 영역을 성공적으로 밀링하려면 공구와 공구 홀더, 스핀들, 밀링 중인 부품과 잠재적으로 충돌할 수 있는 기계의 다른 부분에 대한 충돌 회피와 시뮬레이션이 필요합니다. 이 단계는 보통 Fusion 360 같은 CAM 시스템이나 CAMplete 같은 서드파티 시뮬레이션 및 검증 소프트웨어 패키지에서 수행됩니다.

리브 가공

금형 내 리브 밀링은 큰 L/D(길이-직경) 비율의 공구가 필요하므로 어려울 수 있습니다. 이러한 공구는 처짐, 진동, 파손되기 쉽습니다. 또한 리브 내 칩 배출이 중요한 고려사항이 됩니다.

어려움에도 불구하고 리브 밀링은 EDM으로 만드는 것보다 상당히 빠를 수 있습니다. 리브 가공을 위한 특별한 기능을 포함하는 전문 CAM 시스템이 프로그래밍을 더 쉽게 만듭니다. 이 프로그램들은 공구 축을 따라 스텝다운하거나 리브 윤곽을 따라 모핑(morph)하거나 따를 수 있습니다. 어느 경우든 작은 축 방향 절삭 깊이로 리브를 안전하게 밀링할 수 있습니다.

CNC 측면에서 필요한 것: 공구 홀딩은 보통 강성을 위해 열수축 홀더(heat shrink holders)를 사용하고, 커터는 강한 플러드 쿨런트나 에어로 칩 배출을 돕는 좋은 칩 배출을 허용하는 것을 사용합니다.

복잡한 지오메트리

복잡한 지오메트리는 한때 EDM 공정의 일반적인 용도였지만, 많은 경우 가공으로 대체될 수 있습니다. 이는 CNC 가공의 모든 영역에서 개선되었기 때문입니다:

• 열수축 공구 홀더와 기타 공구 기술이 더 높은 강성 제공
• 내장 고속 가공 기능과 스무딩 작업으로 밀링 기계가 더 부드러워짐
• Fusion 360 같은 CAM 프로그래밍 소프트웨어가 자동 레스트 머시닝(rest machining) 등을 포함해 복잡한 형상 밀링을 위한 더 많은 옵션과 프로그래밍 방법 제공

무인 가공

비싼 5축 기계를 무인으로 돌리는 것이 무서워 보일 수 있지만, 이는 많은 선진 작업장이 효율을 높이고 밀 가동률을 개선하기 위해 정확히 하고 있는 일입니다. 물론 기계가 더 오래 돌수록 부품이 더 빨리 나가고 더 많은 비즈니스를 수주할 수 있습니다.

앞서 언급한 다축 가공 시뮬레이션 소프트웨어는 프로그램이 충돌 없이 무인으로 실행될 수 있음을 검증할 수도 있습니다. 알고리즘은 일정 사용량 후 절삭 공구를 새 것으로 자동 교체해 더 긴 무인 실행 시간을 허용합니다. 이는 대형 부품에 특히 유용합니다.

검사도 무인 가공의 핵심 부분입니다. Fusion 360에는 공정 중 검사 작업이 통합되어 있어 주요 특징을 프로빙해 크기를 확인함으로써 공구가 마모되어도 후속 부품이 공차 내에 유지되도록 합니다. 다른 작업은 특징이 크기나 위치에서 공차 밖으로 발견되면 기계를 멈춥니다. 이는 생산을 방해할 수 있는 치명적인 오류를 방지합니다.

CNC 밀링으로 전환

금형 제작에서 밀링 작업은 EDM 작업보다 더 빠른 제거율을 제공합니다. EDM 공정에서 전환하면 납기 단축과 출력 증대에 도움이 됩니다. 공구 홀딩, 5축 기계, Fusion 360 같은 CAM 프로그래밍 소프트웨어의 발전으로 많은 EDM 작업을 CNC 밀링 작업으로 대체할 수 있게 되었습니다.

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