[캐파-제조 길잡이] 시간과의 싸움, CNC 가공비용 줄이려면?

CNC 가공은 여러 제조 방식 가운데서도 정교함으로 정평이 나 있습니다. 다양한 절삭공구를 교체해 가며 재료를 조금씩 깎아나가 결국 제품이 완성되는 일련의 과정을 보고 있노라면 마치 예술작품을 조각하는 예술가를 보고 있는 듯한 착각마저 들게 합니다.

하지만 제품을 주문하는 입장이라면 이런 CNC 가공 과정을 넋놓고 바라보고만 있을 일이 아닙니다. CNC 가공 있어 시간은 돈이기 때문입니다. 즉, CNC가공에서 비용을 줄이는 데에 가장 중요한 요소 중 하나가 '시간'이란 얘깁니다. 때때로 시간은 재료비나 설치비 같은 직접적인 요인보다도 비용 산정에 더 큰 영향을 끼칠 수 있습니다. 이처럼 CNC 가공 비용에 큰 영향을 미치는 시간은 어떤 방식으로 가공하느냐에 따라 단축이 가능합니다. 오늘의 제조 길잡이 주제는 CNC 가공 비용을 절약하는 7가지 방법입니다. 지금부터 시작합니다.

① '모'난 모서리가 비용도↑

CNC 가공은 특성상 내부 모서리를 둥글게 만드는 것이 불가피합니다. 그런데 둥근 정도에 따라 비용이 달라질 수 있다는 사실을 아셨나요?

모서리 작업은 상대적으로 직각에 가깝게 가공할수록 까다로워집니다. 까다로운 정도를 가늠하는 것은 반지름입니다. 모서리가 둥글다고 반지름이 다 같은 것은 아니랍니다.

위 그림을 보면 반지름이 작을수록 더 미세한 모서리를 만들 수 있다는 걸 아실 수 있을 겁니다. 어떤 것이 반지름인지 잘 이해가 안 가신다고요? 직접 그려서 설명드리겠습니다.

위 그림에 보조선을 그려봤습니다. 숨어있던 원이 보이시나요? 빨간 선은 작은 원의 반지름이고, 파란 선은 큰 원의 반지름입니다. 반지름에 따라 조밀한 모서리, 넓은 모서리가 만들어진다는 사실을 이제 이해하실 수 있겠죠?

내부 모서리 작업을 할 때는 여러가지 절삭 공구들을 사용합니다. 이 도구들을 사용하면 내부 모서리를 여러 형태로 둥글게 만들 수 있어요. CNC 가공을 통해 둥근 모서리를 어떻게 만드는지 궁금하시다면 동영상을 참고해보세요.(출처 : 유튜브 'RAPID')

중요한 건, 반지름이 클수록(내부 모서리가 더 둥그럴수록) 작업에 필요한 공구가 단순해진다는 겁니다. 반지름이 작아지면 그 만큼 미세하게 모서리 작업을 해야하기 때문에 다양한 공구가 필요해집니다. 공구를 바꾸기 위해 작업을 멈췄다가 공구를 교체하고 다시 작업을 시작해야 한다면 결국 가공 시간이 길어질 수밖에 없습니다. 미세하고 정밀하게 좁은 모서리를 작업하기 위해 작업 자체도 매우 신중하게 느린 속도로 해야되지요.

내부 모서리 작업에서 시간을 절약하기 위해서는 절삭 공구의 L:D 비율(길이 대 지름)을 고려하는 것이 좋습니다. L:D 비율은 절삭 공구 날의 길이와 지름의 비율을 말합니다. 가령 아래 사진 속 엔드 밀을 예로 들면, L과 D값은 아래 그림처럼 표현할 수 있게 되는 것이죠.

만약 엔드 밀 날장(날 모양이 있어 실제 작업에 사용되는 아랫 부분)의 길이가 너무 긴데 지름이 작다면, 작업하는 도중 엔드 밀이 부러지기 쉽습니다. 일반적으로 날장의 길이(L)가 절삭 부분의 지름(D)보다 3배 미만인 공구를 사용하는 것을 권장합니다. 또 가공하려는 깊이가 깊어질수록 공구에 진동이 심해집니다. 사용하는 공구와 가공 부분의 깊이를 적절히 고려해 선택해야 합니다. 가능하면 내부 모서리 반지름들을 동일하게 유지하는 것도 방법입니다. 도구를 자주 바꿔야한다면 작업 과정이 복잡해지고 제작 시간 역시 길어질 수밖에 없기 때문입니다.

② 딥 포켓은 '돈 먹는 하마'

제품 내부가 깊을수록 CNC 가공 시간은 길어집니다. 제작 시간도 오래 걸릴 뿐 아니라 비용도 많이 듭니다. 또한 제품 내부를 파낼 때 깊이가 너무 깊다면 드릴이 부러질 가능성이 매우 높습니다. 망가지는 가공 도구의 비용까지 추가로 들게 되는 거죠. 가공 도구가 부러지는 사태를 막으려면 드릴의 높이를 아주 조금씩 낮추며 섬세하게 작업해야 합니다. 그만큼 시간이 많이 소요되죠.

물론 브로치나 와이어 EDM을 사용할 수도 있겠지만, 두 방식은 가공 비용 자체가 높습니다.

제품 내부에 깊이를 만들 때는 권장되는 가공 깊이가 있습니다. 작업하려는 깊이가 가공 도구 지름의 4배를 넘지 않는 것이 좋습니다. 아래 그림에서 빨간색 선은 엔드밀의 지름을 표현한 것입니다. 그림에 나타난 엔드밀로 아래 제품에 주머니 형태로 가공하다면, 작업하는 깊이는 빨간색 길이의 4배보다 작아야 비용을 줄일 수 있습니다. 쉽게 말해, 노란 선은 빨간 선의 4배보다 작아야 하는 것이죠. 만약 엔드밀의 지름과 작업 깊이가 4배 이상 차이가 난다면, 제조 비용이 기하급수적으로 늘어납니다.

이러한 특성 때문에 컵(cup)이나 용기(bowl)와 같은 제품처럼 제품 속을 파내야 하는 제품은 CNC보다는 3D프린팅 방식이 훨씬 효율적일 수 있습니다.

③ 피할 수 있다면 공차는 최소로

공차(tolerance)는 꼭 필요한 부분에만 적용하도록 해야 비용을 줄일 수 있습니다. 이미 판금 가공편([제조 길잡이] 판금 제작 비용 줄이는 5가지 꿀팁)에서도 한 번 살펴본 이야기입니다. 공차가 꼭 필요한 부분은 주로 부품의 표면입니다. 표면이 아니라면 공차가 크게 중요하지 않을 수 있습니다.

설계도에 숫자 콜아웃(반지름, 구멍 지름, 모따기 등)이 많을수록 제조 비용이 높아집니다. 공차가 반드시 필요한 경우가 아니라면, 공차를 줄여주는 것이 불필요한 비용을 줄이는 지름길입니다. 가급적 핵심 기능과 표면에만 공차를 부여하는 것이 비용 측면에서 유리합니다.

④ 얇은 벽은 가능한 한 피하라

제품에 얇은 벽 구조를 만들어야 한다면 가공 시간은 더욱 길어집니다. 가공 과정에서 벽에 왜곡이 발생해 허용오차를 맞추기도 어렵죠. 이 때문에 추가 비용이 발생할 수 있습니다. 가공 비용을 적절한 선에서 유지하기 위해서는 벽의 두께는 최소 0.794mm 이상으로 설계하는 것을 추천드립니다. 이보다 더 얇은 벽이 필요하다면 판금 가공 등 다른 가공 방식을 활용하는 것이 더 나을 수 있습니다.

⑤ 설계시 표준 드릴 크기를 감안하라

구멍을 뚫을 때 사용하는 드릴에도 표준 크기가 있습니다. 제품에 필요한 구멍 크기와 100% 딱 맞는 크기가 존재할 가능성은 낮지만, 비슷한 크기를 찾을 가능성은 꽤 높을 겁니다. 드릴의 크기를 미리 파악하고, 이를 감안해 설계도를 제작한다면 작업 시간이 대폭 줄어듭니다. 구멍의 크기가 표준 수치가 아닐 경우에는 엔드 밀이나 리머로 추가 마감 작업을 해야 하기 때문에 추가로 시간이 필요합니다. 하지만 표준 크기로 설계도를 제작하면 시간을 단축할 수 있죠.

⑥ 복잡한 부품은 나눠서 제작하는 편이 유리

복잡한 부품을 한 번에 완성하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 내부 구조가 복잡할수록 가공 난이도가 올라가기 때문이죠. 이런 경우 하나의 부품을 여러 부품으로 쪼개서 각 부분부분을 하나의 제품처럼 설계한 뒤, 최종적으로 용접하거나 볼트로 고정하는 방법을 고려해 보세요.

용접 등 조립 과정에서 비용이 추가로 발생하지만, 복잡한 제품 자체를 가공하는 것보다 비용이 적게 드는 경우가 있기 때문입니다. 이러한 방식은 앞서 살펴본 주머니가 깊은 부품, 작업 면이 많이 필요한 부품에 적용할 수 있습니다.

⑦ 대량 생산을 고려하라

CNC 밀링은 정해진 설계도면에 따라 가공기계가 작업할 수 있도록 컴퓨터로 프로그래밍을 합니다. 처음 설정에는 적지 않은 시간이 소요되지만 한 번 설정을 해두면 그 다음부터 추가 프로그래밍할 필요가 없습니다. 따라서 프로그래밍과 설정에 드는 시간을 줄이고 효율을 높이려면 한 번에 대량 제품을 주문하는 것이 방법이 될 수 있습니다.

서두에 설명했듯이 CNC가공에서 비용을 줄이는 데에 가장 중요한 요소는 '시간'입니다. 작업에 앞서 가공 시간을 염두에 두고 가공 방식 등을 결정한다면 불필요한 비용을 줄일 수 있을 것입니다.

온라인 제조 플랫폼 캐파(CAPA)에서는 다양한 방식의 CNC 가공 기술을 보유한 전문가 파트너들(제조업체)을 만날 수 있습니다. 캐파에는 2300여 파트너(공정 합산 기준)가 고객 여러분을 기다리고 있습니다.