스마트한 부품 설계로 CNC 가공 비용 절감하기

TL;DR

가공 비용을 줄이기 위해 부품 설계를 최적화하려면 기계 가공성 설계(DFM) 원칙을 적용해야 합니다. 여기에는 부품 형상 단순화, 내부 모서리에 충분한 곡률 반경 추가, 구멍 및 나사에 표준 크기 사용, 그리고 가능한 경우 느슨한 허용오차 지정이 포함됩니다. 또한 기계 가공성이 뛰어나고 비용 효율적인 재료를 선택하는 것은 가공 시간과 복잡성, 전반적인 비용을 최소화하기 위한 핵심 전략입니다.

기계 가공성을 위한 설계(DFM)의 핵심 원리

특정한 설계 변경을 논의하기에 앞서, 비용 절감 뒤에 있는 기초 전략인 가공성 설계(DFM)를 이해하는 것이 중요합니다. DFM은 부품을 가능한 한 효율적이고 간단한 방식으로 제조할 수 있도록 의도적으로 설계하는 과정입니다. 목표는 CNC 기계에서의 가공 시간을 줄이는 것뿐만 아니라 초기 세팅부터 최종 마감까지 전체 생산 공정의 복잡성을 최소화하는 것입니다. 설계 단계에서 내려지는 모든 결정은 최종 비용에 직접적이고 종종 상당한 영향을 미칩니다.

DFM의 핵심 원리는 두 가지 주요 목표에 초점을 맞추고 있습니다: 가공 시간 단축과 공정 횟수 최소화. 가공 시간은 대부분의 경우 비용의 주요 요인으로 작용하므로, 더 빠른 절삭 속도와 적은 패스로 제작할 수 있는 설계가 항상 더 저렴합니다. 이는 가공성이 우수한 재료를 선택하거나 보다 크고 강력한 공구로 가공할 수 있는 형상을 설계함으로써 달성할 수 있습니다. 다음 가이드에서 자세히 설명된 바와 같이 프로토랩스 네트워크 모서리 반경을 늘리는 것과 같은 사소한 조정이라도 기계가 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있게 해줍니다.

또한 중요한 것은 머신 셋업 횟수를 최소화하는 것입니다. 셋업이란 가공면에 접근하기 위해 부품을 수동으로 재배치하거나 재고정해야 하는 각각의 과정을 의미합니다. 셋업마다 노동 비용이 추가되며 오류 발생 가능성이 생깁니다. 여섯 면 전부에 특징이 있는 복잡한 부품은 여섯 번의 별도 셋업이 필요할 수 있으며, 이는 모든 특징을 단일 방향에서 가공할 수 있는 단순한 부품에 비해 비용을 크게 증가시킵니다. 따라서 설계 시 가능한 한 적은 셋업으로 완료할 수 있도록 부품을 설계하는 것이 DFM(설계를 고려한 제조)의 핵심 전략입니다. 이상적으로는 단 하나의 셋업만으로 마무리되어야 합니다.

비용 절감을 위한 핵심 기하학적 최적화

부품의 형상은 가공 비용에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 복잡한 형태, 깊은 캐비티 및 섬세한 특징들은 모두 더 많은 시간과 전문 공구, 주의 깊은 취급이 필요하므로 가격 상승으로 이어집니다. 부품 형상에 전략적인 최적화를 적용함으로써 엔지니어는 기능성을 해치지 않으면서도 상당한 비용 절감을 달성할 수 있습니다.

• 내부 모서리에 충분한 곡률 반경 추가하기 모든 CNC 밀링 공구는 둥글기 때문에 내부 모서리마다 자연스럽게 곡률이 생깁니다. 날카로운 모서리나 매우 작은 곡률 반경을 만들려면 소형 공구가 필요하며, 이는 느린 속도로 여러 번 가공해야 하므로 기계 가공 시간이 증가합니다. 간단한 규칙은 캐비티 깊이의 최소한 1/3 이상의 내부 모서리 곡률 반경을 설계하는 것입니다. Protocase가 설명하듯이 가능한 한 큰 곡률 반경을 사용하면 표면 마감 품질이 향상되고 더 크고 안정적인 절삭 공구를 사용할 수 있으므로 비용이 절감됩니다.
• 캐비티 및 포켓의 깊이를 제한하세요. 깊은 포켓 가공은 비례하지 않게 비용이 많이 듭니다. 표준 절삭 공구는 일반적으로 직경의 약 2~3배 깊이까지 효과적으로 가공할 수 있는 제한된 절삭 길이를 가지고 있습니다. 더 깊은 가공도 가능하지만, 이 경우 진동과 파손을 방지하기 위해 강성이 낮고 느린 속도로 작동해야 하는 특수한 장형인 공구가 필요합니다. Fictiv에서는 좋은 마감 품질과 낮은 비용을 보장하기 위해 엔드밀의 절삭 깊이를 공구 직경의 5배 이내로 유지할 것을 권장합니다.
• 얇은 벽을 피하십시오. 금속의 경우 0.8mm 미만, 플라스틱의 경우 1.5mm 미만인 벽 두께는 가공 중 진동, 변형 및 파손이 발생하기 쉽습니다. 이러한 형상을 정확하게 가공하려면 기계 조작자가 절삭 깊이를 낮춘 상태에서 여러 번 천천히 패스를 반복해야 합니다. 부품의 기능상 절대적으로 필요하지 않은 한, 더 두껍고 강성이 높은 벽을 설계하면 부품의 안정성이 높아지고 생산 비용이 크게 절감됩니다.
• 형상을 단순화하고 통합하십시오. 설계의 복잡성은 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 대칭적인 부품은 가공이 더 쉬우며, 고유한 특징들의 총 수를 줄이면 공구 교체 필요성이 최소화됩니다. 언더컷이나 여러 면에 뚫린 구멍과 같은 복잡한 특징을 부품이 가지고 있다면, 해당 설계를 여러 개의 단순한 구성 요소로 분할하여 각각 쉽게 가공한 후 조립하는 방식을 고려해 보세요. 이 방법은 5축 머시닝 센터와 맞춤형 지그가 필요한 매우 복잡한 단일 부품을 가공하는 것보다 종종 더 비용 효율적입니다.

허용오차, 나사 및 구멍에 대한 스마트한 전략

큰 형상 특징들이 명백한 비용 요인인 반면, 허용오차, 나사, 구멍과 같은 작은 세부 사항들도 최종 가격에 예상 외로 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 특징들은 정밀도, 전문 공구 또는 추가적인 기계 가공 공정을 요구하는 경우가 많습니다. 이러한 요소들에 스마트한 설계 전략을 적용하는 것은 부품을 경제적인 제조를 위해 최적화하는 데 있어 중요한 단계입니다.

공차는 특정 치수에 대해 허용 가능한 편차를 정의합니다. 중요한 인터페이스의 경우 가끔씩 엄격한 공차가 필요할 수 있지만, 이는 최소한으로만 지정되어야 합니다. 공차가 더 엄격할수록 더 많은 시간과 주의, 검사가 필요하게 되며, 이는 비용을 기하급수적으로 증가시킵니다. MakerVerse 가 설명했듯이, 과도하게 엄격한 공차는 공구 마모 증가, 사이클 타임 연장, 폐기율 상승을 초래할 수 있습니다. 비중요 부위의 특징들에 대해서는 표준 기계 공차(일반적으로 ±0.125mm)에 의존하는 것으로 충분하며 훨씬 더 경제적입니다.

마찬가지로, 구멍과 나사산은 표준화를 염두에 두고 설계되어야 합니다. 비표준 지름을 지정하여 엔드밀로 천천히 구멍을 만드는 것보다 표준 드릴 크기를 사용하는 것이 훨씬 저렴합니다. 나사산의 경우 길이를 제한하는 것이 중요합니다. 구멍 지름의 1.5배를 초과하는 나사 조임 길이는 거의 추가적인 강도를 제공하지 않지만 상당한 비용을 증가시킵니다. 맹공의 경우 밑부분에 탭 공구를 위한 여유 공간을 확보하기 위해 나사가 없는 부분을 설계하는 것이 중요하며, 이는 파손 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.

비용 효율성을 위한 재료 및 마감 선택

재료 선택과 요구되는 표면 마감은 가공 비용을 관리하는 데 있어 마지막이자 중요한 고려 사항입니다. 이러한 결정은 원자재 비용뿐 아니라 부품 가공에 소요되는 시간에도 영향을 미칩니다. 구매 가격은 저렴하지만 가공이 어려운 재료는 더 비싸더라도 가공성이 좋은 대체재보다 궁극적으로 더 비쌀 수 있습니다.

재료의 가공성 등급은 그 재료가 얼마나 쉽게 절삭될 수 있는지를 설명한다. 알루미늄 6061이나 POM(델린)과 같은 연한 재료는 우수한 가공성이 있어 고속 절삭이 가능하며 사이클 시간을 단축할 수 있다. 반면 스테인리스강이나 티타늄과 같은 더 딱딱한 재료는 절삭이 어렵고 느린 속도가 요구되며 공구 마모를 더 유발하여 가공 시간이 두 배에서 세 배까지 증가할 수 있다. 따라서 고강도 합금의 특정 특성이 요구되지 않는 한, 보다 가공하기 쉬운 재료를 선택하는 것이 매우 효과적인 비용 절감 전략이다.

다른 최적화 영역으로는 재료 블랭크 자체의 제조 공정을 고려하는 것입니다. 단조와 같은 공정을 통해 근접 성형된 블랭크를 사용하면 가공 시 제거해야 하는 재료의 양을 크게 줄일 수 있어 시간을 절약하고 폐기물을 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어 자동차 산업 분야에 종사하는 경우, 이 분야의 전문 업체들이 제공하는 옵션을 탐색하는 것이 유리할 수 있습니다. 견고하고 신뢰성 있는 자동차 부품을 위해 다음 사이트에서 정보를 확인해 볼 수 있습니다. 샤오이 금속 기술사의 주문형 조조 서비스 산업용 고품질 핫 포징(hot forging)을 전문으로 하는 업체

마지막으로, 마감 처리 사양을 신중하게 고려해야 합니다. 표준 '가공 상태 그대로(as machined)' 마감은 가장 비용 효율적인 옵션입니다. 더 매끄러운 마감을 요청하면 추가 가공 공정이나 비드 블라스팅 또는 연마와 같은 2차 공정이 필요하며, 이는 각각 비용을 증가시킵니다. 동일한 부품의 다양한 표면에 서로 다른 마감을 지정하는 것은 마스킹과 다수의 공정이 수반되기 때문에 더욱 비용이 높아집니다. 기능상 필요한 부분에만 특정 마감을 적용하는 것은 비용을 절감하기 위한 간단하면서도 효과적인 방법입니다.

자주 묻는 질문

1. CNC 가공 비용을 줄이는 방법은?

CNC 가공 비용을 줄이기 위해서는 설계 최적화, 재료 선택 및 공정 단순화를 병행해야 합니다. 주요 전략에는 다음이 포함됩니다:

• 형상 단순화: 복잡한 곡선, 깊은 포켓 및 얇은 벽을 피하십시오.
• 모서리 반경 추가: 내부 모서리에는 가능한 한 큰 반경을 사용하여 더 빠른 가공이 가능하게 하십시오.
• 표준 특징 사용: 맞춤 공구가 필요하지 않도록 구멍과 나사산을 표준 크기로 설계하십시오.
• 허용 오차 완화: 기능상 필요한 핵심 부위에만 엄격한 허용 오차를 지정하십시오.
• 가공이 용이한 재료 선택: 알루미늄 6061과 같이 빠르게 절삭할 수 있는 재료를 선택하십시오.
• 설치 횟수 최소화: 모든 특징들이 가능한 한 적은 기계 가공 방향으로 접근할 수 있도록 부품을 설계하십시오.

2. 기계 가공 부품 설계 시 고려해야 할 사항은 무엇입니까?

가공 부품의 주요 설계 고려 사항은 제조 가능성과 비용 효율성을 보장하는 데 중점을 둡니다. 여기에는 절삭 공구에 의한 간단성과 접근성을 위해 부품의 형상을 평가하는 것이 포함됩니다. 설계자는 완전히 날카로운 내부 모서리를 만들 수 없는 것과 같은 가공 공정의 한계를 고려해야 합니다. 그 밖의 주요 고려 사항으로는 기능적 요구사항과 가공성에 따라 재료를 선택하고, 적절한 허용오차를 적용하며, 구멍 및 나사와 같은 특징들을 표준 사양에 맞게 설계하는 것이 있습니다. 마지막으로 설계자는 부품 완성에 필요한 기계 설정 횟수를 최소화하도록 해야 합니다.