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[연재] 공구 전문가로 부터 듣는다. 알루미늄 가공 동향 ① – 우리가 알루미늄에 주목하는 이유

향후 알루미늄 가공공구 시장은 연간 4.5~6%의 성장률을 기록하며 시장규모가 점차 확대될 것으로 전망된다. 자동차와 항공 산업을 중심으로 알루미늄 사용량이 크게 늘어나면서 해당 공구시장 역시 크게 확대될 것으로 예상되기 때문이다.
자동차산업에서는 CO2 배출 감축 규제로 인해 경량소재 사용이 확대되는 가운데 전기 자동차가 확산되면서 e-하우징과 커버, 스크롤, 배터리 트레이 등의 부품에서 새로운 알루미늄 수요가 발생하고, 항공산업에서는 2038년까지 항공기 25,000대가 새로 추가되고 노후화된 항공기 14,210대가 교체되면서 알루미늄 사용량은 크게 증가할 것으로 보인다.
발터는 이런 시장 변화에 발맞춰 자동차와 항공 분야의 알루미늄 소재 부품들을 최적으로 가공할 수 있는 공구와 솔루션을 개발하고 기술지원 역량을 갖춰 해당시장을 지원에 나선다. 이번 호부터 연재 기사로 자동차와 항공 산업을 중심으로 알루미늄 가공 시장동향과 함께 발터가 개발, 공급 중인 알루미늄 가공 공구와 솔루션을 소개한다.

가공성은 중간에 해당하는 경량 소재
알루미늄은 티타늄, 니켈합금 등과 함께 대표적인 경량 소재로 꼽힌다. 스틸과 비교해 가볍고 내식성과 질량 대비 강도가 뛰어나며, 높은 열전도도와 전기전도도도 높다. 순수 알루미늄보다는 구리(Cu), 망간(Mn), 규소(Si), 리튬(Li) 등과 같은 금속과 결합해 더욱 향상된 특성을 가진 합금 형태로 주로 쓰인다. 또한 성형성이 좋아 절삭가공 외에도 프레스가공, 절단, 압출, 다이캐스팅 등 다양한 방법으로 가공할 수 있으며, 절삭가공 면에서 볼 때 가공성은 중간 정도라 할 수 있다. 

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그간 알루미늄은 자동차의 차체나 섀시 부품 등의 경량부품과 항공기 동체나 윙 립과 같은 프레임 구조물에 주로 적용되어 왔는데, 2~3년 전만 하더라도 복합재가 알루미늄을 대체하면서 사용량이 점차 감소할 것이라 전망되기도 했다. 

그러나 최근에는 항공기에서 복합재의 사용이 가공성과 안전성, 경제성 등의 이유로 크게 확대되지 않고 있고, 전기자동차의 개발이 빠르게 진행되면서 e-부품을 중심으로 자동차부품에 쓰이기 시작하면서 오히려 수요가 늘어나는 상황이다. 

알루미늄은 다른 소재와 비교해 가공성은 중간 정도이고, 기계 주축능력을 최대한 이용해 필요한 형상을 빠르게 가공하는 것이 일반적이므로 가공할 때 가공 속도가 가장 중요하다. 특히 항공기의 알루미늄 부품들은 가공 시 95% 가까이 소재가 제거되기 때문에 더욱 그러하다.

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알루미늄 공구, 밸런싱이 중요해
알루미늄 가공에서 고속가공을 실현하려면 진동을 최소화할 수 있는 밸런싱이 중요하다. 진동은 공구의 변형이나 편심 현상을 야기해 공구수명을 떨어뜨리고 가공품질에 안좋은 영향을 미친다. 따라서 공구는 밸런싱을 잘 유지하도록 디자인돼야 하며 툴 홀더의 역할도 중요해진다. 

황삭 시 기존 공정방식에 비해 기계 부하가 줄어들고 일정하게 유지되면서도 절삭날과 소재 간의 접촉 시간을 줄일 수 있는 트로코이드 밀링 같은 다이나믹 밀링 방식이 더 바람직하다. 공구가 나선형을 그리며 가공하므로 공구경로가 가공물에 맞춰 최적으로 조정되고 유격을 방지해 가공효율이 향상된다. 

또한 가공과정에서 절삭열이 많이 발생하기 때문에 쿨런트 공급도 원활하게 이뤄져야 한다. 

왜 알루미늄에 주목하는가?
알루미늄 가공과 관련해 세계 공구시장 규모는 2020년 기준 약 25억 유로에 이를 것으로 추정된다. 전체 공구시장 규모가 약 195억 유로임을 감안할 때 약 10~13%에 해당하는 규모이다. 수요산업별로는 자동차 10억 유로, 일반장비 10억 유로, 항공 5억 유로로 파악된다. 

앞으로 알루미늄 공구시장은 자동차와 항공 산업을 중심으로 알루미늄 사용량이 크게 늘어나면서, 2020년 이후 연간 4.5~6%의 성장률을 기록하며 규모가 더욱 확대될 것으로 전망된다. 

알루미늄 사용량이 늘어나는 이유는 전 세계적으로 환경문제 대두에 따른 자동차 경량화 추세와 전기자동차의 확산, 여행객 증가에 따른 항공기 수요 증대, 다품종 소량 생산으로의 생산방식 변화 등으로 요약할 수 있다. 

좀 더 상세히는, 자동차산업에서는 연료효율 향상과 CO2 배출 저감을 위해 소재가 스틸이나 주철 대신 알루미늄을 비롯해 티타늄, 니켈합금, 복합소재, 플라스틱, 마그네슘 등의 경량 소재로 대체되고, 또한 ‘E-mobility’로 분류되는 하이브리드 자동차, 플러그인자동차, 전기자동차 등이 등장하면서 모터 하우징과 커버, 스크롤 등의 부품에 알루미늄이 대거 채택되고 있기 때문이다. 

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연료효율을 높이기 위해서는 중량은 낮추고 강도를 높여야 하지만 강도가 높아지면 가공성은 나빠진다. 알루미늄은 가벼우면서 강도가 높고 가공도 비교적 용이하기 때문에 경량 소재로서 충분히 매력적이다. 

항공산업에서는 오는 2028년까지 항공기 대수가 25,000 대 이상 추가로 증가할 것으로 예상되는데, 이는  항공기 수요가 2배 이상 늘어나고 노후화된 항공기 교체 수요가 발생함에 기인한다. 항공산업에서는 난삭성을 가진 티타늄이나 리튬 등이 첨가된 알루미늄합금이 더 많이 사용되며 가공이 더 어렵다.

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 일반 장비산업에서는 과거의 소품 종 대량 생산에서 다품종 소량 생산으로 생산방식이 바뀌면서, 가격이 비싸지 않고 가공이 용이하며 다양한 형상으로 가공이 가능하다는 특징으로 인해 알루미늄에 대한 관심이 증대되는 추세다. 특히 산업용 로봇이나 MRI 같은 의료장비, 유공압, 금형 등이 수요를 견인할 것으로 보인다. 

 한국발터 마케팅팀 강희성 부장
한국발터 마케팅팀 강희성 부장

다음 연재 안내: 다음 호에서는 CO2 배출 규제로 성장하는 전기차 시장과 이로 인해 변화하는 부품 시장에 대해 알아볼 예정입니다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.