고도로 디지털화된 시대에서 유도 열처리가 직면한 과제

전자기 유도를 이용한 열처리 기술은 새로운 과제와 급변하는 비즈니스 환경에 대응하며 가속화된 속도로 발전하고 있습니다. 부품의 종류는 점점 다양해지는 반면, 제품 생산 주기는 점점 짧아지고 있습니다. 많은 유도 열처리 응용 분야에서 가열 시간은 몇 초 미만이며, 경우에 따라서는 단 몇 분의 1초에 불과하기도 합니다.  

상업용 열처리 업체들이 유도 열처리 장비를 평가할 때 전통적으로 고려해 온 요소로는 기술적 역량, 성능의 일관성, 납기, 장비 수명, 가격 등이 있습니다. 최근 산업 동향을 고려할 때, 열처리 장비 구매 결정 시에는 장비의 유연성, 부품 열처리 품질의 추적성, 디지털 연결성, 공정 데이터의 저장 및 접근 가능성 등 추가적인 요소들도 함께 고려해야 합니다. 

개별 부품의 추적성이 보장되는 단품별 가공 능력, 자동화 대응 능력, 그리고 공정 제어 및 모니터링의 디지털화는 4차 산업혁명(인더스트리 4.0)과 관련하여 유도 열처리의 가장 매력적인 특징 중 하나로 항상 꼽혀 왔습니다. 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러 기술의 지속적인 발전으로 인해, 이전에는 구현할 수 없었던 정교한 제어·모니터링 시스템이 등장하게 되었습니다.  

그러나 이러한 고도화된 기능은 장비 비용을 상당히 증가시켜, ‘인더스트리 4.0’ 운영 전략을 실행하는 데 있어 일부 측면에서 걸림돌이 될 수 있습니다. 예를 들어, 모니터링 및 제어 기능과 디지털 데이터 수집 능력을 강화하기 위해 장비 설계에 가능한 모든 ‘부가 기능’을 포함시키면, 구매자가 지불할 의향이 있는 금액을 훨씬 초과하는 가격이 책정될 수 있습니다. 이것이 현실입니다.  

또한, 수집된 방대한 양의 데이터를 분석하여 공정 변화가 제품에 어떤 영향을 미치는지 평가해야 하는데, 이는 시간과 비용이 소요됩니다. 경우에 따라서는 적절한 예방 및/또는 예측 유지보수 프로그램을 활용하고, 덜 복잡한 모니터링 및 제어 기술을 사용하는 것이 더 합리적일 수 있습니다. 따라서 신중한 엔지니어에게 주어진 질문은 “무엇을 할 수 있는가?”에서 “무엇을 해야 하는가?”로 바뀌게 됩니다.  

산업 디지털화를 추진하는 첫 단계 중 하나는, 과거에 널리 사용되던 아날로그 계량기 대신 특수 집적 회로를 사용하는 디지털 계량기를 도입하는 것입니다. 정격 범위 내에서 사용될 경우, 디지털 계량기는 전원 공급 장치의 출력 전기적 파라미터를 정확하게 측정해 줍니다. 디지털 계량기의 응답 시간이 신속한 유도 열처리 공정에 비해 여전히 너무 느릴 수 있기 때문에, 일부 제조업체는 동일한 계량기 하우징 내에 응답 속도가 느린 디지털 파라미터 값 표시기와 함께 응답 속도가 빠른 막대 그래프를 함께 제공하고 있습니다. 그러나 디지털 계량기와 회로의 응답 시간을 더욱 단축하기 위해서는 추가적인 연구가 필요합니다.  

공정에 대한 실시간 시그니처형 모니터링에 대한 수요는 앞으로도 계속 높을 것으로 예상됩니다. 이 시스템은 중요한 기계 설정을 검증하여 고품질 부품 가공에 대한 신뢰성을 제공합니다. 최신 열처리 시스템은 인간-기계 인터페이스(HMI)가 탑재된 컴퓨터화된 프런트 엔드와 PLC 제어를 결합하여 제어, 데이터 수집 및 시그니처 모니터링 기능을 하나의 패키지로 제공함으로써 두 기술의 장점을 모두 활용합니다. 많은 제조업체들이 디지털 모니터링 회로를 위한 독자적인 솔루션을 개발하여 정확도를 높이고 응답 시간을 최소화하고 있습니다. 

대수의 법칙에 따르면, 센서, 감지기 및 관련 장치/시스템을 과도하게 설치할 경우 장비 가동 시간과 전반적인 시스템 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 열처리 공정에서 모니터링이 필요한 진정으로 중요한 공정 매개변수의 최소 수를 확립하는 것이 필수적이며, 이것이 바로 현대식 유도 가열 장비의 설계가 종합적인 접근 방식을 취하게 된 이유입니다. 정교하고 견고한 구조를 갖추면서도 구성 요소를 최소화하여 단순하게 설계된 현대식 유도 시스템을 통해, 신뢰성과 소형화를 높이고 운영 및 유지보수를 용이하게 하려는 시도가 이루어져 왔다. 결함이 있는 부품이 조립 단계까지 유입되는 것을 감지하고 방지하기 위해 모든 노력을 기울여야 한다.  

해킹으로 인해 공정 레시피, 프로토콜, 검증 절차 및 장비 교정이 훼손될 수 있는 잠재적 위험과 디지털 데이터 수집의 중요성으로 인해, 고도로 디지털화된 오늘날의 세상에서 사이버 보안은 필수적인 요소가 되었습니다. 전자 기록을 작성하고 보관해야 하며, 감지되지 않은 채로 기록이 변조되는 것을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다. 이는 적절한 프로그램의 도입과 안전 기능의 구현을 수반하며, 결과적으로 추가 비용이 발생하게 되는데, 이는 일부 소규모 장비 제조업체에게는 부담이 될 수 있습니다. 

과거에는 공급업체들이 특정 부품에 대한 계약을 수년 동안 유지하는 경우가 흔했습니다. 하지만 오늘날에는 계약이 공급업체 간에 훨씬 더 빈번하게 이동합니다. 따라서 경쟁사보다 계약을 따내기 위해서는 공급업체가 새로운 유도 가열 장비를 평가하여 해당 작업을 수행할 수 있는지 확인하고, 장비를 구매 및 설치하며, 생산 부품 승인 절차(PPAP)를 완료하고, 단기간 내에 양산 준비를 마쳐야 할 수도 있습니다. 현대적인 고품질의 신뢰할 수 있는 장비는 다양한 부품을 가공하기 위해 공구 변경 및 재프로그래밍이 용이해야 합니다. 가열 사이클 동안 미리 프로그래밍된 디지털 방식으로 전력과 주파수를 즉각적이고 독립적으로 조정할 수 있게 해주는 혁신적인 전원 공급 장치(예: Inductoheat의 IFP 기술)의 개발은 장비의 유연성을 높이고 열처리 부품의 금속학적 품질을 최적화하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 

고도로 디지털화된 오늘날의 세상에서 수치 컴퓨터 모델링 역량의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 일부 상용 소프트웨어 패키지를 활용하면 사용자가 고도로 전문화된 독자적인 응용 소프트웨어(앱)를 개발할 수 있으며, 이를 장비 패키지에 포함시킬 수 있습니다. 이미 일부 유도 가열 장비 제조업체들이 자사 장비 패키지에 독자적인 소프트웨어 도구를 통합한 바 있어, 이러한 앱은 이미 현실이 되었습니다. 이러한 추세가 앞으로도 계속 확대될 것이라는 강력한 징후가 나타나고 있습니다.  

ASM 열처리 학회의 연구개발위원회는 현재 ‘2030 열처리 연구개발 로드맵’을 마련 중이며, 이를 통해 비용 효율적이고 친환경적이며 글로벌 경쟁력을 갖춘 열처리 기술 및 소재를 위한 기술 개발 경로를 파악하고 분류하는 데 기여할 것입니다. 

발레리 루드네프, FASM, IFHTSE 펠로우
인덕토히트(Inductoheat Inc.) 과학기술 부문 이사 

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