로봇 설계에서 주로 사용되는 기계재료와 특징, 후처리

 

오늘은 기구설계 중, 로봇 분야에서 주로 사용되는 기계재료의 종류와, 각 종류의 특징, 그리고 어떤 후처리들을 이용하게 되는지를 정리해 보려고 합니다. 

워낙 많은 재료들이 사용되고, 회사마다, 실무자마다, 그리고 목적에 따라 너무나도 다양한 재료들이 사용되기 때문에 모든 재료를 다 다룰 수는 없겠지만.. 

그럼에도 불구하고 로봇 설계에서 기본적으로 가장 많이 사용되는 알루미늄과 SUS, PC 등의 재료에 대해서는 알아둘 필요가 있겠다는 생각이 드네요.

 

 

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1. 기계 재료의 구분  

로봇이나, 어떠한 기구물을 설계하기 위해서는 기계재료의 특성을 어느정도 알고 있어야 합니다. 

설계 목적에 따라 주로 사용되는 재료들이 있고, 재료에 따라 주로사용되는 후처리가 있으며, 적절한 재료의 선택은 곧 가격 대비 최고의 효율을 나타낼 수 있기 때문입니다.

 

때문에 가장 많이 사용되는 재료부터 그 특징들을 하나씩 살펴볼텐데, 무작정 나열하기 보다는 흐름을 한번 잡고 가는 것이 좋을 것 같습니다.

 

 

위 그림과 같이 기계 재료는 크게 금속 재료와 비금속 재료로 나뉠 수 있습니다. 

또한 금속 재료는 철을 기준으로 철강 재료와 비철금속 재료로 나뉘며, 비금속 재료는 고분자, 세라믹, 기타 재료로 나뉘게 됩니다. 

 

금속 재료와 비금속 재료를 나누는 기준은 화학적 구성 원소, 물리적 성질과 기계적 성질에 기반합니다.

금속 재료는 전기전도성, 열전도성이 뛰어나며, 일반적으로 강도가 높으며, 빛을 반사하는 광택이 있는 표면을 가지고 있는 특징이 있습니다. 
또한 대부분의 금속은 가열하거나 압력을 가함으로써 형태를 변경할 수 있는 우수한 가공성을 가지기 때문에 다양한 형태의 부품으로 제조하는데 유리합니다.

이에 반해 비그마속 재료는 일반적으로 금속 재료에 비해 낮은 전기전도성과 열전도성을 가집니다. 전기 절연체, 내열 재료, 경량 구조물 등의 특정한 응용 분야에서 금속 재료를 대체하거나, 특수한 성능을 필요로 할 때 사용됩니다.

 

 

2. 주로 사용되는 금속 재료 

분야에 따라, 그리고 설계 목적에 따라 사용되는 기계 재료는 다르겠지만, 로봇 분야의 설계에서 가장 많이 사용되는 주요 재료들에 대해서 우선적으로 다루어 보겠습니다.

 

• 스테인리스 스틸(Stainless Steel)
  • 특징 : 부식에 강하고 내구성이 뛰어남. 가공성이 좋으며 용접과 같은 제조 공정에 적합
  • 후처리 : 연마(Polishing), 열처리(Heat Treatment)  등

SUS304	우수한 내식성, 우수한 가공성을 가지고 있어 다양한 로봇 부품 및 구조물 제작에 적합
SUS316	304보다 더 높은 내식성을 가짐. 화학물질에 노출되는 조건에서 사용되며, 의료 및 식품 처리 로봇 분야에 주로 사용됨
17-4 PH	높은 강도와 내식성을 갖는 특수 스테인리스 스틸. 열처리를 통해 더욱 높은 강도를 얻을 수 있음

 

 

• SS400 (일반 구조용 탄소강) 
  • 특징 : 비용 효율적이며 용접성과 가공성이 좋음. 스테인리스 스틸에 비해 내식성이 떨어지기 때문에 코팅이나 추가적인 후처리가 필요함.
  • 로봇 설계시, 프레임이나 지지 구조물로 주로 사용됨.
• 알루미늄 (Aluminum)
  • 가공성이 좋고, 무게가 가벼워 일반적인 기계재료로 많이 사용되는 재료.
  • 후처리 : Anodizing(표면에 알루미나 층을 형성하여 내식성 향상 및 색상 추가), 열처리, 분말 코팅 등이 이용됨.
  • 알루미늄 합금은 특정 원소의 첨가율에 따라 주로 시리즈 번호로 구분되며, 각 시리즈 마다 특징과 사용범위는 아래 와 같이 구분할 수 있음.

6061-T6	- 마그네슘과 실리콘을 주요 합금 원소로 포함. - 중간 정도의 강도와 우수한 내식성, 좋은 가공성으로 인해 일반적으로 많이 사용되는 합금. - 구조용 프레임, 파이프라인, 해양 및 항공, 자동차 부품, 자전거 프레임 등의 분야에 사용
7075-T6	- 아연을 주요 합금 원소로 포함. 매우 높은 강도를 가짐. - 6061에 비해 매우 높은 강도를 갖지만, 내식성은 다소 낮음. - 항공우주산업, 군사용 장비, 고성능 자동차부품, 등산용 장비 및 자전거 부품 등 고강도가 요구되는 분야에서 주로 사용
5052-H32	- 마그네슘을 주요 합금 원소로 포함. 우수한 내식성과 좋은 용접성을 가짐. - 해양 환경, 연료 탱크, 도로 표지판, 건축 외장재 등의 내식성이 중요한 분야에서 주료 사용
2024-T3	- 구리를 주요 합금 원소로 포함. 고강도성과 피로 저항성이 높지만 다소 낮은 내식성. - 항공우주 산업에서 구조적 부품, 리벳, 기계 부품 등의 고강도가 요구되는 분야에서 주로 사용.

 

 

• 티타늄 (Titanium)
  • 강도가 높고 내식성이 좋으며, 고온에 뛰어난 저항력을 갖고, 비중이 낮아(무게가 가벼움) 항공 우주 및 의료 로봇분야에서 많이 사용됨.
  • 가공성이 좋지 않아 가공비가 매우 비싼 편. 따라서 고급 로봇 부품 제작에 적합.
  • 후처리 : 열처리(Heat Treatment), Passivation 등 
• S45C 
  • Carbon Steel(탄소강) 중 하나이며, 높은 강도와 가공성이 높음.
  • 기어, 축, 플랜지 등의 기계적 구성 요소 제작에 주로 사용됨.
• SUJ2 
  • 베어링 등의 고정밀 부품 제작에 주로 사용되는 재료.
  • 경도가 매우 높고, 내마모성이 좋으며 가공성이 좋음,
  • Shaft, 볼 베어링, 가이드 핀 등의 부품 제작에 주로 사용.
  • 후처리 X 

 

3. 주로 사용되는 비금속 재료  

기계 재료에서 플라스틱은 주로 무게가 가벼워야 하거나, 커버를 제작해야 할 때 많이 사용됩니다.

혹은, 알루미늄 등의 금속 재료로 가공을 하기에 앞서, 테스팅 용도로 3D-프린팅을 할 때에도 많이 사용되기도 하며, 

사출을 통해 대량 생산으로 제작 단가를 낮추기 위한 방안으로도 많이 사용됩니다.

 

• ABS (Acrylonitrile Bustadiene Styrene)
  • 내충격성이 뛰어나고, 강도가 높으며 열적 성질이 우수한 플라스틱.
  • 가공성이 높아 복잡한 형태의 부품 제작이 가능
  • 로봇의 외관(커버), 기어 등의 다양한 구조적 요소에도 사용됨.
  • UV 코팅, Painting 등으로 색상을 입히는 것이 가능

 

• PC (Polycarbonate)
  • 뛰어난 내충격성, 고온에 대한 저항력, 투명성을 가지며, 커버 등에 많이 사용됨.

 

• ABS-PC
  
  • ABS와 PC 두 재료의 장점을 결합하여 더욱 우수한 기계적 성질을 제공.
  • 내구성과 강도가 필요한 외부 케이스나 전자 기기의 하우징 등에 사용됨.
  • 샌딩, 도색, 기능성 코팅 등의 표면처리

 

• 아크릴 (PMMA)
  • 아크릴(폴리메틸 메타크릴레이트)는 광학적 특성이 뛰어나고, 화학 안정성이 좋으며, 가볍고 충격에 강하다는 특성이 있어 다양한 사업에서 활용될 수 있음.
  • 투명도가 높고, UV 저항성이 높음. 가공이 쉬움.
  • 광고판, 사인보드, 창문, 보호 커버, 광학 장치의 패널, 인테리어 및 가구 디자인 등 다양한 산업군에 활용 가능.
  • 무광, 유광이 있으며, 다양한 색상이 있는데, 두께에 따라 구할 수 있는 형태가 제한되어 있기 때문에 설계 시 필요한 두께를 잘 보고 선택해야 함!

 

• PEEK (폴리에테르에테르케톤) 
  • 고성능 엔지니어링 플라스틱으로, 우수한 열적, 화학적 저항성을 갖추고 있어 까다로운 환경에서 사용 가능.
  • 높은 온도에서도 뛰어난 기계적 성질을 유지 (연속 사용 온도 250 ℃ 이상)할 수 있으며 방사선 저항성과 난연성이 뛰어남.
  • 항공우주 및 자동차 부품, 의료기기, 임플란트, 전자부품, 고성능 산업용 기계부품 등에서 활용되고 있음.

 

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이처럼 기계 분야에서 쓰이는 재료는 정말 많은데, 결국 로봇을 설계할 때 재료의 선택은 로봇의 기능성, 내구성, 제조 비용, 최종 사용 환경 등을 종합적으로 고려하여 이루어지게 됩니다.

 

특히 설계자가 가장 많이 듣는 말은 '더 가볍게, 더 작게, 더 저렴하게' 인데요,

결국 더 낮은 비용으로 로봇을 더 가볍고 작게 만들면서 더 좋은 성능을 내기 위해서는 재료를 많이 알아야 하고,

적재 적소에 맞는 재료를 선택할 줄 알아야 한다는 것입니다.

 

그리고 재료마다 맞는 후처리를 알아야만 제대로 된 설계를 할 수 있습니다.