[스위스] 슐저의 레거시 펌프에 대한 신기술
최신 역 엔지니어링 기법과 적층제조(AM)로 중요 자산의 서비스 수명 연장
모든 산업 과정은 전 세계 사람들에게 혜택을 제공하며, 거의 모든 과정은 어느 시점에 펌핑 작업을 수반한다.
이러한 필수 자산을 운용하는 것은 모든 현장 유지관리팀에 있어 중요한 작업이다. 납품기간(lead time)을 줄이고 성능을 개선할 수 있는 현대적인 디자인과 재제조 기법 덕분에 이 도전은 이제 쉬워지고 있다.
슐저(Sulzer)의 회전장비 서비스 기술책임자인 찰스 숫힐(Charles Soothill)은 역 엔지니어링과 적층제조(AM ; additive manufacturing)를 포함한 펌프의 새로운 부품을 만들기 위해 개발되고 사용되는 최신 기술을 살펴본다.
펌프는 도시의 물공급와 농작물 관개를 위한 물을 유지하고, 발전을 가능하게 하고, 석유와 가스와 제조 과정을 지원하는 등 우리의 일상 생활에서 필수적인 역할을 한다. 우리는 이러한 중요한 자산에 얼마나 의존하고 있으며 얼마나 많은 펌프들이 우리의 삶에 영향을 끼쳤는지 결코 알 수 없을 것이다.
우리가 또한 고려하지 않는 것은 가장 신뢰할 수 있는 펌프조차도 결국 마모, 부식 또는 피로에 굴복할 것이라는 것이다. 그 때가 되면 펌프를 신속하게 재급수할 수 있도록 수리 및 교체 부품에 대한 계획을 세우는 것이 중요하다.
기존 장비 제조업체(OEM ; original equipment manufacturer)가 더 이상 지원을 제공할 수 없더라도 교체 부품을 신속하게 소싱하는 것이 효과적인 해결책의 핵심이다.
■ 정밀 설계 생성(Creating precision designs)
이러한 부분의 품질은 프로세스의 몇 가지 측면에 의해 결정된다. 3D CAD 도면에 필요한 모든 데이터를 캡처하려면 빠르고 정확하게 항목을 측정할 수 있는 레이저 스캐너와 디지털 좌표 측정기(CMM ; digital coordinate measuring machine)를 사용해야 한다.
과거에는 물리적 구성요소를 만들면 금형을 만들고 최종 치수로 가공할 수 있는 빈 부품을 주조하는 작업이 포함되었을 것이다.
오늘날, 현대의 적층제조(AM) 기법은 훨씬 더 빠른 솔루션을 제공하며, 이것들은 직접, 간접 및 하이브리드 프로세스로 세분화될 수 있다.
■ 직·간접 제조(Direct and indirect manufacturing)
직접 적층제조(AM)는 보다 복잡한 부품을 만들기 위해 레이저 파우더 베드를 용해하여 '316L 스테인리스강'과 '인코넬(Inconel) 625'와 같은 여러 합금으로 달성할 수 있다. 전문 합금의 제조공정이 더욱 발전함에 따라 이 영역은 확장되고 있다.
간접 적층제조(AM)는 플라스틱이나 왁스에 필요한 부품의 복제본을 인쇄할 수 있다. 그리고 나서 이것들은 투자 주조물이라고 알려진 세라믹 쉘에 싸여진다. 껍질은 가열하여 왁스·플라스틱을 녹인 후 더 가열하여 세라믹을 발사한다.
이것은 금속 합금으로 채워질 수 있는 속이 빈 곰팡이를 만들어 식힌 다음 세라믹 껍데기를 떼어내어 마지막 부분을 떠난다.
이 프로세스를 통해 달성되는 상세 및 표면 마감은 품질을 향상시키고 새 부품을 제작하는 데 필요한 툴링(tooling)에 소요되는 시간을 크게 단축한다.
기존 모래 공정의 모래 몰드를 적층제조(AM) 방식으로 프린팅하는 것도 간접 기법이다. 이를 통해 기존 케이싱 패턴은 물론 새로운 케이스를 만드는 데 소요되는 리드 타임과 비용을 저장할 필요가 없어진다.
■ 하이브리드 제조(Hybrid manufacturing)
석유 및 가스 또는 석유화학 산업에서 볼 수 있는 것과 같은 고부가가치 자산에 대한 긴급한 부품 요구사항의 경우, 이제 레이저 금속 증착과 5축 밀링을 사용한 하이브리드 공정이 단일 전용 기계에서 신속한 제조를 가능하게 한다.
예를 들어 임펠러의 경우, 단조된 코어는 레이저가 분말을 녹이기 전에 임펠러의 눈의 기본 모양을 설정하기 위해 5축 방법을 사용하여 가공된다.
이를 통해 지하의 핵심 구조물에 대량이나 재료가 빠르게 쌓일 수 있다. 지금까지는 특정 합금에 대해 공정이 개발되었지만 추가 진전은 진행 중이다.
이 공정의 많은 장점 중 하나는 몇 가지 일반적인 재료에 있는 단조 바의 작은 재고로부터 부품을 제작할 수 있어 제조사가 즉시 출발할 수 있다는 것이다.
또한 임펠러의 코어는 단조 재료와 관련된 모든 양의 속성을 가질 것이다. 그런 다음 동일한 기계에서 수행할 수 있는 레이저 금속 증착 프로세스를 사용하여 추가로 구축된다.
■ 복잡한 기하학(Complex geometries)
기본적인 내부 구조를 만든 후, 기계의 밀링 기능을 사용하여 완성된 임펠러의 공작기계가 접근할 수 없는 내부 통로의 표면 마감을 마무리한다. 그런 다음 레이저 금속 증착 공정을 통해 코어에 더 많은 재료를 추가함으로써 완성된 설계를 지향한다.
새로운 금속의 각 도포 후, 전체 임펠러가 3D CAD 설계로 구성될 때까지 필요한 표면 마감을 제공하기 위해 밀링 프로세스를 재개한다.
이 프로세스의 한 가지 이점은 복잡한 유압 기하학을 가진 임펠러를 하나의 기계에 만들 수 있다는 것이며, 다른 자산간에 이식을 할 필요가 없어 시간을 절약하고 정확성을 향상시킨다는 것이다.
또한 이 제조법의 유연성은 다른 재료를 사용하여 부품을 제작할 수 있는 기회를 제공하므로 설계의 다른 영역에서 특정 합금을 사용할 수 있다. 이는 추가 공정이 아닌 제조 공정 중 최적화된 재료 성질을 설계에 접목할 수 있는 전문 코팅, 하드 팩팅 등의 기술의 연장선이다.
■ 레거시 부품 업그레이드(Upgrading legacy parts)
레거시 장비를 제조할 때 사용한 설계 표준 중 일부는 업데이트되고 정제되었으며, 이는 새로운 펌프 모델을 만들 때 적용된다.
펌프 OEM으로서 설저는 신기술이 허용하는 대로 설계 표준을 지속적으로 개발하고 업데이트한다. 이렇게 하면 교체 부품의 고객은 원품보다 더 나은 성능을 발휘할 수 있는 현대적인 부품을 받을 수 있다.
예를 들어, 경험에 따르면, 임펠러 구성요소의 면적의 두께가 침식이나 높은 주기 피로에 영향을 줄 수 있다는 것을 설저에게 보여주었다. 설저는 이러한 경험을 대체 부품을 생산하는 데 사용되는 설계 및 제조 표준에 포함시켰다.
이것은 훨씬 오래된 기계를 포함하여 교체용 임펠러의 서비스 수명을 향상시킬 수 있다. 이렇게 하면 고객들은 설저의 다년간의 경험에서 혜택을 받게 될 것이다. 레거시 장비에 이 프로세스를 적용하면 펌프를 재평가할 수 있는 기회를 제공하는 것이 더 유리하다.
많은 경우에 펌프 애플리케이션 또는 듀티 사이클은 수년간 변화하며 설계 변경을 통해 달성되는 효율성과 생산성에 상당한 이점이 있을 수 있다. 펌프에 대한 수정된 유압 장치를 만들기 위해 컴퓨터 유체 역학(CFD)을 적용하는 것은 리레이트 또는 리폼 프로젝트에서 중요한 단계다.
■ 품질 카운트(Quality counts)
적층제조(AM)는 새로운 부품을 만드는 데 있어 상당한 시간 절약을 제공한다. 디지털 설계 프로세스의 성격과 이 정보가 수 초 만에 전 세계로 전송될 수 있다는 것은 실제 제조 공정이 고객과 더 가까이서 완성될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 물류 비용을 절감하고 공급망의 길이를 최소화하며 물론 시간을 절약한다.
궁극적으로 펌프의 효율성과 신뢰성을 좌우하기 때문에 펌핑 애플리케이션에서 품질은 가장 중요한데, 두 가지 모두 운영 비용과 유지보수 리소스에 직접적인 영향을 미친다.
이러한 맥락에서 AM은 원하는 수준의 품질을 더 빨리 전달하여 시간과 비용을 절약할 수 있도록 적용될 수 있으며, 이 모든 것이 우리의 삶을 움직이는 데 도움이 된다.
■ 슐저 정보(About Sulzer)
슐저(Sulzer)는 유체공학에서 세계적인 리더다. 우리는 모든 종류의 액체를 펌핑(pumping), 동요(agitation), 혼합(mixing), 분리(separation) 및 응용(application)하는 기술을 전문으로 한다.
슐저(Sulzer)의 고객은 혁신, 성능 및 품질에 대한 당사의 노력과 전 세계 180개의 세계적 수준의 생산 시설 및 서비스 센터로 구성된 당사의 대응 네트워크로부터 혜택을 받는다.
슐저(Sulzer)는 1834년부터 스위스 윈터투르(Winterthur)에 본사를 두고 있다. 2019년에 우리 직원 1만6천500명이 37억 스위스프랑(CHF)의 매출을 달성했다. 자세한 내용은 www.sulzer.com을 참조.
[원문보기]
New Technology For Legacy Pumps
Latest reverse engineering techniques and additive manufacturing extend service life of important assets
Every industrial process delivers benefits for people around the world and nearly all of them involve a pumping operation at some point.
Keeping these essential assets operational is an important task for any site maintenance team. This challenge is now becoming easier thanks to modern design and re-manufacturing techniques that can reduce lead times and improve performance.
Charles Soothill, Head of Technology for Rotating Equipment Services at Sulzer, looks at some of the latest technologies that are being developed and used to create new parts for pumps including reverse engineering and additive manufacturing (AM).
Pumps play an essential role behind the scenes of our everyday lives, keeping water for municipalities and crop irrigation moving; enabling power generation; supporting oil & gas and manufacturing processes. We will never know how much we depend on these vital assets and how many pumps have influenced our lives.
Something that we also don’t consider is that even the most reliable pumps will eventually succumb to wear, erosion, corrosion or fatigue.
When that time comes, it is important to have a plan in place for repairs and replacement parts, to ensure that the pump is re-instated swiftly.
The key to an effective solution is to source replacement parts quickly, even if the original equipment manufacturer (OEM) is no longer able to offer support.
Creating precision designs
The quality of these parts is determined by several aspects of the process. Capturing all the necessary data for a 3D CAD drawing can be achieved using laser scanners and digital coordinate measuring machines (CMMs) that can measure items quickly and very accurately.
In the past, creating the physical component would have involved making a mold and casting a blank part that could then be machined to the final dimensions.
Today, modern AM techniques offer a much quicker solution and these can be sub-divided into direct, indirect and hybrid processes.
Direct and indirect manufacturing
Direct AM can be achieved in several alloys such as 316L stainless steel and Inconel 625, using laser powder bed melting to make more complex components. This area is expanding as the manufacturing processes for specialist alloys are developed further.
Indirect AM can print replicas of the part required in plastic or wax. These are then encased in a ceramic shell, which is known as investment casting. The shell is heated to melt the wax/plastic and then heated further to fire the ceramic.
This produces a hollow mold that can be filled with metal alloy, allowed to cool and then the ceramic shell is broken-away to leave the final part.
The detail and surface finish achieved through this process improves quality and greatly reduces the time normally required for tooling to create new parts.
Another indirect technique is to print the sand mold of a conventional sand process using AM methods. This eliminates the need to store conventional casing patterns as well as the lead time and cost to make new ones.
Hybrid manufacturing
For urgent part requirements on high value assets, such as those seen in the oil and gas or petrochemical industries, a hybrid process using laser metal deposition and five-axis milling now allows rapid manufacture on a single, dedicated machine.
For an impeller for example, a forged core is machined using five-axis methods to establish the basic shape of the eye of the impeller before a laser melts the powder and deposits a layer of metal onto the surface below.
This allows large volumes or material to be built up quickly onto the core structure underneath. So far, the process has been developed for particular alloys but further advancement is ongoing.
One of the many advantages of this process is that parts can be created from a small stock of forged bars in a few common materials, enabling the manufacturer to make an immediate start.
Furthermore, the core of the impeller will have all the positive attributes associated with forged materials. This is then built up further using the laser metal deposition process which can be accomplished on the same machine.
Complex geometries
Having created the basic internal structure, the milling function of the machine is used to finalize the surface finish of the internal passages that would otherwise be inaccessible to machine tools on the finished impeller.
Then, the laser metal deposition process continues to add more material to the core, working towards the finished design.
After each application of new metal, the milling process is resumed to deliver the required surface finish, until the entire impeller has been constructed to the 3D CAD design.
One benefit of this process is that an impeller with complex hydraulic geometry can be created on one machine, with no need to transfer it between different assets, saving time and improving accuracy.
The flexibility of this manufacturing method also offers the opportunity to create components using different materials, allowing specific alloys to be used in different areas of the design.
This is an extension of technologies such as specialist coatings and hard-facings where optimized material properties can be incorporated into the design during the manufacturing process, rather than as an additional process.
Upgrading legacy parts
Some of the design standards used when legacy equipment was manufactured have been updated and refined and these are applied when creating new pump models.
As a pump OEM, Sulzer continuously develops and updates its design standards as new technology allows. In this way, the customer of a replacement part can receive a modern component that can perform not just as well as, but better than the original.
For example, experience has shown Sulzer that the thickness of an area of an impeller component can affect erosion or high-cycle fatigue. Sulzer has incorporated this experience into its design and manufacturing standards used to produce replacement parts.
This can improve the service life of replacement impellers, including those for much older machines. In this way, customers will benefit from Sulzer’s many years of experience.
A further advantage to applying this process to legacy equipment is in providing the opportunity to re-rate the pump.
In many cases, pump applications or duty cycles change over the years and there can be significant benefits in efficiency and productivity achieved through a change in design.
Applying computational fluid dynamics (CFD) to create revised hydraulics for the pump is an important step in a re-rate or retrofit project.
Quality counts
Additive manufacturing offers considerable savings in time when it comes to creating new components. The nature of the digital design process and the fact that this information can be sent around the world in seconds, means that the actual manufacturing process can be completed closer to the customer. This reduces logistics costs, minimizes the length of supply chain and of course saves time.
Ultimately, quality is of the utmost importance in pumping applications as it dictates pump efficiency and reliability, both of which have a direct impact on running costs and maintenance resources.
AM in this context can be applied to deliver the desired level of quality more quickly, saving time and money, which all goes to help keep our lives moving.
About Sulzer
Sulzer is a global leader in fluid engineering. We specialize in pumping, agitation, mixing, separation and application technologies for fluids of all types.
Our customers benefit from our commitment to innovation, performance and quality and from our responsive network of 180 world-class production facilities and service centers across the globe.
Sulzer has been headquartered in Winterthur, Switzerland, since 1834. In 2019, our 16’500 employees delivered revenues of CHF 3.7 billion. For more information, visit www.sulzer.com.
[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/new-technology-for-legacy-pumps-0001) / 2020년 11월 3일]