Chemical Resistance and Field Trial of 3D-Printed Plastic Ball Bearing Used in Electric Motors for Chemical Processes

화학공정용 전동기에 사용된 3D 프린팅 플라스틱 볼베어링의 내화학성 평가 및 현장적용 연구

Abstract

Fluid pumps in chemical processes are typically driven by electric motors. Even if the motor is separated from the pump with seals, wear resulting from friction and misalignment can lead to leakage of chemical fluid, causing corrosion in the bearing supporting the motor, and, eventually, failure of the motor. It is thus a standard procedure to replace bearings at regular intervals. In this article, we propose 3D-printed plastic ball bearings for use as an alternative to commercial stainless-steel ball bearings. The plastic bearings are easy to manufacture, require less time to replace, and are chemically resistant. To validate the applicability of the plastic bearings, we first conducted chemical resistance tests. Bearings were immersed in 30 caustic acid and 30 nitric acid for 30 min and 24 h, respectively. The test results showed no corrosive damage to the bearings. A test rig was set up to compare the performance of the plastic bearings with that of the commercially equivalent deep-groove ball bearings. Loading test results showed that the plastic bearings performed as well as the commercial bearing in terms of vibration level and load-handling capability. Finally, a plastic bearing was subjected to a clean-in-place process for three months. It actually outperformed the commercial bearing in terms of chemical resistance. Thus, 3D-printed plastic bearings are a viable alternative to stainless-steel ball bearings.

Nomenclature

D :Outer diameter of outer race of bearing

d :Inner diameter of inner race of bearing

H :Axial length of bearing

1. 서론

화학공정에 사용되는 펌프와 이를 구동하는 전동기의 신뢰도 및 유지 보수는 중요하다. 특히 식음료 산업에서 펌프 및 전동기의 유로 밀폐와 유지보수의 중요성은 생산성과 직결된다. 화학재료를 이송하는 펌프를 구동하는 화학공정용 전동기의 경우 부품의 누수 또는 누유가 가장 높은 고장요인으로 전체 고장의 46.3%를 차지한다[1]. 마모나 부식을 유발하는 용액의 누수가 발생하면 전동기 내부로 화학재료가 유입되어 전동기와 베어링의 고장을 야기한다.

이를 해결하고자 전동기와 임펠러 사이에 고무씰(rubber seal)을 넣거나, 테프론패킹(Teflon packing)을 사용할 수 있지만, 전동기 회전에 의한 마모, 전동기 축과 임펠러 간의 정렬 오차, 축의 변형 등으로 인하여 전동기 내부로의 화학재료 침투가 빈번하게 발생하고 있다.

설계의 유연성, 유지 보수의 용이성, 마찰 저감 등의 장점으로 인해 3D 프린팅 기술을 이용한 플라스틱 베어링에 대한 관심이 증대되고 있다[2]. 3D 프린팅 플라스틱 베어링을 실험실 수준에서 제작하여 특성을 확인하고 성능을 검증한 연구는 있었으나[3,4], 실제 화학공정에 사용된 연구는 전무하다. 본 논문에서는 기존의 스테인리스 스틸 상용 볼 베어링을 대체하는 3D 프린팅 플라스틱 베어링을 설계 제작하고, 공정 조건에서의 내화학성을 실험으로 검증하였다. 또한, 식음료 공정의 CIP(Clean-In-Place) 작동에 투입되어 현장 적용 실험을 수행하고, 상용 스테인리스 스틸 베어링의 성능과 비교하는 연구를 진행하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2절은 실험장치의 구성과 실험방법에 대해 기술한다. 플라스틱 베어링의 설계 및 제작, ISO 175에 따른 내화학성 실험 방법, ISO 10816과 KS C 4202에 근거한 성능시험, 현장 적용 시험 방법이 기술되어 있다. 3절에서는 각 시험의 결과가 제시되어 있다. 4절의 결론으로 논문이 마무리된다.

2. 실험장치 구성 및 실험 방법

2-1. 3D 프린팅을 이용한 볼베어링 제작

화학공정용 전동기에 사용되고 있는 기존 베어링은 깊은홈 볼베어링 6202로서 이와 동일한 치수를 갖는 플라스틱 베어링을 설계하였다. Fig. 1은 베어링의 치수와 CAD 모델을 보여준다. 조립 및 유지보수가 용이하도록 내외륜에 볼을 삽입할 수 있는 노치를 두었다. 기존 상용베어링과 달리 리테이너를 제거하고 볼의 개수를 8개에서 13개로 늘려 볼 간의 간격이 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 실험에서 사용한 작동조건이 저속이므로, 볼 간의 마찰은 결과에 영향을 미치지 않았다.

Fig. 1. Dimensions and 3D CAD model of the bearing.

3D 프린팅 방식은 제작품의 특성과 치수정밀도에 매우 큰 영향을 미친다. 예를 들어 플라스틱을 가열하여 노즐을 통해 압출하는 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식의 적층 정밀도는 0.25 mm 정도로서 본 연구에서 요구하는 베어링의 정밀도와 조도를 만족할 수 없다[5]. 이에 비해 수조 내부에서 레이저를 조사하여 소재를 고체화하는 DLP (Digital Light Processing) 방식은 0.025 mm의 형상정밀도를 가지고 있으며 플라스틱 기어를 제작하여 자동차용 최종부품에 사용한 바 있다[6]. 제작 속도와 형상 정밀도 측면에서 베어링 제작의 요구 조건을 만족하여 DLP 방식의 3D 프린팅을 채택하였다.

3D Sprint 프로그램을 활용하여 CAD 모델을 변환하고, DLP 방식의 3D 프린터 (DLP Figure 4, 3D Systems, USA)를 사용하여 베어링을 제작하였다. 소재는 MED-WHT 10을 채택하였다. 플라스틱의 자기윤활 특성을 향상하기 위해 PDMS와 파라핀 오일이 혼합된 베어링 오일에 진공상태에서 베어링을 24시간동안 함침하였다. 함침 전의 베어링 질량이 21.36g, 함침 후 24.57 g으로 측정되어, 3.21 g의 오일이 베어링에 흡수되었음을 확인하였다. Fig. 2는 오일 흡수가 완료된 베어링의 사진이다.

Fig. 2. Sample image of 3D-printed bearing after oil absorption.

2-2. 내화학성 실험 방법

3D 프린팅 베어링의 내화학성 평가를 위해 ISO 175:2010에 따라 플라스틱 시편의 전체 표면을 침지하는 완전 침지시험법을 사용하였다[7]. 23℃를 유지한 용액에 30분 침지 후 무게와 치수 변화를 측정하고, 다시 23℃를 유지한 상태에서 24시간 침지 후 무게와 치수 변화를 측정하였다. 실험에 사용한 용액은 가성소다, 질산, 아세톤, 증류수이다. 가성소다와 질산은 물에 희석하여 30%의 농도를 유지하였으며, 아세톤과 증류수는 원액 100%를 사용하여 진행하였다. 침지작업 전과 후의 치수를 마이크로미터로 측정하였다. 시편 5개로 실험을 진행하여, 평균값을 구하였다.

2-3. 성능검증 실험 장치 및 실험 방법

플라스틱 베어링의 성능을 평가하기 위해 상용 스테인리스 볼 베어링(NSK 6202ZZ)과 비교실험을 진행하였다. Fig. 3은 농형 유도전동기의 회전자에 3D 프린팅 베어링을 장착한 사진이다. 실험장치는 Fig. 4에 나와 있는 바와 같이 3상 유도형 전동기와 오일 펌프를 커플링을 통해 연결하고, 인버터를 이용하여 전동기를 구동하였다.

Fig. 3. Picture of 3D-printed bearing fitted to a squirrel-case induction motor.

Fig. 4. Picture of test set-up for performance evaluation of 3D-printed ball bearing.

실험방법은 ISO 10816의 3-1절에 기술되어 있는 현장 측정에서의 지속적 측정법[8]과 KS C 4202의 5-1절에 기술되어 있는 일반용 저압 3상 유도 전동기의 온도상승치에 따른 실험법[9]을 적용하였다. 실험은 700 rpm과 1370 rpm 두 속도에서 진행하였다. 무부하 상태에서 목표 속도에 도달한 후, 오일펌프의 압력을 조정하여 부하를 점진적으로 증가시키고, 5분 간격으로 베어링 설치 지점의 표면 온도를 측정하였다. 또한 진동측정계를 이용하여 전동기 하우징의 진동을 측정하였다. 정격부하가 인가된 상태에서 온도가 평형에 도달할 때까지 실험을 진행하였다. 플라스틱 베어링과 상용 스테인리스 베어링 각각에 대해 동일한 실험 조건으로 실험을 진행하였다.

2-4. 현장 적용 실험 방법

자체 제작한 3D 프린팅 플라스틱 볼 베어링을 실제 산업현장에서 적용하여 실험하기 위하여 소다 탱크에 설치되어 있는 화학공정용 전동기 내부에 설치하였다. 소다 탱크의 내부 온도는 95℃로 유지되며, 농도는 30%이다. 전동기를 가동하여 1일 3회 120분 동안 배관 내부 CIP (Clean-In-Place) 공정을 진행한다. CIP 공정 조건은 배관 내부의 잔여 단백질이나 잔류 세제 검사로 유효성이 검증되는 최소한의 조건으로 선택하였다.

전동기는 펌프와 직접 연결되어 있고 용액의 누수를 방지하기 위해 기계식실(mechanical seal)이 장착되어 있다 (Fig. 5 참조). 현장적용 실험은 2단계로 이루어졌다. 첫 단계는 3주간 진행하였으며, 2일 간격으로 분해 후 3D 프린팅 플라스틱 볼 베어링의 상태와 무게에 따른 마모도를 측정하고, 분해 및 조립에서의 특이사항 확인하였다. 두번째 단계에서는 3개월간 동일한 CIP공정으로 운전하고 최종적으로 분해하여 상태를 확인하였다. Fig. 6은 플라스틱 베어링이 적용된 펌프유닛과 CIP공정이 진행되는 소다 탱크의 모습이다.

Fig. 5. Assembly of motor with pump and mechanical seal.

Fig. 6. Pictures of field trials (left: pump with 3D-printed bearings, right: soda tank).

3. 실험 결과

3-1. 내화학성 실험

2.2절에 기술되어 있는 바와 같이 ISO 175:2010에 기초하여 내화학 실험을 진행하였고, Table 1과 Table 2에 30분 침지 후와 24시간 침지 후 베어링의 치수 변화를 각각 정리하였다. 내륜의 내경 (d), 외륜의 외경 (D), 그리고 축방향 높이 (H)를 측정하였다. 모든 결과는 5개의 샘플에 대해 측정한 결과를 평균한 값이다. 30분 침지 혹은 24시간 침지 후의 치수 변화는 미미하다.

Table 1. Dimensional changes after immersion with chemicals for 30 minutes (unit: mm)

Table 2. Dimensional changes after immersion with chemicals for 24 hours (unit: mm)

Table 3은 30분 침지와 24시간 침지 후의 무게변화를 측정한 결과로서, 30분 침지 후에는 거의 변화가 없었다. 24시간 침지 후에 가성 소다(caustic soda)와 질산(nitric acid)의 경우 각각 1.33g, 1.80g이 감소하여 약간의 무게 변화를 감지할 수 있다. 이는 산성 용액에 의한 부식의 결과로 추측된다.

Table 3. Weight changes after immersion with chemicals for 30 minutes and 24 hours (unit: g)

3-2. 플라스틱 베어링 성능 시험 결과

3D 프린팅으로 제작한 플라스틱 베어링의 성능을 검증하기 위해 상용 깊은홈 볼베어링과의 비교 실험을 수행하였다. 2.3절에 기술되어 있는 바와 같이 ISO 10816과 KS C 420-2에 근거하여 실험한 결과는 Fig. 7과 Fig 8에 정리되어 있다.

Fig. 7. Load test results of the setup with a commercial deep groove ball bearing (NSK 6202ZZ).

Fig. 8. Load test results of the setup with 3D-printed plastic bearing.

Fig. 7은 상용 스테인리스 스틸 깊은홈 볼베어링(NSK 6202ZZ)을 장착한 경우의 결과로서 700 rpm (인버터 주파수28.7 Hz) 상태에서 318.7분 유지되었을 때 72.4℃에서 열평형 상태에 도달하였으며, 1,370 rpm (인버터주파수60 Hz) 상태에서 189.0분 유지되었을 때 73.8℃로 열평형에 도달하였다. 열평형 상태의 기준은 5분간 온도변화가 0.1℃ 이하일 때이다. 유도 전동기에 부하를 인가하며 ISO 10816에 따라 진동계측기를 사용하여 베어링 진동을 측정한 결과 700 rpm에서의 RMS 평균 진동은 0.49mm/s, 1,370 rpm에서의 RMS 평균 진동은 0.43mm/s였다.

Fig. 8은 자체 제작한 플라스틱 베어링의 성능을 확인한 결과이다. 700 rpm이 유지된 상태에서 부하를 가한 후 321.0분 유지되었을 때 72.5℃로 열평형에 도달하였으며, 1,370 rpm 상태에서는 74.1℃의 열평형에 도달하는데 183.4분이 소요되었다. 진동을 측정한 결과 700 rpm에서의 평균은 0.46 mm/s, 1370 rpm에서의 평균은 0.43 mm/s 였다. 1,370 rpm 실험에서 열평형상태에 도달하기 전에 진동의 크기가 다소 증가하다가 기존 상용베어링의 수준 이하로 감소하였다.

플라스틱 베어링을 장착한 유도전동기의 진동의 전반적인 크기가 상용 베어링을 장착한 경우와 동등 수준이며, 열평형에 도달하는 시간이나, 열평형 상태에서의 온도 또한 매우 유사하여 3D 프린팅으로 제작한 플라스틱 베어링이 상용 베어링을 대체할 수 있는 정도의 성능을 보유하고 있음을 확인하였다.

플라스틱 베어링의 마모율을 확인하기 위해, 실험이 종료된 후 실험장치를 분해하고 베어링의 무게를 측정하였다. 실험 전 베어링의 무게는 24.57 g이고, 700 rpm 실험 후의 무게는 22.71 g, 1370 rpm 실험 후의 무게는 21.13 g이다. 마모량은 각각 1.86 g과 3.44 g으로서, 예상한 바와 같이 높은 속도에서 더 많은 마모가 발생하였다.

3-3. 현장적용 실험 결과

작업장의 자체 규정에 의해 CIP 공정에 사용하는 전동기의 베어링은 3개월을 주기로 교체된다. 이는 CIP 공정의 조건으로 인하여 배관 내부의 잔류 단백질 혹은 잔류 세제를 제거하기 위해 일정 조건 이상의 유속이 필요한데, 부식성 용액의 누수로 인하여 베어링이 손상되면, 전동기 부하의 증가로 인해 유량이 감소할 수 있기 때문이다. 2.4절에 기술한 방법을 이용하여 플라스틱 베어링을 적용한 CIP 공정을 3개월 간 운전하였다. 초기 3주간은 2일 간격으로 전동기를 분해하여 플라스틱 베어링의 무게를 측정하였다. 측정결과는 Table 4에 정리되어 있고, 이를 그래프로 표현한 것이 Fig. 9이다.

Table 4. Weight of 3D-printed ball bearing applied in the CIP process subject to 30% caustic soda

Fig. 9. Changes in the weight of the plastic bearing measured on every second day for 3 weeks.

10일차 측정 결과를 보면, 베어링 무게의 급격한 감소를 확인할 수 있는데, 이는 기계식실(mechanical seal)의 파손에 기인하였으며, 기계식실을 교체하고 계속 실험을 진행하였다. 기계식실의 파손에 의한 베어링의 마모를 제외하면 마모에 의한 무게 변화는 미미하다. 또한, 기계식실의 파손으로 인해 가성소다 용액이 일부 베어링에 침투되었어도 전동기의 작동에 전혀 영향을 미치지 않았다. Fig. 10은 3개월 작동 후 기존 상용 베어링과 3D 프린팅 플라스틱 베어링의 외관을 비교한 사진이다. 상용베어링의 경우 가성소다로 인한 부식이 확연한 반면, 플라스틱 베어링에서는 부식의 흔적을 발견하기 어렵다.

Fig. 10. Pictures of reference commercial bearing and 3D printed plastic bearing after 3 months of operation.

기계식실의 손상으로 인한 베어링 무게 변화를 고려하더라도 3주간의 작동으로 인한 마모는 0.62g으로서 Fig. 7과 Fig. 8의 결과에 비해 매우 적다. 이는 실제 작동 조건에서의 부하가 Fig. 7과 Fig. 8의 가혹 조건에 비해 경미하기 때문이다. 가혹 조건 시험의 경우 ISO 10816과 KS C 4202에서 요구하는 전동기 최대온도에 도달한 후 8시간 연속 작동 후 마모를 측정한 결과이고, 현장 적용 시험은 1일 3회 120분 작동 조건이므로, 전동기 내부의 온도는 10도 이상 낮을 것으로 예상된다.

4. 결론

본 연구에서는 부식성이 있는 화학용액을 다루는 공정에서 사용될 수 있는 플라스틱 베어링을 설계 제작하고, 내화학성과 부하 성능을 확인하였고, 현장 적용성을 검증하였다. 플라스틱 베어링은 3D 프린팅을 이용하여 제작하였다. ISO 10816과 KS C 4204의 표준 절차에 따른 성능 시험에서 기존의 상용 스테인리스 볼베어링과 유사한 성능을 확인하였고, ISO 175:2010에 근거하여 내화학 특성을 검증하였다. 본 연구를 통해 유지보수 측면에서 유리하고 내화학 특성을 가지는 플라스틱 베어링이 기존의 상용 베어링의 대안으로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

3D 프린팅을 통해 자체 제작하는 플라스틱 베어링이 기존의 베어링을 완벽히 대체하기 위해서는 보다 다양한 조건에서의 비교 실험이 필요하고, 제작 과정과 유지 보수 용이성을 고려한 경제성 평가가 이루어져야 할 것이다.