서보 유압식 사출 성형과 기존 유압식 사출 성형의 5년 비용 비교

더 저렴한 기계가 오히려 더 비쌀 수 있는 이유

중국 둥관의 한 성형 공장 관리자는 노후된 250톤급 재래식 유압 프레스를 동일 사양의 새 프레스로 교체했습니다. 교체한 프레스는 동급 서보 유압 프레스 가격의 절반도 되지 않았습니다. 18개월 후, 공장 성형 작업장의 전기 요금은 전년 대비 6% 증가했습니다. 재래식 프레스가 교체된 구형 프레스보다 전력을 훨씬 더 많이 소비하고 있었던 것입니다. 3년 후, 소음, 냉각 비용, 오일 교환 주기 등을 고려하기 전에도 재래식 프레스의 누적 전기 요금이 동급 서보 유압 프레스의 가격 프리미엄을 넘어섰습니다. 결국 공장은 프레스를 교체하는 대신 기존 프레스에 서보 시스템을 장착하는 개조 작업을 진행했고, 그 결과 첫 달 만에 에너지 소비량이 절반으로 줄었습니다.

서보 유압식 사출 성형과 기존 유압식 사출 성형 중 어떤 것을 선택할지는 단순히 "새로운 것이 더 좋다"는 답으로 결정할 수 있는 문제가 아닙니다. 이는 기계의 톤수, 사이클 프로파일, 가동 시간, 그리고 지역 전기 요금 등 여러 요소를 고려하여 5년간의 총 소유 비용을 계산해야 하는 문제입니다. 이 글에서는 에너지 비용 차이, 유지 보수 비용 차이, 기존 유압식 기계가 여전히 가격 경쟁력을 갖는 경우, 그리고 특정 설치 환경에 맞는 수치를 계산하는 방법 등 이러한 계산 과정을 자세히 살펴봅니다.

일반적인 유압 프레스는 어떻게 동력을 사용하는가?

일반적인 고정 펌프 유압 사출 성형기는 가변 주파수 드라이브 없이 전원에 직접 연결된 전기 모터를 일정한 속도로 구동합니다. 이 모터는 고정 용량 유압 펌프(일반적으로 베인 펌프 또는 축 피스톤 펌프)를 구동하여 부하에 비례하는 압력으로 일정한 유량의 유압 유체를 공급합니다. 기계의 방향 제어 밸브, 비례 밸브 및 서보 밸브는 금형 닫힘, 사출, 유지, 가소화 및 금형 열림 단계에 맞춰 유량과 압력을 조절합니다.

모터는 유압 수요가 낮을 때에도 사이클 전체에 걸쳐 최대 속도로 작동합니다. 유지 단계(부품이 캐비티 압력을 유지하는 데 필요한 유량이 최대 유량의 일부에 불과한 단계)에서는 초과 유량이 릴리프 밸브를 통해 탱크로 다시 배출되어 열로 소산됩니다. 냉각 단계(소량의 클램프 톤수를 제외하고는 유압 유량이 전혀 필요하지 않은 단계)에서도 펌프는 여전히 최대 속도로 회전하며 최대 출력을 소비하고, 바이패스 밸브는 여전히 초과 유량을 배출합니다. 이것이 고정 펌프 시스템의 구조적 비효율성입니다. 모터와 펌프가 하나의 작동점에서 작동하며, 해당 작동점과 실제 유압 수요 간의 불일치는 열로 손실됩니다.

열 자체는 공짜가 아닙니다. 유압유는 점도를 유지하고 산화를 방지하기 위해 냉각되어야 하는데, 이는 별도의 오일 쿨러(수냉식 또는 공랭식)가 지속적으로 가동되어 추가 전력을 소모한다는 것을 의미합니다. 30°C의 주변 환경에서 250톤급 일반 프레스의 냉각 요구량은 상당하며, 일반적으로 3교대 근무 시 기계 전기 입력량의 15~25%에 달합니다.

서보 유압 시스템은 어떻게 동력을 사용하는가?

서보 유압 시스템은 정속 모터를 가변속 서보 모터(일반적으로 영구 자석 동기 모터(PMSM))로 대체하고, 이 모터는 가변 주파수 드라이브(VFD)에 의해 구동됩니다. 서보 드라이브는 실시간으로 유압 수요에 맞춰 모터 속도를 제어합니다. 사이클이 고유량 단계(금형 닫힘, 사출, 가소화)에 있을 때는 모터 속도가 고속으로 증가합니다. 사이클이 저유량 단계(유지, 냉각)에 있을 때는 모터 속도가 실제 유압 수요에 딱 맞는 저속으로 감소합니다. 사이클이 정지 상태(움직임 없음)일 때는 모터가 완전히 정지하거나 거의 정지 상태로 작동할 수 있습니다.

그 결과, 서보 유압식 기계는 사이클의 각 단계에 필요한 동력만 소비합니다. 모터는 일정한 속도로 회전하지 않고, 펌프는 과잉 유량을 우회시키지 않으며, 기존 프레스의 비효율성을 야기하는 바이패스 밸브 열 방출 문제가 상당 부분 해결됩니다.보쉬 렉스로스, 유켄또한 다른 유압 시스템 제조업체들은 서보 펌프와 고정 펌프의 에너지 소비량을 측정하여 비교한 응용 자료를 발표하고 있습니다. 발표된 데이터에서 일반적으로 나타나는 에너지 절감 효과는 유지 및 냉각 단계가 긴 부품의 경우 40~80%, 유지 및 냉각 단계가 짧은 부품의 경우 20~40%입니다.

절감 효과는 전체 공정 주기에서 균일하지 않습니다. 가장 큰 절감 효과는 냉각 단계(대부분의 주기에서 가장 긴 저수요 단계)에서 나타나고, 두 번째로 큰 절감 효과는 유지 단계에서 나타나며, 가장 작은 절감 효과는 사출 단계(최대 유량이 필요하고 서보 시스템 또한 최대 유량으로 작동하는 단계)에서 나타납니다. 일반적인 250톤 프레스에서 25초 주기로 200g ABS 부품을 성형하는 경우, 냉각 단계는 전체 공정 주기의 약 50%, 유지 단계는 15%, 사출 및 가소화 단계는 25%, 개폐 단계는 10%를 차지합니다. 서보 시스템이 가장 큰 절감 효과를 발휘하는 단계는 바로 냉각 단계입니다.

서보 프리미엄: 초기 투자 비용 vs. 운영 비용

서보 유압식 사출 성형기는 일반적으로 동일한 톤수와 사출량을 가진 기존 기계보다 30~60% 더 비쌉니다. 정확한 가격 차이는 기계 제조업체, 서보 시스템 공급업체 및 기계 사양에 따라 달라집니다. 대표적인 250톤 프레스의 경우, 현재 시장에서 서보 시스템의 추가 비용은 수만 달러에 달합니다. 이는 상당한 차이지만, 구매를 고려하는 공장 관리자에게는 혁신적인 변화를 가져올 정도는 아닙니다.

에너지 절감을 통해 추가 비용을 회수할 수 있습니다. 투자 회수 기간을 수치화하려면 사이클당 에너지 절감량, 교대 근무당 사이클 수, 전기 요금이라는 세 가지 입력값이 필요합니다. (Vicks)서보 시스템 제품 라인이 제품은 사출 성형 애플리케이션의 베인 펌프 기반 서보 시스템에 맞게 구성되었으며, 시스템 수준의 에너지 절감 효과는 공시된 범위 내에 있습니다. 250톤급 기계를 25초 주기로 연간 6,000시간(대략 2교대 연속 가동) 가동할 경우, 연간 전기 절감액은 상당한 수준에 해당하며, 지역 전기 요금에 따라 가동 첫 18~36개월 이내에 서보 시스템 설치 비용을 회수할 수 있습니다.

플라스틱 뉴스그리고플라스틱 기술수년간의 조사 데이터에 따르면 현재 북미, 유럽 및 동아시아 전역에서 50~800톤급 신형 프레스 판매를 서보 유압식 기계가 주도하고 있으며, 기존 방식의 프레스는 특정 고용량 및 특수 용도에만 점차 국한되고 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 시장 변화는 투자 회수 계산을 반영하는 것입니다. 만약 서보 유압식 프레스의 가격 프리미엄이 3년 안에 회수되지 않았다면 시장 변화는 일어나지 않았을 것입니다.

유지보수: 두 시스템이 갈라지는 지점

서보 유압 시스템의 유지보수 프로필은 기존 프레스와 세 가지 측면에서 다릅니다.

첫째, 서보 모터 자체는 동일 출력의 유도 모터보다 유지 보수 비용이 적게 듭니다. 브러시나 슬립링이 없고, 영구 자석 회전자는 여자 전류가 필요하지 않기 때문입니다. VFD(가변 주파수 드라이브)는 자체적인 유지 보수 계획(냉각 팬, 8~12년 수명의 전해 콘덴서)을 가지고 있지만, 모터 자체의 능동 부품은 정기적인 유지 보수 없이 장기간 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

둘째, 서보 시스템의 유압 펌프는 가변 속도로 작동하며 일반적으로 기존 프레스의 고정 펌프보다 평균 회전 속도가 낮습니다. 평균 회전 속도가 낮다는 것은 베어링 마모가 적고 열 사이클이 짧으며 씰 수명이 길다는 것을 의미합니다. (출판된 현장 데이터 참조)금형 제작 기술다양한 유압 펌프 공급업체들은 가변 속도 서비스에서 사용되는 베인 펌프가 유사한 프레스에서 고정 속도 서비스에서 사용되는 동일한 베인 펌프보다 수명이 상당히 더 길다는 것을 일관되게 보여주고 있습니다.

셋째, 서보 유압 프레스의 오일 쿨러는 바이패스 밸브의 열 방출이 감소하기 때문에 연속 작동 시간이 줄어듭니다. 쿨러 팬이나 냉각수 펌프는 지속적으로 작동하는 대신 실제 오일 온도에 따라 켜지고 꺼집니다. 쿨러 작동 시간이 줄어들면 쿨러 유지 보수 비용이 절감되고 냉각 시스템의 불필요한 전력 소모도 줄어듭니다.

반면, 기존 프레스는 모터와 펌프의 베어링 마모가 심하고, 씰 교체 주기가 잦으며, 오일에 가해지는 열 스트레스가 높아 오일 산화가 가속화되고 오일 교환 주기가 단축됩니다. 3교대로 가동되는 기존 프레스의 오일 교환 주기는 일반적으로 4,000시간이지만, 동일한 작업 주기로 가동되는 서보 유압 프레스의 경우 교환 주기는 6,000~8,000시간으로 늘어납니다. 5년 동안의 오일 비용은 상당합니다. 250톤 프레스에는 400~600리터의 유압유가 들어가는데, 오일 비용과 매번 교환 시 발생하는 폐기 비용을 합하면 많은 시장에서 수천 달러에 달합니다.

소음 및 작업 환경

기존 프레스는 모터와 펌프를 최대 속도로 지속적으로 가동하여 작업자 위치에서 78~85dB(A) 범위의 지속적인 소음을 발생시킵니다. 서보 유압 프레스는 정지 및 냉각 단계 동안 모터와 펌프 속도를 낮춰 유압 시스템에서 발생하는 소음을 크게 줄입니다. 그 결과 전체 기계 소음은 65~72dB(A) 범위로 감소하는데, 이는 장시간 작업 시 청력 보호 장비 착용이 필요한 소음 수준과 규제 한도에 근접하는 수준 사이의 차이입니다.

소음 감소는 직접적인 비용 절감 효과는 아니지만, 엄격한 산업 소음 규제(EU OSH 지침 2003/10/EC, 미국 OSHA 29 CFR 1910.95, 중국 GBZ 2.2)가 적용되는 시장에서는 실질적인 이점입니다. 이러한 규제가 적용되는 기존 프레스 설비에서는 작업자의 청력 보호가 필수적입니다. 청력 보호 장비, 청력 검사, 그리고 공장 내 소음 제어 시설 구축 비용은 일반적으로 에너지 절감만을 고려한 투자 회수 계산에는 포함되지 않지만, 5년이라는 장기적인 관점에서 보면 실제로 발생하는 비용입니다.

정밀도 및 반복성

서보 유압 시스템은 에너지 회수 계산에는 항상 반영되지는 않지만 불량률 감소 측면에서 정밀도라는 이점을 제공합니다. 압력 센서와 가변 속도 펌프를 이용한 폐루프 압력 제어는 비례 밸브가 있는 고정 펌프 시스템보다 캐비티 압력을 더욱 정밀한 범위 내로 유지합니다. 광학, 의료, 포장재와 같이 정밀한 공차를 요구하는 부품의 경우, 에너지 절감 효과와 관계없이 불량률 개선만으로도 5년 동안 서보 유압 시스템 도입에 따른 추가 비용을 상쇄할 수 있습니다.

플라스틱 엔지니어 협회본 회사는 서보 유압식 사출 성형 정밀도에 관한 기술 논문을 발표하며, 여기에는 사출 중량 편차 및 치수 반복성 데이터가 포함됩니다. 발표된 정밀도 향상 효과는 공차가 완화된 부품에서는 미미하지만(일반적으로 사출 중량 편차 10~20% 감소), 정밀 공차가 요구되는 부품에서는 상당한 수준(30~50% 감소)을 보입니다.

기존 유압 방식이 여전히 우위를 점하는 경우

기존의 고정식 펌프 유압 프레스는 구식이 아닙니다. 세 가지 응용 분야에서 여전히 선호됩니다.

• 매우 높은 톤수를 가진 기계(1,500톤 이상).서보 시스템의 추가 비용은 모터 출력에 거의 비례하여 증가합니다. 매우 높은 톤수에서는 서보 시스템의 절대적인 추가 비용이 상당히 커져 투자 회수 기간이 길어집니다. 또한 일부 특수 고톤수 적용 분야에서는 가변 속도 시스템이 대형 축압기가 장착된 고정 펌프 시스템만큼 깔끔하게 제공하지 못하는 특정한 동적 응답 특성이 요구됩니다.
• 장시간 연속 작동이 가능한 애플리케이션.프레스가 두꺼운 벽면 부품을 긴 유지 시간으로 90초 사이클로 3교대 연속 가동하는 경우, 서보 모터가 여전히 에너지를 절약하지만, 절감 효과가 연간 사이클 횟수에 따라 상각됩니다. 따라서 투자 회수 기간이 길어지고, 기존 방식의 프레스가 더 경쟁력이 있게 됩니다.
• 자본이 제한된 설치.자본 예산이 제한적이고 투자 기간이 짧은 공장은 특히 지역 전기 요금이 낮은 경우, 자본 비용만을 고려하여 기존 프레스를 합리적으로 선택할 수 있습니다.

이 세 가지 범주를 제외하면, 5년 총 소유 비용 기준으로 서보 유압 시스템이 가장 선호되는 선택입니다. 시장 데이터에서도 이를 확인할 수 있습니다. 대부분의 지역과 톤수 등급에서 신규 프레스 설치 시 서보 시스템의 비중이 가장 높으며, 앞서 언급한 고톤수 특수 용도 분야는 예외입니다.

5년 총소유비용(TCO) 계산표 작성하기

서보 유압식 프레스와 기존 프레스의 5년 총 소유 비용 비교는 자본, 에너지, 유지 보수, 폐기/가동 중단 시간 등 네 가지 비용 구성 요소로 이루어져 있으며, 각 구성 요소는 계산 방식이 다릅니다.

초기 투자 비용은 기계 구매 가격에 설치비, 운송비, 교육비 및 시운전비를 더한 금액입니다. 서보 프리미엄은 두 기계의 초기 투자 비용 차액입니다.

에너지 비용은 5년간 누적된 kWh에 해당 지역의 전기 요금을 곱한 값입니다. 서보 프레스의 에너지 절감 효과는 동일 기간 동안 기존 프레스의 에너지 소비량과 서보 프레스의 에너지 소비량의 차이입니다.

유지보수 비용은 5년간의 부품비와 인건비를 합산한 금액입니다. 서보 모터 방식의 기계는 일반적으로 펌프 관련 유지보수, 오일 교환 주기, 냉각기 유지보수 비용이 적습니다. 반면, 일반 모터 방식의 기계는 모터와 펌프의 베어링 마모가 심하고 오일 소모량도 많습니다.

불량품 및 가동 중단 비용은 폐기된 부품의 가치와 계획되지 않은 가동 중단으로 인한 생산 손실액을 합한 것입니다. 서보 모터 방식의 기계는 압력 제어가 더욱 정밀하고 불량률이 낮습니다. 반면 기존 방식의 기계는 정밀 공차 부품의 경우 불량률이 높지만, 공차가 완만한 부품의 경우에는 불리한 점이 없습니다.

서보 장비의 5년 순 절감액은 에너지 절감액, 유지보수 절감액, 불량품/가동 중단 시간 절감액을 모두 더하고 서보 장비 프리미엄을 뺀 값입니다. 계산 결과가 양수이면 서보 장비가 유리하고, 음수이면 기존 장비가 5년 관점에서 유리합니다.

의사결정 프레임워크: 사양을 정하기 전에 던져야 할 다섯 가지 질문

특정 설치 환경에서 서보 모터와 기존 방식 중 어떤 것을 선택할지는 다음 다섯 가지 질문으로 요약할 수 있습니다.

1. 사이클 프로필이란 무엇인가요?긴 유지 시간과 냉각 단계는 서보 모터 방식이 유리합니다. 짧은 사이클 동안 높은 유량 요구량이 지속적으로 발생하는 경우에는 기존 방식과 서보 모터 방식 모두 큰 차이 없이 유리합니다.
2. 운영 일정은 어떻게 되나요?3교대 연속 가동은 에너지 절감 효과를 극대화합니다. 반면, 장시간 유휴 시간이 있는 1교대 가동은 인쇄기가 하루 중 대부분의 시간 동안 멈춰 있기 때문에 에너지 절감 효과를 감소시킵니다.
3. 해당 지역의 전기 요금은 얼마인가요?관세가 높은 시장(유럽, 일본, 동아시아 대부분 지역)에서는 투자 회수 기간이 단축됩니다. 관세가 낮은 시장(중동 일부 지역, 천연가스가 풍부한 북미 지역)에서는 투자 회수 기간이 길어집니다.
4. 부품 공차는 얼마입니까?정밀 공차 부품(의료, 광학, 특정 포장재)은 불량률 감소를 통해 서보 모터의 이점을 극대화합니다. 반면, 공차가 완화된 부품은 이러한 절감 효과를 상쇄합니다.
5. 자본 제약 요인은 무엇입니까?자본 프리미엄을 합리적인 금리로 조달할 수 없다면, 프로젝트 수준의 경제성이 긍정적이더라도 투자 회수 기간이 중요해집니다.

일반적인 250톤 프레스를 2교대 연속 가동하는 중간 관세 시장의 경우, 투자 회수 기간은 18~36개월입니다. 100톤 프레스를 1교대 가동하는 낮은 관세 시장의 경우, 투자 회수 기간은 4년 이상으로 늘어날 수 있습니다. (Vicks)프로젝트 투자 회수 계산표다섯 가지 변수를 모두 고려하여 프로젝트에 특화된 권장 사항을 제시합니다.

FAQ: 서보 방식과 기존 유압식 사출 성형 방식 비교