짧은 프로세스

고강도 스틸, 초고강도 스틸, 작은 로트 크기, 많은 변형 모델, 품질 개선, 무엇보다도 적은 비용. 이 모든 과제들을 극복하기 위해 성형 기술은 프로세스 체인을 바꾼다. 이면에서 인더스트리 4.0을 위한 준비가 진행되고 있다.

슈테파네 이타세
성형 기술자들이 점차 짧아지고 더욱 효율적인 프로세스 체인에서 일하고 있다
성형 기술자들이 점차 짧아지고 더욱 효율적인 프로세스 체인에서 일하고 있다

“수년 전부터 OEM의 플랫폼이 줄어드는 추세입니다. 2005년만 해도 277개의 플랫폼이 있었지만, 2020년까지 195개 정도가 남을 것으로 예상됩니다. 그런데 여기에서 형성되는 배리에이션은 더 늘어났습니다.“ (팀 피셔, 자동차 부품업체 Tower Automotive Holding GmbH) 배리에이션이 다양해지면서 생산 개수가 적은 구성품 수는 늘어났으며, 이로 인해 재차 저렴한 생산 방식이 필요하다. 이런 이유로 Tower Automotive Holding사는 성형 및 절삭 공구를 줄이고 프레스를 극대화하여 사용하기로 결정하였다. 팀 피셔는 상용차에 사용하는 이중 캐빈 도어를 예로 들었다. 이 배리에이션은 제작 부피가 그리 크지 않다. 차량 도어의 내부 부품과 외부 부품, 그리고 좌측과 우측이 전체 제작 범위에 속한다. 이는 성형 시 후방 더블 캐빈 도어와 차이가 그다지 많이 나지 않는다.  

모듈 구조로 성형 공구의 개수를 절반으로 줄인다

배리에이션을 저렴하게 제작하기 위해, Tower사는 성형 공구를 모듈 방식으로 구성하였다. 좌측 도어뿐만 아니라 우측 도어도 하나의 공구 세트로 제작할 수 있었다. 그립 부분의 구조를 변경하였고, 창문 섹션에 사용하는 절삭 공구의 구조를 바꾸었다. 도어 내부 부품을 위해 마지막 절단 단계를 레이저 공정으로 교체하였고, 여기에 좌측 구성품과 우측 구성품을 차별화되었다. “이런 방식으로 우리는 기존의 프레스 용량으로부터 독립하여, 유연하게 배리에이션을 구현하게 되었습니다.“(팀 피셔)

Tower사는 도어 외부 부품 제작에 사용하는 공구 수를 8개에서 4개로 줄일 수 있었으며, 공구 변경 장착을 위한 수고도 줄어든다는 점을 감안해야 한다. 내부 부품의 경우 공구 수가 6개에서 4개로 줄었으며, 성형 프레스 공정은 레이저 절삭으로 교체하였다. 추가의 절감 잠재성은 공구 인서트를 간단히 교체하여 그 다음 세대 제품을 위해 공구를 재사용한다는 점에 있다. Tower사는 기존의 6 단계 프레스 시스템에서 내부 부품과 외부 부품을 동시에 제작할 수 있었다.

“원재료로서 분말 금속은 두 배 비싸기는 하지만, 재료 활용률이 훨씬 좋습니다.“ 미하엘 히르쉬, Profiroll Technologies

Profiroll Technologies사의 미하엘 히르쉬가 기어휠 제작을 예로 든 바와 같이 프로세스 체인을 더 짧게 하면 밀링에서도 절감이 가능하다. 지금까지는 기어휠 제작을 위해 단조 블랭크를 터닝하고, 호빙을 이용하여 러닝 기어를 창성한 후 디버링하고, 스플라인 롤링 머신으로 스플라인을 만든 후, 부품을 세척, 경화 및 하드 터닝한 후 최종적으로 정밀 하드 머시닝으로 러닝 기어를 후처리한다. 이 경우 가장 큰 비용 요소는 일단은 정밀 하드 머시닝이고, 그 다음이 재료, 터닝 공정 그리고 호빙 고정이다. 이 새로운 방법을 위해 롤링 머신 및 공구 제조사인 Profiroll사는 완전히 새로운 접근법을 사용하였다. “대부분의 기존 공정에서는 최적화 잠재성이 근소하며, 새로운 유형의 공정이 더 많은 가능성을 제공합니다. (미하엘 히르쉬) 기어휠은 단조 블랭크로 제작할 뿐만 아니라 소결 분말 금속으로도 제작한다. 미하엘 히르쉬는 소결 금속의 장점으로 먼저 경량화를 들었다. 소결 금속은 밀도가 약 10% 낮다. 또한 무게 절감 구멍과 같은 부차적 요소를 소결 공정 시 부가 비용없이 만들 수 있다. 기능 통합도 더 수월하다. 마지막으로 소결 금속의 강도가 최근 몇 년 사이에 더욱 개선되었고, Near-Net-Shape 기법으로 재료 활용률이 높고, 프로세스 체인이 짧고 에너지 효율성은 높아진다. 노치와 같이 굽힘 피로 강도와 관련하여 영향을 끼치는 공극 재료의 문제는 밀도 상승을 통해 제거하였다. “우리는 기어휠에서 높은 부하가 발생하는 지점에서도 재료를 압축할 수 있습니다. 다른 지점에서는 재료 밀도가 보다 낮습니다.“ (미하엘 히르쉬)

수동 변속 기어의 분말 금속 소재 6단 기어휠
수동 변속 기어의 분말 금속 소재 6단 기어휠

소결 분말 금속 소재의 기어 휠은 가공 시간이 훨씬 짧다

소결 금속 기어 휠의 새로운 공청 제인을 위해, 원재료를 프레스, 소결하고, 피삭재를 스플라인 롤링 머신으로 가공 열처리한 후 마지막으로 정밀 하드 가공한다. “원재료로서 분말 금속은 두 배 비싸기는 하지만, 재료 활용률이 훨씬 좋습니다.“(미하엘 히르쉬) 기어휠의 지오메트리는 살짝 변형하였고 스플라인은 소결 몰드에 맞추어 조정하였다. 테스트들을 통해 순수하게 롤링된 기어휠이 기존에 제작되던 기어휠에 비해 내마모성이 훨씬 우수하다는 점이 드러났다. 차량에 장착되는 경우, 연마된 강으로 제작된 부품과 유사한 소음을 보였다.

“소결 금속의 모든 잠재력을 짧은 프로세스 체인 중에 이용하고자 한다면, 기능도 통합해야 합니다.“ (미하엘 히르쉬) 프로세스 체인을 50% 단축할 수 있는 방법이 있다. 이 방법은 제작 비용을 낮춘다고 한다. 그리고 투자 비용을 절감하고 생산에 필요한 면적도 50% 줄일 수 있는 잠재력이 있다. 또한 부품의 무게와 장착 치수를 줄임으로써 토크와 소음 거동에서 성능이 개선된다고 한다.

자동차 회사들은 전체 프로세스 체인에서 품질을 중요하게 생각한다

Audi 공구 제조 2018년부터 Audi는 테스팅 공구를 사용하지 않고 대신 시뮬레이션을 이용할 계획이다. 하지만 이를 위해 더 많은 개발이 필요하다.
Audi 공구 제조 2018년부터 Audi는 테스팅 공구를 사용하지 않고 대신 시뮬레이션을 이용할 계획이다. 하지만 이를 위해 더 많은 개발이 필요하다.

자동차 회사들도 자신들의 프로세스 체인을 자세히 살펴본다. “과거에는 각 공정 단계별로 개별적인 품질 단계가 있었습니다. 그러나 지금은 접합 및 폴딩 시 품질을 가상 현실을 이용하여 보조하고, 어셈블리 그룹 차원에서 우수한 품질을 달성하는 것을 목표로 합니다. 우리는 이제 프로세스 체인 전체를 시뮬레이션할 수 있고, 예측 정확도를 높여서 2018년부터는 테스팅 공구를 사용하지 않을 계획입니다. 이는 고도로 정확하게 시뮬레이션해야 한다는 것을 의미합니다.“(옌스 폴마이어, Audi 판금 가상 프로세스 체인 프로젝트 매니저) 이를 위해 시뮬레이션에 포함된 수많은 하위 프로젝트들, 즉 보상, 폴딩, 기계적 및 열적 접합, 표면 감지, 마찰, 탄성 또는 실패 기준 등이 있다. 폴딩 공정의 시뮬레이션은 외형 오차, 팩 사이즈 그리고 특징을 예측할 수 있다. 그에 비해 균열 예측이나 탄성 및 표면 예측은 좀 더 개선되어야 한다. “우리가 전체 프로세스 체인을 가상 현실로 묘사할 수 있다면, 어셈블리 그룹의 치수 정확도를 CAD0 수준으로 어떻게 가져가는지 규범을 끌어내야 합니다. (옌스 폴마이어) 이를 위해 Audi는 두 가지 프로젝트를 시작했다. 즉 가상 최적화를 포함하여 프로세스 체인을 따른 민감도 분석과 이상적인 보정을 프로세스 체인 중에 실현하는 것이다.

시뮬레이션에서 곧바로 성형 공구 양산으로

“요즘 우리는 Audi 공구 제작 시 가상으로 프로세스 체인을 실시할 수 있습니다.“ (옌스 폴마이어) 가상의 실패 기준, 에지 균열 민감도, 표면 손상 감지, 시뮬레이션의 안정성 그리고 어셈블리 그룹의 시뮬레이션에는 극복해야 할 과제들이 있다. 재료 데이터에 있어서도 해야 할 일이 많다. “인장 시험은 재료 특성의 입력 변수로서 아직 충분하지 않습니다.“ (옌스 폴마이어). Audi의 엔지니어들은 더 나은 결과를 얻기 위해 재료 특성 정의에 많은 노력을 기울였다고 한다. “우리는 바로 공구 양산으로 갈 수 있을 만큼 시뮬레이션에서 정확해야 합니다.“ (옌스 폴마이어)

경쟁사인 BMW도 프로세스 체인을 개선하고 있다. 레겐스부르크의 프레스 플랜트의 슈테판 푸는 차체 부품 제작 시 품질 문제를 조사 및 예측하기 위한 데이터 분석을 담당한다. 그는 납품되는 강판부터 완성된 판금 부품에 이르기까지 전체 프로세스를 조사한다. “제조 프로세스의 프레스 라인에 핵심이 있습니다. 영향 변수들이 변한다 해도 품질을 일정하게 유지되어야 합니다. 이를 위해 지금까지는 프로세스를 수동으로 그리고 나타나는 현상에 대응하여 조정해야 했습니다. 또한 큰 노력을 기울여 품질을 점검해야 합니다. 이제 이 모든 것을 바꾸고자 합니다.“ (슈테판 푸) BMW의 아이디어는 장애 변수와 품질 간의 상관 관계를 파악하여, 이를 클라우드에 저장하고 평가하는 것으로 이어진다. 이를 위해 각 부품은 ID를 가지며, 가상의 대리인을 둔다. 각각의 회로 기판은 코일 라인에서 레이저 마킹으로 분명한 ID를 갖게 되며, 이 ID는 클라우드에 모든 특성과 함께 저장된다. “코일 시스템은 단순히 판금 피스만 만드는 것이 아니라 알고 있는 재료 특성을 지닌, 식별 가능한 부품을 생산합니다.“ (슈테판 푸) 판금 부품이 아직 코일에 있지 않아도, 벨트 내 위치가 추후 부품에 할당된다. 그러면 프레스 라인에서 부품의 가공 상태가 식별된다. 이 위치에서부터 재료 특성뿐만 아니라 부품의 가공 특성도 알 수 있다. 프레스 라인 이후로 품질 검사와 오류 파악이 이어진다.

“최적화를 실시한다면 전체 프로세스 체인만 살펴볼 수 있다.“ 더크 란트그레베 교수, 헴니츠 프라운호더 IWU 연구소장

BMW 프레스 공장은 앞으로 불량품을 원천적으로 방지할 것이다

결과에서 보이는 오차는 강판 코일 차이로 인한 것일 뿐만 아니라, 단일 코일 내에서도 오차가 있고, 한 배치의 회로 기판 내에서도 결과에 차이가 있다는 점이 평가를 통해 드러났다. “모델 예측은 균열이 발생하는 영역에 비교적 가깝기는 하지만, 어디서 균열이 발생할 지를 말할 수 있을 만큼 정밀하지는 않습니다.“ (슈테판 푸) 그러나 상당한 정도로 균열 범위를 예측할 수 있다고는 한다. “앞으로는 불량품을 생산하지 않겠다가 아니라 처음부터 불량품이 나오지 않도록 하기 위해 행동도 계산하고자 합니다.“(슈테판 푸)  위의 연구가 성형 기술의 효율성 주제에 어떤 방식으로 접근하는지 헴니츠 프라운호퍼 IWU 연구소장인 더크 란트그레베 교수가 설명하였다. “최적화를 실시한다면 전체 프로세스 체인만 살펴볼 수 있으며“ 공구, 품질 보장, 물류, 생산 중 데이터 처리가 이러한 프로세스 체인에 포함되었었다. 그러나 공장 차원을 넘어서 납품업체를 포함하는 프로세스 체인도 있으며, 이것이 인더스트리 4.0이 다루고자 하는 주제이다. 사이버 물리 생산 시스템의 의미에서 란트그레페가 보는 인더스트리 4.0 생산의 핵심 요소는 다음과 같다. 한편으로는 네트워크화된 시스템, 정보의 자율 교환 그리고 자율적인 생산 컨트롤을 갖춘 스마트한 생산이다. 여기서 스마트 제품이 나온다. 스마트 제품은 명확하게 식별 가능하고, 언제든 위치를 추적할 수 있고, 제품 이력과 상태를 알 수 있다. 제3의 요소는 인간과 자원으로, 여기서 에너지 효율, 자원 효율, 스마트 어시스턴트 시스템, 유연한 근로 조직 또는 인구 통계학적으로 조정된 노동이 중요한 역할을 한다. “인더스트리 4.0에 전체적으로 접근하기 위해 우리는 다음 세 가지 주요 문제에 대답해야 합니다. 데이터를 어떻게 얻을 것인가? 어떻게 데이터를 관리하고 처리할 것인가? 유용한 정보 또는 중요한 정보를 어떻게 생성할 것인가?“(더크 란트그레베)

최신 컨트롤 컨셉트와 서보 메카니즘으로 스플라인을 냉각 롤링하기 위한 스플라인 롤링 머신 Rollex HP
최신 컨트롤 컨셉트와 서보 메카니즘으로 스플라인을 냉각 롤링하기 위한 스플라인 롤링 머신 Rollex HP

그러한 데이터를 생산 현장에서 파악하기 위한 첫 번째 접근법을 스탬핑 및 성형 자동 제조업의 Andritz Kaiser GmbH는 다름슈타트 공과대학의 자회사인 Consenses GmbH 및 센서가 통합된 볼트 제조사와 협력하여 이미 구현하였다. “우리는 이미 센서 볼트를 먼저 복합 롤러 글라이더 가이드에 장착하였고, 그런 다음 전체 기계에 장착하였습니다.“ (슈테판 카이저, Andritz 판매 매니저) 이 센서 볼트는 기계나 공구의 임의의 위치에 장착할 수 있고 인장력 뿐만 아니라 압축력도 측정할 수 있었다. 볼트 내의 압전 석영이 눌리고 그로 인해 예압되기 때문이다. 슈테판 카이저의 견해에 따르면 그러한 압전 석영은 반도체에 롤링할 수 있고, 예를 들면 스스로 자신을 드러내는 스탬핑 부품이 된다. “새로운 스마트 팩토리에서는 완전히 새로운 생산 논리가 생깁니다.“ (슈테판 카이저) 센서 장치, 컨트롤 테크닉 그리고 커뮤니케이션을 기반으로 하는 인더스트리 4.0에서 성형 프로세스 체인은 반제품에서 이미 시작되며, 선행 공정 및 후속 공정도 포괄하고, 최종 제품에 이르러서 비로소 끝난다.

“새로운 스마트 팩토리에서는 완전히 새로운 생산 논리가 생깁니다.“ 슈테판 카이저, Andritz Kaiser 판매 매니저

ANDRITZ KAISER는 인더스트리 4.0을 이미 실제 현장에서 테스트한다 

Kaiser의 보도에 따르면 현재 한 고객사의 기계에 센서 볼트가 장착되어 있다고 한다. “도전 과제는 기계 조작자와 기계 제조사 그리고 사용 회사가 훌륭한 평가 방법을 이용할 수 있도록 막대한 양의 데이터를 평가하는 것입니다.“ (슈테판 카이저) 시범 고객의 데이터 파악 및 평가를 다음 달부터는 시뮬레이션 프로그램에 유입해야 한다. 이 때 Andritz Kaiser는 정보 보호에 심혈을 기울인다. 데이터는 기계 컨트롤에 머물고, 프레스힘은 기계의 블랙 박스에 저장되며, 수리가 필요하면 고객이 동석한 상태에서 판독한다.