3D 프린팅 – 생산체인에 통합하다.

적층 가공이 자동화를 통해 비용 절감은 물론 프로세스 관리와 품질이 개선되고 있다. 3D 프린팅은 프로세스 체인의 일부로서 대규모 생산을 개별화하고 경제적으로 로트 크기 1을 생산한다.

Dr. 에버하르트 두프너(Eberhard Duffner): Arburg GmbH + Co KG 개발 및 플라스틱 프리폼 부서장

KUKA LBR iiwa가 사출 성형셀의 컨베이어 벨트에서 가공물 캐리어와 함께 가위를 꺼낸다. LBR iiwa는 DM 코드를 스캔하고 그리퍼를 이용하여 가위를 3D 프린터 Freeformer의 캐리어 위에 내려 놓는다. 이 곳에서는 적층 방식으로 3D 글자가 PP 소재로 생성된다. 완성된 제품은 품질 점검 후 로봇은 지켜보는 사람들에게 개별화된 ‘사무용 가위’를 건넨다. Fakuma 박람회 Arburg 부스에서 일어난 일이다. 이 박람회에서 Arburg는 Freeformer가 로봇과 협력하여 정보 기술적으로 네트워크화되고, 연속적으로 자동화된 프로세스 체인에 연결하는 방법을 처음으로 시연하였다. 3D 프린터의 자동화를 위해 플라스틱 프리폼 그리고 턴키 부서로 구성된 팀이 적층 가공을 자동화된 프로세스 네트워크에 통합하는 데 성공하였다.

정보 교환 문제

로봇이 가위 수용부에 부착된 브러시로 붙어 있는 재료 잔여물을 제거한다. 이 때 중요한 문제는 제작 공간 내 온도를 떨어뜨리면 안 된다는 것이다.

Freeformer에는 Euromap 67을 기반으로 하는 인터페이스가 장착되어 있어, 이 인터페이스를 통해 로봇 시스템과 통신한다. 시스템은 실시간 이더넷 Varan을 통해 3D 프린터에 연결된다. Arburg는 Varan 버스를 사용한다. 핫 플러그 & 플레이가 가능한 이 이더넷 변형은 실행 중인 기계에 쉽게 연결하거나 연결 해제할 수 있고, 수 마이크로 초 단위로 신호를 교환한다. 신호 교환은 Freeformer 설치 공간을 열고 장착할 때 충돌이 일어나지 않도록 하기 위해 꼭 필요하다. 설치 공간 도어의 개폐와 온도 관리는 완전히 자동화되어 있으며, 구성품 캐리어도 역시 조정 가능하다. Kuka의 LBR iiwa는 모바일 플랫폼에서 사출 성형을 적층 가공과 연결하고, Freeformer 제작 공간의 로딩과 언로딩을 담당한다. 이 적층 가공 시스템은 실시간으로 로봇 시스템과 통신할 수 있다. 또한 기본 플레이트 자동 장착과 세척 사이클도 실현할 수 있다. 인라인 측정과 자동화된 높이 보정으로 삽입 공정도 이루어진다. 이를 위해서는 개방되고 표준화된 통신 플랫폼이 있어야 한다. 기계, 공구, 공작물 그리고 주변 장치 간의 광범위한 데이터 교환을 가능하게 제조 공정을 실현할 수 있기 때문이다. Arburg는 주문 정보와 프로세스 데이터 파악을 위해 올라운더와 자체 개발한 제어 컴퓨터 시스템 ALS 간의 정보 교환에 OPC UA를 사용한다. Freeformer에서는 질량 압력, 온도, 힘, 토크, 축 위치와 같은 매개변수를 파악한다. ALS는 이 데이터를 클라우드나 자체 인터넷 사이트에 저장하여 언제든지 추적 가능하다.

세척 사이클 문제

Fakuma 2015에 선보인 제조 라인 모습

생산 공정이 중단되면 재료의 점도와 드롭 크기가 달라질 수 있다. Freeformer가 자동화된 방식으로 유지하려면 정기적으로 청소 사이클을 프로그래밍해야 한다. 앞에서 언급한 ‘사무용 가위’ 로봇에서 LBR iiwa는 트레이를 설치 공간 배출 유닛 아래에 이동한 후 가위 수용부에 부착된 브러시로 남아있는 잔여물을 제거하는데, 여기에서 중요한 것은 제조 공간의 일정 온도 유지이다. 특히 필요한 재료의 양이 현저히 다른 두 성분 응용 사례에서 구성품을 제조한 후 폐기하는 것이 좋을 수 있다. 이렇게 하면 두 성분이 골고루 소모되고 체류 시간이 단축되며, 소량만 필요한 재료의 열적 손상을 줄게 된다.

재료 로지스틱스 문제

아무리 적합한 원료를 사용한다고 하더라도, 작은 방울을 만드는 플라스틱 프리폼은 기존 사출 성형에 비해 재료 품질과 자재 물류에 대한 요건이 까다롭다. 과립은 먼지 입자가 노즐을 막거나 방울 크기와 적층 구성분의 품질에 영향을 미치기 때문에 먼지 등 이물질이 없어야 한다. 과립은 몰딩의 재료가 밖으로 노출되지 않도록 주의하여 Freeformer를 채워야 한다. 양산 과정에서도 구성품 품질에 영향을 끼칠 수 있다. 양산 적합성과 관련하여 수많은 가변적인 슬라이스 매개변수와 프로세스 매개변수에 좌우되는, 배치 크기 1로 제조되는 부품의 품질 가능성을 예측하는 것이 중요하다. 프린팅되는 실제 부품의 품질을 평가하기 위해서는 인장 강도, 인열 강도, 밀도 또는 출발 물질의 화학적 변화와 같은 기계적 값이 결정적이다. 이러한 맥락에서 Arburg는 잘 알려진 연구 시설과 협력하여 Freeformer 및 AKF법을 위한 솔루션을 개발하고 있다.