센서를 통해 공구 알아보기

성형 과정에는 과연 무슨 일이 일어나고 있을까? 오늘날 강판 성형업체들은 공정 중에 공구에서 일어나는 일을 센서를 이용하여 확인할 수 있게 되었다. 보통 센서를 액추에이터와 연결하는데, 이렇게 하면 많은 장점들이 생긴다. 인더스트리 4.0이 아직 멀었다 하더라도 첫 걸음은 뗀 것이다.

슈테파네 이타세(Stephane Itasse)

센서를 이용한 기술은 이제 연구소에서 벗어나 Phoenix Feinbau와 같은 공장에선 실질적으로 적용되고 있다. Phoenix Feinbau는 전자 컴포넌트 제작에 사용되는 펀칭 및 스탬핑/벤딩 부품 제조하는 회사로 연속 프레스 공구 또는 펀칭/벤딩 공구를 제작하는 여러 공정 단계에 센서가 포함되어 있다. 일반적으로 벨트 이송을 감시하기 위해 라이트 베리어를 사용하고, 공구 잠김을 감시하는 데에는 와전류 센서를 사용한다. „우리는 특수한 경우 피에조 센서나 공구 파손을 검출하기 위한 검출 매니지먼트 소프트웨어를 사용하고 프로세스 오차를 확인하기 위해 음향 센서를 사용합니다.“ (도미닉 그루스, Phoenix Feinbau 엔지니어) 뿐만 아니라 Phoenix Feinbau의 장비들은 기계 측에 설치된 DMS(검출 매니지먼트 소프트웨어)를 통해 통합적 힘 감시 기능을 구비하고 있다. „이 기능으로 많은 프로세스 변경에서 공구와 상관없이 프로세스를 민감하게 감시하는 것이 가능하고 방법 또한 간단합니다.“(도미닉 그루스)

전통적인 모니터링 시스템은 일차적 장애를 감지하기 위해 사용하고 독자적으로 작동한다. 다음 장애 원인은 수동으로 BDE 시스템에서 파악하고, 선택한 데이터를 MES로 전달된다. 현재 Phenix Feinbau에서는 기계 데이터와 공정 데이터를 광범위하게 전달, 네트워킹 및 처리하는 시스템을 개발 중이다.

„숙련 프로세스와 스타트업 프로세스의 객체화 및 데이터 중심 최적화에 큰 잠재력이 있습니다“, 외르크 슈핀들러, Audi 공구 제작 매니저

까다로운 부품 제작을 센서 장치가 좌우한다

자동차 제조사 Audi도 Phoenix Feinbau의 센서를 사용한다. 물론 비용이 적은 것은 아니다. „대체로 보닛이나 트렁크 리드, 사이드 패널 프레임과 같은 까다로운 부품을 제작할 때에는목적에 맞는 센서 장치를 장착한 성형 공구를 사용합니다. 현재 자동차 프로젝트 당 평균 2개의 공구를 장착하는데, 센서 장치를 이용한 기술에 맞추어 4개의 공구를 더 준비하였습니다.“ (외르크 슈핀들러, Audi-Werkzeug 매니저). Audi는 이러한 기술에 폭넓은 기반을 가지고 있다. „우리는 필요한 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하였고, 이 소프트웨어로 엔지니어링에 센서와 액추에이터를 적합하게 배치할 수 있습니다. 우리는 각 부품마다 프로세스 변화에 부품이 얼마나 민감하게 반응하는지를 분석합니다. 공정 변화는 각기 다른 재료 배치에 의하여, 특히 표면 조도의 변화에 의해 그리고 윤활제 코팅 시에 야기될 수 있습니다. 지능적인 공구의 공정 제어도 시뮬레이션할 수 있습니다.” (외르크 슈핀들러)

 

„가장 좋은 것은, 부품이 고장나거나 장비에서 손상이 발생하기 전에 공구 마모를 센서가 제때 감지할 수 있는 것입니다.“ 랄프 린츠, Läpple Automotive 기술 매니저

시뮬레이션 결과는 지능적 소프트웨어 기술을 통합할지 아닐지를 결정하는 토대가 된다. 도미닉 그루스는 또 다른 측면도 지적하였다. „사용하는 센서 장치는 공구와 프로세스의 리스크 분석을 바탕으로 합니다. 이때 본질적인 기준은 장애가 발생한 확률과 장애를 감지하지 못하는 경우 장애로부터 일어날 수 있는 잠재적 결과이거나 손상입니다.“ 자동차 제조사들 외에 자동차 부품업체들도 강판 가공업자에 속하며, 강판 성형을 위해 이 기술을 사용한다. „우리는 성형 공구에 센서를 이미 사용하고 있으며, 인더스트리 4.0의 측면에서는 아직 시작 단계입니다. 현재 우리는 특별히 근접 센서를 사용하며, 부품 위치 제어를 위해 또는 폐기물 배출 감시에 센서를 사용합니다.“(랄프 린츠, Läpple Automotive 기술 매니저)

Läpple(래플레)는 지난 9월 하일브론 공장에 새로운 이송 성형기를 설치하였다. 이 시스템의 성능을 이용하기 위해서는 공구도 함께 사용해야 한다. „이 새로운 기술은 우리에게 새로운 가능성을 가져다 줄 것이며 새로운 이송 성형기를 통해 센서 기술이 적용된 많은 성형 공구를 자동으로 사용하게 될 것입니다. 새로운 시스템의 공정 속도는 당연히 향상될 것입니다.“ (랄프 린츠)

Läpple Automotive(래플레)는 판금 위치, 공구 위치, 벨트 입구 또는 피드를 감지한다. „우리는 그리퍼 유닛에도 센서를 사용합니다. 시스템으로 직접 피드백이 이루어지고, 확인된 정보는 데이터 평가를 위해 사용할 수 있습니다. 다음 단계로 데이터를 BDE 또는 MDE와 함께 사용해야 하는데, 아직까지는 미래의 이야기입니다.“ (랄프 린츠)

복잡한 프로그레시브 다이에도 점차 많은 센서를 사용하는 추세이다.

Audi에서는 센서와 액추에이터가 지능형 툴에 속한다

Audi는 한발 더 나아갔다. „우리에게 있어서 센서 장치와 액추에이터로 이루어진 패키지는 지능형 툴입니다. 이러한 도구들은 제조과정에서 스스로 지속적으로 제어하고, 동일한 방식으로 프로세스 변화를 보정합니다.“ (외르크 슈핀들러) Audi-Werkzeugbau는 기술적 실현 가능성의 한계를 측량하고, 이때 지능형 툴이 결정적 역할을 한다. “지능형 툴이 있기 때문에 디자인이 독특한 부품을 동일한 품질을 유지하며 대량으로 제작할 수 있습니다. 우리는 성형 공정 중 1/10mm 범위로 자재 흐름을 최적화하고 통제합니다. 그로 인해 종래의 공정, 프레스 아웃피드 컨베이어에서 육안 검사를 통한 품질 점검과 프레스 매개변수 수동 조정에서 가능하던 것보다 훨씬 개선할 수 있었습니다.“ (외르크 슈핀들러)

하나의 성형 툴에 8개 ~ 24개 센서 장착

Audi-Werkzeugbau는 작업의 복잡도에 따라 한 공구에 8개 ~ 24개의 센서를 장착한다. „레이저 센서를 통해 성형공정 중 공정과 관련된 위치에서 판금 외부 윤곽의 움직임을 관찰합니다. 공구 구조 내에서 신장 측정기술을 통해 판금에 가해지는 힘을 가시화할 수 있고, 균일 형성을 확인할 수 있습니다. 우리는 보조변수로 공구 콤포넌트 상호 간의 움직임도 측정하고 공구 온도도 측정합니다.“ (외르크 슈핀들러)

이 시스템은 Audi에서 측정한 수치만으로 안전한 자동 모드를 실현하도록 구성되었다. 상위 프레스 컨트롤에 연결할 필요가 없다. 따라서 기존 시스템에 통합하는 번거로움이 훨씬 간소화되었다. 그렇다고 네트워킹을 완전히 포기했다는 의미는 아니다. 외르크 슈핀들러에 의하면 프레스 라인의 기술적 요구 사항은 매우 다르다. „우리는 첫 번째 단계로 폭스바겐 내에서 기술 인터페이스의 표준화를 추진했습니다. 하드웨어 측면에서 신속하고 안전한 매체 공급을 보장하기 위함입니다. 이 인터페이스를 통해 프레스의 컨트롤과 회사 네트워크에도 연결됩니다.“ (외르크 슈핀들러)

지능형 툴은 중요한 프레스 데이터를 중앙 컨트롤과 교환하고 품질 정보를 전달하거나 필요 시 프레스를 정지할 수 있다. 또한 모든 툴이 원격 정비 시스템에 연결되어 있는데, Audi-Werkzeugbau는 이를 이용하여 전세계 어디든 현장 작업자를 지원한다. Audi는 2개 대륙에 있는 5개 공장에서 지능형 툴을 이미 사용하고 있다. 단말기와 상관없이 간단하게 조작하고 시각화가 가능한 웹 인터페이스도 있다. „기본 아키텍처 측면에서 이 지능형 툴은 고전적 자동화 시스템 보다 최신 IT 시스템에 가깝습니다. 구성 가능성, 버전 관리, 추적성이 기본 구성 요소입니다. 이러한 요소들로 인해 인더스트리 4.0을 위한 새로운 이넡페이스를 실현하는 것도 한결 쉬워졌습니다.“ (외르크 슈핀들러) 머지않아 비즈니스 인텔리전스 시스템을 자동화된 방식으로 실행하는 것이 가능해질 것이다.

성형 공구 내 센서 덕분에 확실히 개선된다

Audi의 결과는 매우 인상적일 수 있다. 각 공구마다 독특한 특징이 있기 때문에 직접 비교는 불가능하다. „제품 업그레이드나 직접적인 후속 모델을 다루는 일부 프로젝트에서는 매우 우수한 결과를 보일 수 있었고, 불량품이 25% 정도 줄었습니다.“ (외르크 슈핀들러). 그러나 외르크 슈핀들러에게 있어서 이렇게 측정 가능한 불량품에 초점을 맞추는 것은 매우 제한된 시각이다. 숙련 프로세스와 스타트업 프로세스의 객체화 그리고 데이터 중심 최적화에도 큰 잠재력이 있다. 센서 장치는 시뮬레이션 조정을 수행할 수 있는 매우 효과적인 방법을 제공한다. Läpple가 추구하는 목적은 센서 장치를 이용하여 제조공정 중 프로세스 안정성을 높이고, 공구에 대한 유지관리를 향상시키는 것이다. „가장 좋은 것은 부품이 고장나거나 장비에서 손상이 발생하기 전 공구가 마모되면 센서가 실시간 감지할 수 있는 것입니다. 또한 불량률과 재작업을 최소화하는 것도 목적입니다. 오류를 방지하기 위한 수단 포카 요케라고 하죠. 궁극적으로는 그로부터 배울 수 있도록 데이터 평가 결과가 다시 공구 설계에 반영되어야 합니다.“(랄프 린츠)

인더스트리 4.0에서 생산을 위해 트랜스폰더 기술을 가진 성형 공구가 생산에 이름을 올려서, 생산 관리 및 처리는 컨트롤 기능만 가질 것이라 생각할 수도 있다. 하지만 아직은 먼 미래의 일이다. 랄프 린츠는 KVP 프로세스의 범위에서 성형 공구에 센서를 사용하는 것을 계속 추진할 것이다. „센서 사용이 최대 수준에 도달했다고 생각하지 않습니다. 오히려 새로운 가능성이 생길 것이라고 생각합니다.“ (랄프 린츠) 센서 기술을 사용하는 것은 비용/이익 비율과 궁극적으로는 고객이 이해 득실을 따져서 얼마나 지불할 준비가 되어 있는지에 달려있지만, 전체적으로 매우 의미 있는 일이라고 생각한다. „공구 안에서 무슨 일이 일어나고 있는지 감지할 수 있다면 이는 매우 가치 있는 일이라고 생각합니다. 이는 센서 장치가 있어 지속적으로 감시해야만 가능한 일입니다. 오늘날 성형 분야의 공정 속도에서 사람이 안전하게 공정 단계를 유지하는 것은 상당히 어려운 일입니다.“(랄프 린츠)

„사용하는 센서 장치는 공구와 프로세스의 리스크 분석을 바탕으로 합니다.“ Dr. 도미닉 그루스, Phoenix Feinbau 엔지니어

다음 트렌드는 성형 공구를 네트워킹으로 가는 것이다

„센서는 프로세스 변수를 기록하고, 현재 프로세스 상태에 대해 지적하며, 포괄적인 분석과 변수들의 관련성을 알려줍니다. 실질적인 생산성 증대는 이러한 정보를 기반으로 프로세스에 개입하여 제품 품질을 일정하게 유지해야 달성할 수 있습니다. (도미닉 그루스) 이를 위해 기계 파라미터를 조정하거나 또는 액추에이터를 통해 벤딩 각도 등과 같은 공구 설정도 변경할 수 있다. „따라서 액추에이터를 포함하는 완벽한 제어 루프를 구축할 수 있는 적합한 액추에이터 시스템을 기대하고 추구해야 합니다.“ (도미닉 그루스)

외르크 슈핀들러도 네트워킹으로 추세가 흘러간다고 생각하고 있다. „이미 시뮬레이션에서 나타나는 많은 잠재력이 있지만, 실제로는 데이터 부족으로 인해 아직 드러낼 수가 없습니다. 우리는 진행중인 상태 모니터링을 확장하고 실행 시간에 대한 제어를 간단하게 최적화할 수 있기를 원합니다“(도미닉 그루스) 목표는 엔지니어링 소프트웨어를 실제 데이터와 연결하는 것이다. „디지털 세계와 실제 공구를 연결하면, 양산 제작으로부터 다음 세대의 공구에 대해 더 많은 지식을 얻을 수 있을 것입니다.“ (외르크 슈핀들러)

지능형 성형 툴을 통해 불량률이 25% 정도 줄었다 – 이는 괄목할 만한 수치이다!

슈테파네 이타세(Stéphane Itasse), 성형 엔지니어링 에디터

 

MM 인터뷰

성형 연구가들이 센서를 사용하다

연구 분야에서 지능형 성형 툴이 열심히 연구하고 있다. 프라운호퍼 IWU 하이드로 포밍 및 공구 컨셉트 부서장인 마르쿠스 베르너와 이에 대해 인터뷰하였다.

프라운호퍼 IWU 하이드로포밍 및 공구 컨셉트 부서장 마르쿠스 베르너

귀사의 지능형 성형 툴은 어떤 식으로 발전하고 있습니까?

연구 목적으로 센서를 장착한 공구 비율이 증가하고 있습니다. 산업계에서 최근 2~3년 사이에 이러한 현상이 눈에 띄게 늘고 있어, 공구에 센서를 많이 장착한다고 생각합니다.

성형 공구에 센서를 사용하는 것이 어느 단계까지 왔다고 보십니까?

현재 제조산업에서 가장 관심을 갖는 부분은, 성형 조건의 변화에도 불구하고 고품질의 구성품을 제작하고 불량을 방지할 수 있는 부분입니다. 그 외에 센서를 사용하여 경제성을 높이는 등 다른 가능성도 열려 있습니다. 당사는 „프레스 경화 시 지능적 프로세스 운영“ 프로젝트에서 홀딩 시간을 실제로 도달하는 냉각 온도에 따라 제어하고 그렇게 경직된 방식을 없앴습니다. 구성품 품질이 낮아지지 않고 사이클 타임을 줄일 수 있습니다.

센서 및 표준 모델 제조업체에게 어떤 요구 사항이 제시될 거라고 보십니까? 

제조사들이 센서 장치에 대해 표준화된 하드웨어와 소프트웨어 인터페이스를 제공하고, 센서장치 자체가 프레스 공장에서 일상적으로 사용하기에 충분히 견고하면 좋겠죠. 인더스트리 4.0과 관련해서 센서 제조사와 표준모델 제조사들에게 새로운 사업 영역이 생겨날 것이라고 봅니다.