생산 체인에 적층 가공 연결하기

 

3D 프린터가 더 커지고, 더 빨라지고, 더 정확해지자, 3D 프린터 제조사들은 그다음 도전 과제에 직면하게 되었다. 바로 생산 체인에 적층 가공을 어떻게 연결할 것인가 하는 문제이다. 최초의 업체들은 자신들의 아이디어를 박람회에서 선보인 바 있다.

시모네 캐퍼(Simone Kaefer)

몇 년 전부터 적층 가공(AF, AM)을 위한 제조업체, 제조 장비, 제조 방법, 관련 재료들이 우후죽순으로 생기고 있다. 하지만 적층 가공 현장을 실제로 찾아보기가 쉽지 않다. Bitcom의 연구에 따르면 독일 제조업체들의 28% 정도는 한 대 이상의 3D 프린터를 갖고 있다고 한다. 하지만 3D 프린터는 거의 모든 회사에서 프로토타입을 만드는 데 사용하거나, 대체 부품을 만드는 용도이다. 생산 라인이나 대량 생산에 투입하기에는 아직 적합하지 않기 때문이다. 3D 프린터는 그만큼 빠르지 않고, 정확하지 않으며, 작업 결과를 재현할 수도 없고, 후가공이 뒤따르기 때문이다. 이처럼 3D 프린팅은 자동화가 되지 않아 생산에 적용하기 쉽지 않다. 게다가 전문 인력도 매우 부족하다. 또한 3D 프린터는 생산 라인에 장착해야 할 정도로 우선순위가 높은 기계도 아니고, 자동화가 시급한 기계도 아니기 때문에 적층 가공을 생산에 통합하는 것이 사용자뿐만 아니라 제조사에게도 부담을 느낀다.

첫 번째 단계: 프로세스와 자동화 분리

2015년 Concept Laser는 자사의 AM Factory of Tomorrow를 위한 첫 번째 기계를 Formnext에서 소개하였다. 당시 이 제품은 Concept Laser가 빌드 작업을 전가공과 후가공을 분리하여 유휴 시간 없이 생산하는 기술이었다. 재료 흐름을 자동화하고 인터페이스를 통해 레이저 용융 시스템을 전통적인 CNC 기계 기술에 통합하였다. 따라서 기계에 이송하기 위한 길이 유연해지고, 장착과 탈거 절차가 공간적으로 분리되었다. 실제로 많은 업체들이 이와 같은 사례를 벤치마킹하였다. 현재 적층 가공 분야에서 큰 업체들 대부분은 모듈러 컨셉트로 빌디 프로세스에서 가공하고 후가공이 분리된 기계를 제공하고 있다. 삼 년이 지나지 않아 적층 가공은 다음 단계로 접어들었다. 하지만 Concept Laser가 GE 애디티브에 인수된 이후로 AM Factory fo Tomorrow와 관련된 기술이 잠잠해졌다. GE 애디티브는 적층 가공에 대한 인더스트리 4.0의 잠재력을 눈여겨보았다. 최근 공개된 유튜브 영상에서 보면, GE 애디티브는 이 아이디어를 버린 것 같지는 않았지만, 그 사이 EOS가 GE 애디티브 기술을 추월하였다.

EOS-Vision의 적층 가공 공장이 Next gen AM과의 공동 프로젝트로 서서히 모양을 갖춰가고 있다.

             EOS는 일 년 반 전에 Daimler와 항공 우주 부품 업체 Premium Aerotech와 함께 Next Gen AM 프로젝트에서 전자동 적층 생산을 구축하기로 제휴하였고, 지난 9월 파일럿 공장이 독일 북부 바렐에 문을 열었다. 이 공장은 SLM 기법으로 3D 금속 프린팅을 하기 위한 4개의 레이저를 장착한 기계인 EOS의 M 400-4로 구성되었다. M 400-4는 분말 스테이션을 갖추고 있으며 독립적인 셋업 스테이션과 언팩 스테이션에 연결되어 있다. Concept Laser가 구상했던 것과 같이 프린팅이 진행 중인 상태에서 이전 부품은 후가공을 하고, 새로운 조형 작업을 준비할 수 있다. 즉, 자율 운반 차량 한 대가 프린터에 새로운 조형판을 장착하는 동안, 다른 자율 운반 차량은 먼저 가공된 부품을 컨테이너 안에서 불활성 가스로 보호되는 상태로 각 스테이션들 사이에서 그다음 스테이션으로 운반한다. 그곳에서 로봇이 조형 플랫폼을 받아 열처리를 위해 오븐에 넣었다가 다시 꺼낸 후 품질 보증을 위해 3D 측정 스테이션으로 옮긴다. 마지막으로 조형 플랫폼은 조형 플랫폼에서 분리하는 톱에 도착한다. 이 파일럿 공장에서 프린터가 한 대뿐이지만, 이 업체는 다수의 프린터를 장착할 수 있는 중앙 분말 매니지먼트를 개발하였다.

한편, DMP Factory 500이라는 공동 프로젝트가 있다. 이 프로젝트는 3D Systems와 GF Georg Fischer의 확장 가능한 모듈러 컨셉트에 관한 것이다. 구성 요소는 프린터, 교체 가능한 프린터 모듈 그리고 분말 관리를 위한 엘리먼트이다. 분말 관리 엘리먼트는 부품과 조형 플랫폼에서 남은 분말을 모아 재사용한다. 운반 시스템이 여기에 포함되고, 그다음 작업 단계를 사용하지 않는 경우, 중간 보관 요소도 포함되는데, 모두 전자동으로 진행되어, 작업자들은 금속성 분말 공법에서 발생하는 불활성 가스에 더 이상 노출되지 않아도 된다. 3D Systems와 GF는 Next-Gen-AMT로 한 단계 더 나아간다. 이는 생산 프로세스 과정 중 절삭이나 후처리 등 다른 스테이션으로 이동하는 것을 고려하고 있다. 이를 위해 DMP Factory 500은 다른 중요한 ERP 시스템과 통신할 수 있다고 보고 있다.

Trumpf가 자사 Truprint 5000에 스캔 영역 모니터링과 레벨링 장치를 장착하였다. Trumpf는 재현성을 위한 전제 조건을 마련하였다.

불활성 가스 문제는 Trumpf가 해결하였다. Formnext 2018에서 Trumpf는 조형 실린더와 저장 실린더용 커버를 자동화된 방식으로 취급하는 방법을 선보였다. Trumpf 관계자의 설명이다. 프린팅 시 조형 공간에서 분말을 펼치는 코터 또는 닥터 블레이드가 도포 매체를 Trumpf가 개발한 캐리지와 교체됩니다. 여기에 인서트가 장착되어 있는데, 코터가 그 위를 지나면서 이 인서트 위에 커버가 덮입니다. 개발자들이 조형 공간 가장자리에 커버 보관 위치를 만들었다. 저장 실린더는 스스로 위로 이동하며, 자신의 커버를 프로세스 챔버 커버에 겁니다. 저장 실린더 커버는 레이저 스캔 영역 밖에 있기 때문에, 프로세스가 끝날 때까지 그 위치에 있습니다. 다수의 레이저 원천 기술을 확보하고 있는 Trumpf는 스캔 영역 모니터링과 레벨링으로 재현성 및 연속 생산을 위한 장비를 준비하고 있다. 스캔 영역 모니터링은 레이저 제트가 방향을 잡을 수 있게 유도한다. 이전에는 이를 위해 보정 타겟을 코터에 부착하였다. 레벨링 장치는 카메라와 레이저 측정 시스템을 이용하여 조형 작업 전에 조형판의 높이와 정렬을 점검한다. 하지만 항상 기계 운전자가 이를 수정해야 한다. Trumpf가 레이저 조정 자동화를 연구하는 유일한 회사는 아니다. 3D Systems와 EOS도 그 필요성을 깊이 인지하고 있다.

생산 라인의 한 모듈인 적층 가공

EOS와 3D Systems에 따르면 3D 플라스틱 프린팅에 자동 레이저 조정을 통합하는 것이 더욱 간단해질 수 있다고 한다. 불활성 가스를 만들지 않아도 된다는 사실 만으로 그러하다. Xjet의 NPJ(Nanoparticel Jetting)와 같은 몇몇 금속성 프린팅의 경우도 마찬가지이다. 와이어로 작업하는 금속성 프린터와 필라멘트 프린터의 경우는 더욱 간단하다. 이들은 갠트리 기계로 만들어지거나 로봇 암을 이용하여 작업하는 경우가 많고 컨베이어 벨트 위에 배치할 수 있기 때문이다. 따라서 이 프린터들은 간단한 방식으로 생산 라인에서 자기 위치를 찾을 수 있다. 하지만 대부분의 프로젝트는 순수한 적층 가공을 위한 생산 체인을 중심으로 돌아간다.

Fakuma 박람회에 출품한 Arburg의 생산 라인.

생산 라인 중 하나의 스테이션인 3D 프린팅으로 무엇을 할 수 있는가? 플라스틱 기술 업체인 Arburg는 자사의 Freeformer를 가지고 적층 가공을 어떻게 자동화된 공정 체인에 연결할 수 있는지를 Fakuma 박람회에서 보여주었다. 시연 과정에서 KUKA의 LBR iiwa가 공작물 캐리어를 포함하여 사무용 가위를 사출 성형 셀의 컨베이어 벨트에서 잡아서 DM 코드를 스캔하고 이를 3D 프린터의 부품 캐리어에 내려놓는다. 이곳에서 개별적인 3D 로고가 PP로 프린팅되고, 완성된 제품을 인라인 품질 점검한 후, 로봇이 박람회 방문객들에게 개별화된 맞춤형 가위를 나눠줬다. 보기에는 굉장히 간단하지만 통합 팀이 절차적 자동화를 연구하였고 지금도 만들어 가는 중이다. 아직 엔지니어들 앞에 많은 장애물들이 있다. 이들은 연구 장치를 이용하여 개별 생산에 대한 품질 점검과 프로세스의 연속 적합성을 연구하고 있다.

세척 사이클은 아직 Freeformer보다 금속성 분말 베드에서 큰 역할을 한다. Arburg의 과립 기반 플라스틱 프린팅에도 청결과 재료의 올바른 취급을 고려하고 있다. 이러한 점이 재료의 물류로 이어지는데, 필라멘트나 금속 와이어로 작업하는 경우가 가장 간단하다. Arburg의 플라스틱 프리 포밍은 중간 정도이다. 분진 입자는 노즐을 막아 액적 크기가 변할 수 있기 때문에 분진이 과립 사이에 들어가면 안 된다. 작업자의 건강을 위협하는 금속성 분말 베드의 경우 사정은 더욱 복잡하다. 로트 변화는 부품 품질에 영향을 끼칠 수 있다. Arburg는 데이터 교환에 가장 큰 문제가 있다고 봤다. Freeformer는 Euromap 67에 의거하며, Varan 버스의 실시한 이더넷 변종을 통해 통신하는 인터페이스를 갖고 있다. 기계 OPC UA와 마스터 컴퓨터 시스템 ALS는 상위 시스템과 통신한다.

적층 가공 분야의 모든 업체들의 견해에 따르면 연속적인 데이터 체인과, 기계, 컨트롤 룸 그리고 상위 시스템 간의 장벽 없는 통신이 가장 큰 도전 과제이다. 아직까지 완성된 수준으로 서비스되는 해법이 없고, 여전히 자체 결단이 필요하다. 그러나 적층 가공 분야의 기업뿐만 아니라 소프트웨어 분야 기업들도 연속성을 위해 연구하고 있다.

2018년 상반기 Bitkom의 조사에 따르면 독일 제조업체의 1/4이 적층 가공을 사용하고 있다. 직원 100명 이상의 553개 제조업체에게 질문하였다.

세 번째 단계: 연속적인 데이터 체인

PLM / ERP 공급자인 ComputerKomplett는 지난 11월 말에 열린 PTC 포럼에서 생산 설비에 이르는 3D 프린팅을 위한 연속적인 디지털 데이터 이용을 소개하였다. 3D 모델에 대한 CAD 데이터는 PTC의 PLM 시스템인 Windchill에서 나온다. 또한 생산 프로세스는 실시간으로 IoT 플랫폼 Thingworx를 통해 시각화되고 모니터링 된다. Thingworx는 모델의 변화나 생산 주문의 변경도 고려한다. 따라서 제품 개발부터 생산 계획, 생산 모니터링까지 빈틈없는 프로세스가 형성된다고 ComputerKomplett 측은 설명한다. 또한 데이터를 클라우드를 통해서 불러올 수 있다.

EOS도 자사 기계와 MES 또는 ERP 통신을 위한 소프트웨어를 제공한다. 표준 인터페이스들은 OPC UA를 통해 상태 메시지와 라이브 데이터 교환을 허용하고 Web-API를 통해 이력 데이터를 제공하는 EOS Connect Core를 사용할 수 있다. 사용자는 이 소프트웨어를 사용하여 자신의 EOS 시스템의 부하를 대시보드에 묘사할 수 있습니다.(미르코 쇠프, EOS 소프트웨어 제품 매니저) 앞으로 이 프로그램으로 같은 유형의 기계들을 하나의 컨트롤 포인트를 통해 제어하는 것도 가능하다. 우리는 부품 운반과 분말 리사이클링 같은 단계를 생각하고 있습니다. (미르코 쇠프) 또한 추가의 프로세스 통합도 계속 연구하고 있다. 우리는 적층 가공 프로세스 부분에 초점을 맞추고 있지만, 우리의 비전은 적층 가공과 관련된 모든 프로세스 단계, 즉 CAD 도면 형태의 아이디어에서 완성 부품에 이르기까지 연속적으로 추적할 수 있는 것입니다. (미르코 쇠프) 이 과정에서 EOS Connect Core가 적층 가공 프로세스 셀에 대한 데이터 인터페이스로서 핵심 역할을 하지만, 전체 추적 시에는 항상 여러 공급자들의 다양한 소프트웨어 솔루션의 일부로서 간주해야 한다. EOS의 목표는 3D 프린팅 생산 과정에서 나오는 데이터에 접근할 수 있도록 하는 것입니다. (미르코 쇠프)

벨기에 소프트웨어 공급자인 Materialise 역시 적층 가공에 특화되어 있다. 이 업체는 오래전부터 연속적인 프로그램을 연구하고 있다. 생산에서 납품까지 포괄하는 PLM 소프트웨어인 Streamics를 제공한다. Materialise 자체가 계약 생산 업체이지만 실무 적합성을 위해 자사 소프트웨어를 지속적으로 테스트하고 있다.

TRUMPF는 자사의 적층 가공 기계를 생산 라인에서 적용하기 위해 어떻게 준비하고 있습니까?

Trumpf 적층 가공 제품 매니지먼트 책임자인 다미엔 부흐빈더에게 첫 번째로 던진 질문은 적층 가공 기계를 생산 현장에 연결할 때 마주치는 문제들은 무엇입니까?였다. 또한 적층 가공을 생신 현장에 통합하기 위해 Trumpf가 준비하고 있는 다음 단계가 무엇인지 알고 싶었다.

다미엔 부흐빈더는 Trumpf 적층 가공 분야에서 제품 매니지먼트를 책임지고 있다.

3D 프린터를 생산 설비에 연결할 경우 가장 큰 문제는 소프트웨어 영역입니다. 사용자들은 3D 프린팅의 프로세스 모든 작업 단계에서 사용자를 지원하는 솔루션이 필요합니다. 예를 들어 설계자들은 CAD 모델로 부품의 디지털 모델을 설계합니다. 하지만 3D 프린팅 결과물의 밀링 또는 그라인딩 등 후처리를 위한 CAM 데이터가 필요합니다. 결과적으로 설계자는 다양한 프로그램으로 작업하고 데이터를 변환해야 합니다. 번거롭고 시간이 오래 걸리며 오류가 발생할 수 있습니다.

또한 다양한 프로그램과 데이터 포맷으로 인해 사용자 입장에서는 전체 생산 프로세스를 투명하게 그리는 것이 어렵습니다. 하드웨어 측면에서도 선행 프로세스와 후속 프로세스를 최적화해야 할 필요가 있습니다. 지지 구조물이 필요한 공작물인 경우, 여전히 후작업이 필요합니다.

우리의 목표는 3D 프린팅의 전체 프로세스 체인을 맵핑하는 것입니다. 당사 시스템은 개방형 IT 인터페이스를 갖추고 있습니다. 이를 통해 사용자는 데이터를 평가하고 기술을 더욱 개선할 수 있습니다. 사용자가 디지털 프로세스 체인을 따라가면서 작업할 수 있는 전체적인 소프트웨어 컨셉트도 개발하고 있습니다.

당사는 3D 프린팅을 단계적으로 자동화하고 있습니다. 당사 최신형 기계인 Truprint 5000은 기판을 자동으로 정 위치에 놓고 고정 수단과 후속 프로세스 단계에 대해 기준 역할을 하는 영점 클램핑 시스템을 갖추고 있다. 또한 이를 이용하여 전통적으로 제조되는 프리폼을 프린팅 하는 하이브리드 프로세스도 빠르게 구현할 수 있습니다. 그리고 당사 시스템 자체가 실린더 커버를 받아들여 실린더 장착 후에도 자동 프로세스를 시작할 수 있습니다. 품질 점검은 생산 프로세스가 진행되는 도중 독립적으로 진행됩니다. 전반적으로 직원 입장에서는 일이 많이 줄어듭니다.

우리는 장기적으로 3D 프린팅을 완전히 자동화하려고 합니다. 3D 프린팅의 완전 자동화가 어떤 모습 일지는 이미 Formnext 박람회에서 소개하였습니다. 로봇이나 무인 운반 시스템이 조형 실린더를 자동화된 방식으로 독립적으로 교체하여 생산 시스템의 가동률을 높일 수 있습니다.