Arch-Tec-Lab 목재 지붕을 제작한 Güdel 갠트리 로봇 Woodflex 56

스펙터클한 구조의 지붕 아래에 48,624개의 바와 815,919개의 못이 사용되었다. 2,308 m²의 면적 위에 유기적으로 연결된 하나의 구조물이 건설되었다. 놀라운 것은 갠트리 로봇이 이 트러스를 완전히 디지털 방식으로 제작했다는 점이다.

공학박사 마르셀 나겔(Marcel Nagel): SCHUNK GmbH & Co. KG 중앙 제품 매니지먼트 관리

기술의 경계가 무너지고, 지금까지 발견되지 않은 새로운 지평이 열리면서 생각할 수 없었던 상상의 것들이 현실이 되고 있다. 많은 이들은 새로운 시대의 시작이라고 주장하고 있다. ETH 취리히 건축 기술 연구소(ITA)와 Gramazio Kohler Research가 목재 건축의 숨은 자동화 잠재력을 가진 새로운 프로젝트에 지지를 보냈다. 길이가 최대 3m로 가변적인 48,624개의 바와 64,944개의 서로 다른 연결점들을 연결하여 ‘Arch-Tec-Lab’의 지붕을 하나의 걸작으로 만들어, 디지털 목재 건축의 새로운 이정표를 만들었다. 이 트러스는 다른 트러스와는 다르다. 로봇의 지원으로 조립된 168개의 트러스가 자유로운 형태를 가진 복잡한 지붕 구조물을 만들어냈다.

설계부터 못박는 장치까지 연속적인 디지털 사슬

로봇을 이용한 디지털 방식으로 인해, 목조 건축에 지금까지 생각할 수 없었던 새로운 가능성이 열렸다. 로봇이 없었다면 ‘Arch-Tec-Lab’의 지붕 구조를 경제적으로 구현할 수 없었다.

지금까지 거의 현실화할 수 없는 일이나 감당이 되지 않던 일들이 디지털 제조 덕분에 더욱 정밀하고 경제적으로 현실화되고 있다. 그라마치오 콜러 리서치가 설계하고 Arch-Tec-Lab AG가 계획한 ‘시퀀셜 루프’를 Erne AG Holzbau(에르네)의 CAD 데이터로부터 실현할 수 있었던 것은 Güdel AG의 다기능 갠트리 로봇 Woodflex 56이었다. “형태가 복잡하면 이전의 건축가들은 자재에서 목재를 생각할 수가 없었습니다. 언제나 시멘트만을 선택했습니다. 하지만 당사는 목재로 무엇을 할 수 있는지를 보여주었습니다.“ (토마스 베를레, Erne AG Holzbau 부디렉터) 테스트 목적으로 첫 번째 트러스를 제작하는 데에 150시간이 걸렸다. 여기다 작업 준비를 하는 데 50시간이 더 들었다. 하지만 Güdel 갠트리 로봇을 이용하면 이중 일부 시간만 필요하다. CAD 데이터로부터 전체 트러스를 완성하는 데는 고작 12시간이면 충분하다. 시스템을 통제하고 각 위치의 못 박는 작업을 태블릿 컴퓨터를 이용하여 시각적으로 컨트롤하며, 네일링을 수정하고 소모재를 보충하는 데 몇 명의 직원으로도 가능하다.

현재 유럽에서 가장 큰 7축 갠트리 로봇

자동으로 바를 설치하고 못을 박는다.

유연하게 사용 가능한 7축 갠트리 로봇 Güdel Woodflex 56은 53m 길이를 이동할 수 있는 표준 갠트리와 3축 리니어 모듈 그리고 견고한 3축 관절로 구성되었다. 중요한 컨트롤 기술은 ROB Technologies AG가 구현하였다. 이 갠트리 로봇은 길이 48m, 너비 5.6m, 높이 1.4m의 작업 공간으로 현재 유럽에서 가장 큰 갠트리 로봇이다. 운반 능력은 Erne의 포크리프트 최대 하중 용량인 8t에 맞추어 설계되었다. 필요할 경우 시스템을 전체 홀 길이를 통해 100m 확장하고 경우에 따라 제 2의 갠트리를 장착할 수 있다. 이 로봇은 전자동으로 핸들링, 톱질, 밀링, 못박기 그리고 클램핑을 할 수 있도록, 그리핑 시스템과 클램핑 기술의 선구자인 SCHUNK의 강력한 퀵-체인지 시스템을 갖추고 있다. 이 시스템을 이용하여 공구를 최단 시간에 전자동으로 교체할 수 있다.

토마스 베를리에 의하면 장비의 유연성을 달성하기 위해서는 퀵-체인지 시스템이 키 포인트라고 한다. 목조 공사 플랜트에는 보통 고정 설치되어 움직이는 네 개의 어셈블리가 장착된다. “SCHUNK 커플링을 적용한 갠트리 로봇은 무제한으로 어셈블리와 연결하고 복잡한 공구도 사용할 수 있습니다.“ (토마스 베를리) 자체 컨트롤을 장착한 바 그리퍼가 리니어 축 위에서 이동하는 그리핑 모듈과 Z 방향으로 두 개의 작업 위치를 차지할 수 있는 못 박는 장치를 사용하여 바를 잡은 상태에서 못을 박아 고정한다. 필요한 모든 제어 신호와 에너지는 퀵-체인지 커플링으로 깔끔하게 전송된다. 이동식 원형톱, 수냉각 스핀들, 플레이트 취급을 위한 진공 그리퍼도 마찬가지이다. “교체를 위한 인력이나 크레인이 필요 없습니다.“(토마스 베를리) 필요할 경우 XXL 로봇이 지정된 스테이션에 있는 공구를 교체한다.

안정적인 기계적 연결을 위한 퀵-체인지 모듈

진공 플레이트는 SCHUNK 퀵-체인지 시스템을 통해 몇 초 안에 교체할 수 있다.

전세계에서 가장 큰 로봇 프로그램에 포함된 SCHUNK의 퀵-체인지 모듈은 액추에이터를 전자동으로 교체할 수 있어 비생산적인 다운타임을 최소화하였다. 퀵-체인지 모듈은 로봇 팔에 장착된 퀵 체인지 헤드와 해당 공구에 연결된 퀵-체인지 어댑터로 구성된다. 공구를 교체할 때 두 부분이 자동으로 연결된다. 초 단위로 안정적인 기계적 연결하며 공기압, 전류, 전기 신호의 안정적인 전송을 유지한다. 특허 받은 ‘No-Touch-Locking 시스템’은 헤드와 어댑터가 최대 2.5m 떨어져 있어도 SCHUNK 퀵-체인지 모듈을 안정적으로 교체할 수 있다. 잠금 시스템에는 셀프록킹 장치가 장착되어 교환 정확성이 0.015mm인 퀵-체인지 헤드와 퀵-체인지 어댑터 간의 안정적인 연결을 보장한다. 이는 시장의 다른 모듈과 차별화되는 부분이다. 드라이브와 공기 피드스루는 퀵-체인지 모듈 하우징에 바로 통합된다.

모듈과 변형 모델을 어플리케이션에 따라 조합할 수 있다

서로 다른 신호와 버스 모듈을 사용하여 퀵-체인지 어댑터로 신호를 전송하고 퀵-체인지 헤드를 제어할 수 있다. SCHUNK는 Profibus, Profinet, CAN, RS232 및 이더넷 TCP/IP용 모듈을 제공한다. 전기장치 인터페이스 수는 각 어플리케이션에 따라 모듈식으로 조정한다. 사양에 따라 DIP 스위치를 사용하여 최대 99.999개의 서로 다른 공구를 코딩할 수 있다. 퀵체인저 자체가 연결 또는 분리되는 신호 모듈을 제외하고, 시스템의 나머지 3면은 장착할 수 있다. 이를 위해 무엇보다 용접 어플리케이션을 위한 각각 200A/800V인 세 개의 접점이 있는 하이파워 모듈과 냉각수 흐름을 위한 셀프 실링 유체 모듈 8 x 3/8“ G 그리고 용접 플라이어 위치 결정을 위한 서보 모듈이 제공된다. 개별 모듈은 어플리케이션에 따라 선택하여 조합할 수 있다. 거친 환경에서 사용하기 위해 퀵-체인지 시스템은 견고하고 먼지에 강하며 최대 65°C의 온도에 견딜 수 있도록 제작되었다. 페이로드 1.4 ~ 4080kg에 대한 총 22가지 사이즈와 전세계에서 유일하게 2,000가지 변형 모델을 구비하여 SCHUNK의 퀵-체인지 시스템은 수많은 응용 사례를 적용이 가능하다.

48m의 XXL 갠트리의 특수한 문제

Güdel은 퀵-체인지 커플링에 대한 경험을 가지고 있다. 큰 치수의 공구, 많은 매체와 신호, 스핀들의 수냉각, 먼지 많은 환경과 같은 SSL 갠트리의 특수한 문제를 퀵-체인지 커플링으로 극복하고 있다. 바 취급에 사용하는, 모듈식 구조의 대형 리프트 그리퍼로 SCHUNK의 PHL도 마찬가지이며, 이 그리퍼는 다치형 가이드가 있어 먼지가 많은 목재 건축 환경에서도 적용 가능하다.

T홈 또는 로터리 가이드가 있는 대형 리프트 그리퍼에 비해 PHL 모듈은 동일한 공간에서 많은 성능을 달성할 수 있다. 이 모듈의 대형 스트로크는 다양한 크기의 공작물을 처리할 때에 효과적이다. 90개의 표준화된 변형 예를 갖는 프로그램을 통해 그리퍼에서 오버사이즈를 방지하고 압축공기 소비량과 에너지 소비량을 최소화하며, 어플리케이션의 소요 공간을 줄일 수 있고, 길이와 스트로크를 개별적으로 정의할 수 있다.

유연하게 조합 가능한 갠트리 로봇의 작업 구역

SCHUNK PHL 대형 리프트 그리퍼는 Erne의 먼지가 많은 환경에서도 가능하다.

생산공정을 경제적으로 만들기 위해 갠트리 로봇의 작업 공간을 3개의 구역으로 나누어 결합할 수 있다. 벽면에 파이프를 설치하는 수동 작업은 한두 개의 구역에서 로봇과 동시에 진행할 수 있다. 개별 모듈을 번거롭게 운반할 필요 없이 자동화 가능한 작업과 수동 작업을 효율적으로 조합할 수 있다. 개별 작업영역은 라이트 배리어로 모니터링 되므로 갠트리 로봇과 사람 사이에 차단막 없이 협업이 가능하다. 로봇이 작업 영역을 변경할 때에는 속도를 줄인다.

자유로운 형태의 목조 구조이든 효율적인 모듈 구조이든 귀델 갠트리 로봇을 통해 Erne는 다양한 작업을 높은 기하학적 정밀도로 그리고 경제적으로 구현할 수 있다. 작동을 개시한 이후 창조적 잠재력을 지닌 프로젝트 수가 증가하였다. 토마스 베를레에 의하면 과거에도 자동화 수준이 높아지면 회사가 성장하고 직원 수도 늘어났었다고 한다. „현시점에서 미래에 생산할 수 있는 것이 무엇인지 평가할 수 없을 정도로 새로운 공장이 제공하는 가능성은 매우 다양합니다. 게다가 모듈 구조이기 때문에 언제든 로봇을 개조하거나 확장할 수도 있습니다.“ (토마스 베를레) 이제 건축가들도 목재라는 재료의 잠재력을 새로이 평가하기 시작하였다. Erne에서 천연 재료인 목재로부터 어떤 미학적인 걸작이 탄생할 지는 관심을 갖고 지켜볼 일이다.