고정밀 제품을 제작하는 SW 더블 스핀들 머시닝 센터

외과 수술 기구는 최대한 주의를 기울여 제작하는 고정밀 제품으로 대부분 소량으로 제작된다. 한 중소기업이 이 고정밀 제품을 높은 반복 정확도만으로 제작하는 것이 아니라는 것을 잘 보여줬다. 그렇다면 고정밀 제품 제작에 무엇이 더 필요한지 알아보자.

아멜리에 크니어(Amelie Kneer): Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH 마케팅 및 커뮤니케이션 담당

핵심 내용

  • 신경외과용 일회용 기구는 많은 기계적 공정과 수작업 공정을 필요하며, 엄격한 품질 규정을 준수해야 한다.
  • 대부분의 작업 공정이 현미경 아래에서 진행된다.
  • 적절한 프로세스 체인을 구성하려면 광범위한 개발과 기계 및 특수 장비에 대한 투자가 필요하다.

SW Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH 지역 판매 매니저인 프랑크 파우쉐르트는 정밀 수술 기구는 요건이 까다롭고 경쟁이 심하다는 것을 잘 알고 있다. 그의 고객 중에는 1980년대 설립하여 초기에는 영세했지만 130여 명의 직원을 둔 중소기업으로 발전한 의료기 제조업체가 있다. 현재 이 업체는 주로 스테인리스 스틸과 같이 생체에 무해한 재료들을 절삭 가공하여, 외과용으로 사용하는 1,000여 개의 기구를 제조하고 있으며, 모든 기구를 의료 현장에 바로 사용할 수 있는 완성품으로 납품하고 있다.

이 수술 기구는 현대식 NC 제어 공작기계를 사용하고 있음에도 불구하고, 제조 공정 가운데 수작업 비율이 상당히 높은 편이다. 이 기구들은 최대 40가지 부품으로 대부분 표면 처리하여 수많은 변형 모델을 제작하며 상당 부분 수작업으로 정교하게 조립하고 있다. 또한 연속 생산 단위가 작기 때문에, 제조 시스템은 탄력적으로 장비를 교체 및 장착할 수 있어야 하고, 변형 모델의 다양성으로 인해 재고를 쌓아두거나 대량 제작을 통해 비용을 낮추는 것도 불가능하였다.

대량 프로젝트 시작

겸자: 외과용 신체 조직을 집는 가위 모양의 의료 기구

이 업체는 그동안 자체 제작을 하지 않았기 때문에, 시장 지배력이 큰 고객들에 의해 수많은 경쟁 업체들과 지속적으로 경쟁을 해야 했으며, 이는 수익성과 미래의 성장 가능성까지 제한하였다. 약 2년 전, 이 회사는 장기적인 관점에서 미래를 위해 까다로운 대량 프로젝트를 진행하기로 결정하였다. 연간 수백만 개가 필요한 겸자(외과용 신체 조직을 집는 가위 모양의 의료 기구)를 제작하기로 하였다. 겸자는 수술 과정에서 소규모 출혈을 전기 펄스로 지혈하는 일종의 알루미늄 신경외과용 일회용 기구로, 이 겸자의 양쪽에는 작은 호스가 통합되고, 수술 부위로 이 호스를 통해 세척액이 안내된다. 이 기구는 외관상 간단해 보이지만 제조 과정이 매우 까다롭고, 수많은 기계적 작업 공정과 수작업 공정이 필요하며, 엄격한 품질 규정도 준수해야 한다. 이는 대부분의 공정이 현미경 아래에서 진행되는 매우 까다로운 작업이다. 이에 적절한 프로세스 체인을 구성하려면 광범위한 개발과 기계 및 특수 장비에 대한 투자가 필요하였다. 현재는 이 작업을 위해 추가의 인력이 훈련을 받고 있으며 이들에게는 자격을 부여하고 있다.

프로세스 체인의 출발점이자 핵심은 SW의 자동화된 더블 스핀들 머시닝 센터 BA 321 이었다. 이 장비는 스핀들 당 작업 범위가 300 mm × 500 mm × 375 mm이며, HSK-A63 인터페이스를 갖춘 이 스핀들은 최대 17,500min-1에 이르고, 칩투칩 시간은 2.5초이다. 공구 교체 시스템의 개수는 2x 20에서 최대 2×60개이다. 이 장비로 고급 알루미늄 소재의 겸자를 밀링하게 된다. 이 장비에는 재료를 공급하고 밀링한 부품을 반출하기 위한 맞춤 자동화 시스템이 있으며, 이는 제한된 스펙트럼의 부품을 위한 것이지만, 기존 밀링 센터보다 높은 생산성을 달성한다.

이 새로운 머시닝 센터는 수평 방향 더블 스핀들 형태를 이용하여 3분마다 밀링한 겸자를 이루는 전반부 2개(겸자 한 쌍)를 생산하고, 자동화 시스템을 통해 무인 방식으로 24시간 제작할 수 있다. 따라서 기계는 반복 정확도와 완성된 부품의 품질을 달성하면서, 더블 스핀들 컨셉트의 생산성이 월등한 SW로 결정하였다. 또 다른 측면은 레퍼런스와 지리적으로 가깝다는 점이었다. 자동화 시스템을 공동 개발과 서비스 작업 시에도 반응 시간과 현장 출장 시간이 짧아졌다. 2017년 여름 첫 번째 연락이 제휴와 협력 관계로 이어졌고, 협업이 진행되면서 가공 프로세스 자동화 방법이 구체적으로 드러났다. 모델 BA 321을 바탕으로 특수 기계의 구상과 개발이 이루어졌으며, 재료는 세 가지 크기의 특수 압출 프로파일을 사용한다.

SW 전자동 더블 스핀들 머시닝 센터 BA 321은 3분만에 신경 외과용 기구를 제작할 수 있다.

클램핑 문제 다루기

겸자는 프로파일로 생산되고 마지막 공정에서 톱으로 분리한다. 이런 방식으로 매우 가늘고 섬세한 겸자의 클램핑 문제를 처음부터 비껴갔다. 마지막에 이루어지는 절단은 부품이 떨어지는 것을 방지하는 최소한의 잔류 버를 남기는 방식으로 이루어진다. 그렇지 않으면 섬세한 겸자 단부가 손상될 수 있다. 분리된 겸자는 특수 어댑터를 이용하여 꺼내는데 이 어댑터는 공구 매거진에서 스핀들에 장착된다. 잔류 버는 어댑터를 이용하여 겸자 부품을 잡은 상태에서 남아 있는 것을 제거한다. 이어서 겸자 절반 부들을 운반 서랍에 놓고 컨베이어 벨트로 픽업 스테이션까지 운반하여 그곳에서 다음 공정을 위해 수작업으로 선반에 올린다. “이 자동화 시스템의 공동 개발은 두 팀의 전문성 덕분에 매우 효율적으로 진행되었습니다.”(프랑크 파우쉐르트)

2017년 여름에 처음 시작하여 2018년 6월에 공동 개발과 프로젝트 계획 그리고 조립과 시험 그리고 인수가 진행되었다. 이 과정에서 필요한 공구도 제작하고 고객이 제시한 사양을 바탕으로 첫 번째 NC 프로그램을 작성하였다. 인수가 성공적으로 이루어지고 2018년 7월에 시운전을 시작하였으며, 이후 테스트가 진행되고 총 18개 제품 버전을 프로그래밍하여 급기야 2018년 11월에 실질적인 가동을 시작하였다. 2019년 3월부터는 6일 24시간 모드로 생산이 진행되고 있으며, 현재 이 장비는 최대 1주일 정도 자재 공급과 완성품 반출을 제외하고는 어떠한 개입 없이 자동으로 돌아가고 있다.

시운전 첫 주부터 작업자는 ‘라이프 스타트 업(life start up)’ 생산 지원을 통해 기계 운전을 익히고 독립적으로 작업할 수 있었다. 장비는 SW의 온라인 서비스인 ‘라이프 데이터(life data)’로 SW에 온라인 연결되어, 필수적인 기계 매개변수 nonstop을 모니터링하고 문제가 발생하면 즉시 대응하게 된다. 원격 진단으로 지원을 받으면서 이를 성공적으로 이용하고 있다. ‘라이프 헬프(life help)’도 매우 유용한 것으로 입증되었다. 문제가 발생하면 신속하고 적절한 조언이 제공되고, 필요한 경우 서비스 기사가 현장에 직접 출동한다. 이러한 서비스가 없었다면 많은 것들이 매끄럽게 진행되지 않았을 것이며 훨씬 오래 걸렸을 것이다.