프로세스 시간과 필요 공간을 절반으로 줄이는 생산 솔루션

2대의 Heckert 5축 수평 머시닝 센터가 절차가 복잡한 유성 기어 캐리어를 제작한다. 자동화된 팔레트 핸들링과 그리퍼 핸들링 그리고 공구 핸들링과 개별 가공 단계의 스마트한 구성이 짧은 프로세스 시간과 처리 시간을 보장하며, 셋업 시간도 큰 문제가 되지 않는다.

볼프강 조셀(Wolfgang Zosel): 자유 기고가

핵심 내용

  • 자동화된 팔레트 핸들링과 그리퍼 핸들링 그리고 공구 핸들링 및 개별 가공 단계의 스마트한 구성이 짧은 프로세스 시간 및 처리 시간을 보장한다.
  • Voith는 이 시스템으로 생산성을 높이고, 개당 생산단가, 공구 비용 및 장치 비용은 낮춰 필요 공간을 절감하고 있다.
  • 이렇게 높은 밀도의 프로세스 통합을 제공하는 생산 솔루션은 아직 시장에 없다.

자동화된 수동 변속기는 파워 변환을 위한 장치이다. 이 장치는 서로 맞물려서 힘과 토크를 전달하는 수많은 부품으로 구성되고, 유형이 매우 다양하여, 자동차 제조업체들은 가벼운 무게 외에 최고의 성능과 견고성을 필요로 하며, 최종적으로 변속기는 정숙성과 경미한 마찰 손실을 설득해야 한다.

기어 생산자는 변화하는 생산 개수에 대응하여 다양한 유형의 제품들을 제시간에 자동차 회사의 조립 라인에 공급할 수 있어야 한다. 이를 위해 생산 시스템과 생산 프로세스 그리고 물류 등 까다로운 요건들을 충족해야 한다. 2018년에 변속기 제조사 Voith는 유성 기어 캐리어 자동화 생산을 위한 시스템 제작을 입찰하였다.

로봇이 공작물에 맞게 스스로 필요한 그리퍼를 장착한다. 이 과정에서 특수 어태치먼트를 사용하여 장치를 신속히 교체한다.

변이가 다양한 부품을 유연하게 생산하다

사용자 규격서에 명시된 Voith의 요구 사항은 상당히 까다로웠다. 연간 수 천 개의 부품을 생산하는 과정에서 변이가 다양한 여러 부품을 유연한 방식으로, 그것도 단 2번의 클램핑 위치에서 제조할 수 있어야 했다. 언뜻 보기에도 완전히 비현실적이었으며, 통상적인 기술로는 실현하기 어려운 과제였다. “하지만 우리는 우수한 엔지니어링 노하우와 개발자 정신 그리고 Voith와의 긴밀한 협력으로 이 까다로운 프로젝트를 수행했습니다.”(마티아스 귄델, Starrag 수석 프로젝트 엔지니어)

사용자 요구서의 사양은 대부분 다양한 방식으로 구현될 수 있었지만, 모든 솔루션이 최종적으로 생산적이거나 효율적인 것은 아니었다. 바로 이 지점에서 창의적인 엔지니어링 지식과 수십 년의 기술 및 프로세스 경험이 필요했다. Heckert는 운송 산업, 풍력 에너지 또는 정밀 기계 엔지니어링 응용 분야에 필요한 입방체 공작물 가공에 선도적인 장비였다. Starrag의 설계자와 엔지니어는 SAV의 자동화 전문가들과 함께 이 독창적인 생산 시스템 개발에 매진하였다. “머시닝 센터 Heckert T45는 선삭, 밀링 및 드릴링 등 요건을 충족하였지만, 스마트한 프로세스 처리와 셋업을 위한 자동화 그리고 시간을 절감하는 솔루션을 개발하는 것이 특별한 도전 과제였습니다.”(마티아스 귄델)

Heckert T45는 메인 생산 시간과 동시에 장비가 장착되고 11.7초 이내에 새로운 공작물과 함께 스핀들을 제공한다. 또한 이 기계는 필요한 경우 가공 중에 클램핑 압력을 조정할 수 있다.

자동화된 핸들링 솔루션, 물류 솔루션 그리고 생산 솔루션

사실, 계획과 구현 과장에서 모든 관련자들이 배우는 자세로 임했다. “완전 자동화된 공구 교체 장착과 생산 단계를 고밀도로 통합하는 것이 이 시스템의 독특한 구성이었습니다. 이는 생산 시스템을 구상 단계에서 제조 설비에 설치하기까지 모든 관련자들의 긴밀한 협력을 통해 가능했습니다.”(프리드리히 오버랜더, Voith 생산 기술 디렉터) 자동화된 핸들링 솔루션, 물류 솔루션, 생산 솔루션은 기본적으로 콤팩트한 5축 수평 머시닝 센터 Heckert T45 두 대와 연결하여 로봇 셀로 구성하였다. 로봇이 자동화된 가공 시스템 전체를 관여하여, 공작물을 점검하고, 경우에 따라 두 머시닝 센터를 로드하고 언로드하여, 두 머시닝 센터는 동일한 유형을 처리하기도 하고, 각기 다른 유형을 처리할 수도 있다.

로봇이 필요한 각각의 그리퍼와 유형별 팔레트를 독립적으로 생산 사이클과 동시적으로 준비하기 때문에, 짧은 프로세스 시간과 처리 시간은 영향을 받지 않는다. 운전자가 HMI를 통해 새로운 시리즈를 승인하면, 로봇은 8초 이내에 전체 장비를 교체한다. 필요한 그리퍼와 팔레트 어플리케이션은 사전 조립되어, 로봇 셀의 보관 시스템에서 픽업할 준비가 되어 있다.

 “우리는 이 생산 솔루션으로 기존의 프로세스 시간을 절반으로 줄였습니다! 시스템이 각각 10분 이내에 한 쪽에서 공작물을 가공하여 재클램핑하고, 다른 쪽에서 가공하는 동안 로봇은 그다음 공작물을 준비합니다.” 필수 부품을 프로그래밍하고 최종적으로 시스템을 작동시킨 응용 엔지니어인 니코 래멜이 자랑스럽게 강조하였다.

기존의 제조 프로세스와 달리 기계에서 기계로 변경할 필요가 없기 때문에, 재클램핑, 클램핑 장치 설치, 공구 및 부품 세척이 필요 없어 전체 처리 시간이 크게 단축되었다. 이 생산 솔루션은 최적의 부품 흐름을 제공하고 WIP(Work in Process) 재고가 적어, 부품의 중간 보관을 위해 비워야 하는 공간도 필요하지 않다. “우리는 한 시리즈의 부품 생산이 프로세스 조직과 물류에 따라 조립 준비가 완료될 때까지 오랜 시간이 걸린다는 것을 잘 알고 있습니다. 이제 새 시스템으로 인해 훨씬 빨라졌습니다.”(니코 래멜)

병진 캐리지의 이 막연해 보이는 셋팅으로 생산 프로세스에서 다섯 가지 블랭크를 안전하고 정확하게 수용한다.

연간 부품 50,000개 생산 시 프로세스 시간이 절반으로 단축되다

기존의 생산 공정과 Starrag의 새로운 통합 제조 공정을 직접 비교하면, 사용자가 추가적인 이점을 얼마나 누릴 수 있는지 알 수 있다. “연간 50,000개의 부품을 생산한다고 가정하면 이 시스템으로 공정 시간을 절반으로 단축할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 응용 사례에 따라 면적 당 생산성을 최대 2.5배까지 높일 수 있고, 공구 비용은 1/4로 줄여, 장치 비용은 50% 낮출 수 있습니다.”(크리스티안 퀸즈, 마케팅 매니저)

실제 가공 공정을 자세히 살펴보면 이 제조 솔루션이 최고의 정밀도와 신뢰성을 나타내는 이유를 알 수 있다. 일단 공작물이 클램핑되면 가장 적합하게 조율된 황삭, 정삭, 선삭, 스핀들, 밀링, 드릴링 등 작업 순서가 빠른 시동 속도와 제동을 시작한다. 매거진은 광범위한 작업을 위해 60개의 공구를 제공하며, 공구 교체가 필요 없는 다양한 선삭 공구가 적용된 멀티 툴이 탑재되어 있어, 그 가운데 일부는 1초 이내에 내부 가공에서 외부 가공으로 변경할 수 있다. Heckert T45는 모든 가공 작업을 처리하며, 초고정밀을 상징한다. 핵심 요소는 최대 속도 900min-1인 고성능 터닝 테이블로, 기존 프로세스의 다수의 선반을 대체할 수 있다. Starrag은 공구 홀더 HSK T100과 축 5개를 장착하여 유압 클램핑과 밀 선삭을 결합한 수평 머시닝 센터를 제공한다. 통합 프로세스 시퀀스는 Starrag이 까다로운 요건을 혁신적 솔루션으로 어떻게 전환하는지를 잘 보여준다. Voith는 첫 번째 시연에서 시스템의 효율성과 성능 및 속도에 깊은 인상을 받았다. 혁신적인 이 생산 솔루션은 일반적인 선삭 부품을 선반에서만 제조할 필요가 없다는 증거를 제시한다.

“이 시스템은 비생산적인 셋업 시간이 머시닝 센터의 생산 시간과 동시적으로 작동하여 처리 시간을 크게 단축시킨다는 장점이 있습니다. 우리는 다양한 공작물을 최적화되고 유연한 컨셉트를 통해 여러 변형으로 제작하고, 고객의 요구 사항에 바로 대응할 수 있습니다.”(프리드리히 오버랜더)