미래 지향적인 생산 현장 디자인

눈을 감고 가만히 생각해 보자. 우리 회사의 생산 설비는 얼마나 유연한가, 적응 능력은 있을까? 개선의 여지가 있다면 이 글에서 미래 지향적인 방식으로 생산 현장을 디자인하는 방법이나 그에 대한 제안 그리고 그 동기를 발견하기 바란다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg)

핵심 내용

  • 연구 프로젝트 가치 흐름 키네마틱스는 수직 관절팔 로봇을 기반으로 하는 표준 키네마틱스를 통해 생산 시스템 가치 흐름 전체를 커버하는 비전을 제시한다.
  • 전체 가치 창출 체인을 몇 가지 요소로 커버하여 생산 라인을 비교적 빠르게 구성할 수 있다.
  • Kuka는 전체 라인으로 조립할 수 있는 모듈형 셀을 생산 요구 사항에 따라 모듈 방식으로 설계하여 제공한다.

산업계는 지난 몇 달간 글로벌 팬데믹 상황에서 유연성이나 적응 능력이 없으면 순발력있게 대처할 수 없다는 것을 극명하게 보여 주었다. 코로나 사태에 맞물려 긴급하게 필요했던 마스크 생산 과정에서 생산 라인을 신속하게 전환할 수 있는 회사는 거의 없었다. 요즘처럼 수요와 공급이 급변하는 상황에서는 그만큼 발 빠르게 대응할 수 있어야 한다. 그럼에도 불구하고 대부분의 산업계는 생산했던 제품 수요가 급감하면서 휑해진 공장에 고정 설치된 기계만 그냥 바라만 보고 있었을 뿐이다. 기업은 이제 코로나 팬데믹과 같은 극단적인 상황과 변화하는 시장의 요건이 실존적 공포를 불러일으키거나 파산의 문턱까지 몰고 가서는 안 된다. 이에 대한 바람직한 시나리오는 변화를 두려워하지 않고 변화에 신속하게 대응하는 것이다. 그렇다면 이상적인 시나리오는 어떻게 실현할 수 있을까? KIT의 wbk 생산 기술 연구소는 파트너인 Grob과 Siemens와 함께 연구 프로젝트 가치 흐름 키네마틱스를 통해 경직된 생산 라인을 파헤칠 것을 제안하였다. 이는 대담하고 파격적이기는 하지만 예상치 못한 변화에 빠르게 대응하고자 하는 기업들을 위한 올바른 대안이 되고 있다.

유연한 생산 시스템으로 개별 기계에서 벗어날 수 있으며, 커플링과 디커플링을 사용하여 생산성을 높일 수 있다.

레고처럼 단순한 생산 레이아웃

가치 흐름 키네마틱스는 미래 지향적인 생산을 위한 하나의 개념이다. 이 비전은 수직 관절팔 로봇을 기반으로 통일된 표준 키네마틱스를 통해 생산 시스템의 전체 가치 흐름을 커버하는 방법을 설명한다. 영점 클램핑 시스템 그리드가 생산 레이아웃을 빠르고 간단하게 변경할 수 있도록 지원한다. 이 시스템 그리드는 전체 생산 영역에 걸쳐 확장되고, 지정된 클램핑 위치로 신속하게 표준 키네마틱스를 재배치할 수 있게 한다. 이는 큰 힘을 들이지 않고 원하는 대로 블록을 다시 쌓을 수 있는 레고와 유사한 개념이다.

엔지니어링 플랫폼은 생산 시스템의 계획과 시운전 시간을 크게 단축하는 데 도움이 된다. 출발점은 최종 제품의 CAD 모델이다. 3D 모델에서 제품 특성과 생산에 필요한 생산 프로세스를 도출한다. 이러한 생산 시나리오는 아직은 먼 미래의 이야기다. 현재 업계에서의 생산은 대부분 고도로 전문화된 기계에서 이루어진다. 하지만 기존의 주문이 변경되면 상당한 시간을 들여 기계를 다시 셋업해야 한다. 주문 수량에 따라 생산 용량도 문제가 제기된다. 자동차 산업에 속한 대기업들도 상황이 비슷하다. 이들도 수요 변동에 대처할 능력이 거의 없는 경우가 많다. “이러한 지점에서 가치 흐름 키네마틱스가 작동해야 합니다.”(공학박사 위르겐 플라이셔 교수, wbk 생산 기술 연구소 기계, 시스템, 프로세스 자동화 연구소장)

이런 부분은 미래에도 크게 변화하지 않을 것이기 때문에, 로봇팔 말단에 부착되는 엔드 이펙터로 작업을 하는 로봇 키네마틱스의 기능이 증가하고 있다. 다른 제품을 생산하기 위해 엔드 이펙터는 컴퓨터에서 소프트웨어 차원으로 직접 프로그래밍하고 최단 시간에 구성을 변경할 수 있다. 종래의 로봇이 주로 핸들링 작업에 제한되어 있다면, 범용 키네마틱스로는 가공 프로세스뿐만 아니라 품질과 조립 프로세스도 구현할 수 있으며, 몇 가지 요소로 전체 가치 창출 체인을 커버하고 생산 라인을 빠르게 구성할 수 있다.

생산 레이아웃의 간단하고 빠른 변경은 영점 클램핑 시스템 그리드에 의해 지원된다.

범용 기계를 개별 모듈로 분해하기

“새로운 아이디어는 일종의 범용 키트입니다. 이론상으로 이러한 로봇 키네마틱스로 많은 수량을 생산한다면 원가가 내려가기 때문에 모든 기업들에게 규모에 상관없이 흥미로운 솔루션이 됩니다.”(위르겐 플라이셔) 이때 로봇 키네마틱스는 필요한 만큼 사용해야 한다. 대량의 주문이 들어오는 경우, 건설 기계를 임대하는 것처럼 많은 로봇 키네마틱스를 임대할 수 있다. “이 부분에서 완전히 새로운 비즈니스 모델이 탄생하고, 생산 활동은 키네마틱스 임대 서비스로 직결될 수 있습니다. 비용 압박으로 필요 없는 많은 수량을 생산할 필요가 없기 때문에, 빠르게 변화하는 요구 사항에 대응하고 더욱 신속해야 합니다.”(위르겐 플라이셔)

예를 들어, 마스크가 부족한 경우에 엔지니어링 플랫폼을 지원받아 범용 키네마틱스로 마스크 생산 라인을 구성할 수 있습니다. 엔지니어링 서비스 제공 업체가 프로그램을 제작하면, 소규모 업체들은 이 데이터 세트를 다운로드해 자신들의 공장에서 마스크를 생산할 수 있다. 3D 프린팅을 고려해 보자. 가공품 CAD 모델에서 프린팅 프로그램을 작성하고, 이 프로그램이 프린터에 업로드하면 같은 부품을 대량으로 생산할 수 있다. 따라서 가치 흐름 키네마틱스는 개별 부품이 아니라 복잡한 제품을 다룰 수 있다는 점이 다르다.

공학박사 위르겐 플라이셔, wbk 생산 기술 연구소의 기계, 시스템 및 프로세스 자동화 연구소장

“프로그래밍 서비스를 구현할 수 없거나 직접 다룰 수 없는 회사들도 자사 로봇 키네마틱스로 제품을 생산하고 모든 준비 작업과 계획을 구매할 수 있습니다.” 위르겐 플라이셔 연구 팀은 드릴 커터, 밀링 커터, 용접 응용 프로그램 등 로봇 키네마틱스를 위해 생각할 수 있는 모든 도구를 제공하는 일종의 커뮤니티를 앱 스토어 같은 곳에서 대여하거나 구매하고 있다.

“큰 유연성이 생기고, 새로운 비즈니스 모델이 탄생합니다. 이는 가구 공방이나 일반적인 수공업 공장 등 어디서든 적용할 수 있습니다.”(위르겐 플라이셔) 예를 들어 난간을 용접하는 경우, 두 개의 엔드 이펙터가 장치를 붙잡고 세 번째 엔드 이펙터가 용접을 진행하면 된다. 이는 시간을 절약하면서 정밀도를 높일 수 있다.

“우리는 자체 생산 설비가 유연하지 않다는 점을 잘 알고 있습니다. 기계를 구입한 이후 30년 동안 같은 자리에 고정적으로 배치되어 있습니다. 이제는 가치 흐름에 따라 적합한 방식으로 일련의 기계를 적절히 재배치할 수 있어야 합니다.” 위르겐 플라이셔는 생산 활동에서 개별 생산을 계속 전문화하고 생산량을 통해 특수 기계의 투자금을 회수하는 업체는 대량 시리즈인 경우에 특수 기계를 선택하는 편이 유리하다고 한다.

“모델 다양성이 증가하면서 각 세그먼트를 개별적으로 설계하고 시리즈 생산 개수가 감소하는 중소형 시리즈를 다루고 있습니다. 이러한 서비스 개념과 차별화를 통해 비용이 아니라 시간적 측면에서 경쟁 우위를 확보할 수 있었습니다.”(위르겐 플라이셔)

최근 과학자들은 연구 프로젝트를 소개하고, 기업들과 함께 세부적으로 연구하기 시작했다. “생산할 수 있는 모든 것을 로봇 키네마틱스로 대신할 수 있다는 인상을 주어서는 안되지만, 오늘날 로봇 키네마틱스를 통해 실현할 수 있는 작업들이 많이 있습니다.”(위르겐 플라이셔) 예를 들어 자동차 산업에서 특수 가공은 고정밀 기계의 영역으로 계속 남을 것이다. 하지만 공차가 마이크로미터 단위가 아니라 1/100 또는 1/1000 밀리미터 단위인 곳에서는 가치 흐름 키네마틱스를 우선적으로 적용할 수 있다.

연구원들은 전기 자전거 제조 공정을 범용 키네마틱스를 병렬로 연결할 수 있다는 점을 입증하였다. 연구원들은 베어링을 넣을 때에 개별 키네마틱스로 가할 수 없는 힘에 도달하기 위해 두 개의 키네마틱스를 연결하였다. 키네마틱스를 병렬로 연결하여 힘과 부분적으로는 공작 기계급의 정밀도로 높일 수 있었다. 이는 기술적으로는 두 키네마틱스의 강성이 더해질 수 있다는 것을 의미한다.

“엔지니어링 플랫폼과 결합된 로봇 키네마틱스가 무엇을 할 수 있는지는 시간이 지나야 알 수 있다. 하지만 위르겐 플라이셔는 엔지니어링 플랫폼의 디지털 수준에서 많은 일이 일어날 수 있음을 확신한다. “인더스트리 4.0이 제공하는 자유도는 소량 생산에서 생산성을 극대화할 수 있습니다. 컴퓨터에서 일어나는 일을 생산 현장에 적용할 수 있습니다. 이를 위해 인더스트리 4.0이 실제적인 효과를 발휘할 수 있도록 생산 하드웨어를 유연하게 만들어야 합니다.”

더욱 유연해지기 위한 확실한 변화

크리스티안 리지키, GROB 절삭 시스템 비즈니스 유닛 매니저

wbk가 컨셉트 개발을 담당하고 Siemens가 소프트웨어와 자동화 및 제어를 맡아 기계 제조업체인 GROB이 프로젝트를 구현했다. 전통적으로 자동차 산업에 뿌리를 두고 있는 GROB은 40년 이상 제조업체에 기계 및 자동화 솔루션을 판매해 왔다. 경쟁이 치열한 이 산업에서 우위를 차지하려면 무엇보다 유연성과 적응 능력이 일상화되어야 한다. “지난 20년을 돌이켜 보면 GROB은 매우 경직되어 있었고 적용 범위가 한두 개의 공작물에 제한되어 있었습니다. 이제 유연성을 확보하기 위해서는 변화해야 합니다. 특히 모델의 다양성이 증가하고 생산량 측면에서 가변적인 생산라인의 레이아웃이 필요합니다.”(크리스티안 리지키, GROB의 절삭 시스템 비즈니스 유닛 매니저)

지난 몇 년간 공작기계도 상당히 유연해졌기 때문에 기계 제조업체는 머시닝 센터를 연결된 시스템으로 판매하고 있다. 운반 라인은 여전히 ​​존재하지만 특별한 용도로 사용한다. GROB이 목격한 두 번째 변화로는 유형별 생산 개수가 감소하고 OEM 업체들이 1차 벤더로 내연 기관용 핵심 부품의 외주를 늘렸을 때에 발생했다. 결과적으로 소규모 시스템에 대한 문의가 확실히 많아졌다. ” 우리는 15년 전에 머시닝 센터 분야에서 이러한 문제를 인지하여 생산라인을 G-모듈로 변경하였습니다.”(크리스티안 리지키).머시닝 센터는 바뀐 공작물에 맞게 셋업을 변경하였으나 업 스트림과 다운스트림 자동화 스테이션의 상황은 달랐다. 여기서도 원하는 유연성을 달성하기 위해 가치 흐름 키네마틱스가 적용된다.

“한 프로젝트에서 한 가지 유형의 공작물에 30대 이상의 공작 기계를 투자하던 시대는 지나갔습니다. 현재 기계에 대한 투자 규모가 5대~10대 미만으로 줄어드는 것을 경험하고 있습니다.”(크리스티안 리지키). 자동화는 기계의 크기에 관계없이 복잡한 작업이지만 기계의 목적이 변경되면 달리 활용할 수 있는 방법이 없다. 이 지점에서 가치 흐름 키네마틱스를 적용하여 생산을 둘러싼 자동화를 더욱 쉽게 만들고자 한다. “우리의 비전은 고객이 자신의 공작물과 가공 프로세스를 이해하고, 로봇 키네마틱스를 선택 배치하여 모션 시퀀스(동작 순서)를 프로그래밍(프로그램 편성) 할 수 있도록 소프트웨어를 지원하는 것입니다.”(크리스티안 리지키). 이런 방식은 로봇 지식이 크게 필요하지 않기 때문에 자동화에 익숙하지 않았던 산업의 진입 장벽이 낮아지고 있다. 또한 GROB은 자동 로딩에 대한 수요가 높아, 이전에 수동으로 기계를 로딩하던 소규모 업체를 위해 로봇 셀을 개발했다. “고객들의 문의가 많아졌습니다, 현재 생각하고 있는 것은 로봇 셀에 자재를 공급하는 AGV(무인 운송 시스템)입니다.” GROB은 이 시스템을 내부적으로 구현하여, 자체의 조립 작업에 무인 운반 차량을 적용하였다. 가치 흐름 키네마틱스는 GROB에게도 매우 흥미로운 작업이었으며, AGV를 사내 전기 모터의 프로토 타입 생산에 적용하고 있다. “반복적인 공정들이 있어 키네마틱스를 대대적으로 설정하지 않아도 됩니다.”(크리스티안 리지키).

개별화에서 모듈화로

Kuka도 자동화를 통해 유연성을 달성하였다. 자동차 산업에서 용접 기술로 크게 성장한 Kuka는 지난 수년 동안 시장의 요구 사항에 적응해 왔다. Kuka Deutschland GmbH의 영업 관리이사인 바이트 뮐러는 Kuka 제품 포트폴리오에서 로봇만큼 비중을 차지하는 유연한 기술 셀에 대해 설명했다. “우리는 고객에 특화된 기술 셀을 설계하고 개발하여 개별적으로 엔지니어링했습니다. 시장이 진화하면서 고객들도 자체 표준을 개발하기 시작했습니다. 우리는 이를 따라잡기 위해 그리고 고객의 요청에 신속하게 대응하기 위해 유연성을 더욱 높여야 했습니다.” Kuka는 이를 위해 모든 셀을 매번 새로 설계하는 방식을 과감하게 버렸다. 경쟁력을 유지하고 고객과 간격을 좁히기 위해 기존 구조와 자체 표준을 많이 이용하였다. 최근 몇 년 동안 셀 사용자가 작업에 따라 자신의 셀을 설계할 수 있는 기술 번들을 개발하였다.

Kuka cell4_cleaner / primer 셀은 다양한 자동화 옵션을 갖춘 모듈덕분에 1차 벤더 고객을 위한 맞춤형 솔루션으로 쉽게 구성할 수 있다.

동일한 부품을 사용하면 더 저렴해진다

“모듈화는 셀의 디자인뿐만 아니라 셀 개념과도 관련이 있습니다. 우리는 각각의 생산 요건에 따라 모듈 방식으로 유연하게 셀을 조립하여 전체 생산라인을 만들었습니다.” 이른바 기술 패키지를 사용하면 플랫폼과 운전 개념 및 안전 개념은 동일하게 유지하면서 새로운 셀을 구축할 수 있다. 고객의 입장에서도 부품이 동일하면 작업이 빨라지고 더욱 저렴해질 수 있다. “모듈식 구조 덕분에 부품 재고 관리가 훨씬 수월해졌고 연중무휴 서비스를 제공할 수 있습니다.” 시각화와 제어 및 디지털화를 통해 셀에서 가능한 효과적이고 빠르게 생산을 변경함으로써, 자동차 산업의 짧아지는 사이클과 빨라지는 생산 변화를 고려했다. 셋업 변경으로 인한 시간적인 손실을 최소화하고 적은 생산량도 경제적으로 생산할 수 있게 되었다. 이런 점은 더 넓은 범위에서 유연하고 경제적으로 생산하려는 중견 기업에게도 흥미를 끌고 있다.

자동차 산업에서 생산 설비 가동률의 변동은 매우 흔한 일이기 때문에 공급업체는 ±20%를 감당할 수 있어야 한다. 즉, 자동차 제조사의 요구 사항에 따라 최대 40%의 가동률 변동을 보상해야 한다. 특히 프로젝트의 시작 단계에서는 시간의 경과에 따라 생산 수치가 증가하게 된다. 바로 이런 경우에 모듈화가 실력을 발휘할 수 있다. “기계 수명에 걸쳐 일정한 용량으로 가동될 수 없는 시스템에 투자하면, 장비가 효과적으로 사용할 수 없으며 비어 있는 시간이 늘어납니다.” Kuka는 이럴 경우 고객과 함께 솔루션을 찾는다. “우리는 초기 시작 단계의 생산 수량에 적합한 라인으로 시작할 것을 제안합니다. 생산이 실제로 상향 곡선을 그릴 때에 시스템 컨셉트를 통해 적절한 모듈을 확장할 수 있습니다.” 이는 고객이 처음에 큰 초기 투자를 하지 않고 시스템을 효과적으로 사용할 수 있으며 프로젝트 사전 자금 조달에 있어서도 유리하다는 의미이다.

숙련 인력 부족을 대비한 기술 셀

기술 셀은 자동차 산업에서 생산 증가로 이어질 뿐만 아니라 중소기업의 효율성과 생산 신뢰성을 향상시킨다. “중소기업의 숙련 인력이 부족한 지점에서 기술 셀로 성공할 수 있습니다. 한 예로, 성장하면서 생산을 늘리는 한 회사에서 용접 인력이 부족했습니다. 하지만 인력 한계로 인해 생산 자동화 아이디어가 대두되었고, 표준 셀을 기반으로 한 컨셉트를 개발한 후 용접용 로봇 셀에 투자하였고, 자동 용접 프로세스를 사용하여 생산성과 품질 일관성도 크게 높일 수 있었습니다.”

Kuka는 셀 포트폴리오를 통해 점점 많은 중소기업에 접근할 수 있었다. “우리의 장점은 분명히 자체 공정 개발에 있습니다. 또한 로봇, 셀, 주변 장치 및 프로세스 노하우 등 모든 것을 원스톱으로 제공하고 있습니다. 이는 납품업체가 단일화되기 때문에 소규모 회사에 특히 중요합니다.”

미래의 제조

한눈에 보는 가치 흐름 키네마틱스

• 범용 키네마틱스: 표준화된 범용 관절 팔 키네마틱스를 통한 기술 유연성

• 키네마틱스 연결: 힘과 강성 증대

• 협력 키네마틱스: 엔드 이펙터의 키네마틱스 간 전송을 통해 도달 거리 증가

• 디지털 프로세스 체인: 연속적인 디지털 플랫폼에서 직관적 구성 프로그래밍

• 재구성 가능성: 영점 클램핑 시스템을 통해 간단하게 재 포지셔닝