전기 모터를 짧은 사이클로 건식 클리닝하기

복잡한 전기 어셈블리를 조립할 경우 오염을 피할 수 없다. 한 유명한 자동차 부품 업체의 건식 클리닝 솔루션은 오염 입자가 파워 스티어링 시스템 사용 중에 오작동을 일으키는 것을 방지한다. 이 시스템은 고도로 자동화된 프로세스로 인해 사이클이 상당히 짧다.

도리스 슐츠(Doris Schulz): 자유 기고가

핵심 내용

  • 한 자동차 부품 업체의 응용 사례 별 건식 클리닝 솔루션은 오염 입자로 인한 파워 스티어링 시스템의 기능 장애에 대응한다.
  • 이 자동화 솔루션은 두 개의 처리 스테이션과 더블 그리퍼 방식의 매니퓰레이터를 갖추고 있어 짧은 사이클로 높은 수준의 청정도를 보장한다.

최근에 출시되는 자동차는 하이브리드 모터와 순수 전기 모터 또는 최적화된 내연 기관 등 보다 에너지 효율적인 구동 장치를 사용하며, 주행 보조 장치, 차선 이탈 경고 시스템, 고속도로 파일럿, 자동 회피 그리고 자율 주행에 이르기까지 다양한 운전자 보조 시스템이 탑재되고 있다. 이러한 시스템을 제어하고 수행하는 관련 부품들은 최대한의 안전과 신뢰성을 보장해야 한다. 파워 스티어링의 전기 모터도 여기에 속하며, 시스템 제조사들은 이러한 전기 모터를 지속적으로 개선하고 새로운 요건에 맞게 조정하고 있다.

이때 관련 부품뿐만 아니라 조립 라인의 기술적 청정도에도 엄격한 기준이 요구된다. 종종 조립 공정 중에 오염 입자가 형성되는데, 여기에서 중요한 것은 모터가 작동하는 동안 금속 입자만 전기 모터의 성능을 손상시키고 단락을 유발하는 것은 있는 것이 아니라는 것이다. 습기를 품은 비금속 불순물이나 섬유도 전기 전도성을 띨 수 있기 때문이다.

전기 모터의 건식 클리닝을 위한 프로세스와 시스템 설계는 사용할 도구에 대한 흐름 시뮬레이션과 깨끗한 입자의 안정적인 배출을 포함한 광범위한 테스트 설정을 기반으로 한다.

최종 검사 결과 청결도에 결함이 있었다

잘 알려진 한 자동차 부품 업체의 최종 검사에서 조립 라인에 통합된 기존의 건식 클리닝 시스템이 요구되는 청정도 기준을 충족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 프로젝트 관리자는 Ecoclean GmbH로 눈을 돌렸다. Ecoclean GmbH는 압축 공기와 진공 기술을 이용한 건식 클리닝에 대한 광범위한 노하우를 가지고 있으며, 전기 이동성의 여러 사례를 통해 연구 개발을 진행하고 있다.

클리닝 작업은 기존에 있던 프로그램이 아니기 때문에 적절한 테스트 설정을 통해 프로세스를 설계하고, 사용할 도구는 흐름 시뮬레이션을 통해 개발하였다. 이를 통해 클리닝이 최대 매체 효율로 이루어지고, 다른 한편으로 분리된 입자가 챔버 밖으로 안정적으로 제거되도록 하였다. 또한 세정 매체와 접촉할 때 입자 크기가 작을수록 표면에서 자발적으로 분리될 가능성이 낮다는 점을 고려해야 했다. 시뮬레이션을 통해 7개의 서로 다른 엔진과 버전의 각 형상에 맞게 노즐 개구부를 조정하고, 이를 통해 가장 적합하게 적용하고 가장 적은 비용으로 최상의 클리닝 효과를 보장하도록 하였다. 또한 노즐 시스템은 3D 프린팅으로 제조하였다.

실제 클리닝 테스트를 위해 에멀젼을 함유한 표준 입자를 복잡한 전기 어셈블리에 적용하고, 오븐에서 약 1시간 동안 건조하여 먼지가 표면에 강하게 부착되도록 했다. 이어진 클리닝 프로세스는 첫 번째 테스트에서 정의된 청정도 사양보다 훨씬 더 좋은 결과를 얻었다.

건식 클리닝 시스템에는 두 개의 매니퓰레이터가 장착되어 있어 부품을 취급할 때 오염된 작업물과 클리닝된 작업물을 일관되게 분리하고 재오염을 방지한다.

짧은 사이클 시간에 공정 상 안전한 자동 클리닝

개발한 프로세스를 시스템으로 전환할 경우, 작업물당 7.8초 만에 클리닝이 이루어져야 한다는 점을 고려해야 했다. Ecoclean은 처리 스테이션 2개와 더블 그리퍼 방식의 매니퓰레이터 2개를 갖춘 고도로 자동화된 시스템으로 이 요건을 해결했다. 각 전기 모터에 적합한 노즐 시스템은 공구 선반에 배치하고, 어떤 도구를 사용해야 하는지에 대한 정보는 각 전기 모터에 부착된 RFID 칩을 통해 매니퓰레이터에 제공하며, 이 칩은 클리닝 시스템에 공급될 때에 조회되도록 하였다. 공구 교체는 퀵 체인지 시스템을 통해 이루어지며, 첫 번째 매니퓰레이터는 부품을 시스템으로 운반하는 공작물 캐리어에서 부품 2개를 꺼내어 첫 번째 스테이션에 배치하였다. 또한 깊은 보어 홀은 지속적으로 모니터링되는 니들 노즐을 이용하여 에어로 불어낸다. 정의된 클리닝 시간이 지나면 매니퓰레이터 1은 부품을 처리 스테이션 2에 놓고, 원위치로 이동하여 두 개의 새로운 부품을 가져온다.

블로우 박스로 설계된 스테이션 2에서 형상에 따라 개조된 노즐 시스템으로 전기 모터에 에어를 불어 청소한다. 이때 블로우 나이프가 회전하여 흐름이 약한 데드 존이 발생하지 않도록 한다. 이 프로세스는 가능한 가장 낮은 네트워크 압력으로 진행되며, 클리닝 시간이 지나면 부품은 매니퓰레이터 2에 의해 제거되고 공작물을 캐리어에 다시 놓인다.

여기에서 일관되게 우수한 클리닝 결과를 얻으려면 오염 물질을 확실하게 제거하는 것 외에도 오염 물질이 주변 환경으로 이탈하지 않도록 하는 것이 중요하다. 이는 블로우 박스 밀폐로 처리할 수 있다. 제거된 입자는 특수 설계한 벽으로 인해 흡입 시스템에 의해 지속적으로 배출된다. 이를 위해 사용되는 공기는 여과되어 다시 생산실로 배출된다. 재오염 위험이 있는 공작물 캐리어에 입자가 유입될 수 있으므로 관련 부품이 스테이션 1과 2에 있는 동안 별도의 블로우 성형 프로세스를 통해 클리닝된다. 이때 전기 모터의 경우와 동일한 입자 크기 사양을 충족해야 한다.

건식 클리닝은 가능한 가장 낮은 네트워크 압력에서 정화된 압축 공기로 수행된다.

프로세스 데이터 전송으로 MES에 연결

이 시스템에는 MES(Manufacturing Execution System, 제조 실행 시스템)에 통합된 새로 개발한 Industry 4.0 호환 컨트롤이 장착되었다. 고객이 요구하는 클리닝 추적성을 달성하기 위해 공정 압력과 같은 공정 매개변수가 두 스테이션에서 지속적으로 모니터링되고 데이터가 MES로 전달된다. 클리닝 공정을 관련 부품에 맞게 최적으로 조정하여 테스트에서 얻은 우수한 클리닝 결과는 장기간에 걸쳐 연속 생산에서 달성된다. 현재 이 회사는 두 개의 다른 생산 현장에서 이 시스템 가운데 세 개를 운용하고 있다.