절삭 공정의 최적화

절삭 공정을 효율적으로 만들기 위해 제조 설비 전체를 바꾸거나 네트워크화할 필요는 없다. 공작기계를 오버홀할 필요도 없으며, 작은 조정으로 광범위한 효과를 달성할 수 있다. 다음 개요에서 빠르게 시작할 수 있는 솔루션들을 소개한다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg)

핵심 내용

  • 작은 단계로 절삭을 보다 효율적으로 만들 수 있는 접근 방법들:
  • 공구 관리 / 공구 모니터링 / 지능형 공구 / 스마트 공구 홀더 / 디지털 솔루션

제조 효율성 문제에서 혁신적 기술 외에 디지털화도 중요한 역할을 한다. 대기업들은 이미 디지털 전환의 한 가운데에 있지만, 중소기업들은 방법론에 직면하여 압도당하고 있는 경우가 많다. 디지털 선구자들은 이미 멀리 내다보고, 오래전부터 자사 기계를 네트워크로 연결하고 있다. 이들은 중요한 데이터를 모아서 평가하고 이를 작업에 반영한다. 요약하면, 전체 제조 과정에 대한 통제력을 갖고 있다. 이런 식으로 모든 빅 플레이어들이 자사 제조에서 추구하는 바가 반드시 모든 업체에 공통으로 적합한 것은 아니다. 직원 10명을 둔 중소기업의 요건이 대형 부품 업체의 요건과 근본적으로 다르기 때문이다. 하지만 직원 수나 수주의 많고 적음에 관계없이 중소기업이든 대기업이든 반드시 유지해야 하는 것은 바로 전체적인 통제력이다. 이를 위해 어떤 제조 절차에나 빠르고 간단하게 통합할 수 있는 수많은 솔루션들이 이미 시장에 출시되어 있다.

인덱스 다축 기계의 공구 홀더는 가공 프로세스 중 공구 상태에 대한 정보를 사용자에게 제공한다.

공구 관리

전체적인 통제력을 확보하려면 공구 관리가 중요하다. 언뜻 듣기에는 뻔한 소리 같지만, 우선 공구가 어디에 있는지 알아야 한다. 한두 명의 숙련 인력이 기계를 운전하는 작은 기업일수록 더욱 그러하다. 공구를 찾지 못하면 기계가 정지할 수 있다. 단 한 명의 직원이 그랬든 나머지 ‘의심이 가는’ 직원이 그랬든 공구를 잃어버렸는지 아니면 다른 장소에 두었는지에 대해 관심이 없다. 어쨌거나 해당 공구는 찾을 수 없을 것이고 기계는 멈추게 된다.

TDM Systems GmbH도 같은 견해이며, 공구 관리는 회사 크기와 상관없다고 한다. 실제로 대부분의 절삭 업체들은 공구 관리를 디지털화와 생산성 증대를 위한 초석으로 삼는다. 그렇다면 여러분의 제조 현장에 공구 관리가 없어도 되는 이유는 무엇인가? 공구 관리를 하면 기존 재고와 수명을 더욱 잘 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 다운타임도 줄일 수 있다. 또한 부품 별로 공구를 일관되게 표준화함으로써 예측하여 주문할 수 있고, 주문 조건을 개선하며 안전하게 제조를 계획할 수 있다. 또한 공구를 관리하고 주문하면 필요 이상으로 공구 가짓수가 늘어나지도 않는다. 또한 구성품/어셈블리 별 공구 비용 및 공구 수요를 통제함으로써 비용 투명성도 높아진다.

공구 재고, 공구 상태, 그리고 현재 위치를 알아야, 가장 적합하게 수요를 계획하고 비용을 낮출 수 있다. 공구 관리 시스템 공급자는 TDM Systems 외에도 Hoffmann Group, E. Zoller, Mapal Dr. Kress KG, Gühring KG, Walter AG 등이 있다.

공구 모니터링

일부 기업들은 아직도 공구 관리 시스템을 찾는 중이지만, 어떤 기업들은 이미 자신들의 공구를 모니터링하고 관리하고 있으며, 공구 위치뿐만 아니라 가공 중 공구 거동이나 마모 정도 등을 모니터링하고 있다. 또한 지속적으로 품질을 유지하기 위해 공구 모니터링을 하고 있다. Kistler는 압전 센서가 최적의 신호 품질로 동적 프로세스를 기록하는 시스템을 제공한다. 미세 선삭 작업의 공구 모니터링을 위한 새로운 도구는 실시간으로 절삭력을 측정하고, 이를 통해 공구 수명에 대한 정보를 제공한다. Kistler에 따르면 프로세스 모니터링을 통해 무결점 제조가 가능하다고 한다. 편차를 조기에 감지하면 품질 비용을 낮추고 최적화된 프로세스 매개변수를 통해 프로세스 효율을 높일 수 있다.

PTS 소프트웨어는 커팅 에지 상태를 알려주고 공구 파손을 실시간으로 인식할 수 있다.

PTS (Piezo Tool System, 피에조 공구 시스템)은 자체적으로 필요에 의해 개발되었다. 측정 기술 전문가들이 두께가 0.06mm에 불과한 민감한 압력 센서를 위한 다이어프램과 클램핑 슬리브를 제작하였다. 여기에는 난삭 니켈-철 합금을 사용하는데, 강하게 접촉하면 재료가 즉각 변형되고, 공구 파손으로 이어지며, 공구 수명이 크게 변하기 때문에 작업자는 이를 계속 지켜봐야 한다.

경제적인 솔루션을 모색하기 위해 절삭 형상을 조정해도 개선이 잘되지 않았다. 메인 스핀들 모터의 구동 출력을 모니터링하는 것도 질량이 너무 크고 스핀들의 마찰 손실로 인해 배제되었다. 공작물이 작은 경우 질량 관성이 일정하지 않아 구조적으로 소음 측정 결과도 일정하지 않았다. 해법을 찾는 과정에서 공구 제조사 Paul Horn과 협업하여 센서 장치 분야의 역량과 공구 기술을 결합하였고, 이렇게 마이크로 터닝 가공의 실시간 공구 모니터링을 위한 솔루션, PTS (Piezo Tool System, 피에조 공구 시스템)가 탄생하였다.

이 시스템은 Kistler의 고해상도 슬림 라인 힘 센서와 센서로 수집되는 가공 데이터를 평가하기 위해, 기계 컨트롤 시스템과 연결되는 분석 소프트웨어로 구성된다. 이 소프트웨어는 Windows 버전 7 이상의 운영 시스템에서 일반적인 산업용 PC에서 구동되며, PTS는 작동 중에 절삭력과 공구 부하를 측정한다. 수집된 데이터는 공구 또는 커팅 인서트의 예상 가능한 수명 정보를 알려주고, 결함이 있는 자재 및 절단 재료 또는 공구 파손이 즉각 인지하여 불량을 최소화할 수 있다.

PTS로 공구를 모니터링할 경우 절삭 과정이 지속적으로 기록된다. 고객은 이 데이터를 평가하여 절삭 공구 수명을 추가적으로 분석할 수 있다. 이로 인해 수명을 늘리고 제조 효율이 높아진다. 동시에 기계를 더 이상 지속적으로 모니터링할 필요가 없어 때때로 무인 작업도 가능하다.

신형 피에조 툴 시스템은 Horn의 표준 터닝 홀더와 호환된다. CNC가 개입할 필요가 없어 기계와 상관없이 사용할 수 있으며, 센서를 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 또한 기존 공구도 재가공하여 PTS를 장착할 수 있다. Middex와 MCU 그리고 Marposs도 공구 모니터링을 위한 다른 솔루션을 제공한다.

지능형 공구

지능형 공구는 인더스트리 4.0의 많은 프로세스에서 필수불가결하다. 공구가 ‘스마트 팩토리’에서 중요한 이유는 정밀 드릴링 공구의 응용 영역에서 잘 나타난다. 이 공구는 모터 베어링 보어의 마감 작업에 사용된다. 이는 마이크로미터 단위의 정밀 작업으로, 모터의 효율성과 작동 정숙성이 보어 치수 정확도에 크게 좌우되기 때문이다. 특히 마감 작업에서는 피할 수 없는 절삭 마모가 문제가 된다. 이 절삭 마모는 최소한의 치수 편차를 막기 위해 제어 가능한 커팅 에지를 이용하여 보상해야 한다. LMT Tools의 정밀 드릴링 공구는 이러한 작업에 적합하다. 이 공구에는 이른바 ‘액추에이터’가 있어, 이를 이용하여 각 커팅 에지의 마모 에지를 마이크로미터 단위로 정확하게 (인접 커팅 에지와 상관없이) 보상할 수 있다. 동시에 공구의 전자 장치가 측정기에 연결되어 있어, 이 측정기는 측정된 수정 값을 무선으로 커팅 에지의 액추에이터에 전달한다. 이렇게 전자동으로 보상이 이루어지며, 지속적으로 높은 품질을 보장할 뿐만 아니라, 기계 다운타임과 ‘단위 당 비용도 낮출 수 있다.

첫 번째 시리즈 테스트는 커팅 에지 재조정에 필요한 시간이 70% 줄어들었다. 원격제어 또는 랩톱에서 커팅 에지를 조정할 수 있다. 필요한 조정 값은 손으로 간단하게 입력하면 액추에이터가 재조정 프로세스를 시작한다.

LMT Tools의 ‘스마트’ 정밀 드릴링 공구는 프로세스를 모니터링하거나 커팅 에지를 자동으로 보상할 수 있다.

지능형 공구 홀더

절삭 프로세스는 공구에서 스마트 공구 홀더를 통해 모니터링할 수 있다. Schunk는 칩이 생성되는 바로 위치에서 프로세스를 모니터링하는 공구 홀더 Itendo를 개발하였다. Schunk는 공작물에 최대한 가까이 근접한 위치의 기계 장비 무마모 요소에 지능을 통합하는 이 전략을 ‘Closest to the part’라고 한다.

이 스마트 공구를 사용하여 프로세스 안정성을 연속적으로 기록하고, 한계 값을 무인 모니터링하며, 공구 파손을 인식할 수 있다. 이 공구 홀더는 프로세스 지능이 통합되어 기존의 공구 홀더와 동일한 간섭 윤곽을 가지고 있다. 이 지능형 시스템은 평소처럼 금속 가공유를 사용할 수 있고, 센서와 배터리, 송신 유닛이 장착된 시스템은 프로세스를 기록하고 데이터를 무선으로 수신 유닛에 전달할 수 있으며, 그곳에서 케이블을 통해 에지 장치로 전송하고, 데이터를 평가할 수 있다. 또한 알고리즘이 프로세스 안정성을 위한 매개 변수를 지속적으로 산출한다. 각 애플리케이션에 맞게 웹서비스를 통해 한계 값을 정의하고, 한계 값 초과되면 적절한 반응도 정의할 수 있다. 또 다른 지능형 공구 홀더 공급자로 Sandvik이 있다.

스마트 Itendo를 사용하여 공구에서 직접 실시간 프로세스 모니터링을 할 수 있다. 공구 홀더의 지오메트리 데이터와 성능 데이터는 센서 장치를 부착해도 변하지 않는다.

디지털 솔루션

Mapal의 자회사 클라우드 기반 플랫폼 c-Com을 사용해도 공구 데이터를 효율적으로 관리할 수 있다. 이 플랫폼을 사용하여 제조 환경에서 공구 및 기타 C-부품에 대한 협업 데이터를 관리할 수 있고, 공구 관리와 관련된 모든 절차가 투명해질 수 있다.

마팔의 c-Com의 애플리케이션은 다양한 유형의 마모를 인식하고, 이를 기반으로 권장 조치를 알려준다.

이 플랫폼은 고정 장치가 사용되는 많은 모바일 솔루션을 앱의 형태로 제공한다. 절삭 업체는 마모 감지 앱을 사용하여 다음과 같은 문제에 대한 해답을 얻을 수 있다. 어떤 마모인가? 마모가 왜 나타났는가? 앞으로 어떻게 방지할 수 있는가? 여기에 이 애플리케이션은 답은 간단하다. 스마트폰으로 마모된 커팅 에지 이미지를 확대하여 사진으로 기록한다. 그에 따라 어떤 종류의 마모인지 그리고 적절한 조치는 무엇인지 앱이 인식하고, 사용자는 해당 마모를 향후에 정확하게 방지할 수 있다.

이 애플리케이션은 ‘머신 러닝’을 기반으로 한다. 이 애플리케이션은 데이터를 기반으로 학습을 진행한다. 따라서 머신 러닝에는 많은 데이터를 입력할수록 좋다. 이 애플리케이션은 자유면 마모, 크레이터 마모 또는 빌트업 에지 등 다양한 종류의 마모를 인지할 수 있다. 앱은 이를 기반으로 이송 속도를 줄이거나 회전 속도를 높이거나 다른 코팅으로 전환하도록 권장할 수 있다.