성형 기술을 위한 지능형 공구 클램핑 장치

인더스트리 4.0은 더 이상 내일의 화두가 아니다. 급속한 발전이 디지털 솔루션에 대한 수요에 불을 붙이고 있다. 클램핑 분야도 마찬가지이다. 그렇다면 성형 기계를 위한 스마트 클램핑에 어떤 잠재력이 숨어 있을까?

헨드릭 뵈니쉬(Hendrik Bönisch, 마케팅)

클라우스 베마이어(Klaus Wehmeyer, 이사), Berg & Co. GmbH

핵심 내용

  • 성형 분야에 스마트 클램핑 기술을 사용하면 공작물의 높은 품질을 일정하게 유지하고 다운타임 시간은 최소화하는 최적화된 생산 프로세스가 가능하다.
  • 공구 클램핑 장치에 센서가 통합되어 데이터를 수집할 수 있다. 센서 데이터를 이용하여 알고리즘을 통해 성형 프로세스를 확인할 수 있다.
  • 디지털 프로세스 데이터를 시스템 컨트롤에 제공할 수 있어 생산성을 높일 수 있다.

현대식 생산 공장들은 모델 다양성에 대한 시장의 요건으로 인해 프로세스 개별화와 최적화에 초점을 맞춰야 한다. 이런 상황에서 스마트 클램핑 기술이 중대하게 기여할 수 있다.

클램핑 시스템은 공구와 공작물 가까이에 위치한다는 이점 때문에 프로세스 매개변수를 모니터링하고 중요 데이터를 생성하기에 적합하다. 이에 상태 데이터를 연속적으로 모니터링하고, 이를 적절히 평가하여 시각화하면 생산을 안정적으로 계획하고 제어할 수 있다. 가장 이상적인 것은 공작물의 높은 품질을 일정하게 유지하면서 다운타임을 최소화하고 생산 프로세스의 효율을 극대화하는 것이다.

연구 협력을 통한 성공

Berg & Co. GmbH와 같은 중견 클램핑 기술 솔루션 제조사들은 자사의 기존 제품으로 디지털 변화를 어떻게 만들고, 혁신이 어떻게 조화를 이룰 수 있을까? 스마트 제품에 대한 아이디어를 구현하기 위해서는 강력하고 혁신적인 파트너가 필요하다. Berg는 프라운호퍼 공작기계 및 성형기술 연구소(IWU)와 협력하여 새로운 지능형 공구 클램핑 시스템을 개발하고, 프레스와 프레스 라인에 레트로핏 솔루션을 통합하였다. 이를 통해 시스템 공급자인 Berg와 연구 기관인 프라운호퍼 IWU 그리고 최종 소비자인 프레스 숍이 협업을 통해 시너지 효과를 낼 수 있었다.

성형 기술 분야에서 제품 스마트화와 관련하여 시스템의 견고성과 민감성에 대한 과제가 있다. 이에 다양한 타입의 공구 클램핑에서 센서 개발과 통합하는 것이 여러 단계로 이루어지고 있으며, 시뮬레이션과 테스트 그리고 양산 전 테스트를 병행하고 있다.

데이터 처리 및 분석

“성형 공구 클램핑 시스템”의 유한 요소 시뮬레이션을 통해, 공구 클램핑 장치 안에 센서를 통합하는데 이상적인 위치를 식별할 수 있었다. 첫 번째 단계로 프라운호퍼 IWU 연구소에서 실험실 환경에서 센서 기능 방식을 테스트하였으며, 추가로 트라이아웃 프레스에서 필드 테스트로 나아가기 위한 전제 조건으로 실제 타입 테스트를 진행되었다. 또한 Mercedes-Benz AG와 연구 협력하여 쿠펜하임에 위치한 프레스 숍 생산 환경에서 지능형 공구 클램핑 장치의 양산 전 모델을 테스트하였다.

여기에 하드웨어 테스트 외에 데이터 처리와 분석을 개발하는 것도 중요하다. 따라서 공구 클램핑 장치의 신속한 통합과 매끄러운 통신을 위해 프로피 넷과 같은 필드버스 프로토콜을 사용하였으며, 이를 통해 개별 공구 클램핑 장치의 센서 데이터를 같은 시간에 공동으로 샘플링하고 처리할 수 있었다.

이때 센서 데이터는 프라운호퍼 IWU가 개발한 특수 평가 소프트웨어(Berg Tronic)을 이용하여 분석하였다. 알고리즘을 통해 프로세스와 병행하고, 지능형 공구 클램핑 장치의 센서 데이터를 이용하여 성형 프로세스를 확인할 수 있었다. 성형 기계의 다른 곳에 센서를 통합하지 않고, 프로세스 편차와 생산 변동을 분석할 수 있었다. 현재 이 알고리즘은 현장 테스트를 통해 검증하고 있다.

지능형 공구 클램핑 장치의 핵심 기능

효과 극대화된 생산 프로세스를 위해

‘Tool Assist’라는 이름으로 제공되는 지능형 공구 클램핑 장치 패키지는 필요한 용도에 따라 세 가지 모듈을 사용하거나 확장 단계를 사용한다. 기계적 기본 기능에 두 단계의 디지털 기능인 ‘상태 모니터링’과 ‘클램핑 프로세스 모니터링’이 확장되어, 클램핑 오류와 마모 현상이 조기에 감지되고 적절한 조치를 프로세스에 통합할 수 있다.

세 번째 확장 단계로 ‘성형 프로세스 모니터링’이 가능하다. 지능형 공구 클램핑 장치는 센서 시스템을 통해 성형 프로세스를 투명하게 만든다. 따라서 성형 기계의 공구 인터페이스에서 클램핑 기술이 이상적인 정보 소스를 제공한다. 이미 설명한 바와 같이, 선별한 센서 데이터를 평가하여 가압력 곡선 변화 등 기술적인 정보를 생산 중에 수집하고, PLC에서 가공할 수 있다. 이런 방식으로 디지털 프로세스 데이터를 시스템 컨트롤러에 유용하게 제공할 수 있다.

지능형 공구 클램핑 장치 ‘Tool Assist’의 테스트와 사용은 성형 기술의 제품 스마트화에 대한 대표적인 사례이며, 이를 통해 생산의 효율성과 투명성이 지속적으로 촉진되고, 스마트 클램핑 기술로 생산성을 보장하고 높일 수 있다.