마이크로 메드 머시닝: 스위스 선반 표준을 넘어선 정밀도

짐과 조 데이비스 형제가 1987년 작업장을 시작했을 때, 의료 업계에서 크게 성공할 수 있으리라 생각했습니다. 이미 절반은 성공한 셈이었습니다. 둘 다 근무하던 의료 업체에서 축소 과정에서 정밀 스위스 선반 부서를 인수했기 때문입니다. 그렇게 마이크로 메드 머시닝(Micro Med Machining, Inc., 플로리다주 마이애미 레이크스)이 탄생했습니다.

젊은 두 형제에게는 많은 장점이 있었습니다. 아버지 기계 작업장에서 자라다시피 했고, 둘 다 제조 공학 학위를 가졌으며, 전 직장의 제조 관리 인턴 프로그램을 거쳤습니다. 그래서 금속 가공 전반과 의료 업계용 스위스 선삭에 실무적으로 익숙했고, 업계의 품질 요구사항과 규제 환경도 잘 이해했습니다. 게다가 자신들 경험으로 볼 때 업계 표준을 꾸준히 충족하는 가공 부품 공급업체를 찾는 게 얼마나 힘든지도 알았습니다. 분명히 채워야 할 틈새가 있었습니다.

처음 5개월간 마이크로 메드의 유일한 일은 전 직주의 카테터와 이식형 심박조율기 부품을 만드는 것이었습니다. 하지만 그 후 작업장 전망이 활짝 열렸습니다. 19명으로 시작해 현재 100명 이상으로 늘었고, 매출은 더 큰 비율로 성장했습니다.

이 성장은 의료 업계가 신뢰할 수 있는 공급업체를 필요로 한다는 그들의 정확한 판단에서 비롯된 바 큽니다. 그와 동시에 중요했던 것은 기술 적용 방식입니다. 처음에는 주로 자동 스위스 선반과 하딩 척커, 다양한 보조 장비로 시작했습니다. 오늘날에는 작업량의 대다수를 멀티축 CNC 턴밀 센터에서 처리합니다. 이 작업장에는 다양한 구성의 정교한 기계 30대가 있습니다.

기술 비용이 구형 자동기보다 확실히 비싸지만, 작업장의 매우 복잡한 부품 대부분을 단일 셋업으로 완전 가공할 수 있게 해줍니다. 본질적으로 여러 셋업 비용을 더 능력 있는 장비로 대체하는 것인데, 이는 전체적으로 더 낮은 비용 솔루션이며 고객이 요구하는 품질 수준을 배치마다 제공합니다. 하지만 마이크로 메드의 기술 공식은 작업장에 좋은 기계를 배치하는 것 이상이 필요합니다. 이들은 이 기계들에 대한 방대한 공정 노하우를 보유하고 있으며, 이것이 평범한 경쟁업체와 이 작업장을 진정으로 구별합니다.

작업장의 가장 중요한 공정 지식을 여기서 모두 공개할 수는 없지만, 이 놀라운 작업장이 어떻게 돌아가는지 엿볼 수 있습니다. 마이크로 메드에서 어떻게 하는지 소개합니다.

부품과 기계

공정에 대한 요구를 이해하려면 먼저 부품을 살펴보는 게 도움이 됩니다. 복잡하고 정밀하며 작습니다. 실제로 마이크로 메드의 샘플 부품 전시는 기계 작업장보다 보석 가게 같습니다. 일반적인 품목에는 골나사, 미세 튜브, 피팅, 밸브, 소형 수술 기구 부품, 덴탈 포스트가 포함됩니다. 예를 들어 정밀 나사는 길이 1mm, 지름 1mm에 1mm 거친 나사산까지 작습니다. 외관이 중요해 거의 모든 부품이 20배 현미경으로 마감 검사합니다. 어떤 버도 용납되지 않습니다.

이 작은 부품 가공의 난이도를 높이는 것은 어려운 소재입니다. 약 65%가 티타늄, 30%가 가장 어려운 스테인리스강, 나머지는 금과 백금 같은 귀금속입니다. 60% 이상이 어떤 형태의 밀링이나 드릴링을 필요로 합니다. 교차 홀 드릴링이 흔하며, 지름 0.005인치(더 작은 건 방전가공)까지 작습니다. 이들 작은 홀은 정밀하고 깊어야 합니다. 예를 들어 한 관형 부품은 지름 0.04인치 센터 홀을 깊이 1.5인치까지 뚫어야 합니다... 벽 두께 0.007인치만 남긴 채... 티타늄에서요. 부품이 원형만 있는 것도 아닙니다. CNC 스위스 기계의 밀링 기능과 봉재에서 이 섬세한 부품을 생산하는 고유한 워크홀딩 이점 덕분에 상당수의 본질적으로 프리즘형 부품이 이 기계들에서 생산됩니다.

모든 멀티축 기계는 시티즌(마루베니 시티즌-신콤, 뉴저지주 알렌데일) 제품입니다. 일부는 비교적 단순한 3축 설계로, 스위스 타입의 특징인 슬라이딩 헤드스톡과 가이드 부싱(Z), 단일 축 공구 터렛(X), 메인 스핀들 회전 위치결정(C)을 가집니다. 고정식과 동력식 공구가 터렛에 장착되어 선삭이나 온센터 드릴링/밀링 작업을 합니다.

마이크로 메드의 다른 기계들은 훨씬 더 복잡합니다. E-시리즈 모델은 6축 설계로, 제2 2축 터렛과 백워킹용 서브 스핀들을 추가합니다. 트윈 터렛은 핀치 터닝(두 공구로 동시에 선삭)을 가능하게 하는데, 이는 효율적일 뿐만 아니라 얇은 공작물이 단일 공구로 인해 처지는 경향을 상쇄합니다. 제2 터렛은 주 또는 보조 스핀들에 고정된 부품에서 더 넓은 범위의 작업을 가능하게 합니다. 게다가 선삭이나 밀링 작업을 두 스핀들에서 동시에 실행할 수 있습니다.

작업장의 8축 M-20 모델은 몇 단계 더 나아갑니다. 제2 터렛 대신 최대 5개 고정 공구와 3개 회전 공구를 장착할 수 있는 8스테이션 갱 플레이트를 가집니다. 갱 툴링은 터렛이 공구 간 인덱싱에 소요하는 시간을 없애 선삭 작업에서 극도로 효율적입니다. 이 기계들은 갱 플레이트 툴링에 Y축 기능도 있어, 동력 스테이션으로 편심 밀링과 드릴링을 할 수 있습니다. 8번째 선회축은 공정 내 공작물/공구 게이징이나 로봇 공작물 조작을 수용합니다.

이 모든 기계의 요점은 마이크로 메드가 매우 복잡한 부품조차 단일 셋업으로 가공할 수 있게 한다는 것입니다. 이점은 많습니다. 가장 명백한 건 단일 목적 기계 여러 대를 거치며 작업을 라우팅하는 시간, 인건비, 재공품 비용을 아낀다는 점입니다. 또한 작업 한 대만 거치면 되므로 고객의 점점 더 까다로운 납기 요구에 훨씬 더 민첩하게 대응할 수 있습니다. 3~4대 기계를 거치는 것보다 단일 기계만 거치면 급주문 처리가 훨씬 간단합니다.

질적 이점도 마찬가지로 중요합니다. 공작물이 워크홀더에서 풀렸다가 다시 잡힐 때마다 공정에는 새로운 치수 변동 요소가 추가됩니다. 마이크로 메드 작업에서 0.001인치 공차는 일반적이지만, 종종 '텐스(0.0001인치)'를 일관되게 유지해야 합니다. 이 작은 부품들을 2차 작업용으로 고정하는 게 얼마나 어려운지 고려하면, 워크홀딩 공차 스택이 그리 높지 않아도 전체 가공 공정이 허용 범위를 벗어나게 할 수 있습니다. 전체 공정 동안 공작물을 한 번만 잡고 그 문제를 완전히 없애는 게 훨씬 낫습니다.

공작물에 대한 지속적인 물리적 통제는 작업장의 공정 장악력에 과학적 신뢰성을 부여하는데, 이는 품질을 중시하는 마이크로 메드 고객들의 핵심 관심사입니다. 조 데이비스 씨는 "요즘 고객들은 당신의 Cpk 값을 봅니다. 공정이 관리되고 있는지 알고 싶어 하죠."라고 말합니다. 가장 정교한 고객들에게 마이크로 메드는 통계적으로 신뢰할 수 있는 제조 타당성 연구를 제공할 수 있습니다. 이는 신규 수주에 큰 도움이 됩니다.

그래도 경쟁 때문에 비용은 여전히 최우선 고려사항이고, 작업장이 지향하는 품질 수준에서 셋업 제거는 엄청난 긍정적 효과를 냅니다. 좋은 예로, 다른 공급업체가 단일 목적 척커와 밀링 기계 여러 대를 거쳐 6번 셋업으로 생산하던 의료 커넥터가 있습니다. 월 4,500개 물량에서 고객은 개당 8달러를 지불했습니다. 마이크로 메드는 부품을 검토해 가공성 향상을 위한 간단한 변경 몇 가지를 제안하고 6축 기계 중 하나에 올렸습니다. "개당 4달러 초반으로 비용을 낮췄습니다."라고 데이비스 씨는 말합니다. 전 공급업체가 과도하게 청구한 걸까요? "그렇지 않습니다."라고 그는 말합니다. "아마 자기 비용으로는 꽤 적정했을 겁니다. 단지 그 일을 위한 최적의 공정이 없었을 뿐이죠."

더 나은 공정

누구든 장비를 살 수는 있지만, 그것을 최대한 활용하는 건 전혀 다른 문제이며, 마이크로 메드가 탁월한 부분입니다. 공정 창의성은 효율과 품질 모두를 위해 극도로 중요하며, 이는 기계를 속속들이 아는 사람들에게서만 나옵니다. 표준 공구로 무엇을 할 수 있고 없는지, 공구를 어떻게 수정하거나 특수 제작할 수 있는지 아는 것도 중요합니다. 이 전문성 덕분에 작업장은 기계 개발자들조차 놀랄 일을 해냅니다. "이 기계들을 최대 잠재력으로 쓰지 않는 건 경주용 차를 시속 50마일로 몰는 것과 같습니다."라고 데이비스 씨는 말합니다. 마이크로 메드에서는 빠르게 달리는 걸 좋아합니다.

하지만 이건 비유일 뿐, 빠른 금속 제거율을 내는 게 이 작업장의 목표는 아닙니다. 의료 업계의 핵심 관심사는 부품 마감 상태(버 없고 외관 결함 없음)인데, 그 최종 작업의 효율과 품질은 금속이 처음 어떻게 제거되었는지와 깊은 관련이 있습니다. 마감은 수작업이며, 여느 정밀 금속 가공 작업장처럼 최소화하려 합니다. "기꺼이 주 가공 시간을 마감 시간과 맞바꿉니다."라고 데이비스 씨는 말하지만, 그 맞바꿈의 결실은 가공 루틴을 신중하게 구성해야만 얻을 수 있습니다.

버가 아마도 가장 큰 단일 고민거리입니다. 버를 다루는 최선은 예방이고, 불가피하면 합리적으로 효율적인 2차 공정에서 쉽게 제거되도록 공정을 관리하는 것입니다. 즉 버의 방향, 크기, 떼어내는 데 필요한 것을 고려해야 합니다. 이 고려사항들은 사이클 타임에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 하지만 여기서는 속도보다 기계에서 나올 때 부품 상태가 더 중요합니다.

부품 처짐 관리도 가공 사이클에 상당한 시간을 더할 수 있는 요소이자, 어쩌면 작업장의 가장 정교한 영업비밀 영역일 수 있습니다. 마이크로 메드는 매우 질긴 소재로 만든 아주 가는 부품들에 정밀한 치수 무결성을 유지하며, 공작물보다 더 쉽게 처지는 섬세한 공구로 가공합니다. 이들은 이런 조건에 적합한 속도, 이송, 절입 깊이를 엄청나게 미세한 수준까지 이해해야 합니다. 예를 들어 8패스로 될 것 같은 나사산이 실제로는 18패스가 필요할 수 있습니다. 또한 구간별로 나사를 가공하고 모두 완벽하게 블렌딩하는 방법도 찾아냈습니다. 자주 느리고 꼼꼼한 과정이지만, 공정 예측성이 작업장의 최우선 관심사이기에 가치가 있습니다.

공구 수명도 중요한 요소인데, 공구 비용 때문이 아니라 다시 공정의 질적 통제를 유지하기 위함입니다. 작업자는 마모된 공구가 공정을 제어 불능 상태로 만들기 전에 공정에서 빼내야 하고, 불량 공구를 공정에서 완전히 걸러내야 합니다. 공구 품질은 백금 같은 겉보기엔 부드러운 소재에서도 중요합니다. 특히 백금은 마모성이 높은 소재이고 가치도 높아 스크랩이 비용이 많이 듭니다. 데이비스 씨가 더 간결하게 표현하자면, "지름 0.012인치 홀을 뚫을 때 공구 품질은 정말 치명적으로 중요하며, 기성 공구가 해내리라 가정할 수 없습니다."

평균 생산량이 1,500~2,000개이고 멀티축 턴밀 센터는 놀리기엔 너무 비싼 자산이므로, 작업자들은 일을 기계에 올리고 내리는 데 매우 능숙해야 합니다. 한 방법은 공구를 프리게팅하는 것입니다. 일부 기계에서는 여분 터렛을 구매해 공구를 오프라인에서 세팅하고 퀄리파이합니다. "몇 '텐스' 이내로." 그런 터렛을 장착하면 셋업 부품 몇 개만으로 공정을 가동할 수 있습니다. 원터치 체인지오버에 근접한다는 게 아닙니다. 기계가 너무 복잡합니다. 하지만 모든 공구를 기계에 개별 장착하고 다이얼링하는 데 6시간 걸리던 걸 1시간 만에 일을 시작하게 합니다.

알아야 할 게 더 많습니다. 프로그래밍도 중요하지만 기계 컨트롤이 상당한 도움을 줍니다. 개별 선삭/밀링 작업을 독립적으로 프로그래밍하면 CNC가 자동으로 단일 효율 루틴으로 컴파일합니다. 워크홀딩도 중요합니다. 특히 가공된 부품을 서브 스핀들로 픽업할 때, 때로는 특수 콜렛을 만듭니다. 알아야 할 게 많습니다. 하지만 이 중요한 공정 정보를 마스터한 것이 마이크로 메드와 경쟁업체 사이의 결정적 차이였다고 자평합니다.

한계 넘기

마이크로 메드는 매일 예상되는 일을 하며 결과를 면밀히 관찰함으로써 이런 지식의 일부를 얻었습니다. 예를 들어 SPC로 각 새 공정을 검증하고 이후 공정을 차트로 관리합니다. 하지만 작업장 최강 경쟁우위의 더 큰 척도는 공정의 외피를 지속적으로 밀어붙이며 품질 기준을 해치지 않는 새 효율을 끊임없이 추구하는 데서 나왔습니다.

데이비스 형제는 '공정 모험심', 즉 새 아이디어를 시도하고 어려운 문제를 풀어내는 성향에 상당한 자부심을 가집니다. 하지만 단순한 배포가 그들을 이끄는 건 아닙니다. 공정을 계속 실험함으로써 작업장이 경쟁 우위를 유지하는 데 필요한 학습 경험을 얻는다고 믿습니다. 그래서 이 생산 작업장은 프로토타입 작업도 기꺼이 합니다. 생산 장비에서 부품과 공정을 동시에 풀어내며 지식을 얻기 때문입니다. 문자 그대로, 매우 능력 있는 생산 장비의 최외곽과 자신들이 서비스하는 업계의 특수 요구사항을 결합하려 합니다. 작업장 핵심 인력이 의료 업계 출신이기에 이 점에서 상당한 이점이 있습니다. 업계 제약 내에서 적절한 공정에 대한 지식을 많이 가지고 있으며, 고객이 설계를 개발하는 데도 도움을 줄 수 있습니다. 기능성 희생이나 일반적인 규제 제약 없이 제조성을 개선하는 방향으로요. 이런 이유로 작업장 경영진은 사업을 매우 집중적으로 유지하려 합니다. 마이크로 메드는 매우 높은 품질 기준의 멀티축 스위스 타입 선삭에 최고이며, 그걸 계속할 것입니다. 흥미롭게도 이 강하고 일관된 집중감은 작업장 직원들이 마이크로 메드가 서비스하는 고객 유형에 적절한 수준으로 개인 품질 기준을 조정하도록 돕고, 이는 품질과 효율의 올바른 균형을 이루게 합니다. 의료 업계에서 이 균형은 까다로운 문제입니다. 점점 더 비용을 의식하지만 부품은 여전히 완벽해 보여야 합니다. "완벽을 추구하게 하고 싶지만, 동시에 업무의 실질적 요구를 넘어선 수준을 달성하느라 시간을 낭비하게 하고 싶지도 않습니다."라고 데이비스 씨는 말합니다. 미묘한 균형이며, 범용 가공 작업을 추가한다고 해결될 문제가 아니라고 봅니다. 범용 부품엔 비용이 과도해지거나, 더 나쁘게는 '충분히 좋다'의 의미에 대한 파괴적 모호함을 작업장에 도입할 수 있습니다.

그래서 마이크로 메드는 어려운 부품에 계속 집중할 것입니다. 데이비스 씨는 그런 부품이 훨씬 더 많으리라 믿고, 작업장이 그런 일을 계속 성공적으로 수주할 능력에 기꺼이 걸겠습니다.

편집자 주: 마이크로 메드 방문 2주 후, 회사가 커스텀 튜브 제조업체인 유니폼 튜브(Uniform Tubes)에 매각되었다고 발표했습니다. 유니폼 튜브는 마이크로 메드에 엔지니어링과 영업 지원을 강화할 것입니다. 조 데이비스 씨에 따르면 회사 경영진과 미션은 그대로 유지됩니다.