정밀도와 유연성의 균형을 잡은 혁신적 머신: 멀티센터(Multicenter)

금속 가공 제조업에 종사하는 누구나 알듯, 전용 가공 기술과 유연 가공 기술 사이의 전쟁은 전 세계 머신 숍에서 계속되고 있습니다. 고혼합·저량산 생산이 금속 가공 제조업에 유입되는 추세는 명백하며, 아마도 막을 수 없을 것입니다. 이는 가공 작업의 거의 모든 측면에 스며들고 있습니다.

이 일반적인 용어들(고혼합, 저량산)은 상대적입니다. 예를 들어 금형 작업장에겐 5개 로트 수량이 '대량 생산'으로 간주될 수 있습니다. 반면 티어 2 공급업체에겐 50만 개 이상이 '대량'일 수 있습니다. 그리고 상대적으로 말해, 과거 수십 년간의 전체 제조 트렌드에 따라 50만 개를 생산하던 티어 2 공급업체가 생산량을 100만 개에서 조정했을 수도 있습니다. 오늘날 같은 '대량'은 5,000개 정도일 수도 있습니다. 상대적인 개념입니다.

오늘날 제조 수요의 현실을 반영해 생산을 최적화할 수 있는 자본 장비를 찾는 과정에서, 선택할 수 있는 머신 툴 구성이 많습니다. 그중 하나가 여기서 소개하는 '멀티센터(Multicenter)'입니다. 이는 고혼합 유연 생산과 대량 전용 가공 능력 사이의 다리 역할을 하도록 개발되었습니다.

변형하는 로터리 트랜스퍼

멀티센터의 컨셉을 알아보기 위해 이탈리아 브레시아 소재 포르타 솔루션즈(Porta Solutions)의 2세대 오너 마우리치오 포르타(Maurizio Porta)와 이야기했습니다. 북미 본부는 코네티컷주 뉴잉턴에 있습니다. 1958년 아버지 오스카가 설립한 이 회사는 다양한 용도의 특수 머신 툴을 제작해 왔으며, 전용 생산과 유연 생산 요구의 변화를 지켜봐 왔습니다.

"원래 우리는 로터리 트랜스퍼 머신 툴을 제조했습니다."라고 포르타 씨는 말합니다. "이 머신들은 부품을 위해 머신을 만드는, 부품이 왕이고 그 생산을 최적화하는 전용 툴을 만드는 것이 게임의 이름이던 시대를 반영합니다."

전통적인 로터리 트랜스퍼 기술에서 작업장은 작업을 수주하면 부품을 중심으로 생산 시스템을 설계했습니다. 일부 작업은 수년간 거의 변경 없이 지속될 수 있었습니다. 하지만 제품 수명 주기가 단축되면서, 많은 용도에서 전용 생산 머신은 비용 정당화가 어려워졌습니다. 주로 새로운 작업으로 리툴링하는 것이 어렵고 비싸며, 보통 노력할 가치가 없기 때문입니다.

2005년, 포르타는 전용 가공 기술(특정 부품 중심)과 부품 믹스 변화에 쉽게 리툴링할 수 있는 머시닝센터 플랫폼 사이의 간극을 메우는 솔루션으로 멀티센터를 선보였습니다.

4-스테이션 캐러셀을 중심으로, 가장 인기 있는 구성에서 이 머신은 3개의 수평 머시닝센터(HMC) 모듈을 탑재합니다. 워크테이블의 4번째 스테이션은 유인 또는 무인 가능한 로드/언로드 스테이션입니다.

각 HMC 모듈은 각 스테이션에서 3축 또는 진정한 4축 가공이 가능합니다. 머시닝센터 모듈들은 점진적으로 작동하지만 독립적으로 제어됩니다. 한 부품을 생산하거나, 한 부품을 다중 작업으로 가공하거나, 여러 다른 부품을 동시에 가공할 수 있습니다. 모든 4개 부품이 3개 스핀들에 의해 모두 가공된 후 로드/언로드 스테이션으로 완성되어 돌아옵니다.

3개 스핀들로 가공 작업을 필요에 따라 다양하게 배분할 수 있어 머신의 유연성이 더해집니다. 4-스테이션 팔레트 캐리어 한 회전으로 완제품 1개, 완제품 4개, 또는 그 변형을 생산할 수 있습니다. 다만 포르타 씨는 대부분의 애플리케이션이 점진적 가공 시퀀스를 사용한다고 말합니다.

포르타 씨는 한 고객이 멀티센터 한 사이클로 3개 다른 부품을 생산한 사례를 언급했습니다. "이 부품들은 어셈블리에 들어갔기 때문에, 머신 한 사이클이 완전한 부품 세트를 생산했습니다. 가공 후 부품들이 조립돼 고객에게 출하되었습니다. 매우 효율적인 애플리케이션이었습니다."

멀티센터 vs HMC

HMC는 고혼합·저량산 작업을 다루는 작업장에서 투자가 증가하고 있습니다. 본질적인 유연성과 팔레트 셔틀 시스템을 이용한 쉬운 자동화 적응, 수평 설계의 우수한 툴 수용력(최대 경쟁자인 VMC 대비)이 강점입니다.

프로덕션 머시닝(Production Machining)의 사내 시장 조사 기관 가드너 인텔리전스(Gardner Intelligence)의 조사에 따르면, HMC 구매 전망이 2017년 대비 85% 크게 증가했습니다.

그러나 포르타 씨는 볼륨과 공작물 복잡성이 HMC 1대 이상을 요구할 때 멀티센터가 그 틈새를 파고든다고 지적합니다. "매우 높은 생산량의 특수 목적 머신과 저량산 유연성의 HMC 사이의 다리입니다. 멀티센터는 이 두 머신 클래스 사이에 있으며, 특수가 아닌 표준 머신 툴이므로 리드타임이 훨씬 짧습니다."

이 머신은 10인치 워크 큐브용으로 설계되었으나, 더 큰 부품용으로 확장이 가능합니다. 3개 머시닝센터 각각은 자체 툴 체인저를 가지며, 표준으로 각각 12툴 용량입니다. 필요시 각각 최대 40툴까지 확장 가능합니다. 각 머신 스핀들은 툴 팁에서 3축, 각 워크테이블에 4번째 로터리 축이 있습니다. 모든 축은 머신의 파나소닉 또는 지멘스 CNC로 제어됩니다.

더 작은 풋프린트, 더 적은 전력

멀티센터의 설계 이점은, 생산 목표 달성을 위해 3~4대의 HMC가 필요한 전형적인 고객이 이를 단일 플랫폼에서 해결할 수 있다는 점입니다. 운영이 더 쉽고, 전력 소모가 적고, 바닥 면적을 덜 차지합니다.

연관된 로드/언로드 구역을 포함한 HMC의 바닥 면적은 무시할 수 없습니다. "여기에 3을 곱하면 꽤 커집니다." 포르타 씨의 말입니다. "멀티센터는 본질적으로 3대의 HMC를 단일 플랫폼에 올린 것이므로 87제곱미터만 차지합니다. 일반적인 HMC 3대에 자동화를 더하면 240제곱미터가 필요하다고 계산합니다."

포르타 씨에 따르면 멀티센터는 동등한 생산량 기준, 독립형 HMC 3대 대비 50% 적은 에너지를 소비합니다. 멀티센터 51kWh 대 HMC 3대 120kWh라는 수치를 제시합니다.

이는 중복 액세서리 감소로 정당화됩니다. 예를 들어 머시닝센터 3대는 자동화 시스템 3개, 칩 컨베이어 3개, 팔레트 체인저 3개를 구동합니다. 게다가 3대 플랫폼 대비 1대 플랫폼의 유지보수 부담도 적습니다.

두 타깃 고객층

포르타 씨에 따르면 멀티센터는 두 타깃 고객층을 가집니다. 회사가 고량산 특수 머신으로 출발했기에 멀티센터는 대량 생산 센터로 설계되었습니다.

"일부 고객은 멀티센터를 특수 머신처럼 단일 부품에 전용합니다." 포르타 씨의 말입니다. "이들 작업장은 경우에 따라 연간 70만~100만 개 자동차 부품 물량을 생산합니다. 3개 머시닝센터 단일 플랫폼의 이점(바닥 면적 감소, 에너지 절감, 인건비 절감)은 이런 애플리케이션에서도 그대로 적용됩니다."

멀티센터가 특수 머신 혈통과 다른 점은 저량산 애플리케이션에서도 비용 경쟁력을 갖춘다는 것입니다. "일부 고객은 고량산이 아닌 고혼합 생산 주문을 멀티센터로 처리합니다."

이 두 번째 타깃 그룹의 경우 500~5,000개 배치가 일반적입니다. 이들 작업장은 일반적으로 재고용이 아닌 '스팟(spot)' 주문을 처리합니다.

이들 작업장은 주문 들어오는 대로 대응하기 위해 멀티센터의 용량을 활용합니다. 이런 잡숍의 머신들은 전용 생산이 아닌 유연 생산용으로 툴링됩니다.

퀵체인지 워크홀딩

멀티센터의 구조는 HMC와 상당히 다릅니다. 머신 베이스는 포르타 씨가 '클로즈드 박스 구조'라고 부르는 용접 구조물입니다. 박스 안쪽에 4-스테이션 로터리 테이블이 가공 팔레트를 운반합니다. 박스에 3면 벽이 있고 각 벽에 머시닝센터 모듈이 각각의 리니어 가이드웨이 세트와 함께 장착됩니다. 4번째 벽은 로드/언로드 스테이션이 워크존에 접근할 수 있도록 열려 있습니다.

멀티센터 개발 과정에서 포르타는 워크홀딩 시스템을 유연하게 설계했습니다. 머신의 3개 팔레트 각각에 장착된 리시버는 팔레트에 의해 위치 인덱싱 또는 B축 연속 인덱싱(윤곽 가공용)이 가능합니다. 리시버는 표준화되어 팔레트에 고정됩니다.

특정 공작물용 클램프가 리시버에 장착되며 CNC 유압으로 개폐되고, 유압은 컨트롤러가 지속적으로 모니터링합니다. 체인지오버는 리시버의 클램프를 단순히 교체하는 것만으로 완료됩니다. 이로 인해 체인지오버 타임이 30초에 불과합니다.

공작물의 5번째 면에 접근하기 위해 지그는 90도 인덱싱해 해당 면을 스핀들에 노출시킵니다. 이 작업은 보통 스핀들 3에서 수행하지만, 필요시 모든 스핀들에서 가능합니다. 지그는 단일 포인트 터닝이 필요한 경우 U축 옵션도 지원합니다.

프로그램 실행

3-스핀들 멀티센터 프로그래밍은 비교적 간단합니다. 각 머시닝센터 모듈이 파나소닉 또는 지멘스 컨트롤에서 고유한 페이지를 가지므로, 프로그래밍은 기본적으로 B축이 있는 3축 머신을 한 번에 하나씩 다루는 것과 같습니다. 프로그래밍은 스핀들 1→2→3 순으로 진행됩니다.

실질적으로 3개 별도 프로그램이 동시에 실행되지만, 별도 동기화 제어가 필요 없습니다. 포르타가 사용하는 두 CNC 브랜드 모두 컨트롤러 백그라운드에서 프로그램 동기화를 처리합니다.

머신이 3개 스핀들을 가지고 보통 순차 작업을 수행하므로, 데드 타임을 없애기 위한 사이클 타임 밸런싱이 중요합니다. 포르타는 마이크로소프트(Microsoft)와 '에너지 특성화(Energy Characterization)'라는 소프트웨어 패키지를 개발했습니다.

스핀들 모터의 전력 소비를 읽어, 가벼운 절삭에는 전력을 줄이고 재생 제동을 통해 더 많은 전력을 쓰는 스핀들에 전달합니다. 결과적으로 전력 소비가 최적화됩니다.

포르타는 인더스트리 4.0 연결 역량과 호환됩니다. 일부 개발 프로그램은 상당히 진보되어 있습니다. 생산량이 100만 개든 500개든, 가용한 정보는 모든 제조업체에 가치가 있습니다. 데이터는 칩과 함께 금속 가공 제조업의 화폐가 되고 있습니다.