메탈퀘스트의 CNC 멀티 스핀들 센터, 정밀도와 효율성 동시 향상

1996년 창립 이래 멀티태스킹 기술 도입에 주력해온 메탈퀘스트(MetalQuest). 최신 추가는 현재 5개 부품 패밀리를 가동 중인 이 8스핀들 멀티 머신입니다.

스콧 하름스(Scott Harms)가 1996년 네브래스카 주 헤브론(Hebron)에서 메탈퀘스트 계약 가공 사업을 시작했을 때, 사장은 타사와 다른 회사를 만들기로 결심했습니다. 첫 머신은 라이브 툴링이 장착된 3축 CNC 선반이었습니다. 목표는 멀티태스킹을 틈새로 삼아, 당시 다른 숍들이 선반과 밀링을 오가며 하던 것과 달리 부품을 한 번에 완전 가공하는 것이었습니다. 오늘날 툴룸의 한 대를 제외한 모든 머신 툴이 서브 스핀들과 라이브 툴링 조합을 갖추고 있습니다. 또한 51,000평방피트(약 4,738㎡) 시설에 13대의 팬룩(FANUC) 로봇을 보유하며, 팬룩에서 직접 구매해 자체 통합합니다.

메탈퀘스트는 종합적인 인하우스 숍 관리 시스템(부사장 겸 COO 스콧 볼크(Scott Volk) 개발)으로 모든 운영 지표를 추적하며 중대량 작업을 다양한 산업에 공급합니다. 2000년대 초부터 맡아온 작업 중 하나는 헥스(hex) 피처와 버니시(burnished) 피처를 가진 유사 원통 형상의 5개 부품 패밀리입니다. 이 작업은 원래 라이브 툴링이 있는 3대의 Y축 터닝 센터에서 수행했으나, 해당 장비로는 간신히 수익성이 있었습니다. 또한 부품에 헥스 피처가 있어 소재 제거량이 기존 원형 바스톡보다 적은 헥스 스톡(12L14 강)을 사용했으나, 헥스 스톡이 휘어지는 경향이 있어 원형 바스톡으로 전환했습니다. 이는 가공해야 할 소재가 늘어나 사이클 타임을 더 늘렸습니다.

하름스 씨는 이 작업을 포기하고 싶지 않았습니다. 오일 앤 가스 시장에 너무 치우쳤다고 느꼈기 때문입니다. 대신 이 특정 부품 패밀리를 더 생산적으로 가공해 산업 다각화 관점에서 숍이 서비스하는 산업을 더 다양하게 유지하는 편이 합리적이었습니다.

사이클 타임이 Y축 터닝 센터에서 약 2분에서 멀티 스핀들 머신에서 15초로 단축되었습니다.

해답은 인덱스(Index) MS40-8 8스핀들 멀티 스핀들 머신, 즉 숍의 첫 멀티 스핀들 머신 도입이었습니다. "창업 첫날부터 다른 숍이 없는 장비, 기술, 공정 도입에 집중해온 우리에게 이런 멀티태스킹 머신은 다음 논리적 단계였습니다." 하름스 씨가 말합니다.

"이 멀티 스핀들 구매 결정은 세 가지 니즈 충족으로 귀결됩니다." 볼크 씨가 덧붙입니다. "더 수익성 있는 부품, 오일 앤 가스에서의 다각화, 타 숍과 차별화되는 기술 추가. 이 머신이 모든 조건을 충족합니다." (머신 반입일 영상: gbm.media/movein)

이 머신의 핵심은 인덱스가 말하는 3피스 하스 커플링(Hirth coupling)을 사용하는 컴팩트 스핀들 드럼으로, 각 위치에서 정밀 가공을 가능하게 합니다. 드럼 내 스핀들은 유체 냉각식이며 무단 변속 제어가 가능합니다. 메탈퀘스트 머신에는 백워킹(backworking) 작업을 위한 2개의 스위블링 싱크로너스 헤드(픽오프 스핀들)도 장착되었습니다.

멀티 스핀들 머신 근처에 표면 조도 측정기 등 다양한 계측기와 자사 숍 관리 시스템 접근용 컴퓨터를 갖춘 부품 검사 스테이션을 추가했습니다.

"부품에 따라 백워킹이 멀티 스핀들 머신 플랫폼의 한계가 될 수 있습니다." 하름스 씨가 설명합니다. "백워킹 스핀들이 하나뿐인데 부품에 많은 백워킹이 필요하면 가장 긴 백워킹 공정이 부품 사이클 타임을 좌우합니다. 현재 5개 부품 패밀리뿐만 아니라 향후 이 머신에서 돌릴 부품들을 위해 긴 백워킹이 병목이 되지 않게 두 번째 스핀들을 지정했습니다."

이 부품 패밀리에 대해 멀티 스핀들은 월 30,000개, 연 450,000개를 가공합니다. 하름스 씨는 이가 머신 용량의 약 45%라고 말합니다. 사이클 타임이 Y축 터닝 센터 대비 약 2분에서 15초로 단축되었습니다. 또한 이 작업을 신규 멀티 스핀들로 옮기면서 기존 3대 터닝 센터에 여유 용량이 생겨 다른 작업을 돌릴 수 있게 되었습니다.

동일 직경 강봉을 모든 부품에 사용해 바피더 콜렛 교체 없이 패밀리 내 부품 체인지오버가 빠릅니다. 몇 개 커터 교체만으로 끝납니다.

전용 프리세터

멀티 스핀들 머신의 첫 양산일은 1월 15일(제가 마침 그날 숍을 방문했습니다.) 메탈퀘스트는 멀티 스핀들 전용으로 졸러(Zoller) 하이페리온(Hyperion) 툴 프리세터(세 번째 프리세터)도 구매했습니다. 이 프리세터는 인덱싱 테이블에 툴링 블록이 설치되어 머신 내부와 같은 방향으로 공구를 장착할 수 있습니다. 자동 공구 측정 기능과 보링 바 센터 하이트 조정용 Y축 이동도 제공합니다.

이 프리세터는 멀티 스핀들 머신 전용으로 구매했습니다. 테이블에 머신 내부와 같은 방향으로 공구를 장착할 수 있는 스테이션이 있습니다.

숍은 이 프리세터, 특히 파일럿(Pilot) 소프트웨어 기능을 숍 관리 프로세스에 더 깊이 통합하고 있습니다. 볼크 씨는 이 소프트웨어가 "ERP가 하지 못하는 공백을 채워준다"고 말합니다. 자사 종합 숍 관리 시스템의 작업 셋업 시트를 졸러 소프트웨어로 이전 중인데, 이는 PC에서 오프라인 접근 가능합니다. 툴 프리세팅이 가공 정밀도 보장의 핵심이라 판단해 이 결정이 타당하다고 봅니다.

가상 환경의 이점

제 방문 후 메탈퀘스트는 멀티 스핀들에 매우 중요한 신규 작업을 수주했습니다. 이 작업은 머신의 가용 62축 중 59축을 동시에 사용합니다. 하름스 씨는 "말도 안 되는 셋업"이라 부르지만, 인덱스의 버추얼 머신(Virtual Machine) 가상화 소프트웨어가 이를 가능하게 했습니다.

버추얼 머신은 인덱스가 제공하는 소프트웨어 플랫폼으로, 특정 머신의 디지털 클론이라 실제 시리얼 넘버와 연동됩니다. 이 소프트웨어로 머신을 오프라인에서 안전하게 '가동 및 셋업'할 수 있습니다.

"실제 머신과 다름없이 소프트웨어 환경 전체를 툴업합니다." 그가 설명합니다. "인덱스가 제공하는 모든 툴홀더에 .stl 파일이 있어 실제 머신과 정확히 같은 위치에 마운트할 수 있습니다. 거기서 절삭 공구 리스트를 만들고 코드를 작성하며, 적용 가능한 머신 툴 파라미터를 설정한 뒤 가상 머신이 실제처럼 부품을 절삭하는 걸 지켜봅니다."

하름스 씨는 이로 충돌 없음을 검증할 수 있고, 가공 중인 부품을 가상으로 측정하는 것도 가능하다고 합니다. 이는 생산 중단 없이 오프라인에서 수행됩니다.

"이 신규 부품의 복잡성 때문에 실제 머신이 다른 작업을 돌리는 동안 버추얼 머신에서 약 2주간 프로그래밍과 셋업을 했습니다." 하름스 씨가 설명합니다. "실제 머신을 오프라인 시켜 신규 작업 셋업을 할 때쯤엔 모든 툴홀더가 정리되어 설치 준비가 됐고, 완전히 검증된 가공 코드로 빠르게 체인지오버할 수 있었습니다."

사탕 던지는 로봇이 있으신가요?

메탈퀘스트는 13대 팬룩 로봇을 갖춘 고도로 자동화된 51,000평방피트 시설을 운영합니다. 로봇을 팬룩에서 직접 구매해 자체 통합합니다. 사실 '사탕 던지는 로봇'이 4대 있습니다. 더 정확히 말하면, 쇼플로어에서 머신 텐딩을 하지 않을 때 사탕 던지기 기능으로 전환 가능한 4대입니다.

메탈퀘스트는 이 로봇들에 사탕 던지기 기능을 통합해 지역 커리어 페어나 자체 오픈 하우스에 가져갑니다. (각 로봇의 생산 작업량에 따라 4대 중 어느 것을 쓸지 결정합니다.)

이 컴팩트 유닛들은 오늘날 가공 및 제조 기업이 고도의 기술 집약적 운영임을 보여주고 대화를 시작하는 데 활용됩니다. 사용자가 컨트롤 스트립 버튼으로 너드(Nerds)나 허쉬 초콜릿(Hershey chocolates) 중 하나를 고르면 로봇이 비전 기능으로 선택된 사탕을 찾아 진공 그리퍼로 집은 뒤 누군가에게 던지거나 통에 넣습니다. "상상하시듯 커리어 페어 등에서 우리를 돋보이게 합니다." 스콧 볼크 씨 말합니다.