스마트 공장의 적층 제조:성공의 5가지 열쇠

[이미지 제공:3D Systems]

디지털 기술의 발전은 제조 공장의 운영 방식을 근본적으로 변화시켰습니다. 시설은 점점 더 상호 연결되고 있으며 스마트 공장이라고도 알려진 미래의 공장으로 가는 길을 열어주고 있습니다.

오늘날 공장의 3분의 1 이상이 스마트 시설로 전환되었으며 기업은 향후 5년 동안 40% 이상을 추가로 건설할 계획입니다.

스마트 공장으로의 전환을 촉진하는 핵심 기술 중 하나는 필수적인 디지털 제조 방법인 적층 제조(AM)입니다.

그러나 AM을 스마트 공장에 통합하는 데는 여러 가지 문제가 있습니다. 연결성 및 추적 가능성의 부족 외에도 기업은 지속 가능성 원칙을 기반으로 하는 자동화되고 안전한 AM 워크플로를 구축하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

이러한 요소를 초기에 고려하지 않으면 AM을 스마트 공장의 일부로 만들려는 제조업체는 운영이 성장함에 따라 기술 사용을 확장하는 데 어려움을 겪을 것입니다.

아래에서는 스마트 공장에서 AM을 통합하는 데 필수적인 5가지 요구 사항을 자세히 살펴보고 스마트 제조로의 여정을 지원하는 팁, 솔루션 및 접근 방식을 공유합니다.

AM은 어떻게 스마트 팩토리에 적합합니까?

Capgemini의 보고서에 따르면 스마트 공장의 이점을 누리기 위해 제조업체의 거의 70%가 디지털 혁신 여정에 착수했습니다.

이러한 디지털화를 배경으로 AM은 빠르게 핵심 디지털 제조 기술이 되고 있습니다.

AM 또는 3D 프린팅을 사용하면 부품 제조 프로세스가 소프트웨어로 제어되므로 고도로 디지털화된 프로세스가 됩니다. 여기에는 CAD에서 3D 모델을 생성한 다음 이를 2차원 레이어로 변환한 다음 인쇄하는 동안 차례로 적용하는 작업이 포함됩니다. 금형이나 절단 도구에 의존하는 기존 공정과 달리 AM에 필요한 도구는 3D 프린터뿐입니다.

AM의 많은 이점에도 불구하고 많은 조직은 여전히 ​​스마트 팩토리 솔루션으로 적층 제조를 최대한 활용하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 그 이유는 무엇보다도 스마트 공장 전체에서 AM을 확장하는 데 필요한 연결성, 자동화 및 보안이 부족하기 때문입니다.

AM을 스마트 공장에 성공적으로 통합하기 위한 5가지 핵심

스마트 제조 생태계의 일부가 되기 위해 성숙함에 따라 AM에 대한 5가지 필수 요구 사항을 확인했습니다.

1. 연결 및 데이터 관리

적층 제조에서는 생산의 모든 단계에서 데이터가 지속적으로 생성됩니다. 여기에는 하드웨어 및 재료의 데이터, 다양한 소프트웨어 시스템(ERP, PLM)의 데이터가 포함됩니다.

이 데이터를 통찰력과 운영 개선에 사용할 수 있으려면 장비나 데이터 비트가 격리되지 않도록 하는 것이 중요합니다.

산업용 사물 인터넷(IIoT)은 센서, 송신기, 소프트웨어 및 네트워킹을 사용하여 연결성 및 데이터 수집 기능을 향상시키는 핵심 기술입니다.

IIoT는 운영 기술(AM 기계 및 기타 장비)과 정보 기술(소프트웨어 및 네트워크) 간의 사일로를 제거하여 지속적인 실시간 데이터 전송을 보장하는 기능을 제공합니다.

차세대 3D 프린터에는 IIoT 기능이 탑재되어 있지만 제조업체는 여전히 IIoT에서 제공하는 데이터를 수집하고 분석하는 데 어려움을 겪고 있습니다. AM 데이터 사용의 주요 문제 중 하나는 연결이 끊긴 시스템과 데이터에 대한 실시간 액세스를 허용하지 않는 수동 프로세스입니다.

더 나은 연결 및 데이터 액세스를 달성하는 한 가지 방법은 단일 시스템에서 ERP, PLM과 같은 소프트웨어 시스템과 기계를 연결할 수 있는 특수 소프트웨어를 사용하는 것입니다.

이러한 시스템 구축은 AM 프로세스를 연결하는 중앙 플랫폼 역할을 하는 MES(Manufacturing Execution System) 소프트웨어를 통해 가능합니다.

MES 소프트웨어에 의해 활성화된 연결성은 데이터를 손끝에 두어 완전한 추적 가능성과 민첩한 의사 결정을 지원하는 관련 AM 데이터의 원활한 실시간 스트림을 설정할 수 있도록 합니다.

예를 들어, AM용 MES 소프트웨어는 기계 사용량, 생산 출력 및 수리 시간과 같은 전체 장비 효율성(OEE)과 관련된 KPI를 추적하고 문서화하는 대시보드 기능을 제공할 수 있습니다.

이를 통해 디지털 공장에서 AM의 고급 사용을 뒷받침하는 AM 생산 계획을 최적화할 수 있습니다.

또한 읽기:AMFG는 AM용 시스템 연결을 추진하기 위해 HP와 협력합니다.

2. 자동화

오늘날 AM의 가장 큰 제한 요소 중 하나는 반복적인 작업에 드는 인력의 비용입니다. 그렇기 때문에 스마트 공장 현장에서 AM을 도입하는 핵심은 엔드 투 엔드 자동화에 있습니다.

하드웨어와 소프트웨어, 로봇 공학, 센서 및 네트워크의 조합을 통해 달성되는 자동화는 엔드 투 엔드 디지털 생산 주기의 일부로 보다 간소화된 프로세스를 보장합니다.

AM 자동화는 설계에서 생산, 부품 처리 및 후처리에 이르기까지 AM 워크플로의 모든 수준에 걸쳐 있습니다.

설계 단계에는 현재 지원 생성과 같은 설계 프로세스의 일부를 자동화하는 데 도움이 되는 솔루션이 있습니다.

또한 토폴로지 최적화와 같은 설계 도구는 주어진 애플리케이션 및 엔지니어링 요구 사항에 가장 적합한 AM 설계를 생성하고 검증하는 데 도움이 되도록 발전하고 있습니다.

생산 단계에서 MES 소프트웨어의 도움으로 생산 계획 및 관리를 간소화할 수 있는 기회가 있습니다. 이 소프트웨어는 단일 디지털 플랫폼을 사용하여 수동 주문 처리 및 프로젝트 관리와 같은 노동 집약적인 프로세스를 대체합니다.

또한 3D 프린팅 하드웨어는 센서를 사용하여 더욱 자동화되어 전체 프로세스 모니터링이 가능합니다. 기업이 더 스마트한 하드웨어의 이점을 누릴 수 있는 한 가지 예는 원격 유지 관리입니다. 이 유지 관리를 통해 장애 발생 시 기업은 높은 OEE를 보장하기 위해 솔루션을 더 빨리 찾을 수 있습니다.

모든 AM 워크플로 단계 중에서 AM 사후 처리는 오랫동안 가장 자동화되지 않았습니다. 이것은 3D 인쇄 부품의 자동 세척, 분말 제거, 지지물 제거 및 염색을 위한 후처리 시스템의 도입과 함께 현재 변화하고 있습니다.

로봇 및 자동 안내 차량은 부품 처리 및 로드/업로드 작업을 간소화하여 AM 프로세스 자동화에서 점점 더 중요한 역할을 합니다.

3. 추적성

추적 가능성은 현재 AM을 생산에 도입하는 기업이 직면한 주요 문제 중 하나입니다.

제조에서 추적성은 원자재가 공장에 들어오는 순간부터 최종 제품이 출하되는 순간까지 제조 공정 전반에 걸쳐 모든 부품과 제품을 추적하는 기능을 의미합니다.

추적 가능성의 중요성은 제품 리콜 가능성을 넘어 생산 프로세스 전반에 걸친 가시성을 개선하고 핵심 데이터를 추적하고 프로세스를 최적화할 수 있도록 하는 문제이기도 합니다.

AM 생산 공정에 따른 추적 가능성에 대한 요구는 다음을 포함한 여러 요인에 의해 주도됩니다.

규제, 보고 및 품질 관리 요구 사항이 적용됨에 따라 AM을 스마트 공장에 통합하려면 AM 생태계 및 공급망 전반에 걸친 추적 가능성의 현재 부족을 해결해야 합니다.

이에 대한 한 가지 문제는 재사용된 재료를 추적하는 기능입니다. 예를 들어 금속 분말 베드 퓨전 기술에서는 인쇄 공정이 완료된 후 일정량의 금속 분말이 녹지 않은 채로 남아 있으며 체질한 다음 지정된 비율로 새 분말과 혼합할 수 있습니다.

재료 재사용 프로세스는 추적 가능해야 최종 사용자가 중요한 부품을 제작하는 데 고품질 재료를 사용하고 있음을 확신할 수 있습니다.

분말의 출처, 재활용 횟수 및 사용된 빌드를 추적하기 위해 현재 여러 소프트웨어 솔루션을 사용할 수 있습니다.

또한 각 배치의 부품이 안전 또는 품질 표준을 준수하도록 하려면 배치 추적성이 필수적입니다.

예를 들어 부품에 장애가 발생하면 근본 원인을 식별해야 합니다. 작업자가 부품 고장의 원인을 추적할 수 있는 시스템을 보유하는 것은 작업 추적 가능성의 기본적인 예입니다. 적절한 데이터가 없으면 이 수준의 추적 가능성을 달성하는 것이 불가능합니다.

추적 가능성을 달성하기 위해 AM 회사가 채택한 시스템의 한 예는 MES입니다. MES 소프트웨어가 지원하는 종단 간 추적 기능은 데이터 분석 및 비즈니스 인텔리전스 도구를 통해 보다 효과적인 품질 관리 프로세스를 구축할 수 있습니다.

3D 파일 및 부품에 무슨 일이 일어났는지, 그리고 제품 수명 주기에 따라 언제 회사가 주요 데이터를 쉽게 검토하고 오류나 결함이 발생할 때 프로세스를 최적화할 수 있으므로 AM을 위한 새로운 수준의 프로세스 품질을 추가할 수 있는 정확한 추적이 가능합니다.

추적 가능한 AM 작업을 설정하는 것은 공급망 전반에 걸쳐 투명성과 책임성을 보장하고 제품이 특정 표준을 충족하고 산업 규정을 준수함을 증명하는 데 도움이 되므로 생산 기술을 사용하기 위한 첫 번째 단계입니다.

또한 읽기:실시간 생산 가시성이 AM 작업을 향상시키는 5가지 방법

4. 지속 가능성

스마트 공장에서는 전통적인 선형 '가지고, 만들고, 처분하는' 생산 모델이 더 이상 실행 가능하지 않습니다. 스마트 제조는 기업이 재료 공급원료에서 사용된 소모품에 이르기까지 자원을 보존하고 재사용하는 순환 경제를 추구하는 지속 가능한 제조를 의미합니다.

AM은 생산을 위해 더 적은 재료를 필요로 하는 보다 효율적인 디자인을 생산할 수 있는 능력 덕분에 종종 지속 가능한 기술로 간주됩니다.

이러한 이점에도 불구하고 여전히 개선의 여지가 있습니다. 스마트 공장에서 AM을 지속 가능하게 사용하려면 다음과 같은 주요 지속 가능성 원칙을 고려하는 것이 중요합니다.

에너지 사용량 감소

지속 가능성의 관점에서 에너지 소비율은 CO2 배출과 같은 환경적 고려 사항과 직접적인 상관 관계가 있습니다.

특히 금속을 사용한 적층 제조는 결코 저에너지 기술이 아닙니다.

AM을 스마트 제조의 일부로 만들려면 높은 에너지 소비율을 상쇄할 방법을 찾아야 합니다.

이를 위한 한 가지 방법은 기술에 적합한 애플리케이션을 선택하고 최대한 설계를 최적화하는 것입니다. 최적화된 디자인은 더 저렴하고 빠르게 생산할 수 있습니다. 게다가, 더 나은 설계는 적층 제조된 부품(예:자동차 또는 비행기)이 사용되는 시스템을 더 에너지 효율적으로 만들어 시스템에 도움이 됩니다.

재료를 최대한 오래 사용

고려해야 할 또 다른 중요한 지속 가능성 요소는 AM 재료의 재활용 및 재사용입니다.

AM에 사용되는 폴리머는 대부분의 경우 쉽게 재활용할 수 있지만 재료의 지속 가능한 사용에 대한 가장 큰 우려는 금속 AM입니다.

분말 금속을 사용하는 금속 AM 기술을 채택할 때 금속 분말의 적절한 재활용 및 재사용을 위한 프로세스를 수립하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 여기에는 재료 추적성을 보장하기 위해 사용한 분말과 사용하지 않은 분말을 혼합하는 엄격한 체제를 만드는 것이 포함됩니다.

AM 분말 재사용 외에도 업계에서는 스크랩 재료를 적층 제조에 적합한 분말로 재활용하는 방법을 개발하고 있습니다.

예를 들어, 6K(구 Amastan Technologies)는 UniMelt 프로세스를 통해 완전한 순환 경제에 기여하고 있습니다. 선삭 및 부스러기와 같은 기계 가공 스크랩과 AM 지지대 및 거부된 부품을 미세한 입자로 기계적으로 연마하는 독점적인 방법을 사용합니다. 그런 다음 이들은 고품질 분말을 생산하기 위해 플라즈마 시스템을 통해 공급됩니다.

폐기물 관리

AM의 현실은 본질적으로 낭비가 없다는 것입니다. 폐기물의 두 가지 주요 원인이 있습니다. 하나는 후처리 폐기물이고 다른 하나는 인쇄 실패입니다.

대부분의 경우 이러한 폐기물 흐름은 설계 및 건설 준비 단계에서 고려하여 크게 최소화할 수 있습니다.

예를 들어, 엔지니어는 인쇄가 완료된 후 제거할 지지 구조 재료가 줄어들도록 지지 구조를 최적화할 수 있습니다.

인쇄 실패는 시뮬레이션 소프트웨어의 도움으로 방지할 수 있으며 인쇄 과정에서 부품이 어떻게 작동하는지 엿볼 수 있습니다. 시뮬레이션을 사용하면 인쇄 실패로 이어질 수 있는 인쇄 문제를 예측하고 설계 단계에서 이를 보완하는 것이 더 쉬워집니다.

궁극적으로 올바른 접근 방식을 사용하면 거의 낭비가 없는 적층 제조 공정을 구축할 수 있습니다.

5. 엔드 투 엔드 보안

산업이 스마트 제조와 함께 제공되는 비즈니스 가치를 포착하기 위해 움직이면서 사이버 보안 문제를 해결해야 할 필요성이 그 어느 때보다 커졌습니다.

AM 데이터의 무결성, 기밀성 및 권한 관리가 없으면 기업은 스마트 공장에서 AM을 확장할 수 없습니다.

이를 뒷받침하는 사실은 제조업체의 3분의 1 이상이 보안 위험 때문에 디지털 기술에 대한 투자를 꺼린다는 사실입니다.

AM과 같은 디지털 기술의 보안에 대한 우려는 충분히 근거가 있습니다. 디지털 파일에는 제품 사양 및 부품 생산 방법과 관련된 데이터가 들어 있습니다.

이러한 데이터에 대한 무단 액세스는 데이터 절도 또는 변조와 같이 기업에 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 회사의 지적 재산 무결성에 핵심적인 위협이 됩니다.

전통적인 제조 방식에서는 한 품목의 도난이 일반적으로 상당한 수입 손실로 이어지지 않습니다. AM을 사용하면 그 결과가 훨씬 더 심각할 수 있습니다.

설계 파일이 손상되면 권한이 없는 사람이 부품의 독점 설계 기능에 액세스할 수 있으며, 적절한 장비가 있는 경우 원하는 만큼 자주 개체를 복제할 수 있는 청사진을 제공할 수 있습니다.

결과적으로 스마트 팩토리 내부와 외부 파트너에 대한 AM 데이터의 안전한 디지털 전송은 데이터 무결성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

스마트 팩토리 환경에서 AM 보안을 위한 팁

스마트 공장 전체에서 AM 데이터를 보호하기 위해 집중해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

직원 교육

첫째, 사용자가 가장 큰 위협이 될 수 있음을 인정해야 합니다. 직원은 회사의 데이터나 시스템을 위험에 빠뜨리는 실수를 할 수 있습니다. 종종 그들이 일하는 비즈니스를 보호하는 방법을 가르치는 데 필요한 교육을 받지 않았기 때문입니다.

그렇기 때문에 직원을 교육하고 사이버 위협 및 대응책에 주의를 기울이도록 동기를 부여하는 것이 최우선 과제가 되어야 합니다.

데이터에 대한 액세스 관리

둘째, 데이터에 대한 액세스를 관리하는 방법과 암호화 및 강력한 인증 방법에 집중해야 합니다.

여러 회사에서 설계 파일을 암호화하여 승인된 사용자만 동봉된 데이터에 액세스할 수 있도록 하는 AM용 보안 솔루션을 개발하고 있습니다.

보안 파일 형식으로 전환

또 다른 고려 사항은 안전한 데이터 전송 및 상호 운용성을 지원하는 표준화된 파일 형식을 채택하는 것입니다.

AM 산업은 계속해서 구식 .stl 파일 형식에 의존하고 있지만 .3mf라는 보다 효율적인 파일 형식으로 대체하려는 움직임이 있었습니다. .stl과 비교하여 새 파일 형식은 데이터의 상업적 오용 또는 데이터 손상을 방지하는 데이터 보호 기능을 염두에 두고 설계되었습니다.

보안 기능을 염두에 두고 AM 하드웨어에 투자

또한 3D 프린터 연결이 증가함에 따라 조달 프로세스에서 보안을 요구 사항으로 만들어야 합니다. AM 장비는 수년 동안 서비스를 제공할 것이기 때문에 고도로 연결된 공장 네트워크에서 유지 관리 및 보호를 더 쉽게 하기 위해 보안 기능을 장비 설계에 통합해야 합니다.

AM 보안을 위한 많은 가능성이 있지만 결론은 모든 문제를 해결할 수 있는 단일 솔루션이 없다는 것입니다. 오히려 전체 수명 주기 동안 생산 등급 AM을 적절하게 확보하기 위해서는 다양한 기술이 필요합니다.

적절한 도구를 사용하여 스마트 공장에서 AM 확장

COVID-19는 기존 공급망과 제조 생태계가 현재 위기로 인한 변화와 도전에 발맞춰 적응력과 민첩성을 높여야 함을 세계에 보여주었습니다.

한 가지 솔루션은 스마트 제조를 향한 추진의 일환으로 AM과 같은 디지털 기술을 수용하는 것입니다.

많은 회사에서 AM을 채택하고 있지만 추적 가능하고 자동화되고 안전하며 지속 가능한 워크플로를 설정하려면 올바른 도구와 프로세스를 사용해야 합니다.

이러한 요구 사항의 대부분은 AM 기술의 고유한 요구 사항에 맞게 설계된 MES의 도움으로 달성할 수 있습니다.

Additive MES 소프트웨어를 사용하면 제조업체가 생산 계획, 일정 및 구현을 디지털 스레드에 연결할 수 있으며, 이를 통해 데이터를 사용하여 조직 전체에 걸쳐 가시성을 높이고 모범 사례 프로세스를 구축할 수 있습니다.

전략적 목표와 올바른 도구 및 기술이 있어야만 제조업체는 미래 공장에서 장기적인 AM 성공을 위한 토대를 마련할 수 있습니다.