피닉스 프로토의 새 5축 머신(6스테이션 팔레트 풀, 팔레트 로딩 시스템)과 유사하게 장비된 3축 머신에서 자동화는 비전문가 눈에도 명백합니다. 하지만 숍의 5축 공정을 구성하는 더 미묘한 자동화 요소들도 있습니다. 사실 이러한 요소들이 가공 정밀도와 처리량에 악영향을 줄 수 있는 본질적 변수들에 최소한의 인간 개입으로 조정하며 요구되는 공차와 표면 조도를 반복 달성하게 합니다.
처리량 측면이 중요한데, 미시간주 센터빌 숍의 목표는 조립된 알루미늄 몰드를 3주 내 고객에게 납품하는 것이므로 고품질 머시닝 툴링 부품의 빠른 턴어라운드가 필수적입니다.
밥 라몬 사장은 알루미늄이 프로토타입 및 '브리지' 툴링(강철 양산 툴링 완성 대기 중 신제품 플라스틱 부품 사출 성형 개시용 임시 몰드) 제조에 흔히 쓰인다고 말합니다. 하지만 기존 강철 대신 양산용 알루미늄 몰드에 대한 관심이 증가하는 것을 봅니다.
"사출 성형 부품 형상과 수지에 따라 무코팅 알루미늄 몰드로 5만 샷 가능합니다. 경우에 따라 양산 필요량 충족 가능. 하지만 니보어 하드 니켈 코팅 기술로 알루미늄 몰드를 54 HRC로 경화하면 비마모성 수지 100만 샷 이상, 마모성 유리 충진 수지 25만 샷 가능해집니다."
이 숍이 생산하는 몰드 적용 분야는 가전, 자동차, 소비재, 의료, 총기 산업 등 광범위합니다. 이로 인해 숍이 단기간에 수용해야 할 몰드 크기, 피처, 지오메트리의 고혼합이 발생합니다. 라몬 사장은 고속 5축 머시닝 공정 자동화로 가장 복잡한 몰드 부품에 대한 긴 무인/라이트아웃 생산 달성이 자연스러운 해결책으로 보였고, 최근 미시간 숍 방문 중 이를 실현 중임을 확인했습니다.
피닉스 프로토는 고속 머신 3대, 일반 CNC 머신 3대 보유. 첫 자동화 머시닝 센터는 2012년 구매한 뢰더스 RXP500 3축 머신. 42,000 RPM, 리니어 모터, RCE 1 팔레트 체인지 시스템(6스테이션 팔레트 풀) 탑재. 현재 몰드 베이스 및 캐비티 블록 가공 주력.
오늘날 거의 모든 몰드 캐비티/코어 머시닝은 새 5축 뢰더스 RXP601DSH(더 큰 RCE 2 팔레트 체인지 시스템)에서 수행. 2016년 초 설치된 숍 최초(현재까지 유일) 5축 머신. 고속 3축 뢰더스와 마찬가지로 42,000 RPM 스핀들, 1나노미터 해상도 리니어 모터 드라이브. 리니어 모터는 빠른 이동 핵심, 2,362 IPM 급이송, 볼스크류보다 마찰 적어 전력 소비 감소.
5축 머신: 21.3×25×15.7인치 머시닝 엔벨로프, 최대 공작물 중량 440파운드, A축 스위블 ±115도 트러니언 스타일. 다른 회전 운동은 트러니언의 C축 플래터 제공. 로더스 아메리카 매트 바이어스 사장에 따르면 스핀들이 회전 축 운동을 제공하지 않는 트러니언 설계가 대체 5축 플랫폼보다 더 강성하여 중절삭 가능. 공작물 낮은 무게중심으로 고속 이동 중 관성력 낮아 팁/틸트 효과 완화.
바이어스는 머신의 독점 제어 기술이 피닉스 프로토 수행 고속 밀링에 이점 제공한다고 믿습니다. 효과적 고속 밀링의 두 중요 파라미터: 룩어헤드와 블록 처리 속도. 머신의 PC 기반 RMS6 CNC는 10,000블록 룩어헤드, 0.1밀리초 블록 처리 속도 제공.
머신의 빠른 사이클 타임과 고속 머시닝 기술로 가능한 높은 처리량은 이 공정에 통합된 모든 자동화 요소로 보완됩니다. 방문 중 발견한 10가지 자동화 요소:
5축 머신의 RCE 2 자동 팔레트 체인지 시스템은 6스테이션 팔레트 풀. 피닉스 프로토 요청으로 로딩 시스템 그리퍼 수정. 원래 팔레트 가장자리 밖으로 부품 오버행 불가. 그리퍼를 팔레트 하단에서 픽업하도록 수정해 더 큰 공작물 로드 가능. 이제 부품 크기는 로더 아닌 머신 용량만으로 제한.
뢰더스 잡 관리 소프트웨어로 잡 스케줄링/관리. 긴 잡은 야간/주말 실행 시도, 또는 충분한 단시간 잡을 셋업해 머신이 스스로 바쁘게 유지되도록 함.
5축 머시닝 자체가 자동화 형태. 두 유형: 컨투어링과 포지셔닝('3+2'). 피닉스 프로토는 이 머신에서 75%를 3+2 포지셔닝 수행. 두 추가 회전축으로 공작물 각도 틸트 후 해당 위치 고정. 이후 해당 방향에서 3축 작업 수행. 장점: 한 번 고정으로 부품 5면 공구 접근 가능. 셋업 횟수, 부품이 거쳐야 할 머신 수, 생산 중 부품 '터치' 횟수 최소화(이것이 '자동화').
3+2 파트 틸팅으로 깊은 리브 등 까다로운 몰드 피처 생성 위해 공구 깊이 도달 가능. 일부 경우 싱커 EDM 2차 작업과 전극 가공 필요성 제거. 사용되는 슈링크핏 툴홀더가 콜렛 스타일보다 직경 작아 추가 클리어런스 제공.
3+2로 더 짧고 강성 높은 커터 사용 가능. 긴 공구 필요 시 발생할 수 있는 진동/채터 위험 없이 더 빠르고 공격적인 절삭 가능. 진동/채터는 표면 조도 불량 유발, 피닉스 프로토 경우 몰드 부품 수동 벤치워크나 2차 EDM 작업 필요해 전체 생산 시간 연장. 볼 엔드밀 공구 수명도 향상: 부품을 다른 각도로 틸트해 공구 반경 더 많이 사용(회전 속도 0인 팁만 아닌). 반경 다른 영역 사용으로 더 나은 표면 조도 달성.
새 부품 로드 후 터치 트리거 프로브 자동 프로빙 루틴으로 부품/고정장치 상 여러 포인트 위치 식별해 부품의 머신 상 정확한 위치 확립. 머신 CNC가 네이티브 워크 좌표계를 자동 조정. 수동 심밍, 부품 넛징 등 부품을 완벽히 레벨링하고 머신 좌표계와 일치시키기 위한 시간 소모 작업 불필요.
5축 머신 베이스, 레일, 캐리지 등에 다양한 냉각 채널로 내부 열원에 의한 팽창 방지. 하지만 쇼플로어 주변 온도 변동(예: 하루 시작부터 끝까지) 적응 위해 터치 트리거 프로브 사용 자동 캘리브레이션 사이클 수행 가능.
뢰더스 캘리브레이션 사이클은 타 머신 툴 빌더들과 다름. 바이어스 설명: 타 사이클은 현재 머신에 로드된 팔레트 제거 후 툴링 볼 가진 다른 팔레트 교체 필요. 이 볼 프로빙으로 주변 온도 변화에 따른 위치 이동량 파악. 반면 뢰더스 사이클은 기존 공작물 팔레트 제거 불필요. 머신에 정밀 연마된 프리즘이 트러니언 암 주조와 C축 모터 주조에 있어 프로빙으로 위치 변화 파악, 필요 시 자동 보상. 피닉스 프로토는 월 1회 이 캘리브레이션 루틴 수행(문제 발견 시 또는 중요 피니싱 패스 전 추가 수행).
바이어스에 따르면 일부 머신 툴 빌더는 출고 전 각 머신별로 다른 속도/가동 시간에서 스핀들 팽창량 근사 알고리즘 생성. 하지만 고객이 날마다 머신을 다양한 방식으로 사용할 모든 경우를 고려하는 것은 본질적으로 불가능. 피닉스 프로토 5축 머신에는 실시간 스핀들 팽창/수축 적응 옵션 자동 스핀들 보상 시스템 탑재. 스핀들 면 근처 위치한 L자형 암에 부착된 비접촉 센서 사용. 나노미터 해상도 센서가 작동 중 스핀들 팽창/수축량 감지해 CNC에 피드백, Z축 상하 조정으로 보상. 5축 작업에서 특히 중요: 부품 틸트 시 스핀들 성장이 Z축뿐만 아니라 3개 선형 축 모두 툴팁 위치에 영향. 자동 보상으로 양호하고 일관된 표면 조도와 블렌드 보장.
각 툴 체인지 후 새 툴 길이와 직경 자동 측정: 머신 상 블룸 레이저 툴 세팅 프로브 사용. (레이저 프로브와 터치 프로브 캘리브레이션 툴 볼은 툴체인저 영역에 있어 칩/쿨런트로부터 보호.) 숍은 각 툴 직경에 공차 밴드 지정. 프로브가 툴 직경 아웃오브톨러런스 감지 시 해당 툴로 머시닝 불허. 예: 0.250인치 볼 엔드밀이 ±0.0002인치 초과/미달이면 사용 안 함. 커터 길이에도 동일 적용.
이전 단계에서 레이저가 교체되는 툴 파손 여부 판단. 파손된 툴이 팔레트 풀 대기 중인 후속 잡에 사용 예정이면 해당 잡들 생산 중단 안 함. "예: ATC 5번 위치 툴이 파손된 것 발견 시, 해당 툴 사용했던 부품 제거, 다음 예약 잡 로드해 5번 스테이션 툴 사용 단계까지 실행. 그 후 그 부품 제거하고 큐 다음 잡으로 이동. 이 과정 각 로드 잡마다 반복." - 스콧 라몬(운영 디렉터, 5축 머신 프로그래밍/셋업 2인 중 1인).
수동 위치 지정 필요한 일반 플렉시블 쿨런트 노즐만 쓰는 대신, 5축 머신에는 다음 툴 길이에 기반해 M코드로 노즐 방향 자동 조정해 절삭점에 쿨런트 스트림 향하게 하는 쿨런트 전달 시스템 탑재.
크리스 클라어(피닉스 프로토 엔지니어링 매니저, 5축 머신 프로그래밍/셋업 겸임)는 2010년 이전 CAD/CAM 소프트웨어와 시마트론 소프트웨어 비교 시간 연구 수행. "다른 소프트웨어 대비 30% 프로그래밍 시간 절약으로 시마트론 전환." 특히 5축 오토 틸트 기능 선호. 머신 구성요소, 공작물, 고정장치, 툴링 모두 3D 모델링되어 있어 오토 틸트 기능이 커터/툴홀더가 어느 깊이에서 부품과 충돌할지 판단 후 자동 틸트해 충돌 방지하고 작업 지속 가능. 해당 3D 모델로 프로그래머가 머시닝 작업 오프라인 시뮬레이션 수행해 잠재 충돌 탐지.
프로그래머들이 각 프로그램별 시마트론 오프라인 시뮬레이션 외에 뢰더스 컨트롤의 신택스 체크 기능 사용: 프로그램과 포스트프로세서 자동 교정으로 잡 스케줄링 전 에러 식별.
프로그램 중간에 머신 정지 필요 시, 프로그래머가 포스팅된 프로그램에 수동 진입해 머신 정지 라인 번호 찾아 그 위 코드 지워 적절한 위치에서 재시작할 필요 없음. 뢰더스 컨트롤에서 오퍼레이터가 커맨드 파일에 라인 번호 입력하면 프로그램을 자동으로 읽고 해당 지점에서 재시작.
피닉스 프로토의 무인 머시닝 전략에 많은 생각 들어갔지만 예상치 못한 상황 발생 가능성 인지. 그래서 3축/5축 뢰더스 머신 모두 에러 메시지와 함께 문자/이메일 알림 발송 설정. '팀뷰어' 소프트웨어로 머신 컨트롤 원격 로그인 가능, 로더스 서비스 기술자들도 원격 머신 진단으로 부품 교체 필요 여부, 드라이브 튜닝 필요 여부 등 파악 가능(사실 이 소프트웨어로 드라이브 튜닝도 원격 수행 가능).
그 외에도 옵션 있음. 두 뢰더스 머신 사이 천장에 카메라 매달아 프로그래머들이 폰으로 접근해 상황 확인(위 슬라이드쇼 사진 참조). 카메라 팬/줌으로 머신이나 CNC 화면 확인해 현재 실행 중인 잡 상태 시청/청취 가능. "지금처럼 바쁠 때 밤중 특정 시간에 폰으로 체크인합니다. 다운된 머신은 스케줄에 큰 지장 주니까요. 마치 머신 앞에 서 있는 것 같습니다." - 클라어.
자동화 제어 시스템
Diversified Fittings의 두 트윈-스핀들/트윈-터렛 선반은 업체에서 가장 생산적인 기계로, 가장 높은 스핀들 활용률을 제공합니다. 일부 업체들은 자신들이 하는 일을 매우 정확하게 설명하는 이름을 가집니다. 오하이오 주 Perry의 Diversified Fittings가 그 하나입니다. 유압 산업에서 평생을 보낸 Craig Cogar가 1997년 Diversified Fittings를 설립했습니다. 이 업체는 모든 유형의 복잡한 유압 피팅과 어댑터 가공을 전문으로 하며, 8,000개까지의 적당한 배치 크기에 집중합
자동화 전 반드시 검토해야 할 4가지 요소 기술 발전, 인건비 상승, 경쟁 심화로 자동화 필요성 증대. 하지만 공장·조립 공정 자동화 전 중요한 요소들을 고려해야 합니다. 1. 투자수익률(ROI) 최우선 고려 로봇·자동화 장비 초기 투자 회수 기간? 기술 향상·비용 하락으로 수개월 내 회수 가능. 현재 생산 비용 추정 → 자동화 로봇 솔루션 비교로 대략적 회수 기간 산출. 로봇 벤더·시스템 통합업체 도움 활용. 2. 현재 공정에 대한 완벽한 이해 가장 성공적인 자동화 솔루션은 자사 공정을 완벽히 이해하는 기업에서 나옵니다. 애
