스튜어트-하스 레이싱, 스마트 머신샵 전략으로 성능 향상·비용 절감 동시 달성

노스캐롤라이나주 커내폴리스 — 여느 자동차 제조사처럼 NASCAR 레이싱 팀도 차량 부품을 더 좋게, 더 싸게, 더 빠르게 만들려 한다. 수백 개 포춘 500대 브랜드가 화려한 차량 래핑에 로고를 걸고 있어 스포츠 투자는 여전히 건재하다.

하지만 현명한 기업이라면 신중함을 잃지 않는다. 레이싱 팀도 머신샵 운영에서 창의적 비용 절감 방안을 모색한다. 스튜어트-하스 레이싱이 이를 달성하는 한 방법은 마스터캠(Mastercam) CAD/CAM 소프트웨어(CNC Software Inc., 코네티컷주 톨랜드)의 다이나믹 모션(Dynamic Motion) 툴패스를 적용하는 것이다.

스튜어트-하스 레이싱은 3회 몬스터 에너지 NASCAR 컵 시리즈 챔피언 토니 스튜어트와 북미 최대 CNC 공작기계 제조사 하스 오토메이션 창업자 진 하스가 공동 소유한 타이틀 우승 팀이다. 몬스터 에너지 NASCAR 컵 시리즈에 4대(케빈 하빅 4번, 에릭 알미롤라 10번, 클린트 바우어 14번, 커트 부시 41번 포드 퓨전)와 NASCAR XFINITY 시리즈에 풀타임 1대(콜 커스터 00번 포드 머스탱), 파트타임 1대(98번 포드 머스탱)를 출전시킨다. 커내폴리스 소재 20만 ft²(약 18,580 m²) 시설에 약 370명 근무.

머신샵 내재화와 다이나믹 모션 툴패스 도입

이 중 4,000 ft²(약 372 m²)가 매우 활발한 머신샵이다. 스튜어트-하스는 과거 외주 맡기던 부품을 자체 생산으로 전환해 품질 관리 강화, 납기 단축, 독자 설계 보호를 도모했다. 생산 확대에 따라 시설 리스트(주로 하스 공작기계), 제조 공정·절차, CNC 파트 프로그래밍을 효율화했는데, 특히 새로운 다이나믹 모션 툴패스가 핵심이었다.

다이나믹 모션 툴패스란?

이 고급 CAM 툴패스는 최근 몇 버전의 마스터캠에 탑재됐으며, 약 10년 전 처음 출시돼 지속적으로 개선되고 밀링·선반 가공 전반의 더 많은 기능에 통합되고 있다.

일반적인 CNC 프로그램은 기하학적 경계 기반이다. 공구가 소재에 진입해 벽이나 장애물을 만날 때까지 한 방향으로 진행한 뒤 방향을 바꾼다. 부품 모델이 지시하는 모든 영역을 커버하며 경로상 소재와 비생산적인 공기 구간을 가리지 않고 절삭한다.

반면 다이나믹 모션 툴패스는 공구가 비관행적으로 움직이게 한다. 공구 움직임은 절삭 대상 영역뿐만 아니라 가공 단계별로 변하는 소재 상태까지 고려한 고도로 설계된 규칙 세트에 의해 제어된다. 독자 알고리즘이 다음 상황을 예측하고 대안을 저울질해, 소재 조건 변화에 따라 이송, 스텝오버, 절삭 동작을 자동 조정한다.

목표는 측면 힘을 제어해 열 발생을 유발하는 과도한 힘을 피함으로써 소재를 더 효율적으로 제거하는 것이다. '일정한 칩 로드 가공'이라 불리기도 하며, 더 부드럽고 안전한 움직임(끊임없는 절삭)으로 공구와 기계에 가해지는 응력을 완화해 수명을 연장한다.

"지난 1년 우리 숍에서 본 가장 큰 변화는 마스터캠 다이나믹 툴패스의 전면 도입입니다." - 존 시몬스, 스튜어트-하스 레이싱 CNC 머신샵 매니저
"정말 강력합니다. 이제는 작은 부품을 만들어 용접하는 대신 큰 빌릿에서 완제품을 바로 깎아낼 수 있습니다. 다이나믹 툴패스로 공구 인게이지먼트가 크게 늘어나 러핑 툴패스 최적화 부담이 줄고 피니싱 공정으로 훨씬 빨리 넘어갈 수 있습니다."

가공 속도 대폭 향상

시몬스가 예로 든 스티어링 센터 링크 부품은 다이나믹 모션 툴패스 혜택을 톡톡히 본 수많은 적용 사례 중 하나다. 스티어링 링크는 스티어링 박스와 바퀴를 연결하는 핵심 부품. 하스 VF6 TR(트러니언) 50-테이퍼 수직 CNC 밀링 머신에서 약 150파운드(68kg) 합금강 바(약 4×5×23.5인치, 102×127×597mm)로 시작한다. 러핑 공정이 기존 12시간에서 '소재 인식' 툴패스 적용으로 7시간으로 단축됐다.

"효율이 60~75% 향상됐다고 봅니다. 절삭 시간 단축뿐 아니라 공구 수명도 크게 늘었습니다." - 존 시몬스

이후 3D 컨투어 밀링으로 중요 치수를 마무리한다. 공차, 마감 형상, 부품 무게는 경쟁상 비공개이나, 러핑 가공 효율 향상의 주요 원인을 다음과 같이 설명했다.

• 열 축적과 과도 측면 힘 방지를 위한 최소 스텝오버
• 공구·기계 응력 완화하는 부드러운 움직임
• 고속 스핀들 회전
• 최대 플루트 인게이지먼트로 최다 소재 제거
• 끊임없는 소재 인게이지먼트(클라임 밀링)로 공기 절삭 최소화
• 공구 부하 일정 유지를 위한 스텝오버 동적 조정
• 소재에 가장 안전한 각도로 공구 진입하는 진입 전략
• 윤곽 형상에 관계없이 일정하고 안전한 절삭 상태 유지하는 소재 '인식' 기능(칩 크기 동일하게 유지하도록 경로 수정)
• 리포지셔닝 중 절삭 속도 조정 시 열 축적 방지를 위해 커터를 부품 바닥이나 벽에서 살짝 들어 올리는 마이크로 리프트

'복잡한 기술'의 현장 안착

중장비 하스 VF6 TR VMC 외에 하스 숍에는 14대 공작기계가 더 있다. 라이브 밀링 헤드 장착 하스 CNC 선반들이 최근 추가됐는데, 시몬스에 따르면 주로 외주 맡기던 선삭 부품을 내재화했기 때문이다. 가공 작업장에는 완비된 품질 관리 부서가 있어 각 부품을 꼼꼼히 검사한다.

"우리 숍에 복잡한 기술이 보편화되면서, 다양한 공급사로부터 받는 지원이 무엇보다 중요해졌습니다. 기술 보유를 넘어 투자 대비 최대 효과를 끌어내 궁극적으로 비용 절감, 효율 향상, 경쟁력 있는 차량 제작을 이루고 싶습니다." - 존 시몬스
"예를 들어 다이나믹 툴패스 사고방식으로의 전환은 혜택이 크지만 탐색 과정이 까다로울 수 있습니다. 저는 15년 가까이 CNC 프로그래머로 일했습니다. CNC 소프트웨어 애플리케이션 엔지니어들과 지역 리셀러 베어풋 CNC(Barefoot CNC)의 도움으로 훨씬 빨리 깨우쳤습니다."

편집: 빌 쾨닉(Bill Koenig), 모터라이즈드 비클 연감 편집자. 자료 제공: CNC 소프트웨어.