부품 핸들링 가속화: CAD/CAM 소프트웨어가 셋업 시간 단축과 효율 증대를 이루는 방법

소프트웨어 발전은 툴패스 개선, 작업 셋업 시간 단축, 디지털 공구 라이브러리와의 통합, 머신 시뮬레이션·검증·분석 도구 개선에 초점

거의 모든 CAD/CAM 벤더에게 현재 집중하는 것이 무엇인지 물어보면, 5년 전과 같고 5년 후에도 같을 것이라고 답할 것입니다: 부품을 가능한 한 빨리 기계에 올리고, 가능한 한 빨리 기계에서 내리는 것입니다. 이 두 주요 영역의 현재 상황을 살펴봅니다.

최근 몇 년간 CAD/CAM 소프트웨어에는 효율성 증대와 작업 셋업 시간 단축을 위한 다양한 변화가 있었습니다. 하지만 지멘스 PLM 소프트웨어(텍사스주 플라노)의 NX CAM 제품 개발 이사 빈센트 파라다이스가 말했듯 "은탄환은 없습니다." 그는 자동화를 가장 중요한 보조 수단으로 꼽았으며, 여기에는 사전 정의된 템플릿의 사용과 CAD 파일 내 제품 및 제조 정보(PMI)의 활용 증가가 포함됩니다.

"우리는 공차 및 마감 요구사항 등 CAM 공정에서 하류로 활용할 수 있는 정보를 CAD 모델링 과정에 더 많이 추가하려 노력합니다." 파라다이스의 설명입니다. "스마트 디지털 모델을 읽을 수 있다면, 요구되는 공차에 기반하여 가공 방법을 자동으로 선택하는 데 사용할 수 있습니다."

오픈 마인드 테크놀로지스 USA(매사추세츠주 니덤)의 매니징 디렉터 앨런 레빈도 매크로를 통한 CAM 프로그래밍 자동화의 가치를 강조했습니다. 매크로에는 작업장의 모범 사례가 저장됩니다. "예를 들어, 깊은 구멍을 특정 방식으로 드릴링하고 싶을 때, 다른 펙킹 단계와 이송을 사용합니다. 우리는 프로그래머가 이 단계를 반복하지 않도록 이러한 프로세스를 매크로로 쉽게 저장할 수 있게 합니다." 그의 말입니다. 오픈 마인드의 소프트웨어는 사용자가 매크로를 분류하여 쉽게 찾고 적용할 수 있도록 돕습니다. 또한 프로그래밍 어시스턴트 모듈은 작업장마다 다르지만 특정 작업장 내에서는 일반적으로 표준화된 특정 셋업 작업을 자동화합니다. 예를 들어, 제로 포인트를 어디에 설정할지 등입니다.

오픈 마인드의 hyperMILL 소프트웨어에 포함된 hyperCAD-S 모듈은 NC 프로그래머의 CAD 지향 작업을 가속화합니다. 점, 곡선, 면, 솔리드, 폴리곤 메쉬를 쉽게 선택할 수 있게 합니다. 레빈에 따르면 요소는 빠르게 추가, 삭제, 수정, 표시, 숨기기 가능하며, 모든 기능은 NC 프로그래머의 작업에 맞춰져 있습니다. 그뿐만 아니라 이 모듈에는 고정구 위치 지정이 포함되어, 사용자가 가공하는 부품의 어느 면이든 일치하도록 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 클램핑 조를 최적 위치로 선형 또는 반경 방향으로 이동할 수 있습니다.

같은 맥락에서, 오토데스크(캘리포니아주 산 라파엘)의 PowerMill 및 FeatureCAM 제품 마케팅 매니저 마크 개즈든은 FeatureCAM 사용자가 기계를 단계별로 프로그래밍할 필요가 없다고 지적했습니다. 대신 '턴', '보어', '볼트' 등 일상적인 현장 용어를 사용하여 프로그래밍합니다. "이것은 그러한 용어로부터 니즈와 요구사항을 인식할 만큼 충분한 지능을 가지고 있으며, 라인별로 지시하지 않아도 자동으로 적절한 속도와 토크 강도를 채택합니다."

개즈든은 FeatureCAM의 DAFR(Directed Automated Feature Recognition) 기능도 언급했습니다. "홀, 보스, 측면, 포켓을 단일 워크플로에서 자동으로 인식하여 더 빠른 프로그래밍을 가능하게 합니다. 표준 AFR은 활성 Z축으로 모델을 슬라이스하여 모델 아래로 내려가며 완전한 피처를 생성하는 반면, DAFR은 인식 시작 전에 사용자가 원하는 피처를 선택할 수 있게 합니다. 프로그래밍 시간을 최소화하고 사이클 타임 감소에 도움을 줍니다. 관례를 깨고 DAFR은 터닝 프로젝트에도 사용할 수 있습니다. 사용자에게 인덱스 각도 선택 옵션을 제공하여 필요한 Z축 이동 횟수를 줄이고 절삭 속도를 높입니다."

3D 시스템즈(사우스캐롤라이나주 락 힐)의 제품 매니저 다니엘 레메낙도 밀링을 넘어선 프로그래밍 보조 기능에 대해 언급했습니다. "GibbsCAM의 MTM 제품은 멀티태스크 머신을 위한 완전한 가공 솔루션을 제공하여, 여러 스핀들에 걸쳐 밀링, 터닝 및 기타 작업을 프로그래밍하여 부품의 모든 면에 접근할 수 있게 하며, 동기화 및 자동 부품 이송 작업을 지원하여 원세트업, 무인 가공을 가능하게 합니다. 마찬가지로 GibbsCAM의 톰스톤 관리 시스템은 하나 또는 여러 작업의 톰스톤 고정구에 대한 자동 부품 배치를 제공하여, 다음 톰스톤이 기계 외부에서 셋업되는 동안 기계가 풀타임으로 가동되도록 합니다."

CNC 소프트웨어(코네티컷주 톨랜드)의 선임 마켓 애널리스트 벤 문드, Mastercam 소프트웨어 개발사는 대부분의 작업장이 다양한 고객으로부터 다양한 형식의 부품 파일을 받는다고 언급했습니다. "따라서 우리 초점의 큰 부분은 머시니스트를 위한 CAD 도구를 만들어 부품을 준비하고 더 빨리 기계에 올리는 것입니다. 홀 채우기, 고정구 생성, 표면 또는 솔리드 복구 등이 있는데, 이들은 종종 손상되거나 불완전한 상태로 들어옵니다." 문드는 머시니스트가 부품 모델링 시 설계자가 고려하지 않은 상황을 자주 다루게 된다고 덧붙이며, 이것이 머시니스트에게 특화된 CAD 기능을 제공하는 또 다른 동기가 된다고 말했습니다.

시뮬레이션인가 무시인가

3차원 가공 시뮬레이션은 엄청난 프로그래밍 보조 수단이었으며 계속 개선되고 있습니다. 로봇 로딩과 슬라이딩 도어의 로고까지 포함한 공작 기계 전체의 시뮬레이션을 예로 들 수 있습니다. 가공 관점에서는 필요하지 않을 수 있지만, 문드가 관찰했듯:

"오퍼레이터는 공구로 금속 덩어리를 깎아냅니다. 정확성에 대한 자신감을 높일 수 있는 모든 것은 좋습니다. 그리고 그것은 검증 전체에 대한 자신감을 심어주는 훌륭한 방법입니다." 그는 복잡한 멀티태스킹 기계의 경우, 모든 디테일을 시뮬레이션하는 것이 중요하다고 덧붙였습니다. 그렇지 않으면 프로그래머가 충돌을 예측하고 회피하기 어렵기 때문입니다.

레메낙은 CAM 벤더들이 시뮬레이션 범위를 확장하고 있다고 동의했습니다. "프로그래머들이 보간 터닝, 스레드 월링, 폴리곤 터닝, 브로칭, 심지어 적층 금속 증착 공정 등 새로운 가공 유형에 대한 정확한 시뮬레이션을 요구하기 때문입니다."

지멘스의 파라다이스는 흥미로운 관찰을 했습니다. "CAM 시스템은 우리가 프로그래머에게 제공한 것보다 툴패스에 대해 훨씬 더 많이 알고 있었습니다. 하지만 지난 몇 년 동안 우리는 훨씬 더 많은 툴패스 정보를 표시하기 시작했습니다." 예를 들어 공구 각도, 남은 소재 두께 표시, 문제 발생 시 해당 지점으로 프로그래머를 안내하는 것 등입니다.

"이 모든 것이 매우 당연하게 들리지만 꽤 새로운 일입니다." 그가 지적했습니다. "이것들은 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하려 하거나 뛰어난 마감을 얻으려는 프로그래머에게 꽤 중요할 수 있습니다." 자동 충돌 감지는 CAM 패키지의 공통 속성이었지만, 항상 프로그래머가 어디서 왜 발생했는지 쉽게 알 수 있게 한 것은 아닙니다. 파라다이스는 이것이 변하고 있다고 말했습니다. "우리는 사용자에게 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 더 정확한 정보를 제공하여 더 나은 가공 작업을 만들 수 있도록 돕고 있습니다."

CNC 소프트웨어의 문드는 모션의 컬러 코딩이 도움이 된다고 덧붙였습니다. "한눈에 속도와 이송, 모션 유형, 사용된 공구 유형을 볼 수 있습니다." 그는 프로그래머가 "한 조각의 모션을 파고들어 그것을 구동하는 숫자들을 볼 수 있게 해주는" 광범위한 툴패스 분석 도구와 분석 도구를 현대 CAM이 제공한다는 파라다이스의 견해에 공감했습니다. "그것이 필요한 경우는 덜 흔하지만, 필요할 때 그것을 갖는 것이 중요합니다."

반대로, 때로는 있는 그대로 보여주지 않는 것이 최선일 수 있습니다. 문드는 CAD에서 CAM으로의 전환을, 머시니스트가 일시적으로 피처(예: 부품 모서리의 R)를 억제하여 가공을 더 쉽게 만들 수 있는 능력으로 도울 수 있다고 말했습니다.

파라다이스에 따르면, CAD 모델의 디테일을 줄이면서도 여전히 CAM 프로그램에게 해당 영역의 피처를 가공하라고 지시하는 것이 도움이 되는 때도 있습니다. "모델링 시간을 절약합니다. 파일 크기를 절약합니다. 그리고 내 CAM을 자동화합니다. 이 모든 것이 같은 과정에서 이루어집니다." 이 마지막 예는 오토데스크처럼 지멘스 PLM도 NX로 완전한 CAD/CAM 패키지를 제공한다는 것을 상기시킵니다.

마지막으로 파라다이스는 모든 CAM 시뮬레이션이 동등하게 정확하고 매끄러운 것은 아니라고 주장했습니다. "우리는 최종 기계 공구로 갈 G-코드를 사용하여 NX CAM 내부에서 시뮬레이션을 구동합니다. 포스트프로세싱이 시스템에 내장되어 있습니다. 따라서 경로를 프로그래밍하자마자 시스템이 G-코드를 생성하고, 우리는 그 G-코드를 사용하여 시뮬레이션을 구동합니다."

파라다이스는 대부분의 CAD/CAM 패키지가 가공 시뮬레이션을 위해 서드파티 제품을 사용한다고 말했습니다. "자신의 포스트프로세서에서 G-코드를 내보내고 다른 시스템으로 가져와야 합니다. 그리고 그 시스템에서 기계 모델, 작업 고정, 절삭 공구도 복제해야 합니다. 거기서 G-코드 구동 시뮬레이션을 실행합니다. 설계 변경이나 문제가 있으면 다시 CAM 시스템으로 가서 변경하고, 다시 사이클을 반복해야 합니다. 우리는 이 모든 것을 NX CAM 내부에서 실시간으로 수행한다는 점에서 독특합니다."

부품 완성

절삭 공구 바로 앞의 소재에 대한 체적 분석을 기반으로 최적 이송률을 자동 프로그래밍하는 기능은 사이클 타임을 단축하려는 노력에서 아마도 가장 뜨거운 주제일 것입니다. 모든 CAM 제공업체가 이 기능을 제공하며, 이름은 다르지만 작업 및 축 구성에서 변형이 있습니다. Mastercam에서는 '다이내믹 모션(Dynamic Motion)'이라고 부르는데, 문드가 설명했듯 소프트웨어가 "공구의 결합을 지속적으로 변경하여 칩 로드가 일정하게 유지되도록 하기 때문"입니다.

쉬운 예로, 직선 구간에서는 빠르게 가고 코너에서는 느리게 가는 것입니다. 과거의 방식은 공구가 코너에서 생존할 수 있는 이송률을 설정하고, 전체 외주에 같은 비율을 적용하는 것이었습니다.

목표는 물리적으로 가능한 한 공작물과 계속 결합해 있는 것이며, 이는 기존 황삭 및 트로코이달 가공과 구별됩니다. 트로코이달 가공은 부품의 한 구간을 깎고 다른 작은 구간을 깎기 위해 루프를 돕니다. 위에서 보면 다이내믹 모션의 툴패스는 혼란스러워 보일 수 있지만, 칩은 크기와 모양이 일정합니다. 또한 공구 마모에 기여하는 이격과 재결합을 줄여 공구에 더 좋습니다.

문드는 또 다른 이상은 공구의 절삭면을 가능한 한 많이 사용하는 것이라며, 깊은 축 방향 절삭을 취한다고 덧붙였습니다. "비록 기존 가공보다 반경 방향으로는 조금 더 얕게 하지만, 직관에 반하는 것 같지만, 얕은 반경 결합으로 깊은 축 방향 절삭을 하는 것이 깊은 반경 절삭으로 단계적으로 내려가는 것보다 훨씬 빠릅니다."

문드는 대부분의 CAD/CAM 패키지에 유사한 기술이 있음을 인정하며, 이것이 "지난 몇 년간 복잡한 황삭과 2D 마무리의 표준적인 방법이 되었습니다. 보편적으로 유익한 툴패스 유형을 만드는 데 우리가 도달한 가장 가까운 지점입니다. 오래된 기계와 비(非)최고급 공구를 사용하는 작업장에서 가공 시간을 50~60% 단축한 것을 보았습니다."

오픈 마인드의 접근법은 셀러리티브 테크놀로지스(Celeritive Technologies Inc., 캘리포니아주 무어파크)의 기본 VoluMill 키트를 라이선스하고, 슬라이싱을 통한 다중 깊이 구현, 섹셔닝, 충돌 체크 등을 위한 독자적 방법을 추가하는 것이었습니다. 커스터마이징을 고려하여 제품명을 'Maxx Machining 황삭'으로 정했습니다.

레빈은 구현의 가장 독특한 측면이 5축 가공으로의 확장이라고 말했습니다. "타이어 몰드나 항공기 엔진 케이싱 같은 형상 부품이 있다면, 우리는 5축 황삭 경로를 제시할 수 있습니다. 타이어 몰드 같은 곡면에 전통적인 CAM을 사용하면 많은 Z축 절삭을 하게 되고, 그 표면에 많은 계단 현상이 남습니다. 우리가 5축에서 고성능 황삭을 적용하면 형상에 맞춰 변형되어 마무리 경로를 위해 일정한 양의 소재를 남깁니다. 전체 공정이 더 잘 진행되고 중간 정리 절삭을 많이 절약할 수 있습니다."

문드는 Mastercam이 최근 다이내믹 모션을 5축 황삭과 터닝에 추가했다고 말했으며, 개즈든은 PowerMill의 새로운 '자동 공구축 틸팅...이 모든 모델 형상과 툴패스 유형에 대해 부드럽고 안전한 5축 모션을 생성하는 단일 솔루션을 제공하여, 3축 코드만큼 쉽게 5축 프로그램을 만들 수 있게 한다'고 말했습니다.

GibbsCAM도 VoluMill을 사용하며, 레메낙은 이것이 절삭 시간과 공구 수명을 극적으로 개선했다고 인정했습니다. 그는 "최근 발전으로 이러한 고효율 밀링 알고리즘의 교훈이 터닝에 적용되어, GibbsCAM 12에서 사용 가능한 VoluTurn과 같은 새로운 세대의 터닝 툴패스가 탄생했습니다. 이 새로운 터닝 툴패스는 높은 소재 제거율을 제공하면서 기계와 공구 응력을 줄여 절삭 품질과 공구 수명을 향상시킵니다."라고 덧붙였습니다.

비절삭 시간 단축

당연하게도 현대 CAM은 리트오프 높이와 리트오프 거리를 모두 줄여 비절삭 시간을 최소화합니다. "리트오프 높이는 사소해 보이지만 큰 부품에서는 큰 차이를 만들 수 있습니다." 파라다이스의 관찰입니다. 그는 절삭 및 비절삭 경로의 이동을 부드럽게 하는 것의 중요성에도 주목했습니다.

"비절삭 모션을 처리하는 쉬운 방법은 기계에 정지, 리트오프, 다음 가공 영역 위 지점으로 급속 이동, 다시 정지, 하강, 결합을 지시하는 것입니다. 몇 번의 이동에는 괜찮지만, 시간이 지나며 가공할 부품이라면 정확히 같은 위치에서 수천 번의 그런 이동이 기계 메커니즘에 가해져 손상을 줍니다. 또한 느립니다. 적절한 곡선을 계산하고 양 끝에 가감속을 넣는 것이 최선입니다. 예를 들어, 대형 고객이 비절삭 경로를 부드럽게 하는 것만으로 수백 대 기계에서 사이클 타임 10%를 절약했습니다."

비절삭 시간 부드럽게 하기는 정교한 컨트롤이나 비싼 기계를 필요로 하지 않습니다. 경제적인 기계의 생산성도 쉽게 높일 수 있는 방법입니다. 또한 기계 마모를 줄여 기계 수명을 연장시킵니다.

기타 흥미로운 발전

추가 개선 사항으로는 오픈 마인드의 hyperMILL에 새로 추가된 3D 최적화 황삭 사이클이 있습니다. 이는 고이송 커터(얕은 절삭에 큰 스텝오버를 사용하는)를 사용하는 애플리케이션을 위해 향상되었습니다. 스텝오버 거리는 고이송 커터 형상에 대한 스캘롭 높이 측정으로부터 계산될 수 있으며, 큰 스텝오버로 인해 코너에 남은 소재를 제거하는 특수 툴패스 이동이 있습니다.

레빈은 비결이 커터 바닥의 형상을 정확히 모델링하는 데 있다고 말했습니다. "다른 소프트웨어는 고이송 커터를 코너 R이 있는 불노즈 커터로 근사합니다. 고이송 커터 바닥에는 실제로 큰 유효 반경이 있으며 우리는 그것을 그대로 모델링합니다."

한 가지 이점은 소프트웨어가 커터 형상이 여지를 남기는 위치를 알기 때문에 벽면에 더 가깝게 가공할 수 있다는 것입니다. 커터를 평평한 바닥으로 근사하는 시뮬레이션은 실제로는 접촉이 없는 곳에서 접촉을 봅니다. 레빈은 커터 모델링이 인접 절삭 간 거리 계산을 개선하여 표면 품질을 제어할 수 있게 했다고 덧붙였습니다.

고이송 커터에 국한되지 않는 또 다른 오픈 마인드 기능은 '지능형 절삭 분할'입니다. 예를 들어, 공작물의 한 구간에서 4.1인치(104mm)의 소재를 제거해야 하고 프로그래머가 1.0인치(25.4mm) 스텝오버를 지정했다면, 마지막 절삭은 매우 얇아질 것입니다(이 예보다 더 얇을 수도 있습니다). 비효율적일 뿐만 아니라, 그런 얇은 조각을 가공하는 것은 일부 소재에서 매우 해로울 수 있다고 레빈은 말했습니다. "그래서 우리는 지정된 스텝오버를 오버라이드하여 총 단계 수에 기반해 재계산함으로써, 모든 절삭이 동등한 양의 소재를 제거하도록 하는 옵션을 제공합니다."

마지막으로, 많은 기업이 '서클 세그먼트 엔드밀' 및 기타 새로운 원뿔형 배럴 공구 디자인의 사용을 가능하게 하고 있습니다. (참조: "새로운 공구 디자인이 역대 가장 빠른 절삭을 가능하게 하다", ME 툴링 & 워크홀딩 이슈, 2018년 봄). 레빈이 설명했듯, 이러한 공구는 최대 1,500mm의 유효 반경을 가지며, 6mm와 8mm의 스텝오버 거리를 현실화하여 90%를 초과하는 사이클 타임 단축과 함께 우수한 표면 조도를 제공합니다. "인접한 영역(둥근 내부 모서리 등)을 마무리하기 위해 공구를 교체할 필요가 없고, 접근하기 어려운 영역을 효율적이고 안전하게 가공할 수 있습니다."

개즈든은 3년 전 한 고객과 협력하여 배럴 공구를 사용한 매우 복잡한 블리스크의 5축 가공을 최적화했고, 밀링 사이클 타임을 200시간에서 35시간으로 단축했다고 말했습니다. "그것은 83%의 절감이며, 공구 비용도 72% 줄였습니다."

또 다른 개선 영역은 3D 프린팅입니다. 오토데스크의 개즈든은 절삭과 적층 공정을 결합한 기계의 가용성이 증가하고 있음을 강조했습니다. "이 하이브리드 기계는 우리가 부품을 제조하는 방식을 변화시킬 것으로 보이지만, 적층 공정이 단순히 절삭 공정의 역순이 아니기 때문에 CAM 소프트웨어에 프로그래밍 과제를 제시합니다. 이를 염두에 두고, 오토데스크는 PowerMill에 고속 적층 제조 공정을 프로그래밍, 제어, 시뮬레이션하기 위한 특수 도구를 추가했습니다."