무인 EDM: 자동화 정밀 가공으로의 도약

EDM 공정 자동화에는 훌륭한 기계 이상의 것이 필요합니다

대부분 EDM은 무인 또는 최소 인원 관리 공정입니다. CNC 선반이나 머시닝 센터에서는 야간에 공구가 파손되면 다음 날 아침이 악몽이지만, 금형 캐비티 침식이나 트림 다이 커팅은 별도의 관리가 거의 필요 없습니다. 왜 모두 퇴근한 후에도 기계를 가동하지 않을까요? 와이어가 끊기면 EDM이 자동으로 새 와이어를 스레딩합니다. 전극이 쇼트하면 제어 장치가 복구를 시도하거나 담당자가 올 때까지 모든 것을 중단합니다. 큰 문제가 아닙니다.

그러나 진정한 무인화를 이루려면 자동 스레더와 스마트 회로 이상의 투자가 필요합니다. 전극을 싱커에 로드할 뿐만 아니라 인근 머시닝 센터로 이송해 가공하는 로봇, 자동 슬러그 제거 및 와이어 교환 기능이 있는 와이어 EDM, 원격 모니터링, 공정 내 측정 시스템, 부품 팔레타이제이션이 필요합니다. 무엇보다 훌륭한 조직과 지속적 개선에 대한 의지가 필요합니다. 시간과 비용의 큰 투자지만, 기꺼이 도전하는 사람이라면 값비싼 EDM 자산을 24시간 가동할 이유가 없습니다.

잡아라(Grip)

자동화 여정에서 가장 쉬운 단계 중 하나는 싱커 EDM 앞에 로봇을 배치하는 것입니다. 언뜻 보면 많은 머시니스트에게 이상한 작업처럼 보일 수 있습니다. "로봇을 가진 많은 고객이 이를 거대한 공구 교환기로 사용한다"고 MC 머시너리 시스템즈(MC Machinery Systems Inc.)의 마이크 바스트렉(Mike Bystrek) 와이어 EDM 제품 매니저는 말합니다. "대형 캐비티에는 수십 개의 전극이 필요하고, 양산 작업장에서는 여러 작업에 걸쳐 100개 이상의 전극이 사용되므로 캐러셀이나 랙 스타일 공구 교환기 대신 로봇을 사용하는 것이 일반적입니다."

로봇은 여러 기계를 관리하며, EDM에서 전극을 꺼내 흑연 밀이나 머시닝 센터로 이송합니다. 설정 전 좌표 측정기(CMM)에서 전극 자격 검사를 하고, 완제품을 CMM으로 운반해 측정 대기 후 선반에 보관하거나 추가 가공을 위해 싱커로 다시 가져갑니다. 금형 베이스나 인서트 교체에도 사용할 수 있으며, 로봇 적재 용량 내에 들어간다면 가능합니다.

"이 부분은 공작물 크기에 크게 좌우됩니다"라고 MC 머시너리 싱커 제품 매니저 팻 크라운하트(Pat Crownhart)는 말합니다. "공작물이 클수록 더 크고 비싼 로봇이 필요하지만, 경험상 12인치(304.8mm) 정사각형 팔레트에 들어가는 것은 자동화 대상입니다."

둘 다 싱커 EDM에서 로봇 사용이 증가하고 있다고 동의했지만, 크라운하트는 와이어 기계에서는 훨씬 덜 흔하며 슬러그 관리가 주된 이유라고 지적했습니다. "전통적인 펀치 및 다이 작업이나 항공우주 부품처럼 많은 재료를 제거하는 경우 보통 자동화에 적합하지 않습니다."

더 나은 작업장 구축

EDM 유형이나 브랜드에 관계없이 장비를 자동화한 업체들은 분명 큰 수익을 보고 있습니다. 리드 타임 단축, 부품 품질 향상. 초기에는 막대한 투자처럼 보이지만, 자동화를 제대로 구현하면 운영 비용이 줄고 이익 마진이 커집니다(종종 크게).

하지만 서두르지 마세요. 마키노(Makino Inc.)의 존 브래드포드(John Bradford) VMC/EDM 턴키 및 자동화 매니저에 따르면, EDM 소유자와 운영자는 자동화 프로젝트를 시작하기 전에 금속 가공 공정을 안정화하고 최적화해야 합니다. 이는 다음 단계를 위한 길을 닦을 뿐만 아니라 작업장을 더 유능하게 만듭니다.

"우리는 종종 열기에 들뜬 고객들에게 접근받습니다"라고 그는 말했습니다. "자동화를 어떻게 활용할 수 있는지 알고 싶어하지만, 일관되고 신뢰할 수 있는 공정이 먼저 있어야 한다는 것을 이해하지 못합니다. 비효율적인 공정을 자동화한다고 더 효율적이 되지는 않습니다."

마키노 EDM 제품 라인 매니저 브라이언 플루거(Brian Pfluger)는 신뢰할 수 있는 공정이 신뢰할 수 있는 고품질 기계에서 시작된다고 말했습니다. "원하는 부품 품질에 상응하는 올바른 기계 플랫폼 없이는 무인 환경에서 운영하려는 시도가 통하지 않을 것입니다. 기계의 질량, 위치 피드백 시스템, 열적 안정성 등은 자동화 환경을 구축하는 데 필요한 기초의 핵심 요소입니다."

슬픈 진실

캐비티를 침식하든, 샤프트를 선삭하든, 포켓을 밀링하든 우리 업계의 불편한 진실은 이렇습니다. 독립형 공작기계의 가동률은 일반적으로 40%를 넘지 않으며, EDM도 예외가 아닙니다. 긴 사이클 타임의 작업장이나 연간 수백만 개의 동일한 위젯을 만드는 곳은 이보다 높은 값을 누리지만, 점점 복잡해지는 부품을 더 적은 양산량으로 만드는 추세와 만성적인 숙련공 부족은 작업장에 자동화하거나 도태되라는 압박을 가합니다.

하지만 자동화가 실제로 무엇을 의미할까요? 테이블에 최대한 많은 부품을 올려놓고 무인 가동시키는 것이 한 정의지만, 이 접근은 재공품(WIP) 증가와 대량 스크랩 가능성을 초래합니다.

이상적인 세계에서는 원피스 플로우가 원칙입니다. 설정 시간은 프로그램 변경에 걸리는 시간뿐이며, 기계는 설정을 실행하기 위해 사람이 필요하지 않습니다. 고밀도 워크홀딩 시나리오보다 픽스처 비용이 훨씬 낮고, 고객은 부품을 훨씬 빨리 받을 수 있으며, 불량품은 최대 한 개뿐입니다.

이 목표를 달성하려면 반복 가능하고 고정밀한 툴링과 가공 공정을 제어할 수 있는 소프트웨어 패키지가 필요합니다. 싱커 EDM 설정에 필요한 모든 정보를 생각해 보세요: 부품 위치, 각 전극의 모양과 크기, 궤도 패턴, 치수 및 마감 요구사항. 자동화 셀에서 흔히 쓰는 CMM, 밀링 머신, 심지어 로봇에도 유사한 요구사항이 있습니다. 이 모든 것이 이제 자동으로 관리되어야 하며, 로봇이 부품을 기계로 옮길 때 '디지털 패킷'이 각 부품을 동반해야 합니다.

"데이터 관리는 자동화의 중요한 측면입니다"라고 브래드포드는 말했습니다. "목표는 운영자를 물리적 환경에서 완전히 제거하고 가상 환경(컴퓨터 화면 앞)에 이식하는 것입니다. 거기서 작업 계획과 스케줄링, 프로그램 작성, 지식을 공정 계획에 입력할 수 있습니다. 그 결과 기계 앞에서 수동으로 정보를 입력하는 것보다 훨씬 높은 가동률을 얻습니다."

작업장들도 귀 기울이고 있습니다. 마키노가 작년에 견적한 모든 EDM 장비 중 자동화가 포함된 장비의 수주율이 독립형 기계의 거의 3배에 달했습니다. "복잡성 외에도 가동률 수치는 부인할 수 없습니다"라고 플루거는 설명했습니다. "독립형 기계가 35% 가동률을 기록한다면, 기본 자동화로 60%까지 올릴 수 있고, 셀 컨트롤러를 추가하면 80% 이상을 기대할 수 있습니다."

사람 요소

자동화 이야기가 EDM 운영자들을 일자리 걱정하게 만들 수도 있지만, 벨몬트 이큅먼트 앤 테크놀로지스(Belmont Equipment and Technologies Co.)의 밥 이아니텔리(Bob Ianitelli) 사장 겸 COO는 걱정할 것 없다고 말합니다. "로봇이 모든 것을 할 수는 없고, 많은 경우 인간 운영자를 쓰는 것이 더 비용 효율적입니다." 예를 들어, 2~3교대로 운영하는 항공우주 기업들과 협력하는데, 정규 근무 시간 외 장비를 가동할 숙련공을 찾을 수 없을 때 자동화를 고려해야 합니다.

이 기사 다른 소스들과 마찬가지로 이아니텔리도 2018년이 자동화에 있어 "역대 최고"였다고 말했습니다. 이는 인력 부족과 많은 업계가 현재 겪고 있는 수요 급증 때문입니다. 자동화의 필요성은 당분간 사라지지 않을 것입니다.

이아니텔리는 앞서 제시된 고정밀 툴링, 최상급 소모품, 신뢰할 수 있는 장비 추천에 동의하면서 간과하기 쉬운 고려사항 하나, 화재 진압을 지적했습니다. "오일 유전체를 사용하는 기계는 화재 가능성이 있습니다. 운영자가 현장에 있고 소화기에 접근할 수 있을 때는 덜 우려되지만, 침수식 무인 운영이라면 고품질 화재 진압 시스템에 투자해야 합니다. 고객은 지역 자치단체의 규정과 제한을 확인해야 합니다."

복잡성에 따라 이러한 시스템 비용은 상당할 수 있지만, 나머지 자동화 투자와 마찬가지로 쉽게 정당화됩니다. "각 작업장은 다르며 툴링, 로봇, 소프트웨어 시스템 등 대규모 지출 전에 고려할 변수가 분명히 많습니다. 하지만 우리 고객 중 다수는 2년 안에 투자를 회수하고, 일부는 6개월 만에 회수합니다. 적용 분야와 목표에 따라 다릅니다."

탱크를 내려라(Drop the Tank)

소딕(Sodick Inc.)의 에반 사비에르(Evan Syverson) 마케팅 매니저는 자동화 투자 결정을 내리기 전에 철저히 스스로를 교육하라고 경고합니다. "EDM은 이미 꽤 무인화된 공정이며, 자동화는 이를 다음 단계로 끌어올릴 뿐입니다. 핵심은 요구사항을 평가하고 작업에 적합한 장비를 갖추는 것입니다. 최근 한 작업장을 방문했는데, 완전한 리니어 생산 셀이 필요하다고 확신했습니다. 실제로는 싱커에 전극을 공급하는 비교적 단순한 로봇만 있으면 됐습니다. 불필요하게 훨씬 더 많은 비용을 지출할 뻔했습니다."

반드시 새 기계에 투자할 필요는 없습니다. 기존 EDM이 기계적으로 건전하고, 로봇 접근이 쉬운 드롭 탱크(drop tank) 기능과 원격 모니터링 수단이 있다면 자동화 대열에 합류시킬 수 있습니다.

"아무리 자동화해도 뭔가 잘못됐거나 상태를 알려줄 사람이 없다면 귀중한 기계 시간을 잃게 됩니다"라고 사비에르는 말했습니다. "이 부분에서 산업용 사물인터넷(IIoT)이 큰 영향을 미치고 있습니다. 이제 장비를 원격 관리하고, 작업을 스케줄링하며, 모든 것을 더 잘 추적할 수 있게 되었습니다. 작업장이 훨씬 더 유연하고 효율적이 되어 많은 문이 열리고 있습니다."

직선과 협소(Straight and Narrow)

사비에르는 고객에게 리니어 제조 셀이 필요하지 않음을 인지했지만, 모든 EDM 작업장이 그렇지는 않습니다. 이로와 테크놀로지(Erowa Technology Inc.)의 프레드 홀츠마허(Fred Holzmacher) 지역 매니저는 그런 시스템에 투자할 만한 충분한 이유가 있다고 말합니다.

"대형 금형 작업장이나 여러 장비를 자동화하려는 곳에서는 리니어 셀이 더 비용 효율적입니다. 로봇을 바쁘게 할 작업이 있고 사이클 타임이 각 기계를 서비스할 만큼 충분히 길다면 전체 투자가 줄어듭니다. 트랙을 한쪽 끝에 몇 피트 연장하며 필요에 따라 확장할 수 있습니다. 같은 툴링 플랫폼을 사용하는 싱커, 와이어, 전극 밀링 등 어떤 기계에도 같은 로봇을 사용할 수 있습니다. 리니어 셀은 일반적으로 셀 컨트롤러를 갖추고 있어 스케줄링 유연성과 사용 편의성이 크게 향상됩니다."

이 점은 숙련된 운영자를 구하기 힘든 작업장(요즘은 거의 모든 작업장)에 특히 중요합니다. 셀 컨트롤러는 정교한 소프트웨어를 탑재해 변화하는 작업량에 적응하기가 더 쉽습니다. "고객이 라인이 다운됐으니 교체 부품을 얼마나 빨리 받을 수 있는지 묻는다고 가정해 보세요. 셀 컨트롤러가 있으면 화면에서 다음 작업을 잡아 원하는 곳에 놓기만 하면 됩니다. 소프트웨어가 나머지를 처리합니다."

셀 컨트롤러 없이는 이 일상적인 활동을 사람이 관리해야 합니다. 어떤 작업이 어디서 실행 가능한지 이해하고 생산 현장으로 나가 로봇을 재프로그래밍하는 사람 말입니다. 셀 컨트롤러가 있으면 수십 또는 수백 개의 서로 다른 작업 큐를 쉽게 관리하고 비용이 드는 실수를 피할 수 있습니다.

"리니어 시스템으로 돈 값을 더 많이 합니다"라고 홀츠마허는 말했습니다. "컨트롤러 덕분에 표준 로봇보다 더 높은 수준의 지능을 얻습니다. 더 오래 작업을 예약할 수 있고, 어떤 기계가 어떤 작업을 언제 실행할지 결정하기가 더 쉽습니다. 독립형 로봇이 제자리가 없다는 말은 아닙니다. 여전히 많이 팔리지만, 리니어 시스템이 다음 단계로 이끕니다."

쿨에이드 마시기(Drinking The Kool-Aid)

마크 시체티(Mark Cicchetti)는 그 길을 걸어본 사람입니다. 앱솔루트 머신 툴스(Absolute Machine Tools Inc.) EDM 부문 기술 이사로 오기 전, 그는 자신의 작업장을 운영하며 현재 고객들과 같은 어려움을 겪었습니다. 그의 조언? 자동화를 쫓기 전에 공정을 최대한 완벽하게 만드세요.

"작업장 모든 기계에 동일한 워크홀딩 시스템을 설치하는 것으로 시작했습니다"라고 그는 말했습니다. "와이어에서 싱커로, 밀링에서 그라인더로, 선반에서 CMM으로 부품이나 전극을 옮기면서 재위치시킬 필요가 없습니다."

표준화된 워크홀딩 덕분에 시체티와 팀은 월 600건 정도의 작업을 CMM에서 오프라인으로 프리게이팅할 수 있었습니다. 더 이상 기계에서 터치오프할 필요 없습니다. 제조 공정의 모든 단계에서 부품 형상이 CAD 데이터와 일치하는지 쉽게 검증할 수 있습니다. 더 이상 검사 지그도, 데이텀 포인트를 잡느라 시간 낭비도 없습니다. 모든 것이 어디 있는지 항상 알 수 있게 되니 공정을 오프라인으로 시뮬레이션할 수 있었고, 결과 프로그램과 오프셋을 기계에 업로드할 준비가 된 깔끔한 패키지로 묶을 수 있었습니다.

결론: 표준화된 워크홀딩만으로 시체티는 EDM 가동률을 연간 3,500시간에서 5,000시간 이상으로 높였습니다. 자동화 없이.

"세 명이 각각 두 대씩 설정하던 것을 이제 한 명이 여섯 대를 설정하고, 약 5분의 1 시간 만에 끝냅니다. 로봇이 있었다면 결과는 더 좋았을 겁니다."

첫째도 둘째도 공정(First Things First)

이 모든 것의 아이러니는, 이제 시체티가 울타리 반대편에 서게 되면서 작업장 소유자와 관리자들에게 제조 공정을 재고해 기계 가동률을 높이고 자동화를 향해 나아가라고 도전하게 되었다는 점입니다. "기계를 팔고 이듬해 고객이 두 번째 기계를 사러 돌아오는 일이 흔합니다. 3,500시간만 가동했다고 하면 제조 공정을 면밀히 검토해보는 게 더 나을 거라고 제안합니다."

평균 가동률은 두 번째 기계에서 떨어지고, 세 번째에서는 더 떨어진다고 시체티는 설명합니다. 하지만 처음부터 올바른 툴링을 채택하면 모든 것이 간소화됩니다. 작업장에 규율을 부여해 최대 기계 가동률로 가는 길을 닦습니다. 반복성이 보장됩니다. 그러면 자동화가 타당할 때 작업장과 사람들이 준비됩니다.

"기계를 추가하고 툴링을 추가해도 공정과 관련된 모든 사람의 책임을 최적화하지 않으면 결코 성공할 수 없습니다. 문화 전체가 바뀌어야 합니다. 비전과 패러다임 전환 없이는 자동화 제조로의 전환이 훨씬 더 어려울 것입니다. 하지만 이를 달성하는 사람들에게 자동화는 홈런입니다."