자동차 제조사들, 협동 로봇과 3D 프린팅으로 생산성 강화

자동차 산업이 더 정교한 로봇을 추가하고, 3D 프린팅을 모색하며, 기타 첨단 기술들을 통합하고 있습니다.

미국 자동차 산업은 수십 년간 자동화돼 왔습니다. 자동차·트럭 생산하면 인간 직원들과 펜스로 분리된 크고 육중한 로봇들이 연상됩니다. 그 펜스 안에서 용접 같은 작업들이 수행됩니다.

하지만 산업은 자동화 전선에서 진전하고 있습니다. 완성차 업체와 부품사들이 협동 로봇, 즉 코봇(cobot) 사용으로 이동하고 있습니다. 이런 장치들은 보통 더 작고, 더 민첩하며, 인간 작업자 옆에서 안전하게 배치될 수 있습니다.

게다가 산업은 3D 프린터 활용 확대도 원합니다. Ford Motor Co.와 BMW AG 같은 완성차 업체들이 적층 제조 업체들과 직접 협력해 기술 배치를 논의합니다. 기업들도 가상현실과 증강현실을 활용해 제조 이슈들을 해결합니다. 그리고 여타 제조업체들과 마찬가지로 자동차 산업도 '연결된' 기계들이 서로, 그리고 인간 작업자들과 소통하는 인더스트리 4.0을 최대한 활용하려 합니다.

'새 자동화가 1980년대 자동화와 다른 점이 많습니다'라고 미시간주 앤아버 소재 자동차 연구 센터(CAR) 산업·노동·경제 부문 부사장 크리스틴 지첵은 말했습니다.

'요즘 자동화는 인간 육체적 노력만 복제하는 게 아니라, 공장 안팎의 다른 사이버 및 물리 시스템들과도 연결합니다'라고 지첵은 말했습니다. '그 의미는 제조업체들이 자동화에서 더 많은 데이터를 얻고, 개별 자동화 스테이션뿐만 아니라 전체 제조 시스템에 대한 더 많은 제어권을 갖게 된다는 겁니다.'

자동차 자동화 트렌드의 한 상징은 디트로이트 교외 레드포드 미시간에 있는 포드의 새로운 첨단 제조 센터입니다. 내부에서 3D 프린터와 코봇들을 공장 현장 활용법 연구 중입니다. 센터의 가상·증강현실 시설은 포드 전 세계 공장들이 생산 장비 배치 같은 이슈들을 다루는 방식입니다.

포드는 2017년 첨단 제조 조직을 구성해 완성차 업체 제조 운영 전반에서 직원들을 모았습니다. 그룹은 작년 산업 기업이 디트로이트 지역 다른 곳으로 이전한 후 부지를 확정했습니다.

'포드자동차는 자동화와 매우 성숙한 관계를 맺고 있습니다'라고 포드 글로벌 첨단 제조 조직 수석 엔지니어 마이크 미큘라는 말했습니다. 회사는 제조 기술 가속화를 원했습니다.

자동차 산업에서 자동화와 신기술이 진화하는 몇 가지 방식은 다음과 같습니다.

3D 프린팅 파워 업

3D 프린팅, 즉 적층 제조는 디지털 설계에서 부품을 층층이 프린팅하는 기술입니다. 이 기술은 더 큰 부품 프린팅과 다양한 금속 프린팅으로 이동 중입니다. 항공우주는 수년간 적층에 투자해 왔습니다. 3D 프린팅이 새로운 설계를 가능케 하고 티타늄 같은 금속을 더 효율적으로 쓸 수 있게 약속하기 때문입니다.

하지만 자동차 산업은 더 큰 생산량을 가집니다. 지금까지 완성차 업체와 부품사의 3D 프린팅 채택은 항공우주 대응부들에 뒤처져 왔습니다.

'3D 프린팅 현재 응용은 공구, 금형, 몰드, 지그, 고정구, 일부 소량 부품으로 제한됩니다'라고 CAR의 지첵은 말했습니다. '대량 생산 자동차와 부품에서 3D 프린팅 광범위 채택의 진짜 걸림돌은 사이클 타임, 비용, 현재 프레스·성형·가공 기반 부품 성형 공정의 매몰 비용입니다. 3D 프린팅이 훨씬 더 빨라지고 비용이 크게 내려가기 전엔 자동차 산업에서 광범위한 대량 응용을 보긴 어렵습니다.'

그럼에도 자동차 산업에서 적층 제조 개발이 진행 중입니다.

'3D 프린팅 기술 자체 발전이 역사적으로 불가능했던 일련의 솔루션들을 만듭니다'라고 포드의 미큘라는 말했습니다. 개선점엔 '프린팅 속도와 프린팅 가능 소재들. 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP), 첨단 플라스틱, 확실히 금속 도입이 '가능한 기술' 관점에서 잠재적 응용을 극적으로 바꿨습니다.'

'거기에' 컴퓨팅 용량 증가가 결합되면, 그는 계속 말했습니다. '소프트웨어가 부품 설계 돕게 합니다. 주요 솔루션을 얻기 위해 같은 수준의 엔지니어링 노력과 리드타임이 필요하지 않습니다. 그래서 우리가 무엇을 얼마나 빨리 프린트할 수 있는지 양쪽 면에서… 3D 프린팅을 매우 흥미로운 기술로 만듭니다. 확실히 우리 목표는 제조 공정에 필요한 툴링과 조립 지원을 제공하는 관점에서 활용하는 것뿐 아니라 3D 프린팅 관련 기술 과제들 잠재적 극복에도 있습니다.'

이전 포드는 Stratasys Ltd.와 시제품 3D 프린터 협업으로 대형 부품 생산했습니다. 디어본 미시간 소재 완성차 업체는 BMW와 함께 Desktop Metal(매사추세츠주 벌링턴 소재 적층 제조 회사) 투자자이기도 합니다. 포드 최고기술책임자 켄 워싱턴이 Desktop Metal 이사회에 있습니다.

포드와 BMW는 '이게 오고 있음을 압니다'라고 Desktop Metal 공동 창업자 겸 CTO 조나 마이어버그는 말했습니다. '그들은 서두릅니다. 여전히 차량 전반에 보이는 건 몇 년 뒤 일입니다.'

마이어버그는 3D 프린팅이 금형과 지그를 넘어 확대될 것 같지만 불확실성이 많다고 말했습니다.

'차량 한 영역만 볼 수 없습니다'라고 그는 말했습니다. '차량 전체를 봐야 합니다. 우리가 3D 프린팅 핵심 이점이라 보는 것들에 눈뜨게 하려 합니다.' Desktop Metal 임원은 완성차 업체들이 기술을 1차 협력사들에 전파할 수 있다고 말했습니다.

'이 엔지니어들이 말하지 않는 뒤에서 많은 일들이 벌어집니다'라고 마이어버그는 말했습니다. '우리 고객들이 이 프린터들을 어떻게 쓸지 작은 그림만 볼 수 있습니다.'

9월 HP Inc.는 HP Metal Jet이라 부르는 새 3D 프린팅 기술을 선보였습니다. 강철 부품 대량 생산용입니다. HP에 따르면 Volkswagen AG가 2020년대 전기차 생산에 HP Metal Jet 기술을 쓸 예정입니다. 전기차는 내연기관보다 움직이는 부품이 적습니다. 결과적으로 EV가 자동차 산업에서 적층 제조 확대의 기회가 될 수 있습니다.

협동 로봇

로봇은 자동차 산업 공장 현장 자동화 초기 사례 중 하나였습니다.

로봇 채택 초기 단계는 위험하고 반복적인 작업 수행이었습니다. FANUC America Corp.(미시간주 로체스터 힐스) 자동차 및 부품 시장 총괄 매니저 루 피나조는 말했습니다. 많은 로봇이 자동차·트럭 차체 용접에 쓰였습니다.

'인간이 자동차 산업이 차체 쪽에서 진정 진화할 수 있는 걸 제한했습니다'라고 그는 말했습니다. 인간 작업자가 '거대하고 큰 용접 건'을 조작하고 차량을 맹목적으로 가로질러 수많은 용접점을 찍는데 '좋은지 나쁜지 알 수 없었습니다.'

'로봇 기술이 이륙하자 차량을 조금 다르게 설계할 수 있었고, 더 복잡한 조립이 가능했습니다'라고 그는 계속했습니다. '품질에 대한 더 나은 제어 루프로 실제 용접량과 구조 부품을 줄일 수 있었고, 그게 오늘날 우리가 있는 차량 조립 진화를 만들었습니다. 그게 초기 단계였습니다.'

오늘날 로봇과 자동화는 인건비를 보조하고, 제조업체와 부품사에 노동력 부족이 있다고 피나조는 말했습니다.

'이제 한 사람이 협동 로봇 4~5대를 책임질 수 있고, 실제 효율을 높였습니다… 기존 차체 제작자들과 대화해 보면 과거보다 훨씬 더 많은 유연성이 필요합니다'라고 그는 말했습니다.

협동 로봇이 자동차 산업에서 주목받고 있습니다. '자동차 산업의 협동 로봇 관심엔 속도와 비용이 두 핵심 요인입니다'라고 Omron Automation Americas(일리노이주 호프만 에스테이츠) 로보틱스 및 모션 컨트롤 마케팅 매니저 대럴 폴은 말했습니다. '협동 로봇은 기존 제조 환경에 더 빠르게 구현 가능합니다. 이 로봇들은 기존 제조 셀과 작업자들과 협업 가능해 추가 구조나 인프라 비용이 필요 없습니다.'

회사는 올해 라스베이거스 CES에서 비전 시스템을 갖춘 새로운 TM 시리즈 코봇을 선보였습니다. Omron에 따르면 이 로봇은 빠른 스타트업과 체인지오버가 가능합니다. 소프트웨어로 다른 작업들에 맞춰 훈련시킬 수 있다고도 주장합니다.

포드 첨단 제조 센터엔 FANUC, ABB, Universal Robots, KUKA Robotics 제품 로봇들이 있습니다.

'우리 공장에서 하는 많은 작업이 산업용 로봇이 기본적으로 다루는 도달 범위와 페이로드 수준을 필요로 하지 않습니다'라고 포드 미큘라는 말했습니다. '협동 로봇은 작은 제조 풋프린트를 제공하고, 상당한 보호 인프라 구축 없이 우리 기술자들과 시설 사이에서 안전하게 통합될 수 있습니다.'

'협동 로봇으로 훨씬 더 단순한 솔루션이 가능합니다; [작업을 로봇으로 가져와] 로봇이 안전하게 작업을 수행하고 신뢰성 있게 하게 할 수 있습니다'라고 미큘라는 계속했습니다.

'우리 제조 시설 수정 비용이 매우 비쌉니다'라고 그는 말했습니다. '차량 콘텐츠가 계속 증가합니다. 엔진, 변속기, 배터리 팩, 차량 조립에 필요한 노력이 시간이 갈수록 증가합니다. 그래서 추가 콘텐츠 수용하고 자동화 도입해… 소비자에게 최고 품질 제품을 합리적 가격에 제공할 수 있게 하는 곳, 그게 협동 로봇이 방정식에 들어맞는 곳입니다.'

로봇 벤더 입장에선 수행 압박이 큽니다.

'자동차에선 시장 출시 속도가 매우 중요합니다'라고 피나조는 말했습니다. '10년 전이면 신형 트럭 18개월 출시는 엄청난 성공이었습니다. 지금 그들은 '와우, 12개월에 해야 해'라고 합니다. 그래서 시장 출시 속도가 큰 문제입니다.'

자동차 벤더들 조정

일부 자동차 벤더들이 코봇 증가와 더 빠른 페이스에 적응했습니다.

스위스 바드 라가츠 소재 Inficon은 자동차 시스템용 검사 장치를 만듭니다. 이 회사 장비가 더 작은 협동 로봇에 장착돼 배치되는 걸 봤습니다. Inficon 장치는 습기나 가스 누출 감지용입니다. 협동 로봇으로 Inficon 장치 로봇 장착 기회가 더 많아졌습니다. Inficon 제품이 이제 전기차 시스템 습기 감지용으로 쓰입니다.

'이건 5~7년 해온 일입니다'라고 Inficon 북미 자동차 영업 매니저 토마스 파커는 말했습니다.

협동 로봇이 Inficon 장치 배치를 더 쉽게 만듭니다. '협동 로봇으로 가능한 것, 6축 로봇으로 가능한 것에 대해 고객 교육을 많이 합니다. 내 팀이 교육을 많이 합니다.'

메릴랜드 하이츠 미주리 소재 공작 기계 제조사 Hydromat Inc.도 산업 트렌드에 적응했습니다. 고객엔 자동차 고객들이 포함됩니다.

Hydromat에서 '자동화가 더 인터랙티브해졌습니다'라고 마케팅 디렉터 케빈 슐츠는 말했습니다. '작업자들에겐 시스템이 작업자와 그들이 돌리는 공작 기계 간 더 인터랙티브해졌습니다. 기계에서의 프로그래밍이 더 일반화됐습니다.'

자동차 산업 변화는 '더 빈번한 체인지오버'를 의미한다고 슐츠는 말했습니다. '체인지오버가 더 빨라야 합니다.'

슐츠는 덧붙였습니다. '자동화는 자동차 고객들에게 다품종 제품군을 제공해 다양성과 제품 수익을 주는 추구에서 필수적입니다.'

작업자들 적응

자동차 산업이 더 정교해짐에 따라 작업자 기술 향상 노력이 진행 중입니다.

알라바마 인력 훈련 프로그램 AIDT가 자동차 산업 고용이 더 정교해짐에 따라 작업자 훈련 노력을 강화하려 합니다. 공장 직원들이 헌츠빌 근처 탠너 알라바마 AIDT 시설로 훈련 세션 옵니다.

알라바마엔 여러 차량 조립 공장이 있습니다. 주엔 항공우주 공장들도 있습니다. 결과적으로 알라바마가 제조 훈련 개선을 시도 중입니다. 1월 알라바마 대표단이 디트로이트 Lightweight Innovations For Tomorrow(LIFT) 본부 방문했습니다.
제조업체와 학계를 모아 제조용 경량화 기술 개선을 위한 Manufacturing USA 기관입니다.

'알라바마가 제조업에서 진화 중입니다'라고 AIDT 부국장 크리스티 베인은 말했습니다.

'우리는 첨단 제조 시나리오에서 일해야 합니다'라고 해당 기관 인력 개발 위원회 앨라배마 상무부 차관 에드 캐슬은 말했습니다. '우리한텐 단순 방정식입니다. 니즈가 뭔지, 어떻게 정의할지.'

포드 미큘라는 이런 트렌드들이 자동차 제조가 예전보다 더 매력적이게 됐음을 반영한다고 말했습니다.

'정말 신나는 곳입니다'라고 그는 말했습니다. '정말 재미있는 곳입니다.'