IUPUI 인디카 캡스톤 프로젝트에서 빛난 마스터캠 CAD/CAM 마스터리

공학 교육 프로그램의 정석을 보여주는 사례를 꼽자면, 인디애나 대학교-퍼듀 대학교 인디애나폴리스(IUPUI) 공과대학의 기계공학기술학과 프로그램을 빼놓을 수 없습니다.

이 프로그램의 강사인 에드 허거(Ed Herger)는 현장 제조 경험이 풍부합니다. 그의 경력은 재료 과학 R&D 분야에서 시작해 열 계측기부터 운동 기구까지 다양한 제품 제조로 이어졌습니다. 이후 캘리포니아의 하스 오토메이션(Haas Automation Inc.) 계열 커뮤니티 칼리지에서 겸임 교수로 교육계에 입문했는데, 이곳은 하스 CNC 공작기계와 CNC 소프트웨어(CNC Software Inc.)의 마스터캠(Mastercam) CAD/CAM 소프트웨어를 활용한 실습 중심 학습을 강조했습니다.

허거는 "기계공학이 아닌 기계공학기술을 전공하는 IUPUI 학생들은 설계 분야를 넘어 제조 현장에서 실제로 일어나는 일들을 더 많이 접합니다. 마스터캠이나 솔리드웍스(Solidworks) 등 우리가 가르치는 소프트웨어 프로그램을 졸업 후 바로 실무에 적용할 수 있는 실질적인 기술을 익힙니다."라고 설명했습니다.

학생들은 처음 2년간 다양한 학문 과목을 이수한 후 3학년부터 본격적으로 기술 교육에 들어갑니다. 최근까지는 온라인 자료 활용이 적고 전통적인 강의와 실습 프로젝트 중심의 커리큘럼을 운영했습니다. CAM 소프트웨어로는 마스터캠 포 솔리드웍스(Mastercam for Solidworks)를 애드인으로 가르쳤습니다.

허거는 "우리가 나아가고자 한 방향은 더 많은 CAM 경험과 온라인 및 외부 자격증 기회를 제공하는 것이었습니다. 이에 마스터캠과 마스터캠 유니버시티(Mastercam University)의 온라인 이점을 활용하는 데 집중했습니다. 이를 통해 학생들은 이학사 학위 외에도 숙련도 인증서를 취득할 수 있으며, 교내 실습실뿐만 아니라 개인 노트북과 집에서도 온라인 강의를 수강할 수 있습니다."라고 말했습니다.

허거는 마스터캠 유니버시티에서 두세 개 단원을 골라 학생들이 자습하게 한 뒤, 해당 CAM 작업이나 기능을 바탕으로 과제를 내줍니다. "수업 시간에는 마스터캠 강의와 제 과제를 컴퓨터에 띄워 대형 화면에 투사하며 다양한 작업 그룹과 공유합니다. 학생들은 온라인 강의를 처음부터 끝까지 따라갑니다. 저는 그들의 진행 상황을 모니터링하며 인증서 취득 과정이 순조롭게 진행되는 것을 지켜보고 있습니다. 학생들이 마스터캠 유니버시티 과제와 제 과제를 꽤 성공적으로 완수하고 있습니다."

허거의 CAM 수업을 듣기 전, 학생들은 3D 모델링, 도면 해독, 실습 제조 공정 과목을 여러 개 이수합니다. 이어 솔리드웍스를 이용한 파라메트릭 모델링에 집중합니다. 허거의 수업에 들어가면 본격적으로 마스터캠을 깊이 있게 다룹니다. "보통 하나의 큰 프로젝트를 줍니다. 금형 작업이나 특정 부품의 다이 작업 같은 것들이죠. 몇 가지 작은 특정 연습보다는 포괄적인 실전형 프로젝트를 주는 것이 제 전반적인 접근 방식입니다."라고 허거는 설명합니다.

예를 들어, 학생들에게 마이크로미터(정밀 측정기)를 리버스 엔지니어링하게 했습니다. 학생들은 마이크로미터 부품을 만들기 위한 공구 툴링 프로그램을 여러 개 설계했습니다. 그런 다음 마스터캠의 고급 기능을 활용해 컴퓨터 실습실에서 기계 가공 작업을 프로그래밍했습니다. "실제 적용 가능한 프로젝트를 주고, 어떻게 할지 너무 자세한 가이드라인은 주지 않으려 합니다. 제가 뛰어들기 전에 스스로 해결해보려 시도할 때 더 효과적으로 배우기 때문입니다."

허거에 따르면 마스터캠의 다이내믹 밀링(Dynamic Milling) 같은 기능 덕분에 CNC 기계의 역량을 최대한 끌어낼 수 있습니다. "알루미늄 블록으로 크고 복잡한 부품을 많이 만들었는데, 우리 초점의 상당 부분은 금형과 다이를 위한 복잡한 형상을 만들기 위한 3D 서페이스 밀링에 있습니다. 좋은 예가 마이크로미터의 U자형 프레임입니다. 약 6시간짜리 프로그램이었고 다이가 훌륭하게 나왔습니다. 물론 마스터캠으로 처음부터 끝까지 모든 윤곽 가공과 원형 툴패스를 수행했습니다. 우리가 다루지 않은 3축 CAM 기능은 거의 없다고 봐도 무방합니다. 이 마이크로미터는 0-1인치(0-25.4mm) 범위를 측정하며 전체 길이는 약 3인치(76.2mm) 정도입니다. U자형 프레임을 만들기 위한 공구강 다이를 한 세트 만들었고, 마이크로미터 슬리브에 숫자와 눈금을 새기기 위한 작은 스탬프도 공구강으로 만들었습니다."

마이크로미터 프로젝트에는 회전 심블(thimble)용 작은 금형도 포함되었습니다. 금형 내부에는 미세한 오름차순 숫자와 위치 표시가 있습니다. "CAD 프로그램에 여러 필렛을 넣고, 그 미세한 표시들을 실제로 다이 안에 가공할 수 있는지 확인해야 했습니다."라고 허거는 말했습니다. "학생들은 몇 번의 시행착오 끝에 어떤 3D 밀링 서페이스 접근 방식이 효과적인지 알아냈고, 몇몇은 툴패스 생성에 실패하기도 했습니다." 허거는 학생들이 평행 타입 서페이싱 툴패스가 그들이 프로그래밍해야 했던 '기이한' 지오메트리에 조금 덜 민감하다는 것을 배웠다고 전했습니다.

수업에서는 마이크로미터 슬리브의 모든 0.05인치(1.2mm) 표시를 위한 마킹 다이스도 제작했는데, 역각인 프로그램으로 가공했습니다. "외부 영역을 모두 깎아내고 1/8인치(3.175mm), 60도 각인 툴을 사용해 볼록한 표시만 남겼습니다. 그들에게 사용 가능한 이 훌륭한 기술을 최대한 활용하라고 강조합니다."

허거는 학생들을 위한 대규모 인디카 캡스톤 프로젝트에 특히 열정적입니다. "인디애나폴리스에 있으니 자동차 경주 현장과 자연스럽게 연결되고, 자체 모터스포츠 프로그램도 있습니다."라고 그는 말했습니다.

인디애나폴리스 모터 스피드웨이 박물관에는 인디카의 데모용 트랜스미션이 전시되어 있습니다. 여러 곳이 컷어웨이 되어 있어 내부를 볼 수 있습니다. 작년 가을까지는 정적 전시물에 불과했습니다.

"박물관으로부터 이 트랜미션을 애니메이션화하고 자동화해, 느린 속도로 회전하며 같은 차의 스티어링 휠 모형으로 변속할 수 있는 인터랙티브 전시물로 만드는 프로젝트를 맡게 되었습니다. 소형 전기 모터를 트랜스미션에 연결하는 브래킷, 여러 소형 부품, 링키지를 실제로 변속하는 리니어 액추에이터 등이 모두 마스터캠으로 가공되었습니다."

마스터캠의 다이내믹 밀링 기능을 활용해 학생들은 기계를 상당히 빠르게 가동할 수 있습니다. "브래킷의 경우," 허거는 설명했습니다, "2 x 2 x 2인치(50.8 x 50.8 x 50.8mm) 알루미늄 블록으로 시작해, 뒷면에 원통형 보스가 있는 5/8인치(15.8mm) 두께의 플레이트로 가공했습니다. 보스 길이는 위치에 따라 1/2인치에서 3/4인치(12.7-19mm) 사이입니다. 이 보스 덕분에 플레이트를 트랜스미션에 볼팅하면서도 일정한 간극을 확보할 수 있습니다."

"다이내믹 밀링 프로그램으로 1/2인치(12.7mm) 엔드밀과 최대 절삭 깊이를 사용해 대부분의 소재를 제거했습니다. 본질적으로 세 개의 원통형 보스를 제외하고 약 1-1/4인치(31.75mm) 깊이까지 모든 소재를 제거한 것입니다." 그런 다음 1/2인치(12.7mm) 볼 엔드밀로 보스 바닥부에 필렛을 남겼습니다. "마스터캠이 툴패스를 생성하게 하고 다이내믹 밀링으로 절삭 작업을 최적화했습니다. 마스터캠의 베리파이(Verify) 시뮬레이션 기능은 모든 프로그램을 실행하기 직전마다 사용합니다. 각 프로그램의 모든 단계를 확인함으로써 잠재적 문제가 없는지 확실히 했습니다."

"이 캡스톤 프로젝트를 비롯해 많은 프로젝트들이 우리 학생들과 프로그램에 환상적인 기회였다고 생각합니다."라고 허거는 말했습니다.

마스터캠-CNC 소프트웨어에 대한 자세한 정보는 www.mastercam.com을 방문하거나 860-875-5006으로 문의하십시오.