히타치 파우더드 메탈, 로봇 도입으로 인력난 속 생산량 400% 증대

분말 야금(PM) 또는 소결은 원소 또는 합금 분말의 맞춤형 혼합물을 프리폼 다이에 압축하여 다양한 복잡도의 기계 부품을 효율적으로 만드는 공정입니다. 압축 후, 형태는 제어 분위기 노에서 가열되어 입자를 결합하고 부품을 경화시킵니다.

그린 컴팩팅(green compacting)이라고도 하는 이 공정은 초기 원자재의 97% 이상이 완제품에 사용되는 니어넷 형상 부품을 생산합니다. 맞춤형 분말 합금 혼합물은 높은 강도와 공차 사양이 요구되는 까다로운 응용 분야에 적합한 복잡하고 정교한 부품을 생산할 수 있게 합니다.

인디애나주 그린즈버그에 있는 히타치 파우더드 메탈(USA) Inc. 공장은 전 세계 9개 히타치 시설 중 하나입니다. 미국 내 1차 자동차 부품 공급업체용 밸브 트레인 및 트랜스미션 부품 생산을 전문으로 하며, 오토바이 및 조경 장비 제조업체 사이에서도 입지를 넓히고 있습니다.

초기 동기

히타치 파우더드 메탈(HPM)은 2005년 그린즈버그 공장에서 산업용 로봇에 대한 점진적 투자를 시작했습니다. 이는 긴축되는 노동 시장의 출현과 극도로 취약한 제품을 생산할 기회에 의해 촉진되었습니다.

"고객을 위해 작고 깨지기 쉬운 이빨이 있는 부품을 만들어야 했는데 수동으로 다룰 수 없었고, 당시 우리 모든 압축 프레스는 수동으로 관리되고 있었습니다"라고 HPM 그린즈버그 공장 사장 그레고리 오웬스(Gregory Owens)는 말했습니다. "인건비 절감도 요인이었지만, 첫 설치 직후 마을에 주요 자동차 OEM 제조 시설이 들어서면서 인건비 문제가 인력 가용성 문제로 바뀌었습니다. 직원을 고용하고 유지하기가 극도로 어려워졌기 때문입니다."

비용을 낮추고 초기 시험 기간 동안 노출을 최소화하기 위해 HPM은 인근 인디애나주 노블스빌의 CIM 시스템즈(CIM Systems Inc.)에서 중고 1993년형 ABB S3 로봇을 구입했습니다. 제조 개발 엔지니어로 몇 년 전 HPM에 합류한 제임스 아담스(James Adams)는 이전 직장에서 로봇 작업 경험을 통해 미국에서 가장 오래된 ABB 로보틱스 밸류 프로바이더(시스템 통합업체)인 CIM을 잘 알고 있었습니다.

"CIM은 로봇 자동화에 쉽게 진입할 수 있는 중고 로봇을 보유하고 있었고, 의도한 대로 작동하지 않을 경우 초기 위험을 제한할 수 있었습니다"라고 아담스는 말했습니다. "또한 기존 작업에 시스템을 프로그래밍하고 통합하는 데 꼭 필요한 지원을 제공했습니다."

스크랩 감소, 더 나은 인력 배분

분말 야금 부품이 프레스에서 나오면, 오븐에서 경화되기 전에 아주 가벼운 접촉에도 쉽게 부서질 수 있습니다. 새로 설치된 로봇은 전자기 그립퍼를 장착하여 부품을 다루었고, 신제품의 스크랩 비율이 수동 관리 시 11%에서 0.5%로 떨어졌습니다.

"부품이 프레스에서 수동으로 꺼내질 때 상당한 취급 손상이 발생했습니다. 부품이 눈에 띄지 않게 변형될 수 있지만, 5시간 후 오븐에서 나올 때까지 알 수 없습니다. 제대로 프로그래밍되고 장착된 로봇은 부품을 훨씬 더 부드럽게 다룹니다"라고 아담스는 말했습니다.

새 시스템 덕분에 HPM은 여러 수동 기계 작업자를 공장의 덜 단조로운 직책으로 이동시켜 반복 작업의 스트레스를 줄이고 인력을 더 효율적으로 재배치할 수 있었습니다.

생산량 400% 증가

이듬해 HPM은 초기 시스템에서 배운 내용을 적용해 다른 압축 프레스를 자동화하며 중고 S3 로봇 5대를 추가했습니다. 18개월 후 HPM은 스크랩과 인건비 절감으로 첫 신규 로봇에 투자할 만큼 충분히 저축했습니다.

2019년으로 넘어오면, 이제 200대 이상의 로봇이 설치되어 그린즈버그 시설은 10년 전과 같은 직원 수를 유지하면서도 4배의 생산량을 달성했습니다. 전 세계 히타치 PM 공장 중 가장 적은 인원으로 가장 많은 부품을 쉽게 납품하고 있습니다.

"첫 로봇이 취약한 부품을 위해 설치된 후, 로봇 자동화를 더 활용할 수 있다는 것이 매우 분명해졌습니다"라고 오웬스는 말했습니다. "로봇은 우리의 초기 기대를 훨씬 뛰어넘었고, 지속되는 인력 부족을 고려하면 솔직히 로봇이 우리를 잠재적인 존폐 위기에서 구했다고 생각합니다."

첫 로봇의 성공으로 이후 설치 속도는 꾸준했습니다. 100대 설치까지 10년이 걸렸고, 비즈니스와 경제가 계속 개선되면서 최근 200번째 로봇 설치까지 단 4년 더 걸렸습니다.

기회가 생길 때마다 HPM은 양호한 상태의 중고 ABB 로봇을 계속 구매했지만, 점점 더 많은 신규 로봇이 추가되었습니다. 사실 2015년 147번 로봇 이후 추가된 모든 로봇은 신품이었습니다.

HPM의 설치 기반에는 다양한 ABB 소형 및 중형 6축 로봇, 델타 로봇 1대, 최근 추가된 여러 SCARA 모델이 포함됩니다. 350명의 직원과 함께 자동화 투자는 주 5~6일, 3교대로 잘 활용되고 있습니다.

"우리 본사는 일본에 있습니다"라고 아담스는 말했습니다. "로봇이 어떻게 수행되고 빠른 투자 수익률을 보이자, 그들은 우리의 로봇 아젠다를 매우 지지했습니다."

신품과 중고를 막론하고 일부 로봇은 미시간주 오번 힐스 소재 ABB 로보틱스의 ABB 파운드리 프라임(Foundry Prime) 모델입니다. IP67 등급으로 공장 대기를 떠다니는 미세하고 날카로운 금속 분말로부터 로봇 내부를 보호하는 잘 밀봉된 연결부를 갖추고 있습니다. HPM 현장의 많은 표준 IP65 등급 로봇 모델도 견고하여 먼지 환경을 견뎌냈습니다.

지속적인 확장

HPM의 로봇 확산은 기존 애플리케이션 복제와 시설 내 다른 기능으로의 자동화 확장에 의해 지원되었습니다.

가장 취약한 제품을 위한 압축 프레스 텐딩 첫 로봇 설치 후, 아담스와 그의 팀은 다른 프레스에서 컴팩트 제거를 순차적으로 자동화했습니다. 이 과정의 일부는 각 부품을 저울에 올려 무결성을 검증하는 것이었습니다. 검증 후 부품은 노로 이어지는 컨베이어에 놓였습니다.

추가적인 인력 효율성이 생겼고, 로봇의 섬세한 터치 덕분에 덜 취약한 부품의 스크랩 비율도 초기 부품과 같은 0.5%로 떨어졌습니다.

컨베이어 끝에서 부품은 소결 트레이에 올려지고, 가득 차면 경화 공정을 위해 노에 넣어집니다. 이 노 적재 공정이 자동화된 두 번째 주요 기능이 되었습니다.

측정된 속도로 계속하여, 로봇을 설치해 트레이에서 부품을 꺼내 팔레트에 놓고 각 팔레트 층 사이에 디바이더를 삽입했습니다.

"로봇에 더 익숙해지면서 배운 내용을 공장 전체에 걸쳐 애플리케이션 복제에 적용했습니다"라고 아담스는 말했습니다. "프로그래밍이 훨씬 쉬워졌고, 라인 설치 마지막 날에는 기존 프로그램을 조정하고 복사-붙여넣기하여 몇 시간 만에 가동할 수 있었습니다."

로봇스튜디오(RobotStudio), ABB의 오프라인 시뮬레이션 및 프로그래밍 소프트웨어는 HPM의 로봇 기술 채택 가속화에 귀중한 도구가 되었습니다. ABB 버추얼컨트롤러(VirtualController) 기반으로 구축되어, 생산 현장에서 로봇을 구동하는 실제 소프트웨어의 정확한 복사본입니다. 로봇스튜디오는 실제 로봇 프로그램과 구성 파일을 사용하여 사실적인 시뮬레이션을 수행합니다. 로봇스튜디오로 아담스는 최적의 셀 레이아웃을 설계하고 특정 작업에 로봇을 통합하기 전에 성능을 검증할 수 있었습니다.

"지금까지 개발된 최고의 소프트웨어입니다"라고 아담스는 말했습니다. "새로운 애플리케이션을 위한 시스템 생성과 공장 다른 영역에 이미 설치된 시스템 복제 모두에서 시간과 비용을 절약합니다."

비전 기술 도입

특정 애플리케이션이 현장에 설치되고 개선된 후에야 복제의 상대적 단순성이 존재합니다. 새로운 애플리케이션은 종종 더 도전적입니다. 18개월과 6대의 프레스 텐딩 로봇 성공적 통합 후, HPM은 당시(2006년) 태동기였던 비전 지원 기술을 채택해 복잡한 코이닝(coining) 또는 재압축 작업을 로봇으로 자동화할 자신감을 얻었습니다.

부품이 노에서 나오면 종종 뒤틀리는데, 이를 펴거나 평평하게 만들기 위해 프레스에 넣어 코이닝합니다. 많은 부품은 키웨이(keyway)나 이빨이 있어 금형에 모든 면이 정확히 정렬되도록 배치해야 합니다. 로봇이 오기 전에는 코이닝되는 부품이 하드 자동화 시스템으로 처리되었는데, 많은 제품 변형으로 인해 빈번하고 시간 소모적인 체인지오버가 필요했습니다. 체인지오버가 너무 길어서 약 100개 부품씩 250개 제품 로트의 백로그가 흔했습니다.

비전 지원 로봇으로는 다운타임이 없습니다. 로봇은 다양한 부품 그룹에서 부품을 식별하고, 집어 들고, 방사상으로 방향을 잡은 후 재압축 금형에 정확하게 위치시킵니다.

비전 시스템이 최신 로봇 기술과 인터페이스해야 했기 때문에, 이것이 그린즈버그 시설에 설치된 첫 신규 ABB 로봇이었습니다. 곧 가동된 후 같은 애플리케이션으로 신규 로봇 2대가 추가 구매되었습니다.

"코이닝 스테이션 로봇 설치 전에는 재압축 직원이 매일 근무했습니다"라고 아담스는 말했습니다. "첫 비전 로봇 설치 6개월 후, 백로그가 더 이상 없었고 직원들은 주말을 쉬게 되었습니다!"

추가 비전 적용

HPM은 나중에 자동화된 마지막 주요 공정인 특수 열처리를 위해 보낸 부품의 디팔레타이징(depalletizing)에도 비전을 다시 사용했습니다. 부품은 팔레트의 계층형 레이어에 깔끔하게 배치되어 보내지지만, 상대적으로 어수선한 상태로 돌아와 언스태킹이 어렵습니다. 통합 비전을 갖춘 ABB 로봇은 부품을 찾아 안전하게 잡아 디팔레타이징할 수 있습니다.

"그것은 ABB 로봇의 독특한 능력 중 하나입니다"라고 다양한 비전 시스템 통합을 도운 CIM 시스템즈 사장 데이브 폭스(Dave Fox)는 말했습니다. "부품이 스키드 위에서 정말 무질서하게 놓여 있습니다. 균일한 행이 아니고 일부는 거꾸로 되어 있습니다. 일반적인 6축 로봇이면 특이점(singularity) 문제가 생겨 더 이상 움직일 수 없는 위치에 빠질 것입니다. 하지만 고급 특이점 회피 기능을 사용하는 ABB 로봇은 부품을 찾아 잡고 컨베이어에 안전하게 놓으며 한 박자도 놓치지 않습니다."

품질 검사를 위한 SCARA 로봇

놀랍게도 밸브 가이드 검사를 위한 더 효율적인 시스템을 찾는 과정에서 다시 로봇으로 돌아왔습니다. 이번에는 일반적으로 소형 부품 조립 및 자재 취급에 사용되는 ABB SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) 모델 그룹입니다.

HPM 프로토콜은 모든 밸브 가이드의 100% 검사를 요구합니다. 테스트해야 할 부품 종류가 30가지 크기 변형에 부품당 16개 검출 포인트라는 점을 고려하면 상당한 작업입니다. 기존 하드 자동화 테스트 시스템이 물량을 따라잡지 못하자 아담스는 더 나은 시스템을 찾기 시작했습니다.

너무 많은 움직이는 부품과 복잡한 엔지니어링이 필요한 다양한 옵션을 검토한 후, 폭스는 2016년 ABB 포트폴리오에 추가된 SCARA 로봇을 중심으로 시스템을 설계할 것을 제안했습니다. 충분히 빠르고 반복성이 뛰어나며, 작은 설치 면적과 제한된 공간에 적합한 방해받지 않는 장착 형태를 가졌습니다.

상대적으로 간단한 시스템으로 3대의 SCARA 로봇이 호퍼 컨베이어에서 개별 밸브 가이드를 집어 16개 검출 포인트에 접근하는 데 필요한 다양한 각도에서 비전 카메라와 고정식 '컴패레이터(comparator)'에 제시합니다. 합격한 부품은 한 컨베이어에, 불합격 부품은 리젝 빈에 배치됩니다.

각기 다른 부품 변형을 유사한 용이함으로 정교하게 다룰 수 있는 유연성 덕분에 시스템은 2초마다 부품 1개를 검사할 수 있어 이전 방식보다 30% 빠릅니다. 이동 거리가 짧고 부품이 매우 가벼워 6축 로봇만큼 효과적이지는 않습니다. 날렵하고 도달 범위가 제한된 SCARA가 더 적합합니다.

"SCARA는 ABB 포트폴리오에 훌륭한 추가입니다. 그 해결책이 없었다면 히타치는 아마 부품 검사를 위해 다른 기술을 추구해야 했을 것입니다"라고 폭스는 말했습니다. "로봇으로 또 다른 애플리케이션을 찾게 되어 좋았습니다. 처음 떠오른 옵션은 아니었지만 말입니다."

CIM 시스템즈의 지속적 지원

HPM의 첫 로봇 설치부터 현재까지 전경이나 배경에서 변함없이 함께해 온 한 가지는 CIM 시스템즈입니다. 필요할 때 항상 이용 가능했고, CIM은 HPM에 신품 및 중고 로봇을 세팅하고, 프로그래밍과 문제 해결을 도왔으며, 아마도 가장 중요하게 HPM 직원들이 많은 것을 스스로 할 수 있도록 가르쳤습니다.

HPM이 비전 유무를 막론하고 로봇을 새로운 애플리케이션에 통합할 때, CIM이 설정과 프로그래밍을 수행했으며, 로봇스튜디오 사용법을 포함해 전문 지식을 공유하는 것을 항상 염두에 두었습니다. HPM의 로봇 조달 일정에서 가끔 찾아오는 침체기에도 CIM은 프로그램 업데이트, 구형 모델용 희귀 부품 조달, 다양한 빈티지의 로봇 작업에 대한 조언을 제공했습니다.

"각기 다른 공정에 도달할 때마다 CIM이 초기 통합과 프로그래밍을 수행했습니다. 공장 전체에 프로세스를 복제하기 시작하면서 우리는 많은 것을 스스로 할 수 있을 만큼 배웠습니다"라고 아담스는 말했습니다. "ABB와의 긴밀한 관계 덕분에 데이브 폭스는 항상 어떤 새로운 기술이 나오고 우리 다양한 애플리케이션에 어떤 로봇이 최적인지 알고 있습니다. CIM 시스템즈의 지원과 ABB의 서비스는 이상적인 조합이었습니다."

이러한 오랜 관계 덕분에 2017년 ABB의 미국 미시간주 오번 힐스 제조 시설에서 첫 로봇이 라인에서 나왔을 때 CIM이 HPM에 위탁한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 유일한 IRB 2400 로봇은 공장에서 맞춤형으로 빨강, 흰색, 파랑으로 도색되어 HPM 시설의 눈에 띄는 위치에 배치되어 검사 및 팔레타이징 작업을 수행합니다.

"HPM을 위해 미국산 첫 로봇을 조달할 수 있어 기쁩니다"라고 폭스는 말했습니다. "인디애나 공장이 HPM의 많은 글로벌 시설 중 가장 유연한 자동화를 갖추고 있기 때문에 특히 의미가 깊습니다."

다른 HPM 시설 지원

일본의 HPM 본사 경영진은 로봇으로 그린즈버그 팀이 달성한 주요 생산성 개선을 주목하고, 2017년 아담스와 오웬스를 '글로벌 로보틱스' 이니셔티브 리더로 임명하여 전 세계 다른 히타치 분말 야금 공장의 로봇 사용 확대를 지원하게 했습니다.

2년 프로그램은 중반을 지나고 있으며, 계열사들은 다른 국가의 낮은 인건비에도 불구하고 상당한 생산성 개선을 시작하고 있습니다.

아담스는 HPM에 ABB의 원격 모니터링 기능을 설정하여 자신이나 팀원이 공장 밖 어디에서든 노트북, 태블릿, 스마트폰으로 로봇 작동 상태를 확인하고 대부분의 문제를 해결할 수 있게 했습니다. 신형 로봇으로 HPM은 ABB 어빌리티 커넥티드 서비스(ABB Ability Connected Services) – ABB의 통합된 교차 산업 디지털 솔루션 – 을 활용하기를 희망합니다. 이는 어디서든 로봇 상태와 성능에 대한 실시간 데이터를 제공합니다.

미래 계획

HPM의 지속적인 미션은 로봇 자동화로 운영을 개선하는 것입니다.

"가까운 미래에 연 10% 성장을 예상하며, 경쟁력을 유지하기 위해 할 수 있는 모든 것을 해야 합니다"라고 오웬스는 말했습니다. "어떤 트랜스미션 부품을 전기차용으로 만들 수 있을지 검토 중이며, 분말 야금이 다른 소재로 만든 부품을 더 낮은 비용으로 대체할 수 있는 중장비 같은 비자동차 부문 진출을 목표로 하고 있습니다."

"로봇 설치 속도가 꾸준히 유지되거나 심지어 증가할 것으로 확실히 예상합니다"라고 오웬스는 말했습니다.

히타치 파우더드 메탈(USA) Inc. 정보: www.hitachi-pm.us 또는 전화 812-663-5058. CIM 시스템즈 Inc. 정보: www.cimrobotics.com 또는 전화 317-773-5600. ABB 로보틱스 정보: www.abb.com/robotics 또는 전화 248-391-9000.