수직 머시닝 센터(VMC)의 전략적 이점: 효율성 극대화

VMC(수직 머시닝 센터) 공급업체들은 2022년을 낙관적으로 전망한다. 자동화 활용 증가와 3축 이상 장비 가공 이점에 대한 인지도 상승을 기대한다.

장비 제조사들에 따르면, 한두 번 셋업으로 공작물 더 많은 면을 가공하는 것은 VMC 가치 제안의 일부일 뿐이다. 기계 전면에 로봇을 배치해 자동화하거나 회전 축을 추가하면 생산성을 보장할 수 있으며, 기계 키네마틱스(기계가 시간에 따라 어떻게 움직이는가)에 대한 이해가 재현성의 핵심이다.

단순 3축 기계부터 5축(3+2 축, 일부 연속 5축)까지 폭넓은 선택지는 소량·대량 생산 모두에 VMC를 활용할 풍부한 기회를 제공한다. 리쇼어링 부품 생산 기회도 또 다른 동기부여다.

VMC 시장 호황

우선, 코로나19 팬데믹이 3년째 이어지는 불확실성 속에서도 VMC 수요는 강하다. 다만 공급이 우려되는 건 당연하다.

"업계가 매우 뜨겁다"며, DMG 모리 USA의 제프 월러스(Jeff Wallace) 제너럴 매니저(일리노이주 호프만 에스테이츠)는 말했다. "나사 고정 안 된 건 다 팔리고, 나사 고정된 것도 판다. 좋은 문제는 우리가 가진 걸 다 판다는 것, 나쁜 문제는 4~6주였던 리드타임이 4~6개월로 늘었다는 것이다."

VMC는 단순 프리즘 부품을 만드는 저용량 생산 센터에서도 인기라며, "심지어 수직 3축 기계도 수요가 높다"고 월러스는 덧붙였다.

팬데믹으로 악화된 인력 부족 상황에서 VMC 자동화는 최대 화두다.

"수직 머시닝 센터에 로터리 축을 추가해 공작물 여러 면을 한 번에 가공하려는 리트로핏 수요가 잦다. 고객들은 최대한 자동화하려 한다. 3축 수직 머시닝 센터 자동화조차 고려한다. 로터리 축이나 듀얼 로터리 축을 추가해 부품을 뒤집어 다른 면을 가공하면 바이스에서 빼내 다른 바이스(같은 기계든 다른 기계든)로 옮길 필요가 없다. 이는 현재 매우 인기다. 고객들은 VMC를 어떻게 최적화해 더 많은 생산성을 낼지 고민한다."

"VMC의 장점은 상대적으로 저렴하고 설치가 쉽다는 점이다. 바닥에 놓고 대부분 3점 레벨링 시스템이면 된다. 특히 단납기 생산에 VMC 진입은 매우 비용 효율적이다. 우리 거의 전 제품에 걸쳐 수요가 높다. 업계가 건강하다는 건 좋은 신호다. 우리만 그런 게 아니라 모든 빌더가 비슷한 상황이다. 파이가 꽤 크다."

DMG 모리는 자사 ROI 계산기로 VMC가 어떻게 수익 개선을 돕는지 시연한다. 특히 "리쇼어링이 활발하다. 지난 20년간 해외로 나갔던 저비용 프리즘 부품이 미국으로 돌아오고 있다. 중소형 공장들이 이 상품성 부품을 매우 효율적으로 만드는데, VMC가 아주 적합하다."

"관건은 인력과 자동화 의지다. 기계 앞에 단순 로봇을 두거나 로터리 축을 다는 것. DMG 모리 내부 자동화 그룹이 있고, 코봇(cobot)이 이 VMC 플랫폼에서 인기를 끌고 있다. 도어에 에어 실린더조차 달 필요 없이 로봇이 문을 열게 한다." 이런 조치로 고객들은 5~6% 생산성 향상을 본다고 월러스는 전했다.

멀티축 VMC가 미국에서 더 큰 비중을 차지하고 있다. 사실 '폭발적'으로, DMG 모리는 지난 몇 년간 판매가 10배 늘었다. 유럽이 초기 도입을 주도했지만, "전형적인 미국 스타일로, 일단 깨우치면 '좋아, 비켜' 식이다. 미국이 깨어났고, 주된 동력은 인력 문제다. 사람들이 일을 안 하려거나 인재를 못 구하면, 기계와의 상호작용을 어떻게 최소화해 부품을 만드나? 거기서 멀티축이 빛난다. 봉재를 잘 준비하면 부품이 완성될 때까지 한 번도 만지지 않아도 된다."

자동화를 돕는 건 자사의 셀로스(Celos) HMI 컨트롤이다. 공작기계 조작자가 다양한 로봇을 빠르게 조작해 여러 작업을 수행할 수 있게 한다. "로봇을 기계 앞에 두면 조작자가 로봇 프로그래머일 필요 없다. 드래그앤드롭 GUI로 조작자가 프로그래밍한다. 목표는 이 기술을 사람들의 손에 쥐여줘 자동화를 두려워하지 않고 편안하게 느끼게 하는 것이다."

VMC의 이점

"일반적으로 설치가 더 쉽고, VMC는 더 짧은 시간에 가동돼 일상 업무 중단을 줄인다"며, 미츠이 세이키(Mitsui Seiki) COO 빌 말란체(Bill Malanche)는 설명했다. "일반적으로 수평 머시닝 센터(HMC)보다 크기가 작아 소중한 공장 바닥 면적을 덜 차지한다. 우리 기계 설계는 더 작은 플랫폼에 더 많은 능력을 부여한다. 버텍스(Vertex) 라인 VMC는 Y축 스트로크가 X축보다 커 기계 전체 폭이 더 좁다. 대부분의 VMC는 깊이보다 폭이 넓은 편이다."

말란체는 커리어 동안 미국과 해외 기업에 수십 대의 수직 기계를 설치했다. "지금도 전시회에서 당시 설치한 기계를 기억하는 고객을 만나면 '아직 가지고 있고, 아직 2~3/10,000인치 정밀도를 유지한다'는 말을 듣는다."

미츠이 세이키는 지그 보어 타입 기계에 중점을 둬 초고정밀을 좁은 작업 영역에서 구현하며, 고부가가치 소량 생산에 이상적이다.

"복잡한 항공우주 부품을 극한 공차로 생산하는 고객이 있다. 그들이 쓰는 수직 기계는 생산용 패밀리 부품뿐 아니라 지속적인 현장 지원용으로도 설계됐다. 이 환경에서는 기계가 하루는 생산용으로 쓰이다가 예고 없이 현장 지원용으로 전환될 수 있다."

"이 고객은 숙련된 머시니스트가 부품을 만들지만, 단순히 '사이클 스타트'만 누르는 수준이 아니다. 공작물에 수많은 통합 보어와 공정 중 검사 항목이 있어 가공 중에 확인해야 한다." 이 고객은 미츠이 세이키 VMC 5대로 시작해 현재 16대를 운용 중이다.

부품을 기계에서 꺼내 '공정 중' CMM 검사를 거쳐 다음 공정으로 넘어가야 하는 경우, 말란체는 "제로 포인트 고정구 베이스 플레이트로 기계들을 배열해 동일 부품을 기계 간, CMM으로 최소 셋업과 검증 시간으로 이송할 수 있도록 반자동화 공정을 도왔다"고 말했다.

기본 VMC에 툴 프로브, 스핀들 프로브 같은 비교적 작은 옵션을 추가해 교체 시간을 단축하고, 고반복성 제로 포인트 베이스 플레이트를 적용해 다용도성을 높일 수 있다.

"하지만 가장 큰 이점은 5축 가공이 가능한 기계라 생각한다. 5축 추가는 초기 비용이 크지만, 중요한 애플리케이션에서는 투자 가치가 있으며 빠르게 회수된다. 기계 구조에 내장된 고정밀 로터리 5축 테이블은 공정 흐름에서 더 큰 다용도성을 제공한다."

미츠이 세이키는 VMC 플랫폼을 다양한 제조 과제 해결용으로 설계했다. 베이스라인 5축 버텍스 시리즈는 500mm~1200mm 직경 부품을 처리하는 3가지 크기로 제공된다. "여러 제조 과제와 신기술에 대응하는 개조를 적용해 제작했다. 공통 플랫폼에 볼스크류만 연장한 게 아니라, 수년간 수명을 위한 개별 주철 주물로 제작된다. 가장 작은 버텍스 550-5X(400mm 로터리 테이블)는 20,000파운드, 버텍스 100X는 그 3배 무게다. 이들은 '일회용' VMC가 아니다."

버텍스 기계는 에어포일 시장 윤곽 제어 향상을 위한 다이렉트 드라이브 타입 로터리 축 모터 등의 옵션을 갖췄다. "적층/절삭 금속 증착, 밀링, 그라인딩, GE 라이선스의 고속 전기 침식 공정 '블루 아크(Blue Arc)' 등 멀티 공정 복합 가공 플랫폼도 있다." 이 옵션들로 세라믹, 흑연, 알루미늄, 티타늄, 인코넬 등 다양한 소재를 가공한다.

이런 유연성이 VMC가 시장에서 입지를 되찾는 데 기여한다. 수년간 고생산 요구와 노동력 감소로 HMC가 대형 툴 체인저, 팔레트 체인저, 완전한 유연 생산 시스템(FMS)으로 시장을 장악했었다. "30년 전만 해도 중·중대량 생산 공장이 셋업 시간, 접근성, 유지보수 용이성, 숙련공 가용성, 제품 믹스 등 여러 이유로 VMC에 크게 의존했다. VMC가 고정밀 부품 가공 시장에서 새 생명을 얻고 있다."

기계의 움직임: 키네마틱스

캘리포니아주 카슨 소재 YCM 테크놀로지 USA는 북미 시장에 내장형 키네마틱스 캘리브레이션을 강조한다. 이 패키지(터치 프로브, 툴 길이 측정, 툴링 볼 포함)는 YCM의 3+2축 또는 연속 5축 기계에 표준 탑재된다고 중서부 비즈니스 개발 매니저 브라이언 허프(Brian Huff)는 밝혔다.

기계가 기능을 수행함에 따라 정밀도가 변할 수 있고, "조작자는 기계가 부정확하거나 픽업이 부정확하다고 생각하기 쉽다"고 허프는 지적했다. 이를 해결하려면 4, 5축 회전 중심을 정의하고 캘리브레이션할 수 있어야 한다. 과거에는 제조사가 기계 설치 시 회전 중심을 설정했다. "고객이 정밀도 문제로 어려움을 겪으면 서비스 콜이 필요하고, 회전 중심을 재정의하러 다시 와야 한다. 비용이 든다. 기계는 움직이고, 공작물 무게가 변하고, 다른 동역학이 작용한다. 일부 제조사는 키네마틱스 캘리브레이션 중요성을 더 일찍 받아들였다. 그래서 우리 관심사는 사용자와 조작자가 쉽게 할 수 있게 하는 것, 서비스 콜 없이 기계가 최고 정밀도를 유지하게 하는 것이다."

VMC 캘리브레이션 주기는? 애플리케이션에 따라 주 1회, 월 1회, 심지어 매일일 수 있다고 허프는 조언한다.

"작업이 더 중요하고 편차가 더 눈에 띄면 키네마틱스 프로그램을 실행하라. 근접 공차 작업이면 키네마틱스 실행, 작업 전 실행, 매일 실행해 확신하라. 일주일 동안 0.0005인치(0.0127mm) 편차가 보이면 주 1회 실행하라."

이상적으로 허프는 "키네마틱스를 일상적 대화 주제로 만들고", 설치 시 회전 중심을 정의하는 기업과 키네마틱스 캘리브레이션이 쉽고 빠르게 실행 가능해야 한다고 생각하는 기업 간 격차를 좁히고 싶다. "모든 제조사의 생활 방식이 되어가고 있다."

YCM이 정밀도를 다루는 또 다른 방식은 케슬러(Kessler)와의 파트너십이다. 케슬러의 스핀들 헤드가 YCM 수직 기계에 탑재돼 A/C축 또는 B/C축 클램핑 힘과 절삭 공구 팁의 강성을 유지한다. "우리 표준 스핀들은 더블 컬럼 5축 금형 가공 기계에서 54마력(40.2kW) 피크, HSK 100, 16,000 RPM, 2,500 RPM에서 최대 마력 발휘. 높은 강성, 토크, RPM, 마력으로 매우 다재다능한 스핀들/헤드 구성. 항공우주 버전은 18,000 RPM, HSK 63 스핀들 94마력(70kW), 알루미늄 가공 타겟." 케슬러 파트너십으로 YCM은 중서부 스핀들 수리 자원도 확보했다.

YCM은 특히 5축 기계에 주력한다. 3+2 구성이 더 대중적이지만 완전 5축 수요도 늘고 있다. 허프 역시 자동화 요청 증가를 체감한다.

"기계 패키지에 자동화를 포함해달라는 요청이 꾸준하다. 단순한 팔레트화가 아니다. 픽앤플레이스 자동화 수용과 관심이 늘고 있다. 5축과 자연스럽게 어울리는데, 많은 경우 1~2회 셋업으로 공작물 완전 가공이 가능하기 때문이다. 이 경우 공작물 고정이 중요하고, 고정구/클램프가 커터 간섭 없이 5면 접근 가능해야 한다. 공작물 바닥에서 고정해 5면을 노출시키는 게 이상적이다. 바닥 고정용으로 훌륭한 시스템을 설계한 업체들과 협업 중이다. 또한 YCM 기계와 팔레타이즈드 자동화 패키지를 제공하고 코봇·픽앤플레이스 자동화 패키지 추가 개발 중이다."

고생산 지향

지난 2~3년간 치론(Chiron)의 VMC 신제품은 대형 자동차·항공우주 부품 가공 수요를 겨냥한 견고한 고량산 플랫폼 위주였다고 치론 아메리카(Charlotte, N.C.)의 사이먼 크네히트(Simon Knecht) 비즈니스 개발 매니저는 말했다.

"이 가공 센터들이 성공적으로 자리잡고 북미 고객들에게 널리 공급됨에 따라, 우리는 제조 스펙트럼의 반대편인 고정밀 마이크로 가공 부품으로 제품 포트폴리오를 강화하고 있다."

올해 치론은 스위스에서 개발된 마이크로5(Micro5) 머시닝 센터를 출시한다. 50×50×50mm 크기의 소형 공작물용으로 설계됐다. "이 가공 컨셉의 속도와 역학은 생산성 향상을 지원한다. 고속과 최소 이동 질량이라는 벤치마크와 함께 모듈러 플랫폼으로 통합 자동화 장착이 가능하며, 유연한 확장성으로 다중 기계로 심리스 생산 라인 구축이 가능하다."

VMC는 일반적으로 모듈러 컨셉 기반이라 4축에서 5축 레이아웃 변경이 일반적이다. "종종 고객들이 테이블 세팅을 변경해 테이블 상 4축 또는 5축을 활용한다."

타 공급업체들과 마찬가지로 치론 아메리카도 작업자 기술 격차 해소에 나선다. 스마트 자동화는 "계획된 생산 시간 동안 처리량을 보장하는 솔루션의 한 부분"이다. "자동화 기술, 특히 로봇은 일반적으로 높은 기술적 가용성과 신뢰성으로 작동한다. 소량 배치용으로 설계된 공정과 셀로 우리 자동화 솔루션은 기계 내 고정구 교체도 가능하다. 수동 셋업은 고정구 교체에 1시간 이상 걸리지만, 제로 클램핑 시스템으로 VMC를 자동화하면 처리량이 향상되고 기계가 본연의 가공에 빨리 복귀한다. 우리 가공 테이블 축 구성은 이런 클램핑 방식을 수용하도록 설계됐다."

전동화 전환, 팬데믹 스트레스 공급망 같은 트렌드는 장비에 더 많은 유연성을 요구한다. 셋업 감소 VMC가 필수 도구가 되는 이유다. "기계에서 다른 공작물로 빠르게 전환하는 능력은 셋업 횟수를 줄이고 가능한 많은 공정을 동일 기계에서 마무리하는 접근법을 이끈다." 치론의 통합 공작물 교환은 5축 VMC 가동 중 부품 적재/하역을 가능케 한다.

이 유연성을 활용해 VMC로 다양한 공작물을 가공하면 "ROI 측면에서 실질적 혜택"이 있다고 크네히트는 결론 내렸다. "일자리나 프로젝트 손실 후 전용 기계가 놀고 있는데 제조사가 기계를 충분히 활용 못 하는 경우를 너무 많이 봤다."