로봇 파이버 배치와 3D 프린팅, 인더스트리 4.0 발전 견인

인더스트리 4.0이 약속한 이점들이 일리노이주 록퍼드의 Ingersoll Machine Tools에서 실현되고 있습니다. '디지털 트윈' 기계 설계 시뮬레이션, 더 높은 로봇 지능, 복잡한 모션이 이곳의 필수 도구입니다. 이 도구들은 대규모 금형 생산, 부품 가공, 공정 자동화를 더 넓은 항공우주, 해양 및 기타 산업 분야에 접근 가능하게 만듭니다.

"인더스트리 4.0이 약속한 파괴적 혁명이 이미 시작되었습니다."라고 Ingersoll의 영업 부사장 제이슨 멜처(Jason Melcher)는 말했습니다. "더욱 놀라운 것은 이것이 기계 설계가 가장 크고 가장 어려운 분야인 항공우주에서 일어나고 있다는 점입니다."

"여기서 공정 임피던스는 시간 단위가 아닌 분 단위, 파운드/시간 단위로 평가됩니다."라고 멜처는 설명했습니다. "우리는 항공우주 업계 최고의 CNC 및 모션 기술 플랫폼에 의해 미래로 뒷받침되는 더 큰 제작 가능성을 보고 있습니다."

공정 개선은 항상 Ingersoll에서 큰 비중을 차지했습니다. 수년간 회사의 기계, 소프트웨어, 공정 엔지니어들은 지멘스 엔지니어들과 협력해 차세대 대형 기계 설계를 개발해 왔습니다.

하지만 Ingersoll과 지멘스가 진정으로 획기적인 것을 위해 무엇을 하고 있을까요?

이제 이 두 기술 회사는 고객 엔지니어링 팀과 협력해 발명하고, 검증하고, 위험을 완화합니다. 그들은 더 큰 규모에서 협력하고 있으며, 지능형 로봇 파이버 배치와 대규모 프린트/밀 부품 생산이 더 이상 비전이 아닌 현실이 되었습니다.

로봇 파이버 배치

항공우주용 자동 파이버 배치(AFP) 분야의 오랜 플레이어인 Ingersoll의 하이엔드 로봇 진출은 자연스러운 진화로 보입니다. 회사의 야망은 로봇 파이버 배치를 2차, 3차 협력업체 항공우주 부품 생산업체도 감당할 수 있게 만드는 것이었습니다. 하지만 그 항공우주 시장 진입은 대규모 로봇 포지셔닝의 역사적 부정확성, 기계 운영자 수준에서의 로봇 제어 부족, 대규모 맞춤형 AFP 시스템 설계 및 구축의 높은 비용 등 여러 현실적 제약에 가로막혀 있었습니다.

정확한 로봇 포지셔닝: 최근 몇 년간에도 대규모 로봇의 포지셔닝 정확도는 약 5mm 수준에 불과했고 반복성이 낮았습니다. 이 한계를 해결하기 위해 지멘스는 강력한 Sinumerik 840D sl CNC를 Run MyRobot, 즉 고도로 정교한 로봇 보정 소프트웨어를 포함하도록 발전시켰습니다.

이를 통해 Ingersoll은 로봇을 새로운 Robotic FP 파이버 배치 기계 설계에 통합해, 표준 및 역 로봇 모션 모두에서 1mm 미만의 반복 가능한 로봇 포지셔닝 정확도를 달성했습니다.

기계에서의 로봇 제어: Robotic FP 기계의 로봇 모션은 지멘스 Sinumerik CNC Operate 인터페이스를 사용해 기계에서 쉽게 제어할 수 있습니다. 컨트롤의 직관적인 그래픽 인터페이스는 Sinumerik CNC 플랫폼 전반에서 보편적입니다. 항공우주 고객은 운영자가 기계 간에 익숙해지고 효율적이게 되면서 플랜트 전체에서 더 높은 공정 효율을 달성할 수 있습니다. 3축에서 5축 또는 6축 로봇으로, 더 많은 축(턴테이블, 맨드릴, 리니어 레일 등)을 가진 로봇으로 이동하더라도 인터페이스는 동일하게 유지됩니다. 운영자의 경험은 전통적인 파이버 배치, 로봇 파이버 배치, 3D 프린팅, 로봇 3D 프린팅 또는 모든 CNC 가공 공정을 제어하든 동일합니다.

기계 설계 시뮬레이션: 공작기계 업계는 기계, 금형, 부품의 디지털 트윈을 실제 생산에 들어가기 전에 가상으로 설계, 테스트, 재설계하는 능력을 오랫동안 고대해 왔습니다. 항공우주에서는 기계나 부품의 거대한 크기 때문에 물리적 프로토타이핑이 특히 비용이 많이 듭니다.

전통적인 시행착오 프로토타이핑은 시간과 자재의 막대한 손실을 초래합니다. 이러한 제약을 벗어나기 위해 Ingersoll의 소프트웨어 엔지니어들은 공정 엔지니어가 기계, 금형, 부품을 가상으로 설계하고 개발할 수 있게 하는 시뮬레이션 소프트웨어를 개발했습니다. 이 소프트웨어는 지멘스 Virtual NC Controller Kernel(VNCK) 시뮬레이션 소프트웨어를 감쌉니다. 컨트롤러는 실제 기계에서 수행되는 것과 정확히 동일하게 거의 모든 가공 사이클 데이터와 공구 경로를 처리하고 시뮬레이션하며, Sinumerik Operate 인터페이스는 이 정확한 디지털 트윈 시뮬레이션을 그래픽으로 표시합니다.

대규모 3D 프린팅과 밀링

세계 최대 열가소성 3D 프린터들은 Ingersoll Machine Tools의 거대한 개발 센터에 들어서는 항공우주 엔지니어들의 즉각적인 관심을 끕니다.

MasterPrint 기계의 엄청난 크기에 적응한 후, 엔지니어들의 관심을 끄는 것은 더 빠른 프로토타이핑, 더 짧은 리드 타임, 제조 비용 90% 절감의 전망입니다. Ingersoll의 혁신은 지멘스 Sinumerik 840D sl CNC 플랫폼으로 다시 구현된 턴키 프린트 앤 밀 기계인 MasterPrint 5X 개발로 이어지며, 더욱 큰 생산성 혁신을 가져옵니다.

마이클 폴크(Michael Falk)는 메카트로닉스 엔지니어이자 MasterPrint 시리즈 출시에서 Ingersoll을 지원해 온 지멘스 영업 팀의 리더입니다. 폴크는 Ingersoll 개발 센터를 방문하는 항공우주 엔지니어들의 반응을 자주 목격했으며, 왜 '5X' 요소가 큰 매력인지 증명할 수 있습니다. "3D 프린팅된 것의 90%는 피니시 밀링이 필요합니다."라고 폴크는 말했습니다. "새로운 MasterPrint는 Ingersoll이 개발하고 지멘스가 지원하는 자동 헤드 교체 기술로 세계 최대 부품을 생산하는 턴키 작업으로 정확히 이를 수행합니다."

폴크는 항공우주 및 해군 엔지니어들이 이제 Ingersoll에서 한때 달성할 수 없었던 공정 개선 목표를 탐구할 수 있게 되었다고 말했습니다. "2019년 10월, 메인 대학은 실제로 떠서 사람을 태울 수 있는 25피트 길이의 보트를 3D 프린팅해 기네스 세계 기록 3개를 수상했습니다."라고 그는 말했습니다. "놀라운 것은 Ingersoll 엔지니어들이 그 이후로 크기 기록을 여러 번 경신했다는 것입니다."

밀-프린트 효율성: MasterPrint의 대형 3D 프린팅 접근법은 5축 모션의 증폭된 속도, 민첩성, 정확성을 결합합니다. 동일한 갠트리가 이제 프린팅, 밀링, 파이버 배치, 테이프 레이잉, 검사, 트리밍 등의 기능을 상호 교환할 수 있습니다.

어떤 각도에서든 3D 프린팅: Ingersoll은 새로운 MasterPrint 5X를 출시한다고 폴크는 말했습니다. 이 기계는 어떤 각도에서든 최대한의 이점으로 프린트할 수 있습니다. 따라서 이제 가장 효율적인 시퀀싱을 사용해 거대한 금형이나 부품을 신속하게 만들 수 있습니다. 5축 프린팅 노즐은 방향을 적절히 변경해 훨씬 더 복잡한 부품을 프린트합니다.

고속 동기화: "3D 프린팅 중 동기화 동작에서 많은 마법이 일어납니다."라고 폴크는 말했습니다. "일관된 비드 형상으로 멋진 부품을 얻을 수 있습니다. 프린팅은 코너에서만 필요만큼 느려졌다가 최적 속도로 재개됩니다. 코너가 과도하게 채워지지 않습니다. 인필 이슈가 없고, 비드 넥킹이 없고, 툴링 내 보이드가 없고, 부품 내부에 재료 축적이 없습니다."

로봇 3D 프린팅: Ingersoll은 이제 지멘스 Sinumerik 840D sl CNC의 핵심 기능인 Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, 로봇 보정 소프트웨어를 최대한 활용합니다. Ingersoll은 동일한 로봇으로 작동되는 여러 모듈을 기계의 CNC가 제어할 수 있는 다양한 로봇 시스템을 제공합니다.

미래를 위한 툴셋

제이슨 멜처와 마이클 폴크는 탐구적 질문을 던지는 Ingersoll Machine Tools 엔지니어들의 끊임없는 열정을 목격했습니다. 그들은 지원적인 문화 속에서 연구실 환경을 묘사합니다. 갓 대학을 졸업한 공정 엔지니어가 가장 진보된 메카트로닉스 과정에서도 다루지 않는 것들을 빠르게 배웁니다.

Ingersoll에서 엔지니어들은 더 나은 가공 공정을 발명, 검증, 학습, 구축하라는 도전을 받으며, 이를 수행할 도구를 부여받았습니다.

"지멘스는 기계 설계 프로세스에 열린 툴박스를 가져옵니다."라고 폴크는 말했습니다.

"5축 Sinumerik 840D 컨트롤, 풀 세트의 모터, 드라이브, 구성요소가 있습니다. 시뮬레이션 소프트웨어와 서드파티 혁신에 대한 열린 초대가 있습니다. 이 모든 것이 Sinumerik CNC와 그 가상 대응물인 VNCK 커널이 훨씬 더 진화된 가공 공정의 두뇌가 되도록 결합됩니다."

네이트 하우그(Nate Haug)는 Ingersoll의 공정 엔지니어입니다. 그는 회사의 많은 영감을 받은 엔지니어 중 한 명으로, 더 개방된 CNC 및 모션 제어 툴셋 사용의 이점을 증명합니다. "지멘스는 우리가 'G코드만 기반으로 한' 컨트롤을 사용할 때보다 훨씬 더 많은 것을 할 수 있게 하는 프로그래밍 언어에서 시작합니다."라고 하우그는 말했습니다. "실제로 두 가지 툴셋이 있습니다. 하나는 광범위한 함수와 변수를 허용하는 지멘스 언어입니다. 다른 툴셋은 우리가 NC의 두뇌에 조건부 함수를 주입하게 합니다. 이 두 툴셋 없이는 우리가 하는 일을 할 수 없습니다. 우리는 파이버 배치 기계, 로봇 파이버 배치 기계, 3D 프린터, 로봇 3D 프린터, 두 개의 헤드가 있는 공작기계, 수직, 다섯 개의 헤드, 기본적으로 모든 구성에서 840D를 사용하고 있습니다."

하우그는 Ingersoll의 기존 기계들 사이에서 개선을 하는 것 외에도, 그와 동료 엔지니어들이 지멘스 Sinumerik CNC 툴셋을 사용해 새로운 기계 개발로의 경로를 조사하고 있다고 말했습니다. 그 경로 중 하나는 소재 연구입니다.

"각 소재는 고유한 흐름 특성을 가집니다."라고 하우그는 설명했습니다. "지멘스 컨트롤은 소재에 맞춰 코드의 기능을 수정할 수 있게 합니다.

CNC 플랫폼은 더 넓은 범위의 소재를 조사할 수 있게 합니다."

소재 특성 질문은 강도, 수축, 휨, 등방성 대 이방성 소재 사용과 같은 변수를 탐구합니다. 소재 솔루션은 민간, 방위, 인프라 애플리케이션을 위한 신속 프로토타이핑 영역에서 등장합니다. 목재 자원에서 추출한 셀룰로오스를 사용한 바이오 기반 원료를 지원하는 야심 찬 이니셔티브를 지원할 수 있는 독특한 프린터 개념도 등장합니다.

기계 자가 모니터링: 수동 육안 검사가 오늘날에도 여전히 일반적이지만, 점점 더 디지털화된 자동화 생산 과제에 대한 아날로그적 답이 되고 있습니다.

Ingersoll은 검사가 곧 기계의 부차적 공정으로서 일상적으로 수행되는 날이 곧 올 것으로 봅니다. 파이버 배치 가공 공정은 적층을 모니터링하고, 결함을 확인하고, 부품의 정확성과 신뢰성을 보장할 것입니다. 마찬가지로 하이브리드 3D 프린팅 공정은 언젠가 원활하게 통합된 공정 자가 모니터링으로 프린팅과 가공을 백투백으로 수행할 것입니다.

이러한 자동화된 자가 검사 공정의 개발은 이미 정확한 포지셔닝과 위치 피드백을 관리하는 지멘스 CNC 및 모션 제어 플랫폼에 의해 지원됩니다. 기계는 모든 편차를 감지, 추적, 보고할 수 있습니다.

Ingersoll과 지멘스가 입증한 바와 같이, 인더스트리 4.0이 약속한 이점들이 오늘 구현되고 있습니다. 대규모 로봇 파이버 배치와 3D 프린팅의 경계를 제거한 지금, 기대는 전체 부품 생산 공정 전반에 걸친 획기적인 개선을 향해 높아지고 있습니다.

"더 큰 그림의 사고입니다."라고 Ingersoll의 제이슨 멜처는 말했습니다. "우리가 고객을 방문할 때, 그것은 공정 개선을 탐구하기 위함입니다. 고정된 특징과 기능을 가진 기계 라인 카드에 관한 것이 아닙니다. 우리는 맞춤형 공정 개선에 대한 대화로 진입하고 있습니다."

항공우주, 해양 및 기타 진보적 부문의 엔지니어들에게, 더 큰 규모의 혁신은 그들이 이전에 결코 경험하지 못한 무제한의 툴박스를 탐구할 수 있음을 의미합니다.