조지아 공대 토마스 쿠르페스 교수가 밝히는 5축 CNC 가공의 미래

조지아 공대의 가공 전문가이자 연구자인 토마스 쿠르페스 박사는 5축 기계의 생산성을 자동 툴패스 생성으로 극적으로 높이는 알고리즘을 개발했습니다. 여기서 쿠르페스 교수와 함께 업계의 최신 발전과 가공의 미래 방향을 논의합니다.

수십 년 전만 해도 단일 차원 가공은 이동 거리, 이송, 속도만 결정하면 되는 비교적 단순한 과정이었습니다. 오늘날 CNC 장비의 기능은 훨씬 더 발전했습니다. 5축 가공을 통해 제조업체는 절삭 공구를 5개의 서로 다른 축을 따라 동시에 이동시킬 수 있어, 매우 복잡한 부품과 설계를 만들 수 있습니다.

그리고 혁신은 이제 막 확장되기 시작했습니다. 조지아 공과대학의 교수이자 HUSCO/라미레즈 석좌 교수인 토마스 쿠르페스 박사는 이를 발견했습니다. 그의 연구는 복잡한 제품 생산과 최적화를 목표로 하는 첨단 제조 시스템의 설계와 개발에 초점을 맞추고 있습니다.

그는 자동 툴패스 생성을 위한 5축 기계 알고리즘을 연구했는데, 이는 사용자 상호작용과 툴패스 준비 시간을 줄여 생산성을 극적으로 높일 수 있는 기능입니다. 쿠르페스 교수는 또한 첨단 공구 형상에서 공구 마모를 정량화하는 것의 부적절성을 조명하는 연구를 수행했으며, 공식적으로 백악관에서도 근무했습니다. 2012년부터 2013년까지 오바마 대통령 하에서 과학기술정책실의 첨단 제조 부문 부국장으로 재직했습니다.

쿠르페스 교수와 함께 다축 가공의 현재 상태와 미래가 어디로 향하는지 논의합니다.

5축 기계의 자동 툴패스 생성 연구를 하셨습니다. 과거, 현재, 미래의 과제에 대한 교수님의 견해를 들려주실 수 있나요?

쿠르페스: 저는 작은 기계 공장에서 자랐습니다. 당시에는 NC, 즉 수치 제어였습니다. 미래로 빠르게 나아가면, 우리는 이제 5축 가공 시대에 있습니다. 2축 또는 3축 밀링은 비교적 단순하지만, 5축에서는 각도가 달라지며 흔들리고 프로그래밍하기 어려울 수 있습니다. 솔직히 말해서, 우리는 기계에서 1980년대부터 프로그래밍 역량을 반드시 개선해 온 것은 아니며, 여전히 상당한 경험을 가진 고도로 훈련된 프로그래머가 필요한 매우 복잡한 과제를 안고 있습니다. 이는 단순히 파일을 다운로드하고 프린트하는 것으로 인식되는 3D 프린팅과 극명한 대조를 이룹니다. 제 학생들은 종종 "왜 그냥 3D 프린트로 부품을 만들지 않나요?"라고 묻습니다. 하지만 수백만 달러짜리 공작기계가 있는 실제 공장에 가면, 그 기계들을 활용하게 됩니다. 왜냐하면 그것들이 거기에 있고 쉽게 또는 저렴하게 대체될 수 없기 때문입니다. 그래서 업계는 여전히 가야 할 길이 멉니다. 게다가 적층 제조는 일반적으로 플라스틱 부품을 만듭니다. 금속으로 구조물을 만들 수도 있지만 제한이 있습니다. 첨단 공작기계 프로그래밍을 위한 우리의 핵심 기술 중 하나는 그래픽 처리 장치(GPU)입니다.

GPU에 대해 좀 더 자세히 설명해 주실 수 있나요?

쿠르페스: 그래픽 보드가 있는 컴퓨터를 사면 GPU가 있습니다. 게임이 주 시장이지만, 우리는 그 기능을 5축 가공 궤적 생성에 활용합니다. GPU는 작은 슈퍼컴퓨터와 같아서 게임 같은 인터페이스로 프로그래밍할 수 있게 해주며, 인간 프로그래머의 인지 부하를 크게 덜어줍니다. GPU의 슈퍼컴퓨팅 능력으로 전문 프로그래머조차 고려할 시간이 없는 다양한 시나리오와 전망을 모두 살펴볼 수 있습니다. G-코드는 우리를 여기까지 오게 했지만, 한계가 있으며 이 기술은 오늘날 우리가 보는 어떤 것보다 훨씬 멀리 우리를 빠르게 이동시킬 것입니다.

다축 가공과 가공 전반의 미래가 어디로 향한다고 보시나요?

쿠르페스: 몇 가지를 특히 예측합니다. 첫째, 공작기계를 더 쉽게 프로그래밍하는 방향으로 나아갈 것입니다. 둘째, 많은 사람들이 완전 자동화가 될 것이라고 말하지만, 저는 반드시 그렇다고 생각하지 않습니다. 누군가가 식기세척기 비유를 든 적이 있습니다. 제 평생 동안 식기세척기가 자동으로 식기를 꺼내는 것을 볼 수 없을 것 같습니다. 싣고 내리는 데 전문 지식과 복잡성이 개입되기 때문입니다. 기계도 마찬가지입니다. 우리는 프로그래머가 어떤 공구를 쓸지, 완전 5축 연속 모드에서 어떤 방향을 프로그래밍할지 등의 선택을 돕는 방식으로 기계를 더 쉽게 사용하게 만들어야 합니다. 마지막으로, 게임 시스템에서 경험하는 것과 유사한 더 많은 그래픽 사용자 인터페이스로의 이동을 봅니다. 그런 인터페이스는 여러분을 더 생산적으로 만들 수 있으며, 솔직히 말해 현재 인력, 제 아이들처럼 그 게임 인터페이스를 능숙하게 사용하는 세대입니다.

오늘날 충분히 활용되지 않고 있는 기계의 측면이 있나요? 이 기계들로부터 최대한 끌어내기 위한 조언은 무엇인가요?

쿠르페스: 고급 기계를 최대한 활용하는 문제인데, 거기에는 큰 이슈가 훈련입니다. 우리는 인근 커뮤니티 칼리지 및 기술 칼리지와 긴밀히 협력하는데, 이들 복잡한 공작기계에 대한 준학사 수준의 훈련을 제공하는 것은 어렵고 비용이 많이 듭니다. 교육 실험실에 50만 달러짜리 공작기계를 두는 것은 비용 면에서 상당히 부담스럽지만, 훈련은 특히 다축 가공에서 매우 중요합니다. 기업이 개인을 훈련시키는 것도 어렵습니다. 한번 능숙해지면 그들을 붙잡아 두기 어렵기 때문입니다. 간단히 말해, 그들은 수요가 높습니다.

자동 툴패스 생성을 위한 알고리즘 개발 연구를 하셨습니다. 그 연구와 극복하려 했던 과제, 결과에 대해 말씀해 주세요. 오늘날 자동 툴패스 생성은 어디에 있으며, 어디로 향하고 있다고 보시나요?

쿠르페스: 툴패스 생성과 관련하여, 픽셀 대신 복셀(voxel)로 작업합니다. 3D 픽셀인 복셀로 설계를 복셀화합니다. 디지털 볼륨 처리를 수행하는데, 이는 GPU의 자연스러운 포맷입니다. CAD 모델의 부품 설계를 가져와 복셀화하여 GPU에서 처리할 수 있게 합니다. 이 접근법은 부품 가공과 하이브리드 기계(공작기계에서의 적층, 적층 및 절삭 제조)에 잘 맞습니다. 기업들은 점점 더 고급 문제에 복셀을 사용하기 시작했습니다. 서서히지만 확실하게, 복셀은 다양한 제품으로 내려오고 있습니다. 조지아 공대 2학년 설계 제작 수업에서, 학생들이 클라우드 기반 고성능 컴퓨팅 플랫폼을 사용하여 복셀 기반 도구로 선삭 부품을 설계했고, 그들은 그것을 좋아했습니다. 그들이 사용하는 시스템은 기존 어떤 것보다 수십 배 빠릅니다. 그래서 현재 설치된 툴링 패키지로 선반에서 부품이 생산 가능한지에 대한 실시간 피드백을 부품을 그리는 과정에서 받습니다.

복잡한 형상에서 공구 마모 정량화에 대한 연구도 하셨습니다. 그 연구와 발견에 대해 말씀해 주세요.

쿠르페스: 이 분야에서 꽤 많은 작업을 하고 있지만, 가장 큰 성과를 말씀드리겠습니다: 우리는 가공하기 끔찍한 매우 진보된 니켈 기반 초합금을 가공하고 있었습니다. 목표 형상을 달성하기 어려웠지만, 부품의 입자 구조를 손상시키지 않는 것도 우려했습니다. 가공하면서 열적 손상을 표면에 줄 수 있습니다(크래킹, 서브서피스 손상 등). 이는 열 관련 문제에서 발생하는데, 열이 가장 큰 손상을 일으킵니다. 이 경우, 새로운 세라믹 인서트를 주었는데 미친 듯이 높은 속도를 주었습니다. 공작기계 파트너에게 가서 공작기계를 교체할 수 있는지 물어봐야 할 정도였습니다. 훨씬 더 높은 속도의 스핀들이 필요했습니다. 세라믹을 사용했기 때문에 절삭유를 사용하지 않아야 했습니다. 열충격으로 인서트가 파손되는 것을 방지하기 위해서입니다. 높은 속도에도 불구하고 절삭유 없이 놀랍도록 잘 작동했습니다. 사실, 우리는 열 전달 속도를 이길 만큼 빠르게 가공할 수 있었습니다. 즉, 열이 부품에 전달될 수 없었습니다. 가공이 끝나면 부품을 만져도 차갑습니다. 이는 서브서피스 손상을 최소화하는 데 도움이 되었습니다. 부품에 열적 손상을 제거하고, 훨씬 높은 금속 제거율로 가공했으며, 절삭유가 묻은 칩이 없어 재활용이 훨씬 쉬웠습니다.

제조업 기술 격차에 대한 생각은 어떠신가요? 어떻게 보시고 어떻게 개선할 수 있다고 생각하시나요? 모든 규모의 제조업체가 미래에 필요한 인재를 찾기 위해 어떤 조치를 취해야 할까요?

쿠르페스: 기술 격차는 실재합니다. 요즘 아이들은 20~30년 전 우리처럼 G-코드 프로그래밍에 빠져 있지 않습니다. 물론 당시 우리의 진보된 비디오 게임은 퐁이었고, 종이 테이프를 뚫었습니다! 차세대 인력은 더 그래픽 지향적이며 다른 기술 세트를 가집니다. 그래서 더 그래픽 인터페이스로 이동하는 것이 이 차세대를 참여시키는 데 정말 도움이 됩니다. 많은 사람들이 기계공이나 엔지니어가 되려면 수학 천재여야 한다고 느낍니다. 현실은 천재일 필요 없습니다. … 잘하고 좋아하면 됩니다. 또한 저는 SME 회장으로서 툴링 U-SME의 차세대 훈련 제품이 운영 훈련 및 개발 측면에서 차세대 및 현재 세대 인력을 얼마나 잘 참여시키는지 봅니다. 사용되는 접근법은 최첨단이고, 참여도가 높으며, 매우 효과적입니다. 게다가 이 훈련은 표적화되고 개인화되기 시작했습니다. 기계가 당신이 적절히 훈련되었는지 알고, 기계를 운영하고 활용하는 방식을 개선하기 위해 당신에게 훈련을 추천하는 영역으로 이동하고 있습니다. 게다가, 3축 기계에서 당신의 성과를 기반으로 5축 기계로 훈련되고 승진하라는 추천을 하는 3축 기계를 보는 것도 멀지 않았습니다.

제조업체들이 기술 격차 축소를 돕기 위해 어떤 역할을 해야 한다고 보시나요?

쿠르페스: 평생 학습에 관한 것입니다. 인력과 고용주 모두 지속적이고 평생 훈련이 더 수익성 있는 운영과 길고 안정적이며 성공적인 커리어의 길임을 이해하는 문화 변화가 필요합니다. 지속적인 훈련이 좋은 것이라는 모드로 모두를 이끌어야 합니다. 현실적으로, 30년간 아무것도 배우지 않았다면, 당신은 기술적 공룡이 될 것이고, 공룡이 어떻게 되었는지 우리는 압니다! 기술을 최신 상태로 유지하는 것이 관련성을 유지하는 데 필수적입니다.

자동차 분야에서도 일하셨던데, 그 경험과 현재 그리고 미래의 자동차 산업에 대해 말씀해 주실 수 있나요?

쿠르페스: 1994년부터 2005년까지 조지아 공대에 있었습니다. 2005년 클렘슨 대학교 국제 자동차 연구 센터에서 학술 및 연구 프로그램을 시작했습니다. 일반적으로 2축 및 3축 가공으로 단순한 부품을 생산하는 것은 비교적 단순했습니다. 그러나 5축 부품이 왔을 때, 우리는 정말 변화를 만들었습니다. 다시, 고급이고 복잡한 작업에서 고도로 훈련된 개인들이 진정으로 빛을 발했고, 그곳에서 그들은 훌륭한 연봉을 받았습니다!

면밀히 주시하고 있는 다른 특정 산업 수직 혁신이 있나요? 오늘날과 가까운 미래에 크로스오버하여 영향을 미칠 수 있는 제조 혁신은 무엇이라고 보시나요? 제조업체들이 정말 주목해야 할 것은 무엇인가요?

쿠르페스: 오바마 대통령의 과학기술정책실에서 첨단 제조 기술 포인트로 일했을 때, 훌륭한 관점을 얻었습니다. 양당 모두 제조업은 중요합니다. 몇 주 전 소위원회에서 증언했는데, 제조업체를 위한 사물인터넷의 중요성을 강조했습니다. 우리는 기계가 제품과 공정에 대한 엄청난 양의 정보를 추출하는 것을 보고 있습니다. 이는 더 나은 제품과 효율적인 공정을 만들 뿐만 아니라, 일자리 기회와 현대 인력의 경쟁력을 향상시킵니다. 그 소위원회의 모든 대표가 이를 이해하고 이러한 기술과 역량 발전을 지지했습니다.

자동화 측면에서, 기술 발전이 더 적은 인력으로 기술 격차를 해소하는 데 실제로 도움이 될 수 있다고 보시나요?

쿠르페스: 자동화가 증가하면 더 높은 기술 세트를 가진 더 적은 인력이 필요합니다. 직원들이 고급 축 프로그래밍을 하게 되면, 기업들은 이해하게 될 것입니다. 이 기계들이 더 낫다는 것을 깨닫고, 더 많이 구매할 것이고, 궁극적으로 더 많은 인력이 필요하게 될 것입니다. 인정하건대, 우리는 여전히 일의 중심에 인간이 필요합니다. 사람들이 모든 프로그래밍을 할 것이기 때문입니다. 일반적인 인력이든 개인이든, 평생 학습의 문제이며 이 기계들을 이해하는 것이 누군가를 다음 수준의 역량으로 이끌 것입니다. 그래서 저숙련 일자리는 사라지겠지만, 훨씬 더 높은 임금의 고숙련 일자리가 크게 확장되는 것을 보게 될 것입니다!

마지막으로, 고성능 가공에 대해 잠시 논의해 보죠. 그 분야에 새롭고 혁신적인 발전이 있나요?

쿠르페스: 모든 것은 컨트롤러에 달려 있습니다. 사용 편의성, 연결성… 모든 정보를 한데 모으는 것… 그것이 미래입니다. 그것은 여전히 내 첫 PC처럼 보이는 80년대 CNC 컨트롤러를 압도합니다!

귀사의 숍이 5축 가공을 도입하셨나요? 어떤 과제에 직면하셨나요? 자동 툴패스 생성기로 기계를 프로그래밍하는 것에 개방적이신가요? 아래 댓글 섹션에서 알려주세요.