[첨단 헬로티]

 

1. 서론

금속 3D 프린터는 제조 공정에 관계된 복수의 기계설비나 전용 지그 등의 부대장치가 불필요하고, 기존의 제조로는 어려운 (혹은 불가능한) 3차원 형상을 심플한 프로세스로 다이렉트로 조형할 수 있기 때문에 부품 단체의 고기능화, 새로운 제조 프로세스의 확립, 대폭적인 생산성 향상 등을 가져오는 혁신적인 장치로서 큰 주목과 기대를 모으고 있다.

동사는 주력 제품인 리니어모터 구동 방전가공기나 하이스피드 밀링센터, 전자빔에 의한 금속 표면개질장치, CAD·CAM 등의 코어 기술을 집대성해 정밀 금속 3D 프린터 ‘OPM250L/OPM350L’을 개발했다. 이들은 적층조형과 절삭가공을 1대의 기계에 융합한 복합가공기로, 적층조형의 특징을 활용하면서 과제였던 가공 정도와 표면조도의 성능 향상에 의해 플라스틱 성형용 금형에 대한 적용을 가능하게 했다. 또한 OPM 시리즈로 조형한 3차원 냉각배관 내장의 일체화 구조에 의한 금형을 이용(이하 OPM 금형으로 표기), 실제로 플라스틱 제품의 성형을 하여 성형 사이클의 단축에 의한 생산성 향상에 더해 토털 금형 제조 코스트의 절감과 설계를 포함한 전체 공수의 단축 등 여러 가지 성과를 실현했다.

더구나 독자 기구의 V-LIME? 사출성형기를 다루는 종합 메이커의 강점을 살려, OPM 금형의 혜택을 최대한으로 활용하기 위해 주변기기 장치를 올인원으로 구성하는 전용의 사출성형기, 전전동 eV-LINE 생산 셀 시스템 ‘MR30’을 2016년에 발표, 원스톱의 토털 솔루션을 제안했다. 2017년에는 복수 대의 MR30으로 구성되는 완전자동화 대응의 사출성형 생산 시스템 ‘ICF-V’를 개발했다. 여기에서는 OPM 시리즈와 OPM 금형의 특징 및 MR30의 구조와 그 활용 사례 및 IoT 대응에 기여하는 차세대 성형 시스템 ICF-V의 개요를 소개한다.

※V-LINE?은 주식회사 소딕의 등록상표

2. 정밀 금속 3D 프린터 OPM 시리즈

OPM 시리즈는 얇게 도포한 금속분말을 원하는 형상의 부분만 레이저 조사함으로써 용융 응고시켜 조형, 조형물의 가공 정도나 표면조도를 향상시키기 위해 세팅 전환하지 않고 1대의 기계로 고속 절삭을 연속해서 할 수 있는 금속 광조형 복합가공기이다. 그림 1에 대형 조형물에 대응할 수 있는 OPM 350L의 외관을 나타냈다.

▲ 그림 1. 정밀 금속 3D 프린터 ‘OPM350L’ 외관

(본기 오른쪽 측 : MRS 유닛, 옵션)

OPM 시리즈는 정밀 미세 영역의 조형 성능을 중시, 금속분말을 설치한 동일한 재질의 베이스 플레이트 상에 적층 두께 0.05mm씩 도포하고 레이저 조사에 의해 용융 응고시켜 조형하는 ‘분말 바닥 용융결합법(Powder Bed Fusion 방식)을 채용했다. 여러 번의 레이저 조사 후, 1회의 비율을 기본으로 해 절삭공구에 의한 고속 고정도 절삭가공을 한다. 이 패턴을 반복함으로써 1대의 기계로 두께가 있는 조형물의 고정도 가공을 세팅 전환 없이 할 수 있다. 레이저 가공와 고속 절삭가공의 가공 조건 및 NC 프로그램은 전용의 CAM으로부터 생성되고, OPM 시리즈의 NC 장치에 전송됨으로써 레이저 가공과 고속 절삭가공 모두 전자동으로 실시된다.

OPM 시리즈가 가지고 있는 고속 절삭의 성능은 동사가 축적해 온 하이스피드 밀링 가공의 특징에 의한 것이고, 성능 평가용 조형 형상에서 ±0.01mm 이내의 치수 정도를 가능하게 했다. 그림 2에 레이저 가공 그대로의 면질과 레이저 가공 후에 절삭가공을 실시한 면질과의 차이를 나타냈다. 상부는 금속분말이 용융 응고해 적층된 상태대로 거친 면질로 되어 있으며, 금형이 요구하는 정도·면조도에는 미치지 못하는 것이 분명하고, 하부는 고정도와 함께 절삭가공 특유의 깨끗한 다듬질로 되어 있다.

▲ 그림 2. 레 이저 가공(상부)과 절삭가공(하부)에 의한 면질의 차이

3. 조형물의 금속 충전과 표면 품질

플라스틱 성형용 금형을 타깃으로 하는 경우, 생산현장에서 대응할 수 있는 OPM 시리즈의 중요한 성능의 하나로 조형 표면의 품질을 들 수 있다. OPM 시리즈의 기상에서 가공할 수 있는 최량면은 마레이징강의 Ra=0.19이고, 플라스틱 성형용 금형의 의장면에 사용하는 경우 후공정에 연마가공이 필요해진다. 일반적으로 금속 3D 프린터에 의한 조형물은 그 내부에 ‘블로홀’이라고 불리는 미소한 구멍의 결함이 존재, 레이저 가공의 상태가 불안정해질수록 ‘블로홀’의 발생률이 높아진다. ‘블로홀’은 연마가공 후의 표면 품질에 영향을 미치고, 플라스틱 제품의 품질에 지장을 초래하기 때문에 ‘블로홀’의 발생을 억제하는 레이저 가공의 안정성이 요구된다. 레이저 가공의 안정성 요인으로서 레이저 출력의 파워와 그 안정성, 레이저 조사와 테이블 제어의 매칭, 레이저 조사의 분위기(저산소 농도의 불활성 분위기, 흄 회수 상황), 금속분말의 품질(입경 분포, 금속 물성), 도포한 금속분말의 균일성 등을 들 수 있는데, 이들 모든 요소가 장시간에 걸쳐 최적의 상태를 안정 유지하는 것이 필요하다. 금형 표면에 ‘블로홀’이 있으면, 플라스틱 제품은 볼록 상태의 면질 에러가 되기 때문에 가급적 ‘블로홀’의 존재가 제로, 즉 금속 충전율이 거의 100%가 되는 적층조형의 성능이 요구된다.

OPM 시리즈에서는 레이저 가공이 안정되는 조건을 개발함으로써 마레이징강과 SUS420J2에서 매우 높은 멜팅률(동사가 독자로 정한 금속 충전율의 지표) ‘99.99%’를 얻을 수 있었다. 이것은 흄(금속분말이 용융될 때 일부가 금속증기가 되어 증발, 응집해 미립자가 된 것) 회수를 포함한 저산소 농도 관리와 레이저 에너지 제어의 양호한 가공 조건 선택에 의한 것이다. 흄이 조형 분위기에 떠돌아다니면, 레이저가 차단돼 안정된 용융 응고가 이루어지지 않고 적층조형의 품질이 열화되는데, OPM 시리즈에서는 발생한 흄을 쾌속으로 효율 좋게 회수함으로써 매우 높은 멜팅률의 적층조형이 가능해진다.

마레이징강의 조형물을 다이아몬드 숫돌입자를 사용해 버프 연마를 하고, 얼마나 면조도가 작은 경면을 얻을 수 있는지를 평가한 사례를 그림 3에 나타냈다. 사전의 글자가 깨끗하게 비춰 보이는 레벨(면조도 Ra=0.014μm)의 매우 깨끗한 경면이 얻어지고, 이 면질을 가지는 캐비티(오목 상태의 금형 부품)로 플라스틱 성형을 한 경우, 고품질의 장식면을 가지는 금형에 적용이 가능해졌다. 

▲ 그림 3. 조형물의 경면 샘플(왼쪽)과 가시화한 흄 회수 상황(오른쪽)

4. 레이저·절삭가공의 조형 속도 향상

OPM 시리즈는 기존 공법으로는 불가능한 깊은 홈의 가공이나 금형 내부의 최적 3차원 냉각배관을 가능하게 하고, 금형 설계 시간·금형 제작 시간·플라스틱 제품의 성형 시간을 단축할 수 있다. 대상이 되는 조형 사이즈가 크면 이들 메리트도 현저하지만, 필연적으로 기계가 대형화돼 절대적인 조형 시간이 길어지기 때문에 비용 대 효과가 확실하게 얻어지는 레벨의 고속화가 요구된다.

복합기인 OPM 시리즈의 총조형 시간은 레이저에 의한 소결 시간과 밀링에 의한 절삭 시간, 분말을 얇게 도포하는 리코트 시간, 공구 교환 시간이나 공구 측장 시간으로 나누어지는데, 이번에 그 대부분의 시간을 점하고 있는 소결 시간과 절삭 시간의 대폭적인 단축을 가능하게 했다. 우선 소결 시간의 단축은 레이저와 갈바노를 고속으로 최적 제어하는 ‘패럴렐 모드(그림 4)’를 개발, 대면적 320mm×320mm에서 조형 속도 19cc/h의 고속화와 네 모퉁이 및 중앙의 어디에서나 99.86% 이상의 높은 멜팅률을 달성했다(그림 5).

▲ 그림 4. 패럴렐 모드(3개)에 의한 고속 조형

▲ 그림 5. 대면적의 고속 조형과 높은 멜팅률

다음으로 절삭 시간의 단축은 기존 10층(0.4mm)에 1회의 시프트 가공 빈도에 대해, 25층(1mm)에 1회의 비율로도 동등한 면질을 얻을 수 있는 신 기술을 개발, 시프트 가공의 절삭 횟수를 기존의 2.5분의 1로 단축할 수 있었다. 더구나 절삭 여유값을 최소화하는 ‘인프로세스 보정’을 개발했다. 조형 시의 예열이나 소결 시의 열변위, 설치 환경의 온도 변화 등에 의해 별도의 구성으로 되어 있는 OPM 시리즈의 레이저 제어축과 밀링 제어축의 위치 관계는 시간과 함께 변화한다. 따라서 미리 많은 절삭 여유값을 예상하고 레이저 소결, 밀링 가공으로 제거하는 방법을 이용하고 있었는데, 조형 중에 레이저축과 밀링축의 위치 관계를 정기적으로 측정해 보정함으로써 기존의 절삭 여유값을 최소화하는 것이 가능해지고 절삭 시간의 단축에 성공했다.

앞에서 말한 검증 사례로서 잉크탱크용 금형 코어 6개 떼기 절삭 조형에서, 3개 패럴렐 조형, 25층 시프트 가공 빈도, 인프로세스 보정의 효과를 그림 6에 나타냈다. 이 사례에서는 지금까지 1개당 총조형 시간 79시간 49분을 필요로 하고 있었지만, 종합적 고속화 기술에 의해 기존 대비 59%가 되는 47시간 12분까지 단축할 수 있었다.

▲ 그림 6. 종합적 고속화 기술에 의한 금형의 실천적 효과

5. 장시간 연속 운전과 고품질 조형

대형 조형의 요구에 대응하는 경우, 조형실의 용적이 확대돼 흄 회수가 어려워진다. 또한 고속화에 의해 흄의 발생량이 증가함으로써 점점 더 회수가 어려워진다. 이것은 조형 품질의 저하나 버 제어 절삭 다발에 의한 조형 시간의 대폭 증가를 초래, 조형 트러블에 의한 기계의 손상에 이르는 경우도 있다. 이에 동사에서는 조형실 내의 덕트 형상과 기류와의 최적화를 도모, 흄을 효율적으로 회수함으로써 장시간의 안정 조형을 가능하게 했다. 또한 장시간 운전에 견딜 수 있도록 성능 향상을 하여 흄 콜렉터의 연속 운전을 기존 대비 3배까지 향상, 이들 개량에 의해 조형 품질을 유지한 채로 조형물의 대형화와 고속 조형 및 장시간 연속 운전을 실현했다.

대형 조형을 무인으로 장시간 연속 운전하기 위해서는 분말 자동 공급이 필수이다. 기존 금속분말의 60% 이상은 회수가 필요하고, 대량의 취출, 체에 의한 분별, 높은 곳으로의 운반작업은 상당한 중노동이 될 뿐만 아니라 가지고 있는 분말이 적은 경우에는 휴일이라도 일련의 작업이 필요해진다. 

기계 대형화에 동반해 취급하는 분말량도 증가하는 것을 감안해, 장시간 연속 운전과 작업 개선에 기여하는 분말 자동공급 자동배출장치 ‘MRS 유닛(Material Recovery System, 그림 1의 본기 오른쪽 측 유닛)’을 개발했다. 

6. OPM 금형 전용 생산 셀 시스템 ‘MR30’

정밀 금속 3D 프린터 OPM 시리즈는 기존의 분할 구조에서 3차원 냉각배관 내장의 일체 구조를 구성하는 플라스틱 성형용 금형의 제조를 가능하게 하고, 토털 코스트 절감과 리드타임 단축을 가져옴으로써 금형 제조를 근본부터 변화시키는 획기적인 성능을 발휘한다. OPM 금형은 플라스틱 제품의 최적 냉각에 의한 안정된 품질을 유지하면서 성형 사이클 시간 단축을 가능하게 하는데, 이 성능을 최대한으로 발휘하기 위해 사출성형에 필요한 모든 주변기기를 올인원 구조로 한다. 전용의 전전동 eV-LINE 생산 셀 시스템 ‘MR30’을 새롭게 개발, 콤팩트 설계, 낮은 높이, 스페이스 절감, 에너지 절감을 실현했다. 올인원 구조 외에 카세트 방식 채용에 의한 세팅 시간 단축, 국소 냉각용 온조회로에 의한 열 대책, IoT에 의한 자동화 대응 등의 특징을 가지고 있다.

MR30이 장비하는 주변기기를 그림 7에 나타냈다. 건조기 사이로(15kg), 건조 필터, 온조기×2대, 분쇄기, 재료 탱크※, 이단식 반송 컨베이어※, 오토 셀렉터※, 취출기 척판※을 올인원으로 일체화 구조로 하고 있다. (※는 옵션 혹은 유저가 준비) 또한 모든 주변기기의 설정은 MR30의 조작 패널에서 가능하고, 작업성이 대폭으로 향상하는 외에 수지 건조 온도나 금형 온조 온도 등의 데이터를 일괄 관리함으로써 IoT 대응이 용이해진다.

▲ 그림 7. MR30 외관과 각 주변기기

MR30은 카세트 방식을 채용(그림 8), 금형 세팅 전환 작업을 용이하게 함으로써 금형 교환 시간을 대폭으로 단축할 수 있다. 또한 카세트 금형의 베이스형은 MR30에 표준장비되어 온조기로부터의 냉각수 배관이 항상 접속된 상태가 되기 때문에 온조 호스의 장착이나 탈착 등의 작업은 불필요하고, 카세트 금형의 자동 교환이 가능하다.

▲ 그림 8. 카세트 방식에 의한 금형 외관

국소 냉각용 온조회로는 열에 대해 집중적으로 냉각시키는 효과를 가져오지만, MR30에서는 냉각 시간이나 금형 교환 시간의 단축을 실현하기 위해 2가지 온조 제어를 표준장비하고 있다. 그림 9에 나타냈듯이 ‘온조 1’에서는 베이스형 및 카세트의 보통 냉각용 회로, ‘온조 2’에서는 카세트의 국소 냉각용 회로의 온도 설정이 가능하다. 동사는 3차원 유동해석 CAE를 도입, 최적 수지 유로와 휨 등의 불량 예측에 대응해 왔다. 지금까지 냉각해석에 의한 열 예측은 하고 있었지만, 그 열을 효율적으로 제거하는 방법은 한정되어 있었다. 이번에 OPM 금형의 3차원 냉각배관 내장의 조형과 MR30의 국소 냉각용 온조회로에 의해 열 해소와 최적 냉각에 의한 성형 시간의 단축 및 성형 품질의 안정이 가능했다.

▲ 그림 9. 국소 냉각용 온조회로 (이미지도)

7. OPM 금형과 MR30에 의한 최신 활용 사례

OPM 금형과 MR30에 의한 최신 활용 사례로서 그림 10에 나타낸 차재 방수 커넥터 1개 떼기의 성과를 소개한다. OPM 시리즈로 조형된 3차원 냉각배관 내장의 코어·캐비티(그림 11)와 기존 공법에 의한 코어·캐비티를 준비, 각각을 카세트 금형에 조립해 MR30에 장착하고 성형 냉각 시간 및 성형 사이클 시간을 비교했다.

▲ 그림 10. 차재 방수 커넥터 외관

▲ 그림 11. OPM 금형 (코어·캐비티) 구조와 3차원 냉각배관

이형 불량이 없고 성형품의 치수나 면질 등의 품질이 안정된 상태에서 양자를 비교한 경우, 성형 냉각 시간에서는 58%(그림 12), 성형 사이클 시간에서는 41%(그림 13), OPM 금형의 효과를 얻을 수 있었다. 앞에서 서술한 세팅 시간 단축과의 상승 효과를 감안하면, 플라스틱 제품의 떼기 개수를 줄인 경우에도 생산성을 손상하지 않는 성형이 가능하고, 다품종 소로트 생산 대응에 우수한 성능을 실증할 수 있었다. 

▲ 그림 12. OPM 금형에 의한 성형 냉각의 효과

▲ 그림 13. OPM 금형에 의한 성형 사이클의 효과

8. 완전자동화 대응의 사출성형 생산 시스템 ‘ICF-V’

다품종 소로트 생산용 셀 세스템으로서 생산 라인의 자동화나 성형 데이터의 집중 관리를 가능하게 하는 MR30의 특징을 더욱 발전시켜, 차세대의 스마트팩토리로 연결되는 사출성형 생산 시스템의 완전자동화를 구현화하는 ‘ICF-V(Injection molding Cell Factory by V-LINE? system)’을 개발했다. ICF-V는 여러 대의 MR30과 복수의 카세트 금형, 프레히트 테이블, 카세트 스토커, 반송 유닛 및 생산 전체를 관리 운영하는 상위 시스템용 포스트 PC로 구성되며, 포스트 PC에는 생산 계획의 자동 생성과 생산 상태의 ‘가시화’를 겸비한 ‘ICF-V 스케줄러’를 셋업했다(그림 14).

▲ 그림 14. ICF-V 시스템 구성

MR30에서의 카세트 교환은 보통 작업자의 손에 의해 이루어지는데, 몇 가지 특징적인 기구를 설치해 반송 유닛을 통한 자동 교환이 가능하다. 또한 대기 상태의 카세트 스토커에서 프레히트 테이블에 반송된 다음 생산 카세트 금형을 성형 직전에 최적의 온조 상태로 세트함으로써 생산 공정에서 멀티 태스크를 촉진, 생산성 향상에 기여할 수 있다.

ICF-V에서는 생산하는 각 플라스틱 제품의 주요한 데이터베이스를 기초로 ‘무엇을, 몇 개, 언제까지’라는 간단한 입력 작업에 의해 포스트 PC가 최적의 생산 스케줄을 자동 생성하고, 포스트 PC로부터 지령을 받아 카세트 금형의 자동 교환이 실시되며 접속된 각 MR30에서 안정된 생산이 이루어진다. ICF-V 스케줄러에서는 각 MR30의 성형 상황(제품 사양이나 성형 종료 예정 시간 등)에 더해, 프레히트 테이블 및 카세트 스토커의 각 상태가 리얼타임으로 동시 표시되고 생산의 일원관리가 가능하다.

9. 맺음말

IoT나 AI 관련 기술의 발전에 의해 제조업을 둘러싼 환경은 큰 전환기를 맞이하고 있는 가운데 동사가 추진하는 정밀 금속 3D 프린터 및 OPM 금형 전용 생산 시스템이 패러다임 전환의 조류를 가속시키는 파괴적인 이노베이션으로서 제조 현장의 실천적인 활용 사례를 축적해 가기를 기대한다.

사와자키 타카시 (澤崎 隆)    ㈜소딕

본 기사는 일본 일본공업출판이 발행하는 「기계와 공구」지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.