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[2019년 12월호]     제조회사 : []     브랜드 : []
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[SPECIAL] 고강도 3D 프린팅 적층 가공공정으로기존 JIG 제작 공정 대체


Special Report
고강도 3D 프린팅 적층 가공공정으로기존 JIG 제작 공정 대체, 
연 $120,000 cost saving 및JIT(Just In Time) 부품공급 실현

 
에디팅 / 편집부 글과 사진 / 조좌형 주임 | (주)자이브솔루션즈 솔루션컨설팅 팀

 
하지만 적층가공(Additive Manufacturing) 공법을 채택하여 in-house 생산 공정을 수립하면 외주에 소요되는 수많은 비용과 risk 가 감소할 뿐 아니라, 3차원 CAD 기반의 STL파일만 있다면 즉시 출력할 수 있기 때문에 재고 비용 및 물류비 절감 등 부가적인 효과가 예상되어 많은 산학연 관계자들이 그 활용성에 대한 큰 관심을 보였다. Jig&Fixture 제작에서는 용도 특성상 강도(Strength) 및 조립성이 특히 중요하여, 정밀도는 높지만, 강도는 다소 약한 광경화성수지 기반의 SLA(Stereolithography) 방식보다는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 AM기술이 주목되었으나 다른 문제점들이 수면위로 떠올랐다. 주로 사용되는 기존 ABS-like소재 기반의 AM출력물의 경우 열변형에 취약하고 스레딩 등 나사 산2차 가공이 가능한 정도의 Strength와 물성 확보가 어렵다는 점, 서포트 제거 및 후가공의 난해함, 노즐을 통한 소재 연소 시 VOC(Volatile Organic Compounds)유해가스 발생 가능성 등은 작업자들로 하여금 새로운 공정 도입의 거부요인으로 작용되기 충분했다.



수년 전부터 AM장비 제조사들은 현장에서 발견된 이러한 문제점들을 최소화하고 보완한 장비를 개발하였으며, 미국, 독일, 일본 등
선진국을 중심으로 빠르게 보급되고 있으나 국내에는 아직 AM기술에 대한 이해 및 홍보의 부족으로 글로벌 기업,각 업계의 리딩 컴
퍼니 일부만 채택하고 있는 실정이다. 이에, FDM방식에 기반한 JIG 공정 수립과 창의적인 장비 운용으로 큰 ROI(Return of Investment)를 가져온 사례가 있어 공유하고자 한다.

각종 산업계에서 널리 사용되는 지그(Jig)&픽스처(Fixture)란 제조공정에서 생산의 보조수단으로 사용되는 개념으로, 가공물 또는 조립물을 특정 위치에서 벗어나지 않도록 고정하여 측정, 가공 등에 있어 공차를 최소화하는 역할을 한다.
조립용, 가공용, 검사용 등 그 용도와 산업, 형태에 따라 수백, 수 천 가지의 분류가 가능하며, 지금까지는 국내외 대부분의제조업체에서는 임가공업체에 외주하여 CNC 장비로 절삭하거나 사출금형을 통해 제작하는 Subtractive Manufacturing 방식으로 형상을 구현해왔다.

IRA Green Design Inc.(IGI) 그룹은 1943년에 설립되어 미국 로드아일랜드 주 프로비던스에 본사를 두고 세계 각지에 약 40,000여 종의 군사용 특수 유니폼 및 장비를 생산, 유통하는 굴지의 글로벌 방위산업 기업이다. IGI는 금형 블랭킹(blanking) 및 압연 공정에 특화되어 있으며, 데를린(Delrin), 금속, 목재 등의 용접 및 연마 작업을 위한 소형 Jig&Fixture도 자체 in-house 생산하고 있다.



당연하게도 글로벌 방산 업계 역시 다품종 Customization이라는 트렌드가 비껴가지는 않았으며,이는 자연스럽게 기존에 없었던 다양한 형상, 그리고 그만큼 다양한 형상의 JIG 수요로 이어졌다. 하지만 급격하게 증가한 수많은 JIG로 인해 현장에서의 혼선 및 납기 지연 클레임이 빈번하게 발생했다. 각각의 JIG 생산에 있어 CNC 프로그래밍과 공구강 전극 콘투어링, 와이어 EDM가공 및 셋업 시간에 8시간 이상 소요되었으며, 개당 평균 $300의 추가 비용이 발생하는등 생산 효율성에 적지 않은 문제가 드러났다.


이에 IGI그룹의 공정 관리자 Bill Yehle는 JIG공정에 AM공법을 도입하기 위해 여러 브랜드의 다양한 장비를 검토했으며, 최종적으로 RIZE ONE이라는 3D프린터 장비를 도입했다. 동급 최고 수준의 강도와 나사 산 등 추가 2차 가공이 가능한 정도의 물성, 드릴 및 연마 작업에서 온도 상승, 용접 시 발생하는 플래시와의 반응에 대한 걱정 없이 사용할 수 있는 편이성이 가장 큰 검토 포인트였다고 전하며, VOC 방출 0%로 작업자의 안전 보장, 직관적이고 쉬운 인터페이스와 타 FDM과는 달리 별도의 tool이나 추가 공정 없이도 서포트 제거가 가능하다는 점 역시 검토에 결정적인 이점으로 작용했다. 실제로 3D프린터 장비 사용 경험이 전무한 IGI그룹의 설계자들도 전혀 어려움 없이 쉽게 파트를 설계하여 출력하고 있었다.

 


AM공정 수립 이전에는 장비 오퍼레이터가 여러 차례의 클램핑과 피스 다운(piece-down) 공정을 반복해야 하는 번거로움이 있었다. 주물을 녹여 나일론을 제작하는 공정도 시도해보았으나 이 역시 수많은 반복작업이 요구되었으며 작업 실패가 빈번히 발생하였기에 효율적인 공정으로 자리잡기는 어려웠다고 한다.

Bill Yehle는 RIZE ONE 장비로 출력한 JIG 사용 시 기존 와이어 EDM 방식 대비 현장에서의 공정 지연 및 인력 소모가 획기적으로 감소한다고 밝혔다. 또한 설계/생산 개발 공정과 제품 디자인 작업 시 JIG설계가 거의 동시에 완성되므로 필요한 때 적재적소에 사용될 수 있게 되었다며 만족감을 드러냈다. JIG를 반복적으로 수동 조정해야 하는 단계가 생략됨으로써 공정 전반의 편의성과 속도가 향상되었으며, 전통적 가공법에서 부품 한 타임 작업 시 무거운 JIG를 재배치하여 고정하는 번거로운 공정 역시 획기적으로 단축되었다고 한다.

AM공정이 자리 잡은 지 채 반년도 지나지 않아 IGI그룹의 설계팀은 약 300개 이상의 JIG를 출력하여 현장에 적용했다. RIZE ONE 3D프린터를 사용하여 복수의 JIG를 출력하는데 소요되는 시간은 50분 이내, 개당 약 2달러의 제작비용이 소모되었다. 이는 기존 개당 $300에 비하면 가히 엄청난 수준의 비용 절감이며, 이는 연간 $120,000 이상의 비용절감 효과로 환산된다고 한다. 공정개선 담당자 Bill은 금형과 네일의 고정 시스템을 표준화하여 더 빠른 셋업과 전환 시간을 달성, 작업 시간을 약 80% 절약할 수 있게 되었고, 동시에 작업 실패와 에러 확률도 낮아져 공정 전반의 정확도 역시 크게 개선되었다고 전했다. 

또한 RIZE 고유의 잉크 마킹 기능을 활용, 혼선을 방지하기 위한 작업 넘버, 라인 넘버, 사용될 파트의 사진까지 그려 넣을 수 있게 되어 효율성이 극대화되었으며, 장비 오퍼레이터의 실수를 방지하기 위한 3단계의 확인 절차를 추가 공정 없이도 JIG자체에 기재할 수 있어 작업 간 야기될 수 있는 에러 발생 확률이 최소화 되는 효과를 부가적으로 얻게 되었다.

IGI그룹의 AM기술 활용도는 단순한 JIG 제작을 넘어 그 이상으로 발전하고 있다. 각종 Fixture 형상을 지속적으로 개발, Iteration 하며 주물을 더 쉽게 제거하는 방법을 연구하고 생산 공정의 반복성과 표준화를 더욱 체계화하여 속도와 정밀도를 높이고 있다.
특정 파트가 필요할 때, 공급을 담당하는 하청업체가 폐업하거나 해당 파트가 단종되었을 경우 RIZE를 활용하여 아웃소싱의 리스크와 비용, 시간을 줄이며 빠르게 현장에 공급하고 있다. 이처럼 AM기술의 득실과 이점을 명확하게 이해하고 창의적으로 활용한다면 기대 이상의 ROI도 충분히 가능하다.



20세기 중반 컴퓨터의 발달과 함께 ‘디지털화(Digitalizaition)’가 제조업의 메인 스트림으로 들어서기 시작한 초창기. 의외로 디지털자동화 제조라인 도입을 주저하는 기업들이 적지 않았다. 심지어 ‘완전한 공정 디지털화(Digitalization of manufacturing process)’는 허상에 불과하다며 그 가치를 폄하하는 사람도 적지 않았다고 전해진다. 물론 처음부터 완벽하지는 않았다. 각기 다른 작업현장에서의 수많은 피드백을 바탕으로 개선과 개발을 거듭하며 크게는 각 산업계, 작게는 각 공장마다 나름대로 자신들의 인프라에 최적화된 디지털 공정을 구현해 나갔고, 그 과정에 길게는 수 년이 소요되었다. 결국 트렌드를 빠르게 읽고 과감하게 공정을
개발한 기업들과 전통적인 방식을 고집한 기업들은 생산 효율성과 단가 등에서 엄청난 간극이 벌어져 수 많은 기업들이 도태되
었고, 모두가 공감하다시피 이제 산업구조는 완전히 변화했다. 이는 현재 ‘스마트 팩토리(Smart Factory)’로의 과도기에 있는 대
한민국 제조업, 특히 적층가공(Additive Manufacturing) 업계에 시사하는 바가 매우 크다.



다가오는, 혹은 일부 업계에는 이미 현실로 다가온 Customization, Batch production이라는 새로운 메인 스트림에 향후 우리 대
한민국의 제조업 공정이 어떻게 진화할지는 누구도 예상할 수 없다.적층가공 공법의 경우 아직 넘어야 할 산이 많다는 점은 인
정해야 하지만, 다품종 소량 Customization을 가장 효율적으로 수행하는 공법임에는 확실하며, 특히나 Jig&Fixture 등 적지 않
은 분야에서의 현장 적용 가능성이 글로벌 제조사를 중심으로 입증되고 있다. 대내외 악재로 어려운 우리 대한민국의 제조업도
이러한 사례들을 참고하여 가까운 미래에 새로운 기회와 가치를 창출할 수 있게 되기를 진심으로 희망한다.

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