생산 현장 트렌드

지그(jigs)와 고정구(fixtures)를 통한 적층식 제조업의 정당 지그와 고정구를 이용하여 적층식 제조업은 기존 장비 대비 놀라운 비용 절감을 가져다 준다. - By Joe Hiemenz, Stratasys



엄청난 재정적 수익을 낼 수 있는 잠재력을 가졌음에도 적층식 제조업(Additive manufacturing, AM)의 가치는 종종 간과되기도 한다. 절감 효과가 커, 통상적으로 재무 관리사가 요구하는 3~5년의 투자금 회수 기간보다 더 짧은 기간 내에 보상받을 수 있다는 점은 AM(또는 3D 프린팅) 시스템을 구입하는 이유 중 하나다.

이 응용은 게이지, 조직적 보조 장치, 그리고 기타 제조 장치를 포함하는 지그와 고정구 제작을 말한다. 재료를 커터로 깎거나 몰드에서 굳히는 대신, AM은 자동화된 레이어별 공정에서 재료를 더함으로써 이러한 도구를 만든다.

전통적인 지그와 고정구를 적층식으로 제조함으로써 노동력 절감 및 조달 시간 단축을 이뤄낼 수 있으며, 제조 비용 또한 50~90%가량 절감할 수 있다. 그러나 생산 단계에서 노동력과 시간을 줄임으로써 발생하는 이익과 비교해 볼 때, 금전적인 이익은 적은 편이다.

스트라타시스의 Fortus 머신을 소유한 세 사람에 따르면, 이러한 응용과 관련한 단지 몇 개의 고정구가 가져오는 연간 이익이 $60,000에서 $230,000에 이른다.

기존의 방식으로 제작된 도구로도 같은 재정적 결과를 낼 수 있지만, AM의 장점은 구현하기 더 쉽고 빠르다는 데 있다. 이에 따라 이전에는 존재하지 않았던 고정구를 배치하게 되었다. AM으로 아이템을 만드는 것은 간단하고 효율적이다. 또한 노동력이 거의 필요 없는 작업이기 때문에 숙련된 CAM 프로그래머나 기계공이 필요치 않다.

최종적으로 AM은 지그와 고정구를 더 이용하기 쉽고 접근 가능하도록 하며, 제조 효율성이나 수용력, 단위당 비용, 응답성을 개선시킨다.

- 디지 인터내셔널 기업(DIGI INTERNATIONAL INC.)

디지 인터내셔널은 Wi-Fi와 셀룰러, ZigBee 통신 표준을 이용하여 무선 네트워크 디바이스를 설계하고 제조하는 업체이다. 이 기업은 주로 산업, 상업, 그리고 기업을 대상으로 운영하고 있다.

다른 회사들과 마찬가지로 디지(Digi)는 특정한 쓰임을 염두에 두고 AM을 들여왔지만, 절연 보호 코팅과 같은 다른 기능을 발견했다. 기계 엔지니어인 매튜 라센(Matthew Larsen)은 프로토타입 비용이나 엔지니어링 생산성을 강조하며 2.6년 안에 투자금을 회수할 수 있다고 설득함으로써 경영진이 AM 구입을 승인하도록 했다.

라센은 ”우리는 초기에 Fortus 적층식 제조 머신을 정당화 하는 데 생산 현장의 운영 인력을 고려하지 않았다”라고 밝혔다.

장비를 구입한 지 1년만에, 디지는 엔지니어링을 넘어 절연 보호 코팅 프로세스를 위한 통합 마스크 고정구를 제작하는 등 AM 응용을 확장했다. 이를 통해 운영 비용을 크게 절감할 수 있었다.

디지의 많은 전자기기는 민감한 부품을 보호하거나 살균 상태를 유지하기 위해 절연 보호 코팅이 필요하다. 예전에는 인쇄 회로 보드(PCBs)를 위해 알루미늄 캐리어를 구입하여, 코팅 단계에 앞서 기술자들이 코팅되지 않은 부품에 수작업으로 테이프를 붙였다.

실외 PCB 제품의 경우, 기술자들이 각 보드에 테이프를 붙이거나 떼기 위해서 60초가 소요되었다. 전체 생산 과정 중 인건비가 $135,000 정도 차지했다.

FDM 적층식 제조를 통해 캐리어와 마스킹 고정구를 생산함으로써 디지는 하나의 실외 PCB 제품마다 노동력을 55초 절감하였으며, 결과적으로 인건비를 123,750달러 절감하였다. 이 하나의 고정구가 가져온 연간 절감 비용이 모든 엔지니어링 관련 AM 응용을 결합한 것보다 더 크다. 라센은 이러한 재정적 이익이 기계화 된 대안 덕분에 가능했다고 보았다. 그러나 고려해보아야 할 점은 디지가 이 결과를 고려하지 않았다는 것이다. 소량 생산의 경우, 보드당 1분을 절약하는 것은 단지 조금의 이익이 있는 것처럼 보였다. 이것은 공급 업체가 기계화 된 하이브리드 마스크를 도입하는 시간과 노력에 비해 턱없이 모자른 것이었다. 우선 순위가 더 높은 프로젝트가 있었기 때문에 절연 보호 코팅을 위한 영구 마스크를 제작하는 것은 ‘시간 있을 때 할만한 것’으로만 여겨지게 되었다. 그러나 AM을 갖추기 전까지 그 시간은 결코 오지 않았다.

“우리는 마스킹 작업을 보았고, AM을 시도하자고 생각했다”고 라센이 말했다. “비용이 적고, 프로세스가 간단했으며, 엔지니어링이나 제조에 있어 시간이 거의 필요치 않았기 때문에 위험 부담이 적었다. 적층식 제조에 총력을 기울인 데는 다 이유가 있었다”

디지는 AM 마스킹을 시도하여 즐거워하고 있다. 라센에 따르면 “회계부서의 전화를 받았을 때, AM이 얼마나 많은 돈을 절약했는지에 모두가 놀라워했다”고 한다.

- 오렉(ORECK) 제조업체

상업용 및 소비자용 진공 청소기로 유명한 오렉(Oreck)은 AM으로 만든 지그 및 고정구를 발 빠르게 수용한 회사이다. 오렉은 시장에 먼저 진입함으로써 6만 5천 달러의 제조 비용을 절감했다.

AM을 활용하기 전에 오렉은 신제품에 들어갈 20~30개의 부품을 검사하기 위해 30일이 걸렸다. 생산 툴에서 첫 번째 샘플을 받은 후에서야 품질 보증 부서는 고정구를 만들고 CMM을 프로그래밍했다. 30일째 되는 날에서야 CMM 검사를 완료하고 생산 현장에 프로그램을 배포할 수 있었다.

AM을 사용함으로써 고정구 제작과 CMM 프로그래밍 더 이상 중요하지 않다. 품질 보증 부서는 이 업무를 첫 부품이 검사실에 도착하기도 전에 끝마쳤다. 오렉은 부품 복제품과 CMM 고정구를 만들기 위해 AM을 사용하여 조립 라인 팔레트를 만든다. 투자 대비 품질 보증 부서의 효율성을 크게 향상되었다.

지난 몇 년간 오렉은 AM을 사용하여 CMM에 대한 수 백 가지의 검사 고정구를 만들었다. 평균적으로 기계로 가공하는 것보다 200달러와 6.5일이 절약된다. 가장 중요한 재정 이익은 총 수익이 적어도 10만 달러에서 50만 달러 정도 증가한다는 것이다. 이러한 이익은 검사에 필요한 시간을 29일 단축하는 것과, 샘플이 도착했을 때가 아니라 툴 주문이 나가자마자 CMM 프로그래밍이 시작하는 것에서 기인한다. 품질 보증 부서는 첫 샘플이 도착하기를 준비하고 기다리고 있다.

“신제품의 첫 번째 부품을 검사하기 위해 과거에는 한 달이나 걸렸지만 이제는 하루 안에 쉽게 할 수 있다”고 품질 보증 부서의 수석 기술자인 크레이그 울머(Craig Ulmer)가 말했다. “이것은 우리가 한 달 먼저 생산을 시작할 수 있다는 것을 의미한다.”

29일로부터 얻을 수 있는 재정 이익이 무엇인가? 250달러에 판매되는 일반 소비자 제품에 대한 숫자를 살펴보자. 매출 총 이익률은 보통 50% 정도이므로, 각 판매 단위는 125달러의 수익을 낸다. 연간 1만 개(하루에 28개)를 생산해냄으로 일일 총 수익은 3,500달러이다. 그러므로 29일을 절감함으로써 얻을 수 있는 수익은 101,500달러인 셈이다. 만약 연간 5만개를 더 판매한다면, 추가적인 총 수익은 507,500달러에 이른다. 만약 첫 부품 검사 프로젝트에만 활용한다면 AM 시스템은 추정치와 같이 평균적으로 2년 내에 투자금을 회수할 수 있다.

- 빠른 프로토타입 + 제조 LLC (RP+M)

Rp+m는 맞춤형 플라스틱 사출 성형 전문 업체인 토거스(Thogus)의 전략적 파트너이다. 토거스 공장 내에 위치한 rp+m이 생산에 미치는 효과는 명확하다. 밝은 컬러로 3D 프린트 된 제품은 어디에나 있다. rp + m 엔지니어링 매니저인 패트릭 가논(Patrick Gannon)은 “적층식 제조 공정은 최소 저항의 길”이라고 말했다. 디지와 마찬가지로 그는 설계, 인쇄 및 서비스 효율성에 주목했다. 전체 프로세스에 필요한 시간은 2 ~ 24시간 정도밖에 되지 않는다.

최소 저항의 길(즉, 적층식 제조)은 토거스의 운영 효율 향상에 중요한 역할을 했다. 가논은 업무 조직과 효율성 규칙에 있어 토거스의 5S 노력을 인용했다. 5S의 핵심은 모든 도구와 구성 요소를 가까이에 배치하는 깔끔하고 질서정연한 작업 공간이다.

가논은 적층식 제조 없이는 대부분의 5S 노력이 효과를 보지 못할 것이라고 지적했다. “도구제작을 아웃소싱하면 가치 방정식이 작동하지 않는다. 적층식 제조를 통해 기회를 찾고, 도구를 설계 및 인쇄하며, 서비스를 제공하는 것은 매우 쉬운 일이다.”

5S 카테고리에서 가논은 토거스 생산 현장에 존재하는 수백 가지 중에 두 가지 예를 제공했다. 노즐(nozzle) 홀더와 녹아웃로드(knockout rod) 홀더이다. 두 5S 조직체는 회사에 존재하는 30개의 사출 성형 프레스에 각각 존재한다. 작업자는 프레스 설정이 변경 될 때마다 이 홀더에 의지한다. 프레스 작업자가 새로운 설정을 위해 노즐 홀더를 찾을 때 7분이 사라지며, 녹아웃 홀더의 경우에는 10분이 없어지게 된다. 토거스의 시간당 비용 부담으로 따지면 프레스가 전환되는데 4.7달러를 아낄 수 있다. 토거스는 30개의 프레스로 연평균 150 회의 전환 작업을 수행하는데, 단 두 개의 간단한 조직 도움을 통해 연간 21,150 달러의 비용을 절감하고 있다.

이런 시스템을 구축하기 위해 160.44달러의 비용이 들었다. 기계화된 부품을 아웃소싱하는 것에 비하면 약 90% 절감한 것이지만, 생산 현장에 비하면 적은 수치이기 때문에 이러한 절감액을 계산하지 않는다. AM의 정당성은 단순함과 이용의 편리성에 기반할 뿐이다. “우리는 비용, 시간, 노력이 모두 적게 든다는 것을 알고 있다. 현장에서 작업 시간을 절약 할 수 있으므로 단지 그렇게 할 뿐이다.” 토거스는 로봇 팔에 AM으로 제작된 작업 홀더를 사용하며, 조립품, 체크 게이지, 검사 고정구를 이용한다. “현장에는 너무 많은 것들이 있어서 그것을 계산하는 것은 이미 예전에 그만뒀다”고 가논이 말했다.

품질 보증 연구소에서, 그는 검사 프로세스 상에서 전형적인 CMM 고정구 하나를 발견했다. 그는이 고정구가 각 프로세스 검사 과정에서 7시간을 단축함으로써 23,625달러 절감할 것이라고 예측한다. 가논은 매년 비슷한 검사를 시행함으로써 총 23만 달러의 비용을 절감할 것으로 예상했다. 이 결과와 같이 토거스는 rp + m의 여섯 가지 FDM 적층식 제조 기계에 대한 투자를 손쉽게 정당화하였다.

디지, 오렉 그리고 토거스/ rp+m이 보여주듯이 지그와 고정구만을 기반으로 한 새로운 AM 시스템은 경제적으로 정당화하기 쉬우며 상당한 수익을 산출한다. 정당화에 있어 중요한 요소는 AM의 편리성과 단순성을 더 많은 서비스에 똑같이 적용하는 것이다. 그리고 생산 현장에서 노동력을 절감하고 제품을 빨리 제작함으로써 이익을 얻으면 된다.

출처 : Automation World

편집 및 번역 : K-SmartFactory