기술과 솔루션
스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 및 최적화 기술1
작성자 : 편집부
2020-04-03 |
조회 : 2359
Ⅰ. 사출성형 모니터링 시스템
1960년대 당시의 자동차에는 책상만큼 넓은 플라스틱 계기판이 있었고, 여러분이 상상할 수 있듯이 많은 문제가 있었다. 그중에서도 사출품의 품질(수축)관리가 제대로 이루어지지 않아 치수가 불안정하고, 다른 부품들과의 조립과 도색공정에서의 과도한 불량판정으로 생산성이 떨어지고 있었다. 이러한 불일치를 줄이기 위해 사출 공정에서 어떤 변수를 모니터링하고 제어해야 하는지를 연구하기 시작하였다.
그들은 공정 변수와 부품 크기 간의 관계에 대한 철저한 통계 분석을 포함하여 수많은 테스트를 수행하였으며, 각 데이터 포인트를 노란색 그래프용지에 꼼꼼하게 수동으로 표시했다. 또한, 기계가 내부 및 외부에서 어떻게 작동하는지 연구하였으며, 마침내 사출성형공정을 표준화하고 예측할 수 있다는 것을 깨닫게 되었다. 이후 금형 내부의 데이터를 통해 무엇이 바뀌고 있는지 정확하게 알 수 있었고, 금형 내부 환경에 적합한 센서를 개발하여, 사출성형공정에 적합한 캐비티(Cavity) 압력 센서라는 새로운 눈(eye)을 만들었다.
결국, General Motors의 문제 해결을 통하여, 처음으로 실제 현장에 적용이 진행되었으며, 사출성형 산업을 위한 최초의 캐비티 압력 센서가 상용화되었다.
1. 모니터링 시스템의 필요성
금형 내압 센서 및 모니터링 시스템을 사용하면, 다음과 같은 기술적이고 경제적인 혜택을 얻을 수 있다.
- 품질향상 및 불량품 감소
- 불량에 대한 원인 파악 용이
- 공정 최적화를 통한 사이클 타임(Cycle Time)의 단축
- 시 사출 및 양산 안정화 기간 단축
- 글로벌 공장의 금형 이관 기간 단축
- 플라스틱 재료의 절감
- 인건비 절감
- 에너지 사용 비용 절감
- 금형 수명 연장 및 용이한 유지보수 시기 예측
- 투명한 공정관리를 통한 기업 경쟁력 제고
- 축적된 데이터를 이용한 인공지능(AI) 및 머신러닝 기법 적용과 이를 통한 기술력 향상
위와 같은 많은 이점에도 불구하고, 국내 사출성형 업계에서는 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템을 적용하는 노력이 적은 것이 현실이며, 이는 활용성과 효용성 등에 대한 부족한 이해와 투자와 교육을 꺼리는 산업 환경에 원인이 있다고 생각된다.
그러나 스마트공장(Smart Factory)과 인더스트리 4.0(Industry 4.0)과 같은 새로운 산업 환경이 시작되는 현시점에서, 해외 선진 업계에서는 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템의 적용이 활성화되고 있으며, 새로운 업계표준(Industry Standard)으로 자리 잡고 있음에 주목해야 할 것이다.
1.1 기존 성형 시스템의 문제점
사출성형기에서 설정하고 피드백(Feed-back)되는 데이터가 실제 제품의 품질에 직결되지 않는 것으로 알려져 있다. 이는 성형에 사용되는 재료인 플라스틱이 용융상태에서 외부의 변화에 영향을 받아 점도(Viscosity)가 변화하는 특성을 가지고 있기 때문이다.
[그림 1]에서와 같이 사출기에서의 사출압(유압)이 일정하다고 하더라도 금형 내에서는 압력변화가 매우 심할 수 있으며, 사출기에서 피드백되는 유압 데이터와 품질을 직결시키기에는 무리가 있음을 알 수 있다.
이러한 일관성(Consistance)의 부재는 불량 발생과 사출성형기의 경보(Alarm)를 유발하고, 작업자는 작업조건의 수정으로 대응하게 되는데, 사출성형기 데이터를 통해서는 정확한 원인 추적이 불가능함으로 작업자는 추측과 경험에 따라 임의로 공정변경을 수행하여야만 한다.
더욱 큰 문제는 불량 발생의 원인에 대한 정확한 규명 없이 계속 추측문제로 남게 되고, 불량의 재발 방지에 속수무책일 수밖에 없는 딜레마에 놓이게 된다.
1.2 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템의 장점
1.2.1 품질향상
금형 내에서 측정되는 데이터(Data)만이 품질과 직결된 가장 유익한 공정 변수 정보이다.
플라스틱은 사출기와 금형 내부에서 열, 유동, 압력, 냉각에 의하여 변화하며, 성형공정 상 모든 성형의 문제점을 수지의 관점(View of plastics)에서 파악하면, 매우 쉽게 분석할 수 있다.
예를 들어 금형 내압(Cavity Pressure)의 프로파일(Profile)은 유동(Fill), 보압(Pack/Hold), 냉각(Cool)단계에서 발생하는 모든 성형 이력을 담고 있으며, 이 데이터는 성형품의 무게, 형상, 치수 변화, 플래쉬(Flash, Burr), 싱크마크(Sink-mark), 수축(Shrinkage), 변형(Warpage) 등과 같은 품질문제와 연관시킬 수가 있다.
공정의 변화에 따른 4가지 성형 인자를 사출기의 제어(Control)변수와 연계하면, 손쉽게 성형문제를 파악하고 안정적인 성형조건을 선정하는 것이 가능하다. (그림 2)
1.2.2 사출성형공정의 최적화
시험 사출 및 양산준비 기간 단축
개발단계에서 금형 내압 센서 및 모니터링 시스템을 사용하여 공정(Process)을 분석하면, 금형, 재료, 그리고 사출기의 성능 및 문제점을 손쉽게 파악할 수 있어, 문제점과 해결책의 분석이 용이하게 된다. (그림 3)
이를 통하여 시 사출(Mold Trial) 반복 횟수를 최소화하고 시간과 비용을 절감할 수 있으며, 여러 사출 분야에서 최대 약 75%까지 절약할 수 있다고 보고되고 있다.
공정(Process) 최적화 및 단축
공정 최적화를 구현하는 목적은 효과적인 생산 공정을 찾고 안정적인 공정구간을 설정하는 것이다.
이 단계의 핵심은 최소의 공정시간과 우수한 품질이며, 금형 내압 시스템을 이용하여 품질에 영향을 미치지 않으면서 공정시간을 단축시킬 수 있도록 사출기의 작동조건을 결정하는 데에 초점을 맞추어야 한다.
금형 이관(Mold Transfer) 기간 단축 및 품질 동질화
개발이 완료된 금형을 생산공장으로 이관하여 성형조건을 설정(Setting)하거나, 생산 일정 변경에 따라 동일 공장 내에서 다른 사출성형기로 이동하여 생산하여야 하는 경우에, 내압 센서 및 모니터링 시스템에서 얻어진 기준 데이터를 이용하면, 단기간 내에 성형조건의 설정이 용이하게 된다.
일반적으로 스크류 위치(Screw Stroke)와 내압 프로파일(Cavity Pressure Profile)이 기록된 템플레이트(Template)를 이용하여, 시간에 따른 유량(Shot Volume)을 일치시킨 후에 내압(Cavity Pressure)이 일치되도록 사출 속도와 압력, 그리고 절환 위치 등을 미세하게 조정하는 방법을 이용한다.(그림4)
1.2.3 비용 절감
불량품 자동선별을 통한 무결점 제품(불량률 0%) 납품
금형에 설치된 압력/온도 센서 등은 대량 생산과정에서 각 사이클(Cycle) 동안 지속적인 품질관리를 위하여 사용된다. 만일 요구되는 품질기준을 만족시키지 못할 때에는 모니터링 시스템은 성형기에 경고신호(Alarm Signal)를 보내거나 자동 취출장치(또는 로봇)를 통하여 불량품을 선별하기도 한다.(그림 5)
이러한 시스템을 통하여, 최종적으로 고객에게 무결점의 제품이 납품되도록 효율적 관리가 가능하다.
실시간 자동제어
내압/온도 센서와 모니터링 시스템은 Open/Close-loop 제어를 통하여 절환 위치(Switch-over position)나 밸브 게이트(Valve-gate) 등을 제어할 수 있으며, 생산 중에 작업자의 개입 없이도 균일한 제품을 얻을 수 있게 도와주어 생산 효율을 높이고 비용을 절감시켜준다.(그림 6)
품질(QC) 문서화/데이터베이스(Database)화
모니터링 시스템을 이용하면 내압/온도 프로파일은 물론 성형품의 품질에 대한 정확한 정보를 제공받을 수 있어, 품질관리 및 문서화를 추가 인원 투입 없이 달성할 수 있다.(그림 7)
이는 부품의 품질보증에 관한 비용을 절감시켜주고, 공정자료의 자동적인 문서화를 제공할 뿐만 아니라, 방대한 기술자료의 축적을 이루게 되어 경쟁력 제고에 크게 도움이 된다.
2. 사출성형 모니터링 시스템 구성
사출성형 모니터링 시스템은 [그림 8]과 같이 금형에 장착하는 압력/온도 센서, 사출기 screw 쪽에 장착하는 스트로크(Stroke) 센서/유압(Hydraulic) 센서, 사출기의 입출력 신호를 제어하는 I/O 컨트롤, 그리고 데이터를 수집하고 분석하는 모니터링 부분으로 이루어져 있다. 여기에서는 미국 RJG사의 eDart 시스템을 기준으로 모니터링과 센서에 관련된 기술적인 내용을 소개하고자 한다.
2.1 압력 센서(Cavity Pressure Sensor)
사출성형 모니터링에 사용되는 압력 센서는 압력 측정방식에 따라 스트레인 게이지(Strain-Gage) 센서와 압전(Piezo-Electric)센서로 분류할 수 있으며, 설치 방식에 따라 직접식(Direct)과 간접식(In-direct)으로 나누어진다. 일반적으로 압전(Piezo)센서가 스트레인 게이지(Strain-Gage) 센서에 비하여 정밀도가 우수하다고 알려져 있으나, 사출성형공정에서 사용하는 경우에는 정밀도 차이가 미미하다고 볼 수 있다.
다음 [표 1]은 스트레인 게이지(Strain-Gage) 센서와 압전(Piezo-Electric)센서의 특징 및 장단점을 비교한 것이며, 일반적으로 고정도의 실험에는 압전센서가 양산에는 간접식 스트레인 게이지 센서가 사용된다.
[그림10]에서와 같이 직접식(Direct)은 캐비티 내부까지 관통하여 센서를 설치하고, 간접식(In-direct)은 이젝트 핀(Ejector-Pin) 밑의 공간에 설치하는 것이 일반적이다.
압전센서에 비하여 스트레인 게이지 센서가 양산현장에서 많이 쓰이고 있는 이유는 센서 설치 후에 금형 캐비티의 수정이나 표면 처리를 수행하여야 하는 경우에 압전센서의 적용이 어렵고, 또한, 비용적인 측면에서 스트레인 게이지 센서가 유리하며, 정밀도에서도 크게 차이가 나지 않기 때문이다.(그림 11)
압력 센서의 위치 선정
압력 센서의 위치 선정이 적합하지 않은 경우에는 얻어진 데이터가 단편적일 수밖에 없으며, 센서의 위치 선정은 센서를 선택할 때 센서의 최대 측정치와 더불어 매우 중요한 사전 검토사항이다.(그림 12)
가장 기본적인 개념은 센서가 사출 공정에서 발생할 수 있는 문제점을 모니터링할 수 있는 위치에 설치되어야 한다는 것이며, 이를 위하여 성형해석 소프트웨어를 사용하는 것도 좋은 방법이 될 수 있다.
2.2 온도 센서(Temperature Sensor)
온도 센서는 제작에 사용된 재료에 따라 B, S, R, N, K, J, E, T로 나누어지는데, 사출기에 사용되는 K, J 타입 온도 센서가 주류를 이룬다.(한국에서는 K 타입이 가장 많이 쓰임)
[그림 13]은 설치 방식에 따른 온도 센서를 보여주며, 끼워맞춤 방식의 Press-Fit, 나사쪼임 방식의 Flush Mount, 스프링을 이용하여 밀착시키는 Spring-Loaded 등이 사용되고 있다.
2.3 기타 센서
2.3.1 사출압(유압) 센서
사출성형공정에서 제품과 직접적인 연관이 있는 것은 내압(Cavity Pressure)이지만, 성형조건의 변경이나 제품 불량의 원인을 파악하기 위해서는 사출압(Injection Pressure)의 프로파일(Profile)에 대한 정보가 필요하다. 또한, 사출기의 성능을 검토하는 데에도 유용하게 사용될 수 있다.
유압식(Hydraulic) 사출기의 경우에는 [그림 14]와 같이 사출압(유압) 센서를 사용하며, 전동식(Electric) 사출기의 경우에는 로드 셀(Load Cell)에 설치된 압력 센서에서 전송되는 사출압 값을 사출기의 I/O 슬롯(Slot)을 통하여 모니터링 시스템에 전달하게 된다.
2.3.2 스트로크(Stroke) 센서
사출기의 스크류(Screw) 위치와 속도를 측정하기 위하여 사용하며, 금형 이관 시에 기본적인 데이터인 시간당 유량의 변화(Shot Volume)에 대한 정보를 제공한다.(그림15)
사출기의 I/O 슬롯(Slot)에서 데이터를 제공받을 수 있는 경우에는 이를 사용하여도 무방하다.
2.3.3 금형 변형(Mold Deflection) 센서
금형의 강도, 구조특성 또는 형체력 부족 등의 문제로 인하여, 금형의 파팅 라인(Parting-Line)이 벌어지는 경우가 발생한다. 이는 성형 이후, 냉각과정 중에 과도한 압력을 제품에 계속 작용시켜 예측하지 못한 제품의 변형을 유발할 수 있다.
2.3.4 그 외의 센서
그 외에 사출성형공정의 관리를 위해서 다음과 같은 센서들이 종종 사용되기도 한다.(그림 17)
- 노즐압력 센서: 사출압을 보다 정밀하게 측정하기 위하여 사용(실험실에서 주로 사용)
- 유량/온도 센서: 냉각수의 유속과 온도를 측정하기 위하여 사용
- 습도 센서: 원재료의 습도 관리를 위하여 사용(주로 호퍼(Hopper)에 설치)
2.2 모니터링 본체(Unit) 및 소프트웨어
센서에서 측정된 데이터는 Digital 값으로 모니터링 본체 [그림 18]에 전달되며, 본체에는 사출성형공정을 실시간(Real-Time)으로 모니터링, 분석 및 제어를 하기 위한 소프트웨어가 탑재되어 있다.
소프트웨어는 크게 압력/온도/스트로크 등의 실시간 그래프 창(Window), 각 사이클(Cycle)마다 계산된 값을 이용한 양산관리 그래프 창(Window), 축적된 데이터를 이용한 통계값을 표시하는 창(Window), 절환(Switch-over)/밸브 게이트/취출장치 등을 제어하는 콘트롤 창(Window), 그리고 데이터 수집이나 환경설정에 사용되는 값을 입력하는 입력/표시 창(Window)으로 나눈다.(그림 19)
기술문의 : CAE프로 http://www.timon.co.kr 전화: 02-2081-1870
