- 생기원, 금형의 한계수명 예측해 제조공정 원가와 품질 경쟁력 모두 확보

- 차량부품 전문 제조업체 ㈜이화테크원에 구축, 조향 부품 생산에 활용 중

밀폐된 공간에서 소재를 금속 틀(금형)에 넣고 반복적으로 높은 힘을 가해 제품을 만드는 ‘냉간단조’ 기술은 주로 자동차 부품을 생산하는 데 사용된다. 소재에 열을 가하지 않기 때문에 강도가 우수하고 표면도 깨끗한 완성품을 얻을 수 있으며, 원하는 치수대로 정밀하게 가공할 수 있다. 

하지만 작업자가 금형을 언제까지 사용할 수 있는지 알 수 없어 제때 교체되지 못할 경우, 불필요한 공정비용이 들거나 품질이 떨어지는 문제점이 있었다.

한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 부품 산업의 제조혁신을 위해 국내 최초로 금형의 한계수명을 정량적으로 예측하고, 품질 검사를 자동화하는 시스템을 개발했다.

냉간단조 금형에는 탄화텅스텐 소재가 많이 쓰이는데, 가격이 높은 데 반해 압력을 받다 보면 수명이 다해 잘 깨지는 특성이 있다. 개발된 기술은 압력이 반복적으로 가해질 때 금형이 단위 면적 당 받는 하중을 측정하고 분석해서 파손이 예상되는 부분을 찾아낸다. 

한계수명이 예측 가능해지면 금형이 파손되기 전에 최대한 사용하고 교체하기 때문에 공정비용을 절약할 수 있고, 불량 발생도 줄일 수 있다.

냉각단조 금형의 한계수명 예측 및 모니터링 장비를 개발한 한국생산기술연구원 서영호 박사(左)와 (주)이화테크원 관계자(右)

생기원 스마트모빌리티소재부품연구그룹 서영호 박사는 작업자가 쉽게 금형 파손 시점을 감지할 수 있도록 반복적 하중에 의한 수명을 시각화하는 모니터링 시스템을 구현해냈다.

㈜이화테크원에 구축된 냉각단조 공정 및 금형 수명 모니터링 장비

기존 방식은 이상적 공정 상황에서의 하중치를 고정값으로 활용해 수명을 예측하는 방식이라 환경변수를 고려하지 못하고, 공정 중 발생하는 편차도 예측 불가능했다. 반면, 생기원에서 개발한 모니터링 시스템은 금형에 피에조* 센서를 설치, 힘이 가해질 때 발생하는 전기신호를 실시간으로 변환하여 그래프로 표현하기 때문에 환경변수와 편차 모두 반영할 수 있다.

* 피에조: 압력이 가해졌을 때 전압을 발생시키는 전기 회로

냉각단조 공정을 통해 생산된 자동차 부품(Ball Stud)

해당 시스템은 현재 자동차 부품 전문 제조업체인 ㈜이화테크원에 구축돼 자동차 조향장치에 사용되는 ‘볼스터드(Ball Stud)’ 부품 생산에 활용되고 있다.

나아가, 연구팀은 공정에서 생산된 제품의 품질 검사를 자동화하기 위해 비전 센서를 시스템에 적용할 수 있는 알고리즘도 개발했다. 비전 센서는 산업용 카메라로 검사대상의 형태, 크기, 문자, 패턴 등을 판별해 양품과 불량품을 구분하는 센서인데, 사람보다 정확도가 높다. 

작업자가 눈으로 확인할 경우 1개당 1분이 소요되었지만, 센서를 이용하면 개당 6초로 검사시간이 대폭 단축되고, 검사에 필요한 인건비도 절감할 수 있다.

서영호 박사는 “제조산업 지능화를 위한 첫걸음으로써 현재 실제 현장에 적용 가능한 단일공정기술이 개발 완료된 상태”라며, “향후 대규모 제조업체들과 공정 간 연계와 모듈화 작업을 추진해 글로벌 대응에 힘을 합칠 예정”이라고 밝혔다.

한편, 이번 성과는 생기원 제조혁신지원사업(2020년~2022년 예정)을 통해 수행된 ‘키-테크(Key-Tech)*’ 성과 중 하나로, 올해 2차연도 연구가 진행 중이며, 현재 관련 특허 1건이 출원된 상태다.

* 키-테크(Key-Tech): 국가 R&D 혁신을 주도하고 소·부·장 독립을 뒷받침할 수 있는 생기원 대표기술로, 뿌리산업 등 전통 제조업의 공정개선부터 4차 산업혁명 기반의 차세대 생산시스템까지 다양한 분야의 143개 기술로 구성

이번 기술은 산업부의 ‘글로벌품질대응뿌리기술개발사업’과도 연계되어 있으며, 자동차 부품 전문 제조업체인 ㈜이화테크원, 태양금속공업㈜, 프라이맥스와 한국재료연구원이 공동 참여 중이다.

문의: 한국생산기술연구원 스마트모빌리티소재부품연구그룹 서영호 박사

(062-600-6200 / yhseo@kitech.re.kr)