[첨단 헬로티]
마루야마 타카히로(丸山 貴弘) 지멘스(주)
어댑티브 매뉴팩처링의 현상과 과제
최근 여러 가지 매체에서 어댑티브 매니팩처링(이하 AM)이라는 단어를 볼 기회가 많아지고 있는데, 일본에서는 본격적인 보급에는 이르지 못한 것 같다.
일본에서는 20년 정도 전부터 수지의 조형 기술이 유행해 제조가 이루어지고 있었다. 그렇지만 주로 시제작(래피드 프로토타입)으로 한정적인 이용이 목적이었다고 기억하고 있다. 그런 의미에서 일본은 세계에 앞서 조형 기술을 이용해왔지만, 오늘날 양산품에 적용하는 AM에 대응하는 것은 유럽이나 미국보다 뒤쳐져 있는 것은 분명하다.
또한 앞서 있는 유럽이나 미국의 AM 업계도 인프라의 시점에서 보면, 워크 플로에서 이용되는 툴군이 그 장소에서만 사용할 수 있는 포인트 솔루션으로서 도입･운용되는 특징적인 업계는 아닐까 생각되며, PLM으로 대표되는 데이터센트릭(데이터 이동을 최소한으로 하는 데이터의 집중화) 제조에는 아직 먼 상태이다.
즉 그림 1에 나타냈듯이 상류 공정(버추얼 영역)에서부터 하류 공정(리얼한 영역)의 워크 플로에서 정보의 불연속이 생기고 있으며, 일관성 없는 프로세스로 여러 개의 파일 교환이 이루어져 효율이 나쁜 제조로 되어 있다고 생각된다.
이러한 가운데 동사는 AM 기술에 대해 ‘제조의 현장’과 ‘제조를 지원하는 소프트웨어’의 시점에서 대응하고 있으며, 앞에서 말한 과제를 해결하기 위해 이 글의 집필 시점에서는 상류에서부터 하류까지의 엔드 투 엔드의 ‘연결되는’ 솔루션의 개발 및 제공을 추진하고 있는 유일한 기업이다.
이 2가지 시점에 의해 축적한 노하우가 소프트웨어에 반영되고 실제 오퍼레이션에서 얻은 결과를 기초로 소프트웨어의 기능 개량을 계속하고 있으며, 이러한 기능에 의해 버추얼과 리얼을 연결해 디지털 데이터의 상호 운용을 지원하고 효과를 최대한으로 누릴 수 있는 환경 정비, 즉 ‘디지털 트윈’의 실현으로 이어지고 있다.
동사의 솔루션은 PLM에 의한 통합 엔지니어링이나 데이터의 일원 관리에 그치지 않고, MOM/MES로 대표되는 제조 오퍼레이션 관리, 공장의 디지털화와 자동화, 그리고 제품에서 정보를 수집하는 IoT에 이르는 제조에 필요한 요소 모두를 포함한 형태로, AM 영역의 디지털 트윈을 지원하는 것이 가능하다(그림 2).
버추얼한 영역을 지원하는 기능군
NX는 버추얼 영역을 지원하는 통합 엔지니어링 툴로, 일반적인 CAD/CAE/CAM의 기능뿐만 아니라, CMM이나 메커니즘･제어를 혼재시킨 설비의 가상 시운전, 제조 라인의 설계 검증 기능 등을 가지고 있는 것이 특징이다. 특히 최근에는 AM 영역용 기능이 실장되어 있으며, 그 일부를 소개한다.
앞에서 서술했지만, NX는 ‘연결되는’ 환경을 제공하고 있으며, 그림 3에 나타냈듯이 CAD/CAE/CAM은 동일한 데이터를 사용해 목적의 오퍼레이션을 실시하는 것이 가능하다. 또한 AM의 엔지니어링 워크 플로를 모두 포함하고 있으며, 형상 정의에서 AM 제조를 거쳐 포스트 처리･품질 관리까지를 하나의 시스템으로 실행할 수 있다.
CAD 영역의 특징적인 기능에 ‘컴버전트 모델링’이라고 부르는 것이 있다. 이것은 지금까지의 CAD로는 실현할 수 없었던 B-REP(CAD 상의 형상 정의 표현)의 데이터와 패싯의 데이터를 혼재해 형상의 편집을 가능하게 하는 기술이다.
이 기술에 의해 리버스 엔지니어링으로 취득한 점군의 패싯이나 CAE로 생성된 결과의 패싯에 대해 불리언 처리를 할 수 있게 된다. 이것은 특히 AM으로 다시 주목받고 있는 토폴로지의 최적화로 얻어진 결과로, 설계자의 의도를 추가할 때에 효과를 발휘한다. 또한 래티스 형상의 설계나 설계 형상의 제조성 체크 기능 등도 AM용으로서 실장되어 있다.
CAE 영역에서는 AM 제조 프로세스의 시뮬레이션을 서포트했다(이 글의 집필 시점에서는 PBF 기법만). 지금까지의 AM에서는 실제로 제품을 제조해 일을 끝낸 후에 완성도 검사를 할 필요가 있었지만, 이 기능에 의해 사전에 제조의 합격･불합격(열변형, 응력, 슈링크 라인, 리코터 간섭)을 검증할 수 있다.
더구나 유저가 실제로 사용하는 설비로 시험편을 제조하고, 그 결과를 해석 파라미터에 반영할 수 있는 캘리브레이션도 서포트하고 있기 때문에 보다 리얼한 해석을 실시하는 것이 가능하다.
CAM 영역은 AM 제조의 대표적인 기법에 대응하는 범용성을 가지고 있으며, 통합 빌드 패키지를 포함하고 있다.
AM의 제조 기법을 크게 분류하면 PBF/JF 타입과 DED/FDM 타입으로 나누어지며, 전자에는 제품 레이아웃으로부터 서포트 생성, 제조하는 기계에 맞춘 슬라이싱, 포스트 프로세스가 실장되어 있으며, 후자에는 적층 패스의 생성, 기계 파라미터의 제어, 빌드 프로세스의 분할, 기계 시뮬레이션 등이 있다.
이뿐 아니라 양자 모두 제조 후나 적층 프로세스 내에서 필요한 제거가공(절삭가공 등)을 더하는 것이 가능하다. 그리고 제조 후의 품질 측정을 실행, 설계에 피드백하는 것도 가능하다.
리얼한 영역을 지원하는 기능군
한편 시점을 리얼한 영역으로 옮기면, 상류에서 작성된 데이터를 어떻게 해서 디지털 정보 그대로 현장에 보낼 수 있을지가 과제라고 할 수 있겠지만, 그 기반이 되는 것은 데이터센트릭을 지원하는 툴임에 틀림없다.
상류에서 설계된 제품에 제조 측에서 이용되는 정보를 가미한 M-BOM(Manufacturing BOM), 실제 제조 프로세스에 적용한 BOP(Bill of Process)을 일원 관리함으로써 AM의 프로세스에 할당된 정보는 MOM/MES를 통해 제조 실행하는 것이 일반적인 워크 플로가 된다.
이 워크 플로 내에 작업 지시의 정보나 설비의 리소스 정보, 스케줄 정보 등을 디지털 정보로서 포함함으로써 제조 현장의 디지털화를 광범위에서 이용할 수 있는 것으로 이어진다.
또한 제조 현장의 오토메이션화도 중요한 아이템이 된다. 특히 AM의 경우는 아직 양산성에 과제가 있기 때문에 각 설비를 어떻게 컨트롤하고, 머티리얼 플로를 제어할지 등 최적의 제조 설비를 만들어내기 위해서도 디지털 정보는 공유된다.
상류에서 이용되는 통합 엔지니어링 툴인 NX에서, 설비 설계로부터 메커니즘과 제어를 융합한 최적화 설계, 디지털 매뉴팩처링 영역의 툴군을 이용한 로보틱스 검증, AGV 등을 사용한 무인운전 검증, 또한 생산라인 전체의 시뮬레이션 등 오토메이션을 중심으로 한 디지털 트윈도 실현 가능하다.
그리고 실제로 제조가 개시되면, 제조에서 이용되는 설비의 정보를 수집하거나, 최종 제품이 되어 출하된 제품의 정보 등을 기초로 상류로 피드백하거나 하면, 계속적인 제품의 개량으로 이어질 수 있게 된다.
다른 나라의 유저는 이미 효과를 내고 있다
여기서 소개한 기능군은 결코 거짓이 아니다. 이하에 실제로 동사의 솔루션을 도입해 AM으로 제조를 진행하고 있는 유저 사례를 소개한다.
MBFZ toolcraft사는 독일의 바이에른주에 거점을 두고 있으며, 최신 제조 설비를 활용한 시제작이나 제조라인이 가동되기 전까지의 제조를 지원하는 솔루션 프로바이더이다. 대상 업계는 여러 방면에 걸쳐 있으며, 항공우주, 자동차, 의료, 반도체, 기계로 폭넓게 비즈니스를 전개하고 있다.
그들은 2017년부터 AM의 제조를 스타트해 2018년에는 금형 제조를 AM으로 최적화하는 대응을 개시, 동사의 솔루션을 검증･평가한 후에 단계적으로 도입하고 있다.
특히 금형 제조에서는 해석(CAE) 기술에 중점을 두고, 구조해석과 유체해석, 토폴로지의 최적화, AM 프로세스의 시뮬레이션을 충분히 활용하고 있다(그림 4).
이 대응의 성과로서 이하를 보고하고 있다(그림 5).
･기존의 금형과 동일한 코스트
･사이클타임 30% 삭감
･금형을 50% 경량화
･에너지 소비량의 삭감
･납기의 단축
또한 이 프로젝트를 추진한 리더의 코멘트를 이하에 소개한다. ‘NX는 하나의 소프트웨어 환경 내에 AM의 엔지니어링 워크 플로에 필요한 모든 애플리케이션을 포함하고 있다.
모델링에서 스타트해 직접 시뮬레이션 툴로 이행할 수 있기 때문에 예를 들면 토폴로지 최적화의 결과를 동일한 환경 속에서 구조해석과 유체해석에 유용할 수 있는 등, 엔지니어링 시간의 단축과 신속한 변경 대응을 서포트해 준다. 이것은 전체적인 개발 프로세스의 효율화를 위해 큰 메리트이다’.
현 시점에서는 설계와 제조의 일부로 디지털 트윈을 달성하고 있으며, 앞으로는 MOM/MES 솔루션을 도입해 프로세스 체인 전체에서 페이퍼리스를 지향하고 있다. 이것에 의해 제조의 모든 디지털 트윈이 실현되며, 도전은 계속하고 있다.
모든 영역에서 디지털 트윈을 구축
MBFZ toolcraft사의 사례에서는 제품과 제조의 일부에서 디지털 트윈을 실현하고 있는 것을 소개했다. 다음으로 남아있는 MOM/MES와 IoT의 활용에 의한 성능의 디지털 트윈에 대해 소개한다.
MOM은 Manufacturing Operation Management의 약자로, 제조 프로세스에 대한 완전한 가시성을 실현하는 전체적인 솔루션으로, 제조 오퍼레이션의 퍼포먼스를 착실하게 향상시키기 위해 도움이 된다.
시스템은 제조 실행 시스템(MES)의 진화형이고, 모든 생산 프로세스를 통합해 품질 관리, 상세 계획과 스케줄링, 제조 실행 시스템, R&D 관리 등을 개선하기 위해 이용된다.
IoT에서 동사의 툴은 오픈된 IoT 오퍼레이팅 시스템의 제공에 의해 유저가 이용하는 다양한 디바이스 및 기업 시스템에 대한 접속을 가능하게 하는 점이 특징이다.
그렇기 때문에 접속 프로토콜은 대표적인 규격이면 표준으로 제공하고 있지만, 특수하면 옵션으로서 제공하고 있으며, 접속되는 측이 한정되지 않는 것이 특징의 하나로 되어 있다.
또한 얻어진 정보의 높은 분석 기능을 비롯해 데이터를 여러 가지 형태로 가시화하는 기능은 애플리케이션으로서 스토어로부터 입수하거나, 자사에서 개발하거나 해서 유저 자신이 환경을 구축할 수 있는 에코 시스템으로서의 운용을 지원하고 있다.
또한 오픈된 PaaS(Platform-as-a-Service) 기능과 클라우드 서비스에 대한 액세스 환경을 제공하고 있으며, 이들 기능이 사물과 디지털 세계를 연결해 성능의 디지털 트윈을 지원함으로써 클로즈드 루프 이노베이션의 촉진이 가능해지고 있다.
지금까지 소개한 툴군에 의해 AM 영역 제품의 디지털 트윈이 실현됨으로써 유저는 보다 빠른 이노베이션을 실현하고, 고품질의 부품 제조, 그리고 연속적인 생산을 얻을 수 있게 된다(그림 6).
AM 비즈니스에 계속적으로 투자하는 동사의 대응
앞에서 ‘제조 현장’과 ‘제조를 지원하는 소프트웨어’의 시점에서 대응하고 있다고 말했는데, AM과 같이 광범위하게 여러 가지 기술 요소가 서로 얽혀 있는 분야에서는 이 2가지 시점을 실제로 갖는 것은 매우 중요하다고 생각한다. 제조를 위한 소프트웨어를 개발하기 위해서는 역시 실제적인 제조는 피할 수 없는 것이다.
동사는 AM에 관련된 거점으로서 독일을 중심으로 전 세계에 10개 이상 설치하고 있으며, 그 범위는 리서치를 비롯해 연구 개발, 솔루션센터, 컴피턴스센터, 소프트웨어 개발, 제품 설계에서부터 제조, 스페어 파츠 비즈니스, 그리고 서비스 등 여러 방면에 걸쳐 있다.
실제로 독일에는 베를린에 제품 설계의 거점이 있으며, 그 데이터를 기초로 연구 개발을 영국에서 실시하고 실제 제조를 스웨덴과 미국의 공장에서 하고 있다. 그 제조 과정에서 얻은 노하우가 미국(CAD 개발 거점), 벨기에(CAE 개발 거점), 독일, 이스라엘(CAM 개발 거점)의 각 거점에 공유되어 업계에 특화된 기능 개발로 이어지고 있다.
또한 2018년 말에 영국에 있는 자회사의 사옥을 신설해, AM 장치를 20대 증설했다. 연구 개발을 겸한 서비스 비즈니스를 가속시키고 있는 등 개발된 소프트웨어의 실증에도 힘을 쏟고 있다.
동사는 앞으로도 AM에 관련된 기술에 투자를 계속할 것이다. 이것은 자사에서 AM을 활용하기 위해서 라는 의미도 있지만, 앞으로 AM 도입을 추진하려고 하는 유저에 대해 디지털화의 혜택을 효율적으로 원활하게 최대한 누릴 수 있는 솔루션 제공을 지향하기 있기 때문이다.
LAB(Laboratory)에서 FAB(Fabrication)으로. 앞으로도 끊임없이 확장될 동사의 AM 영역용 솔루션을 기대하기 바란다.
