Fokker Aerostructures에서 사용 중인 FANUC 초음파 파이버 플레이스먼트 로봇
네덜란드 호헤번의 Fokker Aerostructures가 최근 진행한 실험은 탄소섬유 열가소성 제품 생산을 위한 대한으로 일반적인 산업용 로봇을 발전시키는 작업의 일환입니다. 주요 구조형 부품의 효율적 생산은 복합소재 업계가 가장 주목하고 있는 화재 중 하나이며, 최근 몇 년 동안 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 가공을 위한 보다 더 정밀하고 복잡한 방법들이 발표되어 오고 있습니다.
양생 전 손으로 진행하던 전통적인 CFRP 조립 방식은 지난 몇 년 동안 갠트리형 대형 정밀 파이버 플레이스먼트 장비로 바뀌었습니다. 자동화의 물결은 탄소섬유 제품 확장을 대중화하는 주요한 요인이 될 가능성이 큽니다. 비결은 시장에서 통용되는 수준의 비용으로 현재 업계에서 인정받는 수준의 우수한 기술을 구현하는 것입니다. 이러한 측면에서 기술은 여전히 초기 단계에 있습니다.
이 복잡한 문제를 해결하기 위해, 여러 가지 우량주와 정부 이니셔티브가 산업 전반에 걸쳐 생겨났고, Fokker의 해결책은 TAPAS(Termoplastic Afficast Afficable Primary Airportal Structure)였습니다. 이 프로젝트는 열가소성 물질의 설계 기술, 제조 및 조립 과정을 시연하고 재료의 상업화 가능성을 높이기 위한 목적으로 Airbus와 네덜란드의 주요 사업체들과의 합작 프로젝트입니다. Fokker는 로봇 시스템을 개발함으로써 반복되는 작업을 저렴한 비용으로 더 작은 공간 비용에서 수행할 수 있는 주요 독점 기술을 갖춘 프로세스를 구축하고자 합니다.
이해를 돕기 위해 숫자를 비교해 보자면, 일반 산업용 로봇은 대략 100,000유로 정도지만 최신 파이버 플레이스먼트 장비는 100만 유로를 훌쩍 넘는 가격대부터 시작합니다. 로봇의 크기에 따라 작업 면적이 몇 미터 이내로 제한되지만, Fokker는 로봇 군단을 동기화하여 대형 파트 가공이 가능한 솔루션을 구축하고자 합니다.
이 애플리케이션을 위한 초기 로봇 기술이 이미 시장에 출시되어 있지만, Fokker는 FANUC의 Arm과 별도 제작된 열가소성 CFRP Tow Placement Haed, 개별 플라이의 용접을 위한 초음파 토치 등을 통합한 솔루션을 제공합니다. 현재는 단순한 컨셉을 입증하기 위해 파트를 생산하고 있고 제품도 날개와 표면 제어에 한정되어 있지만 이러한 과정을 통해 기술이 다양한 애플리케이션에 적합하게 발전되어 갈 것입니다.
CGTech의 수출 판매 엔지니어 Lee Fowkes는 "Fokker가 표준 광섬유 레이업 가공 장비에 투자할 것이라는 예측과는 달리 자체 기술을 개발하기로 했습니다. 기존의 선택지들이 모두 각각의 결점이 있었기 때문입니다. 핵심 기술은 초음파 용접 토치로 대략 볼펜 크기입니다. 이 방법에는 여러 대안이 있을 수 있지만 초음파 용접 토치는 수년 동안 수동 레이업 가공에 사용되어 왔기 때문에 비교적 저렴하고 안전하며 환경친화적입니다."
이 시스템의 측정 정확도가 미크론 단위가 아니라 0.1mm급이라서 대형 장비 업체와의 경쟁은 어렵겠지만 현명한 인코더 활용과 구동기의 위치를 자세히 모니터하고 제어할 수 있는 피드백 루프를 통해 애플리케이션에 적용할 만한 상당한 양의 정보를 취합할 수 있을 만큼의 기술은 가지고 있습니다.
VCS (VERICUT Composite Simulation)이 FANUC 로봇의 프리폼 쉐입을 시뮬레이션 하고 있습니다. / VCP (VERICUT Composite Programming)을 이용하여 파이버 플레이스먼트 패스를 NC 프로그램 형태로 생성할 수 있습니다.
여기서부터 CGTech 의 역할이 시작됩니다. Fokker는 1992년부터 금속 절삭 가공 시뮬레이션에 VERICUT을 사용해 왔습니다. 얼마 전부터는 복합소재 모듈도 도입을 검토했습니다. 로봇 Arm을 이용한 생산 공정을 위해서는 적정한 비용뿐 아니라 특유의 유연함을 장점으로 활용하여 반복 생산이 가능해야 합니다.
Fowkes는 VERICUT의 복합소재 가공 모듈인 VERICUT Composite Programming (VCP)과 VERICUT Composite Simulation (VCS)을 이용하면 이 모든 과정이 생각보다 간단하다고 설명합니다. VERICUT Composite Programming (VCP)는 다양한 플랫폼에서 활용할 수 있는 광섬유 플레이스먼트 패스를 생성하기 위한 소프트웨어이고 이미 보잉사 공급사인 Spirit AeroSystems 등 고객사가 일반적인 광섬유 플레이스먼트 장비용으로 사용 중입니다. 장비 기술이 이미 시장에서 사용되고 있는 만큼 소프트웨어는 기술은 로봇의 6축 움직임과 특정 포스트 프로세서를 이해하는 데 집중하여 정확한 프로그래밍 생성이 가능하도록 하고 있습니다.
"사실 모두 계산이 가능한 영역입니다."라고 Fowkes는 덧붙입니다. "금속 가공 작업장에서 복합소재 실험실로 범위를 확장하는 것은 상상하시는 것보다 더 큰 도약입니다. 우리는 CNC 기계 기술자가 아닌 플라스틱 전문가와 화학자들과 함께 개발을 추진했습니다. 그래서 가공 전반을 이해하는 데 상당한 노력이 필요했습니다. 네덜란드의 자동화 전문가 Boikon과 함께 공정을 현실화하는 작업을 진행했습니다. 시스템 통합 전문가인 Boikon은 프레임 마운팅, 툴링 등도 작업했는데 이는 최신 부품 가공을 위한 로테이팅 드럼 등 추가 축 들을 통합하는 과정도 필요했습니다.”
일단 가동되면 전체 프로그래밍 프로세스는 빠르고 쉽습니다. 예를 들어 프리폼 표면(위 이미지 참조)의 경우 "원본 CATIA 또는 STEP CAD 모델을 불러온 후 경계를 선택하고 재료를 사용하여 경계를 채우며 NC 프로그램을 필요한 순서로 연결하기까지 불과 몇 분이면 가능합니다. 그리고는 Fokker 로봇을 위한 포스트 프로세스가 진행됩니다. “
패키지의 나머지 절반은 VCS입니다. VCS는 이름에서 알 수 있듯이 전체 프로세스를 시뮬레이션하여 효율적으로 부품을 생산할 수 있도록 해 줍니다. 수년간의 로봇 제조 시뮬레이션 경험이 있는 CGTech은 독특한 head를 복제하기 위한 몇 가지 조정 정도로 시뮬레이션을 완료할 수 있었습니다.
"복합소재 가공을 시뮬레이션하는 상황에서 만날 수 있는 모든 어려운 문제들을 해결했다고 생각합니다."라고 Fowkes는 결론을 내립니다. "사람들이 직면하고 있는 가장 큰 과제는 자동 레이업 시스템을 수동 레이업만큼 유연하고 저렴한 비용으로 개발하는 것입니다. 현재 여러 가지 경쟁적인 기술들이 있고 이 모든 사람이 같은 문제를 해결하려고 노력하고 있습니다."
동기화 된 로봇-셀 (계획)
Fokker Aerostructures의 R&D 책임자인 Arnt Offringa는 다음과 같이 덧붙입니다. “제품의 크기와 모양, 가공 속도에 따라 적합한 솔루션이 결정됩니다. 예를 들어 80cmx300cm 크기의 상업용 제트 플랩 등 제한된 크기의 제품을 소량으로 생산할 경우 하나의 로봇 솔루션이 적합할 지 모릅니다. 하지만 대형 부품 혹은 대량 생산이 필요하다면 여러 대의 동기화 된 로봇과 다양한 소재 너비가 적절합니다.”
로봇 광섬유 플레이스먼트 셀의 초기 개념을 증명해 낸 CGTech과 Fokker는 Boikon과 함께 여러 개의 Tow를 가진 대형 셀 개발을 추진 중입니다.
* 한국에서 VERICUT 복합소재 모듈을 체험해 볼 수 있는 유일한 이벤트
CGTech은 11월 14일부터 16일까지 개최되는 JEC ASIA 2018 행사에 참여합니다.
JEC ASIA 2018 BOOTH #E09
>> 2018년 11월 14일(수) – 16일(금)
>> 오전 10시 – 오후 5시
>> 서울 COEX 전시장 C홀 (3층)
JEC ASIA 2018 비즈니스 오퍼튜니티 컨퍼런스
미국 어바인 본사 Composite Applications 담당자 Charlie Anderton 스피커로 참석 예정
>> 2018년 11월 16일(금)
>> 오후 1시 ~ 오후 3시
>> 서울 COEX 전시장 308호 (3층)
세션: “Business opportunities: Raw materials, process, application, countries, region”
주제 및 내용: 소프트웨어를 활용하여 가공 에러 검증, 제거하는 방법
엔지니어링 설계 작업 중 가공 조건의 제약에 의해 발생할 수 있는 다양한 에러를 파악하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 이러한 결함의 발견과 관리는 AFP/ATL 방식으로 생산하는 복합소재 파트의 가공 품질을 결정짓는 중요한 관건입니다.
VERICUT Composite Programming (VCP)는 다양한 가공 공정 중 발생할 수 있는 에러를 검증하여 제거하거나 완화시킬 수 있도록 돕는 소프트웨어입니다. 에러를 조율하여 공정에 의한 결함의 영향을 줄임이고 최종 형상의 품질을 개선하는 것이 목표입니다. 엔지니어는 Digital twin을 이용하여 직접 분석할 수도 있고 외부 분석 소프트웨어 제품군과의 데이터 교환을 활용하여 결과를 검증할 수도 있습니다.
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