자동 성형

주조 공장들은 품질 향상, 폐기물 감소, 가동 시간 극대화, 비용 최소화라는 장기적인 목표를 달성하기 위해 데이터 기반 공정 자동화를 점점 더 많이 도입하고 있습니다. 특히 적시 생산(JIT), 사이클 시간 단축, 잦은 모델 변경 등의 과제에 직면한 주조 공장들에게는 주입 및 성형 공정의 완벽한 디지털 동기화(무이음매 주조)가 매우 중요합니다. 자동화된 성형 및 주조 시스템이 원활하게 연동되면 주조 공정이 빨라지고 고품질 부품을 더욱 일관되게 생산할 수 있습니다. 자동화된 주입 공정에는 주입 온도 모니터링, 접종재 공급, 각 금형 검사 등이 포함됩니다. 이는 각 주조물의 품질을 향상시키고 불량률을 줄입니다. 이러한 포괄적인 자동화는 다년간의 전문 경험을 가진 작업자의 필요성을 줄여줍니다. 또한 전체 작업자 수가 줄어들어 작업 안전성도 향상됩니다. 이러한 비전은 미래의 비전이 아니라 이미 현실이 되었습니다. 주조 자동화 및 로봇 공학, 데이터 수집 및 분석과 같은 도구들은 수십 년에 걸쳐 발전해 왔지만, 최근에는 저렴한 고성능 컴퓨팅과 첨단 인더스트리 4.0 네트워크 센서 및 호환 제어 시스템의 개발로 발전 속도가 더욱 빨라졌습니다. 솔루션과 파트너십을 통해 파운드리는 더욱 야심찬 프로젝트를 지원하는 견고하고 지능적인 인프라를 구축할 수 있게 되었으며, 이전에는 독립적이었던 여러 하위 프로세스를 통합하여 협업을 촉진할 수 있습니다. 이러한 자동화된 통합 시스템에서 수집된 프로세스 데이터를 저장하고 분석함으로써 데이터 기반의 지속적인 개선이라는 선순환 구조를 만들어낼 수 있습니다. 파운드리는 과거 데이터를 분석하여 프로세스 매개변수와 결과 간의 상관관계를 찾아낼 수 있습니다. 자동화된 프로세스는 분석을 통해 도출된 개선 사항을 신속하고 철저하게 테스트, 검증하고, 가능한 경우 구현할 수 있는 투명한 환경을 제공합니다.
무봉제 성형의 과제 적시 생산(JIT) 추세로 인해 DISAMATIC® 성형 라인을 사용하는 고객은 소량 배치 생산 시에도 모델을 자주 변경해야 하는 경우가 많습니다. DISA의 자동 분말 교환기(APC) 또는 퀵 분말 교환기(QPC)와 같은 장비를 사용하면 템플릿을 단 1분 만에 교체할 ​​수 있습니다. 고속 패턴 변경이 이루어짐에 따라 공정의 병목 현상은 주입 단계로 옮겨가는데, 이는 패턴 변경 후 턴디시를 수동으로 이동시켜 주입하는 데 필요한 시간입니다. 무봉제 주조는 주조 공정의 이 단계를 개선하는 가장 좋은 방법입니다. 주조는 이미 부분적으로 자동화되어 있는 경우가 많지만, 완전 자동화를 위해서는 성형 라인과 충전 장비의 제어 시스템을 완벽하게 통합하여 모든 가능한 작동 상황에서 완벽하게 동기적으로 작동해야 합니다. 이를 안정적으로 구현하려면 주입 장치가 다음 금형을 안전하게 주입할 수 있는 정확한 위치를 파악하고 필요한 경우 충전 장치의 위치를 ​​조정해야 합니다. 동일한 금형을 사용하는 안정적인 생산 공정에서 효율적인 자동 충전을 구현하는 것은 그리 어렵지 않습니다. 새로운 금형을 만들 때마다 금형 기둥은 동일한 거리(금형 두께)만큼 이동합니다. 이러한 방식으로 충전 장치는 생산 라인이 정지된 후에도 다음 빈 금형을 채울 준비를 갖춘 상태로 동일한 위치에 유지될 수 있습니다. 모래 압축률 변화로 인한 금형 두께 변화를 보정하기 위해 주입 위치를 약간만 조정하면 됩니다. 최근에는 일관된 생산 과정에서 주입 위치를 더욱 일정하게 유지할 수 있는 새로운 성형 라인 기능 덕분에 이러한 미세 조정의 필요성이 더욱 줄어들었습니다. 각 주입이 완료되면 성형 라인은 한 번 더 이동하여 다음 빈 금형을 제자리에 놓고 다음 주입을 시작합니다. 이 과정에서 충전 장치를 다시 채울 수 있습니다. 모델을 변경할 경우 금형 두께가 변경될 수 있으며, 이는 복잡한 자동화를 필요로 합니다. 샌드박스의 높이가 고정된 수평 샌드박스 공정과 달리, 수직 DISAMATIC® 공정은 각 모델 세트에 필요한 정확한 두께로 금형 두께를 조정하여 일정한 모래 대 철 비율을 유지하고 모델의 높이를 고려할 수 있습니다. 이는 최적의 주조 품질과 자원 활용을 보장하는 데 큰 이점이지만, 금형 두께가 다양하면 자동 주조 제어가 더욱 어려워집니다. 모델 변경 후, DISAMATIC® 기계는 동일한 두께의 다음 금형 배치를 생산하기 시작하지만, 라인의 충전 기계는 여전히 이전 모델의 금형에 주입 작업을 계속합니다. 이 이전 모델의 금형은 두께가 다를 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 성형 라인과 충전 설비는 하나의 동기화된 시스템처럼 원활하게 작동하여, 한 두께의 금형을 생산하고 다른 두께의 금형을 안전하게 주입해야 합니다. 패턴 변경 후에도 이음매 없는 주입이 가능합니다. 패턴 변경 후, 성형기 사이의 나머지 금형 두께는 동일하게 유지됩니다. 이전 모델로 제작된 주입 장치는 그대로 유지되지만, 성형기에서 나오는 새 금형의 두께가 더 두껍거나 얇을 수 있으므로, 전체 주입 라인은 각 사이클마다 새 금형의 두께만큼 다른 거리로 이동할 수 있습니다. 즉, 성형기가 한 번 움직일 때마다 이음매 없는 주조 시스템은 다음 주조를 위해 주조 위치를 조정해야 합니다. 이전 배치의 금형에 주입이 완료되면 금형 두께가 다시 일정해지고 안정적인 생산이 재개됩니다. 예를 들어, 기존에 사용하던 200mm 두께의 금형 대신 새 금형의 두께가 150mm라면, 주입 장치는 정확한 주입 위치를 확보하기 위해 금형 기계의 각 스트로크마다 50mm씩 금형 기계 쪽으로 후퇴해야 합니다. 금형 기둥의 이동이 멈췄을 때 주입 설비가 주입 준비를 하려면, 충전 설비 제어기는 어떤 금형에 주입할지, 그리고 주입 영역의 어느 시점과 위치에 도달할지 정확히 알아야 합니다. 얇은 금형을 주조하면서 두꺼운 금형도 제작할 수 있는 새로운 모델을 사용하면, 시스템은 한 번의 사이클에 두 개의 금형을 주조할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 직경 400mm의 금형을 제작하고 직경 200mm의 금형에 주입할 경우, 주입 장치는 각 금형 제작 시마다 금형 기계에서 200mm 떨어져 있어야 합니다. 이 경우, 400mm 스트로크로 인해 주입되지 않은 직경 200mm 금형 두 개가 주입 가능 영역 밖으로 밀려나게 됩니다. 이 경우, 성형기는 충전 장치가 200mm 금형 두 개에 주입을 완료할 때까지 기다린 후 다음 스트로크로 넘어가야 합니다. 또는 얇은 금형을 제작할 때, 주입기는 두꺼운 금형에 주입하는 동안에도 주입 단계를 완전히 건너뛸 수 있어야 합니다. 예를 들어, 직경 200mm 금형을 제작하고 직경 400mm 금형에 주입할 때, 주입 영역에 새로운 직경 400mm 금형을 놓으면 직경 200mm 금형 두 개를 제작해야 합니다. 위에서 설명한 것처럼 통합 성형 및 주입 시스템이 문제 없는 자동 주입을 제공하기 위해 필요한 추적, 계산 및 데이터 교환은 과거 많은 장비 공급업체에게 과제였습니다. 하지만 최신 기계, 디지털 시스템 및 모범 사례 덕분에 최소한의 설정으로 원활한 주입을 신속하게 구현할 수 있게 되었습니다. 핵심 요구 사항은 각 금형의 위치 정보를 실시간으로 제공하는 일종의 "회계" 시스템입니다. DISA의 Monitizer®|CIM(컴퓨터 통합 모듈) 시스템은 제작된 각 금형을 기록하고 생산 라인을 따라 이동하는 과정을 추적함으로써 이러한 목표를 달성합니다. 공정 타이머로서, 각 금형과 노즐의 생산 라인 상 위치를 매초 계산하는 일련의 타임스탬프 데이터 스트림을 생성합니다. 필요한 경우, 정확한 동기화를 위해 충전 설비 제어 시스템 및 기타 시스템과 실시간으로 데이터를 교환합니다. DISA 시스템은 CIM 데이터베이스에서 각 금형의 두께, 주입 가능 여부 등 중요한 데이터를 추출하여 충전 설비 제어 시스템으로 전송합니다. 금형 압출 후 생성된 이 정확한 데이터를 활용하여 주입 담당자는 금형이 도착하기 전에 주입 어셈블리를 정확한 위치로 이동시키고, 금형이 이동하는 동안 스토퍼 로드를 열기 시작할 수 있습니다. 따라서 금형은 주입 설비에서 나온 철을 제때 받아들일 수 있습니다. 이러한 이상적인 타이밍, 즉 용융된 철이 주입 컵에 정확하게 도달하는 것은 매우 중요합니다. 주입 시간은 생산성 저하의 주요 원인 중 하나이며, 주입 시작 시점을 완벽하게 조절함으로써 사이클 시간을 수십분의 1초 단위로 단축할 수 있습니다. DISA 성형 시스템은 현재 금형 크기, 사출 압력과 같은 관련 데이터는 물론, 모래 압축률과 같은 광범위한 공정 데이터까지 성형기에서 Monitizer®|CIM으로 전송합니다. Monitizer®|CIM은 주입 공정에서 각 금형에 대한 주입 온도, 주입 시간, 주입 및 접종 공정의 성공 여부와 같은 품질에 중요한 매개변수를 수신하여 저장합니다. 이를 통해 불량품을 식별하고 진탕 시스템에서 혼합하기 전에 분리할 수 있습니다. Monitizer®|CIM은 성형기, 성형 라인 및 주조 공정을 자동화하는 것 외에도 데이터 수집, 저장, 보고 및 분석을 위한 Industry 4.0 표준을 준수하는 프레임워크를 제공합니다. 주조 공장 관리자는 상세 보고서를 확인하고 데이터를 분석하여 품질 문제를 추적하고 개선 방안을 모색할 수 있습니다. 오르트란더 아이젠휘테의 완벽한 주조 경험 오르트란더 아이젠휘테는 독일의 가족 소유 주조 공장으로, 자동차 부품, 고하중 목재 난로 및 기반 시설, 일반 기계 부품용 고품질 주철 주조품 생산을 전문으로 합니다. 이 공장은 회주철, 연성 주철, 압축 흑연 주철을 생산하며, 주 5일 2교대 근무로 연간 약 27,000톤의 고품질 주철을 생산합니다. 오르트란더는 6톤급 유도 용해로 4개와 DISA 주형 라인 3개를 운영하여 하루 약 100톤의 주철을 생산합니다. 중요한 고객을 위한 생산은 1시간 또는 그보다 짧은 시간 동안 진행되는 단시간 생산도 포함되므로 주형을 자주 교체해야 합니다. 품질과 효율성을 최적화하기 위해 CEO인 베른트 H. 윌리엄스-북은 자동화 및 분석 시스템 도입에 상당한 투자를 해왔습니다. 첫 번째 단계는 철 용해 및 투입 공정을 자동화하는 것이었으며, 최신 pourTECH 시스템을 사용하여 기존 주조로 3개를 업그레이드했습니다. 이 시스템에는 3D 레이저 기술, 인큐베이션 및 온도 제어 기능이 포함되어 있습니다. 용광로, 성형 및 주조 라인은 이제 디지털 방식으로 제어되고 동기화되어 거의 완벽하게 자동화됩니다. 성형기가 모델을 변경하면 pourTECH 주입 컨트롤러는 DISA Monitizer®|CIM 시스템에서 새 금형 치수를 조회합니다. DISA 데이터를 기반으로 주입 컨트롤러는 각 주입에 대한 주입 노드의 위치를 ​​계산합니다. 첫 번째 새 금형이 충전 공장에 도착하는 시점을 정확히 파악하고 자동으로 새로운 주입 순서로 전환합니다. 지그가 스트로크 끝에 도달하면 DISAMATIC® 기계가 정지하고 지그가 자동으로 복귀합니다. 첫 번째 새 금형이 기계에서 제거되면 작업자에게 알림이 표시되어 금형이 올바른 위치에 있는지 육안으로 확인할 수 있습니다. 원활한 주조의 이점은 다음과 같습니다. 기존의 수동 주조 공정이나 덜 복잡한 자동화 시스템은 성형기에서 금형을 빠르게 교체하더라도 모델 변경 시 생산 시간 손실을 초래할 수 있습니다. 주입기와 주입 금형을 수동으로 재설정하는 것은 시간이 더 오래 걸리고 더 많은 작업자가 필요하며 플레어와 같은 오류가 발생하기 쉽습니다. 오르트랜더는 수작업으로 병입할 때 직원들이 결국 피로해지고 집중력이 떨어져 게으름을 피우는 등의 실수를 저지른다는 사실을 발견했습니다. 성형과 주입 공정을 완벽하게 통합함으로써 더 빠르고 일관성 있으며 고품질의 공정을 구현하는 동시에 폐기물과 가동 중지 시간을 줄일 수 있었습니다. 오르트랜더의 자동 충전 시스템 덕분에 모델 변경 시 충전 장치 위치를 조정하는 데 필요했던 3분이 사라졌습니다. 윌리엄스-북 씨에 따르면, 이전에는 전체 전환 과정에 4.5분이 소요되었지만, 이제는 2분도 채 걸리지 않습니다. 교대 근무당 8~12개의 모델을 변경하면서 오르트랜더 직원들은 이제 교대 근무당 약 30분을 소요하는데, 이는 이전의 절반에 불과합니다. 일관성 향상과 지속적인 공정 최적화를 통해 품질이 향상되었습니다. 오르트랜더는 이음매 없는 주조 방식을 도입하여 폐기물을 약 20% 줄였습니다. 모델 변경 시 가동 중지 시간이 단축되었을 뿐만 아니라, 전체 성형 및 주입 라인 운영에 필요한 인력도 기존의 3명에서 2명으로 줄었습니다. 일부 교대 근무에서는 3명이 두 개의 생산 라인을 동시에 운영할 수 있습니다. 작업자들은 거의 대부분 모니터링만 담당하며, 다음 모델 선택, 모래 혼합물 관리, 용융액 운반 외에는 수작업이 거의 없습니다. 또 다른 이점은 찾기 어려운 숙련된 직원의 필요성이 줄어든다는 것입니다. 자동화에는 어느 정도의 작업자 교육이 필요하지만, 자동화 시스템은 사람들이 올바른 결정을 내리는 데 필요한 핵심 공정 정보를 제공합니다. 미래에는 기계가 모든 결정을 내릴 수도 있습니다. 이음매 없는 주조를 통한 데이터 활용의 이점 주조 공장에서는 공정 개선을 시도할 때 종종 "똑같은 방식으로 똑같은 일을 하는데 결과가 다르다"라고 말합니다. 예를 들어, 동일한 온도와 높이에서 10초 동안 주조하지만 어떤 주조품은 양호하고 어떤 주조품은 불량합니다. 통합 이음매 없는 주조 시스템은 자동화된 센서를 추가하고 각 공정 매개변수에 대한 시간 기록 데이터를 수집하고 결과를 모니터링함으로써 관련 공정 데이터의 체인을 생성하여 품질이 저하되기 시작할 때 근본 원인을 쉽게 파악할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 브레이크 디스크 배치에서 예상치 못한 개재물이 발생하면 관리자는 매개변수가 허용 범위 내에 있는지 신속하게 확인할 수 있습니다. 성형기, 주조 설비 및 용광로, 모래 혼합기와 같은 기타 기능의 제어 장치가 서로 연동되어 작동하므로 이러한 장치에서 생성된 데이터를 분석하여 모래 특성부터 주조품의 최종 표면 품질에 이르기까지 전체 공정 간의 관계를 파악할 수 있습니다. 한 가지 예로, 주입 레벨과 온도가 각 모델별 금형 충전에 미치는 영향을 들 수 있습니다. 이렇게 구축된 데이터베이스는 향후 머신러닝 및 인공지능(AI)과 같은 자동 분석 기술을 활용하여 공정을 최적화하는 기반이 됩니다. 오르트랜더(Ortrander)는 기계 인터페이스, 센서 측정 및 테스트 샘플을 통해 실시간으로 공정 데이터를 수집합니다. 각 금형 주조 과정에서 약 1,000개의 매개변수가 수집됩니다. 이전에는 각 주입에 소요되는 시간만 기록했지만, 이제는 주입 노즐의 레벨을 매초 정확하게 파악할 수 있어 숙련된 작업자가 이 매개변수가 다른 지표와 최종 주조 품질에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다. 금형 충전 중 주입 노즐에서 액체가 배출되는지, 아니면 주입 노즐이 거의 일정한 레벨로 유지되는지 등을 확인할 수 있습니다. 오르트랜더는 연간 300만~500만 개의 금형을 생산하며 방대한 양의 데이터를 수집해 왔습니다. 또한, 품질 ​​문제가 발생할 경우를 대비하여 각 주입 과정의 이미지를 pourTECH 데이터베이스에 저장합니다. 이러한 이미지를 자동으로 평가하는 방법을 개발하는 것이 향후 목표입니다. 결론적으로, 자동화된 성형 및 주입을 동시에 수행하면 공정 속도가 향상되고 품질이 더욱 일관적이며 폐기물이 줄어듭니다. 매끄러운 주조와 자동 패턴 교체를 통해 생산 라인은 최소한의 수작업만으로 효과적으로 자율적으로 운영됩니다. 작업자는 감독 역할을 수행하므로 필요한 인력이 줄어듭니다. 이음매 없는 주조 기술은 현재 전 세계 여러 곳에서 사용되고 있으며 모든 현대식 주조 공장에 적용할 수 있습니다. 각 주조 공장은 필요에 따라 약간씩 다른 솔루션을 필요로 하지만, 구현 기술은 이미 검증되었으며 DISA와 파트너사인 pour-tech AB에서 제공하고 있어 많은 추가 작업이 필요하지 않습니다. 맞춤형 작업도 가능합니다. 주조 공장에서 인공지능과 지능형 자동화의 활용은 아직 시험 단계에 있지만, 향후 2~3년 동안 주조 공장과 OEM 업체들이 더 많은 데이터와 경험을 축적함에 따라 자동화로의 전환은 크게 가속화될 것입니다. 현재는 선택 사항이지만, 데이터 인텔리전스가 공정 최적화 및 수익성 향상의 가장 효과적인 방법이기 때문에 자동화 및 데이터 수집 강화는 실험적인 프로젝트가 아닌 표준 관행이 되고 있습니다. 과거에는 주조 공장의 가장 큰 자산은 모델과 직원들의 경험이었습니다. 하지만 이제 이음매 없는 주조 기술이 자동화 및 인더스트리 4.0 시스템과 결합되면서 데이터는 주조 공장 성공의 세 번째 핵심 요소로 빠르게 자리 잡고 있습니다.
—본 기사 작성 과정에서 의견을 주신 pour-tech와 Ortrander Eisenhütte에 진심으로 감사드립니다.
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