서보 모터와 로봇이 적층 제조 응용 분야를 혁신하고 있습니다. 적층 및 절삭 제조를 위한 로봇 자동화 및 고급 모션 제어 구현 시 최신 팁과 응용 분야를 알아보고, 앞으로의 미래도 살펴보세요. 하이브리드 적층/절삭 제조 방식을 생각해 보세요.
자동화 발전
Sarah Mellish와 RoseMary Burns 작성
전력 변환 장치, 모션 제어 기술, 매우 유연한 로봇, 그리고 다양한 첨단 기술의 융합은 산업 전반에서 새로운 제조 공정의 급속한 성장을 견인하고 있습니다. 프로토타입, 부품 및 제품 제작 방식에 혁명을 일으키는 적층 제조와 절삭 제조는 제조업체가 경쟁력을 유지하기 위해 추구하는 효율성과 비용 절감을 제공한 대표적인 사례입니다.
3D 프린팅이라고도 불리는 적층 제조(AM)는 일반적으로 디지털 설계 데이터를 활용하여 재료를 아래에서 위로 층층이 쌓아 올려 견고한 3차원 물체를 만드는 비전통적인 방식입니다. 폐기물 없이 거의 완벽한 형상(NNS)의 부품을 제작하는 AM은 자동차, 항공우주, 에너지, 의료, 운송, 소비재 등의 산업에서 기본 및 복잡한 제품 설계에 널리 활용되고 있습니다. 반면, 절삭 가공은 고정밀 절삭이나 기계 가공을 통해 재료 블록에서 단면을 제거하여 3D 제품을 제작하는 방식입니다.
주요 차이점에도 불구하고, 적층 제조와 절삭 제조 공정은 제품 개발의 다양한 단계를 보완하는 데 사용될 수 있기 때문에 항상 상호 배타적인 것은 아닙니다. 초기 컨셉 모델이나 프로토타입은 종종 적층 제조 공정을 통해 제작됩니다. 제품이 완성되면 더 큰 배치가 필요할 수 있으며, 이는 절삭 제조의 가능성을 열어줍니다. 최근에는 시간이 매우 중요한 분야에서 손상되거나 마모된 부품을 수리하거나 리드타임을 단축하여 고품질 부품을 제작하는 것과 같은 작업에 하이브리드 적층/절삭 제조 방식이 적용되고 있습니다.
자동화 전달
엄격한 고객 요구를 충족하기 위해 제조업체들은 스테인리스강, 니켈, 코발트, 크롬, 티타늄, 알루미늄 및 기타 이종 금속과 같은 다양한 와이어 소재를 부품 구조에 통합하고 있습니다. 부드럽지만 강한 기판에서 시작하여 단단하고 내마모성이 뛰어난 부품으로 마무리됩니다. 이는 부분적으로 적층 및 절삭 제조 환경 모두에서 생산성과 품질을 향상시키는 고성능 솔루션의 필요성을 드러냈습니다. 특히 와이어 아크 적층 제조(WAAM), WAAM 절삭, 레이저 클래딩 절삭 또는 장식과 같은 공정에서 더욱 그렇습니다. 주요 내용은 다음과 같습니다.
- 고급 서보 기술:제품 출시 기간 목표와 고객 설계 사양, 특히 치수 정밀도와 마감 품질을 더욱 효과적으로 충족하기 위해, 최종 사용자는 최적의 모션 제어를 위해 스테퍼 모터 대신 서보 시스템을 탑재한 첨단 3D 프린터를 선택하고 있습니다. 야스카와 Sigma-7과 같은 서보 모터의 장점은 적층 제조 공정을 완전히 바꾸어 놓았으며, 제조업체는 프린터 성능 향상 기능을 통해 일반적인 문제를 해결할 수 있습니다.
- 진동 억제: 견고한 서보 모터는 진동 억제 필터와 공진 방지 필터, 노치 필터를 갖추고 있어 스테퍼 모터 토크 리플로 인해 시각적으로 불쾌한 계단 모양을 제거할 수 있는 매우 부드러운 동작을 제공합니다.
- 속도 향상: 이제 초당 350mm의 인쇄 속도가 현실이 되었으며, 이는 스테퍼 모터를 사용하는 3D 프린터의 평균 인쇄 속도보다 두 배 이상 빠릅니다. 마찬가지로, 회전식 서보 모터를 사용하면 최대 초당 1,500mm, 리니어 서보 모터를 사용하면 최대 초당 5m의 이동 속도를 달성할 수 있습니다. 고성능 서보 모터를 통해 제공되는 매우 빠른 가속 기능은 3D 프린터 헤드를 더욱 빠르게 적절한 위치로 이동시킵니다. 이는 원하는 최종 품질에 도달하기 위해 전체 시스템의 속도를 늦출 필요성을 크게 줄여줍니다. 또한, 이러한 모션 제어 기능 향상을 통해 최종 사용자는 품질 저하 없이 시간당 더 많은 부품을 제작할 수 있습니다.
- 자동 튜닝: 서보 시스템은 자체 맞춤 튜닝을 독립적으로 수행할 수 있으므로 프린터의 기계적 변화나 인쇄 공정의 변화에 적응할 수 있습니다. 3D 스테퍼 모터는 위치 피드백을 사용하지 않으므로 공정의 변화나 기계적 차이를 보상하는 것이 거의 불가능합니다.
- 인코더 피드백: 절대 인코더 피드백을 제공하는 견고한 서보 시스템은 홈으로 이동하는 루틴을 한 번만 수행하면 되므로 가동 시간이 늘어나고 비용이 절감됩니다. 스테퍼 모터 기술을 사용하는 3D 프린터에는 이 기능이 없으므로 전원을 켤 때마다 홈으로 이동해야 합니다.
- 피드백 감지: 3D 프린터의 압출기는 프린팅 과정에서 종종 병목 현상이 발생할 수 있으며, 스테퍼 모터는 압출기 걸림을 감지할 피드백 감지 기능이 부족합니다. 이러한 결함은 전체 프린팅 작업의 실패로 이어질 수 있습니다. 이러한 점을 고려하여 서보 시스템은 압출기 막힘을 감지하고 필라멘트 탈락을 방지할 수 있습니다. 탁월한 프린팅 성능의 핵심은 고해상도 광학 인코더를 중심으로 하는 폐루프 시스템을 구축하는 것입니다. 24비트 절대 고해상도 인코더를 탑재한 서보 모터는 16,777,216비트의 폐루프 피드백 분해능을 제공하여 축 및 압출기 정확도를 높이고 동기화 및 걸림 방지 기능을 제공합니다.
- 고성능 로봇:견고한 서보 모터가 적층 제조 분야에 혁신을 가져오듯이, 로봇 또한 마찬가지입니다. 탁월한 경로 성능, 견고한 기계 구조, 높은 방진(IP) 등급, 그리고 첨단 진동 방지 제어 및 다축 기능을 갖춘 6축 로봇은 3D 프린터 활용을 둘러싼 까다로운 공정뿐 아니라 절삭 가공 및 하이브리드 적층/삭 가공 방식의 핵심 작업에도 이상적인 선택입니다.
3D 프린팅 기계를 보완하는 로봇 자동화는 여러 대의 기계가 설치된 환경에서 인쇄된 부품을 처리하는 데 널리 사용됩니다. 인쇄 기계에서 개별 부품을 내리는 것부터 여러 부품 인쇄 주기 후 부품을 분리하는 것까지, 매우 유연하고 효율적인 로봇은 작업 효율을 최적화하여 처리량과 생산성을 향상시킵니다.
기존 3D 프린팅에서는 로봇이 파우더 관리, 필요 시 프린터 파우더 보충, 완성된 부품에서 파우더 제거 등에 도움을 줍니다. 마찬가지로, 연삭, 연마, 디버링, 절단 등 금속 제작에서 흔히 사용되는 다른 부품 마감 작업도 쉽게 수행할 수 있습니다. 품질 검사, 포장 및 물류 요구 사항 또한 로봇 기술을 통해 충족되고 있으며, 제조업체는 맞춤 제작과 같은 고부가가치 작업에 집중할 수 있게 되었습니다.
대형 공작물의 경우, 장거리 산업용 로봇이 3D 프린터 압출 헤드를 직접 이동하도록 툴링되고 있습니다. 회전 베이스, 포지셔너, 선형 트랙, 갠트리 등과 같은 주변 장치와 함께, 로봇은 공간적 자유 형상 구조물을 제작하는 데 필요한 작업 공간을 제공합니다. 로봇은 기존의 쾌속 조형(RP) 외에도 대량의 자유 형상 부품, 금형, 3D 트러스 구조물, 대형 하이브리드 부품 제작에도 활용되고 있습니다. - 다축 머신 컨트롤러:단일 환경에서 최대 62축 모션을 연결하는 혁신적인 기술을 통해 이제 가산, 감산, 하이브리드 공정에 사용되는 다양한 산업용 로봇, 서보 시스템, 가변 주파수 드라이브의 다중 동기화가 가능해졌습니다. 이제 모든 장치 제품군이 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러) 또는 MP3300iec와 같은 IEC 머신 컨트롤러의 완벽한 제어 및 모니터링 하에 원활하게 작동할 수 있습니다. MotionWorks IEC와 같은 동적 61131 IEC 소프트웨어 패키지로 프로그래밍되는 경우가 많은 이러한 전문 플랫폼은 익숙한 도구(예: RepRap G 코드, 함수 블록 다이어그램, 구조화 텍스트, 래더 다이어그램 등)를 활용합니다. 간편한 통합과 장비 가동 시간 최적화를 위해 베드 레벨링 보정, 압출기 압력 진각 제어, 다중 스핀들 및 압출기 제어와 같은 기성 도구가 포함되어 있습니다.
- 고급 제조 사용자 인터페이스:3D 프린팅, 형상 절삭, 공작 기계 및 로봇 공학 분야에 매우 유용한 다양한 소프트웨어 패키지는 사용자 정의가 쉬운 그래픽 기계 인터페이스를 신속하게 제공하여 더욱 다양한 기능을 구현할 수 있는 길을 열어줍니다. 창의성과 최적화를 염두에 두고 설계된 Yaskawa Compass와 같은 직관적인 플랫폼을 통해 제조업체는 화면을 브랜드화하고 손쉽게 사용자 정의할 수 있습니다. 핵심 기계 속성을 포함하는 것부터 고객 요구 사항을 충족하는 것까지, 이러한 도구는 사전 구축된 광범위한 C# 플러그인 라이브러리를 제공하거나 사용자 정의 플러그인을 가져올 수 있으므로 프로그래밍이 거의 필요하지 않습니다.
위로 올라가다
단일 가산 및 감산 공정이 여전히 인기를 얻고 있지만, 향후 몇 년 동안 하이브리드 가산/감산 방식으로의 전환이 더욱 가속화될 것으로 예상됩니다. 2027년까지 연평균 성장률(CAGR) 14.8%로 성장할 것으로 예상됩니다.1하이브리드 적층 제조 기계 시장은 끊임없이 변화하는 고객 요구에 부응할 준비가 되어 있습니다. 경쟁에서 앞서 나가기 위해 제조업체는 하이브리드 방식의 장단점을 신중하게 고려해야 합니다. 필요에 따라 부품을 생산하고 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있는 하이브리드 적층/감산 공정은 몇 가지 매력적인 이점을 제공합니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 공정에 사용되는 첨단 기술은 간과해서는 안 되며, 생산성과 제품 품질을 향상시키기 위해 작업 현장에 도입되어야 합니다.
게시 시간: 2021년 8월 13일
