무금형 수치제어 유연성형 기술개발 동향
<목차>
0. 요약
1. 기술 개요
2. 주요 수요산업 시장의 규모 및 전망
3. 무금형 수치제어 유연성형의 기술 동향
4. 수치제어 기반 적응제어 기술 동향
5. 결론
출처 및 참고자료
0. 요약
- 미래 제조 환경은 소품종 대량생산 체계에서 다품종 개인 맞춤형 유연생산 체계로 제조 패러다임이 변화하고 있다. 이와 같은 대외환경 변화에 대응하기 위하여 새로운 공정기술 개발이 필요한 시점이다.
- 전통적인 프레스/금형 성형기술은 단순 프레스의 상하 구동을 이용한 소품종 대량생산에 최적화된 기술로 금형 제작을 위한 시간과 비용이 과도하게 소요되며, 소재나 형상 변화에 따른 제조 유연성 확보가 어려운 단점이 있다.
- 무금형 수치제어 유연성형 기술은 기존의 프레스와 금형을 이용한 대량생산 체계에서 벗어나 금형을 사용하지 않고 장비의 성형툴을 마이크로 레벨로 수치제어하여 다양한 형상의 제품을 유연하게 생산할 수 있는 차세대 정밀 성형기술로, 원소재 형태에 따라 로봇이나 다축제어장치를 이용하여 원하는 형상의 제품을 데이터 기반으로 유연하게 즉시 생산할 수 있다.
- 본 기술은 전기차 플랫폼화에 따라 제조 유연화가 요구되는 자동차 차체 부품, 다품종 소량생산이 요구되는 항공기 스킨 부품 등을 중심으로 우선 적용될 전망이다. 그 외에도 바이오, 건축 등과 같은 맞춤형 제품 생산이 필요한 신산업을 대상으로 무금형 수치제어 유연성형 기술이 점차 확산됨에 따라 관련 시장도 지속 성장할 것으로 전망된다.
- 이와 동시에 성형툴의 실시간 제어가 용이한 장점을 활용하여 적응제어 시스템*으로의 진화가 가능하며, 미래 제조산업의 산업지능화 및 생산성 향상을 위한 핵심 소성가공 기술로 선호도가 점차 높아질 것으로 기대된다.
- 대상 공정의 파라미터를 적절하게 변경하여 제품의 원하는 품질 혹은 성능을 구현하기 위한 피드백 제어 시스템
1. 기술 개요
기술의 정의
- 무금형 수치제어 유연성형 기술은 기존의 프레스와 금형을 이용한 대량생산 체계에서 벗어나 금형을 사용하지 않고 장비의 성형툴을 마이크로 레벨로 수치제어하여 다양한 형상의 제품을 유연하게 생산할 수 있는 차세대 정밀 성형기술이다.
- 최근에는 판재, 봉재, 파이프, 벌크재 등 원소재 형태에 따라 로봇이나 다축 제어장치를 이용하여 다양한 산업에서 요구하는 제품을 유연하게 즉시 생산할 수 있는 장비/공정 기술이 활발히 개발되고 있다.
기술의 등장 배경
- (제조 패러다임의 변화) 미래 제조 환경은 소품종 대량생산 체계에서 다품종 개인 맞춤형 유연생산 체계로 제조 패러다임이 변화하고 있다. 이와 같은 대외환경 변화에 대응하기 위하여 새로운 공정기술의 개발이 필요한 시점이다. 최근 고객 니즈 다변화 및 산업별 공급과잉 심화로 다품종 맞춤형 생산과 개인화 생산에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 이에 대응하는 유연생산 체계에 대한 관심이 지속적으로 확대되고 있다. 기존의 대량생산은 유연성이 높고 주문형 제조가 가능한 대량 맞춤화 제조 시스템으로 점차 변화하고 있으며, 이와 같은 새로운 산업의 물결은 생산성 향상을 위하여 대량 맞춤화 외에도 주문형 제조를 위한 연결성, 자동화 및 지능형 시스템을 요구하고 있다. 하지만 다품종 유연생산 체계에 대응하기 위하여 투자비와 생산라인 변경을 최소화할 수 있는 기술이 요구되고 있으며, 이는 미래 뿌리산업 경쟁력의 원천이 될 것으로 예상된다.
표 1. 제조 패러다임 전환 관련 주요 대외환경 변화
- (대량생산 시스템의 한계) 전통적인 프레스와 금형을 이용한 성형방식은 단순 프레스의 상하 구동을 이용한 소품종 대량생산에 최적화된 기술로 금형 제작을 위한 시간과 비용이 과도하게 소요되며, 소재나 형상 변화에 따른 제조 유연성 확보가 어렵다는 단점이 있다. 그리고 다양한 제품의 생산을 위해서는 제품별 금형을 모두 보관하여야 하므로 금형 보관에 따른 공간 및 비용의 문제가 심각한 상황이다.
- (디지털 전환) 4차 산업혁명으로 인하여 제조 공정의 데이터화, 지능화가 가속화되고 있는 상황에서 수치제어 유연성형 기술은 공구 경로 데이터만으로 원하는 제품을 언제든 자유롭게 생산할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 미래 첨단제조산업에서 필수적으로 요구되는 디지털 전환 측면에서 볼 때 기존의 프레스 성형기술 대비 매우 유리한 특성을 갖고 있다.
- (개인맞춤화) 자동차, 의료 등 다양한 산업에서 개인맞춤화 등과 같이 미래 핵심 산업의 트렌드 변화에 따라 다품종 유연생산 시스템의 요구가 점차 증가함에 따라 생산성 향상 및 고부가가치화가 가능한 첨단 신성형 기술이 요구되고 있다.
- (모빌리티 모듈화) 최근 개발되는 전기차는 레고 방식의 간편한 조립을 통해 차급/차종에 따라 신속하게 차량을 개발하기 위한 목적으로 모듈화(전용 플랫폼)되는 추세이며, 자동차뿐만 아니라 다양한 산업에서 제품의 사이즈 및 형상 변화에 신속하게 대응할 수 있는 유연한 제조기술 개발이 필요하다.
2. 주요 수요산업 시장의 규모 및 전망
- 무금형 수치제어 유연성형 기술은 주로 자동차 바디/BIW 부품, 항공기 스킨 부품 등 수송기기의 제조유연화가 필요한 부품을 중심으로 우선 적용될 전망이며, 주요 수요산업의 성장에 따라 무금형 수치제어 유연성형 기술도 동반 성장할 것으로 예상된다.
- Deloitte에 따르면 자동차 바디/프레임 부품 시장은 2020년 173백만 달러에서 2025년 190백만 달러로, 2020년 100백만 달러에서 2025년 110백만 달러로 각각 견조한 성장세를 보일 것으로 전망하고 있다.
- 이와 동시에 전기차 점유율이 2020년 4%에서 2025년 13%로 확대될 것으로 전망되어 차체 전용 플랫폼으로 주로 생산되는 전기차의 특성상 설계 유연화 및 생산성 향상 요구에 대응하기 위하여 무금형 수치제어 성형기술의 적용이 활성화될 것으로 예상된다.
- Roland Berger에서도 자동차용 BIW 부품의 시장은 2025년까지 CAGR 3.7% 성장할 것으로 전망하고 있어 미래 자동차 제조산업의 규모는 지속적으로 확대될 것으로 예견하고 있다.
- 최근 자동차 제조 트렌드가 고급화, 모듈화, 개인맞춤화를 요구함에 따라 수치제어 유연성형 기술을 이용한 지능형 생산기술이 차체 부품의 생산성 혁신을 주도할 것으로 기대된다.
- 항공기 스킨 부품은 다품종 소량생산을 기반으로 하고 있어 금형으로 제작하는 것은 생산성 및 경제성이 낮아 무금형 수치제어 유연성형 기술이 요구되는 대표적인 부품 중 하나다. “제3차 항공산업발전 기본계획”에 따르면 세계 항공산업은 2019년 7,324억 달러에서 2030년 9,462억 달러로 약 29% 성장할 것으로 예상된다. 항공기의 전체 가격 중 스킨 부품의 가격 비중은 0.5% 수준으로 알려져 있으며, 2030년 스킨 부품의 시장 규모는 약 4.7억 달러 수준을 형성할 것으로 예상된다.
표 2. 항공기 스킨 부품의 가격 비중
- 그 외에도 바이오, 건축 등과 같은 맞춤형 제품 생산이 필요한 신산업을 대상으로 무금형 수치제어 유연성형 기술이 점차 확산됨에 따라 관련 시장도 지속 성장할 것으로 전망된다.
3. 무금형 수치제어 유연성형의 기술 동향
CNC 판재 점진성형 기술
- 미국 Ford에서는 CNC 타입의 양방향 판재 점진성형기술을 이용하여 기존 프레스 성형기술 대비 적은 비용으로 최대 10배 수준의 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 신성형기술을 개발했으며, CAD 데이터를 이용하여 차체 프로토타입을 신속하게 제작한 바 있다.
- 자동차 패널 서비스 부품 생산을 위해서는 프레스 성형용 금형을 10~20년 이상 보관해야 하는 문제가 있어서 일본 Honda와 Amino는 프레스 금형으로 부품 생산이 곤란한 S800 클래식카를 대상으로 부품 형상을 CAD화하고 판재 점진성형 기술로 부품을 재현함으로써 데이터 기반의 부품 성형 기술을 검증한 바 있다.
- 일본 Toyota는 최근 자동차산업의 개인맞춤화 추세에 발맞춰 Toyota iQ 차종을 대상으로 도어 패널에 로고를 마킹하거나 캐릭터라인을 추가하는 등 개인 맞춤형 차량 개조에 판재 점진성형 기술을 적용한 바 있다.
로봇 판재 점진성형 기술
- 일본 Nissan에서는 CNC 방식과 달리 로봇을 이용하여 양방향에서 판재를 점진적으로 성형하는 기술을 개발하였으며, NISMO Heritage 프로그램을 운영하여 구형 Skyline GR-R 등 단종 차량의 서비스 부품 수를 300종 이상으로 확대 공급하고 있다.
가변 3D 롤포밍 기술
- 독일 dataM은 기존 롤포밍 공정에 성형롤 수치제어 기술을 결합하여 가변 단면 형상의 제품 제조가 가능한 수치제어 성형 기술을 개발했다.
- 본 기술은 성형롤의 위치 및 방향을 실시간 제어할 수 있어 차체 프레임과 같이 부품 일체화를 위하여 단면의 변화가 요구되는 제품의 성형에 적합하다.
- 또한 롤포밍 공정의 특성상 변형 저감 및 분산에 용이하여 1.5G급 이상의 초고강도강 적용이 가능할 뿐 아니라 차체 경량화에 유리하며, 다양한 형상의 제품을 하나의 제조라인에서 생산할 수 있어 혼류생산을 통한 생산효율화라는 장점이 있다.
가변롤 압연 기술
- 조선산업의 곡외판은 대표적인 다품종 소량 생산의 대면적 부품으로, 프레스 방식으로 제조하기 곤란하여 무금형 수치제어 성형기술이 요구되는 대표적인 부품이다.
- 대우조선해양에서는 KAIST와 공동연구를 통해 수치제어 압연 장비를 제작하고 조선 곡외판 부품의 3차원 자유곡면 성형기술을 개발해 냈다. 중심부에 배치된 성형롤(Line Array Roll Set)을 모터에 의해 상하로 개별 수치제어 구동하여 다양한 자유곡면 형상을 유연하게 성형하는 기술을 제안했다.
CNC 튜브 벤딩 성형 기술
- 일본 Honda에서는 다축 로봇을 이용한 수치제어 튜브 벤딩 기술을 적용하여 Acura NSX 차종의 A-pillar 부품 일체화 및 1.5GPa급 고강도화를 통하여 경량화와 동시에 단면 사이즈 감소를 이뤄냈고, 운전자의 시야를 61% 개선했다.
다방향 수치제어 체적 성형 기술
- Carpenter Technology는 22MN급 세계 최대의 초대형 다방향 수치제어 무금형 단조 장비를 도입하여 연간 50,000톤의 특수합금 중간재 생산라인을 구축하였으며, 우주항공, 해양, 플랜트 등 산업의 대형 단조 제품 소재시장을 선점하고 있다.
- 본 장비는 지능형 디지털 플랫폼을 이용하여 다방향 성형량을 정밀하게 제어함으로써 기존 단조 공정 대비 공정 수를 절감하는 방식으로 생산 효율의 30% 이상 향상이 가능하다.
4. 수치제어 기반 적응제어 기술 동향
- 무금형 수치제어 유연성형 기술은 성형툴의 실시간 제어가 용이한 장점을 활용하여 적응제어 시스템으로의 진화가 가능하며, 미래 제조산업의 지능화 및 생산성 향상을 위한 핵심 소성가공 기술로 선호도가 높아질 것으로 기대된다.
판재 점진성형 적응제어 기술
- 중국 상하이공과대학에서는 판재 점진성형 공정에서 광학 비전을 이용한 실시간 치수 분석을 수행하고 성형툴 경로를 최적화한 후 구동 시스템과 연계하여 형상 품질을 개선할 수 있는 폐쇄형 적응제어 시스템을 개발했다.
- 이와 같은 적응제어 기술을 이용하여 3회의 iteration 후에 +0.183/-0.175mm 이내의 정밀한 치수정밀도 확보가 가능함을 검증함으로써 무금형 수치제어 유연성형의 산업지능화를 위한 기술 진화 가능성을 제시했다.
CNC 튜브 벤딩 적응제어 기술
- 독일 TU Dortmund에서는 3차원 튜브 벤딩 성형을 위하여 제품 형상의 직접적인 측정을 통한 시스템이 아닌 성형툴에서 발생하는 벤딩 하중을 제어 변수로 사용하여 형상을 교정할 수 있는 간접적인 방식의 적응제어 기술을 제시했다.
다축 굽힘/비틀림 적응제어 기술
- 미국 미네소타대학교에서는 기하학적 형상의 실시간 모니터링 시스템과 연계하여 이동식 수치제어 다이를 실시간으로 제어하고 치수 편차를 교정할 수 있는 적응제어 기술을 제안했다.
5. 결론
- 최근 제조산업의 다품종 유연생산으로의 트렌드 전환에 따라 프레스와 금형을 이용한 대량생산 방식에서 벗어나 성형툴의 정밀 위치제어를 통한 무금형 성형기술이 다양한 소성가공 산업에서 활용되고 있다.
- 프레스와 금형을 이용한 생산 방식은 소품종 대량생산에 최적화된 대표적인 소성가공 기술로 자동차, 항공, 전자 등 주력 핵심산업의 부품 제조에 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 소재나 형상 변화에 따른 제조 유연성 확보가 어려우며, 금형 보관 문제 등으로 인해 한계에 직면한 상황이다.
- 무금형 수치제어 유연성형 기술은 공구 경로 디지털 데이터만으로 원하는 제품을 자유롭게 생산할 수 있어 제조산업의 공정지능화 및 디지털화, 다품종 유연생산 및 생산효율화 측면에서 큰 장점이 있다.
- 또한 공정 모니터링 시스템과의 상호작용을 통해 적응제어 기술로 진화가 가능하며, 미래 제조산업의 무인화, 지능화 및 생산성 향상을 위한 핵심 소성가공 기술로 선호도가 점차 높아질 것으로 기대된다.
출처 및 참고자료
1. Flexibility in metal forming, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2018.
2. The road ahead: Auto suppliers navigate new terrain, Deloitte, 2021
3. 딜로이트 분석, IHS Markit, EV-volumes.com
4. Automotive metal components for car bodies and chassis, Roland Berger, 2017
5. 제3차 항공산업발전 기본계획(’21~‘30), 산업통산자원부, 2021
6. 항공기 SKIN 부품의 성형 및 가공 기술 개발, 중소벤처기업부, 2018
7. Rapid Freeform Sheet Metal Froming, DOE project report, 2018
8. Current status of “Dieless” Amino’s incremental forming, Procedia Engineering
9. https://www.nissan-global.com
10. https://www.datam.de/en/products/automation-division/flexible-rollforming
11. Strategic Steel Application in the Acura NSX Space Frame, GDIS2018.
13. 자동차, Equity Research, 하나금융투자, 2020
14. A Brief Review of Manufacturing Medical Implants by Single Point Incremental Forming, Acta Universitatis cibiniensis – technical series, 2018
저자 이병현 뿌리 PD KEIT 배기현 수석 KITECH 김태규 수석 KEIT
'산업기술' 카테고리의 다른 글
| 배터리용 소재 공급망 이슈 및 기술 비교 분석 (0) | 2025.02.17 |
|---|---|
| PX달팽이크림 여기서 저렴하게 잘 샀네요 (0) | 2025.02.15 |
| 전기차 일체형 차체 제조기술(기가캐스팅) (0) | 2025.02.13 |
| 스마트농업 구현을 위한농기계 기술 (0) | 2025.02.13 |
| 인공지능 반도체의 기술 동향 (0) | 2025.02.13 |
댓글