지능형 소성가공기술 동향 및 전망

지능형 소성가공기술 동향 및 전망

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목차

1. 소성가공 산업 및 시장 전망

2. 주요 수요산업 동향

3. 국외 소성가공 공정 스마트화 동향

4. 국내 소성가공 산업의 현황 분석 및 이슈

5. 시사점 및 정책 제언

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1. 소성가공 산업 및 시장 전망

소성가공 기술의 정의

제품의 형상 제조를 위한 기술로 재료에 외부적인 힘을 가하여 영구적인 변형을 일으켜 원재료를 일정 형태의 제품으로 가공 하는 기술

- 타 가공기술보다 생산성이 매우 높고 최종 제품의 강도 및 표면 품질이 우수함

소성가공 특징 및 주요 생산품

소성가공 산업은 기술·장비 집약산업으로 전후방산업으로의 파급효과가 큰 신성장동력의 핵심 산업, 소재산업과 조립완성산 업을 연결하여 완성품의 품질·성능을 결정하는 기반산업

 

소성가공의 수요산업은 자동차, 항공 우주, 전기 전자, 에너지 플랜트, 의료 등 대부분의 제조업에 해당하며 가장 큰 수요처는 자동차 부품

- 자동차의 경우 차체 Body In White, 도어, 후드 등의 hang on part, 샤시, 구동 부품, 변속기 등의 주요 부품을 성형

 

- 항공의 경우 블리스크 연소기 케이스 팬 디스크 윙 리브 랜딩기어 등 엔진동체 주요 부품을 가공

 

- 의료의 경우 등 주로 재활 치료용 정형 부품을 성형하는 용도로 사용 - 기타 정밀기계 일반기계 조선 플랜트 등의 주요 부품을 성형하는데 사용

국내외 시장 전망

세계적으로 선진국의 경기회복, 신흥시장의 다각화 등으로 자동차, 기계, 반도체,전자 등 생산기반 산업 전방시장 수요 증가 로 시장 규모의 지속적 성장전망

 

세계 소성가공시장은 2021년 약 1조 1,801억 달러에서 2027년에는 약 1조 5,193억 달러로 연평균 약 4.3%의 성장률을 유 지할 것으로 예상

 

국내 소성가공시장은 2021년 12.9조 원에서 연평균 5.2%의 성장률을 기록하여 2027년에는 약 17.5조 원 규모에 이를 것으 로 전망

 

2. 주요 수요산업 동향

(자동차 산업) 친환경 자동차 전환에 따른 경량소재 사용 확대

동력원이 내연기관에서 전기모터로 서서히 전환되면서, 관련 베터리, 모터 등 전장부품 관련 산업 규모는 점차 확대되며, 내 연기관 중심의 기존 자동차 부품 산업의 위축은 장기적으로 진행 전망

- 순수 전기차 전환 시 엔진 부품은 전부 사라지고, 파워트레인, 변속기, 클러치 등 구동관련 부품은 37%, 내연기관용 전장 품은 70%가 사라질 전망

 

- 배터리·모터·인버터 등 전기차 전용 부품(정밀금형 가공 및 5축가공기/자동화 수요 증가 전망), 공조시스템, 경량화 소재, 센서 등 자율주행 및 충전인프라 관련 부품기업은 시장 영역이 확대되어 성장성과 수익성 기대

 

자동차 부품 제조공정의 메가트랜드는 생산성 향상, 혼류생산, 에너지 저감, 친환경 등이며 Industry 4.0에 대응한 네트워킹, 모니터링, 가상시뮬레이션(Virtual Machining), 실시간 생산정보 관리(Connected Factory)등 제조공정의 스마트화 활발 히 진행 중

- BMW, GM, 현대자동차 등 국내외 글로벌 자동차 메이커들은 생산품 종류, 생산량 등에 따라 다양한 형태의 생산시스템을 구축하고 있고, 최근 생산성 향상 요구에 대응할 수 있는 서보프레스 등의 차세대 성형시스템으로 전환 중

 

- 연비향상, 주행성능 강화 등의 목적으로 차체, 파워트레인, 새시 등의 경량화가 활발히 진행되고 있으며, 전통적인 철강을 대체하여 경량 고장력강, 알루미늄합금, 탄소섬유복합재(CFRP) 등의 신소재 채용이 증가

 

(항공 산업) 첨단 신소재 사용 확대 및 제조 스마트화(Brilliant Factory)로 전환

세계 항공산업 시장규모는 ‘15년 기준 약 5,500억$로 부문별로 민항기 2,541억(46.4%), 군용기445억$(10.2%), 부품 1,814억$(20.6%) 및 MRO 1,202억$(22.8%)로 차지

- 기계, 전자, IT, 소재 등 분야별 고도의 기술이 복합된 첨단산업으로 고부가가치 산업이자 진입장벽이 매우 높은 산업

 

- 항공기 부품 수는 자동차의 10배인 20만개 이상이며, 활용되는 핵심기술도 자동차의 15배인 650개로 고부가가치산업

 

항공산업의 꾸준한 성장세와 생산성 향상 요구에 따라, 첨단 신소재 사용 확대 및 제조 스마트화(Brilliant Factory)로 전환 (친환경 및 스마트화)

- 항공산업의 고효율 및 경량화 요구에 대응하기 위해 첨단소재 사용이 급격히 증가하고 있음 (티타늄, CFRP등의 첨단소재 의 사용이 급격히 증가)
※ Boeing 787 드림라이너는 전체 중량의 50%를 탄소섬유로 제작하여, 연료 효율을 20% 향상 시킴(Air bus A380은 기체 중량의 40%를 첨단소재 사용)

 

- 완제기 제조사의 비용절감 목적으로 2/3차 협력업체로 글로벌 아웃소싱 확대

 

- 다품종 소량부품 및 복잡한 형상 제품에 대응하고 난삭재 사용으로 인한 낮은 성형성을 극복하기 위해 3D프린팅 기술을 확대 적용

- 제품의 적기 대응 및 제조 효율 향상을 위해 스마트 공장으로의 전환 트렌드 가속 및 패키지 시스템 적용 확대

※ GE사는 멀티모달공장(Multi-modal factory) 및 생각하는 공장(brilliant factory)을 추진 중 (제품개발주기 및 제조효율 20% 단축)

 

- 항공 엔진 및 구조체 부품은 난형상/고품질이 요구되므로 항공 수요기업은 항공 부품가공기업(Tier 1)에 고정밀 또는 승인 된 공정 기반의 제품 생산 요구

 

3. 국외 소성가공 공정 스마트화 동향

모듈·장비 및 운영솔루션 측면에서 전방위적 스마트화 진행

스마트화 구현을 위해서는 모듈, 장비, 운영솔루션의 유기적 연계 필수적임

(스마트 모듈) 요소 부품 및 모듈 단위에서 IoT 센서를 적용하여 공정 변수를 모니터링 하는 연구가 활발히 진행

베어링 회사인 FAG社는 VarioSense라는 이름으로 베어링에 삽입된 센서의 옵션에 따라 진동, 온도, 변위, 각도변화, 회전 속도 등을 제공

Sahaeffler社는 LM 가이드에 가속도 센서를 내장하여 상태 모니터링 및 자동윤활공급을 실현하는 DuraSense 판매

일본의 TMU는 게이지 센서를 부착한 금형블럭으로 실시간 strain 정보 제공

독일 Consens社는 다양한 소성가공 공정의 금형 및 장치에 장착하여 하중 모니터링이 가능한 piezo볼트 센서를 개발하여 유럽 및 일본, 한국 등에 출시

(스마트 장비) 센서융합 가공 및 성형장비, digital twin 기반 시뮬레이션, 품질 및 오차 예측 등의 연구가 진행

일본의 KOMATSU, AMINO社 등은 다양한 제품에 활용가능한 직구동 방식의 유연생산 서보프레스를 상용화 하여 Toyota 등 일본 자동차회사에 적용

- 프레스의 다양한 모션 구현과 함께, 위치 및 하중 등을 모니터링 하고 시각화 할 수 있는 센서들을 장착하여 제어 가능하도 록 구성함

 

- 또한 다양한 소재의 성형과정 중 데이터를 축적하여 분석하여 이를 장비 DB에 활용함으로써 지능화된 장비 구현을 추진

DMG-Mori社는 Schaffller社와 독일의 연구기관, 여러 기업 등과 협력하여 Machine 4.0 프로젝트를 수행 중

- 본 프로젝트에서 DMG-Mori社는 장비 상태 모니터링용 60여 개의 센서를 자사의 지능형 HMI CELOS에 통합하여 Condition Analyzer 라는 앱을 제공하고 있으며 feeling machine으로의 진화를 추구

 

- DMG-Mori社는 CELOS를 플랫폼화하여 해당기종 CNC에 대한 다양한 장비운용 모듈을 제공하고 있으며 장비운전에 대한 기본적인 운용모듈에서 원격 서비스 지원, 타장비 연동, 로봇 및 주변 이송장치 연계와 같은 다양한 확장 기능들을 제 공함으로써 지능화된 장비운영 뿐 아니라 제조셀 관점에서의 중계자 역할 수행

서보제어 다점 다이큐션 모듈의 적용을 통한 난성형재의 성형한계 극복 및 품질 확보를 위한 지능형 프레스 성형 시스템 구현

- AIDA사는 유압서보제어 다이큐션 모듈을 적용한 서보제어 프레스를 통해, 난성형재의 기존 성형한계를 획기적으로 개선

- Moog社는 쿠션압의 다점 유압서보제어 구현을 위한 모듈러 시스템 개발

 

(스마트 운영솔루션) IoT 기반 장비 연결을 통한 데이터 수집/분석 및 클라우드 서비스 제공

독일의 IFU에서는 프레스 성형시스템의 실시간 모니터링 및 클라우드 기반 제어 솔루션 model factory를 개발 중

일본 Mazak社는 생산장비 데이터를 상위 시스템에서 활용할 수 있도록 IIoT기반 장비 연결 및 데이터 분석 서비스용 SmartBox 디바이스 및 플랫폼 제공

 

SmartBox는 Cisco의 통신 네트워크 기기를 채용하고 있으며, 기존의 Mazak 장비, MTConnect 표준 어댑터 채용 기기, IIoT 센서 모듈을 통합하고 실시간 데이터를 확보하여 운영관리 소프트웨어 모듈들을 선택적으로 구성

 

 

4. 국내 소성가공 산업의 현황 분석 및 이슈

국내 소성가공 산업의 당면과제

자동차·가전·조선 등 다양한 분야의 버팀목 역할을 하는 부품제조업의 내수시장 정체를 극복하고 관련기업의 시장 확대를 위 해 숙련공의 감소, 인건비 상승, 설비노후, 경쟁력 하락, 비용절감에 대한 압박 등 다양한 외부 위험요인에 대한 대응방안이 요 구되고 있음

- 신제품 및 설계 변경에 따른 품질대응이 가장 중요 요소이지만, 숙련된 전문가의 경험과 노하우에 의존하여 공정조건을 제 어하고 있어 환경(전문가, 계절, 외기온도, 재료)에 따라 품질편차가 존재함

 

- 현장 숙련공 노후화 및 은퇴 인력이 증가함에 따라 현장에서 숙련인력 부족 현상 및 대체 인력 부족 현상이 심화되어 현장 기술 수준이 오히려 퇴보하고 있는 상황

 

소성가공 스마트화 현황

(뿌리산업 한계) 뿌리기업 제조현장의 스마트화를 위해 스마트공장 보급·확산 정책을 시작으로 다양한 지원 정책이 추진 중 이나, 다양한 제조환경 변화에 유연하게 대처하지 못할 뿐 아니라, 새로운 밸류체인으로 진입이 어려운 상황

 

(제조데이터 획득 및 분석) 중소기업의 수준향상을 위한 업종별 보급형 POP/ MES 개발·보급에 한정되어 있으며, 제조데이 터 획득을 위한 IoT센서, 데이터 분석 모듈·플랫폼 등 제조데이터 활용은 미흡함. 특히 소성가공 경우 다음과 같이 데이터 취 득이 쉽지 않은 문제가 있음

- 복잡한 형상을 갖는 금형과 성형장비를 이용한 제조 프로세스

 

- 제품 성형이 금형 내부에서 이루어져 변형과정을 볼 수 없음

 

- 숙련된 작업자의 경험에 의존하는 제조 프로세스

 

(제조데이터 활용 솔루션) 제조공정의 지능화를 위해 기존 소성가공공정 및 설비에 특화된 제조데이터 활용 솔루션 및 보급형 플랫폼이 요구되고 있으나, 실제 현장의 인식 및 기술수준이 부족하여 실질적 도입·확산에 한계

 

(개발 니즈) 다종 소재 활용 다품종 생산의 신산업 트렌드에 발맞추어 기존 뿌리산업 제조공정의 패러다임 전환이 급격히 진 행되는 상황에서 숙련공 경험 의존적 공정관리 시스템은 산업수요변화에 즉각적인 대응 및 품질 고도화를 위한 제조 공정 최 적화 솔루션 수요증가

- 산업수요변화의 신속·능동대처를 위한 지능형 소성가공 플랫폼이 개발 및 보급될 경우, 기존 가공장비의 고부가가치화 및 지능화 구현을 토대로 능동형 공정제어 기반 공정 최적화 엔지니어링 솔루션 제공이 가능하여 제조산업의 다양한 소성가 공분야 소재/부품사 등 가치사슬 내 수요처의 적극적 도입이 예상

 

5. 시사점 및 정책 제언

(시사점) 제조장비 패러다임 변화

압출 및 프레스 등 소성가공 성형장비는 단위 장비 및 개별 공정 중심의 생산성 한계 극복을 위하여 장비의 스마트화/다기능 화를 통해 장비와 공정 전체가 하나의 플랫폼처럼 움직이는 공장 자율화를 지향

(스마트화) 제조장비의 스마트화 기반 하에 다양한 장비(프레스, 가공기, 로봇 등)의 연결로 공정·장비가 자율적으로 관리되 고 지능화됨

- 장비의 자율적 상태 관리 및 다양한 기능 수행으로 물리적 생산혁신 가능

※ ETH는 자동차 프레스 성형공정 관리를 위한 Q-Guard 시스템을 개발하고 BMW 등의 자동차사 차체 제조라인에 적용하여 기존 대비 생산성 향상과 품질 개선이 가능한 스마트 시스템 구현

 

(유연화) 다품종 소량생산 수요 확대에 따른 공정 및 장비의 유연화, 다기능화 및 즉시 대응 시스템 개발 가속화

- 다양한 제품을 단시간에 효율적으로 제작할 수 있는 생산 시스템 개발

※ Ford/Honda사 등은 점진성형 장비를 이용한 무금형 유연생산 시스템 연구

 

(플랫폼화) 스마트 성형 및 가공장비들의 연결로 데이터 통합 관리를 통하여 가상세계에서 공정 전체의 최적 생산성을 검토하 고 학습하며 자가 진화함

- 제조장비의 핵심 부품들이 데이터의 원천 소스 역할을 수행하면서, 장비, 공정 전체를 관리하며, 가상세계에서의 생산 혁 신의 진화가 가능(AI-PHM, CPS등)

※ AI-PHM(인공지능 기반 장비·공정 통합 건정성 관리), CPS(사이버물리시스템)

 

(정책 제언) 지능형 소성가공플랫폼 구축을 통한 소성가공산업 고부가가치화

소성가공 제조현장에서 ‘제조데이터‘를 수집/분석하여 다시 실제 생산에 적용(공정최적화) 할 수 있는 데이터 수집/데이타 분 석 및 공정제어/통합 운영솔류션이 결합된 지능형 소성가공 플랫폼 구축 필요.

- (Data gathering) 제조현장 내 공정변수와 연관되어 모니터링이 가능한 모듈 플랫품 개발· 적용 및 공급(뿌리)산업 제조 공정·설비의 고도화를 통해 제조데이터 수집가능 환경 구축이 요구됨

- (Data analysis & process control) 소재, 공정변수 등 수집한 제조데이터를 이용하여 최종적으로 제조 공정에서의 제 품 품질예측, 생산성 향상 등에 활용하기 위해서는 소재 투입단 및 공정단에서 공정환경 모니터링 및 지능형 능동제어를 위한 분석플랫폼(인공지능, 빅데이터 등) 개발이 필요

 

- (Manufacturing solution) 제조데이터 활용을 통한 제조공정의 지능화로 숙련된 작업자의 공정노하우를 대체하여 다종 소재/다품종 제품의 신규 설계를 위한 지능형 모듈 플랫폼 기반 최적화 엔지니어링 솔루션을 제공함으로써 중소·중견기업 의 기술경쟁력 강화 유도 필요

(참고] 지능형 소성가공 플랫폼

다품종 유연생산 공정관리 고도화를 위한 지능형 소성가공 플랫폼

- (소재 모니터링 플랫폼) 소재 투입단에서 공정환경조성에 따른 소재 재질편차, 품질이력 등의 실시간 감지·분석을 위한 계 측 모듈 기반 공정소재 품질관리 시스템

 

- (공정조건 능동제어 플랫폼) 제조산업의 기존 소성가공 장비 기능 고부가가치화 및 공정 지능화를 위한 공정조건 DB 모듈 탑재 기반 실시간 능동형 공정조건 제어 시스템

 

- (공정품질 모니터링 플랫폼) 제조공정 이후, 소재 소성가공 공정조건 및 완제품의 품질 간 상관관계 분석 기반 실시간 품질 모니터링 및 품질 예측 시스템

 

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출처 : keit pd 이슈리포트