밀폐된 공간에서 소재를 금속 틀(금형)에 넣고 반복적으로 높은 힘을 가해 제품을 만드는 '냉간단조' 기술은 주로 자동차 부품을 생산하는데 사용됩니다. 소재에 열을 가하지 않기 때문에 강도가 우수하고 표면도 깨끗한 완성품을 얻을 수 있으며 원하는 치수대로 정밀하게 가공할 수 있습니다. 하지만 작업자가 금형을 언제까지 사용할 수 있는지 알 수 없어 제 때 교체되지 못할 경우, 불필요한 공정비용이 들거나 품질이 떨어지는 문제점이 있었습니다.
한국생산기술연구원은 부품 산업의 제조혁신을 위해 국내 최초로 금형의 한계수명을 정량적으로 예측하고, 품질 검사를 자동화하는 시스템을 개발했습니다. 냉간단조 금형에는 탄화텅스텐 소재가 많이 쓰이는데 가격이 높은데 반해 압력을 받다보면 수명이 다해 잘 깨지는 특성이 있습니다.
개발된 기술은 압력이 반복적으로 가해질 때 금형이 단위 면적 당 받는 하중을 측정하고 분석해서 파손이 예상되는 부분을 찾아냅니다. 한계수명이 예측가능해지면 금형이 파손되기 전에 최대한 사용하고 교체하기 때문에 공정비용을 절약할 수 있고, 불량 발생도 줄일 수 있습니다.
생기원 스마트모빌리티소재부품연구그룹 서영호 박사는 작업자가 쉽게 금형파손 시점을 감지할 수 있도록 반복적 하중에 의한 수명을 시각화하는 모니터링 시스템을 구현해냈습니다. 기존 방식은 이상적 공정 상황에서의 하중치를 고정 값으로 활용해 수명을 예측하는 방식이라 환경변수를 고려하지 못하고, 공정 중 발생하는 편차도 예측 불가능했습니다.
반면 생기원에서 개발한 모니터링 시스템은 금형에 피에조 센서를 설치, 힘이 가해질 때 발생하는 전기신호를 실시간으로 변환해 그래프로 표현하기 때문에 환경변수와 편차 모두 반영할 수 있습니다. 참고로 피에조는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생시키는 전기 회로를 말합니다. 해당 시스템은 현재 자동차 부품 전문 제조업체인 ㈜이화테크원에 구축돼 자동차 조향장치에 사용되는 '볼스터드(Ball Stud)' 부품 생산에 활용되고 있습니다.
나아가, 연구팀은 공정에서 생산된 제품의 품질 검사를 자동화하기 위해 비전 센서를 시스템에 적용할 수 있는 알고리즘도 개발했습니다. 비전센서는 산업용 카메라로 검사대상의 형태, 크기, 문자, 패턴 등을 판별해 양품과 불량품을 구분하는 센서인데, 사람에 비해 정확도가 높습니다. 작업자가 눈으로 확인할 경우 1개당 1분이 소요됐지만, 센서를 이용하면 개당 6초로 검사시간이 대폭 단축되고, 검사에 필요한 인건비도 절감할 수 있습니다.
서영호 박사는 "제조산업 지능화를 위한 첫 걸음으로서 현재 실제 현장에 적용 가능한 단일 공정 기술이 개발완료된 상태"라며 "향후 대규모 제조업체들과 공정 간 연계와 모듈화 작업을 추진해 글로벌 대응에 힘을 합칠 예정"이라고 밝혔습니다.
