[케이스 스터디] LG전자 금형기술센터, CNC 시뮬레이션으로 금형 가공 최적화

‘헛패스’를 제거해 금형 생산성을 높였다

금형가공은 항공 또는 기계부품 가공과 달리 단품을 가공하기 때문에 안전을 최우선으로 가공할 수 밖에 없고, 이로 인해 허공 가공과 무부하 가공같은 ‘헛패스’가 적지 않게 나타나기도 한다. 씨지텍과 LG전자 금형기술센터는 CNC 시뮬레이션을 통해 더 깊게 가공하고 부하가 걸리는 구간에서 가공속도를 줄이는 가공 전략을 세웠고, 이를 통해 금형 생산성을 높이는 계기를 마련했다. ■ 자료 제공 : 씨지텍

금형 생산의 시간과 품질을 모두 잡는 것이 과제

금형 기계가공에서 급속이송(G00) 모드를 제외하고 가공모드(G01, G02, G03)에서 허공 가공과 무부하 가공과 같은 ‘헛패스’의 비율은 약 40~50%에 차지한다. 금형가공은 항공 또는 기계부품 가공과 달리 단품을 가공하기 때문에 안전을 최우선으로 가공할 수 밖에 없다. 그렇기 때문에 Z절입량(가공깊이)는 안전을 고려해서 얇게 가공한다. 또한 제품의 완성도를 높이기 위해 비슷한 공구의 패스를 여러 번 가공하기도 한다. 또한 납기가 짧은 관계로 NC 프로그램을 생성하는 시간이 짧기 때문에 헛패스를 제거하기에는 한계가 있다.

LG전자 금형기술센터는 씨지텍(CGTech)의 CNC 시뮬레이션 솔루션 VERICUT(베리컷)을 오래 사용해 온 고객이다. 씨지텍 한국 지사는 10년 이상 센터의 엔지니어들과 직접 협력해 왔다. 2019년부터 CNC 생산성 향상 및 최고 품질의 금형 제품 생산을 위해 다양한 가공 테스트를 진행해 올 수 있었던 것도 이런 꾸준한 신뢰를 바탕으로 가능했다.

그림 1. VERICUT FORCE의 분석 보기를 이용하여 헛패스 구간(허공 가공 + 무부하 가공) 구간이 전체 가공의 50%를 차지하는 것을 확인할 수 있다.

CNC 시뮬레이션으로 새로운 가공 전략 마련

씨지텍은 Z절입량(가공깊이)을 높여 더 깊게 가공함으로써 기존 가공방식보다 가공시간을 단축시킬 수 있는 생산성 향상 전략을 제시했다. 앞서 설명한 것처럼 금형 가공은 단품을 생산하기 때문에 안전한 Z절입량으로 여러 번 가공한다. 하지만 좀 더 깊게 가공하고 부하가 걸리는 일부 구간에서 가공속도를 줄여 준다면 획기적인 결과를 얻을 수 있다. Z절입량을 높이더라도 일부 구간에서만 가공부하 많이 올라가기 때문에, 이 부분만 최적화하면 된다.

절삭력을 기반으로 가공 속도를 최적화해 주는 VERICUT FORCE(베리컷 포스)를 수 년간 테스트해 온 경험에 기반했기 때문에 가능했던 제안이었다.

장비로 실 가공까지 이어진 FORCE 가공 테스트에서 기존 가공 깊이(Z 절입량)를 향상한 NC 프로그램을 FORCE로 최적화하여 가공 시간을 40% 단축하는 효과를 얻었다.(그림 2) 동일한 공구와 소재를 사용했기 때문에 최적화 조건은 동일하게 적용했다.(장비 : 마키노 V56i, 컨트롤러 : 화낙)

그림 2

VERICUT FORCE 최적화를 적용하면, 기존 NC프로그램의 궤적은 바꾸지 않고 NC 프로그램에 가장 적합한 가공 속도가 추가된다. 기존의 CNC 가공이 일정한 속도로 일정하지 않은 두께의 칩을 생성하는 가공이었다면, FORCE를 적용한 CNC 가공은 일정한 최대 칩 두께를 일정하게 유지하며 가변 이송 속도를 적용하는 방식이다. 앞서 말한 헛패스 구간은 사용자가 지정한 최대 안전 속도로 가공하고 공구 떨림 등이 예측되는 과부하 구간에서는 가공 속도가 자동으로 감소한다.

그림 3

<그림 3>을 보면 얇고 안전하게 가공하는 방식인 기존 가공을 위해 필요한 공구 수는 총 17개이다. 기존 가공 NC 프로그램에서 절입량(z)만 증가해도 한 번에 절입하는 양이 늘기 때문에 필요한 공구 수는 13개로 감소한다. 총 사용 NC 데이터 파일의 수도 19개에서 15개로 줄었다. 더 깊은 절입량(z)이 적용된 NC 프로그램을 안전하게 조율하는 것이 VERICUT FORCE의 역할이다.

표 1

<표 1>에서는 안전이 최우선으로 고려된 1차 가공 최적화와 생산성과 안전을 모두 확보한 2차 가공 최적화를 비교했다. 1차 가공 최적화에서는 충분히 안전한 가공이 이미 증명된 NC 프로그램에서 헛패스 구간과 공구/소재에 적합한 가공 속도만 FORCE가 NC 프로그램에 적용해 주었다. 그 결과 기존 가공 대비 가공 시간이 17% 단축되었다.

2차 가공 최적화에서는 절입량(z)을 늘린 NC 프로그램을 FORCE로 최적화하였다. 시간 절감 효과가 40%로 크고, 충분히 안전하게 가공을 제어하는데 성공했다. 조도 또한 2차가 1차 가공보다 더 우수하다.

금형 생산성 향상 위한 변화를 적극 고민해야

씨지텍의 임재영 대표는 “많은 금형 기업들이 5년 전, 10년 전의 방식을 유지하다 보니, VERICUT FORCE와 같이 새로운 소프트웨어에 대해 투자를 망설이는 모습도 볼 수 있었다. 하지만 LG 프로젝트를 하면서 다시 한 번 느낀 것은 FORCE가 정말 사용이 쉬워졌다는 것”이라면서, “LG와 8개의 프로젝트를 진행하다 보니 손이 부족해서 이제 막 교육이 끝난 기술팀 신입사원도 곧바로 투입해야 했지만, 약간의 교육 후에는 무리 없이 혼자 FORCE 사용이 가능했다. 그만큼 VERICUT FORCE는 사용자의 가공 경험에 상관 없이 이용이 가능한 솔루션”이라고 소개했다.

임재영 대표의 제안으로 LG 금형기술센터는 스마트 최적화 시스템(SOS 혹은 Smart Optimization System)의 도입도 결정한 상태다. 이 시스템은 LG의 필요를 파악한 씨지텍 한국 지사가 별도로 개발하여 제안한 자동 FORCE 최적화 시스템이다.

엔지니어가 프로그래밍하고 VERICUT 검증을 마친 툴패스를 FORCE 최적화만 담당하는 컴퓨터로 전송하면, FORCE가 NC 프로그램을 도착 순서대로 최적화한 후 장비로 전달한다. 엔지니어는 그 결과만 이메일이나 문자로 확인한다. VERICUT 시뮬레이션과 FORCE 최적화 모듈은 동시에 운행할 수 있는 솔루션이다. 하지만 NC 데이터의 용량이 특히 큰 금형 가공의 경우, 시뮬레이션과 최적화 과정을 분리하면 CAM 엔지니어의 업무 효율을 더 향상할 수 있다.

임재영 대표는 “LG 프로젝트를 진행하면서 금형 가공에 대해 더 깊이 이해할 수 있었다. 특히 가장 최신 버전인 VERICUT 9.1에서 추가된 분석 기능으로 금형 기업의 경쟁력을 결정짓는 큰 요소 중 하나인 헛패스를 시각적으로 볼 수 있게 된 것이 주요하다고 생각한다. 요즘 많은 어려움에 직면한 여러 금형 기업에도 도움이 될 수 있도록 FORCE를 이용한 생산성 향상 전략을 열심히 알릴 예정”이라고 전했다.

그림 4