▲ 마크포지드의 연속섬유 3D프린팅 기술로 경량·고강도 로봇 그리퍼(左)나 맞춤형 그리퍼(右) 제작한 사례(HRT시스템, 하비스탕스)

스마트팩토리의 핵심 요소인 협동로봇과 산업용로봇에 적층제조(AM) 기술이 접목되면서 제조업의 고부가화와 유연 생산성이 향상되고 있다.

한국산업지능화협회와 코엑스 등이 공동 주최로 8일부터 10일까지 서울 코엑스 전관에서 ‘2023 스마트공장·자동화산업전(스마트팩토리+오토메이션 월드)’이 열렸다. 이번 전시회는 제조업 디지털 전환에 필요한 공장 자동화 부품, 빅데이터, IoT(사물인터넷), 로봇, AI 등 다양한 제품과 솔루션이 소개됐다.

특히 이번 전시회에서 많이 출품되고 참관객의 관심을 받은 것은 협동로봇이다. 로봇시장은 인공지능 혁신, 비대면 수요 급증, 디지털 경제로의 전환에 따라 급격히 성장하고 있다. 국제 로봇연맹에 따르면 2020년 글로벌 로봇시장 규모는 243억달러로 최근 6년간 연평균 9% 성장했으며 한국 로봇수요는 중국, 미국, 일본, 독일에 이어 다섯번째를 기록했다.

이 가운데서도 현장작업자와 함께 같은 공간에 머무르며 다양한 작업을 함께 수행하는 다관절로봇인 협동로봇은 작업자가 간단한 훈련만으로 로봇을 운용할 수 있고 단순 반복 공정을 로봇이 맡음으로써 작업자의 능률도 크게 향상되기 때문에 일반 식당에서부터 자동차, 전자 등 제조업에까지 적용이 확대되고 있는 추세다. 이에 협동로봇의 시장은 세계적으로 연평균 40% 이상 급성장 중이다.

협동로봇은 산업용 로봇과 다르게 가반 하중 범위가 3~16kg으로 그 활용도에 비해 들어 올릴 수 있는 중량에 제한이 있다. 또한 협동로봇은 작업자와 제조공정 내에서 같이 일할 수 있기 때문에 그리퍼나 EOAT의 무게, 재질, 작업 간섭 등 안전사항들을 함께 고려해야 한다.

그리퍼는 협동로봇의 손 역할을 하는 부품을 말하며, EOAT(End of Arm Tool)는 로봇 팔 끝부분에서 여러 구성 요소와 상호작용하는 장비다. 작업 환경이나 작업 물체에 따라 매번 달라져야 하기 때문에 현장 상황 및 작업 부품에 따라 맞춤화가 매우 중요하다.

이러한 부품은 강도 확보를 위해 금속 소재가 사용되다 보니 협동로봇의 들 수 있는 무게가 제한이 생겼고 기존과 같이 절삭가공으로 제작하는데 있어 시간과 비용 부담도 컸다. 때문에 다품종 소량 생산에 최적화된 3D프린팅이 새로운 솔루션으로 주목받고 있다.

세계 최초로 원사 형태의 연속섬유(탄소섬유·유리강화섬유·케블라 등)를 적층해 고강도·경량 부품을 만들 수 있는 기술을 상용화한 마크포지드(Markforged)는 강도는 금속과 비슷하면서 무게는 훨씬 가벼워진 섬유강화플라스틱 부품을 협동로봇 그리퍼와 EOAT에 적용 중이다.

작업상 강도가 필요할 때에는 탄소섬유를, 고온을 견뎌야 할 때는 유리강화섬유를 보강해 부품을 제작할 수 있다. 또한 작업 물체의 형태에 따라 진공이 필요할 경우 흡입력 향상을 위해 내부 채널을 적용한 설계와 제작이 가능하며 복잡한 모양의 그리퍼 제작이 가능하다는 장점이 있다.

실제로 글로벌 산업제어장치 전문기업 Cashco는 수많은 로봇 암 맞춤 도구 제작에 마크포지드 X7 3D프린터를 활용해 시간을 절약하고 도구 설계에 역량을 집중하는 효과를 거뒀다.

이번 전시회에서는 마크포지드의 대한민국 솔루션 공급 파트너사인 에이치알티 시스템과 애플리케이션 파트너사인 하비스탕스가 출품해 마크포지드의 연속섬유(강화유리섬유, 탄소섬유, 케블라섬유) 복합소재 프린팅 솔루션으로 협동. 산업용 로봇을 위한 경량화, 강성 및 내구성을 갖춘 다양한 로봇 그립퍼를 비롯한 맞춤형 EOAT, 지그 및 픽스쳐 등의 생산 자동화를 위해 3D프린터로 제작한 로봇 생산툴을 소개하는 자리를 마련했다.

▲ 금속 소재가 필요한 산업용로봇 그리퍼를 마크포지드의 바운드 금속 3D프린팅(左)으로 제작하거나 또는 경량화를 위해 금속과 연속 CFRP(탄소섬유강화플라스틱)을 적층한 하이브리드 방식으로 제작할 수 있다.

■적층제조 스마트팩토리 완성을 위한 前 단계 자동화 시스템, 스마트 팜

적층제조가 부품 양산 기술로 확대되는 과정에서 걸림돌이었던 설계, 소재, 장비 등 한계는 지속 개선되고 극복되고 있다. 또한 지능형 유연 생산 시스템인 스마트팩토리의 핵심 기술 중 하나로 성장 중이다.

스마트팩토리는 적층제조 자동화 시스템에 센싱을 통한 데이터 추출 분석, 예측을 통한 최적화 과정을 수행하고 이를 전사차원의 생산, 운영, 관리 플랫폼들(PLM/ SCM/ MES/ ERP)과의 연결을 통해 제품을 유연하게 생산할 수 있는 시스템이다.

백소령 마크포지드코리아 지사장은 “3D프린터는 협동로봇·산업용로봇과의 협업작업을 통해 적층제조 자동화를 수행 할 수 있다”며 “이러한 적층제조 자동화 시스템을 적층제조 스마트팩토리의 선행 프로젝트 개념인 스마트 팜”이라고 소개했다.

스마트 팜 구축 운영에는 DfAM(적층제조특화설계)을 통한 설계최적화에 이어 EfAM(Engineering for Additive Manufacturing)이 필요하다고 밝혔다. EfAM은 소재, 설비, 작업 공정 , 운영, 품질관리에 대한 표준 정의 및 인증을 목표로 △부품 생산 공정 최적화 △품질 표준화 △적층제조 작업 시스템화 및 자동화 등이 수반된다. 특히 표준과 사이버 안전을 기준으로 기획되고 구축돼야 한다.

EfAM을 통해 설계·공정 데이터의 디지털 인벤토리가 구축되면 전세계 어디에서나 동일한 품질의 부품을 필요한 때에 유연하게 생산할 수 있는 적층제조 스마트 팜을 실현할 수 있다.

마크포지드는 적층제조 플랫폼 SW 아이거(EIGER)를 통해 설계 최적화, 품질 관리 및 리포팅, 작업 공정의 추적관리, 운영관리, 협동·산업로봇과의 협업 시스템 구축, 전사 차원의 제조 플랫폼들과의 연결을 위한 스마트 팜 구축을 지원하고 있다. 마크포지드는 적층제조 스마트 팜이 전사차원의 제조실행 계획 운영시스템(MES) 및 전사 자원관리시스템(ERP)과 연결이 되면 유연한 지능형 스마트팩토리를 완성 할 수 있을 것으로 보고 있다.