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제목 [세미나] CNSPPT ‘Industry 4.0을 대비한 사출성형 모니터링 실습강좌’
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/02/26 17:04

[세미나]

‘Industry 4.0을 대비한 사출성형

모니터링 실습강좌’

고분자나노융합소재가공기술센터(CNSPPT)

사출성형기술분소(소장 이병옥)

 

고분자나노융합소재가공기술센터(CNSPPT) 사출성형기술분소(소장 이병옥)가 주관한 ‘Industry 4.0을 대비한 사출성형 모니터링 실습강좌’가 지난 2월 5일과 6일, 2일간 아주대학교에서 열렸다. 지난해 8월 첫 번째 강좌에 이어 두 번째로 진행한 이번 강좌에서는 첫 강좌에서 다소 아쉬웠던 부분들을 보완한 업데이트 버전으로 준비됐다.

이번 강좌는 사출성형 모니터링에 관한 이론과 실습으로 구성됐다. 특히 대부분 관련업계에서 실무를 담당하는 교육 참가자들의 특성과 의견을 반영해 실습교육을 더욱 강화하는 프로그램으로 진행됐다. 첫날인 5일에는 사출성형 모니터링의 개요에서부터 사출성형 공정 중 온도·압력·변형 변화의 메커니즘에 대해 알아보고, 6일에는 원인별 공정불량 모니터링 방안과 모니터링 활용사례 등을 분석했다.

실습교육을 보다 강화한 이번 강좌는 오전 시간에 이병옥 아주대학교 교수가 센서 측정원리와 사출공정 변화의 메커니즘, 사례분석 등 이론 중심으로 강연하고 오후에는 최재혁 광주대학교 교수와 김진수 연구원이 센서의 설치와 측정, 최적의 공정조건 탐색, 모니터링을 활용한 불량해결 과정 등 교육 참가자들과 함께 모니터링의 실제를 체험하는 실습시간으로 이어졌다. 6일에는 모니터링 업체인 키슬러코리아에서 상업용 모니터링 시스템의 실제 사례를 소개하기도 했다.

 

터닝 포인트: 변화의 임계점에서 서다

많은 사람들이 공학대학에서 ‘과학’을 배우는 것으로 오해한다. 기술은 과학과 다르다. 기술(Technic)은 처음부터 생존의 방편이었다. 과학이 없던 수천수만 년 전에도 기술은 있었고 시행착오를 겪으면서 기술은 개선돼 왔다. 개선에 가장 중요한 것이 측정이다. 현재 상태를 정확히 아는 것, 여기서부터 개선이 시작된다.

정확한 결과물을 얻기 위해서는 상황은 통제되어야 하고 사출공정은 예측 가능해야 한다. 그리고 예측한 게 제대로 되고 있는지 알기 위해서는 현장에서 확인돼야 한다. 그런데 현장을 가보면 관리자들은 여전히 경험에 의존하는 경우가 많다. 사출공정에 대한 모니터링의 필요성이 꾸준히 제기돼 왔지만 산업계에서는 의구심을 갖고 있으며 모니터링 수용을 주저했다. 이병옥 교수가 사출성형 모니터링 연구를 시작한 1993년에는 그런 분위기가 더욱 팽배했다.

하지만 지금은 변화를 받아들이는 분위기가 무르익어가고 있다. 이 교수는 “주변에서 모든 것을 가능하게 하는 기술들이 발전하고 있다. 모든 변화는 작은 변화들이 축적되다가 임계점에 다다르면 비로소 터닝 포인트가 이루어진다”면서 Industry 4.0으로 대변되는 최근의 흐름이 거스를 수 없는 변화라고 얘기했다. 국내도 대기업의 경우는 이 문제의 중요성을 잘 인식하고 있지만 산업계 전반으로 보자면 인식이 아직 부족한 것이 현실이다.

글로벌 산업계 전반에서 일고 있는 4차 산업혁명의 근본적 변화의 중요성을 일깨우고 Industry 4.0이라는 메가 트렌드에 대응하기 위해 마련된 이번 강좌는 이병옥 교수가 4~5년 전부터 업계 친화적으로 설계해 준비한 교육 프로그램으로 지난해 8월 처음 선보여 좋은 반응을 얻고 있다. 이 교수는 강좌가 거듭될수록 참가자들의 피드백을 반영해 교육의 질을 계속 업그레이드해 나갈 것이라고 밝혔다.

 

측정할 수 있어야 개선할 수 있다

최근 들어 독일을 중심으로 Industry 4.0이 시작되며 변화의 바람이 불기 시작했다. Industry 4.0 바람은 점점 거세져 글로벌 산업계를 휩쓸고 있지만 아직은 그 성과나 결과를 예단하기 어렵다. Industry 4.0이 성공적으로 산업계에 정착되기 위해서는 먼저 해결해야 할 문제가 있다. 빅 데이터가 그것이다.

산업자동화가 구현되기 위해서는 먼저 자료 취득의 자동화가 실현되어야 한다. 사출성형이 한때는 블랙매직이던 시절이 있었다. 70년대 이후 사출성형에 대한 모니터링의 필요성이 제기되다가 80년대부터 본격적인 연구가 시작됐다. 왜 측정을 하는가? 그 이유는 원하는 결과물이 정확하게 산출됐는지 알기 위해서다. 그리고 무엇보다도 측정을 하는 이유는 측정을 통해 얻어진 자료를 기술개선에 활용하기 위해서다. 절대온도(K) 개념을 창안한 영국의 수리물리학자이며 공학자인 켈빈 경은 “측정할 수 없다면 개선할 수 없다”고 말했다.

우리는 지금 정보화 시대에 살고 있지만 나와 상관없는 정보는 쓰레기에 불과하다는 것을 알고 있다. 그래서 정보의 관련성을 잘 이해해야 한다. 정보통신기술(ICT)에 기반한 4차 산업혁명의 핵심은 자료다. 자료에 기반한 생산이 곧 4차 산업혁명인 것이다. 그렇다면 과거에는 자료가 없었던 것일까? 그렇지 않다. 과거에도 자료는 있었지만 자료의 양이 턱없이 부족했다. 인터넷 출현 이후 자료의 양이 급격히 증가했고 비로소 산업자동화의 가능성이 열리기 시작했다. 특히 사출성형은 100% 자동화가 가능한 분야로 기대를 모으고 있다.

 

무엇을 측정할 것인가?

우리는 사출성형 공정에서 무슨 일이 일어나는지 눈으로 직접 볼 수 없다. 그 역할을 하는 것이 센서다. 센서는 일종의 에너지 변환장치(transducer)로 사출공정 내의 물리적 변화를 전기적인 변화로 변환시킨다. 사출성형에서 센서는 주로 노즐 압력, 수지 성형온도, 캐비티 압력, 금형 표면온도, 금형 형체력 등을 측정한다.

그렇다면 ‘무엇을 측정할 것인가?’ 이 말은 ‘무엇을 개선하려 하는가?’ 라는 말로 바꿀 수 있다. 내가 원하는 것이 무엇인가? 목표가 정확해야 한다. 모든 사람은 자기 경험 내에서 판단하고 행동하는 것처럼 업체들도 각각 이해와 경험이 다르다. 그러니 목표가 다를 수밖에 없다.

이 교수는 “현장에서는 ‘비싼 센서를 사용했는데 잘 안된다’는 하소연을 듣는다. 이런 경우 어디서부터 설명해야 할지 막막하다”고 말했다. 센서는 측정범위나 방식에 따라 가격이 천차만별이다. “경험이 없는 사람일수록 그 간극을 돈으로 메우려는 성향이 있는데, 중요한 것은 자기목적에 딱 맞는 센서를 사용해야 한다”고 설명한다.

업체 입장에서는 작은 목표를 가지고 시작하는 게 좋다. 간단한 것부터 적용해 성공으로 연결시키는 경험을 축적해 가는 게 중요하기 때문이다. 물론 당장의 가시적 성과가 필요한 작은 회사에서는 이런 방식이 통하지 않을 수 있다. 그래서 작은 업체일수록 중간관리자나 대표의 이해력이 요구된다.

 

센서와 측정

센서가 물리적 변화를 측정하는 과정에서 필연적으로 측정대상에 대한 관여가 발생한다. 보다 정확한 측정을 위해서 센서는 변화에 참여하면서도 관여가 적어야 한다. 그것이 작은 센서가 필요한 이유다.

하지만 아무리 작고 정밀한 센서라도 완벽하게 정확한 측정을 할 수는 없다. 측정한다는 것은 아날로그를 디지털로 변환한다는 뜻이다. 그것은 경사판과 계단에 비유할 수 있다. 일정 높이를 연결하는 경사판을 ‘아날로그’라고 한다면 경사판 대신에 계단을 놓은 상태를 ‘디지털’로 표현할 수 있다.

DAQ(데이터 수집, Data Acquisition)는 컴퓨터를 이용해 자료를 자동으로 획득하기 위한 장치나 프로세스를 의미하며, 신호처리장치의 아날로그 자료를 디지털 신호로 변환하는 과정을 내포한다. 그러나 아날로그가 디지털로 변환되는 과정에서 필연적으로 정보손실이 발생한다. 즉 모든 측정값에는 오차가 존재할 수 있다. 측정 가능한 최소단위가 분해능(resolution) 보다 더 작은 단위는 구분할 수 없기 때문이다.

‘아날로그가 디지털로 변환’되면서 겪는 정보손실의 대표적인 예로 에일리어싱(Aliasing)을 들 수 있다. 에일리어싱은 측정대상 주파수의 2배 이상(실제로는 5~10배)의 주파수를 사용하지 않을 때 발생하는 일종의 계단현상으로, 인접한 스팩트럼이 겹쳐서 출력이 왜곡되는 현상이다. 그래서 보다 정밀하고 세부적인 측정을 위해 분해능을 더 높여야 하지만 그것을 무한대로 높일 수는 없다. 그것이 보정(Calibration)이 필요한 이유다.

 

사출성형 공정 중 변화

사출성형 공정은 여러 가지 변화를 수반한다. 이러한 변화는 크게 압력변화, 온도변화, 기계적 변형에 의한 변화로 나누어볼 수 있다. 이론적으로 용융수지는 비압축성으로 다루고 있어 압력을 측정할 수 없다고 가정하지만, 실제 완전한 비압축성은 아니므로 압력이 측정된다. 다만 측정 방향에 따라 다른 값을 나타낸다. 유변학에서는 용융수지를 점성유체로 간주하고 많은 문제를 다루고 있다. 유체 흐름의 원인은 기본적으로 압력차이 때문에 발생한다. 이 교수는 “현장 사람들을 만나보면 압력에 대한 이해가 부족하다는 것을 느낀다”고 말했다. 예를 들어 사출압력은 조절용 독립변수가 아님에도, 일부 작업자는 사출시간과 사출압력을 조절용 변수로 오해하고 임의로 조절해 불안정한 공정 설정을 하기도 한다.

충전 불균형에 따른 압력변화도 멀티 캐비티 혹은 싱글 캐비티의 멀티 게이트의 경우 자주 등장하는 이슈다. 멀티 캐비티는 생산성을 높이기 위한 사출방식이지만 러너 구조에 따른 충전 불균형 문제가 발생한다. 핫러너의 유동이 꺾이는 곳에서는 부차적 압력손실이 일어난다. 이러한 충전 불균형 현상은 제품의 치수 및 중량의 편차와 제품의 물리적 특성에도 영향을 미친다. 충전 불균형 문제를 해결하기 위해 러너의 굵기를 각기 다르게 해서 압력차를 보정하기도 한다.

자동차 범퍼나 대형TV의 덮개 같은 대형 사출성형은 싱글 캐비티임에도 대개 8개 이상의 멀티 게이트를 갖는데 각 게이트마다 압력차가 발생한다. 이런 경우 독립된 밸브 게이트를 통해 순차적으로 게이트를 개방함으로써 밸런스 문제를 해결하기도 한다.

온도 측정변화는 압력에 비해 매우 둔감해서, 공정변화를 측정하기에는 민감도가 낮은 편이다. 온도 조건은 사출공정 안정성에 가장 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 온도가 바뀌면 제품의 중량이 변한다. 하지만 충전 중 용융수지 온도의 정확한 측정은 매우 복잡하고 어렵다. 그것은 센서의 문제가 아니라 열이 가진 특성 때문이다.

예를들어 초기 수지 온도가 250℃ 정도인 반면 금형 표면 온도는 7~15℃ 정도에 불과하다. 품질에 직접적인 영향을 주는 것은 금형 표면 온도이기 때문이다. 현재로서는 금형 표면에 센서를 설치하는 게 가장 좋은 방법이지만 최근 들어 적외선 센서 등이 나오기도 했다. 한 가지 주의해야 할 점은 금형 온도조절기의 온도는 마지막 단계인 냉각수 온도이며, 금형온도가 아니라는 점이다.

 

사출공정 모니터링 실습

이밖에도 이번 강좌에서는 원인별 공정불량 모니터링 방안과 함께 공정상황 분석, 공정 안정성 확인, 플래싱 발생 확인과 방지, 초정밀 렌즈금형 충전 불균형 등 실제 현장에서 발생하는 사례들에 대한 분석과 대응방안 등 모니터링 활용사례들을 소개하고 모니터링 시스템 구성에 대해 알아봤다.

최재혁 광주대학교 교수와 김진수 연구원이 진행한 실습시간에는 센서기 제작 및 설치 시연을 비롯해 보압절환에 따른 내압변화, 성형조건에 따른 금형내압의 변화, 가소화 조건에 따른 변화, 모니터링을 활용한 최적 공정 조건 탐색, 금형표면온도 안정화, 센서를 활용한 공정 자동 최적화, 모니터링을 활용한 불량해결 과정 등을 현장실습을 통해 확인하고 수행했다.

이번 실습은 특정한 불량이 발생했을 때 모니터링을 통한 해결과정을 연습하는 과정으로 마련됐다. 특히 LG전자에 근무하며 자동차와 TV 선행개발을 담당한 바 있는 최 교수는 현장에서의 오랜 연구개발 경험을 살려 제품충진 불균형, 사출속도 능동제어, 다이내믹 피드 등을 실제 사례를 들어 설명했다.

 

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