Siemens Digital Industries Software 솔루션 및 서비스를 통해 제조업체의 직조 생산성 15% 향상

생산성 향상

Picanol은 업체 최고의 직조 기계 제조업체로, Siemens Digital Industries Software와 협력하여 차세대 레이피어 직조기의 생산성을 높이고 강화된 소음 및 진동 표준을 준수하고 있습니다. Simcenter Engineering 서비스와 Simcenter 포트폴리오는 Picanol에서 곧 출시될 레이피어 직조기의 새로운 레이피어 드라이버 메커니즘을 최적화하는 데도 사용되었습니다.

Simcenter Engineering은 Simcenter 포트폴리오의 모션 시뮬레이션 솔루션에서 동적 평가를 사용하므로 이를 통해 Picanol은 내부 피크 힘을 줄이고, 베어링 마모를 방지하고, 진동 부품의 무게를 낮추고, 주요 부품의 피로 수명을 연장할 수 있었습니다. 이를 통해 Picanol은 날실을 통해 이동하는 레이피어의 동작 속도를 크게 높일 수 있었고, 이를 기반으로 직조 생산성이 15% 향상되었습니다.

고품질 장비 개발

산업용 직조 공장에서는 수백 개의 Picanol 직기를 연중무휴 가동하여 전 세계 일일 직물 생산량의 상당 부분을 생산하고 있습니다. Picanol은 업계 최고의 직조기 제조업체로, 전 세계 약 2,600개의 고객사에서 현재 11만 대 이상의 직조기를 가동하고 있습니다. 대규모 및 소규모 직물 제조업체는 Picanol 직조 장비를 사용하여 고품질 직물을 효율적으로 제작하며, 중단이 적고 쉽게 전환하여 높은 생산성을 유지합니다.

패션 취향과 선호도는 자주 바뀌므로 제조업체는 최대한의 유연성을 유지해야 합니다. 빠르게 변화하는 직조 요구사항에 효과적으로 대응하기 위해 Picanol의 레이피어 직조기는 소량 생산, 다양한 스타일, 다채로운 디자인, 여러 종류의 직물(면, 보일, 크레이프, 양모, 유리, DuPont™ Kevlar® 아라미드 섬유 등) 을 유연하게 처리하도록 설계되었습니다.

Picanol의 레이피어 직조기 개발 이사인 Kristof Roelstraete는 "결국 가장 중요한 것은 비용입니다."라고 말하며 다음과 덧붙입니다. "직공 한 명당 조작 가능한 기계가 많을수록 직물 제조업체의 전체 소유 비용도 낮아집니다. 우리의 전략은 높은 직조 품질과 안정적인 작동을 보장하는 고품질 장비를 개발하여, 최상급 원단을 생산하고 직조 중단을 최소화하는 것입니다."

"또한 레이피어 직조기의 모듈식 설계와 전자 제어 기능은 직기를 새 품목으로 설정할 때 전환 절차가 간단합니다. 레이피어 직조기의 최고 시장 생산성과 유연성을 유지하고자 여러 획기적인 기술을 개발하고 도입했습니다. 한 가지 예로 수모(Sumo) 직접 구동 엔진이 있는데, 이 엔진은 전자식으로 제어되어 필요한 경우 즉시 멈추거나 감속하여 전체 전력 소비를 10% 줄입니다."

전략적 파트너십 활용

Picanol은 Siemens Digital Industries Software와 협력하여 레이피어 직조기의 소음 방사 성능을 조사했습니다. Picanol과 Simcenter Engineering은 작동 모달 해석, 작동 동작, 편향도 해석과 더불어 음향 강도 및 소음 방사 측정을 통해 개별 작동 소음원을 철저히 파악할 수 있었습니다.

측정 결과 최대 소음 방사는 약 1,200Hz에서 발생하는 것으로 확인되었으며, 이 주파수에서는 직조기 주변 영역에서 대화를 방해합니다. 이 주파수에서 과도한 소리의 본질은 순전히 키네마틱 측면에 그 원인이 있으며 기어 휠 접촉에 의해 발생하는 소음과 일치하는 것으로 파악되었습니다. 또한 테스트 결과, 작동 중에 베어링 정렬과 사전 장력(pretension)이 진화하는 데 불리하게 작동하는 것으로 나타났습니다.

Roelstraete는 "GamMax의 후속 제품을 개발하면서 Picanol은 Siemens Digital Industries Software와 협력하기로 결정했습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "개발 초기에 공동 엔지니어링을 수행하여 직조기의 생산성은 높이면서 소음과 진동을 허용 가능한 수준으로 유지할 수 있었습니다. 이와 관련하여 핵심 어셈블리는 최첨단 레이피어 드라이버 메커니즘으로, 작동 속도를 크게 높이고 결과적으로 소음 방사를 상당히 증가시켰습니다. 이 메커니즘의 원형 동작은 전용 구성 요소인 레이피어의 양방향 선형 이동을 유도하여 직조되는 직물의 늘어난 십자형 실을 통해 세로 실을 운반합니다."

"Simcenter Engineering을 통해 레이피어 드라이버 메커니즘의 설계를 정밀 조정하여 소음 방사를 크게 줄이는 데 성공했습니다. 오늘날의 산업용 레이피어 직조기는 레이피어를 시간당 최대 25,000회까지 끊임없이 앞뒤로 이동시키므로 이는 해결해야 할 중요한 엔지니어링 과제였습니다. 직조 공정에 수반되는 엄청난 레이피어 가속력은 포뮬러 1 레이싱 카의 엔진 피스톤 가속력을 능가합니다."

시뮬레이션을 통한 성능 예측

이 고속 모션에서 발생하는 엄청난 힘으로 인해 전체 레이피어 드라이버 메커니즘은 많은 압력을 받습니다. Simcenter Engineering은 어셈블리 무게를 줄이고 컴포넌트의 마모를 방지하며 피로 수명 효과를 해소하고 음향 방사를 줄이기 위해 레이피어 드라이버 어셈블리를 모델링하고 동시에 하위 시스템 성능 특성을 최적화했습니다.

Picanol은 새로운 컴팩트 레이피어 어셈블리 설계에서 구동 휠을 통해 포크 요소와의 연결부에 원형 운동을 적용했습니다. 이 포크 요소에는 고정 평면에서의 회전으로 제한되어 있는 크로스 멤버 피스가 장착되어 있습니다. 포크 요소의 진동 운동을 통해 크로스 멤버(및 레이피어 휠)는 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전하여 궁극적으로 십자형 나사산을 통해 고속으로 레이피어를 밀고 당깁니다.

수반되는 공격적인 동적 힘을 줄이기 위해 엔지니어는 움직이는 어셈블리 부품의 무게 중심을 변경하는 강체 모델링을 적용했습니다. 이러한 작업에서 부품의 위치, 크기, 형상 및 무게에 대한 수정이 이루어졌습니다.

레이피어 드라이버 어셈블리 부품은 작동 중에 약간 변형되어 전체 레이피어 드라이버 메커니즘에 대한 동적 다중 물체 모델이 생성되었습니다. FEA(유한 요소 해석)를 사용하여 주요 컴포넌트를 유연체로 모델링함으로써 동적 어셈블리 로드 사례를 시뮬레이션할 때 편향과 공진의 영향을 자동으로 고려했습니다.

작동 중에 부품의 편향으로 인해 베어링의 위치와 방향이 다소 변경되어 약간의 정렬 오류와 축 베어링 힘이 발생했습니다. Simcenter 포트폴리오의 모션 솔루션을 사용해 시뮬레이션을 수행함으로써 Picanol은 최적의 베어링 성능을 구축할 수 있었습니다.

Simcenter 포트폴리오의 모션 시뮬레이션 솔루션은 내구성, 소음, 진동을 상당히 개선할 수 있는 기반이 되었습니다. 이는 베어링 및 하우징 강성을 높이고 베어링 정렬을 개선하며 적절한 베어링 사전 장력을 적용하여 구현되었습니다. 또한 동적 모션 시뮬레이션을 통해 Picanol은 이동 및 진동 부품의 무게를 추가로 줄임으로써 레이디얼 베어링 힘을 줄일 수 있었습니다.

Simcenter 포트폴리오의 모션 시뮬레이션 솔루션은 이동 및 진동 부품의 무게를 추가로 줄여 레이디얼 베어링(radial bearing) 힘을 줄이는 데 유용합니다.

피로 수명 연장

Picanol은 Simcenter 포트폴리오의 모션 솔루션을 통해 생성된 시뮬레이션으로 레이피어 드라이버 부품의 피로 수명을 평가했습니다. 시뮬레이션된 동적 내부 하중에서 엔지니어는 FEA로 모델링된 각 컴포넌트에 대한 최대 로컬 응력 값을 얻을 수 있었습니다. 내구성 핫스팟은 재료별 내구 한계에 가깝거나 이를 초과하는 응력 변동이 발생한 위치에서 식별되었습니다. 주요 컴포넌트의 수명을 연장하기 위해 이러한 부품의 기능적 구멍은 위치 및 크기 조정이 필요했습니다. 직조기는 부품이 불충분한 피로 수명으로 인해 고장이 발생하지 않고 7~10년 동안 실질적으로 쉬지 않고 작동할 수 있도록 높은 내구성 기준을 유지하는 것이 중요합니다.

또 다른 중요한 성능 특성은 직조기에서 방사되는 소음입니다. 주요 소음원 중 하나는 레이피어 드라이버 어셈블리의 일부로 사용되는 랙 앤 피니언(rack-and-pinion) 변속기입니다. 회전 레이피어 휠의 톱니 랙을 통해 레이피어의 선형 동작이 구동됩니다. 레이피어가 방향을 전환할 때마다 랙과 피니언 톱니 사이의 공차로 인해 충격 가진이 발생하고 이는 고주파 대역폭이 특징입니다. 가진은 베어링을 통해 체계적으로 이동하며 하우징 구조에서 진동을 시작하여 소음을 방사합니다.

이를 해결하기 위해 Picanol은 Simcenter 포트폴리오의 시뮬레이션 모션 솔루션을 통해 전용 다중 물체 모델을 생성했으며, 이 모델은 기어 및 랙/피니언 공차뿐만 아니라 서로 동적으로 그립되는 톱니의 다양한 접촉 강성을 고려했습니다. 이를 기반으로 Picanol은 다중 물체 시뮬레이션을 수행함으로써 동적 베어링 하중을 유도하여 하우징의 유한 요소 모델에 적용할 수 있었습니다. 그런 다음 그 결과로 얻은 곡면 진동의 평균값을 방사 소음 측정치로 취했습니다. 시뮬레이션 결과에서 알 수 있는 바와 같이 Picanol은 하우징 구조의 감쇠를 증가시키고 더 작은 공차와 고품질 톱니 정삭 기술로 생산된 고가의 기어를 사용하여 소음 방사를 줄였습니다.

내구성 핫스팟은 재료별 내구 한계를 충족하거나 초과하는 응력 변동이 발생한 위치에서 식별되었습니다.

상당한 개선 촉진

Roelstraete는 "현실적인 가상 시뮬레이션과 심도 깊은 테스트 노하우가 결합될 때 직조기 설계의 품질은 크게 향상됩니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "진행 중인 개발 프로세스에서 기술 역량 강화를 통해 차세대 레이피어 직조기의 생산성을 15% 높일 수 있었습니다. 이러한 성능 강화는 기계 속도 가속, 다운타임 단축, 다양한 직물 직조 능력, 품목 간 전환 유연성 향상, 직조 비용 절감을 통해 실현되었습니다."

"Siemens Digital Industries Software의 노고에 진심으로 감사드립니다. 고급 테스트를 통해 기계 성능을 대폭 강화하는 방법을 정확히 파악할 수 있었고, 초기 프로세스를 시뮬레이션함으로써 새로운 레이피어 드라이버 메커니즘의 실제 작동을 최적화했습니다."

"Simcenter 포트폴리오의 모션 시뮬레이션 솔루션은 내구성, 소음 및 진동 측면을 상당히 개선할 수 있는 기반이 되었습니다. 전체 프로토타입 반복 단계를 하나 이상 없애 개발 시간 및 비용을 모두 줄였습니다."