적층 제조 시스템 제공업체는 몇 주 만에 산업용 3D 프린터를 설계하여 부품 공급을 혁신합니다.

복잡한 부품의 리드 타임 단축

Schubert Additive Solutions(Schubert Additive)는 독일 Crailsheim에 본사를 둔 Schubert Group의 계열사이며, 포장 기계 및 솔루션의 선두 제조업체입니다. 이 그룹은 간단한 기계, 지능형 제어 기술 및 확장 가능한 모듈성 간의 상호 작용에 중점을 둔 디지털 로봇 기반 포장 기계를 설계 및 제조합니다. Schubert Group(Schubert)은 제약, 화장품, 음료, 식품 및 제과, 기술 제품을 등 다양한 산업의 1차 및 2차 포장을 위한 턴키 솔루션을 제공합니다.

포장 응용 분야에는 소량의 복잡한 부품과 어셈블리가 필요한 경우가 있습니다. 결과적으로 Schubert는 AM(적층 제조) 기술의 얼리 어답터였습니다. 2012년부터 SLS(선택적 레이저 소결)을 사용하여 최대 190개의 가공 부품으로 구성된 어셈블리를 대체할 수 있는 복잡한 부품을 생산하고 있습니다.

맞춤형으로 설계된 로봇 그리퍼는 제품을 패키지에 맞추기 위한 대표적인 AM 응용 분야입니다. Schubert Additive의 CTO(최고기술책임자)인 Conrad Zanzinger는 다음과 같이 말합니다. "Schubert의 로봇 지원 포장 솔루션의 이러한 핵심 컴포넌트는 예비 부품으로 사용하거나 제품 변경을
지원하기 위해 신속하게 사용할 수 있어야 합니다. "AM 장비로 생산되었음에도 불구하고 필요한 곳에 도착하는 데 며칠이 걸렸습니다."

이로 인해 디지털화를 활용하여 공급망을 역이용함으로써 AM 컴포넌트의 리드 타임을 크게 줄일 수 있다는 아이디어가 떠올랐습니다. Schubert Additive는 완벽한 설계-제조 솔루션인 Siemens Digital Industries Software의 NX™ 소프트웨어에서 이를 실현할 수 있는 최적의 솔루션을 찾았습니다. 이 솔루션은 몇 주 만에 산업용 3D 프린터를 설계하여 부품 공급을 혁신하고 부품 리드 타임을 90%까지 단축할 수 있었습니다.

Schubert Additive는 NX를 사용하여 치수 정확도가 ±0.1mm인 Partbox 산업용 3D 프린터를 만들었습니다. 플라스틱 제조업체와 협력하여 최적의 결과를 위해 사용할 필라멘트 재료도 만들었습니다.

산업용 3D 프린터 설계

"필요한 부품의 대부분은 수년 동안 사용되어 온 입증된 기술인 용융 적층 조형 방식을 사용하여 3D 프린팅으로 플라스틱 소재로 만들 수 있습니다"라고 Zanzinger는 말합니다. "Schubert Additive는 고객이 주문한 부품의 디지털 제조 데이터를 수신하고 사용한 만큼만 비용을 지불하는 방식으로 산업 등급의 적층 제조를 사용하여 현장에서 생산할 수 있도록 하기 위해 설립되었습니다."

이를 실현하기 전에 Schubert Additive는 몇 가지 장애물을 극복해야 했습니다. 하나는 3D 프린팅 장비의 품질과 신뢰성이었습니다. "처음에는 선두 제조업체의 기성 3D 프린터를 사용했습니다"라고 Zanzinger는 말합니다. "안타깝게도 이 장비는 기대에 미치지 못했습니다." 이들 제품은 기계적 안정성과 인쇄 품질이 떨어졌습니다. 필요한 치수 정확도와 표면 품질을 갖춘 부품을 안정적으로 생산하지 못했으며, 산업 생산 환경에서 가끔 사용하는 상황에서는 허용되지 않는 정도의 주의가 필요했습니다.

이러한 요구사항을 충족하기 위해 Schubert Additive는 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부인 NX를 사용하여 Partbox 솔루션이라는 완전히 새로운 3D 프린터를 만들었습니다. 여기에는 툴링 및 설비 설계, 부품 품질 관리, 로봇 프로그래밍, 생산 라인 계획 및 적층 제조를 위한 CAD(Computer-Aided Design), CAM(Computer-Aided Manufacturing) 및 NC(Numer Control) 프로그래밍을 위한 소프트웨어가 포함됩니다.

Schubert Additive 엔지니어는 시간에 쫓기고 있었기 때문에 완전한 정보 일관성을 갖춘 전문 소프트웨어 도구와 NX 조합을 유용하게 활용했습니다. "NX를 사용하여 Partbox의 디지털 트윈을 생성하고 검증함으로써 설계 엔지니어는 코로나19 팬데믹 기간 동안 어려운 작업 조건에도 불구하고 몇 주 만에 작업을 완료할 수 있었습니다"라고
Zanzinger는 말합니다. "메카니컬 설계 및 검증, 프로그램 생성 및 AM 관련 작업을 단 하나의 사용자 인터페이스로 처리할 수 있었던 것이 많은 도움이 되었습니다."

필요한 안정성과 신뢰성을 달성하기 위해 Schubert Additive 엔지니어는 AM용 NX에 포함된 설계, 토폴로지 및 빌드 준비 최적화를 위한 도구를 활용했습니다. 여기에는 이전에 기성 3D 프린터로 사용하던 슬라이싱 소프트웨어가 포함되었습니다. NX로 전환했을 때 프로그래밍을 변경할 필요가 없었습니다.

Siemens Additive Manufacturing Network는 CAD 데이터를 수신하여 적층 엔지니어링을 다시 수행하는 데 사용되며 Partbox OS에 완벽하게 통합됩니다. (이미지 제공: Thorsten Hiller)

글로벌 AM 환경

Zanzinger는 "NX에서 사용할 수 있는 최첨단 설계 도구와 특수 AM 기능을 사용하면 부품 공급업체가 기존 설계를 적층 제조용으로 쉽게 리모델링할 수 있습니다"라고 말합니다. "이를 통해 원래 기존 제조를 위해 제작된 부품일지라도 이러한 형태의 부품의 가용성을 높일 수 있습니다." 원활한 연관성과 재현성은 파일을 가져오고 내보내거나 기존 설계를 다시 만들 필요성을 줄여 변환 오류는 물론 소요 시간도 크게 단축됩니다.

Schubert Additive 팀이 극복해야 할 또 다른 장애물은 보안, 특히 부품 설계자의 지식 자산을 보호하기 위한 보안이었습니다. "고객에게 파일을 전송하는 것은 불가능했습니다"라고 Zanzinger는 말합니다. "우리는 불법으로 검색할 수 있는 곳에 데이터를 저장하지 않고 인증된 인쇄 작업을 Partbox로 바로 스트리밍할 수 있는 안전한 방법을 찾아야 했습니다."

이러한 장애물을 극복하기 위해 Schubert Additive 엔지니어는 재설계를 위한 CAD 파일을 비롯하여 Partbox 운영 체제를 만들었고, 이는 Siemens Additive Manufacturing Network를 통해 수신됩니다. 온라인 디지털 웨어하우스인 이 운영 체제를 통해 고객은 부품 제조업체로부터 실제 부품이 아닌 프린팅 라이선스를 받을 수 있습니다. CPJ(Certified Printing Jobs®) 형태의 이러한 라이선스는 시스템의 기술적 DNA입니다. 이러한 라이선스는 LTE(Long-Term Evolution) 연결을 통해 선택한 프린터로 스트리밍되므로 Partbox 프린터는 네트워킹 인프라 및 회사 네트워크와의 통합이 필요하지 않습니다.

Partbox 운영 체제는 개방형이므로 고객이 공급업체를 선택하는 데 제한이 없습니다. 또한 자체 부품 또는 설비를 업로드하고, 인쇄 작업을 수행하고, 부품 스트리밍 플랫폼에 저장하여 필요할 때 언제 어디서나 인쇄할 수 있습니다. 따라서 부품 가용성을 높게 유지하면서 재고를 줄일 수 있습니다. 부품이 아닌 CPJ를 구입하여 Partbox 3D 프린터에서 현지에서 생산하면 운송 관련 오염을 피할 수 있으므로 지속 가능성이 향상됩니다. 또한 프로세스, 운송 비용 및 통관이 필요하지 않으므로 시간을 절약할 수 있습니다.

일반적으로 배송을 포함하여 1.5주가 소요되는 것과 달리 Partbox 주문형 부품 생산은 AM 친화적 재설계를 포함하여 하루가 걸립니다." 이는 90% 이상 단축한 수치입니다. 예비 부품의 경우 이는 중단 없는 작동과 며칠간의 다운타임 간의 차이를 의미할 수 있습니다. "우리는 디지털 트랜스포메이션을 통해 부품 유통 및 생산을 혁신했습니다"라고 Zanzinger는 말합니다. "NX의 모든 부분에 걸친 엔드 투 엔드 데이터 일관성 덕분에 이 획기적인 프로세스의 모든 측면을 통해 디지털 스레드를 연결할 수 있었습니다."

적층 제조를 사용하여 192개의 회전 부품, 18개의 복잡한 밀링 부품 및 1,024개의 나사에서 3개의 부품과 8개의 나사로 커피 크림 부분 포장용 진공 그리퍼의 부품 복잡성을 줄여 조립 시간을 하루에서 10분으로 단축했습니다.