B&R, 측정 및 주문제작 위한 3D 프린팅

대형 조형물 제작도 정확하고 정밀하게

복셀젯(Voxeljet)사의 3D 프린터를 사용해 단 몇 시간 안에 주조 금속 컴포넌트 및 맞춤 영화 세트, 기능성 플라스틱 부품을 위한 샌드 코어를 만들 수 있게 됐을 뿐 아니라, 매우 정확한 구조적 모델을 생성하는 것도 가능해졌다.

3D 프린터로 달성 가능한 정밀도와 디자인적인 복잡성 수준을 넘어서, 사용자들은 작은 규모의 생산, 프로토 타입 및 모델을 생성할 때 실제로 상당한 시간을 절약할 수 있다는 점을 깨닫게 됐다.

고성능 기술을 기초로 한 B&R의 다양한 통합 자동화와 제어 솔루션은 한층 큰 사이즈의 3D 프린팅 작업도 정확하고 정밀하게, 그리고 안정적으로 처리될 수 있도록 지원한다.

편집자 주

“자동차산업 분야의 주요 고객들 외에도 3D 프린팅으로 가능한 다른 산업 분야의 새로운 고객들이 늘어나고 있다. 특별한 공구 없이도 소량 생산과 빠른 프로토 타입을 제작할 수 있기 때문이다.”

복셀젯의 전기기획 담당자인 비욘 매터스(Bjorn Matthes)씨는 “최근 우리는 프린팅 서비스의 범위를 확장했으며, 이와 동시에 거의 모든 크기의 공작물을 처리하기 위한 모든 장치들을 개발했다”고 밝혔다.

세상에서 가장 큰 3D 프린팅 시스템

복셀젯에서 적용하는 프린팅 기술은 기존 잉크젯 프린터에 적용되는 기술과 매우 흡사하다. 차이점이라면 이 회사에서 개발된 프린트 헤더에는 잉크 대신 액상 바인더가 사용된다는 점으로, 3D 프린팅의 경우 프린터 플랫폼 위에 각 레이어마다 코팅된 입자가 한 층씩 쌓이면서 최종 제품의 형상대로 바이어가 적용돼 만들어지는 원리다. 이것이 바로 세상에서 가장 큰 3D 프린터인 VX4000이 길이 4m, 넓이 2m, 높이 1m 크기의 컴포넌트들을 플라스틱, 모래 또는 다른 입자로 된 재료들로 만드는 방법이다.

복셀젯이 처음 개발 출시한 3D 프린터인 VX4000는 600dpi 해상도와 150~300um의 두께로 각 레이어를 단 75초 안에 프린트할 수 있다. 공간이 넓은 플랫폼에서 VX 4000은 개별적인 큰 컴포넌트나 여러 개의 작은 가공품들을 동시에 가공할 수 있도록 한다. CAD 데이터를 바로 사용함에 따라 높은 레벨의 정밀도와 정확도를 보장하며, 프린터 소프트웨어는 가상작업 공간에 3D CAD 모델을 배치하고 프린트 레이어로 세분화한다. 큰 용량의 데이터를 처리하기 위해 복셀젯 시스템은 SSD 디스크와 추가적인 1TB 이상의 하드디스크가 탑재된 산업용 PC를 사용한다.

“비교할 수 없는 완벽한 제품 포트폴리오”

매터스씨는 “당사가 VX4000을 개발하기 이전의 모든 3D 프린터에서는 PC가 CAN 버스 연결을 통해 시스템 전체를 제어하는 역할을 했다”면서, “VX4000의 개발에 있어 복셀젯은 제어 구조를 더욱 단순화하고 PC에서의 부담 일부를 완화하기 위해 추가적인 추상화 단계를 도입했다”고 말했다.

이 회사는 프린터 헤더와 입자 리코터(Recoater)가 탑재된 두 개의 포탈 시스템을 움직이기 위해 갠트리 시스템을 개발해야 할 필요가 있었다. 매터스씨는 “우리는 드라이브 시스템 생산시 다른 공급업체가 포함돼 있다면 긴장감 및 불명확한 책임과 관련해 문제가 발생할 수 있음을 경험을 통해 배웠다”면서, “그것이 우리가 기어에서부터 제어 시스템 및 HMI에 이르는 전체 자동화시스템을 처리할 수 있는 파트너를 찾았던 이유”라고 밝혔다.

또한 그는 “통합 세이프티와 보편화된 개발 및 설정 툴을 포함한 B&R의 완벽한 제품군은 우리에게 꼭 필요한 파트너라는 확신을 갖게 했다”면서, “B&R 시스템은 우리에게 필요한 모든 것과 미래 혁신을 위한 많은 가능성을 제공했다”고 덧붙였다.

복셀젯은 B&R의 기술을 적용한 갠트리 시스템을 구현하는 것이 얼마나 쉬운지를 직접 체험을 통해 알 수 있었기에 이번 프로젝트 파트너로 B&R을 결정했다.

유연한 구조

VX4000을 위한 자동화 솔루션에서 PC를 제외한 모든 장비는 모션 컨트롤러 기능이 탑재된 B&R X20 시리즈의 CPU 모듈로 사용하고 있다.

PC에 의해 생성된 이동 명령들은 이더넷을 통해 모터 이동에 해당하는 명령들을 바꾸는 CPU 모듈로 전송된다. 갠트리 시스템 내 두 포털의 Z축을 제어하는 서보 모터 4 이외에도, VX4000은 부분적으로 동기화되는 다른 8 LSA와 JSA 서보 모터까지 사용한다.

복셀젯은 미래의 요구사항에 신속하게 대응하고 재고를 최적화한 유연한 구조를 유지하기 위해 오로지 서보 모터만을 사용한다. 모든 모터는 POWERLINK를 통해 컨트롤러와 통신하는 ACOPOSmulti 드라이버로 전력을 공급받는다. 드라이버들은 모션 컨트롤 이상으로 사용됐다. 또한, 그것들은 프린트 헤드(Y)를 이동하고 리코터를 작성하도록 직접 인쇄 관련 작업을 제어하는 하위 수준의 기능 순서를 조정하는 데에도 사용된다.

매터스씨는 “이 구조가 설치돼 있는 VX4000 프로토 타입은 복셀젯 서비스센터에서 효율적이고 신뢰할 수 있는 정도로 여전히 가동 중”이라면서, “물론, 우리는 그 후 지속적으로 구조를 개선하고 개발하고 있다”고 말했다.

openSAFETY로 간단하게 시운전 진행

현재 자동화 솔루션은 Safe Torque Off(STO)와 Safely Limited Speed(SLS) 세이프티 펑션을 탑재하고 있다. 두 펑션은 세이프티 기술이 통합된 SafeMC와 X20 시스템의 Safe I/O 모듈이 부착된 ACOPOSmulti 인버터 모듈을 사용해 복셀젯 개발자에 의해 구현됐다.

매터스씨는 “사람이 장비의 가동 스위치를 끄지 않은 상태에서 프린터와 모니터 공정라인 주위를 안전하게 움직일 수 있기 때문에 길이 20m, 넓이 7m의 큰 프린터에 대한 서비스와 시운전은 오히려 더 쉬워졌다”면서, “openSAFETY 통신 프로토콜 덕분에 세이프티 펑션을 통합하는 데 드는 시간과 장비를 최소화할 수 있었다”고 밝혔다.

이 시스템은 두 가닥으로 I/O 모듈이 분리돼 설계돼 있다. 세이프티 I/O 채널이 직접적으로 CPU에 연결되는 동안 세이프티가 접목되지 않은 I/O 채널들은 POWERLINK를 통해 분리된다. 원래 이 분리는 존재하지 않았던 부분이다. 이에 대해 매터스씨는 “이 채널을 분리함으로써 시스템 확장이 쉬워졌을 뿐 아니라, 세이프티 관련 영역에 영향을 주지 않고 표준 슬라이스의 전원을 끌 수 있게 됐다”고 말했다.

손쉬운 가상 마스터 축 재사용

통합 세이프티 펑션 이외에도 복셀젯은 시스템의 아키텍처에 가상 축 개념을 도입했다. 현재 모든 마스터 축은 가상 축으로 구현돼 있다. 이는 복셀젯에 있어 제어 소프트웨어를 개발할 때 추후 어떠한 드라이버가 특정한 축에 연결되거나 또는 여러 축들이 어떻게 함께 구동되든지 문제가 되지 않음을 의미한다. 매터스씨는 “심지어 이것은 시스템이 완료되기 전에 드라이브 하드웨어와 자동화 솔루션의 시뮬레이션이 가능하도록 한다”면서, “가상 축을 사용해 훨씬 더 쉽게 다른 시스템을 위한 자동화 아키텍처를 재사용할 수 있다”고 말했다. 이와 관련해 복셀젯은 이미 최소한의 수정으로 최근에 런칭한 VX2000을 B&R 기반의 자동화 솔루션으로 바꿨다.

베어링 마모와 상태 모니터링

복셀젯은 이미 다음 혁신에 대한 목표를 가지고 있다.

매터스씨는 “우리는 리코터에 편심 샤프트를 사용하는데, 이것은 베어링에 큰 압력을 가한다”면서, “마모된 베어링에 의한 정지는 인쇄 작업을 중단시킬 수 있어 전체 가공품에 손실을 가할 수 있다”고 말했다.

프린팅 공정 시간이 오래 소요되는 큰 가공물 완성을 거의 앞둔 시점에 이러한 정지가 발생한다면 매우 곤란해질 것이다. 이 점을 고려해 복셀젯은 상태 모니터링을 통해 베어링이 가공품에 악영향을 끼치기 전에 손상 상태를 확인할 수 있는 X20 모듈을 연구했다. 이와 관련해 복셀젯 개발자들은 이러한 사례는 물론 다른 기술 연구개발시 B&R로부터 크고 작은 기술지원 등을 받고 있다.

비욘 매터스(Bjorn Matthes)씨는 “첫 교육에서부터 B&R이 시스템 기능을 완벽하게 구현하기 위해서 처음부터 마지막까지 아이디어를 고려했다는 것을 알 수 있었다”면서, “B&R은 기술 지원을 통해 질문에 신속하게 답변해 줌으로써 우리가 전문지식을 구축하는데 많은 도움을 줬다”고 말했다.

FA Journal 편 집 국 (fa@infothe.com)

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