황주상 기자

공작기계는 ‘기계를 제조하는 기계’라 불리며, 기계산업 전반에서 중추적 역할을 수행한다. 특히, 공작기계는 자동차를 비롯해, 전자,반도체, 항공 및 우주산업 등 거의 모든 산업에 사용되며,이러한 공작기계 테크놀로지의 발달에 따라 자동화 산업의 향방이 결정된다고 해도 결코 과언이 아닐 것이다.

최근 점점 스마트해져 가는 공작기계 자동화 시스템은 여러 대의 공작기계를하나의 컨트롤러로 제어할 수 있는 DNC, 전문지식이 없는 초보자라도 쉽게 조작 가능한 대화형 및 지능형 CNC 등 복합화, 시스템화, 지능화로서의변화를 꾀하고 있다.

이번 FA저널의 2월호 기획특집은 기계산업의 핵심이라 할 수 있는 선진적인 공작기계 자동화 솔루션 기술의 트렌드를 분석하고, 관련 시장을 선도하는 기업들의 성공적인 사례를 통해 국내 공작기계 솔루션 산업이 나아가야 할 방향을 제시하고자한다.

굳게 닫힌 공작기계시장

지난해 공작기계시장은 다소 경직된 모습을 보였다.

2014년 국내 공작기계 생산은 내수가 불안한 가운데 대외 경제여건마저 기대만큼 호전되지 않아 5조8,900억원으로 2013년과대비해 약 1.4%의 증가율에 그쳤기 때문이다.

한국공작기계산업협회(이하 공작기계협회)가 내놓은 ‘공작기계산업 2014 실적 및 2015 전망 분석 보고서’에 의하면, 공작기계 생산은 2014년을 기준으로 3조2,901억원으로전년도인 2013년과 비교해 5.7% 증가에 그쳤다.

전문가들은 이러한 관련 업계의부진에 대해 지난해 발생했던 세월호 여파와 신차개발 프로젝트의 지연 등으로 인해 국내 경제활동이 크게 경직됐기 때문이라고 분석했다.

이러한 성장률의 부진은 국외도 예외는 아니다.

특히, 중국 시장의 부진은 일반적으로산업에 대한 투자가 과잉됐다는 것이 주요 원인으로 꼽혔다. 수요에 비해 공급이 많은 포화상태에 이르러현재로선 굳이 장비의 추가 수입이 필요없다는 것이다. 유럽의 경우, 최근러시아와 우크라이나간의 갈등으로 인한 경제적 경직인 유럽시장까지 확대됐다는 분석이다. 이러한 전 세계적인경제·사회적 문제는 각 산업에 걸쳐 밀접한 관계를 맺고 있는 공작기계시장에게 있어 상당한 타격으로 작용되고 있다.

But... 2015년 제조산업, 전망 밝다

이렇듯 2014년에는 다소 움츠러든움직임을 보인 제조시장이었으나 업계는 올해 국내 공작기계 산업에 대해 국내‧외 경제의 완만한 성장 속에 공작기계생산은 전년대비 5.3% 증가할 것으로 전망하고 있다.

지난해와는 달리 신차출시 계획 및 배기량2000cc 초과 자동차에 대한 개별소비세 인하로 내수시장 확대가 기대되기 때문이다. 또한, 휴대폰 케이스 메탈적용으로 탭핑센터 강세 및 자동차 8단 변속기 양산 개발로 인한 머시닝센터의 수요가 증가할 것으로 예상되는 것도 올해 공작기계시장이 살아날 조짐으로보인다.

이러한 시장의 활성화가 기대됨에 따라 관련업계는 전에는 볼 수 없었던 다양한관련 자동화 솔루션이 개발될 것으로 예상하고 있다.

자동화장비, 왜 필요한가?

인더스트리 4.0의 도래

이번 기획특집을 통해 최근 자동화 시장에서의 최고 관심사는 인더스트리 4.0이라는 것을 알 수 있었다. 인더스트리4.0은 21세기 산업혁명으로 생산자동화의 최대 효율화, 즉 사물인터넷과 로봇을 통한 연결성 확대를 말한다. 관련업계는 이러한인더스트리4.0의 핵심이 바로 생산성 향상에 있다고 보고 있다. 필츠코리아의세일즈 엔지니어 김병호 대리는 “세이프티 무선 인터넷을 통해 공정라인이 분단화되고 원활한 통신시스템을 갖추게 된다면, 공장은 상당히 간소화되는 한편, 생산율이 크게 증가할 것”이라고전했다.

또한, 업계에서는 인더스트리 4.0내에서의 모든 장비와 라인이 로봇화될 것이라고 예측했다. 이는결과적으로 한 라인이 단순한 기계공정이 아닌 유기적인 시스템으로 변화할 것임을 의미하는데 이러한 유기적인 시스템을 사이버 피지컬이라 부른다.

인더스트리 4.0의 장비는 최적화된모니터링과 연계돼 있으며, 이는 생산시스템과 연동된다. 장비내에서빅데이터화돼 서버에 저장된 데이터들은 알고리즘 형태로 기능을 수행한다. 모든 모듈이 기능화해 데이터의집합을 이루고, 이어서 프로세싱을 통해 해당 라인에 최적화된 모듈을 구축하는 것이다. 이러한 시스템은 인더스트리 4.0의 핵심인 공정라인의 무인화를 여실히보여준다고 할 수 있다. 지멘스인더스트리의 모션컨트롤 사업부 조성국 상무는 “인더스트리4.0의 흐름에 따라 현재 공작기계 솔루션은 인터넷과 IT가 통합된‘스마트 팩토리’를 위하여 나아가고 있다” “앞으로는 기계간의 통신, 사물 인터넷, 그리고 인터넷 서비스를 기반으로 생산 프로세스의 모든 단계를 연결하고 디지털화 하는 방향으로 전개될 것”이라고전했다.

RECENT TREND1. 융합기술로 무인화 공정 시대 개척

최근 공작기계와 컴퓨터와의 융합 트렌드는 물리정보의 수치화를 넘어 수치정보를시각화하는 단계까지 나아가게 됐다.

이러한 제어 관리 시스템은 특히, 일본에서돋보이고 있다. 코마 등 많은 일본의 선진기업들이 네트워크상에서 자동화 시스템 전체를 관리하는 소프트웨어기반의 플랫폼을 보유하고 있다. 일례로, 공작기계 분야 업체선두주자 마작의 ‘사이버 프로덕션 센터’는 공장내부를 네트워크화하고 기계, 가공 프로그램, 수치공구 등 생산 스케쥴의 종합 정보를 공유화해 실시간 공장관리 시스템을 운영 중에 있다. 특히, DMG모리세키의MORI-Net은 인터넷을 활용헤 세계 각지의 공작기계를 원격 모니터링 하는 시스템으로 기계의 작동상태 및 생산결과와 기타 작동 정보에대한 정기적인 이메일 공지를 고객에게 발송하며 복수의 생산현장으로부터 광범위한 정보의 수집 및 저장이 가능하다.이를 통해 DMG모리세키는 기계 및 작업자에게 현실적인 생산 정보 제공을 보장하기 위한맞춤형 구성 배열을 실현하고 네트워크 연결을 통해 기계의 연중무휴 가동 시스템을 구축하는 데 성공했다.

한국델캠의 유수지 마케팅 선임은 “제조업은 한 국가의 국력을 결정짓는 매우중요한 산업이다. 제조업의 뿌리라고 볼 수 있는 금형산업 및 금형 기술 발전을 위해선 그 베이스가 되는 CAD/CAM 및 공작기계 산업의 발전 역시 밀접한 인과관계가 있다”고 강조했다.

RECENT TREND2. IT 기술 융합으로 실현한 스마트 제조기계

최근 신산업 경향을 살펴보면 지난 수년간 급격하게 발전하고 있는 IT기술이 모바일, 가전제품 등 다양한 산업부문과 연계해 새로운 가치를창출하고 있는 것을 볼 수 있다.

이러한 산업적 대세에는 공작기계 산업도 예외가 아니다. 지금은 시작단계라 할 수 있지만 국내외를 비롯해 전 세계적으로 공작기계가 제품성능이나 모델변화가 다양한 시스템기술을 활용한 IT융합 가공장비산업으로 변화를 꾀하고 있는 것을 볼 수 있다.

공작기계협회는 유럽 지역에서 이러한 IT 기술과공작기계와의 융합기능을 장착하기 위한 움직임이 두드러진 모습을 보이고 있다고 설명했다.

특히, 먼 거리에서 장비를 검사하고최종적으로는 오류를 해결하기 위한 솔루션을 제시할 수 있는 원격 모니터링 기술의 도입에 대해 강조했다.

김경동 부장은 “공작기계 산업의 특성상 생산자와 소비자와의 계약 및 출하의물리적 거리는 상당히 멀 수 밖에 없다”며, “때문에 이러한 원격 모니터링 또한 IT 및 모바일 기기와 밀접하게 연계되는 움직임을 보이고 있다”고 말했다.

RECENT TREND3. 소형로봇으로 협업기능 구축

모든 기계산업이 그렇듯, 공작기계분야에서도 생산시간의 단축, 이를 통한 가동률증대, 높은수준의 품질에 대한 요구가 날로 높아짐에 따라 이를 충족할 수 있는 자동화 솔루션에 로봇의 도입은 최상의 솔루션이라 생각하며, 그 수요 또한 매년 증가하고 있다. 특히, 협소하고 작업시 발생하는 먼지 등의 환경에서 정확성과 빠른 스피드로 공작기계로부터 완료된 제품을 집어서 빼낼수 있는 소형로봇이 많이 적용되고 있다.

특히, 최근의 산업용 로봇을 살펴보면, SME 로봇, 즉 중소기업용 로봇이 주로 사용되고 있는 모습을 심심치않게 볼 수 있다.

SME 로봇은 정해진 라인 안에서 혼자 정해진 일만 수행하는 기존의 로봇과는 달리 작업자와 같은 생산라인에서 수행할수 있는 공동작업에 초점을 맞추고 있다.

이러한 로봇 솔루션은 상호간의 협업을 통해 작업을 수행한다는 의미에서 협업로봇이라고도부른다. 이러한 SME 로봇이 중소기업용 로봇이라 불리는이유는 바로 다품종 소량생산에 강하기 때문이다. 일반적인 대형로봇은 자신의 영역인 공정라인에서 움직이지못한다. 하지만 SME 로봇은 공장에서 자유롭게 움직이며유연한 작업 수행능력을 보여준다.

소형로봇의 선두주자 쿠카로봇은 “최근 제조시장에서 강조되는 것은 바로 정밀성”이라며, “소형화 로봇은 최소의 면적에서 최대의 정밀성으로 제조산업의 생산률을 높일 것”이라고 전했다.

미래제조기술, 스마트팩토리 실현한다

그렇다면, 향후 미래의 제조산업을이끌어갈 공작기계 관련 솔루션은 어떻게 변할까.

인터뷰를 진행했던 관련 업계 관계자는 ‘융합’, ‘친환경성’, ‘비용 및 에너지 절감’등의 키워드가 관련 기술의핵심을 이룰 것이라고 목소리를 모았다.

특히, 전 세계적으로 에너지 소비의중요성이 강조되면서 이러한 장비의 가동상황을 제어할 수 있는 시스템 개발이 적극적으로 이뤄지고 있다. 특히, 이러한 제어기술에는 인더스트리4.0의 뼈대라 할 수 있는 클라우드시스템이 결정적인 역할을 수행할 것으로 보인다.

씨에스캠의 최인휴 이사는 “향후 공작기계의 자동화 솔루션은 단일공작기계의 CNC 단독의 자동화 뿐만 아니라, 수많은 공작기계가 서로 연결돼가공 물류 자동화 시스템을 구축할 것”이라며, “이에 공작기계의 높은 생산성 유지를 위해 클라우드 HMI과 같은 통합도구가 절실히 요구될 것”이라고 전했다.

KEY SOLUTION1. 공작기계도 친환경으로

최근 공작기계산업에도 친환경 솔루션 바람이 불고 있다. 이러한 친환경 솔루션이 가장 많이 적용될 가능성이 높은 기계류가 바로 절삭용 공작기계이다.

절삭용 공작기계는 그 특성상 오염도가 심하다는 특징을 가지고 있다. 일반적으로 절삭기 작업에는 가열화된 소재를 식히기 위해 절삭유라는 액체를 뿌린다. 문제는 바로 이 액체가 기름과 물을 섞어 만든 물질이라는 점으로 이 액체는 일정한 시간이 지나면 부패가 진행돼환경에 악영향을 준다는 것이다. 절삭기계는 작업에 상당한 기름을 분출하는데 이러한 기름이 접사면에 떨어지면막을 생성하게 된다. 이 막때문에 산소공급이 원활하지 않아 결과적으로 상당한 악취와 박테리아를 발생하는등 환경적으로 유해한 요소를 발생시키는 것이다.

이러한 환경의 유해성을 위해 현재 업계에서 제안되고 있는 것이 MQL 가공시스템이다. MQL(Minimum QuantityLubrication)은 이름 그대로 절삭공구와 공작물 간의 마찰을 감소시키기 위해 사용하는 절삭유를 최소한으로 사용하기 위한 솔루션이다.

이러한 MQL 시스템은 최소한의절삭유를 사용하기 때문에 경제적 비용을 절감할 수 있다. 또한,MOL 가공은 교정장비를 필요로 하지 않아 일반적인 가공 시스템과는 달리 저장장소, 재활용, 펌흐, 여과장치, 냉각장치등의 설비 투자가 필요없다는 장점을 가진다.

이러한 친환경 공작기계 솔루션은 국내에서도 실제로 폭넓게 적용되고 있다. 특히, 금형가공산업 부문에서는MQL 가공시스템 장착은 물론 시스템 개발을 수행하는 기업이 다수 존재하고 있다. 업계관계자는 “친환경 가공시스템은 하드터닝과 같은 공정레벨의 전반에 걸쳐 활발한 연구가 진행 중”이라고 전했다.

KEY SOLUTION2. 소형화 통한 에너지절감 실현

또한, 공작기계의 에너지 절감솔루션에 대한 관심도 대두되고 있다.

공작기계는 대부분 중형 기계들이다. 때문에이러한 중형 기계들이 작동시 에너지 소비율을 최소화하기 위해선 기계 개발에 앞서 경영화 설계를 해야 한다는 것이 업계의 공통적인 의견이다. 즉, 기계들의 소형화가 이뤄지고 있다는 것이다. 기계의 특성상 구조적으로 움직일 때 무게가 너무 나가면 아무래도 쓸데없는 에너지가 소비되기 마련이기 때문이다.

공작기계협회의 김경동 부장은 “최근 제조산업에서는 기계 및 로봇의 구조적소형화가 이뤄지고 있다”며, “하지만, 너무 가벼우면 기계의강성에 문제가 생기기 때문에 개발자는 이러한 사항을 충분히 고려하고 설계해야 한다”고 전했다. 업계에따르면, 이러한 구조적 소형화는 평균 10~20%의 경량화를꾀한다고 한다.

작업구조의 문제점도 에너지 과소비를 촉진하는 원흉으로 꼽혔다. 기존에는 작업시 제조장비가 24시간 풀가동돼 작업에 필요없는 에너지까지소비할 수 밖에 없었다. 하지만 최근에는 에너지에 대한 각 기업들의 관심이 고취됨에 따라 이러한 가동상태를확인할 수 있는 센서 및 측정장비, 모니터링 시스템 등이 개발돼 작업의 여부에 따라 장비의 전원 및작동이 자동으로 중지되는 솔루션이 각광을 받고 있다.

KEY SOLUTION3. 난삭재 가공으로 항공산업 발전한다

한편, 제조공구시장의 업계들은난삭재 가공용 공구개발에 주목하고 있다.

난삭재란 항공 부품 등에 사용되는 티타늄 금속 소재들과 같이 일반적인 제조용공구로는 절삭이 쉽지 않은 소재를 말한다. 이러한 난삭재 가공을 수행하기 위해선 기계를 고속으로 작동시키거나이러한 난삭재 소재에 적합한 공구를 별도로 개발하는 방법들이 있다.

난삭재 가공이 어려운 것은 간단히 말하면,기존의 공구보다 난삭재의 경도가 높기 때문이다. 국내를 비롯한 전 세계적으로 이와 관련해공구의 날을 고속으로 회전시켜 공작물의 열변형이 일어나기 전에 절삭량을 줄여 깎거나 난삭재에 적합한 공구 및 하드터닝 가공기법 개발 등 다양한방법들이 연구되고 있다.

공작기계협회의 김경동 부장은 “초음파를 사용해 난삭재 가공 기술에 사용한예는 독일 이외에는 거의 없는 초기 연구단계”라며, “하지만 앞으로 실용화만 된다면, 향후 자동차 시장, 의료시장 등 다양한 분야에서 활용이 기대되는기술”이라고 설명했다.

KEY SOLUTION4. 세이프티 솔루션, 안전기능으로 무인공정 실현

공작기계는 치명적인 인명사고가 많이 발생할 수 있는 기계이다.

모든 장비 면이 노출돼 있고, 고속회전과강한 힘이 가해지는 장비인 데다 생산되는 제품도 대부분 금속재이기 때문에 사고가 한 번 나면 피해자에게 상당히 치명적인 부상을 입힐 수 있는 위험성이있다.

하지만 국내 공작기계산업 종사자의 대부분은 안전에 대해 무감각한 경우가 많다.

이는 비교적 최근에 와서야 안전관리시스템에 눈을 돌리고 있는 현 산업의 상황과도 귀결된다. 필츠는 이러한 공작기계의 특성상 세이프티 시스템이 반드시 필요하다고 설파했다.필츠코리아 김병호 대리는 “세이프티 솔루션은 생산성을 크게 향상시킴과 동시에 장비의 안전성과 신뢰성을 함께 보유할 수 있도록 한다”고설명했다.

지난해 코샤가 조사한 산업별 사망자 분포도를 살펴보면 실질적인 공정 내 사망자는공작기계에서 많이 나온 것을 보면, 공작기계가 가진 중요성만큼이나 위험성도 만만치 않다는 것을 알 수있다. 특히, 대형로봇의 경우에는 공작기계와 마찬가지로 중량과재질 때문에 중상에 이르는 사고가 많다.

하지만 필츠는 안전에 대해 무관심으로 일관했던 불과 2~3년 전의 산업에 비하면 지금은 안전에 대한 필요성을 느끼게 되면서 점차 세이프티 솔루션에 대한 관심이 고취되고있는 것도 사실이라고 전하고 있다.

예를 들어, 필츠가 개발한바이트로닉스와 절곡기만 해도 국내의 KCs 인증을 통과한 제품으로 이러한 인증을 거치지 않으면, 판매가 불가능할 정도로 안전에 대한 중요성이 나날이 대두되고 있다. 이러한법률의 변화는 향후 공작기계산업의 안전관리 솔루션에도 크게 영향을 미칠 것으로 예상된다.

필츠코리아 김병호 대리는 “최근 국내산업에서도 산업 현장에서 일어날 수 있는안전사고에 대한 관심이 고취되고 있다”며, “세이프티 모니터링 솔루션은 향후 이러한 안전관리수요와 만나향후 모든 공작기계에 적용될 것”이라고 전했다.

Key Solution5.3D 기술 통한 제어기술 강화

최근 공작기계산업은 3D 카메라기술 등 다양한 3차원 기술을 도입해 새로운 변화를 꾀하고 있다. 공작기계협회는 3D프린팅 기술에 대해 소재기술이 무엇보다 중요하다고 강조했다. 특히, 금속소재의 3D프린팅 기술적용은 타이타늄합금이나 니켈기지 초내열합금과같이 고부가치 소재에 많은 관심이 집중되고 있다. 이는 3D프린터를이용해 부품 제조시 가공비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 재료의 손실이 적어 원소재 대부분을 부품제조에이용할 수 있기 때문이다. 이렇듯 금속소재에 주로 적용되는 3D프린팅공정에는 와이어를 사용하는 EBF3공정을 비롯해 분말을 이용하는SLS, EBM, DMLS 등이 있다. 김 부장은 “프린팅 기술에서의 핵심은 프린터 제품자체가 아니라 프린터가 구현할 수 있는 소재기술에 있다”고 설명했다. 업계는 향후에는 소재에 따른 프린팅기술이 필수적으로 통용될 것으로 전망하고 있다.

하지만 이렇듯 공작기계산업 내에서 3D 프린팅기술의 중요성이 대두되고 있는 가운데 국내시장에서는 이렇듯 기술의 자체적인 개발이 거의 이뤄지고 있지 않고 있다.

이와 반대로 일본에서는 공작기계와 3D 프린팅기술의 접목에 대해 상당한 관심을 보이고 있다고 한다. 이미 일본시장은 관련 기술을 적용한 3D프린터 제품을 선보인 사례가 있으며, 이외에도 공작기계에 일부 3D 프린팅 기술을 적용한 제품도 다량 출시한 상황이다.

협회는 “이러한 3D프린팅 기술을구축하기 위해선 레이저 소스 개발이 절실하다”며, “하지만 현재 국내에서는 이러한 기술개발 계획이 아직없고, 이에 따라 CNC 기계의 개발도 미수에 그쳐 결국대부분의 장비를 국외에서 수입해 쓰고 있는 경우가 대부분”이라며 안타까워 했다.

융합 제조산업, 아직 가야할 길이 멀다

자동화 솔루션의 진화는 현재진행 중

공작물의 경화상태와 기계의 에너지 소비량을 측정할 수 있는 DMG모리세키의 컨트롤 시스템 첼로스의 사례에서 알 수 있듯이 최근 세계 공작기계 시장이 주목하고 있는 관련솔루션 시스템은 실제 사용자가 장비의 현황이나 제품의 제조상태를 손쉽게 모니터링하는 제어 및 관리 시스템으로 옮겨가고 있는 것을 알 수 있다.

특히, 이러한 모니터링 시스템에는현재 각 기업들 간의 공통적인 화제인 에너지 소비량을 그래프로 나타내는 등 기업의 에너지 절감을 꾀해 최종적으로는 비용을 축소하고, 공정라인의 세부 모니터링을 통해 제조상태와 더불어 장비를 체계적으로 관리할 수 있다는 특징이 있다. 하지만 이러한 에너지 소비의 모니터링 또한 현재로선 에너지를 그래프로 나타내는 수준에 그치고 있다. 이에 국내 제조업계는 서둘러서는 절대 안된다고 말하고 있다. 앞서설명한 IT기술의 융합, 모바일과의 연동은 물론, 친환경, 난삭재 가공 등 다양한 혁신적인 기계 및 솔루션 개발이지금도 현재진행 중에 있다는 것이다.

한국공작기계산업협회 김경동 부장은 “제조산업의 혁신은 하루아침에 이룰 수있는 것이 아니다. 기존의 산업이 업그레이드되는 것이 바로 혁신적 기술의 도래가 될 것”이라며, “현재 각 자동화 솔루션을 연구 및 개발하기 위한 시범사업의 상당수가 올해 상반기에 완료될 것으로 보인다. 이러한 연구결과가 발표되고 상용화되면, 국내 공작기계 산업도 국외시장에못지 않게 성장할 것”이라고 기대했다.

산업의 진화는융복합 기술부터

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