프로그레시브 금형을 위한 진보적인 솔루션
Majestic Industries, Leica 스캐너와 PolyWorks®의 결합으로 금형 시험 제작 시간을 절반으로 줄이다.
Majestic Industries, Inc.는 산업용, 소비자용 및 자동차용 제품을 위한 판금 스탬핑 금형을 제조합니다. Majestic은 치열한 시장 경쟁에서 차별화하기 위해, 특히 대형 스탬핑 부품을 위한 고속 프로그레시브 금형(progressive dies)에 특화되어 있습니다. 이처럼 난이도와 복잡성이 높은 금형 제작을 위해 회사는 첨단 기술을 적극적으로 도입하여 최첨단 금형을 생산하고 있습니다.
과제
프로그레시브 금형의 크기 때문에 검사와 측정이 매우 어렵습니다. 길이가 최대 18피트(약 5.5미터)에 무게가 10만 파운드(약 45톤)에 이르는 이 금형은 좌표측정기(CMM)로 측정하기에는 너무 크며, 검사실로 옮기기에도 너무 무겁고 번거롭습니다. 그래서 이 회사는 금형이 있는 곳으로 직접 이동할 수 있는 3D 스캐닝 및 휴대용 CMM 시스템에 투자하였습니다.
솔루션
이 회사에서 사용하는 3D 스캐닝 시스템은 Leica Geosystems의 휴대용 T-Scan 및 T-Probe와 InnovMetric의 PolyWorks 소프트웨어를 포함하며, 금형과 스탬핑의 검사를 주로 수행합니다. 품질 관리자인 Mike Reed는 “이 시스템은 입고 검사, 공정 내 검사 및 초도품 검사에서 매우 좋은 성능을 보이고 있습니다. 저희는 이 시스템의 성과에 매우 만족합니다.”라고 밝혔습니다. 그러나 Majestic Industries는 이 스캐닝 시스템이 단순한 품질 보증 이상의 역할을 할 수 있다는 점을 깨달았습니다. Reed는 “이 시스템을 통해 할 수 있는 일이 점점 더 많아지고 있다는 것을 발견하고 있습니다.”라고 말했습니다.
Majestic Industries가 발견한 또 다른 이점은 Leica 스캐너와 PolyWorks 소프트웨어의 결합이 금형 시험 제작(die tryout) 시간을 절반으로 단축시켜 준다는 것입니다.
프로그레시브 금형 시험
판금 스탬핑 부품을 고객 승인용으로 제출하기 전에 각 프로그레시브 금형은 철저한 금형 시험 제작 과정을 거칩니다. 설계와 제작을 마친 금형을 시험용 프레스에 장착한 후 첫 번째로 생산된 스탬핑 부품의 치수를 측정합니다. 그다음 금형을 다시 가공하고 조정한 후 다시 프레스에 장착하여 샘플 부품을 추가로 생산합니다. 이러한 반복 과정은 많은 시간과 인력을 필요로 합니다.
Majestic의 프로그레시브 금형은 크기와 복잡성 때문에, 과거에는 금형 시험 제작 과정에 두 달 이상이 걸렸습니다. Mike Reed는 “부품의 특성에 따라 완벽한 결과를 얻기까지 5회에서 8회의 반복 작업이 필요할 수도 있었습니다.”라고 말했습니다. 샘플 부품 측정에는 CMM이 사용되었는데, 이를 통해 얻을 수 있는 측정값은 수백 개 정도에 불과하여 Majestic의 뛰어난 설계팀이 스탬핑 부품을 분석하는 데 한계가 있었습니다. 부품 전체에 대한 완전한 정보를 얻지 못했기 때문에, 금형 설계자들은 경험과 직관에 의존하여 어디를 얼마나 조정해야 하는지, 또 스프링백 보정을 얼마나 적용해야 하는지 판단해야 했습니다.
금형에서 지나치게 많은 금속을 제거하는 것은 바람직하지 않기 때문에, Reed는 “항상 ‘메탈 세이프(metal safe)’한 범위 내에서만 보수적으로 조정 작업을 수행했습니다.”라고 말했습니다. 그러나 각 반복에 거의 일주일이 소요되었기 때문에, 이러한 보수적인 접근 방식은 금형 시험 제작 기간을 늘렸고, 비용은 증가했으며, 수익성은 떨어뜨렸습니다.
Reed는 “우리가 매우 기대하고 있는 것은 이 스캐닝 시스템을 활용해 금형 시험 제작 과정에서 스프링백 보정을 수행하는 것입니다. Leica 스캐너와 PolyWorks를 사용하면서 이 과정을 절반 이상 단축하고 있습니다.”라고 설명했습니다. 이러한 시간 단축은 빠른 결과 리포팅과 정확한 정보를 통해 금형 제작자들이 매 반복 작업에서 더욱 과감하게 금형을 조정할 수 있게 되었기 때문입니다.
Majestic의 Mike Reed가 Leica T-Scan 휴대용 레이저 스캐너를 사용하여 PolyWorks로 직접 판금 스탬핑을 스캔하고 있습니다.
프레스에서 처음 생산된 샘플 부품은 휴대용 Leica T-Scan을 이용하여 레이저 스캔됩니다. 이 스캐너는 초당 최대 20,000개의 데이터를 직접 PolyWorks|Inspector™ 소프트웨어로 전달합니다. 스캔이 완료되면 PolyWorks는 즉시 부품과 CAD 데이터 간의 전반적인 비교 결과를 생성합니다. 이렇게 생성된 컬러 맵은 판금 스탬핑 부품의 상태를 시각적으로 생생하게 표현하고, 수정이 필요한 부위를 명확하게 보여줍니다. Reed는 “이것은 부품 품질에 대한 거의 실시간에 가까운 피드백입니다. 스캔 후 곧바로 설계자들에게 정확한 상태를 전달할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
이 소프트웨어는 단지 부품이 규격에서 벗어난 부분만을 보여주는 것이 아니라, 추측에 의존하던 부분을 제거해 줍니다. Reed는 “PolyWorks의 Morphing 툴을 사용하면 스탬핑 부품의 스프링백을 예측하고 이에 맞게 조정할 수 있습니다. 바로 이 기능 덕분에 금형 시험 제작의 반복 횟수를 줄일 수 있게 된 것입니다.”라고 덧붙였습니다.
"까다로운 부품을 촉박한 일정으로 작업할 때도, 우리는 확실히 제대로 완성할 수 있다는 자신감을 얻었습니다." Mike Reed, Majestic 품질 관리자
성과
결국 Majestic의 핵심은 금형 시험 제작 시간을 단축하여 경쟁력을 확보하는 것입니다. Majestic의 고객사들은 복잡한 스탬핑 부품을 설계하면서도 더 빠른 납기와 더 낮은 가격을 요구하고 있습니다. 이러한 고객의 요구를 충족시키기 위해 Majestic은 3D 스캐닝 시스템을 적극 활용하여 금형 제작 프로세스를 가속화하고 있습니다.
Majestic은 이러한 어려움에 맞섭니다
자신의 주장을 입증하기 위해 Reed는 고객이 두 개로 구성된 복잡한 어셈블리를 하나의 스탬핑 부품으로 통합해달라고 요청한 사례를 언급했습니다. 이 프로젝트는 부품의 길이가 매우 길고 형상이 복잡했으며, 스프링백의 예측이 매우 어려웠기 때문에 특히 더 큰 도전 과제였습니다. Reed는 “3D 스캐닝 기술이 없었다면 이 작업을 수행할 수 없었을 것입니다. 너무 많은 금형 반복이 필요하고, 너무 오랜 시간이 걸렸을 뿐만 아니라, 위험성도 매우 컸을 겁니다.”라고 말했습니다.
Majestic은 3D 스캐닝 시스템을 활용하여 금형 시험 제작 과정을 신속히 수행할 수 있다는 자신감을 바탕으로, 이 까다로운 스탬핑 부품을 위한 프로그레시브 금형 제작에 도전했습니다. 이제 표준 프로세스가 된 방식대로, 최초 생산된 스탬핑 샘플은 PolyWorks|Inspector™를 이용해 검사되었습니다. 샘플을 스캔하는 동안 Leica의 T-Scan 레이저 스캐너와 T-Probe 휴대용 CMM에서 실시간으로 얻은 데이터를 PolyWorks로 바로 전송했습니다. 그 다음 PolyWorks의 메싱 기술을 사용하여 스캔된 데이터로부터 폴리고날 모델을 자동으로 생성했습니다. 그리고 레퍼런스 모델(CAD 모델 메쉬 형태)을 가져와서 스캔된 부품과 비교하여 전반적인 편차 분석을 수행했습니다. 금형 제작자들은 최종적으로 생성된 컬러 맵을 검토하여 정확히 어떤 변경이 필요한지 판단할 수 있었습니다.
스프링백 보정이 필요한 경우, Majestic은 PolyWorks|Modeler™ 솔루션에 포함된 Morphing 도구를 사용했습니다. 이 애플리케이션은 자동으로 필요한 조정을 수행하여 설계 사양 내에 들어오는 스탬핑 부품을 만들어줍니다. Reed는 이에 대해 다음과 같이 설명했습니다.
“저는 Morphing 도구를 사용할 때 움직이지 않기를 원하는 스캔 데이터의 포인트를 고정합니다. 그런 다음 CAD 모델에서 조정하고 싶은 부위의 포인트를 선택하면, PolyWorks가 자동으로 이 포인트를 스캔된 부품의 대응 포인트와 일치시킵니다. 마지막으로 보정 비율을 설정하면 PolyWorks가 자동으로 모든 계산을 수행하여 일치된 포인트를 보정하고, 새로운 CAD 모델 메쉬를 생성해줍니다.”
이러한 변경이 완료되면, 데이터를 CATIA®로 불러와 금형 설계를 수정하고 새로운 가공 경로를 생성합니다. 이후 팀은 두 번째 가공, 스탬핑, 3D 스캐닝 과정을 다시 시작했습니다. 리드는 “스캐닝 시스템을 사용했음에도 이 부품을 완벽히 만드는 데 총 6회의 금형 반복이 필요했습니다.”라고 말했습니다. 그러나 그는 곧바로 덧붙였습니다. “스캐닝 시스템이 없었다면 반복 횟수가 두 배 이상이었을 겁니다.”
이 까다로운 프로젝트를 마친 후, Majestic은 이 프로젝트를 맡은 것에 만족했고, 고객 역시 결과에 매우 흡족해했습니다. Reed는 Majestic Industries가 항상 최신 기술을 적극적으로 활용해 왔으며, 바로 이것이 회사가 지속적으로 성공을 거두고 있는 주요한 이유라고 믿고 있습니다.
