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복합가공기의 시대, 우리의 준비는? – 복합가공을 위한 CAM 솔루션 ②

지난 호 기고에서는 최근 전세계에 불어닥친 경기 침체와 국내외 여러 문제들로 인해 많은 제조업체들이 어려움을 겪고 있으며, 이에 대한 돌파구중 하나로 복합가공기에 대해 소개를 했다.
복합가공기는 특유의 유연함과 정밀함으로 기존 공작기계 대비 우수한 생산성과 정밀함을 무기로 빠르게 퍼져나가고 있다. 그리고 이러한 복합가공기를 정밀하고 효율적으로 제어하여 장비가 발휘할 수 있는 최고의 퍼포먼스를 발휘 하기 위한 솔루션에 요구되는 사항들에 대해 제시했었다.
이번 호에서는 복합가공기를 위한 솔루션으로서 3DSystems의 GibbsCAM을 소개하겠다.

GibbsCAM이란?
GibbsCAM의 개발사인 Gibbs and Associates 는 미국 캘리포니아 주, 로스앤젤레스 지역에 NC 프로그래밍 서비스를 제공하기 위해 윌리엄 F. 깁스에 의해 1982년에 설립되었다.

GibbsCAM 창립자 윌리엄 F. 깁스
GibbsCAM 창립자 윌리엄 F. 깁스

1984년도에 이르러서 Gibbs and Associates는 기계 가공기술자들이 작업하는데 필요한 DWG, DXF, IGES등의 CAD 시스템과 CNC 밀링과 선반 등 대부분의 공작기계에 대해 사용할 수 있는, 생산성과 데이터 호환성을 극대화한 컴퓨터 지원 제조 (CAM, Computer Aided Manufacturing) 솔루션을 개발하기 시작하여 동년 GibbsCAM이 출시 되었다. 이후 M&A를 거쳐 현재 글로벌 제조 솔루션 공급업체인 3DSystems가 인수한 상태이다. R&D를 진행하는 개발본부는 미국 캘리포니아 주의 무어파크(Moorpark)에 자리잡고 있다. 

 캘리포니아 Moorpark에 위치한 개발본부
캘리포니아 Moorpark에 위치한 개발본부

GibbsCAM은 강력하면서도 사용하기 쉬운 모듈형 CAM 시스템으로써 2축 밀링부터 5축 밀링, 선반부터 복합가공까지 거의 모든 형태의 가공을 지원하며 타사의 CAM 소프트웨어보다 쉽게 배울 수 있는 인터페이스 환경을 내세우고 있으며, ‘Powerfully Simple, Simply Powerful’을 슬로건으로 개발, 판매 중이다. 현재 전세계에 걸쳐 의료기기, 항공, 기계부품, 자동차 등 여러 시장에 판매 되고 있고, 특히 국내에선 의료, 통신, 반도체, 방산 부품 쪽에 강세를 나타내고 있다.

복합가공기를 위한 GibbsCAM의 기능들

1) 사용자의 사용에 앞서
GibbsCAM에서는 맨 처음 작업을 시작할 때 가공에 사용할 ‘기계’를 정해야 한다. 이 기계 목록은 기본적으로 비교적 단순한 형태의 3축 MCT나 CNC 선반부터 5축 MCT, 복합가공기에 이르기까지 폭넓게 준비되어 있다. 사용자가 보유한 공작기계가 특별한 옵션을 탑재하지 않았거나 특수한 기능이 없다면 기본 기계를 선택하고 작업을 시작해도 무방하다.

하지만 대부분의 복합가공기의 경우, 그 유연성을 위해 굉장히 많은 종류의 옵션을 보유하여 사용자의 사용 환경에 최적화 하고 있다. 따라서 같은 제조회사의 동일한 복합가공기라고 할지라도 환경이 조금씩 다르다. 이런 경우, GibbsCAM은 오직 그 사용자의 복합가공기를 위한 ‘기계’를 셋팅한다. 이 셋팅에는 기계의 구조, 움직임 같은 정적 조건 뿐만 아니라 가동 범위, 회전 방향 등 동적 조건까지 포함된다. 이렇게 셋팅된 ‘기계’ 데이터는 이후 CAM작업과 시뮬레이션, 포스트 프로세스에 영향을 미치게 된다. 또한 필요한 경우 (사용자가 보유한 경우) 특별한 공구 홀더도 셋팅할 수 있다.

 선삭 인서트를 2개 설치할 수 있는 Capto 규격 홀더
선삭 인서트를 2개 설치할 수 있는 Capto 규격 홀더

보통 복합가공기는 점유 공간이 크다. 따라서 실제 가공이 이루어지는 곳과 공구 교환 위치가 먼 경우가 대부분이다. 혹자는 어차피 공구가 교환될때는 급속이송 하기때문에 생산성에 영향을 미치지 않을 것이라고 생각할 수 있다. 하지만 한개의 제품을 생산하기 위해 공구교환은 생각보다 많이 해야 한다. 그리고 수백, 수천, 많게는 수만개의 제품을 생산하는 동안 제품 당 단 1초만 불필요한 시간이 발생해도 고스란히 사용자의 손해로 돌아간다. 때문에 복합가공기의 유연성을 살려 한 공구 홀더에 둘 이상의 공구를 결속시키는 경우가 있다.

한 공구로 필요한 가공을 진행하고 제품으로부터 그리 멀지 않은곳으로 이동한 후 홀더가 회전하여 다음 공구로 교체하고 바로 가공을 진행하는것이다. 이런 홀더 역시 사전에 셋팅해두면 사용자는 공구를 생성하고 홀더를 이 특별한 홀더로 지정하기만 하면 간단하게 적용, 제어할 수 있다.
이러한 기계와 공구의 셋팅은 GibbsCAM에서 사전에 작업하기 때문에 사용자는 가공 방법만 고민하면 된다.

2) 주요 기능 및 특징
*자유로운 진입 경로 생성: 주물이나 다이캐스팅 제품을 가공하거나 이미 가공이 어느정도 되어 있는 제품을 다시 가공할 경우 다수의 클램프나 지그를 활용해 제품을 기계에 고정시킨다. 이 고정구에 공구가 충돌해선 안된다. 때문에 대부분의 솔루션들이 고정구 인식 시 가공공구경로가 자동으로 고정구를 회피하도록 연산되는 기능을 탑재하고 있다.

GibbsCAM은 가공공구경로 뿐만아니라 공구가 공구교환점으로부터 가공 시작점까지 이동하는 과정에 발생할 수 있는 충돌도 회피할 수 있다. 특히 길이가 긴 공구(홀더)를 사용하는 경우 가공시작점까지 이송 중 제품 자체나 고정구와 충돌이 우려되는 경우 단순히 Z축이나 X축 직선으로 이송하는것이 아닌 Y축 이송을 하거나 심지어 스플라인 자유곡선으로 이송할 수 있다. 또는 선삭 가공 중 가공위치에 도달하기가 어려운 경우에도 모든 간섭을 피하며 지그재그로 움직여 진입하고 가공 후 진입했던 경로로 빠져나올 수 있다. 단지 사용자가 진입/진출 경로를 그려주기만 하면 된다.

 공구 간섭을 피하기 위해 원호로 진입했다.
공구 간섭을 피하기 위해 원호로 진입했다.

*편심가공, 타원가공: 선삭가공의 장점중의 하나는 높은 수준의 진원도를 보장해준다는 것이다. 하지만 가공이 가능한 형상이 한정돼 있다. 때문에 편심된 형상이나 타원 등의 형상을 가공해야 할 경우 숙련된 작업자가 특수한 고정구를 이용해 소재를 셋업 해야 한다. 하지만 GibbsCAM에서는 솔리드 모델, 심지어 2D 지오메트리를 기반으로 X, Y, Z, C축을 동시 제어 하여 지그 없이 기본 셋업 상태에서 가공할 수 있다. 

 편심 또는 원이 아닌 형상도 선삭으로 가공할 수 있다.
편심 또는 원이 아닌 형상도 선삭으로 가공할 수 있다.

*칩 브레이크(Chipbreak): 알루미늄, 스테인레스 스틸 (SUS)등을 선삭 가공할 때 작업자들이 가장 많이 고민하는 부분 중 하나가 바로 칩 브레이크(절단) 이다. 연성이 높기때문에 절단되지 않고 길게 말려나오는 칩은 제품 표면의 품질을 떨어뜨리고 공구를 파손시킬 수 있다. 게다가 일부 난삭재들의 경우 여기에 경도까지 높아 가공 난이도가 매우 높다.

이에 대해 GibbsCAM에서는 사용자가 지정한 일정 간격마다 공구를 도피시키거나 정지(Dwell) 하여 공구가 칩을 자연스럽게 절단하도록 할 수 있다. 현재 일부 공작기계들은 기계 자체적으로 이런 기능을 지원하고 있으나 GibbsCAM은 NC데이터를 통해 이런 움직임을 제어하도록 하기 때문에 거의 모든 기계에 대해 적용할 수 있다.

 주기적으로 공구가 도피했다 다시 접근해 칩을 절단한다.
주기적으로 공구가 도피했다 다시 접근해 칩을 절단한다.

*비절삭제어: 일반적으로 CAM 소프트웨어는 절삭가공을 위한 공구경로를 생성하는 프로그램이다. 하지만 복합가공기를 완벽하게 제어하기 위해 요구되는것이 바로 비절삭제어이다.

복합가공기 내에선 절삭가공중인 공구 뿐만 아니라 많은 요소들이 움직인다. 소재의 유입, 제품을 이동하기 위한 서브스핀들의 이송, 가공이 끝난 제품을 배출하기 위한 파트캐쳐의 이송. 뿐만 아니라 둘 이상의 터렛(또는 공구대, ATC)가 있는 경우 더욱 높은 생산성을 위해 터렛 자체의 위치도 따로 제어해야 한다. 이런 요소들의 위치, 시간, 각도 등을 제어하기 위해선 별도의 제어 공정이 있어야 한다. GibbsCAM에서는 사전에 기계에 탑재된 비절삭제어 기능들을 셋팅해놓고 사용자가 필요할때 이를 선택할 수 있게 한다. 

 좁은 공간에서 가공하기 위해 공구와 서브스핀들 모두 틸팅했다.
좁은 공간에서 가공하기 위해 공구와 서브스핀들 모두 틸팅했다.

*동기화제어: 둘 이상의 터렛 (공구대)가 있는 복합가공기가 있다. 이 경우 단순히 준비할 수 있는 공구가 두배가 되는 것이 아닌 한 제품에 동시에 두가지 가공을 할 수 있게 된다. 또는 한가지 가공을 두 공구에 분배하여 더 높은 생산성을 달성할 수도 있다. 예를 들어 가공해야 하는 홀이 4개라면 한 공구로 2개, 다른 공구로 2개를 가공하는데 이를 동시에 진행할 수 있다. 또는 두 동일한 선삭 인서트를 준비하고 한 황삭 사이클을 두 공구에 분배한 다음 약간의 시간차를 두고 번갈아가며 가공하여 더욱 빠르게 가공할 수 있다. 

 두개의 공구로 가공하는 핀치 터닝 Pinch Turning
두개의 공구로 가공하는 핀치 터닝 Pinch Turning

이러한 절삭가공의 분할 뿐만 아니라 한 공구가 가공을 하는 동안 다른 공구가 예정된 가공 시작점 근처에 대기하고 있다가 지정된 타이밍이 되면 가공을 시작하는 등 비절삭 시간도 최소화 할 수 있다.

이런 제어는 적절하게 활용할 경우 기계가 발휘할 수 있는 최고의 생산성을 낼 수 있다. 하지만 사용자가 공정 흐름과 기계의 구조에 대해 정확하게 인지하고 있지 않은 경우 충돌 가능성이 높아진다. 특히 터렛 (공구대)와 스핀들의 갯수가 증가하고 공정이 길어질 수록 이런 위험이 발생할 확률이 상승하고 실제로 발생했을때 발생하는 비용은 어마어마하다.

GibbsCAM에서는 앞서 설정한 기계의 구조정보, 공구의 정보, 공정의 배열과 시간을 종합적으로 고려하여 발생할 수 있는 위험을 사전에 표시해준다. 그리고 동기화제어를 위한 작업 자체도 공정과 공정간 관계를 기반으로 설정하도록 되어 있기 때문에 사용자가 특정 공정의 작업시간에 대해 세부적으로 파악하지 않아도 된다.

*시뮬레이션: 일반적으로 사용자는 필요한 공구경로를 생성하고 나면 시뮬레이션을 통해 가공경로가 적절하게 생성되었는지, 누락된 부분은 없는지 확인한다. 일반적인 3축 MCT, CNC 선반등에서는 이정도로 충분하다. 하지만 복합가공기에서는 굉장히 많은 요소들이 동시에 움직이기 때문에 이를 확인하는 과정이 꼭 필요하다. 한 터렛이 가공 후 충분히 도피하지 않았는데 다른 터렛이 진입하여 충돌하는 상황은 상상만 해도 끔찍하다.

또한 시뮬레이션 과정에서 기계가 움직이는 모습을 보며 공구의 대기위치나 이동량을 조절하거나 터렛이 한 위치에 장시간 머물러있는것을 발견하고 가능한 공정을 분배하는 등 생산성을 향상시킬 수도 있다.

물론 가공 중 충돌이 발생하거나 공구나 기계 요소가 기계를 벗어나려고 시도하는 (오버트래블) 등의 경우가 발생할때 알람메세지가 출력되기도 한다.

또한 사용자의 상황 변화로 가공에 사용할 기계가 변경될 경우 가장 처음에 설정한 기계를 바꾸기만 하면 모든 공정들이 해당 기계에 대해 적용될 수 있는지 확인을 자동으로 하고 이를 변경된 기계를 기준으로 시뮬레이션 할 수 있다.

*포스트프로세스: CAM의 마지막 과정인 포스트프로세스에서는 앞서 작업한 모든 노력들의 결과물인 NC데이터가 출력된다. 포스트프로세스에는 해당 기계를 위해 미리 셋팅된 포스트를 이용하는데 이것은 굉장히 중요하다. 아무리 시뮬레이션에서 정확하게 확인했다 하더라도 포스트가 정확하지 않으면 의도하지 않은 결과가 발생하게 된다. 따라서 시뮬레이션(CAM 작업)과 포스트, 기계 이 세 요소가 정확하게 맞아야 한다. GibbsCAM의 포스트는 앞서 설정한 기계 데이터와 연동되어 시뮬레이션과 연동되어 사용자가 확인한 대로 데이터가 출력되도록 한다.

다음 기고 안내
사실 복합가공기에 대해 관심을 갖고 복합가공기를 검토하는 사용자는 거의 대부분 이미 공작기계를 보유하고 있을 것이다. 3축 MCT, CNC 선반등의 장비에 대해 사용중인 솔루션이 있을 수도 있고, 심지어 수기로 NC데이터를 작성하여 운영하고 있을 수도 있다. 하지만 새로 도입하는 복합가공기와 기존에 보유하던 장비를 분리해서 운영할 필요는 없다. GibbsCAM은 밀링, 터닝, 밀턴 그 어떤 기계에 대해서도 동일한 인터페이스와 작업방식으로 사용할 수 있도록 되어 있다. 기계가 달라졌다 해서 추가로 필요한 교육이 거의 없다. 이것은 이미 GibbsCAM을 사용하고 있던 사용자나 새롭게 시작하는 사용자들 모두 동일하다. 다음 호에서는 GibbsCAM의 도입 사례를 소개하겠다.

김상재 엔지니어는 쓰리디시스템즈코리아 소프트웨어 사업부 GibbsCAM Application Engineer로서 5축 밀링, 복합가공기 관련 교육 및 기술지원, 컨설팅을 담당하고 있다.
김상재 엔지니어는 쓰리디시스템즈코리아 소프트웨어 사업부 GibbsCAM Application Engineer로서 5축 밀링, 복합가공기 관련 교육 및 기술지원, 컨설팅을 담당하고 있다.

 

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.