[첨단 헬로티]
요네타니 츠요시(米谷 强) ㈜米谷製作所
동사는 1934년에 목형 제작으로 창업한 금형 전업 메이커이다. 현재는 주조․다이캐스트에 관한 위탁 해석～금형 제작, 시제작 트라이, 양산 투입 후의 애프터서비스까지 종합적으로 사업을 전개하고 있다.
특히 그림 1에 나타낸 자동차 엔진용 알루미늄 주조 부품용 금형에 주력하고 있으며, 다이캐스트는 3,500t까지의 대형에도 대응할 수 있다.
자동차 메이커나 Tier1 부품 메이커에 직접 금형을 납품(직거래), 자동차 메이커에 가까운 존재로서 고도화되는 고객 요구의 해결에 날마다 대응하고 있다.
니가타(新潟)현 가시와자키(柏崎)시에 본사(직원 수 110명)를 두고 있으며, 자동차 관련 기업이 집적한 도카이(東海) 지구에도 중부영업소(아이치(愛知)현 미요시시)가 있어 민첩하게 움직이는 영업 활동을 하고 있다.
금형에 한하지 않고 제조업에 요구되고 있는 기본 요소는 QCD(품질․코스트․납기)이다. 특히 자동차 메이커는 경쟁 각사와 치열한 개발․판매 경쟁을 하고 있으며, 그러한 가운데 금형 메이커에 개발에서 시제작, 양산까지의 품질 확보와 리드타임 단축에 대한 요구는 매우 높다.
물론 저가격도 우선도가 높다. 그러한 고도의 요구에 대응해 가기 위해서는 끊임없는 업무 개선이 필요하다. 그러한 가운데 디지털 기술의 활용은 매우 중요하다는 생각으로, 동사는 금형 업계 중에서도 일찍부터 디지털 기술 도입과 활용을 시작한 역사가 있다.
디지털 기술 활용의 역사
1. 제1 단계 : 모방가공에서 NC 가공으로
주조․다이캐스트 금형은 복잡한 자유곡면 형상을 고정도로 가공하는 것이 요구된다. 1970년대 이전에는 목형 기술자가 수가공한 모델을 모방가공으로 금속에 전사하는 방법이 주를 이루었다.
그러나 작업하는 사람의 기능 차이에 따라 금형마다 치수의 편차가 발생, 고객 공장 측에서 문제가 다발하고 그 대책이 업무의 일부가 되기도 했다.
그래서 1970년대 당시로서는 고가(수억엔)인 3차원 CAD/CAM을 도입하고 모델을 CAD의 3차원 데이터, 모방가공을 CAM으로 작성한 커터패스의 NC 가공으로 전환, 리드타임 단축과 품질 편차 삭감을 실현해 고객 납품 후의 불량을 격감할 수 있었다.
또한 날공구나 공법의 진화에 유연하게 대응하기 위해 2축 CAM의 자사 개발도 했다.
2. 제2 단계 : 풀 3차원 설계․해석의 활용
3차원 CAD/CAM의 활용으로 금형가공 공정에서는 극적인 효과(동사비 최대로 리드타임 1/3, 불량 건수 1/10 이하)가 나올 수 있게 됐다. 금형 설계에서는 오히려 3차원 데이터 작성을 위한 공수가 늘었지만, 후공정 효율화를 위한 공수라고 생각했다.
그리고 일부러 시간을 들여 작성한 3차원 데이터이기 때문에 그것을 금형 제작의 전 공정에서 활용하는 것에 도전했다. 방안 설계에서는 CAE 툴을 활용, 주조에서 유동․응고․열전도, 열응력, 코어 모래의 유동과 부품의 강도해석을 하고, 그 계산 결과를 기초로 실제 생산 시의 불량을 사전에 예측해 수치 기준에 의해 3차원 데이터 상에서 미리 대책을 마련하는 프론트 로딩 방법을 도입했다(그림 2).
또한 어중간한 3차원 설계에서는 2차원 도면과의 병용이 필요하고, 오히려 공수가 증가한다. 따라서 금형의 구성 부품(볼트나 배관 부품 등)까지 모두 포함한 풀 3차원 설계를 실시하고 있다.
그것에 의해 BOM(부품표)의 자동 작성이나 준비한 부품의 키트화(부품의 사전 집약)가 가능해졌다. 또한 금형의 어셈블리 검증(부품 간섭, 조립 순서 등)을 해서 조립 작업 시의 작업성을 향상시킬 수도 있었다.
그리고 재료의 기계에 대한 원터치 세팅이나 절삭 시뮬레이션도 3차원 데이터로 검증, 가공 현장의 작업 효율 향상(지시 명확화, 되돌림 삭감)도 가능해졌다(그림 3). 이들 금형 제작의 모든 공정에서 3차원 데이터를 활용함으로써 금형 제작의 리드타임을 30% 절감할 수 있었다.
3. 제3 단계 : 노하우의 디지털화
지금까지는 3차원 데이터의 활용을 중심으로 한 디지털 기술의 이용을 서술해 왔는데, 금형 제작에서는 3차원 데이터를 작성하기 위한 백 데이터(노하우나 표준서, 작업요령서, 과거의 불량 기록 등)도 중요하다.
그러나 이들 데이터는 종이 베이스(워드프로세서나 표계산 소프트웨어의 데이터 포함)로 PC 서버 상에 존재하고 있는 것만으로는 충분히 활용은 되지 않는다.
필요한 데이터를 탐색하는 것만으로 시간이 소요되고, 탐색하는 것이 귀찮아 기억만으로 작업해 불량이 나오는 경우도 있었다. 따라서 이러한 백 데이터를 통일된 포맷으로 디지털화해 프리 키워드로 필요한 데이터를 순식간에 검색할 수 있는 시스템 ‘iPanel’을 자사 개발했다.
작업용 PC는 2화면 이상으로 하고, 한쪽 편은 CAD/CAM용, 또 다른 한쪽 편은 백 데이터 확인용으로서 항상 최신 정보를 열람하면서 3차원 데이터 작성 등의 금형 생산 준비를 한다. 이것에 의해 설계 품질이 안정화되고, 후공정에 대한 유출 불량이 줄일 수 있었다.
‘낭비 절감’에 대한 디지털 기술의 응용
금형은 완전 수주 생산품으로, 부하 변동에 의해 최적의 공정을 계획하는 것은 쉽지 않다. 그렇기 때문에 기계의 가동률(일을 투입한 시간율)이나 가동률(실제 가공하고 있는 시간율)도 평균하면 그다지 높지는 않다(65～70%).
그러나 자동차 메이커의 높은 QCD 요구나 작업법 개혁을 실현하기 위해서는 회사 전체의 생산성을 향상시켜 갈 필요가 있다. 그러기 위해서는 사람과 사물의 흐름 현황을 파악해 표준 작업․표준 공수를 결정하고, 이상값(낭비)를 찾아내 작업 개선에 의해 전체의 생산성(능률)을 향상시키는 것이 필요하다.
동사에서는 생산성의 연율 10% 향상을 목표로 세우고, TPS(도요타 생산 방식)에서 배운 NYPS(New Yonetani Production System)이라는 활동을 하고 있다. 각 공정의 개선 시책을 실행, 그 개선이 전체의 생산성 향상에 기여하고 있는지를 확인해 폴로해 간다. 그 현상 파악 부분에서 디지털 기술을 활용하고 있다. 그 일부의 사례를 소개한다.
1. 기계 가동 모니터
기계의 가동률은 높지 않다고 앞에서 말했는데, 그 현상 파악을 위해 기계의 가동 상황을 모니터해 로그 수집을 하고 있다(그림 4). 또한 기계의 운전․정지의 스테이터스뿐만 아니라, 기계 오퍼레이터가 간단히 정지 이유를 입력할 수 있게 함으로써 정지 요인을 파레토 분석할 수 있게 하고 있다.
기계의 가동률을 향상시키기 위한 소집단 활동에 의해 표준 작업이나 표준 공수를 결정하고, 이상을 찾아내 개선한다. 그 개선 결과를 감각이 아니라 실제로 수치로 ‘가시화’함으로써 개선의 전진으로 이어진다. 투입하는 일의 종류나 부하 변동도 있고 가동률의 편차는 아직 크지만, 트렌드로서는 개선 방향에 있다.
또한 보틀넥 공정에서는 그 기계의 무인운전이 종료하면 표시등 점멸과 함께 음악이 자동적으로 흐르고, 홈 포지션에 있는 오퍼레이터에게 세팅 전환을 촉구해 가동률을 최대화하는 구조도 있다.
2. 사내 물류 관리
동사는 공장 건물이 6군데에 분산되어 있으므로 사내 물류가 생산성 향상을 저해하는 요인의 하나이다. 운반하는 것은 부품이나 가공용 지그, 날공구가 주된 품목인데, 특히 가공용 지그는 공용으로 빈번하게 공장 간을 이동한다. 사용하고 싶을 때에 어디에 있는지 찾는 경우도 많고, 이것도 기계의 가동률을 저하시키는 요인이었다.
대책으로서 지그에 전용의 QR 코드를 붙이고, 각 공장의 집적 장소에 설치해 둔 QR 코드 리더로 판독할 수 있게 함으로써 지그의 위치 정보를 일원적으로 서버 관리하는 구조를 구축했다(그림 5).
CAM 오퍼레이터가 가공에 필요한 지그를 오더하고, 그것을 어디에서부터 어디까지 이동할지는 공정 관리 소프트웨어의 정보를 기초로 운반자에게 배송 리스트로서 지시한다. 앞으로 사용할 지그는 ‘사용 전 지그 보관소’에 두고, 사용이 끝난 지그는 ‘사용 후 지그 보관소’에 되돌려 놓는다.
또한 오더의 로그를 분석함으로써 자주 사용하는 지그를 어떤 장소에 두면 물류가 효율적이 되는지의 판단이나, 사용하지 않는 지그의 폐기 판단에도 이용할 수 있다. 그리고 운반 업무의 정시 운행의 개선에도 취득한 로그를 활용한다.
3. 금속 적층조형의 활용
금형에 의한 성형 불량은 낭비 그 자체이다. 금형은 양산을 위한 툴로, 그 성능은 제품의 QCD에 직결된다. 따라서 고객 요구에 대응한 금형 설계와 그것을 안정적으로 끌어내는 제조 기술이 필요하다.
주조․다이캐스트 금형은 열교환기의 역할도 있어, 품질 향상과 사이클타임 단축을 위해서는 최적의 냉각회로 설정이 필요하다. 그러나 보통의 기계가공에 의한 냉각 구조는 냉각 능력이 부족한 경우도 있고, 금속 적층조형을 이용한 유연한 냉각 구조를 설계해 실제 양산 금형에 사용해 좋은 결과를 낸 실적도 있다(그림 6).
과제와 앞으로의 전개
이상과 같은 디지털 기술의 활용에 의해 QCD의 수준을 일정 수준까지 높일 수 있었다. 그러나 앞으로 더욱 글로벌화되는 시장 경제 속에서는 일본계 자동차 메이커의 현지화 흐름도 가속되어, 다른 나라 금형 메이커와 경쟁하는 상황이 증가하게 될 것으로 예상된다.
다른 나라 금형 메이커는 일본의 금형 메이커 이상으로 디지털 기술을 적극적으로 활용하고 있다고 들었다. 그러한 회사와 경쟁해 가기 위해서는 디지털화(지능화)를 포함한 생산성 향상으로, 압도적인 QCD를 확보하는 것밖에 살아남을 수 있는 방법은 없다.
문제로 인한 수정으로 가동률이나 양품률이 저하되는 경우도 아직 많다. 장래적으로는 금형 내의 알루미늄 거동을 CAE로 예측하듯이, 공장 내의 문제점도 생산 시뮬레이션으로 사전 검증하는 프론트 로딩 방법의 도입도 필요하다.
단, 디지털 기술이 모든 문제를 해결하는 것은 아니다. 우선은 실제 작업 개선을 하고, 사람이 보다 간편하고 안전하게 작업할 수 있는 표준 작업을 결정한다. 그리고 그 중에서 컴퓨터나 기계로 하는 편이 메리트가 있는 작업을 분리해 대체해 가는 절차가 필요하다. 어디까지나 디지털 기술은 도구이다.
