헥사곤 Smart Assembly Shop: 물리적 세계와 제조 가상 세계를 연결

자동차 OEM 및 공급업체는 제품 개발, 출시 비용 및 시간을 줄여야 한다는 지속적인 압력을 받고 있습니다. 프로토타입 및 출시 차량에 사용되는 기본적인 접근 방식의 근본적인 변화를 일으킬 수 있는 인더스트리 4.0으로의 전환을 돕는 기술이 등장하고 있습니다. 이 제조 공정의 디지털 트윈 개념은 헥사곤이 Smart Assembly Shop(SAS)이라고 부르는 것입니다.

헥사곤은 스캐닝 및 계측, CAD 형상화, 중력 보상, 다중 물리 프로세스 시뮬레이션 및 품질 데이터 관리를 포함한 여러 솔루션을 통합하여 엔지니어링 팀이 제조 프로세스의 총체적 효과를 상세히 평가하고, 첫 번째 공구를 절단하기 전에 그리고 비준수가 관찰된 후에 문제를 완화하기 위한 조치를 취할 수 있는 플랫폼을 만들었습니다.

소개

모든 자동차 차체 및 섀시 구조물은 엄격한 치수 사양에 따라 생산됩니다. 어셈블리의 다른 구성품과 정렬하거나 소비자의 육안 검사(일반적으로 "플러시 및 갭"이라고 함)를 통과하기 위해서는 핵심 피처를 올바르게 배치해야 합니다. 지난 100년 이상 사용된 전통적인 방법론은 각 개별(세부) 구성품을 공칭에 최대한 가깝게 스탬핑하거나 생산하는 것이었습니다. 이어서 다양한 스탬핑, 캐스팅 및 압출물을 스폿 용접 또는 기타 접합 기술을 사용하여 하위 어셈블리로 접합하고 다시 공칭을 맞추는 시도를 합니다.

이 공정은 최종적으로 완성된 어셈블리, 또는 가장 복잡한 예시라고 할 수 있는 완전한 차체 어셈블리가 될 때까지 스테이션마다 하위 어셈블리 결합을 반복할 것입니다. 그러나 이러한 접근법의 문제는 스탬핑된 구성 요소 제각기 공칭치를 약간씩 벗어나고 조립 공정의 각 단계가 치수 변화에 추가적인 영향을 준다는 점입니다.

또한 개별 세부 구성품 적합성을 달성한다는 것이 반드시 어셈블리가 사양을 충족함을 보장하지는 않습니다. 스테이션을 지날수록 치수 편차가 정격에서 달라지고, 이러한 변동의 근본 원인을 식별하는 것이 점점 더 어려워집니다. 또한 각 제조 단계에서 일어나는 공정 변동의 영향을 고려해야 합니다. 이러한 영향은 이미 예전부터 알려져 있고 시각화되어 왔지만, 문제의 복잡한 특성을 적절하게 해결할 수 있는 솔루션은 없었습니다. 엔지니어들은 원하는 결과를 달성하기 위해 직관이나 집단적 지식, 시행착오에 의존하는 수밖에 없었습니다.

그림 1. 용접된 자동차 차체 측면의 브레이크아웃 어셈블리.

제품 개발 및 출시 프로세스에서 소요되는 비용과 시간을 크게 줄이기 위해서는 최종 어셈블리의 치수 적합성을 달성하는 데 필요한 물리적 프로토타입 및 반복 횟수와 고정 장치의 수량 및 복잡성을 최소화해야 합니다. SAS 솔루션의 두 가지 기본 원리는 Virtual Check Fixture(VCF) 및 Virtual Assembly(VA) 이 두 가지입니다.

Smart Assembly Shop - Virtual Assembly

Virtual Assembly 프로세스는 Virtual Check Fixture처럼 여러 시스템과 원리를 활용하는 유사한 워크플로우입니다. SAS Virtual Assembly 워크플로우는 어셈블리 프로세스가 라인을 따라 진행됨에 따라 여러 개별 구성품 및 하위 어셈블리를 물리적으로 고정, 클램핑 및 결합하여 연속적으로 더 큰 어셈블리로 만드는 단계에 중점을 둡니다. 목표는 워크플로우에 들어가는 치수적으로 공칭에서 벗어난 구성품의 현실을 고려하면서 다중 물리학 클램핑, 용접 및 접합 공정 시뮬레이션을 통해 조립 공정의 거동을 예측하는 것입니다.

Virtual Assembly 프로세스의 결과는 제조 공정을 효율적으로 평가 가능하다는 점으로, 엔지니어는 제품 개발 주기에서 훨씬 더 일찍 어셈블리 거동을 신속하게 평가할 수 있습니다. Virtual Assembly 워크플로우를 디지털화하면 다음과 같은 여러 이점을 얻을 수 있습니다.

• 신제품 개발 및 출시일 단축
• 물리적 프로토타입 제작에 필요한 비용과 노력을 줄이고 잠재적으로 제거
• 제품 개발 주기 초기에 설계 및 제조 공정에 대한 신뢰도 향상
• 제품 개발 주기 초기에 필요한 설계 및 공정 변경 사항을 식별할 수 있는 능력
  
  

 그림 2: Virtual Check Fixture 워크플로우

Virtual Assembly 워크플로의 예는 그림 3에 나와 있습니다. 이 케이스는 CAD/PLM/엔터프라이즈 소프트웨어 시스템에서 플랫폼으로 흐르는 구성품/설치, 계측 스키마 및 프로세스 데이터를 포함한 여러 비정격 지오메트리가 워크플로우에 입력되는 것에서부터 시작합니다. 이 데이터는 물리적 조립 공정의 디지털 버전을 생성합니다. 가상 프로세스는 물리적 프로세스를 최대한 근접하게 반영해야 합니다.

부품의 기하학적 표현은 CAD에서 직접 공칭 지오메트리를 기반으로 할 수 있습니다. 또한 계측 스캔 데이터(STL)를 활용하여 위에서 설명한 바와 같이 지오메트리 모핑을 수행하여 Virtual Assembly 모델에서 비공칭 지오메트리 표현을 얻을 수 있습니다. Virtual Assembly 프로세스 시뮬레이션 모듈은 금속 성형, 트리밍, 접착제 도포, 클램핑, 기계적 접합, 용접, 접합 등을 포함하는 제조 프로세스의 각 단계에서 개별 프로세스 시뮬레이션을 실행합니다.

그림 3: Virtual Assembly 워크플로우

각 단계의 결과는 점차적으로 후속 단계로 통합되어 점점 더 큰 어셈블리로 결합됩니다. 각 조립 단계 후 시뮬레이션 결과는 생산 중에 적용되는 것과 마찬가지로 기준점 시스템(RPS)과 같은 계측 스키마를 적용하여 평가됩니다. 이러한 결과를 바탕으로 엔지니어링 팀은 클램핑 및 고정 접근법 수정, 용접/조립 공정 수정, 용접 순서 수정, 이전 스테이션 구성 수정 또는 개별 구성품 형상 수정 등 다양한 수단으로 공정을 개선/최적화하기 위한 단계를 취할 수 있습니다.

설계된 유연성

Virtual Check Fixture 및 Virtual Assembly 워크플로우는 유연하게 설계되었습니다. 이 솔루션은 다양한 사용 사례를 염두에 두고 개발되었기 때문입니다. 선택 및 설정을 단순화하는 템플릿화된 워크플로를 선택하여 소프트웨어를 사용하는 방법을 결정하는 것은 사용자와 팀에게 달려 있습니다. 그림 4는 사용자가 원하는 공정 설정을 정의하는 데 할 수 있는 여러 선택을 보여줍니다.

그림 4: SAS 입력

SAS 사용자가 이 솔루션으로 완성할 수 있는 잠재적인 사용 사례는 많이 있습니다. 다음은 고객을 통해 확인한 몇 가지 사용 사례/연구 사례입니다.

• 설계 및 제조 공정 간의 상호 작용 평가: 클램프, 고정 장치, 용접 위치, 용접 순서 등의 조합이 어셈블리의 대규모 변형에 어떤 영향을 미치는가?
• 공정에서 비공칭 형상의 영향 이해: 부품 또는 하위 어셈블리 지오메트리가 공칭 지오메트리와 다를 때 프로세스는 어떻게 다르게 작동하는가?
• 부품 및 하위 어셈블리의 가상 점검 고정 수행: 비공칭 부품 및 하위 어셈블리는 개별적으로 또는 다른 부품과 함께 사용할 때 어떻게 검사 고정 장치에 맞아들어가는가?
• 고정 장치 견고성/안정성 평가 수행: 고정 장치에 부품을 클램핑하는 과정은 얼마나 반복 가능한가? 부품이 매번 동일한 위치에 정착하는가?
• 가상 계측을 수행하여 치수 공차에 미치는 영향 이해: 도량형 또는 치수 관리 계획과 관련하여 위에서 설명한 연구가 미치는 영향은 무엇인가?

계측 강화 시뮬레이션 솔루션

계측 하드웨어, 소프트웨어, 공정 시뮬레이션 및 품질 데이터 관리를 결합하여 일관된 목적에 맞게 제작된 솔루션으로 엔지니어가 생산 환경에서 이러한 고급 분석을 효율적이고 효과적으로 할 수 있는 간소화된 워크플로우를 제공합니다. 통합 솔루션은 여러 개별 기술을 연결하여 Smart Assembly Shop 프로세스를 지원합니다. 프로세스의 다양한 단계를 통해 데이터를 관리하여 대량의 스캔 데이터, 계측 데이터, 어셈블리 정보 및 시뮬레이션 결과를 효율적으로 처리할 수 있습니다. 플랫폼에서는 워크플로우의 다양한 단계를 통해 많은 구성 요소를 대상으로도 이를 수행할 수 있습니다. 그 결과, 엔지니어는 소프트웨어를 작동시키려고 노력하는 대신 데이터를 신속하게 분석하고 결과를 해석할 수 있습니다.

통합 솔루션을 사용하는 엔지니어는 원치 않는 행동의 원인을 효율적으로 추론하고 이를 완화하기 위한 최적의 접근법을 식별할 수 있습니다. 스크립팅된 소프트웨어 인터페이스는 대규모 자동화 실험 설계(DoE) 및 최적화를 추진할 수 있으므로 엔지니어는 인간 상호작용 없이 클램핑, 고정, 용접 시퀀스 및 기타 많은 지오메트리 및 공정 입력의 많은 잠재적 조합을 평가할 수 있습니다. 마지막으로 통합 솔루션을 통해 조직 내 제각기 다른 역할을 맡고 있는 다양한 이해관계자가 가상 및 물리적 품질 데이터와 상호 작용하고 치수 품질의 원인에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.

결론

헥사곤의 Smart Assembly Shop은 여러 첨단 기술을 결합하여 업계의 제품 개발 및 출시 방식을 크게 개선할 수 있습니다. 이 솔루션은 프로토타입 공정을 가상으로 평가하여 설계 및 제조 공정 개발 루프를 줄이는 데 도움을 줄 것입니다. 이러한 방식으로 설계를 시작부터 생산 승인 프로세스까지 수행하는 데 필요한 비용과 시간을 크게 줄일 수 있습니다.