맞춤형 3D 인쇄

3D 프린터

voxeljet의 3D 인쇄 시스템은 2시간이면 금속 주물 부품을 위한 복잡한 주형과 모형 혹은 맞춤형 영화 세트와 건축 모형까지 무엇이든 만들 수 있다. 3D 프린터가 제공해주는 높은 수준의 정밀도와 전례 없는 디자인의 복잡성 이외에도, 사용자들이 진정으로 인정해주는 기능은 소량 생산, 원형(原型) 및 모델에 대해 얻어지는 엄청난 시간의 절약이다. 이것은 모두 고성능의 B&R 기술을 기반으로 하는 다목적의 통합된 자동화와 제어 솔루션에 의해 지원되며, 이것은 대형 인쇄 작업도 신뢰성과 정밀도를 갖추고 세세한 부분까지 정확히 다루어질 수 있다는 것을 보장한다.

“자동차와 항공 산업 그리고 기계 제조, 조선 및 중공업 분야의 우리의 주된 고객들 이외에도, 점점 더 넓은 범위의 다른 산업계의 새로운 고객들이 3D 인쇄의 잠재력을 발견하고 있다는 점에 주목하고 있습니다.” Voxeljet의 전기 설계 책임자인 Björn Matthes는 설명한다. “이것은 특히 원형과 소량의 제품 및 모델을 신속하게 그리고 특수 공구 없이 생산해야 하는 경우에 적용됩니다. 우리는 당사의 인쇄 서비스 범위를 극단적으로 확장하면서 동시에 실질적으로 모든 크기의 가공물을 다루기 위한 전체 스펙트럼의 장치를 개발함으로써 이러한 동향에 대응해왔습니다.”

세계 최대의 3D 인쇄 시스템
voxeljet에 의해 이용되는 인쇄 기법은 전통적인 잉크젯 프린터에 의해 사용되는 기법과 상당히 유사하다. 차이점은 이 회사의 특별히 개발된 인쇄 헤드는 잉크 대신에 액체 바인더를 사용한다는 점이다. 바인더는 프린터 플랫폼 상의 얇은 입자 코팅 위에 만들어지는 가공물의 형태에 선택적으로 가해진다. voxeljet가 세계 최대의 3D 프린터라고 주장하는 VX4000은 이러한 방식으로 플랫폼 상에 4,000 x 2,000 x 1,000 밀리미터 (길이 x 폭 x 높이) 크기까지의 모래 형태를 계층 별로 구축한다.

voxeljet에 의해 in 2009년에 최초로 생산된 VX4000은 인치 당 300 도트(dot)의 해상도와 300 미크론의 두께로 단 75초 만에 각 층을 인쇄한다. 넓은 플랫폼은 VX4000으로 하여금 대형 개별 구성품이나 여러 개의 소형 부품을 동시에 생산할 수 있도록 한다. 이 기계는 CAD 데이터를 직접 이용함으로써 가장 작은 세부까지 정확도를 보장한다.

프린터의 소프트웨어는 3D CAD 모델을 가상 작업 공간에 놓고 그것을 인쇄 계층으로 분해한다. 관련된 많은 양의 데이터를 처리하기 위해, voxeljet 시스템은 데이터의 보유를 위해 SSD 시스템 디스크와 추가로 적어도 1 테라바이트의 저장 용량을 갖는 하드 디스크를 포함하는 산업용 PC를 이용한다.

세계 최대의 3D 프린터는 대형 프린트 쳄버를 포함한다.

비교할 수 없는 완벽한 제품 포트폴리오
“VX4000 이전에 당사에서 제작한 모든 3D 프린터에서, PC는 또한 CAN 버스 연결을 통해 전체 시스템을 제어하는 책임도 있었습니다.” Matthes는 말한다. VX4000을 개발함에 있어서, voxeljet는 제어 구조를 단순화하고 PC로부터 일부 부담을 덜어주기 위해 추가적인 수준의 추상화를 도입하였다. 회사는 또한 프린터 헤드와 입자 리코터가 장착되는 2개의 포털 시스템을 구동하기 위한 갠트리 시스템도 개발해야 하였다.

“다른 공급자들이 드라이브 시스템의 생산에 관여하는 경우에 잘못된 소통과 불명확한 책임으로 인해 문제가 발생할 수 있다는 것을 우리는 경험으로부터 배웠습니다.” Matthes는 설명한다. “바로 그러한 이유로 우리 회사는 기어로부터 제어 시스템과 HMI에 이르기까지 전체 자동화 시스템을 다룰 수 있는 동반자를 찾게 되었습니다.” Matthes는 voxeljet 회사가 확실한 선호도를 가지고 선정 과정을 신속히 완료할 수 있었음을 설명하였다. “통합 안전 및 보편적 개발과 설정 툴을 포함하는 B&R의 빈틈 없는 포트폴리오를 보고 우리는 완벽한 동반자를 만났다는 것을 실제로 확신하였습니다. B&R 시스템은 우리에게 필요한 모든 것을 제공할 뿐만 아니라 장래의 혁신을 위한 충분한 여지까지도 제공합니다.”

이 결정은 B&R의 애플리케이션 엔지니어들과의 회의에서 계약으로 체결되었고, 여기에서 voxeljet는 직접적으로 B&R 기술을 이용하면 얼마나 용이하게 갠트리 시스템을 구축할 수 있는지를 확인할 수 있었다.

유연한 구조
PC를 제외한 모든 것에 대해 B&R 기술을 이용하는 VX4000을 위한 자동화 솔루션에서, B&R의 X20 시리즈로부터의 PLC는 모션 컨트롤러 기능을 수행한다. PC에 의해 생성된 이동 명령은 표준 이더넷을 통해 CPU 모듈에 전송되고, 명령은 대응되는 모터 구동으로 전환된다. 갠트리 시스템의 2개 포털의 Z 축을 제어하는 4개의 서보 모터 이외에도, VX4000은 부분적으로 동기화된 최대 8대까지의 다른 서보 모터를 (2 x X1 및 2 x X2) 사용한다.

Voxeljet는 구조를 유연하게 유지하고, 장래의 요건에 신속히 대응하고, 재고를 최적화하기 위해 배타적으로 서보 모터를 사용한다. 모든 모터는 ACOPOSmulti 드라이브에 의해 동력이 제공되고, 이것은 POWERLINK를 통해 컨트롤러와 통신한다. 이들 드라이브는 단지 모션 제어에만 이용되는 것이 아니다. 이들은 프린트 헤드 (Y) 이동과 리코터의 충전과 같이 인쇄와 직접 관련된 태스크를 조절하는 낮은 수준의 기능의 시퀀스를 조정하는 데도 이용된다.

“이러한 구조를 이용하여 제작된 VX4000 원형은, 당사의 서비스센터에서 여전히 효율적으로 신뢰성 있게 작동되고 있습니다.” Matthes는 말한다. “물론 구조는 그 이후 지속적으로 발전해왔습니다.”

voxeljet의 신형 VX2000의 운전원 터미널

openSAFETY를 이용하는 손쉬운 설정
자동화 솔루션은 이제 안전 토크 꺼짐(STO) 및 안전 제한 속도(SLS) 안전 기능을 통합한다. 두 가지 기능 모두 voxeljet 개발자들에 의해 구현되었고, 통합된 SafeMOTION 안전 기술과 X20 시스템으로부터의 Safe I/O 모듈과 함께 ACOPOSmulti 인버터 모듈이 사용되었다. “길이가 20 미터, 폭이 7 미터나 되는 프린터의 큰 치수에도 불구하고, 서비스와 셋업은 오히려 훨씬 더 용이합니다. 작동 가능 스위치를 누르고 있을 필요 없이 인원이 프린터 내부에서 안전하게 이동하고 프로세스를 감시할 수 있기 때문입니다.” Matthes는 말한다. “openSAFETY 통신 프로토콜 덕분에 안전 기능을 통합하기 위해 필요한 하드웨어와 시간은 최소화되었습니다.”

시스템은 입출력 모듈을 두 부분으로 분리시켜 설계되었다. 안전 입출력 채널들은 직접 CPU에 연결되어 있는 반면에, 비안전 입출력 채널들은 POWERLINK를 통해 격리되어 있다. 원래 이러한 분리는 존재하지 않았다. “채널을 분리시킴으로써, 시스템의 확장을 용이하게 만들었습니다. 또 하나의 보너스는 안전 관련 영역에 영향을 미치지 않고 표준 슬라이스에 대한 전원 공급을 분리할 수 있다는 점이다.” Matthes는 설명을 계속한다. Automation Studio는 voxeljet를 위한 몇 가지 명확한 편익을 제공한다. 이것은 제어 소프트웨어, HMI 및 안전 기능을 포함하는 전체 범위의 B&R 자동화 구성요소들을 통합하는 단일 툴을 제공한다. 광범위한 진단 기능은 소프트웨어의 분석과 오류의 문제 해결을 훨씬 더 용이하게 한다. 특히 가치 있는 것은 엔지니어링 환경의 명확한 구성과 통합된 EPLAN 인터페이스 덕분에 가능한 하드웨어 구성을 동기화할 수 있는 능력이다. voxeljet로부터의 모든 새로운 자동화 프로젝트는 Automation Studio 4를 이용하여 작성되었다.

가상 마스터 축에 의해 단순화된 재사용
통합된 안전 기능 이외에도, voxeljet는 이후에 가상 축의 개념을 시스템 구조에 통합하였다. 현재 모든 마스터 축은 가상 축으로 구현된다. voxeljet에게 있어서 이것은 제어 소프트웨어를 개발할 때 어느 드라이브가 나중에 특정 축에 연결되는지 혹은 축들이 어떻게 함께 작동하는지가 문제가 되지 않는다는 것을 의미한다. “이것은 사용자로 하여금 시스템이 완성되기 전에도 드라이브 하드웨어를 시뮬레이션하고 자동화 솔루션을 시험할 수 있도록 합니다.” Matthes는 설명한다. “더 중요한 것은, 가상 축을 이용하면 다른 시스템에 대해 자동화 구조를 재사용하는 것이 훨씬 더 용이해집니다.”

Matthes의 설명은 경험으로부터 비롯된 것이다. voxeljet는 이미 B&R 기반의 자동화 솔루션을 최소한의 수정과 함께 그의 VX2000에 이미 재사용하였다.

“우리는 이 기술과 다른 기술들을 도입할 때 B&R로부터 훌륭한 지원을 제공받았습니다,” Matthes는 말한다. “바로 최초의 훈련 세션에서, B&R은 모든 것이 올바로 구현되었음을 확인하기 위해 실제로 처음부터 끝까지 아이디어를 생각한다는 것이 명확하였습니다. B&R의 지원 수준은 탁월하였으며 질문에 신속히 답변하고 우리의 공학적 기술을 개발하는 데 여러 번 도움이 되었습니다.”

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B&R 코리아에서 고객님들께 제공하는 기술 매거진 오토모션(automotion) 한국어판 에디터입니다. 자동화, 모션, 에너지 관련 최신 기술, 신제품, 적용사례 등의 기사와 B&R의 국내외 뉴스를 한국어로 제공합니다.
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