AI는 기계 제조 기술을 어떻게 변화시키고 있는가?

제조 분야의 자동화

미세전자공학, 컴퓨터, 자동화의 융합은 제조 기술, 개별 공정, 종합 제조 시스템이라는 세 가지 주요 분야에서 제조 자동화를 가속화했다.

제조 기술의 자동화

컴퓨터 및 네트워크 기술은 컴퓨터 지원 설계(CAD), 컴퓨터 지원 공정 계획(CAPP), 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE), 컴퓨터 지원 제조(CAM), 제품 데이터 관리(PDM), 경영 정보 시스템(MIS), 기업 자원 계획(ERP)을 지원합니다. 이러한 시스템들이 결합되어 제조 정보의 생성 및 처리를 더 빠르고 효율적으로 만들어 줍니다.

제조 공정의 자동화

집적 회로, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 컴퓨터는 개별 기계, 생산 라인 및 전체 시스템을 자동화합니다. 새로운 센서, 비파괴 검사, 물리적 및 화학적 검사, 컴퓨팅, 마이크로전자공학 기술을 통해 온도, 압력, 변위, 응력, 변형률, 진동 및 기타 공정 변수를 실시간으로 측정하고 모니터링합니다. 이러한 기술의 통합을 통해 전자 및 디지털 공정 내 측정, 전산화 검사, 폐쇄 루프 공정 제어, 적응형 제어가 가능해집니다.

제조 시스템의 자동화

CNC 기술, 로봇, 자동화 취급 및 보관 시스템, 자동화 셀은 제조 방식을 개별 기계에서 완전한 시스템으로, 경직된 자동화에서 유연한 자동화로, 단순한 구조에서 복잡한 구조로 변화시켰습니다. 그 결과 형성된 계층 구조에는 CNC 기계, 머시닝 센터(MC), 유연 제조 셀(FMC), 유연 제조 시스템(FMS), 유연 제조 라인(FML)을 포함하며, 궁극적으로는 컴퓨터 통합 제조 시스템(CIMS)과 지능형 제조 시스템(IMS)으로 수렴한다.

이러한 기술들은 생산성, 품질, 유연성 및 다양한 제품에 대한 대응력을 향상시킵니다. 지속적인 개발을 통해 제조업은 더욱 지능화되고, 네트워크화되며, 통합되어 가고 있습니다.

컴퓨터 기술과 유연 생산

제조업은 시장 수요에 따라 움직입니다. 고객이 더욱 다양하고 개인화된 제품을 원함에 따라, 기존의 대량 생산 방식은 점점 더 적합하지 않게 되었습니다. 유연한 제조 방식은 합리적인 비용으로 중소 규모의 로트 단위로 다양한 제품을 고품질이며 효율적으로 자동 생산하기 위해 개발되었습니다.

다품종, 중소량 배치 생산

유연한 시스템은 다양한 제품에 맞게 신속하게 조정할 수 있어, 다양한 수요를 충족시키는 동시에 단일 제품 생산으로 인한 낭비를 줄일 수 있습니다.

기계 가동률 향상 및 비용 절감

자동화는 기계 및 기타 장비를 효율적으로 활용하고 비생산적인 보조 시간을 단축함으로써 생산 비용을 절감합니다.

리드 타임 단축 및 재고 감소

자동화되고 최적화된 프로세스는 생산 주기를 단축시킵니다. 유연한 일정 관리는 재고를 줄이고, 운전자금을 확보하며, 시장 대응력을 향상시킵니다.

더 높은 수준의 자동화와 더 나은 근무 환경

자동화는 노동 강도를 낮추고, 정확하고 반복 가능한 작업을 통해 품질을 안정화하며, 수동 개입을 줄이고, 작업장의 위험을 낮춥니다.

설계와 제조의 통합

CAD/CAM, 유연 생산, 컴퓨터 통합 제조, 동시 엔지니어링(CE), 신속 시제품 제작(RP) 등은 설계와 생산 사이의 전통적인 경계를 허물고 있다.

1. CAD/CAM

CAD/CAM는 설계와 제조를 직접 연결합니다. 엔지니어들은 가상 환경에서 제품을 설계하고 수정하며, 그 결과로 생성된 데이터가 생산 과정을 이끕니다. 이를 통해 설계에서 제조까지의 과정을 단축하고, 오류와 재작업을 줄일 수 있습니다.

2. FMS 및 CIMS

유연하고 컴퓨터와 연동된 시스템은 자동화 및 정보 기술을 통해 가공, 검사, 물류 및 조립 과정을 연결합니다. FMS는 로봇, CNC 기계 및 관련 장비를 활용하여 유연한 생산 체계를 구축합니다. CIMS는 정보 및 관리 기술을 접목하여 기업 전체를 통합합니다.

3. 동시 엔지니어링

병렬 엔지니어링은 설계, 제조 및 테스트를 체계적으로 구성하여 작업이 엄격한 순차적 방식이 아닌 병렬로 진행되도록 함으로써, 제품 개발 기간을 단축하고 시장 출시를 앞당깁니다.

4. 신속 시제품 제작

신속 시제품 제작은 재료를 추가하여 물리적 모형을 제작함으로써, 설계자가 개념을 신속하게 평가하고 테스트할 수 있게 해줍니다. 레이저 절단 및 전기화학 가공과 같은 첨단 비전통적 공정은 기존의 냉간 가공과 열간 가공 간의 경계를 모호하게 만듭니다. 검사, 물류, 조립은 점점 더 하나의 자동화된 정보 시스템으로 통합되고 있습니다.

초정밀 및 초고속 가공

초정밀 가공 기술이 나노미터 단위로 발전함에 따라 고정밀 광학 부품, 마이크로전자기계시스템(MEMS), 반도체 소자의 개발이 가능해졌습니다.

1. 정밀 가공 기술은 적외선에서 가시광선을 거쳐 자외선 및 X선에 이르기까지, 더 짧은 파장의 에너지 원으로 발전하고 있습니다. 파장이 짧을수록 더 높은 에너지를 전달할 수 있어 더욱 정밀한 가공이 가능합니다. 또한 초정밀 가공 기계는 다기능화 및 모듈화 추세를 보이고 있습니다.
2. 사용되는 재료의 범위는 금속에서 세라믹, 플라스틱, 유리로 확대되었습니다. 세라믹은 내마모성과 고온 안정성을 제공하는 반면, 플라스틱과 유리는 다양한 광학 및 전자 분야에 활용됩니다.
3. 초고속 절삭은 절삭 속도를 대폭 높임으로써 효율과 품질을 향상시킵니다. 알루미늄 합금의 절삭 속도는 1,600 m/min을 넘어섰으며, 주철의 경우 약 1,500 m/min에 도달했습니다. 이 방식은 가공이 어려운 합금 및 복합재의 가공성을 향상시키고, 열 손상과 공구 마모를 줄이며, 표면 품질을 개선할 수 있습니다.

고급 생산 모델

첨단 제조는 기술, 인력, 조직을 통합합니다. 첨단 제조의 진정한 가치는 이 세 가지 요소를 조화롭게 연계하고, 제조 공정을 정보 기술 및 현대적인 경영 방식과 결합하는 데 달려 있습니다.

1. 유연하고, 적시 생산 방식이며, 린(Lean) 생산 방식. 유연한 시스템은 제품 간 전환을 신속하게 수행합니다. 적시생산(JIT) 방식은 과잉 재고와 낭비를 줄여주는 반면, 린 생산(LP) 방식은 지속적인 개선과 공정 최적화를 통해 낭비를 제거합니다.
2. 애자일 제조 및 동시 엔지니어링. 애자일 제조는 신속한 대응과 혁신을 중시합니다. 동시 엔지니어링을 통해 설계, 분석, 제조 및 테스트를 동시에 진행할 수 있어, 개념 구상부터 시장 출시까지의 기간을 단축할 수 있습니다.
3. 분산형 네트워크 기반 제조(DNM). 인터넷 및 정보 기술은 서로 다른 지역에 분산된 제조 자원을 연결하여 정보 공유와 협업을 가능하게 함으로써, 효율성과 유연성을 높여줍니다.

정보 기술과 세계화가 진전됨에 따라, 이러한 생산 모델은 제조업체들이 자동화, 지능화 및 연결성을 강화함으로써 경쟁력을 유지할 수 있도록 돕습니다.

AI가 기계 제조업을 어떻게 변화시키고 있는가

인공지능은 인간의 지각과 의사결정 능력을 확장하며, 스마트 제조를 가능하게 하는 핵심 요소입니다. 스마트 제조는 첨단 정보 기술과 지능형 시스템을 활용하여 생산 과정을 자동화하고, 최적화하며, 개선합니다.

1. 전문가 시스템. 공정 계획 시스템은 설계 요구 사항과 가용 자원을 바탕으로 가공 경로를 생성할 수 있습니다. 설계 시스템은 엔지니어에게 권장 사항과 해결 방안을 제시하여 지원합니다. 시험, 제어 및 진단 시스템은 장비를 모니터링하고, 발생하기 시작하는 문제를 파악하며, 공정의 안정성과 제품 품질을 보장합니다.
2. 지능형 CAD/CAM 및 로봇 공학. 통합형 CAD/CAM는 설계부터 생산에 이르기까지 원활한 흐름을 보장합니다. 지능형 로봇이 복잡한 조립 작업을 수행하며, 위험하거나 열악한 환경에서 인력을 대체합니다.

딥러닝, 자연어 처리, 이미지 인식 기술은 현재 제품 설계와 생산 계획부터 품질 관리 및 예측 유지보수에 이르기까지 폭넓게 적용되고 있습니다. AI는 생산성과 품질을 높이고, 비용과 인력 수요를 줄이며, 생산 과정이 개인화된 수요에 더욱 유연하게 대응할 수 있도록 돕습니다. 지속적인 발전을 통해 스마트 팩토리와 지능형 제조가 점차 보편화될 것입니다.