ICT기술 이용한 지능형 사출성형 시스템

[산업일보]
사출성형(射出成形)은 가열해 녹은 플라스틱 등 각종 재료를 원하는 모양을 가진 금속 거푸집(금형) 속으로 사출(쏟아부음)시킨 후 굳혀 성형품을 만드는 대량생산 방법으로 자동차 부품에서 스마트폰용 정밀 초소형렌즈의 제조에 두루 사용된다.

이처럼 과거 3D(Dirty, Difficult, Dangerous) 산업으로 분류되던 사출⁃조립 산업이 정보통신기술과 융합함으로써 스마트 산업으로 성장하고 있다.



미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택) 첨단생산장비연구본부 송준엽 박사팀은 금형 내부에 빌트인 센서(BIS)1)를 달아 온도, 압력 등의 데이터를 직접 측정, 분석하는 똑똑한 사출성형 시스템을 개발했다. 스마트폰용 초정밀 렌즈처럼 마이크로 수준의 매우 정밀한 품질을 요구하면서, 모델변경이 빠른 사출제품들의 생산성 향상 및 비용절감이 가능해 질 전망이다.

송 박사팀이 개발한 사출성형 시스템은 중소기업인 ㈜엔투에이, ㈜신명정보통신에 기술 이전돼 스마트폰용 렌즈 모듈 생산에 사용되고 있다.

렌즈 12개를 동시에 생산하는 방사형 금형 속에 설치된 빌트인 센서는 금형과 사출 성형기의 상태를 모니터링, 분석해 공정 상태를 진단하고 형상 오차를 예측한다. 또한 시스템의 이상 유무를 직접 진단할 수 있고 생산자가 공정 과정을 스마트폰 등으로 원격 모니터링 할 수 있는 스마트 공장시스템으로 구현됐다.

종전에는 금형 내부 조건을 알기 어려워, 경험이나 추정치에 의존하는 바람에 불량률이 높아 생산수율이 낮았다.



이번 기술개발로 스마트폰용 렌즈 생산 수율3)을 기존의 60%~70%에서 90% 수준으로 약 20%p 이상 향상시킬 수 있다. 스마트폰용 렌즈를 생산할 때 전체 사출물 중 렌즈가 차지하는 소재 량이 10% 정도라는 점을 감안하면 원재료 절감효과는 200% 수준이다.
전 세계 8메가픽셀(Mega Pixel) 이상의 고해상도 카메라 모듈 생산량은 3.8억대(2015년 기준)4)이다. 현재 생산량 기준으로 이 개발기술을 활용한다면 소재 절감 1,233억원, 금형교체로 인한 손실 및 금형제작비 절감 199억원 등 연간 1,432억원 규모의 비용절감 효과를 기대할 수 있다.

연구책임자인 송준엽 박사는 “뿌리산업 중의 하나인 사출․조립 산업은 다른 산업과 비교해 영세한 편이며 작업자의 경험에 의존하는 측면이 강했다”며 “이번에 개발된 기술은 기계(사출금형)기술에 정보통신기술과 재료기술, 메카트로닉스 기술을 융합시킨 ‘생각하고, 진화하는 생산기술’, 즉 스마트 공장기술”이라고 밝혔다.

㈜엔투에이의 김풍전 대표는 “기계연과의 협력으로 우수한 기술력을 확보했으며, 시뮬레이션에 의해서 추정할 수밖에 없었던 금형 내부의 상태를 파악하고, 노하우 등을 데이터화 할 수 있어 획기적인 비용절감과 금형제작 일정 단축 등 경쟁력을 확보할 수 있었다”고 말했다.

이 기술은 연구사업 진행 중에 초정밀 금형 및 ICT 솔루션(센서노드, 프로세서 등) 상품화로 단기간에 34억원의 매출(정부출연금 대비 67%)을 창출했고, 타 산업에도 적용이 용이할 것으로 전망되는 등 창조경제 우수 사례로 화제가 됐다.

빌트인센서 기반 사출성형 시스템 기술

대표적인 뿌리산업인 플라스틱 초정밀 사출공정에 최첨단 IT 기술을 융합시켜 마이크로부품 생산을 위한 중소제조업의 경쟁력을 높이고, 더 나아가 이들 부품을 활용하는 스마트폰 등과 같은 IT 기기, 가전, 자동차 등 관련 산업의 경쟁력을 확보가 가능한 IT 융합 기술이다.

외부 상황변화(예, 제품의 제원변화) 및 내부 상황변화(예, 생산기계 및 설비의 작동 상태뿐만 아니라 공정조건 및 가공 영향인자 등)를 스스로 인지 보정하고 타 기계/설비와의 대화 및 최적의 의사결정 기능을 수행하며, 이러한 지식을 축적하고 학습하는 생산기계와 설비 및 이를 통합하고 관리하는 BIS (Built-In Sensor) 기반의 자율지능형 시스템이다.


스마트폰 카메라용 초소형 사출렌즈를 생산하는 사출성형시스템을 대상으로 한다. 센서가 내장된 Built-In Sensor 금형으로 부터 각 캐비티의 온도/압력 정보와 사출성형기 자체로 부터의 정보를 획득해 지금까지 블랙박스로 돼있던 금형 내부의 실제 정보를 획득해 최적 사출성형 조건 도출, 최적 렌즈모듈 조합 도출, 시스템고장 예지진단, 유무선 원격 모니터링 기능으로 신속대응이 가능한 지능형 사출성형 시스템 및 핵심 요소기술을 개발 하는데 성공한 사례다.