생산성 향상으로 자동차산업의 혁신을 선도한다
독일의 완성차 기업 아우디가 생산기기의 경량화와 더불어 새로운 세대의 로봇 활용, 스마트형 조명 등을 통해 에너지 효율화 솔루션을 성공적으로 실현했다. 스마트한 공장이 세계 제조업계의 화두로 떠오르는 이 시점에서 아우디의 사례는 차체 제조공정의 로봇 자동화 라인이 추구해야 될 모범사례라 할 수 있다. 이에 본지에서는 아우디의 차체 제조공정 혁신의 이모저모를 살펴봤다.
1 아우디, 생산 효율성 확대 추진
<사진. KR Quantec PA arctic>
독일 및 유럽 최대의 완성차 기업 폴크스바겐(Volkswagen)의 자회사인 아우디(Audi)의 자동화 공정계획부 부장인 니마이어 박사(Dr. Michael Niemeyer)에 따르면, 아우디의 넥카스울름(Neckarsulm) 공장 내 차체 생산에 필요한 전기의 약 60%는 생산공정에서 소비되는데, 이 중 대다수가 로봇과 열 접합 공정에서 소요된다고 한다. 현재 이 공장 내에는 2,000대 이상의 로봇이 투입되어 있다.
아우디는 차체 제조공정상 에너지 효율성 확대를 위해 혁신 시스템을 도입하고, 새로운 공정기술과 컨트롤 방식을 통해 에너지를 체계적으로 절감할 수 있는 방식을 검토해 나가고 있다.
아우디의 자동화자동차 기술 공정계획부의 에너지효율 담당자인 샤흐트 박사(Dr. Michael Schacht)는 “자체적으로 실질적인 생산조건에서 지속적인 테스트를 실시하고 있다”고 밝히며 “이는 점차 생산의 새로운 표준으로 적용돼야 하기 때문”이라고 전했다.
한편 니마이어 부장은 “아우디가 공구의 경량화, 다운사이징, 콤비 컨트롤 시스템 등을 위시한 혁신 시스템을 통해 생산성을 8.3% 향상시키는 데 성공했다”며 “지속적으로 차체 제조 과정상 이와 같은 분야에서 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다”고 평가했다.
2 에너지 효율화를 위한 아우디의 다각적 솔루션
1) 공구의 경량화
아우디는 뵐호프(Boellhoff)의 리벳 접합기기를 사용하는데, 이를 통해 C모양 기기(C-Buegel)의 무게가 철골 프레스 구조를 통해 감소됐다. 이는 기존에 사용되는 모델 대비 약 40㎏가량 가볍다.
2) 로봇기술의 다운사이징(Downsizing)
투입된 공구가 경량화되면서 로봇에 요구되는 페이로드 역시 감소하게 되었으며, 이에 따라 더욱 소형의 로봇이 투입될 수 있게 됐다. 이는 에너지 절감효과 외에도 로봇의 속도를 향상시키는 데도 효과가 있다. 경량의 로봇이 상대적으로 빠른 모션을 취할 수 있기 때문이다.
3) 신로봇 세대교체
아우디는 기존에 사용되던 KUKA의 제조용 로봇 2000시리즈를 KUKA의 새로운 모델 KR Quantec 시리즈로 교체함에 따라 차체 제조에 대한 퍼포먼스를 향상시켰다.
Quantec 시리즈는 도달 거리나 지탱무게가 기존의 모델과 동일하면서도 구조상 보다 슬림하게 설계됐다. KUKA의 이 모델은 이전 모델 대비 무게가 160㎏가량 적게 나가며, 부피 역시 25% 줄어들었다.
KR Quantec 시리즈의 경량 부품은 높은 역동성을 갖고 있으며, 규칙적으로 작동하는 시간이 단축됐음에도 불구하고 기존과 같은 견고함을 갖고 있는 것으로 알려져 있다.
4) 저항용접기기
아우디가 직접 개발한 경량 저항용접기기는 로봇의 엔드 이펙터(End-effector)로 이동될 수 있는 질량을 감소시켰다.
로봇의 암(Arm)은 양쪽에 교대로 구멍이 뚫려 있어 구멍이 중간에 겹치게 돼 있는데, 이를 통해 중간에는 냉각수가 흐르는 관을 통과시킬 수 있다. 아울러 이 용접기기는 견고성은 동일하면서도 기존 기기 대비 30%가량 가볍다.
이 외에도 로봇의 접합점은 이미 구조상의 일부이므로 추가적인 부분품 및 이를 통해 추가로 발생할 수 있는 무게를 절감할 수 있다.
5) 콤비 컨트롤 시스템
자동차 부품기업 Bosch와의 R&D 협력을 통해 구축한 콤비 컨트롤 시스템은 전기 공학적 용접기기와 차단 캐비닛 내 용접 컨트롤을 통합한 시스템이다.
이를 통해 아우디는 2차 컨트롤을 위한 냉각 과정을 생략함으로써 에너지 소비도 절감하게 됐다. 동시에 콤비 컨트롤 시스템은 용접 프로세스를 신속화하고 공간을 축소시키는 효과도 있다.
6) 스마트 조명
공장 내 생산 설비시설이 에러 없이 운영될 경우 설비 조명이 자동적으로 차단되는데, 이는 차체 제조 시 로봇이 작동할 경우 조명이 불필요하기 때문이다. 만일 설비가 에러를 인식하거나 근로자가 설비시설에 발을 디디게 되면, 조명이 자동으로 다시 켜지게 된다.
아우디는 설비시설 조명용으로 LED를 사용하며, 연속 조명 설비에서 타깃 스폿 조명으로 바꿔 설비 시설당 적절한 곳에 필요한 조명만을 설치해 효율성을 높였다.
7) Profienergy 시스템
차체 제조 시 투입되는 용접 또는 리벳 접합기기 등의 공정기기는 최고(Peak) 성능을 갖고 있으며, 비교적 적은 기저 부하(Base Load, 발전 시 시간적 또는 계절적 변동으로 인한, 전 발전부하 중 가장 낮은 경우의 연속적인 수요발전용량)로 충분하나, 전 차체 제조과정을 걸쳐 기저 부하는 총제조 과정상의 부담의 약 1/4에 해당된다.
Profienergy 시스템은 이러한 기저 부하를 감축시키는데, 예를 들면 기계 가동 휴지기간 동안 로봇의 기능 중단이 가능하며, 로봇의 주요 부분 기능이 단계적으로 차단된다.
여기서 계산기 기능은 차단되나, 네트워크 카드는 사인을 받기 위해 일정 부분 대기모드 상태가 된다.
아우디는 이러한 시스템을 생산 공정상 휴지기에 사용하고 있는데, Profienergy 시스템은 교체 또는 휴지기 계획을 구성하며, 이에 따라 로봇은 자동적으로 전원이 차단되고 적시에 다시 로그온된다.
3 아우디의 헝가리 공장, 에너지 효율화로 연간 6,200㎿h의 절감효과 시현
아우디는 현재 헝가리 괴르(Gyoer) 생산공장을 중심으로 기업의 혁신전략의 일부인 에너지 사용의 효율화 방안을 도입했다.
이 공장 내 지하층에는 7개의 발전저장기가 설치돼 있는데, 이는 에너지를 수 초 내에 저장하고 기계 동력으로 전달할 수 있다. 아울러 공기압축기 역시 일반적으로 열 회수 시스템과 함께 작동되며, 압축 과정에서 생성되는 폐열은 다시 열 공급시스템에 저장된다.
헝가리 소재 아우디 공장에는 현재 열회수가 가능한 12개의 압축기가 설치돼 있으며, 이를 통해 연간 6,200㎿h/a에너지절감 효과를 보고 있는데, 이는 1,000개의 피자를 만들 수 있는 에너지 소모량과 맞먹는 규모이다.
4 전망 및 시사점
독일 완성차 기업 아우디는 현재 혁신을 통해 생산공장 내 에너지 효율성을 증진하는 다각적인 방도를 모색해나가 실질적인 응용 단계에 이르렀으며 자동차 업계 내 효율화 트렌드를 선도해 나가고 있다.
최근 들어 독일 자동차 업계 내 경량화나 다운사이징, 로봇 신기술 등을 통한 다양한 에너지 절감 및 생산성 향상을 위한 시도가 보다 활기를 띠는 가운데, 국내 기업 역시 다각적인 생산 효율성 강화에 역량을 집중해 지속되고 있는 경기 불확실성에 대비하고, 날로 치열해지는 자동차 업계 내 생존 경쟁에서 유리한 입지를 확보해 나가야 한다.
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