·도장로봇이 적용되는 과정
자동차의 도장과정에 있어 로봇은 쇳덩어리 차체를 도장이 잘 되도록 닦아주는 전처리 과정과 모든 차체 부위를 페인트 통에 담궈 베이스를 만들어주는 전착도장(Dipping)이 끝난 후에 본격적으로 사용된다.
이때 전기를 사용한다고 해서 전착(電着)이라는 말이 붙는다.
이후로 초벌이라 할 수 있는 기본 컬러를 베이스로 깔아주는 프라임(Prime) 과정과 본격적으로 컬러를 입히는 과정을 거친 후 색 바램을 방지하거나 광을 내기 위한 클리어 과정으로 마무리된다.
로봇이 사용되는 총 3단계에서 그 수를 살펴보면 프라임에서 6대, 컬러 도착에 8대, 클리어에 6대로 총 20대가 사용된다. 여기에 내부 도장 등에까지 로봇을 사용해 자동화를 구축한다고 해도 최대 30여대 정도가 될 뿐이다.
·도장 로봇에서 자동차 표면에 대한 균일 도장 알고리즘
로봇은 자동차 산업에서 분무 도장(Spray Painting)을 위해 널리 사용되고 있다. 도장 전문가들은 전형적으로 로봇을 수동으로 프로그래밍하고 그들의 경험에 기초하여 도장영역에 대한 경로를 생성한다.
새로운 자동차 모델의 경우, 완전한 경로 궤적을 계획하는 데 종종 3∼5개월이 소요되고, 이러한 장기간의 프로그래밍 시간은 새로운 자동차를 시장에 출시하기 위해 개념설계에서 고객에 도달하기까지 걸리는 시간에서 결정적인 병목 지점이 되고 있다.
경로 계획의 자동화는 도장 전문가에게 유효한 경로에 대한 합리적인 가이드라인을 제시하여 이러한 프로그래밍 시간을 줄이게 도와줄 수 있다.
더구나 경로 계획 자동화는 사이클 시간(Cycle Time)을 최소화하고 페인트 낭비를 감소시켜서 도장 전문가가 좀 더 효율적인 도장 시스템을 만드는데 도움주고 있다.
따라서 간단한 표면에 대해 로봇의 분무 도장 출력 특성을 최적화하기 위해 자동화된 말단 장치(End-effector)의 경로 생성을 위한 절차가 개발되기도 했다.
이 같은 방법은 CNC 가공이나 뼈를 깎는 수술(Bone Shaving) 등과 같이 일반적인 재료의 제거나 증착(Deposition)에 적용될 수도 있다.
조선 산업의 도장로봇 어플리케이션
·조선분야의 국내 도장로봇 동향
조선 산업이 기술집약적인 산업임은 이미 널리 알려진 사실이며, 이를 극복하기 위한 수단으로서 용접과 가공 및 물류의 자동화 측면에서는 많은 연구가 이루어져 실용화되고 있는 부분들이 다수이지만, 3D 작업의 대표적인 예라고 할 수 있는 도장부분의 자동화에 대해서는 국내 조선업계의 실적인 미미한 상황이다.
국내 도장자동화 기술 중 하드웨어 제작 및 제어분야에서는 용접자동화와 함께 실용화 연구결과가 나오고 있으나, 도장작업의 자동화 및 고품질 그리고 생산성 향상 관점에서는 상당히 낙후되어 있고, 현재 제조업에서 활용중인 대부분의 도장 자동화 기술은 기술제휴에 의한 것이 많다.
특히, 조선 분야에서는 기술개발 실적이 미미하며, 숙련자 확보의 어려움과 생산성 향상을 제고하면 밀폐블록을 포함한 도장자동화 시스템 제작 및 설계에 대한 자체 기술을 현장에 적용하기 위한 연구개발이 시급한 실정이다.
밀폐 블록 도장시스템을 자동화하기 위해서는 기계 및 전기전자기술을 통합한 메카트로닉스 기술도 필요하지만, 도장과 관련된 도장기술 자체에 대한 연구도 필요로 하며, 초기기술개발 비용에 대한 부담감으로 인하여 단위 연구소 혹은 국내기업 등에서는 개발 실적이 미미한 상태다.
특히, 밀폐블록 도장로봇 기술은 단위 자동화 기술이 아니라 환경인식을 포함하여 여러 보조 장치 및 도장 지원기술이 복합된 종합자동화 시스템이므로 초기 개발비용이 많이 요구된다.
이로 인하여 밀폐블록 도장자동화 기술이 개발되지 못하였으며, 현재 저변기술도 미흡하다.
국내의 각 산업별 로봇 시장규모가 선진국 수준에 훨씬 못 미치기 때문에 로봇을 개발한 후의 제작 및 상품화가 어려운 실정이고, 일부 업체에서 현장의 수요에 따라 외국기술을 제휴하여 공급하고 있다.
또한 현재 국내 조선소의 경우, 경험에 의한 도료별 도장 방법을 적용하고 있어 기술전수 및 DB가 부족한 실정이고, 이로 인해 품질 및 생산성 향상이 어려운 상황이다.
국내에서는 공압식을 이용하여 페인트를 토출하는 도장용 스프레이 펌프를 만드는 회사는 여러 업체가 있지만, 이러 제품들은 흔히 에어리스 펌프(airless pump)라고 말하며, 도료를 혼합한 후 그 도료를 무화시켜 도장하게 되는 일반적인 장비이다.
그러나 기존의 이런 장비들은 도료 혼합 오작으로 생기는 손실 및 사용 후 남은 혼합도료의 폐기 등으로 발생하는 문제 등을 해결하지 못하므로 국내 Y社 등에서 선진국 모델을 모방하여 일반산업용 및 건축용 시장에 출시하고 있으나, 배합비율의 오차 및 고압 스프레이 사용시 압력 불균일로 인한 도장불량 등으로 생산성이 저하되어 보급 단계에서 더 이상 기술개발 진전이 없이 주춤하고 있는 실정이다.
·선진국의 기술개발 동향
국외의 경우 선박 건조에 있어서 큰 비중을 차지하는 도장 공정 시수, 조선인력 특히 도장 숙련자의 고령화 및 3D 기피로 인한 신규인력 수급의 어려움, 도장 영역 특히 밀폐블록 내부 도장영역의 증가 등으로 인하여 도장비용 절감, 도장품질의 안정화, 도장작업자 환경 개선 등으로 위하여 스프레이 도장 자동화 시스템 개발을 지속적으로 추진하고 있는 추세이다.
1980년대 중반부터 일본과 미국을 중심으로 벽면 이동방식과 기둥승강방식을 활용하여 주로 외벽 및 개방형 탱크내벽 도장 자동화기술 위주로 개발되어 왔으며, 1990년대 이후로 이중선체 구조 수요증대 등으로 인하여 밀폐블록 내부도장 자동화시스템에 대한 개발이 증가하고 있다.
Urakami Research & Development Co.에서는 전/후처리 작업을 수행하며 외벽주행이 가능한 진공흡착방식의 로봇시스템을 개발하였으며, 현재 외벽연마 작업 및 검사작업도 가능하다.
또한 Nakata Mac Corporation Co. LTD에서 개발한 Nacosu 도장로봇은 원주 승강방식으로 개방형 블록 내부까지 도장이 가능한 형태로 개발되어 왔다.
일본의 경우 도장분야에서 새로운 로봇 및 지능화 제어시스템 개발을 통해 생산력 및 품질개선에 경쟁력을 확보하고 VLCC 전용 블록내부 도장로봇이 개발되어 초기 적용단계에 있다.
이 자동화 시스템은 레일형의 플레이서(Placer)에 탑재된 6축 로봇이 도장작업을 수행하여 이 메커니즘도 액세스 홀(Access Hole)이 존재하는 경우에만 활용이 가능하다.
·도장 자동화 기술과 전처리 및 후공정 자동화 기술개발 활발
우리나라는 현재 세계 최대의 조선국가로 떠올랐다.
하지만 일본과 중국으로부터 맹추격을 받고 있는 상황이다.
국제경쟁력을 지속적으로 강화해 나가기 위해 고부가가치 기술인 선체블록 내부 도장작업 자동화 우수기술 확보는 필수적이다.
그러나 조선업계에서 고민거리 중의 하나가 선체블록 내부 도장작업으로 꼽히며 어려움을 호소하고 있다. 이곳은 사람이 겨우 들어갈 정도의 비좁고 밀폐된 공간이로 들어가기도 힘든데 작업까지 해야만 하는 곳이기 때문이다.
따라서 선체블록의 내부 도장작업은 그동안 업계에서 자동화 기술이 가장 절실한 부분으로 꼽혀왔었고, 이를 위해서는 정부 부문은 물론 민간부문의 적극적이고 지속적인 기술개발 노력이 필요하다고 전문가들은 입을 모은다.
특히 다양한 성과물이 사장되지 않고 특허출원으로 이어지는 시스템이 되어야 할 것이다.
이와 관련된 특허출원은 전체적으로 꾸준하게 증가하고 있지만 미국과 일본과 비교하면 아직도 많이 부족한 상황이다.
1999~2003년 간의 세부기술 분야별로 살펴본 결과 4개 기술 분야 중 도장 자동화 기술과 전처리 및 후공정 자동화 기술이 상대적으로 활발하게 나타났다.
이에 21세기에도 세계 최고의 조선 기술 강국을 지속하려면 단기간의 기술개발 전략보다는 중장기적인 기술개발 계획을 세워 꾸준히 이어야 할 것인데, 도장로봇 시스템은 조선산업 발전에 중심이 될 수 있는 핵심 아이템으로의 역할을 담당할 것이다.
휴대폰 산업의 도장로봇 어플리케이션
이동통신 단말기의 케이스는 단말기의 외형을 결정할 뿐 아니라 내부부품을 보호하는 역할을 담당하고 있어 고급스러우면서 얇고 내구성 강한 제품을 만들어내는 박판 성형기술이 핵심이다.
단말기 케이스의 주요 원재료는 ABS 수지가 이용되고 있으며, 현재에는 원재료의 대부분을 제일모직이 공급하고 있다.
단말기 케이스 업체들은 원재료를 이용하여 ‘사출→ 코팅→ 가공공정’을 통해 단말기 케이스를 생산하게 된다.
현재 이동통신 단말기 도장라인에서는 UV 코팅방식의 도장라인이 많이 이용되고 있으며, 보통 다음 그림과 같은 공정으로 생산되고 있다.
이러한 공정과정 중에서 최근에는 이동토인 단말기 케이스 생산이 중요해짐에 따라 다야하고 고급스러운 케이스 업체들은 기존의 외주가공에 비중이 높던 UV 코팅과정의 중요성이 점차 증대하고 있다.
이에 따라 단말기 케이스 업체들은 기존에 외주가공에 비중이 높던 이 과정을 점차 자체설비를 통해 직접 수행하려 하고 있다.
한편, 이동통신 단말기 부품 중에서 케이스 업체의 경쟁력이 가장 낮은 수준이다.
이는 업체가 처리할 수 있는 물량에는 한계가 있고, 생산의 유연성을 위해서는 핸드폰 생산업체가 가장 적은 비용으로 공급선을 확보할 수 있는 분야여서 시장 진입자가 가장 많기 때문이다.
즉, 생산공정의 정형화 및 외주생산 일반화로 시설투자 부담이 비교적 적고 응용 조립산업의 특성상 기술적 추격이 용이하여 진입장벽이 낮아 경쟁강도는 높은 수준이 된 것이다.
* 자료참고 : 산업은행 ‘산업용 도장로봇의 기술동향과 적용산업에서의 현황’
