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스마트공장(Smart Factory)을 위한 사출성형 모니터링 데이터 분석 (부제: 사출성형 공정 그래프(Graph)에 대한 분석 및 이해)

작성자 : 취재부 2024-04-22 | 조회 : 59

최근 사출성형 산업계에서는 극심한 경쟁 구도에 직면하고 있으며, 이로 인하여 지속적인 생산성 향상, 엄격한 품질관리, 인건비 절감 등의 요구에 직면하고 있다. 이러한 산업환경 변화에 대응하기 위하여, 고품질 또는 대량 생산 플라스틱 제품을 중심으로 센서를 이용한 사출성형 모니터링 시스템의 활용이 확대되고 있다. 이 연재 기사에서는 각종 센서와 사출기에서 얻어지는 데이터(그래프)를 이해하고 활용하는 방법에 필요한 기본 지식에 초점을 맞추어 기사를 연재하고자 한다.

RJG 사는 사출성형 교육, 기술 및 리소스 분야에서 세계적인 리더로 인정받고 있는 회사이며, 사출성형 공정 모니터링에 사용되는 센서와 장비를 생산/공급하고 있다. 본 기사에 게재된 자료들은 RJG 사의 모니터링 시스템(eDart/Copliot)에 기반을 두고 있으며, RJG 사에 Copyright의 모든 권한이 있음을 밝힌다. 

자료제공: 이길호 대표이사(씨에이프로(주), 

RJG 사 공식 컨설턴트/트레이너)

 

 

 

II. 그래프(Graph) 데이터 이해에 필요한 기본지식 

 

1. 그래프(Graph) 정의 

 

모니터링 시스템뿐만 아니라 대부분의 사출기에서도 사출기의 압력과 스크류의 위치와 속도의 변화 등의 그래프를 볼 수 있는 메뉴(스크린)를 제공한다. 이 장에서는 그래프를 이해하기 위한 기초 지식에서 실제 다양한 사출기의 스크린 예제까지 기술하고자 한다. 

 

 

 

 

우선 사출성형에서 사출기나 모니터링 시스템에서의 그래프(graph)란 다음과 같이 정의할 수 있다. 

(1) 그래프는 사출기나 금형에 설치된 센서에서 측정된 전기 신호를 시각화한 데이터이다.

(2) 그래프는 둘 또는 그 이상의 변수들의 관계(relationship)를 나타낸다.

(3) 일반적으로 사출기나 모니터링 시스템에서의 그래프는 시간에 따른 변수의 변화를 보여준다.

 

그래프는 짧은 사이클 타임 동안 많은 양의 수치적 데이터(Numerical data)를 생성하며, 이러한 수치 데이터를 짧은 시간에 작업자가 확인하고 성형 상의 문제점과 연결시켜 판단하기에는 무리가 있다. 그러므로 작업자가 보다 쉽게 시각적으로 판단할 수 있는 데이터를 필요로 하며, 이에 사출기나 모니터링 시스템은 그래프의 형태로 변수 간의 관계를 시각화하여 보여준다.

 

 

 

 

 

2. 그래프(Graph) 종류

 

사출기나 모니터링 시스템에서는 대부분 X축과 Y축으로 구성되는 아래와 같은 형식의 2차원 그래프(graph)를 제공하고 있으며, X축은 대부분 시간(time)으로 설정하고, Y축은 기본 설정 변수나 사용자가 임의 선정한 변수로 설정할 수 있다. 다만 특수한 사출기의 경우에 X축을 스크류(screw) 위치나 체적(volume) 변화로 기본 설정되어 그래프를 볼 수 있는 메뉴를 제공하기도 한다. 

 

 

 

 

2.1 모니터링 시스템에서의 그래프 

 

모니터링 시스템에서는 아래의 그림과 같이 금형과 사출기에 부착하는 각종 센서에서 얻어지는 모든 데이터를 그래프로 시각화할 수 있으며, 더불어 그림의 하단과 같이 사출기의 동작 신호의 변화를 보여준다. 

 

X축은 시간이며, Y축은 모니터링 시스템에 연결된 각종 센서의 데이터, 예를 들어 캐비티 압력 센서에서 측정되는 금형 내압, 온도 센서에서 측정된 금형 캐비티 온도 등이 있다.

 

또한, 사출기에 사출압을 측정하기 위한 유압(hydraulic) 센서나 스크류의 위치를 측정하는 스트로크(stroke) 센서 등을 추가 설치하면, 하나의 스크린에서 모든 데이터를 비교하여 검토할 수 있다.

 

전동식 사출기인 경우에는 아래 그림과 같은 인터페이스(interface) 모듈을 이용하여, 사출압과 스트로크 등의 데이터를 사출기로부터 직접 받아 동일한 스크린에서 그래프로 볼 수 있다. 

 

 

 

 

 

2.2 사출기에서의 그래프 

 

사출기에서는 아래의 그림과 같이 사출기에 부착 되어진 유압 센서, 전동식인 경우에는 스크류에 설치된 스트레인 게이지(strain gage)에서 얻어지는 압력 데이터와 스크류에 연결된 위치 센서에서 얻어지는 위치와 속도 데이터를 그래프로 시각화하여 스크린에 나타낸다.

 

아래의 그림은 Krauss Maffei 사출기에서의 얻어지는 그래프를 보여주며, X축 시간은 왼쪽에서 오른쪽으로(Left to Right), Y축의 사출 속도(Injection speed), 스크류 위치(Screw position), 사출압(Melt pressure)은 아래서 위로(Bottom to Top) 증가 방향이며, 사출기에 따라 X축의 증가 방향이 역(reverse)일 수도 있음에 유의하여야 한다.

 

아래의 그림은 Maruka USA/TOYO 사출기에서의 얻어지는 그래프를 보여주며, X축 시간은 왼쪽에서 오른쪽으로(Left to Right), Y축은 사출 속도(INJ SPEED), 사출압(INJ PRESSURE), 스크류 위치(PLASTI. REV), 형체 속도(CLAMP CROSS SPEED) 그리고 취출 속도(EJ SPEED)를 보여준다.

 

 

 

 

 

이 사출기의 특징은 사출 속도를 ㎜/s나 inch/sec로 표기하는 것이 아니라 사출 체적(Injection Volume) 변화, 즉 ‘volume/sec’로 보여주는 것이며, 이를 선형 속도로 변환하기 위해서는 사출기 스크류의 직경에 대한 정보를 숙지하여야 한다.

 

 

 

 

 

아래의 그림은 Sumitomo SHI Demag 사출기에서의 얻어지는 그래프를 보여주며, X축 시간은 왼쪽에서 오른쪽으로(Left to Right), Y축은 사출압(IJ P.Det), 스크류 위치(Screw Pos)를 보여주며, 사출 속도(Ij V Det), 배압(Back Press Det)은 OFF 모드로 설정하여 그래프로 표기되지 않는다.

 

 

 

 

 

아래의 그림은 Nissei 사출기에서의 얻어지는 그래프를 보여주며, X축 시간은 오른쪽에서 왼쪽으로(Right to Left) 다른 사출기와 반대 방향이며, Y축은 사출 속도(VELOC), 사출 압력(PRS)를 보여준다.

상단 윈도우는 시간에 따른 변화를, 하단 윈도우는 위치에 따른 변화를 보여주는 것에 유의하여야 한다. 

 

 

 

 

 

3. 그래프(Graph)에서 X, Y축과 단위, 그리고 축척(Scale) 

 

그래프의 곡선에서 유의미한 값을 추출하고, 성형 공정의 특성을 분석/판단하기 위해서는 추출된 값의 크기를 인지하여야 한다. 이를 위하여 X축과 Y축에 시각화된 변수의 단위(unit)와 그래프의 축척(Scale)을 정확히 인지하여야 한다.

 

3.1 그래프(Graph)에서 X, Y축과 단위

 

X축은 대부분 시간(time)으로 단위는 초(sec)로 설정되며, Y축은 설정된 변수에 따라 아래와 같이 임의로 변환하여 볼 수 있다. 모니터링 시스템에서는 손쉽게 단위나 축척이 표시되어 인지하기가 쉬우나, 사출기의 스크린에서는 주의 깊게 보지 않는 경우에 간과할 수 있다.

 

(1) 압력: 사출압, 캐비티 압력, 배압… – psi, MPa, Kg/㎠, bar

(2) 온도: 캐비티 온도, 금형 온도, 냉각수 온도, 배럴 온도… - ℃, ℉

(3) 위치: 스크류 위치, 이젝터 위치, 금형 형개 위치… - ㎜, inch

(4) 속도: 스크류 전진/후진 속도, 스크류 회전 속도, 형체/형개 속도, 이젝터 전진/후진 속도… – ㎜/sec, inch/sec, inch3/sec(유속), RPM(회전 속도)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

위의 TOYO 사출기의 그래프에서 다른 사출기와 다르게 사출압의 단위가 실제 psi의 10배이며, 사출 속도의 단위가 in3/s, 즉 체적률(Volumetric flow rate)임을 인지하여야 한다. 

 

사출기의 변경으로 기존의 성형조건을 이용하여 변경된 사출기에서 계량 속도(스크류 회전 속도)를 설정하는 경우에 기존의 조건을 그대로 사용하지 않고 스크류 끝단의 선속도로 변환하여 사용하여야 한다.

 

다음은 각 재료에 대한 스크류 속도의 범위를 기술한 표(Table)이며, 이는 참고용으로 정확한 정보는 재료를 제공하는 업체에 문의하여야 한다.

 

 

 

 

 

3.2 그래프(Graph)에서 축척(scale)

 

모니터링 시스템에서는 아래의 그림과 같이 마우스를 이용하여 편하게 그래프의 값들을 검토할 수 있으며, 단위와 스케일을 사용자가 변경하거나 자동 변경이 가능하여 매우 손쉽게 사용할 수 있으므로 사출기에 비하여 그래프를 이해하는 데에 보다 편리하다.

 

 

 


 

대부분의 사출기에서는 X축의 설정된 변수의 시간이며, 작업자는 스크린에 표시된 그래프에서의 각 그리드(grid)의 단위 값을 인지하여야 더 빠르게 그래프를 이해할 수 있다. 다음은 사출기의 스크린에 표시된 축적과 각 그리드(grid) 크기에 대한 이해를 돕고자 예제를 검토하고자 한다. 

 

 

 

 

 

위의 그림에서 X축의 시간은 초(sec) 단위며, 그리드(grid) 당 값은 1.00초임을 알 수 있다.

사출기의 사용 중에 수시로 그래프의 변화를 검토하는 경우에 그리드(grid) 당 값을 미리 인지하고 있다면, 빠른 검토를 수행할 수 있다.

 

 

 

 

 

대부분의 사출기에서는 Y축의 설정된 변수의 실제 값은 커서(cursor)를 움직여 측정하지만, 작업자는 스크린에 표시된 그래프의 축적에 대하여 인지하여야 여러 가지 변수의 데이터가 그려진 그래프를 보다 빠르게 이해할 수 있다. 사출기의 스크린에 표시된 축적과 그에 대한 이해를 돕고자 위의 그림을 예제로 검토를 하고자 한다.

 

위의 그림에서 Y축에 3가지 변수의 데이터를 그래프로 나타내고 있으며, 그리드(grid) 당 값은 변수에 따라 아래와 같이 다르게 나타남을 알 수 있으며, 여기에서는 X축, Y축 모두 10개의 그리드(grid)로 구성되어 있다.

 

(1) 시간(X축): 최대값 - 4.0sec, 그리드(grid) 수 - 10개, 그리드(grid) 당 0.4sec

(2) 사출 속도(Injection speed): 최대값 - 150㎜/s, 그리드(grid) 수 - 10개, 그리드(grid) 당 15㎜/s

(3) 스크류 위치(Screw position): 최대값 - 100㎜/s, 그리드(grid) 수 - 10개, 그리드(grid) 당 10㎜

(4) 사출압력(Melt pressure): 최대값 - 800bar, 그리드(grid) 수 - 10개, 그리드(grid) 당 80bar

 

위의 그림에서 점선으로 표기된 지점에서의 변수 값은 다음과 같이 예측할 수 있다.

(1) 최대 압력 예측(상측의 점선)

    그래프 최대값:  800bar/10grid = 80bar/grid à 80bar/grid × 6.5grid = 520bar 

(2) 스크류 최대 전진 위치 예측(하측의 점선)

    그래프 최대값: 100㎜/10grid = 10㎜/grid à 10㎜/grid × 0.6grid = 6㎜ 

 

Ⅲ장에서 자세히 기술하겠지만, 위의 그래프의 단위와 스케일에 익숙해지면, 다음은 그래프의 형상에 대한 이해에 집중하여야 한다. 예를 들어 연속적인 곡선이 아닌 변곡점을 다수 포함한 압력 곡선이 충진(Fill) 구간에서 위의 그림과 같이 나타나는 경우에는 설정된 조건이 사출기의 동작에 제한을 가한 것이 아닌가를 점검하여야 한다. 추후 그래프의 형상에 따른 사출기의 동작이나 반응에 대해서는 보다 자세히 기술하기로 한다.

앞에서는 모니터링 시스템과 사출기에서 볼 수 있는 측정 그래프에서 기본적인 단위와 축척에 관하여 기술하였으며, 다음 회 ‘4. 사출기 모니터에서의 보여지는 그래프(예제)’에서 보다 예제를 중심으로 주의하여야 할 사항과 내용을 자세히 기술할 예정이다.

다음호에 계속…