SINGULUS TECHNOLOGIES사의 전자동 직접구동 MOLDPRO 사출성형기는 많은 양의 얇은 플라스틱 사출물을 최소한의 공정시간으로 제조하려는 고객들에게 상당한 가능성을 열어주었다. 오늘날 SINGULUS TECHNOLOGIES사의 사출성형기는 거의 모든 광학식 저장미디어 제작공정에 사용되고 있다. 앞으로의 미래는 의료기술, 광학 및 소비재 산업과 같은 새로운 분야의 어플리케이션에서 찾을 수 있다. B&R 기술은 이와 같은 어플리케이션을 위해 다이나믹함과 정확성, 동시에 제조공정에 대한 신뢰성과 안전성도 가져다준다.

 

최소한의 지터로 정교한 실시간 제어 알고리즘을 관리하기 위한 초고속 데이터전송. 이것이 SINGULUS TECHNOLOGIES사의 MOLDPRO 사출성형기의 성공기반이다. 

현재 전 세계적으로 400대 이상의 이 성형기가 CD, DVD, 그리고 특히 블루레이 디스크를 생산하는 제조라인에 투입되어 있다. 

SINGULUS TECHNOLOGIES사의 성형제품관리 책임자인 Peter Knips는 “이 산업에서의 높은 비용압력 때문에 생산라인능력이 재활용성 제공만으로 정의되어서는 안 되고 더 근본적으로는 일별 고생산성과 같은 최대 유효성 및 최소 낭비 등의 조건에 따라 정의되어야 한다. 

이런 유형의 시스템운영자는 개별적 성능특성의 보장보다 더 많은 것을 원한다. 그들은 한 생산라인이 하루에 특정 생산량을 달성하는 생산성 보장을 원한다”라고 말한다.

이와 동시에, 미세표면의 정확한 재생산을 필요로 하는 사출성형기에 대한 요구는 매년 눈에 띄게 늘어왔다. 

데이터는 Pit(들어간 부분)와 Land(튀어나온 부분)를 통해서 디스크에 저장된다. CD는 이 Pit들이 최소 170㎚의 깊이와 0.833μμm의 폭으로 이루어지고 DVD는 최소 120㎚의 깊이를 가진다. 

그런데 블루레이 디스크는 이 Pit들이 고작 40㎚의 깊이와 0.15μμm의 폭을 가졌다. 

그럼에도 불구하고 이 디스크들의 전체적인 크기는 다르지 않고(지름120㎜, 두께 1.2㎜), 오히려 각 트랙의 거리는 1.6μμm(CD)에서 0.74μμm(DVD)와 0.32μμm (Blu-ray)로 줄어들었다.

따라서 이와 같은 폴리카보네이트 재질의 광학저장매체의 표면은 10,000RPM의 속도로 회전하는 여러 종류의 기기에서 그 저장된 내용이 읽혀지기 위해 매우 평평해야 하며, 굉장히 정확해야 한다. SINGULUS TECHNOLOGIES사는 이러한 수준의 정확성을 가진 제조에 매우 적합한 사출 압력 성형 프로세스를 사용하고 있다.

‘너무 미묘하지 않게(not-too-subtly)’라는 이름에서 알 수 있듯이, 이 과정은 두 가지의 주요 단계, 사출과 압축으로 구성된다. 

주입 단계에서는, 용해된 플라스틱의 정확한 투여량이 대형 몰드 캐비티로 주입된다. 

곧이어 압축 단계에서는 두 개의 반쪽 몰드가 합쳐져 용해된 플라스틱이 몰드 전체에 채워진다. 사출기의 반쪽 툴에 통합된 스템퍼가 광학디스크에 필요한 미세조형(Pit와 Land)을 만든다.

수많은 관련파라미터와 추가적인 압축동작을 위해 이 과정은 일반적인 사출성형과정보다 더 복잡하고 따라서 보다 정교한 제어가 필요하다. 

사출압력과정의 각 단계에서 관련동작의 충분한 제어를 위해 SINGULUS TECHNOLOGIES사는 일반적인 너클 조인트(Knuckle-joint) 구동보다는 전기적 직접구동을 택했다. 이러한 방식의 특별한 장점은 생산된 디스크상의 잔류스트레스 최소화에 필수적인 냉각단계과정의 클램프 힘의 감소제어를 할 수 있다는 것이다. 하지만 직접구동은 제어작업의 복잡성을 한층 더 증가시킨다.

클램프 유닛 하나만으로 컨트롤러에 상당한 부하를 줄 수 있다. 총합 토크가 1350Nm가 되는 세 개의 B&R 토크모터는 고속의 툴 이동과 클램핑 힘 제어를 가능케 한다. 전자식 라인샤프트를 통해 갠트리 드라이브에 연결된 이 동작은 반드시 동기화 되어야 한다. 토크 차이가 50Nm만 돼도 툴 또는 클램핑 유닛을 손상시킬 수 있기 때문이다.

클램핑 부분은 사출되는 쪽으로 250㎜/s로 움직이고, 용해된 플라스틱이 주입된 후, 점차 여러 제어단계를 통해 클램핑 압력이 더해진다. 클램핑 압력 감소제어는 그 후의 있을 냉각단계 동안 이뤄지고 툴이 시작하는 위치로 돌아온 후에 이뤄진다. 

단 2초의 주기 안에 급격한 방향 및 로드의 변환은 불가피하고, 그것은 위치제어에서 토크제어로 매끄럽게 전환할 수 있도록 하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 

또한 모터는 평탄성이 항상 보장되는 방식으로 제어되어야 한다.

수지를 밀어내는 데에는 역학과 정밀도에 있어 그만의 쉽지 않은 요구사항들이 있다. 

직렬로 연결된 두 개의 중공축 하이토크 B&R 모터는 다중 피치 높이조절 나사를 통해 웜기어를 구동하는데 필요한 운동성을 제공한다. 

SINGULUS TECHNOLOGIES사의 전기 부서장인 Edgar Rueth는 “주입과 사출, 그리고 압축에 관련된 모든 프로세스에는 전문적인 관리 노하우와 고성능의 구동 및 제어 기술이 필요하다”라고 설명했다. 

개발자들은 용융압력을 측정하는 센서를 사용하지 않고도 총 중량의 변동을 1%까지 감소시키겠다는 그들의 야심찬 목표를 달성할 수 있었다. 

“B&R과의 협력은 이 목표를 이루는데 상당한 역할을 했다”는 Knips는 “지난 2004년, 전문지식을 지닌 직원들의 지원과 함께 그들의 다양한 노하우와 알고리즘을 소프트웨어 템플릿이라는 방식을 통해서 도움을 주어 불과 몇 개월 만에 우리는 양산이 가능한 새로운 기계를 준비할 수 있었다. 그리고 오늘날 우리는 이미 B&R의 기술로 제2세대 기계를 가동하고 있다.”고 전했다.

한편 Rueth는 새로운 기계의 콘셉트 구현의 핵심요소가 실시간 POWERLINK 통신버스였다고 확신하고 있다. 

그는 “이 기계 콘셉트는 POWERLINK 기반의 드라이브, I/O 및 컨트롤러 간의 매우 밀접한 결합이 아니었다면 불가능했을 것”이라며 “실시간으로 400μμs의 사이클 타임의 POWERLINK를 통한 고속데이터 전송이 핵심이었다”고 밝혔다.

매우 빠른 이더넷 기반의 이 실시간 버스는 시스템 컨트롤러와 여덟 개의 수냉식 드라이브(여섯 개의 단일 축과 하나의 이중 축 모듈)뿐만 아니라, X20 I/O모듈 간의 통신도 가능케 한다.

드라이버들은 에너지 재생을 목적으로 DC버스에 의해 연결되어 고성능 토크모터를 사용하더라도 새로운 MOLDPRO 세대 기계의 에너지 소비량을 40%로 줄여준다. 

하나의 88A 정류기로 3개의 88A와 2개의 44A 장치를 포함한 MOLDPRO 서보모터 컨트롤러 전체를 감당한다. 그러나 더 중요한 것은 프로세스의 신뢰성이 크게 증가했다는 점이다. 

DC버스는 정전에 대해 기계가 안전하게 정지하도록 동기화를 유지해주는 충분한 에너지를 저장한다. 또한 여기에 통합된 ACOPOS 24V 전원공급 장치는 DC버스에 의해 에너지를 전달받아 지속적으로 컨트롤러에 전원을 공급해준다. 

Automation PC 620은 모션제어, 기계 상의 열 개의 가열 존에 대한 개별 온도제어, 전기 로봇팔의 CNC 제어를 포함한 여러 제어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 그리고 이 모든 것들이 Automation Studio에서 전부 개발된다. 

로봇 팔은 완성된 기판을 빼내오고(안쪽으로 움직여 디스크를 취출하는 데까지 0.2초 이하) 냉각 컨베이어에 그것들을 내려놓는다. 또한 컨트롤러는 SDL 케이블을 통해 연결된 10인치 터치스크린 디스플레이와 Automation Panel에 표시되는 HMI 어플리케이션(Automation Studio로 제작)을 구동하기도 한다. 

Knips는 “우리의 복잡하고 다양한 작업에 있어서도 Automation PC 시리즈 중 저 사양인 1GHz Celeron 프로세서를 충분히 사용할 수 있다”라고 설명한다. 이는 작업의 일부가 서보 컨트롤러에 분배되기 때문에 가능하다. 

동일한 제어 소프트웨어를 쉽게 B&R의 다른 컨트롤러로 불러올 수 있어, SINGULUS TECHNOLOGIES사는 언제든지 더욱 강력한 하드웨어 플랫폼으로의 개선 및 향후 신제품 개발에서 유리한 점을 지닌다.

B&R www.br-automation.com