내시경 생산에서 내부 구조에 대한 자유로운 시야를 보장하는 KR AGILUS

스위스 비드나우에 소재한 KARL STORZ 사에는 2021년 여름부터 자동화된 내시경 접안렌즈 생산 시스템이 가동되고 있습니다. KR AGILUS는 이 공정에서 생산팀의 육체적 부담을 경감시키고 생산 속도 증대에 기여하고 있습니다. 독일과 스위스 기업의 협업을 통한 성공 스토리.

스위스/비드나우에 소재한 KARL STORZ 지사의 사라 뮐레크 공장장은 “당시 우리는 신뢰성 있게 작동하지 않는 노후화된 용접 머신을 보유하고 있었다”고 자동화를 결정하게 된 배경을 설명합니다. 이 결정을 내린 시기는 2020년 말이었습니다. 이 회사의 생산 팀은 효율적이고 혁신적인 솔루션을 찾고 있었습니다. 1945년 설립된 KARL STORZ 사는 고품질의 내시경, 고정밀 의료기기 및 의료장비를 생산하고 있습니다. 전 세계 각 지역에서 근무하고 있는 약 8,300명의 직원은 약 15,000가지 제품의 생산, 판매 및 서비스 업무를 담당하고 있습니다. 동사는 뷔르템베르크 지역의 투틀링엔에 본사가 있으며 USA, 에스토니아 및 스위스에는 생산 거점을 두고 있습니다. 보덴제에 인접한 비드나우 공장에서는 인체 내부를 관찰할 때 사용하는 접안 렌즈와 같은 내시경용 광학 부품을 생산하고 있습니다. 이런 광학 부품은 기밀성이 우수해야 하며 외부에서 청소가 가능해야 합니다.

픽&플레이스: KR AGILUS는 비드나우 공장에서 내시경 생산의 핵심 요소로 활약하고 있습니다. 이 로봇은 미가공품을 로드하고 완성품을 언로딩합니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

단조로운 육체적 작업에서 레이저 용접 시스템으로의 변환

새로운 용접 시스템으로 수행되는 세부 공정으로 스테인레스 링에 고정된 커버 글라스에 스테인레스 슬리브를 연결하는 공정을 들 수 있습니다. 이 두 가지 부품은 내시경 접안렌즈에 사용됩니다. 내시경은 내시경 시술 시 외과의사에게 인체 내부에 대한 자유로운 시야를 제공합니다. 이 공정에서 수작업은 필수적인 것이었습니다. 직원은 부품을 기계에 넣고 용접 과정 후에 완성품을 다시 꺼내야 했습니다. 즉 슬리브를 기계에 넣고 여기에 용접된 링을 커버 글라스와 함께 꺼내는 작업을 수행해야 했습니다. 사라 뮐레크 공장장은 “우리는 이런 단조롭고 반복적인 육체적 노동으로부터 작업자들을 점진적으로 해방시키고 있다”고 설명합니다.

커버 글라스를 슬리브에 장착하는 작업에는 섬세한 감각이 필요하며 마찬가지로 로봇의 픽앤플레이스 프로세스에도 고도의 기술이 요구됩니다. KR AGILUS는 바로 이런 과제에 이상적입니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

자동화의 첫 번째 단계: 용접 시스템 찾기

비드나우 팀은 적합한 자동화 솔루션을 찾기 위한 계획을 세웠습니다. 용접 과정과 관련해 검증된 시스템은 이미 결정된 상태였습니다. 이미 몇 달 전에 KARL STORZ에서는 독일 슈바벤 지역 디칭엔에 소재한 TRUMPF 사의 3D 레이저 용접 시스템 TruLaser Station 7000에 대한 테스트를 진행했고 만족스러운 결과를 얻었습니다. 1923년 설립된 TRUMPF는 레이저 및 시스템 기술의 글로벌 선도 기업으로 자동화 솔루션 분야에서도 입지를 공고히 하고 있습니다. 동사의 특화된 기술로 레이저 절단, 레이저 용접 및 레이저 마킹을 들 수 있습니다.

비드나우 공장의 KARL STORZ 팀은 새로운 3D 레이저 용접 시스템을 이용한 작업에 빠르게 적응할 수 있었습니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

두 번째 단계: 검등된 협력 업체의 추천

거의 30여 년 동안 KARL STORZ와의 성공적인 협력을 이어오고 있는 TRUMPF에는 약 15,000명의 직원이 근무하고 있습니다. TruLaser Station 7000을 통한 자동화를 계획할 당시 TRUMPF 팀은 인근 지역에 소재한 통합업체를 추천했습니다. 독일 고스하임에 소재한 wbt automation 사에는 당시 18명의 직원이 근무하고 있었습니다. 요아힘 버커트 wbt 사 대표이사는 대안렌즈 생산 공정을 부분적으로 자동화하는 계획에 신속하게 대응하였습니다. 그는 당시를 회상하며 “wbt라는 사명은 ‘Wir bewegen Teile’(we move parts)의 약자입니다. 우리 사명에도 부합하는 이 프로젝트에 꼭 동참하고 싶었다”며 “요구조건이 까다로웠지만 이것은 문제가 되지 않았다”고 부언했습니다.

요하임 버커트, wbt automation 대표이사. 이 회사에서는 KUKA 로봇을 선호합니다 © wbt

세 번째 단계: 레이저 용접 시스템의 기술적 세부사항에 대한 이해

요아힘 버커트 대표이사는 “우리는 매우 협소한 공간에서 콤팩트한 셀에 소형 로봇과 매우 많은 부품을 배치하고 그 위치를 용접기에 맞게 조정해야 했습니다. 뿐만 아니라 로봇 동작 시 매번 2개의 부품을 파지하고 서로 결합시키기를 원했기 때문에 우리는 로봇의 부품 포지셔닝 정확도를 다시 조절해야 했다”고 설명합니다. 버커트 대표이사는 wbt automation에서 자동화 프로젝트의 약 98퍼센트는 KUKA 로봇으로 구현된다고 부언합니다. 또한 그는 “이를 위해 필요한 정확도는 일반 기계가 아닌 검증된 정밀 로봇으로만 달성할 수 있습니다. 우리는 KR10 R1100 타입의 KR AGILUS를 선정했으며 이 로봇은 당사에 인도되기 전에 추가적으로 KUKA의 트레이닝 설비로 보내졌다”고 설명합니다. 이외에도 여기에 사용된 로봇은 탑재된 레이저 센서를 이용해 부품의 위치를 점검하고 각 커버 글라스의 정확한 포지셔닝을 위해 4중 그리퍼뿐 아니라 소형 석션컵 벨로즈도 사용합니다.

검증에 투입된 팀: 핸들링 로봇으로서 KR AGILUS 및 3D 레이저 용접을 위한 TRUMPF TruLaser Station 7000 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

네 번째 단계: 성공을 보장하는 콤비네이션

로봇셀은 TruLaser Station 7000에 연결되지만 용이한 분리 및 유지보수가 가능합니다. 작업물 저장기에는 4개의 서랍이 포함되어 있으며 총 최대 960개의 작업물을 저장할 수 있습니다. 여기에서 KR AGILUS는 부품을 레이저 용접 시스템으로 운반하는 용도로 사용되며 용접 과정 후 매번 2개의 슬리브 및 그 위에 정확하게 배치된 커버 글라스를 운반합니다. 용접이 완료된 접안렌즈는 다시 작업물 저장기에 놓여집니다. 요아힘 버커트 대표이사는 KUKA 로봇은 까다로운 기술적 요건을 모두 만족시켰다며, “우리는 당사 컴포넌트로 구성된 친숙한 조작 패널과 검증된 KUKA 컨트롤러를 결합시켰습니다. 로봇은 자체 개발된 KUKA 로봇셀 MRC flextray에 설치되었습니다. 프로피버스를 통해 우리는 당사 Siemens 컨트롤러와의 안정적인 연결을 구축하였으며, 이를 통해 TRUMPF 시스템과의 원활한 통신을 보장할 수 있었다”고 설명합니다.

wbt automation에서 설계한 특수 그리퍼를 통한 픽앤플레이스. 이 시스템에서는 미가공품의 안정적인 포지셔닝을 위해 석션컵 벨로즈를 사용합니다 © wbt

다섯 번째 단계: 문제 요소의 해결

KARL STORZ에서 40여 년 동안 근무하고 있는 Wolfgang Karl은 동사의 레이저 전문가로서 프로젝트 초기에는 성공적인 결과에 의구심을 가졌습니다. 그는 “개발과 관련해 의문점들을 가지고 있었습니다. 로봇이 어떻게 부품을 파지하고 어떻게 이 상태를 안정적으로 유지하지? 오류로 인해 그리퍼가 하나의 부품만 삽입하고 두 개의 부품이 외부로 운반되는 경우에는 어떤 일이 발생하지? 아무 문제가 발생하지 않는지 어떻게 100퍼센트 확신할 수 있지?와 같은 의문점들이었다”라고 설명합니다. 이에 대한 대답으로 wbt automation의 요아힘 버커트 대표이사는 “시뮬레이션 소프트웨어 KUKA.Sim을 통해 사전에 완벽한 시뮬레이션이 진행된다”고 설명합니다. 버커트 대표이사는 통합업체의 디지털 트윈을 통해 “생산이 완료되기 이전에 완전한 제품을 확인할 수 있다”고 부언합니다. 볼프강 칼은 “이를 통해 저의 의심은 완전히 해소되었다”고 이유를 설명합니다.

Wolfgang Karl은 KARL STORZ에서 모든 레이저 공정을 책임지고 있는 전문가입니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

여섯 번째 단계: 낮은 결함률로 고품질 제품 공급

자동화된 생산은 적합한 레이저, 이번 적용 사례의 경우 500와트 출력의 파이버 기반 TruFiber 500과의 콤비네이션으로 시작됩니다. 이제 직원들은 더 이상 용접 머신의 로딩 및 언로딩과 같은 단조로운 육체적 작업은 수행할 필요가 없고 서랍 채우기, 로봇 조작 및 품질 점검과 같은 다른 작업에 집중하면 됩니다. 사라 뮐레크 공장장은 “이번 프로젝트로 인해 해고된 직원은 아무도 없으며 자동화를 통해 수익이 개선되어 직원들의 연금 재원을 확보할 수 있게 되었습니다. 하지만 몇몇 직원들은 새로운 기술에 친숙해지는데 의구심을 가지고 있었다”고 설명합니다. wbt 사에서는 투틀링엔뿐 아니라 비드나우 공장에서 근무하는 KARL STORZ 직원들에게 트레이닝 기회를 제공하였으며 이를 통해 직원들의 불안감이 해소되었습니다.

3D 레이저 용접을 위한 유연한 시스템: 로봇은 언제든지 레이저 시스템에서 신속하게 분리할 수 있습니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

“최고의 품질을 자랑하는 용접심”

사라 뮐레크 공장장은 반년이 약간 넘는 기간에 대한 평가를 “모든 직원들은 로봇을 조작할 수 있으며 이 스테이션은 당사의 순환 시스템에서 가장 인기 있는 곳이 되었다”는 말로 대신합니다. 프로젝트 담당자들이 처음 미팅을 가진 후 6개월이 지난 시점에 TruLaser Station 7000은 KR AGILUS 로봇셀과 함께 비드나우 공장에서 가동을 시작했습니다. 결과는 성공적이었습니다. 수동 방식으로 평균 10초가 소요되던 로딩 및 언로딩 작업을 로봇은 단 2초에 수행합니다. 하지만 사라 뮐레크 공장장은 “품질이 가장 중요합니다. 용접심 품질에 매우 매우 만족합니다. 뿐만 아니라 시스템은 신뢰성 있게 작동하며 고장이 발생하지 않았다”고 만족감을 표시합니다.

품질을 점검하는 사라 뮐레크 공장장: 커버 글라스 및 슬리브만 완벽하게 용접되면 바로 접안렌즈를 사용할 수 있습니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

결론: 성공적인 자동화

TRUMPF 사의 Dr. Axel Frey 제품 매니저도 이번 자동화 프로젝트에 매우 만족감을 표시하면서 “부품을 레이저 용접 시스템에 넣고 다시 꺼내는 작업 그리고 최고의 공정신뢰성, 이런 것들은 직원들도 할 수는 있지만 로봇이 보여주는 속도나 100퍼센트의 일정한 품질은 흉내낼 수 없습니다. 공정 및 품질은 7일 24시간 동안 항상 일정하게 유지되어야 한다”고 설명합니다. 비드나우 공장에 설치된 TruLaser Station 7000은 이런 모든 요건을 충족시킵니다. 또한 “이번 프로젝트는 제가 소개한 적이 있는 미국의 의료 기술자로부터 매우 긍정적인 피드백을 받았습니다. 이번 자동화는 다양한 관점에서 플래그십 프로젝트로 평가받고 있습니다”.

Pick – Place – Welding! 구현된 레이저 용접 시스템은 내시경을 위한 최고 품질을 제공합니다 © Stefan Hobmaier, TRUMPF

모든 직원들은 로봇을 조작할 수 있으며 이 스테이션은 당사의 순환 시스템에서 가장 인기 있는 곳이 되었습니다.

사라 뮐레크, KARL STORZ 비드나우 공장장

새로운 도전에 대한 열린 마음

레이저 용접 시스템과 로봇을 언제든지 분리할 수 었어야 한다는 점은 요하임 버커트 대표이사에게 매우 중요한 의미를 갖는데, 이를 통해 솔루션이 미래에도 경쟁력을 가질 수 있기 때문입니다. “KARL STORZ 사에서 5년 후에 로봇을 다른 용도로 사용하게 된다면, 직원들은 셀을 수 분 내에 분리하고 KR AGILUS에 새로운 과제를 할당할 수 있습니다. 뿐만 아니라 하나의 KR AGILUS에 2가지 서로 다른 레이저를 지정할 수 있습니다. 주간에는 하나의 레이저에서 작업하고 야간에는 다른 두 번째 레이저에서 작업할 수 있다”고 설명합니다. 하지만 현재에는 KARL STORZ 비드나우 공장에서 별도의 변경은 필요하지 않습니다. 직원, 기계 그리고 KUKA 로봇 모두가 현재 작업 방식에 만족하고 있기 때문입니다. 사라 뮐레크 공장장은 “훌륭한 협업이 이루어지고 있습니다. 이런 협업은 아무리 반복해도 지루하지 않을 정도”라고 만족감을 표시합니다.