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[기획] 2022년 표준공정모델 중심 제조로봇 실증사업(3)바이오 및 화학 업종 표준공정 모델
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승인 2022.02.25  11:43:53
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뿌리업종 등 제조업의 표준공정모델 실증 보급 사업이 지난해에 이어 올해도 본격 추진된다.

한국생산기술연구원은 올해 18억원의 예산을 투자해 ‘2022년 제조로봇 선도보급 실증사업’을 뿌리(금속/플라스틱 분야) 업종을 중심으로 진행한다. 이미 개발된 표준공정모델(2021년 6개) 별 최대 5개 이내의 과제를 선정해 지원할 계획이다.

연구원은 또한 올해 12억1000만원의 예산을 투입해 ‘2022년 제조로봇 플러스 실증사업(R&D 연계형)’을 바이오 및 화학업종을 중심으로 진행한다. 이미 개발된 표준 공정모델(2021년 3개) 별 최대 5개 이내의 과제를 선정해 지원한다는 계획이다.

이들 사업은 이미 개발되어 있는 표준공정모델의 실증 보급을 통해 뿌리업종과 바이오·화학업종의 경쟁력 강화와 제조로봇 신시장 확대를 위해 추진하는 것이다.

고강도·고위험 작업의 대체, 인력난 해소 등 제조 환경개선을 위해 로봇 활용 확산이 필요한 뿌리업종과 바이오 및 화학업종에 로봇 도입을 확대하겠다는 목표다. 이들 사업은 한국로봇산업진흥원이 전담기관이며 한국생산기술연구원이 관리기관이다.

지원 과제에 참여하려는 기업들은 주관기관(수요기업)과 참여기관(공급기관)이 컨소시엄을 구성해 참여해야 한다. 지원과제는 4월 중 최종 확정되며, 오는 11월말까지 과제가 본격 추진된다.

이번 실증 사업(지원과제)은 뿌리업종 표준공정모델 6개와 바이오 및 화학업종 표준공정모델 3개를 대상으로 이뤄진다. 로봇신문은 2022년 제조로봇 실증사업의 대상인 총 9개 표준공정모델에 대해 3회에 걸쳐 소개한다.(편집자)

게재 순서

1회 뿌리업종 표준공정모델(1)

2회 뿌리업종 표준공정모델(2)

3회 바이오 및 화학 업종 표준공정 모델

한국생산기술연구원은 ‘2022년 제조로봇 플러스 실증사업(R&D 연계형)’의 일환으로 바이오ㆍ화학 분야를 중심으로 지원과제를 선정해 지원한다. 이번 지원 과제의 대상 공정은 ▲바이오/의료기기-포장/검사공정 ▲바이오/의약품-포장공정 ▲화학용기/플라스틱-포장공정 등이다. 각 공정의 표준공정모델에 대해 살펴본다.

◇바이오/의료기기-포장/검사공정

<개요>

바이오/의료기기 제작공정은 크게 자재입고/출고, 수입검사, CNC 공정, 표면처리, 탈지, 포장공정, 멸균공정, 이송공정, 제품검사, 제품출하로 이뤄진다. 특히 의료기기 검사 포장공정은 의료기기 적합성에 중요하게 좌우하는 공정으로 매우 까다로운 심사를 요구한다. 검사 완료 후 세부포장공정은 1차 포장, 2차 포장, 멸균, 레이블, 이송공정으로 이뤄지며 외부로부터 내용물인 제품을 보호해 준다.

의료기기제품은 제품 종류, 포장 재질 및 포장방법에 따라 ‘의료기기 제조 및 품질관리 기준’ 포장공정 결과의 적합기준을 정하고 이에 대한 문서화된 절차, 표준작업지침서(SOP) 등을 필요에 따라 수립해야 한다.

일반 제품과 달리 검사 후 포장 공정은 의료기기 허가 번호, UDI(Unique Device Identification:의료기기 고유식별코드), 메뉴얼 등 삽입 및 라벨링 하는 방법 또한 복잡하다. 의료기기 포장 공정은 밸리데이션 등의 국제규격을 고려해 검사/세부포장/레이블/멸균/이송공정에 대해 현장에서 실제 적용이 가능한 로봇 시스템의 인라인 자동화 시스템 표준화 모델을 수립해야 한다.

<현재 공정의 문제>

현재 수동 방식 포장 공정은 치과용 임플란트 고정체(fixture) 부품 생산 등에서 주로 도입 운영되고 있다. 임플란트 제품의 생산을 위해선 자재 입고→수입 검사→CNC 가공→반제품 검사→세척→표면처리→세척2→최종반제품 검사→포장 1차→포장2차→멸균→출고 등 과정을 거친다.

▲ 임플란트 제품의 생산 전체 공정 흐름도

수동 방식 포장작업 공정은 중견 기업 이하의 바이오 의료기기 업체의 경우 포장 라벨부착 오류, 제품의 얼룩 및 재오염 가능성이 높아 브랜드 가치 하락 우려가 있다. 또한 작업자가 단순 반복 작업을 동일한 자세로 매일 수천여개의 작업을 실시함에 따라 작업자의 피로도로 이직률이 높고 작업자 변경에 따른 계획 수립의 어려움으로 생산성 저하 문제가 발생하곤 한다.

특히 검사공정의 치수 공정은 단순 비전검사 및 수작업을 통한 반복적인 작업으로 불량 포장이 되므로 제품 품질 저하 문제를 야기할 수 있다.

따라서 바이오 의료기기 부품의 임플란트, 피스처, 스크루, 교정장치 검사 포장 이송 공정의 자동화 개발을 통해서 불량률을 줄이고 안전한 생산성 향상을 위한 협동 로봇이 적용된 시스템 개발이 필요하다.

<로봇 활용 표준공정 모델>

표준공정 모델은 검사/포장/라벨링/이송공정/멸균에 대해서 협동로봇을 활용하여 수작업 공정을 대처하며, 품질 및 생산비 절감 등을 실현하는 공정을 목표로 하고 있다.

이 로봇자동화 시스템은 박스 포장과 라벨링 시스템, 라벨/검사 시스템 등으로 구성되며 6축 다관절 로봇, 그리퍼, 제어반 등의 장비를 필요로 한다. 구현하고자 하는 핵심 기능은 △회전 축 기준 협업 로봇의 인라인화 시스템 △의료기기의 라벨링 및 검사 포장 정렬 시스템 △비전시스템을 이용한 제품의 측정/분류 시스템 △앰플 포장과 박스포장 간의 투입 시스템 등이다.

▲ 2차 포장 라벨링/포장/이송 표준모델 도입전
▲ 표준공정 모델 시스템 구성안

로봇 시스템 도입으로 △다양한 고객사의 맞춤형 시스템 구축이 가능해지고 △생산 관리 체계화로 시간당 업무 능률 향상 △공정 소요 시간, 불량 개선을 통한 제조 원가 경쟁력 확보 등을 기대할 수 있게 됐다.

◇바이오/의약품-포장 공정

<개요>

의약제품의 외포장 작업 인력은 대부분 여성으로 이루어져 있으며 마지막 박스 포장 라인에서는 과도한 중량 또는 부피를 감당하면서 반복되는 작업으로 근골격계 부담, 작업기피로 생산에 영향을 주고 있어 이를 개선하려는 요구가 높아지고 있다.

<현재 공정의 문제>

▲ 파우치 포장 라인 공정

의약제품은 액체, 고체, 기체로 만들어지고 있으며 원물 형태에 따라서 낱포장부터 2차, 3차 등 팔렛트 포장까지 이뤄지고 있다. 박스포장 공정은 낱포장(브리스터, 병, 스틱파우치, 카톤 등)후 박스에 투입하고 봉함하는 작업이다. 작업자들이 과도한 중량과 부피를 감당하면서 근골격계 문제가 발생할 우려가 높으며, 동일한 수작업으로 작업자의 피로 누적은 공정누락 등 원인이 되고 있다.

<로봇 활용 표준공정 모델>

▲ 포장라인 표준공정모델 솔루션

로봇 활용 표준공정모델은 의약품의 외포장 과정에 다관절 로봇을 투입하여 제함과 봉함과정을 자동화하고, 제품 정보기록과 정확한 입수량 확인, 생산성 향상 및 생산비 절감 등을 실현하는 것이다. 이를 통해 △박스를 자동으로 제함하는 제함공정 △낱제품을 박스 내에 원활한 입수가 가능한 정렬장치 및 그리퍼 △제품 정보기록 및 통신 △ 제품 입수량 확인기능 등 핵심적인 기능을 구현해야한다.

시스템 구성은 6축 수직다관절 로봇, 그리퍼, 제어반, 박스포장 장치(정렬장치, 이송컨베이어) 등으로 구성된다.

표준 공정 모델 적용으로 △공정 생산 설비 및 데이터 자동화를 통한 작업 생산성 향상 △생산 관리 체계화로 시간당 업무 능률 향상 △불량 예방 설계를 통한 품질의식 향상 △고객 만족도(품질, 납기) 및 신뢰도 향상 등 효과를 기대할 수 있다.

◇ 화학용기/플라스틱-포장 공정

<개요>

화장품 용기 포장의 일련의 생산 과정에 산업용 로봇을 적용하여 수작업 공정을 대체할 수 있는 로봇 시스템 완성도를 확보하고, 제품 생산성 향상 및 생산비 절감 등을 획득하여 생산 경쟁력을 갖도록 하는게 목적이다.

화장품 생산은 제조 작업과 포장 작업으로 구분되며, 제조 작업은 원료 물질의 칭량에서부터 벌크 제품의 제조까지 일련의 작업이고, 포장 작업은 벌크 제품을 완제품으로 만들기까지의 충전 및 표시 작업을 포함한 모든 포장 작업이 포함된다. 이에 수작업에 의존하고 있는 포장 작업 중 용기, 캡 공급, 케이스 포장, 외박스 포장, 팔레트 적재 공정 로봇 활용 표준 공정 모델이 요구된다.

<현재 공정의 문제>

▲ 화장품 제조 생산 전체 공정 흐름도

화장품 생산공정은 다품종 소량 생산으로 인한 품목 전환시 비가동 시간이 발생한다. 품목 전환 시 물품 준비 및 세팅 시간이 누적되어 생산성이 저하되고, 용기, 캡 공급 공정에 고정적 인원 배치와 물품 공급으로 비효율성이 발생한다.

수동 작업에 따른 많은 수작업 인원이 동원되는 것도 문제점으로 지적된다. △포장 작업 수작업으로 인한 불필요한 공수 과다 투입 △지역내 신규 근로자 채용상 어려움으로 인원 배치 효율성 저하 △봉함된 대박스 팔레트 적재 시 고중량 작업으로 작업자 근골격계 약화 등 문제가 있다.

이에 따라 최소한의 공간을 활용한 로봇 시스템 구축 필요성이 높아지고 있다. 특히 용기 형태가 다양함에 따라 그리퍼 형태가 다양해야 하며, 용기 그립시 손상이 발생하지 않고, 품목 변경시 자동 툴 교체가 가능한 로봇 시스템 도입을 추진해야 한다. 작업환경 개선, 공수 절감을 통한 생산성을 향상 시킬 수 있는 로봇 시스템 개발이 필요하다.

<로봇활용 표준공정 모델>

▲ 표준공정모델 개요
▲ 표준공정모델 시스템 구성안

표준공정 모델은 화장품 용기공급 로봇 자동화와 화장품 용기박스 공정 자동화를 목표로 하고 있다. 시스템은 6축 수직다관절 로봇, 그리퍼, 제어반 등으로 구성되어 있다. 이를 통해 △빈용기 로딩/언로딩 및 비전 시스템 △다품종 용기 이송 및 정렬 시스템 △여러 용기를 핸들링 가능한 그리핑 시스템을 구현해야 한다.

표준 공정 모델 적용으로 △공정 생산 설비 및 데이터 자동화를 통한 작업 생산성 향상 △생산 관리 체계화로 시간당 업무 능률 향상 △공정 소요 시간, 불량 개선을 통한 제조 원가 경쟁력 확보 △체계화된 공정 관리로 현장 작업자 근무조건 향상 및 고용 안정 △불량 예방 설계를 통한 품질의식 향상 등 효과를 기대할 수 있다.

장길수  ksjang@irobotnews.com

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