한국생산기술연구원은 ‘2023 제조로봇 플러스사업(R&D 연계형)’의 일환으로 지난해 바이오/화학업종을 대상으로 제조로봇의 보급과 실증을 추진했다.

바이오/화학 산업은 작업 효율의 향상과 작업장의 안전성 제고를 위해 로봇자동화 시스템의 도입 필요성이 높은 분야다. 바이오/화학공정 가운데 특히 제품 조립 및 포장 공정은 단순 반복 작업이 많기 때문에 작업자의 근골격계 질환을 유발하고, 열악한 작업 환경으로 작업자들의 이직도 심한 편이다. 바이오 제품 소포장 공정은 작업자 숙련도에 따른 생산성 편차, 작업자의 부주의 등에 의한 품질 편차 발생 우려가 높고, 작업자의 고임금화와 고령화 추세에 따라 인력 채용이 갈수록 어려워지고 있다. 힘들고 위험한 작업을 로봇자동화 시스템으로 대체하면 산업 재해를 예방하고, 균일한 생산과 품질 확보가 가능해질 것으로 기대된다.

한국생산기술연구원은 바이오/화학산업의 제조 프로세스를 개선하기 위해 '2023년 제조로봇플러스 사업'을 통해 로봇자동화 시스템 도입을 적극 추진했다. 특히 지난해에는 치과용 임플란트 업체인 오스템임플란트와 의료용 석션 튜브 제작업체인 인성메디칼의 제조 로봇 도입을 지원했다. 2개 기업의 실증 사례를 소개한다. (편집자)

◆ 바이오/화학 제조로봇 플러스사업 실증 사례(1) 오스템임플란트(수요기업)-피스티스(공급기업)

(과제명) 의료기기 로봇을 활용한 임플란트 앰플 조립 자동화(과제 총괄 책임자:이동목 수석연구원)

◊ 참여기업 개요

수요기업인 오스템임플란트는 1997년 치과용 임플란트 제조, 판매 및 치과관리 프로그램 개발 등을 위한 목적으로 설립됐다. 국내 최고 수준의 R&D 기술력과 우수한 임플란트 품질력을 바탕으로 국내 치과용 임플란트 시장점유율 1위를 차지하고 있다. 지난 2021년 산업부로부터 ‘세계일류상품 생산기업’에 선정됐다. 주요 생산 제품은 치아의 뿌리 역할을 하는 인공치근 임플란트, 그리고 임플란트 위에 인공치관(crown)을 올리기 위한 받침대다.

공급기업인 피스티스는 2013년 회사 설립 이후 스마트 팩토리 자동화설비, 로봇자동화 시스템의 자동화 IT솔루션 개발 등 사업을 추진해왔다. 특히 치과산업의 스마트팩토리 자동화설비, 로봇자동화 시스템 제작기술, 유지보수, 소프트웨어 개발, 산업지능화 전문솔루션 등 기술력을 갖추고 있으며 정밀 제어가 가능한 5축의 직교 로봇을 제작해 판매하고 있다.

◊ 대상 공정의 문제점

수작업으로 앰플 조립 작업을 할 경우 앰플 얼룩 등 오염 가능성이 높아 브랜드 가치가 떨어질 수 있다. 조립 수작업시 제품 혼입, 누락 등 품질 불량이 발생하고, 제품 검사 소요시간이 늘어날 수 있다. 수작업시 작업 지연, 생산량 증가에 대한 가용 능력 부족으로 생산성 저하도 우려된다. 단순 반복 작업으로 인한 작업자 피로도도 꽤 높은 편이다.

▲ 적용 대상물과 작업

실증사업을 통해 공정 프로세스상 병목 현상이 발생하는 수작업 공정에 표준 공정모델을 적용해 빠른 생산성을 확보할 필요성이 높다. 또한 작업의 자동화 및 표준화를 통해 수동 조립 작업의 품질 문제도 해소해야 한다는 분석이다. 로봇 자동화 도입시 작업자의 공수 절감, 피로도 해소 등으로 근골격계 질환 예방 및 비용 절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다.

◊ 실증 사업 추진

▲ 로봇시스템의 레이아웃

실증 사업을 위해 오스템임플란트와 피스티스는 바이오 의료기기 조립공정(앰플) 표준 공정모델을 적용했다. 앰플 조립 자재의 로딩/언로딩/이송 공정에 로봇를 도입해 작업자 보호, 품질 및 생산성 향상을 기대할 수 있다.

이번 실증 사업에선 표준공정 모델에 코팅액 도포 사양 추가에 따른 투입방식 변경 및 자동 주입/검사 공정을 추가했다. 작업 순서는 자동공급기 자재적재 → 로봇자재 이송 → 부자재 & 픽스쳐 조립 → 캡 & 이너캡 조립 → 액주입 → 보틀에 자재삽입 → C/S캡 조립 → 배출 순으로 이뤄졌다.

로봇자동화시스템은 현대로보틱스의 6축 산업용 로봇, 로보스타 직교로봇, 2핸드 그리퍼, 턴테이블 및 조립 지그, 액주입기, 비전검사장치, 자재이송장치, 캡이송장치, 검사장치, 제품 배출장치, 제어기, 안전장치 등으로 구성됐다. 이번 실증사업을 통해 오스템은 앰플 조립공정 중 픽쳐조립, 검사작업을 자동화했다.

▲ 로봇시스템 도입 현장

▲ 로봇시스템 도입 현장

◊ 검증 결과 및 기대효과

현장 성능 검증을 실시한 결과 픽쳐 조립, 검사, 액주입 등에 필요한 각각의 장비들이 적정하게 설치 및 동작되었다는 것을 확인했다.

구체적인 검증 성과는 다음과 같다. ▶(조립 공정) 픽쳐 공급 및 조립작업 관련 장치 및 공정이 적정하게 이뤄졌음 ▶(액주입 공정) 보틀공급 및 액주입 작업이 적정하게 이뤄졌음 ▶(검사 공정) 공급과 조립작업의 검사를 위한 시스템이 적정하게 가동되었음.

지난해 10월 30일부터 11월 3일까지 로봇 시스템을 시험 가동해 앰플 조립의 생산성을 분석한 결과 생산량이 1만개로 187.7% 개선됐다. 불량률은 0%로 100% 개선된 것으로 나타났다. 2명의 투입 인원 초기 목표를 달성해 원가 절감에도 기여한 것으로 평가됐다. 추가적으로 애칭 수작업의 로봇 자동화, 임플란트 세척 및 애칭 공정의 추가적인 로봇 기반 자동화 등이 필요한 것으로 평가됐다.

◆ 바이오/화학 제조로봇 플러스사업 실증 사례(2) 인성메디칼(수요기업)-피스티스(공급기업)

(과제명) 의료용 석션 튜브, 컨넥터 조립을 위한 로봇 자동화 시스템(과제 총괄책임자:이동목 수석연구원)

◊ 참여기업 개요

수요기업인 인성메디칼은 지난 1984년 설립됐으며, 1993년부터 제조를 시작해 30년 이상 국내 여러 대규모 병원에 석션 튜브, 수액 세트를 납품하고 있다. 2013년 대구연구소를 설립, 다양한 연구 활동을 수행하고 있으며, 세계적인 품질 및 기술 수준을 확보하기 위해 지속적으로 신기술 및 신공법 개발을 추진하고 있다.

이 회사가 공급하고 있는 석션 튜브는 수술시 환자에게 발생하는 분비액을 흡인하는 제품이다. 수액 세트는 환자에게 약물을 주입해주는 제품이다.

공급기업인 피스티스는 2013년 회사 창립 이후 스마트 팩토리 자동화설비, 로봇자동화 시스템의 자동화 IT솔루션 개발 등 사업을 추진해왔다. 지난 2018년 스마트공장 지원 사업 공급업체 등록을 마쳤으며, 2020년 독자 모델 직교로봇과 협동로봇을 탑재한 5축 자동화기기를 개발했다. 클린 사업장 구축, CE 인증, ISO 9001 인증을 받았다.

◊ 대상 공정의 문제점

의료용 석션 튜브 생산시 모든 공정이 수작업으로 이뤄져 품질이 일정하지 않으며, 컨넥터 접합 및 권취 작업에 들어가는 시간이 너무 오래 걸리는 문제가 있다. 또한 작업자들이 장시간 반복적인 작업으로 근무 피로도가 높으며, 작업자의 잦은 교체 및 교대 시간 인력 배치 등으로 근태 관리, 숙련자와 비숙련자의 구분 관리 등 문제가 발생했다. 이에 따라 로봇자동화의 도입 필요성이 제기됐다.

▲ 적용 대상물과 작업

로봇자동화 시스템 도입으로 ▲ 조립 자동화를 통한 생산성 증대 및 품질 개선 ▲ 생산 관리의 체계화로 시간당 업무 능률 향상 ▲ 공정 소요 시간, 불량 개선을 통한 제조 원가 경쟁력 확보 ▲ 체계화된 공정 관리로 현장 작업자의 근무조건 향상 및 고용 안정 등을 기대할 수 있다.

◊ 실증 사업 추진

▲ 로봇시스템의 레이아웃

이번 실증 사업에는 표준공정 모델인 ‘바이오 의료기기 조립공정(석션 튜브)’이 적용됐다. 작업 순서는 길이별 절단된 튜브가 쌓여진 매거진 공급 → 직교 3축 로봇 튜브 진공 흡착 → 흡착된 튜브 확인 후 튜브 그립 → 튜브 이송 장치로 공급 → 튜브 이송 및 정위치 → 로봇 1, 2호기 정위치된 튜브 그립 → 컨넥터 1번 접착 및 조립 → 컨넥터 2번 접착 및 조립 → 조립 완료된 튜브 배출 → 권취 → 밴딩 → 완제품 자동 배출 순으로 이뤄졌다.

로봇자동화시스템은 현대로보틱스의 가반하중 7kg의 산업용 수직 다관절 로봇 2대, 진공 그리퍼, 튜브 이송 롤러, 스토퍼, 절단기, 접착제 도포 장치, 컨넥터 공급 정렬장치, 튜브 권취 장치, 제어 및 전기장치, 안정장치 등으로 구성됐다. 인성메디칼은 이번 실증 사업을 통해 의료용 석션튜브 생산공정 중 컨넥터와 튜브의 공급 및 접착 작업을 자동화했다.

▲ 로봇시스템 도입 현장

▲ 로봇시스템 도입 현장

◊ 검증 결과 및 기대효과

성능 검증 결과 직교로봇, 진공그리퍼, 이송롤러, 절단기, 접착제 도포장치, 6축 다관절 로봇, 3축 직교로봇 등 장비들이 적정하게 설치 및 동작되는 것을 확인했다.

구체적인 검증 성과는 다음과 같다. ▶(튜브공급/투입공정) 매거진에 적재된 튜브를 진공 흡착하여 자동 공급하는 2축 직교로봇, 3축 직교로봇, 진공 그리퍼 등 장치 및 공정이 적정하게 설치 및 동작되는 것을 확인함 ▶(튜브이송/절단공정) 투입된 튜브를 이송해 정위치 시킨 후 길이 보정을 위한 절단작업용 가이드롤러, 절단기 등의 장치가 적정하게 설치 및 동작되는 것을 확인함 ▶(튜브접착제도포/컨넥터조립공정) 튜브 끝단에 접착제를 도포 후 공급 받은 컨넥터 부품을 조립하는 6축 다관절로봇, 접착제도포 장치, 볼피더, 리니어 피더 등의 장치가 적정하게 설치 및 동작되는 것을 확인함 ▶(튜브배출/밴딩공정) 조립 완료된 튜브를 롤링하여 OPP밴딩 필름으로 고정하는 직교로봇, 그리퍼, 튜브롤링장치, OPP밴딩기 등의 장치가 적정하게 설치 및 동작되는 것을 확인함.

로봇시스템 도입에 따라 생산성 향상, 불량률 감소, 원가 절감 등 효과를 거둘수 있을 것으로 기대된다. 올해 2월 1일부터 2월 7일까지 로봇시스템을 시험 운영한 결과 생산량은 1927개/일(日)로 37.6% 개선돼 초기 목표 1900개/일 대비 KPI 목표를 초과 달성했다. 불량률은 1.95% 개선되어 초기 목표 2.0% 대비 KPI 목표를 초과 달성한 것으로 나타났다. 원가도 크게 절감했다. 로봇 도입 이후 기존 개당 172.4원의 인건비 투입을 개당 134원으로 줄여 초기 목표 대비 KPI 목표를 달성한 것으로 나타났다.