금속 스탬핑 공정에서 스크랩 감소를 위한 5가지 기술 전략을 통한 수익성 제고

TL;DR

금속 스탬핑 공정에서 잔여 폐기물을 줄이는 것은 단순한 정리 정돈 작업이 아니라 원자재가 일반적으로 부품 총비용의 50~70%를 차지한다는 점을 고려할 때 수익성을 높이기 위한 가장 효과적인 방법이다. 잔여 폐기물을 고정된 비용 부담이 아닌 경쟁 우위로 전환하기 위해 제조업체들은 다음 세 가지 접근 방식을 병행해야 한다. 제품 설계 (DFM) , 툴링 최적화 (고급 네스팅 및 부산물 회수 기술 등), 그리고 프로세스 제어 (센서 기반 모니터링). 성공을 가늠하는 주요 지표는 재료 활용 비율(MUR) —즉, 원자재 시트 중 완제품 부품으로 전환되는 비율—이다.

본 가이드에서는 더 조밀한 네스팅을 위한 '나노 조인트(nano joints)' 도입부터 결함을 실시간으로 방지하는 '능동 속도 제어(active speed control)' 센서 활용까지, MUR을 극대화하기 위한 기술적 전략들을 살펴본다. 단순한 폐기물 처리를 넘어서 공학적으로 설계된 잔여 폐기물 감소 방식을 통해 스탬핑 공정은 상당한 마진을 회복할 수 있다.

최적화 전략 1: 고급 네스팅 및 소재 활용

스크랩 감소를 위한 가장 직접적인 기회는 스트립 레이아웃 설계에 있다. 배치 최적화 부품들을 금속 스트립 위에 배치하여 부품 간의 빈 공간(웹)을 최소화하는 작업을 의미한다. 표준 '원업(one-up)' 레이아웃은 설계가 간단하지만, 종종 과도한 스켈레톤 스크랩을 남긴다. '투업(two-up)' 또는 '인터록된(interlocked)' 네스팅과 같은 고급 전략을 사용하면 소재 활용률을 5~15% 향상시킬 수 있으며, 이는 곧바로 수익성에 영향을 미친다.

강력한 기술 중 하나는 트루쉐이프 네스팅(true-shape nesting) 나노 조인트(nano joints)와 같은 현대 기술을 활용하는 것 나노 조인트(nano joints) . TRUMPF와 같은 업계 리더들이 설명한 바에 따르면, 나노 조인트는 기존의 더 큰 전통적인 마이크로 조인트를 대체하는 작고 정밀한 고정 탭으로, 부품을 스트립에 연결합니다. 이러한 탭이 최소화되어 있기 때문에 부품들을 서로 인접하여 배치할 수 있으며, 이로 인해 쌓이거나 충돌할 위험 없이 매우 밀집된 레이아웃이 가능합니다. 이로 인해 부품 간 여유 폭을 줄일 수 있어 웹 폭을 최소화하고, 결과적으로 코일 당 생산 가능한 제품 수를 효과적으로 늘릴 수 있습니다.

또 다른 정교한 접근 방식은 혼합 부품 네스팅 여기서 더 작은 다른 부품은 더 큰 부품의 잔재 영역에서 도장(punching)됩니다. ESI Engineering Specialties가 언급한 전형적인 예로는 연간 20,000개의 D링을 생산하는 스쿠버 장비 제조업체가 있습니다. 엔지니어들은 더 큰 링의 내부 'D' 형태 절단 부분에서 버려질 예정이었던 재료를 활용해 더 작은 와셔 형태의 링을 도장할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이를 통해 한 부품의 재료 비용으로 두 개의 부품을 얻는 효과를 거둘 수 있었습니다. 그러나 여기에 적용되는 중요한 경험칙이 하나 있습니다: 더 작은 부품이 내포된 구조일 경우, 더 큰 부품의 생산량이 더 작은 내포 부품의 생산량과 같거나 많아야 하며, 그렇지 않으면 불필요한 부품의 재고가 쌓이게 됩니다.

스트립 레이아웃 검토를 위한 핵심 체크리스트

• 브릿지 폭: 웹 폭이 재료 두께에 맞게 최적화되었습니까?
• 입자 방향: 균열을 방지하기 위해 벤딩 방향이 입자 방향(Grain)에 수직으로 설정되어 있습니까?
• 부품 회전: 부품을 180도 회전하면 인터록킹이 가능합니까?
• 혼합 네스팅: BOM에 있는 더 작은 부품 중 잔재 영역에 들어갈 수 있는 것이 있습니까?

최적화 전략 2: 다이 설계 및 엔지니어링 솔루션

레이아웃이 최적화된 후에는 물리적 공구에 초점을 맞춥니다. 프로그레시브 다이 설계 주 작업에서 발생하는 스크랩(부산물)을 받아 유용한 부품을 프레스 성형할 수 있도록 특별히 설계된 보조 공구인 '오팔 다이(offal dies)' 또는 '회수 다이(recovery dies)'를 통해 재료를 회수할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 이는 공구 비용을 증가시키지만, 대량 생산 시 장기적인 원가 절감 효과로 인해 투자 비용을 정당화할 수 있습니다.

연속 생산을 위해 일부 프레스 업체는 "스크랩 연결(stitching scrap)" 기술 을 사용하기도 합니다. The Fabricator의 기술 논의에서 언급된 바와 같이, 때때로 스크랩 조각들을 토글 락(toggle locks) 또는 유사한 장치를 사용해 기계적으로 연결하여 연속 스트립 형태로 만들고, 이를 2차 프로그레시브 다이에 공급할 수 있습니다. 이러한 창의적인 엔지니어링은 기존의 산발적 폐기물을 자동 공급 가능한 형태로 전환할 수 있게 해줍니다. 그러나 엔지니어들은 주의를 기울여야 합니다. 가공 경화성 첫 번째 공정에서 이미 변형되거나 변형된 금속은 연성(ductility)을 잃을 수 있으므로, 심형 가공된 2차 부품에는 부적합할 수 있습니다. 단순한 브랙터나 평면 부품에 가장 적합합니다.

경질 강철 제작에 투자하기 전에 이러한 복잡한 금형 개념을 검증하는 것은 매우 중요합니다. 이때 능력 중심 제조업체와 협업하는 것이 필수적입니다. 예를 들어 소이 메탈 테크놀로지 제공 포괄적인 스탬핑 솔루션 급속한 프로토타입에서 대량 생산까지의 갭을 메우는 회사들입니다. 자격을 갖춘 프로토타입을 최소 5일 이내에 공급할 수 있는 능력을 활용함으로써, 엔지니어는 설계 초기 단계에서 재료 흐름과 부품 배치 가능성(nesting feasibility)을 테스트할 수 있으며, 고용량 자동차 기준(IATF 16949)에 적합한 공격적인 스크랩 감소 전략의 실현 가능성을 보장할 수 있습니다.

최적화 전략 3: 결함 예방 및 공정 제어

스크랩은 단지 남은 골격만을 의미하는 것이 아니라 폐기하는 부품들도 포함됩니다. 설계 스크랩 (부산물)과 생산 스크랩 (불량 부품) 관리는 매우 중요합니다. 설계상의 설계 폐기물은 설계 선택이지만, 생산 폐기물은 공정 실패에서 비롯됩니다. 펀칭한 슬러그가 펀치 면에 붙어 다음 부품을 손상시키는 슬러그 당김 —와 같은 일반적인 결함은 미검출 시 수천 개의 부품을 망가뜨릴 수 있습니다.

이러한 문제를 방지하기 위해 제조업체들은 점점 더 금형 내 센서 기술 을 도입하고 있습니다. TRUMPF에서 강조한 액티브 스피드 컨트롤 과 같은 최신 시스템은 센서를 사용해 공정 중 발생하는 방사선을 모니터링하고 피드 속도를 자동으로 조절합니다. 시스템에서 용융된 재료가 정상적으로 형성되지 않거나 슬러그가 배출되지 않는 등 잠재적 문제를 감지할 경우, 즉시 공정 매개변수를 조정하거나 프레스를 정지시킬 수 있습니다. 이를 통해 결과 이후 불량품을 선별하는 "품질 검사"에서 벗어나 "품질을 제조 공정에 내재화하는" 패러다임으로 전환하게 됩니다.

생산 폐기물을 줄이기 위한 또 다른 방법은 시력 시스템 그리고 드롭 앤 컷(Drop & Cut) 기술입니다. 남은 시트의 경우—사용 가능한 면적이 남아 있는 코일이나 스켈레톤의 끝부분—카메라 시스템이 시트의 실시간 영상에 부품 도면을 오버레이할 수 있습니다. 운영자는 디지털 부품 파일을 남은 재료 위로 드래그 앤 드롭하여 즉시 예비 부품을 절단할 수 있습니다. 이를 통해 코일의 '사용 불가능한' 잔여 부분조차도 재활용이 아닌 수익 창출에 기여하게 됩니다.

최적화 전략 4: 제조성을 고려한 설계(DFM)

스크랩을 줄이기 가장 비용 효율적인 시점은 다이(die) 제작 이전 단계입니다. 제조 용이성 설계 (DFM) 제품 설계자와 프레스 성형 엔지니어 간의 협업을 통해 부품 형상을 표준 스트립 폭에 맞게 조정하는 것을 의미합니다. 종종 플랜지 너비를 2mm 줄이거나 모서리 반경을 변경하는 등의 사소한 변경만으로도 부품을 더 좁은 표준 코일에 배치하거나 인접 부품과 더 밀집하게 네스팅할 수 있게 됩니다.

재료 선택 또한 중요한 역할을 합니다. 엔지니어는 부품을 절삭 가공 대신 프레스 성형으로 제작할 수 있는지 여부를 검토해야 합니다 . 가공은 블록의 최대 80%까지 칩(폐기물)로 만드는 제거 공정입니다. 반면 스탬핑은 정형 성형 공정입니다. ESI에서 언급했듯이, 기계 가공 부품을 스탬핑 부품으로 전환하면 재료 폐기물을 크게 줄일 수 있을 뿐 아니라 생산 속도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 설계자는 반드시 입자 방향 . 스트립 상에서 부품 배향 시 최대 배치 효율만 고려하고 입자 방향을 무시하면 굽힘 공정 중 균열이 발생하여 해당 로트의 폐기율이 100%에 이를 수 있습니다. DFM(설계가능성검토)의 균형 잡힌 접근법은 재료 절약과 공정 신뢰성 사이를 조율해야 합니다.

결론: 폐기를 이익으로 전환하기

금속 스탬핑 공정에서 스크랩을 줄이는 것은 정밀성과 창의성을 요하는 다학제적 과제입니다. 스크랩을 단지 '사업 비용'으로만 바라보는 관점을 벗어나면 제조업체는 상당한 잠재 수익을 발견할 수 있습니다. 나노 조인트와 같은 고급 네스팅 전략 도입, 폐자재를 회수 다이를 통해 창의적으로 재사용하고, 스마트 센서를 활용함으로써 자재 활용률을 극대화하는 강력한 시스템을 구축할 수 있습니다.

성공을 위해서는 사고방식의 전환이 필요합니다. 코일의 모든 제곱인치를 잠재적 수익으로 인식해야 하는 것입니다. 더 나은 네스팅을 가능하게 하는 소규모 DFM 수정을 통해든, 수천 건의 결함을 방지할 수 있는 스마트 프레스 제어에 투자하든 목표는 동일합니다. 즉, 자재 활용 비율(MUR)을 극대화하고 공장에서 나가는 금속은 오직 고품질의 판매 가능한 부품 형태가 되도록 보장하는 것입니다.

자주 묻는 질문

1. 금속 스탬핑에서 스크랩과 폐기물의 차이점은 무엇인가요?

일반적으로 이 용어들은 서로 바꿔 사용되지만, "스크랩(scrap)"은 딜러에게 판매할 때 잔여 금전적 가치가 있는 재활용 가능한 금속(예: 스켈레톤 스트립 또는 내장 부위)을 의미합니다. 반면 "폐기물(waste)" 또는 "쓰레기(trash)"는 회수 가치가 없는 비재활용성 자재나 자원을 일반적으로 지칭합니다. 그러나 리ーン 제조 환경에서는 제품으로 판매되지 않은 채 구매된 모든 자재는 최소화해야 할 폐기물로 간주됩니다.

2. 부품 네스팅(nesting)이 자재 비용을 절감하는 방법은 무엇인가요?

네스팅(nesting)은 부품들 사이의 빈 공간을 최소화하여 금속 스트립 위에 부품 배치를 최적화합니다. 부품을 맞물리게 하거나 회전시키는 방식, 또는 큰 부품의 스크랩 영역 안에 작은 부품을 배치하는 등의 기법을 통해 제조업체는 한 개의 코일당 더 많은 부품을 생산할 수 있습니다. 자재 비용은 종종 전체 부품 비용의 50~70%를 차지하므로, 코일당 생산되는 부품 수를 늘리는 것은 곧 단위 비용을 직접적으로 낮추는 효과를 가져옵니다.

3. 프레스 성형 공정에서 스크랩을 발생시키는 가장 흔한 결함은 무엇인가요?

생산 스크랩으로 이어지는 일반적인 결함에는 불량 부품(결함품)으로 분류되는 다음 사항들이 포함됩니다 슬러그 당김 (폐기물이 다이에 다시 끌려 들어가는 경우), 버(burrs) (무딘 공구나 부적절한 간격으로 인한 날카로운 가장자리), 분할/균열 (일반적으로 결정립 방향 문제로 인해 발생함), 그리고 주름creasing . 이러한 결함을 방지하려면 정기적인 다이 유지보수와 공정 모니터링이 필요합니다.

4. 오펄 다이(offal die) 또는 회수 다이(recovery die)란 무엇인가요?

오펄 다이(offal die)는 회수 다이(recovery die)라고도 하며, 주된 프레스 성형 공정에서 발생하는 스크랩 소재(오펄)를 이용해 더 작고 별개의 부품을 생산하도록 설계된 특수 스탬핑 공구입니다. 예를 들어, 자동차 창틀 프레임 제작 시 나오는 금속 절단 잔여물을 오펄 다이에 공급하여 작은 브래킷을 성형함으로써, 2차 부품용 소재를 사실상 무료로 확보할 수 있습니다.

5. 결정립 방향은 스크랩 비율에 어떤 영향을 미치나요?

금속 코일은 압연 공정 중에 형성되는 나무의 '결'과 유사한 '결(그레인)'을 가지고 있습니다. 결 방향과 평행하게 금속을 굽히면 굽힘 외부 부분에 균열이 생길 수 있으며, 이로 인해 부품이 불량 처리될 수 있습니다. 스트립 레이아웃을 설계할 때 중요한 굽힘 부위가 결 방향에 수직이 되도록 배치하면, 네스팅 밀도가 다소 낮아지더라도 이러한 균열을 방지할 수 있습니다.