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서보 및 PC 기반 제어로 인몰드 라벨링 시스템의 성능과 유연성 향상
인몰드 라벨링 시스템을 탑재한 PC 기반 제어로 플라스틱 뚜껑을 장식한다

[Beckhoff 제공] 일명 ‘IML 시스템’이라고 불리는 ‘인몰드 라벨링’은 최근 플라스틱 산업 포장 부분에서 고객의 요구 사항을 맞춰줄 수 있는 이상적인 솔루션이다. 기업들은 광범위한 포장 디자인을 생산할 수 있으면서 높은 유연성과 짧은 주기, 높은 내구성을 동시에 지닌 기계들을 필요로 한다. 스위스 특수 기계 제조업체, Beck Automation은 이런 시스템을 효율적으로 구현하기 위해 Beckhoff의 PC 기반 제어 및 드라이브 기술을 표준 자동화 기술로 채택했다.

Beck Automation의 IML 시스템을 사용하면 다양한 플라스틱 용기와 뚜껑을 효율적이고 유연하게 라벨링 할 수 있다. [사진=Beckhoff]

Beck Automation AG(이하 Beck)는 1934년에 스위스 취리히주에 있는 오베렝스트린겐(Oberengstringen)에서 설립됐다. 세일즈 총 책임자이자 경영 간부 니노 젠더(Nino Zehnder)는, “Beck은 인몰드 라벨링 시스템 분야에서 30년 이상의 경험을 가진 선구자”라고 말했다. 전 세계 고객들의 요구를 충족하기 위해서, Beck의 제품 포트폴리오에는 비용-효율적인(cost-effective) 기본 기계부터 사용자 맞춤형 시스템까지 다양하게 담겨있다.

현재 Beck Automation의 혁신적인 솔루션 중에는 플라스틱 뚜껑 장식을 위한 여섯 가지 방법의 인몰드 라벨링 시스템(in-mold labeling system, IML system)이 대표적인 예시 중 하나다. 니노 젠더는 “이 기계는 식품 산업에서 플라스틱 용기를 위한 것이며, 일반적인 품목으로는 요거트와 같은 1리터 용기의 제품이 있다. 또한, 이 기계는 뚜껑을 덮는데 쓰이며, 제품용기를 장식할 수 있다”고 설명했다.

인몰드 라벨링의 유연한 프로세스

인몰드 라벨링을 활용해, 먼저 최종 제품과 동일한 기본 색상으로 사전에 인쇄된 라벨을 사출 금형에 넣는다. 그 다음 요거트 용기 뚜껑 같은 플라스틱을 주입하고 냉각과 경화 과정을 거치면 레이블과 결합해 완제품을 형성한다.

기계의 4개의 AM8000 서보 모터 중 2개가 메인 암(오른쪽 모터)과 셔틀(왼쪽 모터)을 움직이게 한다. [사진=Beckhoff]

니노 젠더는 “이 프로세스는 비용이 많이 들 뿐만 아니라 시간도 많이 소요될 수 있는 변경사항에 따라 인쇄기를 변경할 필요가 없다”며, “그 결과 인쇄된 라벨을 부착하는 것보다 훨씬 유연하고 인더스트리 4.0 시대의 포장 디자인에 특히 적합하다”고 강조했다. Beck Automation 시스템은 시간당 최대 5천 개의 플라스틱 뚜껑을 생산할 수 있으며, 필요에 따라 뚜껑에 자체 디자인과 QR코드를 생성하는 것도 가능하다.

인몰드 라벨링 시스템은 정확성과 내구성을 위해 강철 프레임에 장착된다. 이 시스템은 사출 성형기에 측면으로 연결되어 서보 제어식 셔틀 암이 금형에 도달할 수 있게 한다. 그러면 이 셔틀 암이 개방된 사출 금형으로 이동해 한 번에 뚜껑 6개씩 완성한다. 그런 뒤 기계가 완성된 뚜껑들을 들어 올리면, 곧바로 다음 사출 성형 공정을 위해 6개의 새로운 라벨들이 삽입된다.

이 과정에서 인몰드 라벨링 기계는 비전 시스템으로 품질 보증을 위해 뚜껑을 검사한 다음 뚜껑을 쌓는다. 뚜껑을 쌓는 프로세스를 거치는 동안, 인몰드 라벨링 기계는 6개의 라벨을 분리한 뒤, 사출 금형으로 다음 차례의 삽입을 위해 메인 셔틀 암에 배치한다.

AM8000 OCT 서보 모터와 함께 AX5000 서보 드라이브는 효율적이고 동적인 모션 제어 솔루션을 제공한다. [사진=Beckhoff]

니노 젠더는 인몰드 라벨링 기계의 성능을 설명하면서 “6개의 플라스틱 뚜껑을 만드는데 소요되는 시간은 약 4초 밖에 걸리지 않는다”면서, “이 기계는 뛰어난 유연성을 제공하며 다른 크기나 모양, 또는 수량에 대해 매우 빠르고 쉽게 조정할 수 있다. 또한 자동 매거진 교체 덕분에 프로세스가 중단 없이 라벨을 보충할 수 있다”고 말했다.

PC 기반 제어 기술의 장점

소프트웨어 개발 책임자인 크리스토프 제니(Christoph Jenni)는 “Beck Automation은 2011년에 처음으로 PC 기반 제어 기술을 사용하기로 결정했다”고 설명했다. 과거에도 PC 기반 제어 기술은 원격접속과 같은 고객 지원이 가능한 효과적인 몇 가지 기본 이점을 제공했었다. Beckhoff PC 기반 제어의 또 하나의 뛰어난 기능은 온라인으로 시스템 변경이 가능하다는 점이다. 또한 이전 PLC 기반 솔루션과 비교했을 때, 기존의 개별 배선을 대체할 수 있는 빠르고 사용하기 쉬운 EtherCAT 통신 표준이 사용 가능할 뿐만 아니라 광범위한 진단 기능을 갖춘 축 제어가 가능하다는 장점이 있다.

니노 젠더는 “Windows 기반 소프트웨어 시스템의 장점은 개방성이 최대의 유연성을 보장하는 것”이라고 말했다. 예를 들어, 데이터를 엑셀(Excel) 파일로 쉽게 내보내거나 사용자 친화적으로 운영자 인터페이스 사용을 위한 윈도우(Windows)의 다양한 기능을 사용할 수 있다는 것이다.

CX5130 임베디드 PC와 EtherCAT 및 TwinSAFE 터미널이 있는 I/O 레벨은 매우 컴팩트하다. [사진=Beckhoff]

니노 젠더는 Beckhoff의 기술 및 지원은 Beck Automation과 같이 전 세계적으로 활발하게 활동하고 있는 기업에게 중요하다고 강조했다. 그는 “Beck의 시스템은 높은 내구성을 갖추고 있기 때문에 Beck은 그 구성요소들을 장기간 사용할 수 있는지 확인하고 있다”며 “따라서 10년 이상이 지난 후에도 수요자들은 예비 부품과 완벽하게 호환되는 제품을 쉽게 구할 수 있다”고 말했다.

Beckhoff의 또 다른 장점은 PC 기반 제어의 뛰어난 모듈성과 확장성이다. 크리스토프 제니는 “기계의 크기와 기능에 따라 별도의 추가 엔지니어링 없이도 제어 기술을 최적으로 조정할 수 있다”고 언급했다. 예를 들어 Beck은 서보 축의 수와 관련해 해당 요구 사항을 쉽게 조정할 수 있다. 또한, 다른 시스템과 달리 PC 기반 제어는 무제한의 I/O 채널을 제공하므로 모든 옵션의 가능성이 열려 있다.

서보 드라이브 기술로 장비의 유연성 향상

또한, Beck Automation은 새로운 6가지 방법의 인몰드 라벨링 시스템 전반에서 Beckhoff 서보 드라이브 기술을 사용한다. 제품의 쉬운 구성도는 특히 설치 전환 시에 상당한 이점을 준다. 이 기계에는 총 4개의 AM8000 시리즈 서보 모터가 달려있다.

사진 왼쪽부터 IML 시스템 앞의 니노 젠더(Nino Zehnder) 세일즈 총 책임자 및 경영 간부, 크리스토프 제니(Christoph Jenni) 소프트웨어 개발 책임자, Beckhoff의 로버트 우레히 Robert Urech 스위스 지사 영업 관리자 [사진=Beckhoff]

구체적으로 이 AM8000 시리즈 서보 모터는 단일 채널 AX5103 2개와 AX5118 서보 드라이브 1개 또는 2채널 AX5203 1개를 통해 TwinCAT 3 NC PTP 소프트웨어로 제어된다. 정지 토크로는 29Nm인 AM8063 서보 모터가 있고, 매우 역동적인 주축을 만든다. 추가적으로 홀딩 브레이크가 장착된 AM8032(2.37Nm) 2개와 AM8033(3.22Nm) 1개도 있다. 이 브레이크는 짧은 주기로 검사 시스템을 따라 플라스틱 뚜껑을 안내하는 셔틀 동작을 구현하는데 사용된다.

아울러 서보 드라이브 기술이 공압보다 훨씬 덜 흔들리고 관성력이 감소하여 장비의 내구성이 향상된다. 다른 서보축은 매거진에서 라벨을 떼어내고 완성된 뚜껑을 쌓는데 사용된다. 크리스토프 제니는 “beckhoff의 또 다른 장점 중 하나로 'One Cable Technology(이하 OCT)'가 있다”며, “이 OCT는 배선 및 조립 노력을 크게 줄일 수 있으며, 전자식 플레이트을 활용하면 장치를 더욱 쉽게 시운전할 수 있고 문제가 발생했을 때도 문제를 손쉽게 해결하거나 교체할 수 있다”고 설명했다.

Beckhoff CX5130 임베디드 PC는 클락 속도가 1.75GHz로 실행되고 Intel Atom 프로세서가 장착된 모든 제어 및 모션 시퀀스에 충분한 성능을 제공한다. Beckhoff 산업용 PC 포트폴리오는 넓은 스펙트럼을 가지고 있다는 장점이 있다고 크리스토프 제니는 설명했다. 기계의 요구사항이나 크기에 따라 제어 소프트웨어를 변경하지 않고도 더 강력한 IPC나 멀티 코어 프로세서 기술을 쉽게 사용할 수 있다는 것이다.

이것은 시스템 설계를 매우 유연하게 만들어 준다. TwinCAT 소프트웨어도 마찬가지다. 크리스토프 제니는 “기존의 모션 제어 라이브러리는 지금까지 모든 요구 사항을 제한적으로만 충족해 왔었다”며, “beck는 해당 TwinCAT 기능을 사용해 OPC UA를 통한 데이터 교환처럼 특수 기능을 매우 쉽게 구현할 수 있다”고 강조했다.

또한 통합 TwinSAFE 솔루션은 추가적인 효율성도 제공한다. EL6900 TwinSAFE Logic 터미널 및 드라이브에 대한 옵션인 AX5801 TwinSAFE 카드를 사용하면 사용자는 안전 도어 및 비상 정지 기능의 배선 및 공간 요구 사항을 크게 줄일 수 있다.

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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