생산 엔지니어링의 모듈화: 얼마나 세분화할 수 있을까요?

모듈성의 원리는 레고 브릭을 예로 들어 설명할 수 있습니다. 몇 가지 기본 브릭과 정의된 연결 요소를 사용하여 다양한 기능을 가진 수많은 개체를 만들 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 복잡성과 가변성이 높은 제품에 대해서도 업계에서 확립되었습니다. 제어 및 드라이브 기술에서는 개별 "슬라이스" 또는 여러 원격 I/O 블록을 각 기계에 맞게 조립하여 PLC, IPC, HMI 및 드라이브 구성 요소와 같은 시스템을 구성할 수 있습니다. 장점: 향후 사용 중에 큰 노력 없이 확장하거나 수정할 수 있습니다.

해당 개념은 제품의 폭과 개성을 줄이지 않으면서도 변동성과 복잡성이 적은 포트폴리오와 전반적인 비용 수준을 낮추는 것을 목표로 하기 때문에 현재 기계 공학에서 모듈화를 대체할 수 있는 대안은 없습니다(1). 제조 시스템에 대한 일반적인 요구 사항을 고려하면 이 문장을 더 쉽게 이해할 수 있습니다:

1. '개별 제품'이나 '인더스트리 4.0'과 같은 개념은 소량으로도 다양한 제품을 제조할 수 있는 가변성이 높은 생산 시스템을 필요로 합니다. 이를 위해서는 시스템을 확장할 수 있어야 하며 추후 확장을 위한 옵션을 제공해야 합니다(2).

2. 기계 엔지니어링 회사가 고객에게 다가가기 위해서는 좋은 제품을 개발하여 판매하고 서비스/유지보수 주문을 기다리는 것만으로는 충분하지 않습니다. 투자에 대한 경제성 분석에서 수명주기비용(LCC)이 점점 더 중요한 역할을 하고 있기 때문입니다. LCC는 유지보수, 서비스 및 개조 서비스를 포함한 새로운 비즈니스 개념을 매우 투명한 방식으로 제시하고 판매하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 통해 기계 제조업체는 플랜트의 전체 수명 주기를 포괄하는 확장된 서비스 범위의 이점을 사용자에게 더 쉽게 설득할 수 있습니다(3). '사용량 기반 지불', '월별 지불', '단위당 지불'과 같은 구독 모델에 대한 수요 증가는 이러한 추세를 확인시켜 줍니다. 결국 사용량 및 서비스 중심 모델은 경제적으로도 매력적입니다. 2018년 신규 장비 판매의 평균 마진은 5.4%인 반면, 서비스의 경우 40%였습니다.(4)

3. 특히 고가의 자본재의 경우, 완전히 새로 구매하는 것보다 기존 기계를 확장하고 어셈블리를 교체 하는 것이 더 경제적인 경우가 많습니다.

4. 적어도 일부 고객은 다른 공급업체의 기계 모듈이나 하위 시스템을 특별한 노력 없이 기존 시스템에 통합할 수 있기를 기대합니다.

그러나 OEM이 제품 및 제조의 모듈화를 추진하기로 결정하기 전에 다음 질문에 긍정적으로 답할 수 있어야 합니다:

• 새로운 일관된 모듈형 제품 그룹의 예상 총 비용이 업계의 일반적인 기간 내에 그리고 향후 시장 개발을 위한 최악의 가정에 근거하여 그럴듯하게 회수될 수 있습니까?

• 관련된 모든 부서가 계획된 기계 또는 시스템 재설계로 인해 제기되는 과제가 실현 가능하다고 생각합니까?

• 비즈니스의 모든 관련 부서에서 새로운 모듈형 개념에 맞춰 작업 방식을 조정할 준비가 되어 있나요?

기계 또는 시스템을 모듈로 나눌 수 있는 범위를 명확히 하는 것도 중요합니다. 레고의 천재성은 블록 자체에 있는 것이 아니라 블록 사이의 연결에 있습니다. 이는 분할의 가능한 세분성을 결정하지만 구성 요소의 연결을 제한하는 요소이기도 합니다. 기계의 인터페이스는 기계 부품과 생산 라인의 적절한 기능을 보장함으로써 일관된 '전체 구조'를 보장하는 등 상황은 기계의 인터페이스와 유사합니다. 따라서 성공적인 모듈화를 위해서는 '전체 시스템'의 빌딩 블록을 서로 정확하게 분리하는 것이 필수적입니다.

• 먼저, 핵심 역량을 반영하는 핵심 기능, 전체 시스템에 걸쳐 확장되는 기본 기능(예: 운송업체 또는 운송 시스템), 추가 기능 또는 보조 기능으로 초기 시스템을 기능에 따라 구성합니다.

• 이제 이러한 기능을 모듈로 결합하되 필요한 만큼만 세분화하세요! 가능한 최적화의 모든 측면과 필요한 장비 편차를 고려하세요. 기계 수명 주기에 따라 가능한 한 많은 서비스 제공 단계를 포함하세요.

• 더 이상 "분할"할 수 없고 전기/전자 전원, 신호 또는 데이터 연결이 필요한 기계의 모든 요소 (센서, 액추에이터, HMI, 드라이브 등)의 새로 정의된 기계 모듈에 대한 중요성을 평가합니다.

• 이러한 요소를 적절한 머신 레이어에 할당합니다.

• 개별 요소를 각 머신 모듈에 연결하는 데 필요한 모든 인터페이스를 할당합니다.

그 결과 미래 시스템의 모든 모듈이 나열된 매트릭스가 만들어집니다: 인터페이스와 모듈 관련성을 포함한 부품의 계층적 배열을 볼 수 있어야 합니다. 매트릭스를 기반으로 기계 설계에 대한 타당성, 기술적 위험 및 결과를 평가할 수 있습니다. 전체 시스템에서 모듈의 중요도에 따라 가중치를 부여하면 투명성이 높아집니다. 매트릭스는 관련된 분수뿐만 아니라 모듈 및 프로세스 개발의 추가 단계도 보여줍니다.

이제 기계 또는 플랜트에 적합한 제어 시스템에 대한 질문에도 더 쉽게 답할 수 있습니다. 이 주제에 대한 HARTING의 관찰 결과는 다음과 같습니다.

• 주요 기능의 가변성이 높고 공간적 범위가 넓은 시스템에는 전체적으로 분산형 I/O 시스템이 장착되는 경향이 있습니다.

• 결합 구조는 작고 가변성이 큰 시스템을 위해 선택됩니다. 그런 다음 핵심 및 기본 기능의 제어는 중앙에서 설정하고, 추가 기능은 복잡성에 따라 중앙(단순) 또는 분산(복잡한 인터페이스)으로 제어합니다;

• 변동성이 낮은 소규모 및/또는 단순한 시스템의 경우 순수 중앙 제어가 더 간단하고 경제적입니다.

모듈식 생산 시스템과 관련된 거의 절대적인 자유는 인터페이스에 의해 결정적으로 영향을 받습니다. 이러한 구성 요소가 제공하는 전송 용량과 작업 옵션은 시스템의 모듈성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 따라서 인터페이스는 ...

• 항상 전송 경로의 각 요구 사항(전기, EMC 특성)에 맞게 비용 최적화된 방식으로 설계해야 합니다;

• 각 머신 모듈의 크기와 수뿐만 아니라 기술적 매개변수 측면에서 점진적으로 확장할 수 있어야 합니다;

• 재료, 접촉, 장착 및 보호 유형 측면에서 다양한 요구 사항을 충족하고 광섬유 케이블 및 압축 공기와 같은 대체 전송 매체를 통합할 수 있어야 합니다.

_참조

1. VDMA, 맥킨지, 2014, "독일 기계공학의 미래 전망"

2. 롤랜드 버거, 2011, "생산 시스템 2020"

3. M. Bode, F. 뷘팅, K. 가이스도르퍼, "레헨부흐 데어 라이프시클루스 코스텐", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank, 2019, "독일의 기계 공학"

5. ID-상담, "모듈화 전략 2018/2019: 모듈형 제품 아키텍처가 기업 성공에 미치는 영향"