H. J. Bieker Sama, Germany 편집자주 : 이 논문은 제16회 도자기심포지엄에서 발표된 것입니다. 요약 식기류에 대한 품질관리와 패션에 따른 디자인 요구는 전통적인 성형방법인 롤러성형법과 주입성형법을 대치할 새로운 기술의 개발을 촉진시켰다. 원형접시, 타원접시, 정사각형 혹은 불규칙한 형태 등 크기가 큰 제품의 생산에 스프레이된 과립을 정수압성형에 의한 성형방법이 사용되고 있으며 로봇을 이용한 자동화된 끝마무리 공정이 이용되고 있다. 따라서 수분이 적은 원료를 사용함으로써 건조과정 중에서 결함의 발생을 억제하고 동시에 안정된 성형을 이룰 수 있게 되었다. 이에 비하여 크기가 작은 제품은 레진몰드를 이용하여 가압주입성형법으로 생산이 이루어지고 있다. 이러한 단위공정을 가능한 한 자동화하여 생산인력의 투입을 최소화하고 있다. 예를 들어 손잡이 부분을 가압주입성형하여 자동으로 롤러성형한 컵에 부착시키기도 한다. 노동력을 더욱 절감하기 위하여 모든 공정에서 단위공정별 연결을 자동시스템으로 연결하고 있다. 1. 일반적인 성형 방법 일반적으로 도자기제조에는 두 종류의 성형방법이 있는데, 이는 석고몰드를 사용하는 주입성형 방식과 롤러성형 방식이다. 롤러성형은 원형 접시, 컵, 머그, 사발이 있고, 주입성형 제조에는 타원접시, 커피 또는 차 주전자 등이 있다. 이러한 성형법이 정수압성형(Isostatic Pressing) 또는 프레스성형 방식으로 폭 넓게 대체되고 있으며, 석고몰드를 이용한 주입성형법을 사용하던 다른 형태의 제품에도 계속해서 응용되고 있다. 가. 롤러 성형 원형 또는 거의 둥근 형태의 제품만이 가능한 석고몰드를 사용하는 롤러 공정은 몰드 성형 횟수가 증가됨에 따라 형태가 무뎌지거나 닳기가 쉽다. 또한 몰드의 일정한 성형 특성을 유지하기 위해 성형작업 후 반드시 재 건조되어야만 하며 성형품 역시 약 21%의 수분을 함유한 이유로 건조과정이 필요하며 이 과정은 모두 열에너지가 필요하게 된다. 주로 제품의 품질은 거의 21%의 수분을 함유한 가소성 점토에 영향을 받는다. 이는 성형 시에 제품이 뒤틀리기 쉽고, 소성 후 제품 변형의 원인이 된다. 석고 몰드는 쉽게 마모 되기 때문에 성형품의 두께나 무게가 몰드의 사용기간에 따라 달라질 수 있다. 이러한 전통적인 롤러머신에 의한 성형이 지난 십 년간 다음과 같은 장점 때문에 정수압성형방식으로 대체 되고 있다. ·양질의 높은 생산량 ·에너지 절약형 공정 ·성형 가능한 형태의 다양성 ·노동 및 에너지 집약적인 몰드 생산과 폐 몰드의 처리에 대한 불필요성 ·한 시간 미만으로 단축된 기계 교체시간 나. 주입 성형 석고 몰드를 사용한 주입성형은 롤러 성형에 비해 다소 불편한 점들이 있다. 게다가 전통적인 주입성형과정은 생산속도가 느리고 성형 시 많은 몰드가 필요하다는 점 때문에 수지 몰드를 이용한 가압주입성형방식으로 폭 넓게 대체되고 있다. 수지몰드의 장점을 열거하면 다음과 같다. ·더욱 단축된 사이클 시간 ·한 개의 제품에 단지 한 개 몰드 사용 ·몰드에 대한 사전준비조건이 불필요 ·기계는 3교대로 운용될 수 있다. ·몰드에 대한 건조 필요없음 ·훨씬 작아진 몰드 작업장과 몰드 제작인원 2. 시장 상황 90년대 초까지 시장의 전개는 비슷한 가격대, 디자인, 모양이 주류인 지역시장으로 정의 될 수 있다. 국제 경쟁은 중저가 제품에 대한 소수의 공급자들로 주로 국한되었고, 가격대는 생산자에게 만족스러웠고 수작업 역시 가능했다. 이러한 환경에서 자동화에 대한 필요는 거의 보이지 않았다. 자동화 기술은 단지 개발 중이었고, 특히 신속 소성기술은 완전이 이용되지 못했다. 90년대 중반 세계화의 물결은 저가격대의 상품으로 중저가시장을 침범했다. 인건비는 전체 상품원가의 약 45%차지하는 주된 요인이다. 외주생산은 know-how를 이전하게 되는 결과가 되었고, 외주제품의 품질이 향상 됨으로써, 외주업체라는 파트너가 더욱 강력한 경쟁자가 되었다. 따라서 고인건비를 해결하기 위하여 생산자들은 자동화 생산에 더 많은 투자를 할 수밖에 없었다. 판매자는 재고를 감소시켰고 생산자로 하여금 적시공급 방식을 요구했다. 근대의 성형기술과 신속 소성은 생산 소요시간을 48시간 이하로 낮추었다. 3. 최신 성형 방법 정수압성형, 가압주입성형방법으로 인하여 자동화된 끝마무리, 제품의 운반처리와 함께 성형품의 자유로운 형상변화와 성형품 형상 교체 시간 단축이 가능하게 되었다. 현재 형상교체에 필요한 시간은 전체 공정상에서 한시간 이내로 이루어지고 있다. 가. 정수압성형(Isostatic pressing) 다음에 있는 접시를 롤러머신 또는 주입성형으로의 생산한다면, 품질이 저하 되거나 아니면 생산이 불가능하다. 만약 주입성형법으로 성형된다면 끝마무리 부분이 여러 번의 성형으로 인해 마모되어 모난 부분을 잃게 될 것이다. 이에 비하여 정수압성형은 수천번의 성형에도 마모 되지 않고, 모난부분도 날카로움이 유지 된다. 모서리가 90。로 구부러진 사각접시는 석고 몰드를 이용한 주입성형방식으로 생산 할 수 있으나 모서리 부분이 덜 정교하고, 주입 후 접시가 무르므로 끝손질이 매우 어렵우며 게다가 뒤틀림을 피할 수 없다. 이들 접시를 정수압성형법을 이용하여 생산한다면 끝마무리 처리를 포함하여 전자동으로 생산 가능하며, 물론 높은 생산성과 최고의 품질을 유지할 수 있다. 로봇을 이용한 끝마무리기기를 이용한다면 기존과는 다른 수준으로 세밀히 모서리와 가장자리를 처리 할 수 있는데, 이는 전통적인 끝마무리처리로는 불가능하다. 석고몰드 낱개 제작 비용과 정수압성형법의 생산비용을 비교하면 110,000pcs 범위 이상부터는 정수압성형이 저렴하게 비용이 소요된다. 이 비교는 순수한 몰드/형틀 비용만을 고려하였고, 다른 모든 정수압성형공정의 이점은 무시되었으나 명백히 정수압 성형의 장점을 보여주고 있다. 정수압 방식의 이점은 양각이 있는 제품 생산 시, 석고 몰드의 성형 회수가 감소될 때 특히 명백해 진다. 이러한 정수압성형에는 정수압성형틀의 디자인이 생산품의 품질에 매우 중요한 영향을 미치게 된다. Sama의 형틀은 부품이 마모 되는 것을 가능한 피하도록 고안되었는데 이는 충진 미끄럼틀 옆의 움직이는 부품들을 제거함으로써 가능해졌다. 이 Sama 형틀은 제품을 기계적으로 누르지 않는다. 기계적인 누름은, 가장자리와 하부에 압력이 가하여지면서 이 압력하에서 제품내의 공기가 쉽게 제거 되는 것에 방해 된다. 그러므로 Sama에서는 제품에 유연한 얇은 메브레인을 통한 압력(약 300bar의 균등한 오일압 )만을 적용한다. 형틀 비용은 제품이 시리즈로 디자인 되면 감소 된다. 비슷한 제품군은 정수압성형의 일부부품만을 교체함으로써 다른 형태를 제조할 수 있게 한다. 대표적으로 접시를 5개의 기본 몰드로써 10cm부터 32cm의 제품을 생산 할 수 있다. 정수압성형공정에서 매우 중요한 것은 스프레이 드라이된 과립의 품질이다. 스프레이 드라이어 공정에 있어서 과립의 입도분포 목표는 약 325㎛(d50)이다. 너무 거친 입자는 충진 스라이드를 막을 수 있고, 반면에 매우 미세한 입자는 충진하는 동안 몰드에서 공기가 빠져나가는 것을 막는다. 이를 달성하기 위하여 스프레이 드라이어는 작동지침(슬립압력, 온도, 슬립비중 등)에 맞게 설치되어야 하고, 첨가제 사용량이 적정한 양으로 일정하여야 한다. 정수압성형을 사용함에 있어서 또 한가지 사실은 열에너지의 절약이다. 1kg의 제품으로 보면, 스프레이 드라이어 공정에서 증발되는 전체 물의 양은 젯트건조 방식보다 많지만, 실제 건조에 필요한 열에너지는 오히려 적게된다. 이는 스프레이 드라이어는 재료와 물만 데워지면 되는 반면, 젯트 건조는 대략 6 kg의 석고 몰드가 매 성형과 건조 사이클마다 데워져야만 하기 때문이다. 이와 비교하여 롤러성형의 경우 약 22% 초기 수분을 줄이는데 필터프레싱에 의한 에너지가 소모되며 이 과정에 인력이 포함된다는 점을 고려하여야 한다. 롤러성형방식과 정수압성형에 있어서 개당 생산 비용의 계산은 개별적인 변수가 있으므로 공장마다 다를 수 있다. 그러나 여러 생산자에서 얻은 평균값을 적용함으로써 합리적인 결론에 도달할 수 있다. 계산에 정수압성형방식으로 생산된 제품의 품질이 끼치는 영향을 반영하기는 불가능하다. 특히, 롤러머신으로는 생산 할 수 없지만 정수압성형으로 생산된 특이한 모양의 제품에 따른 높은 이윤은 정수압공정에 대한 선호도를 높였다. 정수압성형에 의한 방법에는 single head press와 double head press가 있으며 원형, 꽃줄무늬, 불규칙한 형태, 그리고 사각제품의 생산에 적합하다. 서로 다른 press model에서 press된 제품의 크기는 각각의 개별 press 종류에 따라 22cm, 38cm, 최대 45cm까지 다양하다. 모든 press는 원형 또는 불규칙한 형태의 끝손질을 위한 기기를 갖출 수 있다. Press head 당 평균 용량은 매우 다양하며 큰 제품에 대하여 시간당 약 250개, 작고 둥근 제품은 시간당 약 500개 까지 가능하다. 로봇 끝손질기는 사각형, 타원형, 삼각형 심지어 테두리가 다른 모양인 접시같이 불규칙한 모양의 제품에 사용된다. 이들 제품은 정수압성형방식에서만 합리적인 품질과 수량이 생산될 수 있고 시장에서 굉장한 인기가 있다. 세개의 로봇 끝손질기는 press에 의해 생산된 후 처리량을 조절하는 중앙 table 주위에 위치한다. 각각의 로봇은 한개의 기물을 완벽하게 끝손질한다. 연마와 스폰지마감 과정 사이의 이동은 필요치 않다. 통제 프로그래밍은 미리 기억된 기기 디자인이 있는 CAD 파일에 의해 이뤄진다. 이 방법이 가용하지 않다면 조이스틱의 조작에 의해서 통제된다. 세개의 로봇중에서 다른 두개의 로봇이 계속 작동하는 동안 한개의 로봇에 명령을 전달하는 것도 가능함으로 전체 시스템이 중단되지 않고 동작 가능하게 된다. . 일단 어떤 제품에 대한 프로그램이 저장되면 같은 제품이 재 생산될 시에 다시 불러와 사용할 수 있다. 개별적인 pressing 특성 때문에 서로 다른 용량을 지니고, 독립적으로 작동하는 press head가 있는 정수압성형에서 두 가지의 다른 제품이 생산 될 수 있다. 가. 가압 주입 성형 주입성형공정에 주로 고려되는 것은 성형에 필요한 시간과 필요한 몰드 수량이다. 주로 주입성형에 대한 착육소요시간은 성형의 싸이클과 관련이 있다. 제품을 만드는데 전통적인 방법으로 착육을 하는 것은 석고 몰드의 모세관 힘에 의해서만 영향을 받음으로 몰드의 조건에 따라 예정된 제품 두께를 만드는데 상당한 시간이 걸릴 수 밖에 없다. 만약 3교대 성형작업이라면 거의 불가능하다. 몰드는 수 차례의 성형 후에는 조정이 필요하다. 만약 몰드가 너무 젖으면 성형작업에 걸리는 시간은 늘어나고 제품이 너무 물러진다 그래프는 자기 소지류의 착육시 16분 후에 약 4mm의 두께에 도달함을 보여준다. 가압성형 공정을 이용하면 이 시간이 상당히 단축된다. 보통 30bar의 슬립 압력에서 4mm의 두께에 도달하는 시간은 대략 50초 정도일 뿐이다. 그러나 너무 높은 고압은 제품에 너무 많은 장력을 주어 소성 시 금이 가기 쉽다. 게다가 설비는 훨씬 더 강해야만 하고 이는 필요 없는 비용투자를 증가시킨다. 가압성형 몰드는 수지성분을 이용하여 만들어진다. 이 몰드는 몰드 청소때나 성형 후에 제품을 분리할 때에 물과 압축공기가 통과되는 완전 다공성 블록으로 이루어져 있다. 몰드는 성형전후 건조와 같은 특별한 과정이 필요 없으며, 가압성형공정에서 3교대 작업이 가능하다. 식기류에 사용되는 수지재료는 또한 위생도기 몰드에도 사용된다. 특정한 형태의 제품에 대한 생산 결정에는 가압성형이든 또는 정수압성형이든 생산 할 제품의 몰드 혹은 형틀의 비용이 필요하다. 제품당 45,000개 이상이 만들어져야 정수압성형이 비용상 유리함을 보여주고 있다. 비록 Isostatic pres ing 형틀에 대한 초기 투자비용이 높다하더라도 실제 형틀의 수명이 영구적임으로 향후 비용을 고려하면 더 저렴할 수 있다. 이에 비하여 가압성형 몰드는 평균적으로 대략 15,000번 성형 후에 교체되어야 한다. 가압성형설비는 싱글 혹은 더블 헤드로 설계 되어지는데 그 조건은 아래와 같다. ·헤드의 밀폐(조임)압은 100톤. ·최대 슬립 압력은 40bar. ·최대 몰드 칫수는 900×900mm이며 최대 높이는 150~300mm. ·최대 생산 가능 제품의 크기는 헤드당 2.500cm2. 자기 또는 유사한 소지의 대표적인 성형 시간은, 개별 특성에 따르지만 대략 90초가 소요 된다. 나. 컵과 손잡이의 가압 성형 가압주입성형방식으로 접시류만 성형 할 수 있는 것이 아니고 다른 모양의 생산도 가능하다. 최근에 가압성형으로 생산한 컵의 손잡이를 절단이나 끝손질 없이 컵몸체에 부착하는 기술이 개발되었다. 가압성형으로 만든 컵의 손잡이를 생산하고 진동을 이용하여 접합하는 기술이 최근 물레성형 방식의 컵과 머그 뿐만 아니라, 가압성형으로 만든 컵까지 적용가능하게 되었다. 굽이 있는 컵이나 팔각모양 또는 둥글지 않은 모양이 필요할 때에는 특히 이 기술이 유용하다. 이 설비는 컵 제조 가압성형 설비(6개의 독립적인 몰드로 이루어진)-이동라인-표면 건조기-로봇 끝손질기-진동에 의한 부착까지 포함한 손잡이 제작용 가압성형 설비로 구성된다. 손잡이가 달린 컵에 대한 생산비용을 계산해보면, 손잡이 부분이 가장 비용이 많이 든다는 걸 알 수 있다. 이는 일반적으로 상당한 인력이 필요한 석고 몰드에서 성형, 수작업으로 분리, 절단과 마감 작업이 이뤄져야만 하기 때문이다. 모든 식기류 제조업체들은 표준형의 컵의 생산에 사용되는 롤러머신을 갖고 있다. Sama는 기존의 설비인 컵 롤러라인과 병행하면서 손잡이를 생산할 수 있는 가압성형설비를 개발했다. 손잡이 제조와 접합의 전 공정은 사람의 손을 전혀 거치지 않고 완전 자동화가 이루어졌다. 이 설비는 인건비를 상당히 낮췄고, 이를 사용하는 유럽의 공장들은 3~4명의 작업자를 대신하는 결과를 가져왔다. 손잡이를 붙이는 것은 손잡이가 컵 몸체와 접촉하는 순간에 컵에 진동을 가하는 것에 의해 이뤄진다. 접합 단계에서 진동작용은 부분적으로 컵의 몸체를 녹여서 추가적인 슬립 없이 핸들을 고정시키게 된다. 손잡이 제작용 가압주입성형설비에 사용되는 수지 몰드는 거의 이음새가 보이지 않을 정도의 정밀도로 만들어 짐으로 손잡이의 어떠한 마감처리도 필요치 않다. 또한 접합 부분은 어떠한 접합 슬립도 사용되지 않기 때문에 마감작업 또한 필요치 않다. 최근의 개발은 속이 빈 제품의 가압주입성형방식에 집중되었다. 그러나 기계 부분에 대한 개발은 실질적으로 해결되었으나 공정 중의 재료부분은 여전히 과제로 남아있다. 제품의 내부 표면이 배출주입성형 방식으로 생산 되면 그 품질은 슬립의 흐름성과 큰 관련이 있다. 만약 슬립이, 성형 중 배출 시에 흐름이 좋지 않으면 품질에 영향을 미치는 흠이 보일 수 있다. 4. 결론 이미 현재 생산 방식은 꽤 효과적으로 발전되었고, 향상되었기 때문에 제조 설비의 향후 개발은 기존 것을 더욱 세부적으로 조율하는 것에 초점이 맞춰질 것이다. 만약 제품 디자인에 대한 새로운 유행이 나타나면 미래에는 특별한 생산설비가 필요하다는 것은 명백하다. 특히 완전자동화를 필요로 하는 공장에서는 자동화에 관련되어 제품을 취급하는 기술개발의 향상을 필요로 한다. 속이 빈 제품의 매우 복잡한 모양, 생산량에서 차지하는 낮은 비율로 이 분야에 노력이 거의 투자되지 않았지만, 완전 자동생산의 목표에 도달하기 위해서 이 분야의 생산에 대한 연구가 앞으로도 많이 이뤄져야 한다.