유체 시뮬레이션 기술을 활용하여 알게 된 사실

「R기술 회전도장」과 일반적인「그믈 도장」및「스핀들 도장」에 유체 시뮬레이션 기술을 활용해 알아낸 것을 소개합니다.

유체 시뮬레이션을 통하여 회전도장을 추구

　당사에서는 적은 도료로 높은 생산성과 고품질을 양립시키는 「R의 기술 회전도장」을 추구하여, 그 고도의 기술을 활용한 도장로봇 시스템을 다수 제공하고 있습니다.
　R의 기술이란:타쿠보엔지니어링(주)이 오랜 세월 회전도장을 추구해 온 기술의 총칭입니다. 회전뿐만 아니라 도료사용량을 「극한까지 추구할 수 있은」각종 설비를갖추고 있습니다.
　현재 도장의 DX(디지털 변환)를 향해 점차 변혁하는 티칭 어시스트 소프트 「SWANIST」 의 개발을 진행하고 있습니다.이 진화형 소프트웨어는 도료와 작업의 낭비를 철저히 분석하고 제거하기 위해 유체 시뮬레이션과 인공지능 (AI)을 적극 활용하고 있습니다.
　본고에서는 당사가 제창하고 있은「R의 기술 회전도장」과 일반적인「그물도장」 및「스핀들도장」을 유체시뮬레이션 기술로 시각화와 수치화해서 알게 된 것을 소개합니다.

1. 도장에 유체 시뮬레이션 기술을 적용하면 무엇이 보이는가.

　도장 시뮬레이션은 스프레이건에서 분출되는 입자 하나하나를 운동방정식에 따라 계산해 추적하기 때문에 분무 입자가 기류의 영향을 어떻게 받는지 관찰해 분석할 수 있습니다. 　또 분출되는 입자수와 워크에 도착한 입자수를 카운트할 수 있어 낭비되는 도료의 양을 쉽게 산출할 수 있습니다.
(도착효율 및 도료사용량의 산출)

2. 도장 시뮬레이션을 통해 알게 된 사실

　시뮬레이션의 대상은 당사가 제창하고 있은 「R 의기술 회전도장방식」과 일반적인 「그믈 도장방식」및「스핀들 도장방식」입니다.해석 조건으로서는 가능한 한 현실적인 조건을 설정하고 있습니다.
　세 가지 도장 방식을 비교 시뮬레이션한 결과는 다음과 같습니다.

①「그믈 도장방식」과「R 의기술 회전도장방식」의 도착효율 비교 결과　※동일한 워크를 그물 또는 링 위에 놓고 비교했습니다.

• 그믈도장의 도착효율　　　　　　　：【19.3％】
• R의 기술 회전도장의 도착효율　：【45.3％】

②「스핀들 도장」과 「R 의기술 회전도장」의 도착효율 비교 결과

• 스핀들 도장의 도착효율　　　　　：【7%】
• R의 기술 회전도장의 도착효율　：【42.3%】
• ※R의 기술 회전도장은 그림3의 오른쪽과 같이 컨베이어를 추종하는 SWAN-C를 상정.
  ※신형로봇「SWAN-C」에 대한 자세한 내용은 생략합니다.(2020년 11월증간호참조)

①、②의 해석결과에서 R기술 회전도장의 도착효율은 그믈도장의 약 2배, 스핀들도장의 약 6배인 것으로 나타났으며 R의 기술 회전도장은 도착효율이 좋은 방식인 것으로 증명됨.

3. R기술 회전도장의 도착효율이 좋은 이유 (그믈도장과의 비교)

　유체해석에서는 도착률이나 도료사용량 산출뿐만 아니라 시간에 따라 현상을 분할해 세밀 하게 분석할 수 있습니다.　스핀들 도장에 대해서는 워크가 통과하는 부분도장이여서, 비교 대상이 되지 않기 때문에 생략하기로 하고, 여기서는 그믈도장과 비교합니다.

＜이유 1＞

　그믈도장에서는 원리적으로 좌우의 반환점에서 도료를 반드시 버립니다.　또 그림4와 같이 에지부분을 칠하기 위해서 대부분의 도료를 낭비하여 사용하고 있습니다.

＜이유 2＞

　그믈도장에서는 스프레이건이 고속으로 이동하기 때문에 도착하기 어려운 상태로 되어 있습니다.이를 증명하기 위해서는 같은 조건에서 비교할 필요가 있기 때문에 스프레이건이 이동하는 경우와 워크가 이동하는 경우를 해석했습니다.　워크가 이동하는 회전도장의 원리를 이미지한 것이 그림5의 오른쪽이고, 스프레이건이 이동하는 그물도장을 재현한 것이 그림 5의 왼쪽입니다.

　그림5에서 볼 수 있듯이 그믈도장에서는 스프레이건이 빠르게 이동하기 때문에 미스트가 확산되고 있음을 알 수 있습니다.　미스트가 확산되면 워크에 도착하는 확률이 줄어들기 때문에, 도착하기 어려운 상태가 됩니다.　한편, 워크가 이동하는 경우는 워크가 움직이고 있음에도 불구하고 미스트가 안정되어 있은 것을 알 수 있습니다.　미스트가 안정되면 워크에 도착하는 확률이 높아지기 때문에 도착효율이 올라가게 됩니다.

　그림6는 미스트의 확산을 알기 쉽게 한 그림입니다. 왼쪽의 스프레이건이 빠르게 이동하는 경우 (그믈도장) 미스트가 확산되어 입자 속도가 느려지는 것을 확인할 수 있습니다.
스프레이건이 이동하면 멈춰 있은 공기에 미스트가 부딪혀 확산,감속해버립니다.
스프레이건의 이동 속도가 더 빨라지면 그 경향은 현저해져 더 도착하기 어렵게 됩니다.
　한편, 우측의 워크가 고속으로 이동하는 경우 (R기술 회전도장)는 스프레이건이 천천히 이동하기 때문에 미스트가 안정되고 입자 속도도 유지되기 때문에 도착효율이 올라가게 됩니다.

＜이유 3＞

　R의 기술 회전도장에서는 워크 직경마다 최적의 주속을 구하고 있습니다. (그림7의 오른쪽 그래프) 때문에 워크사이를 통과하는 조금의 미스트도 주워서, 워크에 부착시키고있습니다.　그림7의 왼쪽그래프에서는 세로축이 막두께,가로축이 주속으로 되어 있지만, 최적의 주속에 의해 도착효율이 높아지는 것을 알 수 있습니다.모든워크의 최적한 회전수는 주속으로부터 산출하고 있습니다.

　그림8은 워크가 정지하는 경우와 워크가 고속으로 이동하고 있은 경우를 일러스트화한 것입니다.　워크가 정지하는 경우 (그믈도장)는 워크사이의 틈을 미스트가 통과하여, 일정 비율의 도료가 낭비되지만, 워크가 고속으로 이동하고 있은 경우 (R의 기술 회전도장)는 틈을 통과할 입자도 주워서 워크에 부착시킬 수 있습니다.　때문에 워크사이의 오버 스프레이도 줄일 수 있습니다.

「R기술에 의한 회전도장」의 도착효율이 좋은 이유를 이하에 정리합니다.

• 첫째, 좌우 반환점이 없어 오버 스프레이가 적다.
• 둘째, 미스트의 흐트러짐이 없고 안정되어 있다.
• 셋째, 워크사이를 통과하는 미스트가 줄어든다.

4. R의 기술 회전도장의 생산성이 높은 이유(그믈도장/ 스핀들도장과 비교)

　그믈도장으로 생산수를 올리려면 원리적으로 스프레이건의 이동 속도를 높여 토출량을 높이는 방법 밖에 없습니다.이에 따라 도장 조건이 바뀌어 품질과의 양립이 어려워집니다. 또 반환점에 의한 오버스프레이가 많기 때문에 생산량을 늘리면 늘릴수록 더 많은 도료를 버리게 됩니다.
　다음으로 스핀들도장으로 생산량을 올리는 경우에는 이쪽도 원리적으로 컨베이어 속도를 올리는 것밖에 방법이 없습니다. 또 컨베이어 속도가 빨라질수록 도착효율이 떨어지기 때문에 고정 스프레이건의 수를 늘리고 토출량도 높여야 합니다.
　스핀들 도장의 시뮬레이션에서는, 컨베이어 속도에 비례하여 도착효율이 내려가는 것을 확인할 수 있고, 또한 컨베이어 속도에 비례하여 스프레이건의 수량과 토출량을 각각 올릴 필요가 있은 것도 확인할 수 있습니다.(표1)

※표1의 상단이 「도착효율」, 하단이 「막후계수」
※「막후계수」는,표1좌측상단의 컨베이어 속도 4m/min의 막후를 100으로 한 상대막후.

한편, R의 기술 회전도장에서는, 복수링을 동시에 칠하는 것으로 생산수를 올리는 것이 가능하게 되어 있습니다.(그림9)

• 복수링을 고르게 칠하는 조건으로는 똑같은 스프레이건을 탑재합니다.
• 계량토출할 수 있은 실린지 펌프를 탑재하는 것입니다. 이로 하여 도장 조건을 바꾸지 않고 품질을 유지한채 생산수를 올리는 것이 가능해집니다.

5. 마지막으로

　도장을 둘러싼 환경은 나날이 변화하고 있으며, 최근에는 특히 환경에 대한 대응이 필수로 되고 있습니다. 앞으로의 시대는 도료도 설비도 시대에 맞은 변화가 요구됩니다.
　로봇이 피도물을 쫓아가는 종래의 도장 방식은 소물워크든 대물워크든 원리적으로 효율이 나쁘고 도료의 낭비가 많은 것으로 분석되였습니다. 반면 스프레이건이 천천히 움직이면서 워크가 회전하는 R의 기술회전도장은 원리적으로 도료 낭비가 적은것으로 증명되였습니다.
　앞으로도 최신기술을 구사해 시대의 변화와 환경의 변화에 대응하는 도장시스템을 개발하여 사회과제의 해결에 기여할 수 있으면 좋겠다고 생각합니다.

도장 기술 60주년기념호 7월 발행

기술개발부 고지마 히카르／技術開発部　　小島　光