부두 메뉴팩쳐링(Voodoo Manufacturing)
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◇ 제조의 디지털 미래를 쟁취하려는 부두

○ 제조는 현대 사회의 가장 근본적이지만, 접근이 용이하지 않은 구성요소이다. 제조는 우리가 의도하거나, 무심코 사용하는 절대 다수의 부품과 제품을 생산하는 방식이다.

“제작”과는 달리 “제조”는 물체의 대규모 반복생산 과정이라 말할 수 있다. 지난 2세기에 걸쳐 제조 방식은 산업혁명 당시 직물 제작에 사용된 인간 우선 접근법에서 헨리 포드가 도입한 제조라인 구조로, 도요타가 발명한 적기공급 생산방식(just-in-time)으로, 그리고 오늘날의 등장하고 있는 로봇혁명으로 변천해왔다.

○ 부룩클린에 기반을 둔 부두 메뉴팩쳐링(Voodoo Manufacturing)은 플라스틱 부품과 제품을 제조하기 위해 3D 프린팅 기술을 상용화하는 신생 기업이다.

부두는 독특한 제조 접근법을 통해 1개~10,000개의 부품을 사출성형(injection molding) 가격으로 채 2주도 걸리지 않는 기간에 생산할 수 있다.

즉 사출성형으로 비용 경쟁이 가능하기 때문에 부두는 특정 부품을 생산하기 위한 실용적인 대안이 되고 있다. 오늘날에 이르기까지 여전히 3D 프린팅은 제품 원형 혹은 (즉, 맞춤형 의료기기 및 로켓 엔진과 같은) 고가의 부품 생산을 위해 주로 사용되는 기술에 머무르고 있다.

그러나 부두가 추진하는 방향을 3D 프린팅을 통해 보다 일반적인 응용을 위한 실제 최종부품 생산을 가능하게 하는 것이다.

○ 부두는 3D 프린팅을 넘어 납품 소요시간(lead time)이 짧고 맞춤형 제품 생산과 즉각적인 소규모 및 대규모 생산이 가능한 제조의 디지털 미래에 대한 신념을 갖고 있다. 부두의 목표는 그 같은 핵심 목적에 항상 집중해 제조의 디지털 미래를 성취하는 것이다.

◇ 비용절감을 통한 사출성형 방법

○ 지난 2년간의 노력의 결과 부두는 10,000 개 이하의 플라스틱 부품 생산 시장 내에서 편리한 틈새시장을 발견했다. 가장 널리 사용되는 부두 서비스에는 △마케팅 및 홍보제품 △하드웨어 △엔지니어링 부품이 포함된다.

그러나 오늘날 부품 생산은 1만 개 이상의 부품 생산이 대다수를 차지하고 있는 것이 현실이다. 제조방법을 사출성형의 보다 실용적인 대안으로 만들기 위해 부두는 가격 경쟁력을 유지하면서 1만 개 이상의 대규모 생산 능력을 제공하는 것을 목표로 하고 있다.

○ 사출성형은 특정 부품의 백만 단위 이상 생산을 위해 사용될 수도 있다. 따라서 여전히 중요한 영향력을 미칠 수 있는 성취가능 목표의 설정을 위해 부두는 다음 단계로 10만 개 생산을 달성할 필요가 있다고 결정했다.

위 사항에 관해 회사 내부적으로 심도 깊은 논의가 있었고 부두는 향후 3~5년 동안 얼마나 많은 비용을 절감 할 수 있는지 (90% 절감에 달하는 비용)파악하는 작업을 시작했다.

▲ 그래프는 사출성형과 3D 프린팅을 사용해 가상의 부품을 생산한 경우 유효 단가를 비교한다. 우리의 비용을 90% 줄이면 사출 성형이 더욱 비용 효율적이 되는 시점, 즉 "비용 교차점"이 더 많은 부품 수로 밀려난다.[출처=브레인파크]

○ 오늘날 비용은 주로 재료, 기계 및 노동의 세 가지 요소에서 발생한다. 전체 비용의 90% 절감을 위해서는 세 가지 요소 중 각각의 비용을 90% 절감하거나, 이와 동등한 조합으로 절감해야 한다.

○ 재료 비용의 절감이 가장 쉽다. 3D 프린팅 재료비용이 사출성형 공장에서 사용하는 원료 플라스틱 팰릿(raw plastic pellet)비용에 근접하는 것은 시간문제일 뿐이다.

이는 엄청난 수의 재료공급자들 간의 치열한 경쟁으로 인한 것이다. 대규모 현업 재료공급자들이 계속 시장에 진입함에 따라 해당 비용은 계속 떨어질 것이다.

그럼에도 불구하고 비용이 충분히 낮아지지 않으면, 부두는 궁극적으로 사내에서 재료를 수직적으로 통합하고 생산함으로서 중간 공급자로 인해 발생하는 추가 마진을 없앨 수 있다.

◇ 기계

○ 다음은 프린터 시간당 얼마나 요금을 부과해야 하는 지를 결정하는 기계 비용이다. 해당 비용은 특정 비율로 사용했을 때 기계의 예상수명 기간 동안 분할 상환된 기계의 가격이다.

즉 기계 비용을 조정하기 위한 수단이 기계 가격, 수명, 사용률 및 생산량이라는 것을 의미한다. 기술을 통해 초과근무가 향상될 것으로 예상하기 때문에 기계 비용은 같은 수준을 유지할 것이라 생각 한다(물론 값싼 노트북 컴퓨터를 살 수도 있겠지만, 많은 경우 더 나은 기계를 위해 더 많은 비용을 지불한다).

그러나 부두는 예상 성장률을 고려해 보았을 때, 대량구매 및 제조업체 할인을 통해 기계 비용을 줄일 수 있을 것으로 추정한다.

○ 기계 수명은 크게 변하지 않을 것으로 예상한다. 프린터의 수명을 연장할 수 있을 지라도, 부두의 기본 가설에 따르면 기초 기술이 빠르게 향상되기 때문에 부두는 기계의 기능 수행 여부와는 상관없이 몇 년에 한번 씩 기계를 업데이트하고자 할 것이다.

○ 마지막으로, 기계 효율성의 바탕을 이루는 것은 △생산속도 △폐기율 △전체장비 효율성(OEE, Overall Equipment Effectiveness)으로 알려진 장비 활용이다.

하이엔드(high-end) 기술이 로우엔드(low end) 기술에 하향식으로 영향을 미침에 따라 폐기율은 줄어들고 속도는 증가하게 될 것으로 예상한다.

현재 부두 공장에서 160대의 프린터를 가지고 5명의 전일제 공장 근로자들이 주5일 8시간 근무하기 때문에 기계 사용율은 40%이다.

그렇다면 비용은 최소화하면서 기계 사용율을 가능한 100%에 근접하게 끌어 올리는 방법에 대한 과제가 남는다. 이 과제는 비용의 마지막 요소인 노동으로 이어진다.

◇ 노동

○ 오늘날 생산 공정의 대부분은 수동으로 이루어진다. 작업 사이의 프린터 재료 교체에서부터, 완성된 인쇄물을 하베스팅(harvesting)하고 이를 포장 및 운송하는 것에 이르기 까지 부두 공장의 대부분도 여전히 사람에 의해 돌아간다.

인건비 절감은 지난 2년간 부차적인 중점사항으로 다뤄져왔는데, 다소 비효율적인 공정으로도 소량의 사출성형 부품을 통해 가격경쟁이 가능했기 때문이다.

재료 및 기계 비용과 비교해 보았을 때, 비용을 줄이면서 역량을 효율적으로 확장하는데 있어 노동비용은 매우 중요한 경로가 될 것이다.

○ 노동비용 절감은 공정의 불필요한 부분 제거 및 제품 제작과 운송에 필수적인 수동 작업의 자동화로 귀결된다. 이는 모든 제조업체들이 시작한 게임이다.

분명한 것은 이 게임이 가까운 장래에 물건을 제작하는 방식뿐만 아니라 공장 생산현장에서 수동 작업이 거의 완전히 사라진 새로운 세계 경제에 대한 정의를 내릴 것이라는 점이다.

이는 내가 나중에 다룰 흥미로운 동시에 무서운 전망이다. 그러나 부두는 성공적인 미래를 위한 열쇠뿐만 아니라 생존을 위한 필수적인 요소로서 노동을 자동화할 필요가 있다고 본다.

따라서 비용을 유지하거나 낮추면서 역량을 증가시키기 위해서 자동화를 도입할 수 있는 생산 과정의 첫 부분을 파악하기 위한 작업을 시작했다. 바로 프로젝트 스카이워커 (Project Skywalker)가 그것이다.

◇ 로봇 조작 3D 프린터 클러스터를 구축하는 방법- 루크, 포스를 사용해(Use the Force, Luke)

○ 현재 생산 공정의 많은 부분은 인간을 필요로 한다. 일부는 사소하고 반복적이어서 의사 결정을 거의 요구하지 않는다. 또 다른 일부는 추상적이고 항상 변하기 때문에 성공적인 결과를 위해 매우 능숙한 문제해결 능력을 반드시 필요로 한다.

어떤 부분부터 손을 대어야 하는 지 결정할 때 다음과 같은 부분을 고려했다. △자동화가 가장 쉬운 부분 △어떤 자동화된 부분이 우리의 노동요건에 가장 큰 영향을 미칠 것인가 △문자 그대로의 관점 및 대표적인 관점으로 보았을 때 우리 사업이 현재의 위치를 훨씬 뛰어넘어 제조 거인이 될 수 있음을 입증하는 것은 무엇인가.

결국 분명해 진 것은 우리 공정 단계 중 “하베스팅 (harvesting)”의 자동화부터 시작해야 한다는 점이었다.

○ 하베스팅은 빌드 (build)가 완성된 후 프린터의 빌트 플레이트 (build plate, 프린터가 인쇄하는 인쇄물)를 제거하고 다음 프린트를 위해 준비된 새로운 깨끗한 빌트 플레이트로 교체하는 소위 수동 프로세스이다.

현재 우리 공장 근로자들은 프린터를 하베스팅 하는데 상당한 (대략근무시간의 10%에 해당되는) 시간을 사용한다. 심지어 여기에는 인쇄가 완료되고 누군가가 그것을 하베스팅 하고 그 다음 인쇄를 시작하기 전에 낭비되는 프린터 시간도 포함되지 않는다.

사소하고 부가가치가 낮은 작업에 소비하는 시간을 줄일 수 있는 기회일 뿐만 아니라, 프린터를 더 오랜 시간 가동시키기 위해 하베스팅은 속도, 정확도 및 정밀도를 가지고 자신 있게 자동화할 수 있는 작업이면서 거의 수량화가 가능한 완벽한 작업이다.

○ 부두는 원하는 자동화 작업을 파악해 유니버셜 로봇 UR10 로봇 팔을 자동화 방법으로 선택했다. 목표 작업에 충분한 적하능력과 놀라운 정밀도를 갖춘 UR10의 가격대는 저렴하다.

그러나 가장 훌륭한 점은 로봇의 협업 특성이다. 기존의 로봇 팔은 강도 높은 안전 프로토콜과 사용경로 계획을 요구하는 비싸고 거대하고 강력한 기계이다.

반면 협업 로봇은 인간과의 안전한 상호작용을 약속하며 접근 가능한 장치를 제공한다. 부두는 케이지로 둘러쳐진 구역 및 위험 가능성이 상존하는 공장보다는 개선과 상호작용이 기본적으로 자연스럽게 발생하는 친근한 작업장을 선호했다.

○ 부두는 서버 랙 (server rack)에 장착된 3D 프린터 9대로 구성된 데모 시스템의 나머지 부분, 즉, 로봇이 하베스트된 플레이트를 쌓아 놓으면 결국 직원들이 수집하는 트랙, 필요에 따라 새롭고 깨끗한 플레이트를 로봇에 제공하는 주문형 플래이트인 “호퍼(hopper)"를 구축했다.

모든 구성 요소가 갖추어 지자 9 대의 프린터, 플레이트 트랙 및 플레이트 호퍼 사이의 경로를 협력적으로 계획 할 수 있었다. 마지막으로 부두의 사내 소프트웨어를 사용해 프린터와 로봇 간의 소통도 구축할 수 있었다.

어떤 프린터에서 프린트가 끝났는지 로봇 팔에 알릴 수 있었고, 로봇 팔이 프린터에 성공적으로 새 플레이트를 놓았을 때를 알림을 받아 새로운 프린트의 자동시작 신호를 보낼 수 있었다.

많은 어려운 상황과 예기치 못한 문제를 해결한 후, 마침내 결승선에 도달했고, 로봇이 운영하는 최초의 3D 프린터 클러스터를 구축했다.

○ 여러 주기에 걸쳐 전체 시스템을 가동한 후, 마침내 용기를 내 전문 감독자 없이 밤샘 가동을 했다. 다음날 아침, 당시 작업 중이었던 실제 생산을 위한 30개 이상의 프린트가 성공적으로 마무리된 것을 발견했다.

마법과 같은 일이었고, 직원 중 한 명은 이를 두고 “터보 속도 향상(turbo speed boost)"라 말했다. 공장에 배치된 기존 생산 프린터에 비해 주어진 9대의 프린터를 가지고 출력을 3배 늘릴 수 있었다.

왜냐하면 현재 8시간 기준 교대 시간에만 프린트를 하는 것과는 달리 밤새 프린트를 시작할 수 있었기 때문이다. 이 같은 결과에 대해 놀라지 말았어야 함에도 불구하고 이것이 게임 체인저로서 판세를 얼마나 많이 뒤집어 놓을 것인지를 강하게 깨달았다.

○ 9대 프린터 클러스터를 기반으로 추정한 결과, 단일 로봇 팔로 우리 공장 내에서 약 100대의 프린터를 사용할 수 있을 것으로 예상 된다.

로봇을 사용해 우리 공정의 하베스팅 단계만 자동화해도 프린터/직원 비율을 현재의 40에서 대략 400까지 증가시킬 수 있을 것이다.

또한 배치된 각 로봇 팔의 투자회수기간은 3개월로 예상한다. 프로젝트 스카이워커(Project Skywalker)는 대성공을 거뒀고, 부두는 해당 프로젝트를 공장 내에서 본격적으로 전개할 날을 기대하고 있다.

◇ 로봇 자동화가 제조 산업을 변화시키고 미국에 영향을 미치는 방법- 그다지 멀지 않은 은하계(A Galaxy Not So Far, Far Away)

○ 공장 내에서 노동의 자동화를 경험 한 후, 부두는 자동화가 회사뿐만 아니라 더 큰 제조 산업에 던지는 의미에 대한 소중한 통찰력을 얻을 수 있었다.

○ 지난 수십 년 간 제조 산업은 비교 가능한 서비스를 저렴한 가격으로 제공하기 위해 미국을 떠나 해외에 공장을 설립해왔다. 해외 인건비가 낮았기 때문이다.

그러나 이제는 모든 제조 기업들이 비용 절감, 품질 향상 및 생산량 증대를 위한 방법으로 자동화를 바라보고 있다. 중국에 있는 기업들도 마찬가지다.

○ 미국은 각기 다른 일련의 역량에 있어서는 여전히 제조 강국이지만 노동집약적인 생산에 있어서는 그렇지 않다. 실제로 1987년에 비해 그 당시 노동자 수의 2/3에 해당되는 노동자들이 85% 이상 더 많은 제품을 생산하고 있다.

얼마나 많은 제조업과 제조업 일자리가 미국으로 되돌아올 것인가에 대해 모두 이야기 하지만, 미국이 결코 예전 상태로 되돌아가지 못하거나, 예전의 제조업 일자리가 되돌아오지 않을 것이라는 진실을 이해하는 것이 중요하다.

○ 대신 새로운 자동화 기술을 통해 새로운 기회가 창출될 것이다. 기존 제조 기업은 다시 한 번 가격 경쟁을 할 수 있게 될 것이고, 새로운 제조 기업은 제조를 다시 정의하는 완전히 새로운 서비스를 혁신하고 창출할 수 있게 될 것이다.

산업은 번성할 것이고, 재교육, 재훈련 및 고용의 새로운 기회가 열릴 것이다. 이 모든 것을 통해 향후 10년 간 미국의 제조업의 일자리는 순증가하게 될 가능성이 있다.

외국 제조 기업들도 미국 내에 공장을 개설할 것이고 따라서 그들의 고객사 및 최종 고객에 더 가까이 다가갈 수 있다. 이 모든 것을 통해 비용은 낮아지고, 혁신주기는 빨라지고, 제품의 품질은 더욱 높아질 것이다.

○ 부두는 자동화를 단순한 비용절감 수단으로만 보지 않는다. 수천은 아니더라도 수백 명을 고용하는 대기업으로 성장하기 위한 유일한 생존 수단으로 생각한다.

우리가 걷는 길은 이미 많은 회사들이 걷기 시작한 길이다. 그 길을 걷지 않는 기업은 뒤처지거나, 변화하느냐 아니면 사라지느냐를 선택해야 하는 기로에 놓일 것이다.

거대하고 깊이자리 잡고 있는 업계에 도전하는 신생기업인 부두의 주된 무기는 자동화이다. 자동화는 우리의 DNA다.