공정설계 (Process Design)

 

<기출>

• 23-4-6 공정설계에 있어서 생산 적합성 판단과 관련하여 다음을 설명하시오. (a. 생산능력의 정의와 중요성 b. 생산관련 의사결정에서 고려사항 c. 생산능력 측정의 목적과 효과 d. 생산능력 측정지표의 가동률, 효율성, 실제 산출량)
• 21-2-5 공정설계(Process Engineering)의 기능을 설명하고 공정도(Process Drawing)에 포함되어야 할 사항들에 대하여 설명하시오.
• 20-4-5 효율적 공정관리를 위한 생산계획의 요소에 대하여 설명하시오
• 17-2-6 제조시스템의 개별공정, 흐름공정, 프로젝트공정, 연속공정을 각각 설명하시오
• 17-3-4 제품가공 공정설계 수행 시 신규 장비를 선정해야 할 이유 3가지와 신규 장비를 선정할 경우 필요한 정보를 얻을 수 있는 방법 6가지를 설명하시오.
• 15-2-3 복합공정을 분류하고 장단점을 설명하시오.
• 15-2-4 범용장비와 전용장비의 장점을 설명하시오.
• 13-1-10 제조공정설계를 완전하게 마친 후에 작성되는 결과물 3가지를 쓰시오
• 13-1-11 QC공정도를 설명하시오
• 13-1-12 제품설계와 제조공정설계의 근본적인 차이점 및 공동의 목표에 대해서 각각을 설명하시오
• 12-1-12 공정설계를 위하여 제품도를 분석할 때 고려해야 할 항목을 설명하시오
• 12-3-6 제품설계와 공정설계의 목적을 각각 3가지 설명하시오
• 12-4-5 공정설계시 공차도표의 목적을 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 공정 설계의 정의

 제조공정설계는 제품을 생산하고자 할 때 그 제품의 제조과정, 즉 공정(Process)에 관한 것으로, 원자재를 이용하여 도면을 따라 제품을 제조해 나가는 과정을 효율적으로 설계하는 것 

어떤 제조과정으로 생산하느냐에 따라 제품 생산시간, 생산난이도, 생산가능여부가 달라짐 

각 제조공정에서 사용해야할 장비의 선택, 도면설계상의 재조효율성, 공구의 선택, 전용기 적용 여부 등 여러가지 생산조건 또는 생산 방법에 따라 공정의 생산 효율은 달라질 수 있음 

(1) 제품 제조 공정의 구분

① 주조 (Casting)

② 몰딩 (Molding)

③ 절삭 (Cutting)

④ 성형 (Forming)

⑤ 용접 (Welding)

⑥ 조립 (Assembly)

⑦ 판매, 물류, 조정, A/S

 

(2) 제조공정설계 관련 기계류 

① 주조 및 단조 기계

② 절삭기계

③ 사출 금형

④ 성형기계

⑤ 용접기계

⑥ 조립기계

⑦ 물류기계 

 

 

2) 공정 설계의 기능 (장점)

• 생산 과정 계획 : 원자재 조달부터 제품 완성까지 모든 단계를 계획하고 설계
• 작업지시 
• 설비 및 자재 관리
• 품질 관리, 안전 관리 
• 생산비용 관리
• 생산 효율성 향상 (작업 시간 단축, 병목 현상 해소, 자동화 도입)
• 품질 향상 (불량률 감소, 검사 및 테스트 효율화)
• 생산 비용 절감 (재료 및 에너지 절약, 생산 효율성 향상)
• 안정성 향상 (안전장비 및 시스템 도입, 안전 교육 및 훈련 강화, 안전 작업 지침 마련)

3) 공정의 제한 사항 / 고려사항 

(1) 공정 선택 / 설계시 고려사항

① 시장 여건 (market condition)

② 소요 자본 (capital requirement)

③ 노동력 (labor)

④ 관리 기술 (management skill)

⑤ 원자재 (raw material)

⑥ 기술 (technology)

(2) 공정의 제한 사항 (공정 순서 결정 중)

① 자본 집약도 : 공정에 투입되는 장비와 인간의 숙련 기술 간 구성비 검토

② 자원 유연성 : 생산설비나 종업원 등 자원의 유연성 정도 → 수명 주기 검토 

③ 수직적 통합 : 원자재 획득부터 최종 제품의 납품까지 전체 공급망 검토

④ 고객 참여도 : 고객이 생산 공정이나 서비스 과정을 검토 

 

3) 공정 설계의 최종 결과물 

① 제작 / 외주 결정

사내 외 외주에서 가공하거나 구매가 필요한 부품을 충분히 검토하여 결정

 

② 공정 형태 결정

생산 흐름(work flow)으로 생산활동의 공간적, 시간적 진행 형태와 작업 진행의 순서, 경로, 시간적 특성 등에 의하여 파악 

공정형태는 개별공정, 흐름공정, 프로젝트 공정, 배치공정, 연속공정, 복합공정 등이 있음

 

③ 가공방법 결정

출도된 도면을 확인하여 공작기계의 연계성을 충분히 검토

부품 제작을 위한 흐름을 효율적으로 운영  

공정설계시스템의 흐름도

 

4) 제품 설계와 제조공정 설계의 차이점, 각각의 목표, 공동의 목표 

제품 설계는 "무엇을" 만드는가에 대한 활동 (제품의 기능, 성능, 외관)
제조 공정 설계는 제품을 "어떻게" 만드는가에 대한 활동(제품을 생산하기 위한 과정을 설계) 

(1) 제품 설계와 제조공정 설계의 차이점

구분	제품설계	제조공정설계
초점	기능, 성능, 외관	생산성, 효율성, 품질
결과물	제품 스펙, 도면, 모델링	공정지침, 공정도, 작업지시서, 설비배치
고려사항	시장요구, 사용자 경험, 기술 트렌드	생산비용, 자재, 생산 능력

 

(2) 제품 설계와 제조공정 설계 각각의 목표

제품 설계 

• 기능 및 성능 확보
• 경쟁력 확보
• 품질 및 안전 
• 고객 만족

제조공정 설계

• 생산성 향상
• 품질 확보 (공통)
• 생산 효율성 증대
• 납기 시간 단축
• 유연성 확보 

(3) 제품 설계와 제조공정 설계 공동의 목표

① 고품질 제품 생산 

② 생산 비용 절감 (제품 설계시 생산성 고려, 제조 공정시 최적화)

③ 시장 출시 기간 단축 

이를 위해 제품 설계단계에서 생산성을 고려(제조 공정을 고려)하고, 제조 공정 단계에서 제품 설계를 검토하고 (생산가능성을 높이고 문제를 사전 예방) 이를 위해 담당자간에 지속적인 정보 공유 및 소통이 필요함 

 

5) 제조를 위한 설계 (DFM; Design for Manufacturing)

DFM은 경제적이고 용이하게 생산되도록 제품을 설계하는 것 
제조가 용이하도록 제품 설계의 특성을 파악하며, 가공하고 조립하기 쉽도록 부품을 설계하며, 제품 설계와 공정 설계를 통합하는 것 (제품 설계단계부터 공정설계자와 제품설계자가 협업하여 진행) 

(1) DFM의 의의(장점)

• 제품 품질 개선
• 제품 설계와 제조 시간, 비용 절감 

(2) DFM 지침

• 부품 개수 최소화
• modular design 적용
• 여러 용도를 위한 부품 설계 (공용화 설계)
• 분리된 고정구를 피함
• 조정을 삭제
• 이동 최소화
• 조립을 쉽고, 풀프루프 설계, 가능하면 top-down assembly로 설계
• 도구 사용을 피함
• 하위 조립을 최소화
• 가능하면 표준화된 부품 이용
• 운영 단순화
• 효율적 검사 및 부품 대체 설계
• 반복적이고 이해하기 쉬운 공정 활용
• 변동에 견디도록 설계 (여러 제품에 이용할 수 있도록, 안전계수 등을 높게) 

 

2. 공정의 분류 (공정 형태)

생산성 (산출 / 투입) = 생산시스템의 효율을 평가하는 척도 
수익성 (수익 / 투자비) = 투자대비 회수된 수익 
생산성 지수 (비교시점의 생산성 / 기준시점의 생산성) = 어느 시점의 생산성을 기준시점과 비교하여 나타낸 지수 

 

1) 개별공정

• 다품종 소량생산 (고객의 주문에 따라 이루어짐) 
• 양산에 대한 경제적 효과(규모의 경제)를 이룰 수 없기 때문에 대량생산이 어려운 제품에 유리한 공정 
• 예시 : 항공기, 조선, 맞춤 양복 (주문을 받고 이루어지기 때문에 수요 변화에 대한 대응이 쉬움, 재고를 미리 준비할 필요가 없음)

2) 흐름공정, 조립라인 공정 (assembly line process)

• 제품의 흐름이 직선적으로 컨베이어 시스템에 의해 생산
• 이동 제품은 동일한 생산과정을 반복적으로 거쳐 대량생산
• 제품별 설비배치 (자동차, 냉장고, 컴퓨터 등)
• 조립라인 공정은 매우 효율적이지만 유연성은 떨어짐 

3) 프로젝트공정 (Project Process)

• 유일한 독창적인 제품의 개별적인 생산 (빌딩, 댐, 교량, 고속도로 비행기 및 선박, 영화나 예술품 등)
• 제품의 흐름은 없음
• 프로젝트 완성에 필요한 많은 세부 과업들이 선행 관계에 따라 연결되어있음
• 자동화가 어렵고 보통 범용설비가 사용됨
• 생산계획 및 일정관리가 어려움 (여러 프로젝트가 동시다발적으로 진행)

프로젝트공

4) 연속공정 (Continuous Process)

• 제당, 제지, 정유, 전력 등 연속 생산에 사용되는 제품 
• 연속적인 방법으로 생산되어 매우 표준화되어있음
• 대량으로 생산
• 차별화가 어렵고 가격에 민감한 일용상품 생산, 낮은 원가가 주문 획득의 요인
• 생산원가는 낮고 효율성은 높지만 유연성은 매우 떨어진다 (대량 생산이 전제된다)

5) 배치 공정 (Batch Process)

• 다양한 제품을 소규모의 배치 또는 로트로 생산 (가구, 보트, 그릇 등.. 특정 로트에서는 A장난감을 제작하고 특정 로트에서는 동일한 장비로 금형만 교체하여 B장난감을 제작) 
• 제품의 흐름은 혼잡하여 단속적임
• 공정별 설비 배치 유연성은 높음
• 효율성은 낮음

배치공정

6) 복합공정

신규 장비 선정, 범용장비, 전용장비, 복합공정의 분류, 프로그레시브 금형(progressive), 트랜스퍼

 

3. 공정설계의 방법 

 

1) 공정 설계 순서 

① 적용할 제조공정의 기본 공정 결정

② 제품의 작업 순서 결정 : 공정총괄표 작성공정 도면 작성 (현장도면 등, 가공 여유 포함) 

③ 생산 장비의 선정 검토 (외주생산품목, 인하우스생산품목, 공정 결정)

④ 생산제품의 공구류 및 게이지 결정 : 설계지시서, 제작지시서, 구매지시서 작성

⑤ 결정된 공구, 장비 등의 도입 계획 추진

⑥ 제품의 설계 변경 발생시 공정 설계에 설계변경사항 적용 및 현장작업에 통보

⑦ 제품 설계시 제품 제조에 합리적인 설계가 될 수 있도록 주어진 생산 조건을 설계자에게 통보 지원

⑧ 생산 원가를 낮출 수 있는 방안을 검토하여 제품설계자에게 필요시 설계변경 적용 검토를 요청

⑨ 공정 설계의 내용을 제품 생산에 적용하기 위해 필요한 공구, 장비 등의 예상 소요 비용을 추정하여 계획 

 

이를 액션아이템 위주로 좀 더 구체화하면 아래와 같다

 

① 기술 제원 분석

제품도면, QC 및 QA지침서, 관련규격서, 기술제원 변경사항, 기타 참고 자료에 의거 기술 제원 분석 

이후 생산 계획을 분석 (연간 생산량, 생산 납기 등)

 

② 공정 분류 및 전개

원자재는 어떤 것을 쓸 것인가(원자재 치수, 열처리 조건, 표면 등급, 제품의 기능, 제조원가, 가공성, 장비의 특성) 

장비능력은 제품 가공에 필요한 정밀도를 보장할 수 있는가 

일일 생산능력은 얼마나 되고 필요한 물량을 생산할 수 있는가

유휴장비가 있는지 없는지

기존 장비를 개조하거나 특수장치를 사용하면 제품 가공에 이용할 수 있는지

작업자의 능력 및 기술 수준은 어떠한 지 

 

③ 제조공정도 작성

공정 총괄표 / 공정 작업도 

 

④ 공구 선정 및 설계 

공정에 필요한 공구의 치수, 형상 등을 분석하여 구매할지, 설계 후 제작할지 결정 

보통 구매하는 것이 대부분 경제적 

설계, 제작하는 경우는 특수목적용 공구 (금형, 치공구, 게이지 등) 

 

⑤ 공구 제작 및 시운전

공구를 제작한 후 시운전 하여 이상유무 파악 / 개선

 

⑥ 시험 생산

시제품 생산 후 결함이 없을때 본 생산 개시

 

⑦ 생산 개시 및 기술의 자료화 

모든 사항에 결함이 없기 때문에 이를 자료화하여 추후 생산에 참고한다

 

 

2) 표준 작업의 설정

"공정설계의 궁극적인 목표는 생산성 향상"
목표 달성을 위해서는 작업의 표준을 정해야함 

(1) 표준작업항목

• 작업 목표 (무엇을 제조 생산할 것인가)
• 레이아웃 설비
• 설비 및 치공구 등의 작업조건
• 가공 및 조립 순서
• 품질 규격의 정도, 품질 기준 정립
• 재료 및 부품의 약식도면, 현도 
• 작업자의 안전 및 유의사항 

(2) 표준작업의 구성 요소

• 사이클 타임 (Cycle time) : 싸이클타임을 지속적으로 측정해서 표준화해놓아야함 
• 작업순서 (Process) : 작업 순서를 표준화하여 공정도로 작성
• 표준품 적용 (Standard) : 사용하는 부품이나 도구를 표준화 

(3) 표준작업을 위한 동작 설정

• 기본 동작 수 최소화
• 동시 작업 유도
• 동작 거리 최적화
• 동작이 편하도록 (작업자 피로 고려)

(4) 경제적인 동작 설정의 고려 사항 

• 동작 방법의 원칙
• 작업장의 원칙
• 치공구 및 기계의 원칙

2) 제품도 분석시 고려사항 

• 제품도의 해독이 정확하고 명확할 것 
• 공정 전개 개념을 부품도의 기준면에 정확히 적용 가능할 것
• 기준선, 표면 정도 등 치수 분석이 정확할 것 
• 공차 분석 및 여유율 적용이 정확할 것 
• 표준공차도표의 적용이 정확할 것

공차 도표

 

3) 공정도 (Process Chart)의 목적 및 작성

QC 공정도 (QC Flow Process Chart), 공정도 (Flow Process Chart, Process Drawing)

 

4) 공차도표의 목적 및 작성

공차 도표

 

 

4. 공정설계 중 장비의 선정 

 

신규 장비 선정, 범용장비, 전용장비, 복합공정의 분류, 프로그레시브 금형(progressive), 트랜스퍼

 

 

5. 생산 계획의 활용 및 생산 적합성 판단에 기반한 공정 설계

 

1) 생산계획, 생산 적합성 판단

생산계획 (Production Planning), 생산 능력, 생산 적합성 판단, 가동률, 생산 능력 측정, 생산 관리

 

2) 자재소요계획 (MRP;  Material Requirement Planning)

MRP(Material Requirement Planning, 자재소요량계획)