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문제 정의
- 본 논문에서는 휴대폰 후면 커버의 냉각시간을 단축하여 공정시간을 줄이면서 이에 따른 치수 편차 및 외관 문제를 해결하고자 6 시그마 프로세스와 실험계획법, 반응표면분석법으로 공정 조건의 최적화를 연구하였다. 기존에 생산되고 있는 휴대폰 후면 커버의 냉각 시간과 제품의 치수와 외관 상태에 대한 현 공정능력을 분석하고 제품의 치수에 영향을 미치는 인자들을 선별하여 냉각시간을 줄임과 동시에 최적화를 진행하였다.
- 도출된 최적 조건을 실제 공정 조건에 반영하고 치수 안정성, 외관 품질, 그리고 공정능력을 평가하여 공정시간 단축에 따른 제품 품질 안정성에 대해 분석하였다. 최종적으로 본 연구에서는 제품의 공정시간을 단축시켜 생산수율을 향상시키고, 동시에 제품의 품질을 기존 공정과 비교하여 동일하거나 더 좋게 개선시키는 것을 목표로 진행하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 휴대폰 후면 커버의 냉각시간을 단축하여 공정시간을 줄이면서 이에 따른 치수 편차 및 외관 문제를 해결하고자 6 시그마 프로세스와 실험계획법, 반응표면분석법으로 공정 조건의 최적화를 연구하였다. 기존에 생산되고 있는 휴대폰 후면 커버의 냉각 시간과 제품의 치수와 외관 상태에 대한 현 공정능력을 분석하고 제품의 치수에 영향을 미치는 인자들을 선별하여 냉각시간을 줄임과 동시에 최적화를 진행하였다. 선별된 인자들은 2-샘플 T 검정을 통해 가인자 분석을 진행하여 영향도를 평가하고 실험계획법과 반응표면분석법을 이용하여 최적조건을 도출하였다.
- 5단위 증가할 때 보압이 10단위 증가하는 것으로 설정하였다. 냉각 시간이 3초, 보압이 180MPa인 경우부터 최대경사 방향으로 설정한 증가폭으로 인자들을 증가시켜가며 전장 치수 편차의 최소값이 산출되는 조건을 탐색하였다. 분석 결과, 냉각시간이 5초, 보압이 220MPa일 때 전장 치수가 63.
- 선별된 인자들은 2-샘플 T 검정을 통해 가인자 분석을 진행하여 영향도를 평가하고 실험계획법과 반응표면분석법을 이용하여 최적조건을 도출하였다. 도출된 최적 조건을 실제 공정 조건에 반영하고 치수 안정성, 외관 품질, 그리고 공정능력을 평가하여 공정시간 단축에 따른 제품 품질 안정성에 대해 분석하였다. 최종적으로 본 연구에서는 제품의 공정시간을 단축시켜 생산수율을 향상시키고, 동시에 제품의 품질을 기존 공정과 비교하여 동일하거나 더 좋게 개선시키는 것을 목표로 진행하였다.
- 120 효과 기준선과 교차하지 않으므로 전장 치수 변화에 유의하지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 실험계획법을 통해 냉각시간과 보압이 전장 치수 변화에 유의한 인자인 것을 도출하였으며, 이를 바탕으로 반응표면분석법을 진행하여 인자별 최적 사출조건을 탐색하였다.
- 게이트 수와 게이트 지름도 설문 결과에서 7점 이상을 기록하였으나 금형과 제품 형상을 수정해야하는 부분으로 본 연구에서는 가인자 분석에서 제외하였다. 먼저 금형온도에 따른 치수 편차의 변화량을 분석하였다. 분석은 2-표본 T 검정으로 금형온도가 80℃, 100℃일 때 치수 편차의 변화량을 확인하였다.
- 본 연구에서는 휴대폰 후면 커버를 대상으로 제품의 생산수율을 높이기 위해 공정시간을 단축시키면서 치수 편차를 최소화하고 외관 불량을 개선시키기 위한 공정 조건을 6 시그마 기법과 실험계획법, 반응표면분석법을 이용하여 도출하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 사출조건 파라미터와 관련된 치명인자의 최적 조건을 도출하기 위해 반응표본 분석설계를 진행하였으며 최대경사법을 이용하여 조건을 탐색하였다. 치명인자는 실험계획법을 통해 전장 치수 변화에 유의한 인자로 확인된 냉각시간과 보압으로 선정하였으며 실험계획법과 같은 2수준으로 1차 반응 모형을 추정하여 분석하였다.
- 생산된 샘플의 전장 치수를 바탕으로 제품의 생산 공정능력을 분석하였으며 장기공정능력 Zlt와 단기공정능력 Zst, 그리고 이 두 지표의 차이인 Zshift로 분류하여 평가하였다. 장기공정능력은 공정이 장기간에 걸쳐서 공정의 군간 변동이 충분이 반영된 변동을 의미한다.
- 휴대폰 후면 커버의 공정시간을 단축시켰을 때 발생하는 전장 치수 불량과 외관 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 실험계획법(design of experiment)과 반응표면분석법(response surface methodology)을 사용하여 최적화를 진행하였다. 실험계획법과 반응표면분석법은 제품의 전장 치수에 영향을 미치는 영향인자를 선별하고 치명인자를 선택하여 진행하였다. 휴대폰 후면 커버의 전장 치수에 영향을 미치는 인자를 판별하기 위해 프로세스 맵핑(process mapping)과 특성 요인도(fish bone diagram)을 사용하였으며 제어 가능한 인자들과 제어 불가능한 인자들을 구분하여 이를 기반으로 사출성형 관련 전문가 집단을 대상으로 중요도 평가를 진행하였다.
- 실험계획법과 반응표면분석법을 통해 도출한 최적 사출조건은 냉각시간 5초, 금형온도 80℃, 보압 220MPa이다. 최적 사출조건을 이용하여 휴대폰 후면 커버 제품 30개를 성형하고 전장 치수를 측정한 뒤 기준 전장 치수와 비교하여 개선 공정 능력을 평가하였다. 제품의 평균 전장 치수는 63.
- 치명인자로 선정된 냉각시간, 금형온도, 보압에 대해서 3인자 2수준 완전배치법을 사용하여 최적화를 진행하였다. 치명인자 중에서 보압은 제품 중량 4.57 g에 상응하는 조건으로 수준을 선정하였으며 보압시간은 1.3초로 설정하였고, 치명인자 간 교호작용은 3회 반복하여 분석하였다.
- 사출조건 파라미터와 관련된 치명인자의 최적 조건을 도출하기 위해 반응표본 분석설계를 진행하였으며 최대경사법을 이용하여 조건을 탐색하였다. 치명인자는 실험계획법을 통해 전장 치수 변화에 유의한 인자로 확인된 냉각시간과 보압으로 선정하였으며 실험계획법과 같은 2수준으로 1차 반응 모형을 추정하여 분석하였다. Table 2에 반응표면분석법에 사용한 인자와 수준을 나타내었으며 보압시간은 실험계획법과 마찬가지로 1.
- 치명인자로 선정된 냉각시간, 금형온도, 보압에 대해서 3인자 2수준 완전배치법을 사용하여 최적화를 진행하였다. 치명인자 중에서 보압은 제품 중량 4.
- 휴대폰 후면 커버의 전장 치수에 영향을 미치는 인자를 판별하기 위해 프로세스 맵핑(process mapping)과 특성 요인도(fish bone diagram)을 사용하였으며 제어 가능한 인자들과 제어 불가능한 인자들을 구분하여 이를 기반으로 사출성형 관련 전문가 집단을 대상으로 중요도 평가를 진행하였다. 평가비율은 직접 인자에 대해서는 1점, 간접 인자에 대해서는 0.5점으로 중요도에 따른 가중치를 달리하여 평가하였고 7점 이상을 받은 사출속도, 사출압력, 보압, 보압시간, 냉각시간, 금형온도에 대해 가인자 분석을 실시하였다. 게이트 수와 게이트 지름도 설문 결과에서 7점 이상을 기록하였으나 금형과 제품 형상을 수정해야하는 부분으로 본 연구에서는 가인자 분석에서 제외하였다.
- 현재 생산되는 휴대폰 후면 커버의 공정능력을 분석하기 위해 60개 샘플을 생산하여 전장 치수를 측정한 다음 공정분석을 진행하였다. 생산된 60개 샘플의 전장 치수는 63.
- 휴대폰 후면 커버의 공정시간을 단축시켰을 때 발생하는 전장 치수 불량과 외관 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 실험계획법(design of experiment)과 반응표면분석법(response surface methodology)을 사용하여 최적화를 진행하였다. 실험계획법과 반응표면분석법은 제품의 전장 치수에 영향을 미치는 영향인자를 선별하고 치명인자를 선택하여 진행하였다.
- 실험계획법과 반응표면분석법은 제품의 전장 치수에 영향을 미치는 영향인자를 선별하고 치명인자를 선택하여 진행하였다. 휴대폰 후면 커버의 전장 치수에 영향을 미치는 인자를 판별하기 위해 프로세스 맵핑(process mapping)과 특성 요인도(fish bone diagram)을 사용하였으며 제어 가능한 인자들과 제어 불가능한 인자들을 구분하여 이를 기반으로 사출성형 관련 전문가 집단을 대상으로 중요도 평가를 진행하였다. 평가비율은 직접 인자에 대해서는 1점, 간접 인자에 대해서는 0.
대상 데이터
- 본 논문의 대상 제품은 휴대폰(mobile phone)의 후면 커버(rear cover)로 Fig.1에 나타나있으며 사출성형 공정으로 생산된다. 제품의 치수는 107.
- 실험계획법의 목적함수는 제품의 전장 치수로 선정하였으며 측정은 3차원 비접촉 측정기로 진행하고 Table 1에 치명인자와 실험수준을 나타내었다.
- 16 mm이며 수지는 LG화학의 PC(SC1004A)를 사용하였다. 제품 생산에 사용된 사출성형기는 화낙社의 180톤 사출성형기 S-2000i150B이다.
- 1에 나타나있으며 사출성형 공정으로 생산된다. 제품의 치수는 107.64 mm x 63.16 mm이며 수지는 LG화학의 PC(SC1004A)를 사용하였다. 제품 생산에 사용된 사출성형기는 화낙社의 180톤 사출성형기 S-2000i150B이다.
데이터처리
- 6은 보압시간에 따른 제품의 전장 치수 변화에 대한 상자 다이어그램을 나타내었다. 보압시간에 따른 전장 치수 변화량의 관계를 알아보기 위해 보압시간을 0.8초, 1.2초로 하여 2-표본 T 검정을 진행하였다. 검증 결과, 보압시간이 0.
- 보압에 따른 제품의 전장 치수 변화량을 분석하기 위해 보압이 120MPa, 160MPa일 때 2-검증 T 검정 분석을 실시하였다. 분석 결과 보압이 120MPa 일 때는 전장 치수가 63.
- 먼저 금형온도에 따른 치수 편차의 변화량을 분석하였다. 분석은 2-표본 T 검정으로 금형온도가 80℃, 100℃일 때 치수 편차의 변화량을 확인하였다.
- 사출속도에 따른 치수 편차의 변화량도 2-표본 T 검정 방법으로 사출속도가 120 mm/s, 160 mm/s인 경우를 분석하였으며 각각 전장 치수가 63.13±0.21 mm, 63.13±0.20 mm로 측정되었다.
- 기존에 생산되고 있는 휴대폰 후면 커버의 냉각 시간과 제품의 치수와 외관 상태에 대한 현 공정능력을 분석하고 제품의 치수에 영향을 미치는 인자들을 선별하여 냉각시간을 줄임과 동시에 최적화를 진행하였다. 선별된 인자들은 2-샘플 T 검정을 통해 가인자 분석을 진행하여 영향도를 평가하고 실험계획법과 반응표면분석법을 이용하여 최적조건을 도출하였다. 도출된 최적 조건을 실제 공정 조건에 반영하고 치수 안정성, 외관 품질, 그리고 공정능력을 평가하여 공정시간 단축에 따른 제품 품질 안정성에 대해 분석하였다.
성능/효과
- 2-표본 T 검정으로 가인자 분석을 진행한 결과, 제품의 전장 치수에 유의미한 영향을 미치는 치명인자는 냉각시간, 금형온, 보압이었다. 이 중 실험계획법을 통해 표준화된 효과에 대한 Preto 차트를 분석한 결과, 각 치명인자 간에 교호작용은 전장 치수에 유의미한 영향을 끼치지 않으며 치명인자 중에서도 냉각시간과 보압만이 전장 치수에 유의미한 영향을 미치는 것으로 판명되었다.
- Zlt는 4.52σ, Zst는 4.56σ, Zshift는 0.04σ로 분석되었으며 개선 전 공정능력과 비교하였을 때, 단기 공정능력은 3.1σ 정도 감소하였으나 여전히 기술력은 우수한 수준을 유지하고 있고 Zshift는 5.35σ 정도 감소하여 공정 관리력이 눈에 띄게 향상되어 우수한 수준으로 평가되었다.
- 개선 전과 개선 후의 공정시간을 분석하여 비교하였을 때. 개선 전 공정조건에서의 공정시간이 18.3초이며 개선 후 공정조건에서의 공정시간은 13.65초로 4.65초 단축된 것을 확인할 수 있으며, 이러한 사실을 바탕으로 본 연구에서 도출한 최적 사출 조건이 휴대폰 후면 커버 생산수율 향상에 효과가 있다는 것을 확인하였다.
- 개선 전과 개선 후의 공정능력을 비교한 결과, 개선 전의 공정능력 Zst가 7.62σ, Zshift가 5.39σ로 기술력은 우수하고 관리력이 부족하였으나 개선 후의 공정능력에서는 Zst가 4.56σ로 3.06σ 감소에도 불구하고 여전히 기술력은 우수하였으며 Zshift는 0.04σ로 5.35σ 감소하여 관리력이 우수한 수준으로 평가되었다.
- 검증 결과, 보압시간이 0.8초인 경우 전장 치수가 63.13±0.02 mm, 보압시간이 1.2초인 경우 전장치수가 63.13±0.01 mm로 측정되었으며 P-값은 0.083으로 분석되었다.
- 그리고 공정시간이 13초일 때 제품의 전장 치수는 63.26±0.12 mm로 생산 제품의 기준 전장 치수인 63.16±0.1 mm과 0.10 mm 정도 편차가 발생하였으며 전장 치수 분포가 규격 상한으로 쏠리는 것을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서 사용한 6 시그마 프로세스와 실험계획법, 반응표면분석법이 휴대폰 후면 커버의 공정시간을 단축시킴과 동시에 치수 최적화에 유의미한 공학적, 통계적 도구이며 실제 생산공정에 적용하였을 때 제품의 양산 기준을 만족시키며 생산수율을 향상시키는데 매우 효과적이라는 것을 실험적으로 확인하였다.
- 이 중 실험계획법을 통해 표준화된 효과에 대한 Preto 차트를 분석한 결과, 각 치명인자 간에 교호작용은 전장 치수에 유의미한 영향을 끼치지 않으며 치명인자 중에서도 냉각시간과 보압만이 전장 치수에 유의미한 영향을 미치는 것으로 판명되었다. 따라서 실험계획법의 결과를 토대로 냉각시간과 보압에 대해 반응표면분석법으로 최적 조건을 탐색한 결과 냉각 시간 5초, 보압 220 MPa일 때 전장 치수의 편차가 가장 작은 것으로 나타났다. 또한 금형 온도의 경우 실험계획법의 분석에서 80℃일 때가 최적 조건으로 산출되었다.
- 1 mm로 이동시킬 필요가 있다. 또한 제품의 공정시간을 13초로 단축시켰을 때, 외관에 웰드라인(weld line)이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 휴대폰 후면 커버의 생산수율을 높이기 위해 공정시간을 줄이는 한 편, 제품의 치수와 외관에 불량이 발생하지 않도록 영향 인자들의 최적화가 동시 진행되어야 한다.
- 08 mm 정도 개선되었으며 기준 전장 치수의 범위 내로 평균치가 이동한 것을 알 수 있다. 또한 최적 사출조건으로 성형한 후면 커버의 외관 품질은 양산품과 동등한 수준으로 웰드라인 등의 결함이 개선된 것을 확인하였다. Fig.
- 분석 결과 보압이 120MPa 일 때는 전장 치수가 63.13±0.02 mm, 보압이 160MPa 일 때는 전장 치수가 63.14±0.02 mm로 측정되었으며 P-값은 0.000으로 분석되었다.
- 분석 결과, 금형온도가 110℃일 때 전장 치수는 63.12±0.01 mm, 금형온도가 80℃일 때는 전장 치수가 63.14±0.01 mm로 측정되었으며 P-값은 0.000로 분석되었다.
- 냉각 시간이 3초, 보압이 180MPa인 경우부터 최대경사 방향으로 설정한 증가폭으로 인자들을 증가시켜가며 전장 치수 편차의 최소값이 산출되는 조건을 탐색하였다. 분석 결과, 냉각시간이 5초, 보압이 220MPa일 때 전장 치수가 63.14 mm로 기준 치수와의 편차가 최소가 되는 것을 확인하였으며 이때의 조건들을 최적 조건으로 선정하였다. Table 3에 각 실험차수에 대한 냉각시간과 보압 조건과 전장 치수 결과 값을 나타내었다.
- 분석은 냉각시간이 7초와 9초일 때 2-표본 T 검정을 진행하였으며 각각 전장치수가 63.14±0.01 mm, 63.15±0.01 mm로 측정되었고 P-값은 0.003으로 0.05보다 작게 분석되었다.
- 생산된 60개 샘플의 전장 치수는 63.23±0.03 mm며 기준 전장 치수 63.16±0.1 mm와 0.07 mm의 편차를 나타내었다.
- 2-표본 T 검정으로 가인자 분석을 진행한 결과, 제품의 전장 치수에 유의미한 영향을 미치는 치명인자는 냉각시간, 금형온, 보압이었다. 이 중 실험계획법을 통해 표준화된 효과에 대한 Preto 차트를 분석한 결과, 각 치명인자 간에 교호작용은 전장 치수에 유의미한 영향을 끼치지 않으며 치명인자 중에서도 냉각시간과 보압만이 전장 치수에 유의미한 영향을 미치는 것으로 판명되었다. 따라서 실험계획법의 결과를 토대로 냉각시간과 보압에 대해 반응표면분석법으로 최적 조건을 탐색한 결과 냉각 시간 5초, 보압 220 MPa일 때 전장 치수의 편차가 가장 작은 것으로 나타났다.
- 이러한 연구 결과를 바탕으로 결정된 최적 공정조건을 휴대폰 후면 커버 생산공정에 적용한 결과, 전장 치수의 평균값과 목표값 사이의 편차가 기존 공정에서의 0.09 mm에서 0.01 mm로 88.89% 개선되었으며 기준 전장 치수의 범위 내로 평균치가 이동하였다. 또한 웰드라인 등의 외관 결함이 개선된 것을 확인하였다.
- 제품의 평균 전장 치수는 63.17±0.04 mm로 기준 전장 치수 63.16±0.1 mm와 0.01 mm의 편차를 보였다.
- 최종적으로 본 연구의 목적인 생산수율 향상에 대해 평가하기 위해 개선 전과 개선 후의 제품의 공정시간을 비교한 결과, 개선 전의 공정시간 18.3초에서 개선 후의 공정시간은 4.65초 단축된 13.65초로 평가되었으며 공정시간 기준으로 생산수율이 34.07% 증가한 것을 알 수 있다.
- 현재 생산되고 있는 휴대폰 후면 커버와 관련된 제품들의 공정시간(cycle time)을 평가한 결과, 총 12개 파트에 대한 공정시간의 평균값은 19.5초이었으며 사출공정 순서에 따른 시간 점유율을 분석하였을 때 냉각시간이 9.42초로 총 공정시간 19.5초의 49%를 점유하고 있는 인자로 나타났다. 휴대폰 후면 커버의 생산수율을 향상시키기 위해 공정시간을 현 19.
- 5초의 49%를 점유하고 있는 인자로 나타났다. 휴대폰 후면 커버의 생산수율을 향상시키기 위해 공정시간을 현 19.5초에서 13초로 단축시켜 제품을 생산한 결과, 제품의 치수와 외관에 문제가 발생하는 것을 확인하였다. 그리고 공정시간이 13초일 때 제품의 전장 치수는 63.
후속연구
- 또한 제품의 생산수율 높이기 위해 단순히 공정시간을 단축시키는 방법으로는 제품의 양산 기준을 맞추기가 어렵다. 그러므로 기존 공정 조건에서 공정시간 외에 제품의 치수나 외관에 영향을 주는 인자들을 탐색하여 상호 간의 최적화 연구가 필요하다. 최종적으로 제품의 공정시간을 단축시키면서 기존 생산공정의 제품 품질을 저하시키지 않는 조건을 찾아야 한다.
- 또한 본 논문은 공정시간의 단축을 통한 휴대폰 후면 커버의 생산수율 향상에 그 목적이 있으므로 실험계획법과 반응표면분석법을 통해 도출된 최적 사출조건이 공정시간 단축에 효과가 있는지를 확인하여야 한다. 개선 전과 개선 후의 공정시간을 분석하여 비교하였을 때.
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