로봇이 운반하고 조립… 현대차그룹 美 신공장 '제조 혁신'이란

현대차그룹 메타플랜트 아메리카(HMGMA) 전경ⓒ현대차그룹

"메타플랜트라는 이름 자체가 '기존의 플랜트를 뛰어넘는다'라는 뜻입니다."

장재훈 현대차 부회장은 26일(현지시간) 미국 조지아주 엘라벨에 위치한 현대차의 미국 내 세번 째 생산기지, 현대차그룹 메타플랜트 아메리카(HMGMA)의 완공식에서 이렇게 말했다. 그간 운영해온 현대차·기아 생산공장의 기술력을 넘어 '최첨단 제조 혁신'이 총 집약됐다는 의미다.

HMGMA가 특별한 것은 싱가포르에 위치한 현대차그룹 글로벌 혁신센터(HMGICS)에서 실증을 거친 최첨단 제조 혁신 기술이 60% 이상 적용된 최초의 공장이란 점에서다. HMGICS는 미래 모빌리티 산업 패러다임 변화에 대응한 현대차그룹의 글로벌 제조혁신의 전초기지로, HMGICS에서 검증된 성과가 미래 생산기지 구축에 반영되는 구조다.

장 부회장은 "HMGICS에서 60% 정도 최신 기술을 가져왔다. 프레스부터 차체, 도장,의장까지 신기술 적용, 세계 최초 및 당사 최초 등 이런 부분들이 많이 있다"며 "해당 부분들이 품질, 안전 그리고 생산성과 연동이 돼있다"고 했다.

HMGMA는 인공지능(AI), 정보기술(IT), 로보틱스 등 첨단 기술을 융합한 제조 혁신 플랫폼을 바탕으로 미국 내에서 판매될 자동차 8종을 생산한다. 현재 연간 30만대 생산능력을 보유 중이며, 향후 기아, 제네시스 차량은 물론 전기차 외에도 하이브리드 모델로까지 생산 라인업을 확대해 50만대까지 생산 능력을 확대할 예정이다.

HMGMA는 기존 생산 공장의 자동화율을 뛰어넘는 스마트 생산 공정 비율을 크게 높인 것이 핵심이다. HMGICS와 주요 공장에서 쌓은 데이터, HMGMA에서 앞으로 쌓일 데이터를 통해 생산 효율성을 크게 높이고 최적화하는 방식이다.

그는 "자동화도 있지만 그 뒤에는 다 데이터다. 데이터를 전체 공정에서 생성해 일괄 관리해서 예방 보존까지 품질뿐만 아니라 전부 볼 수 있게 됐다"며 "데이터 관리 측면에서 봤을 때 미래 공장에 대한 모습, 앞으로의 방향, 디지털 트윈 등을 실제로 해볼 수 있는, AI도 접목 등의 바탕을 만들 수 있는 기회라고 생각한다"고 설명했다.

HMGMA 프레스 공장에서 강판이 패널로 제조되고 있다. ⓒ현대차그룹

HMGMA는 ▲프레스 ▲차체 ▲도장 ▲의장으로 이뤄지는 자동차 전 생산 공정 곳곳에 제조 혁신 기술을 적용했다. 패널 홀/크랙 감지 시스템, 도어 간격/단차 자율 보정 장착, 도어 자동 탈부착 등 세계 최초 적용 기술과 각종 첨단 시스템을 바탕으로, HMGMA는 효율적인 생산을 실현하는 동시에 작업자의 업무 강도를 낮추는 인간 친화적인 제조 현장으로 탄생했다.

프레스, 차체, 도장처럼 차량의 몸통으로 거듭날 강판을 성형하고 용접하는 현장에서는 수백대에 달하는 최첨단 로봇 장비들이 높은 생산성과 균일한 품질을 보장한다.

우선 프레스 공장에서는 최고 성능의 6800t급 초대형 고속 프레스(서보 모터에 의해 구동되는 프레스) 5대가 내려 찍고 자르는 과정을 반복하며 강판을 차량의 몸이 될 패널로 탈바꿈시킨다. 차체 패널은 91% 수준의 자동화 공정, 정밀한 성형기술, 고속 이송장치 등을 통해 생산되며, 비전 품질 검사와 AI 기반 품질 관리 시스템을 차례로 거치며 최고의 품질로 제조된다.

특히 세계 최초로 적용된 패널 홀/크랙 감지 시스템은 수십대의 카메라를 통해 촬영한 데이터를 딥러닝으로 학습하며, AI 기반 품질 관리를 뒷받침한다.

이렇게 만들어진 패널들은 100% 자동화 물류 시스템을 통해 다음 공정으로 옮겨진다. 자동 적재 시스템(ASRS)은 패널을 차종 별로 분류해 수십장씩 팔레트에 싣고, 자율주행 운반 로봇(AGV)은 이 팔레트를 다음 공정으로 적시에 이동시킨다. AGV는 SLAM(동시 위치 측정 및 지도 작성) 기술을 바탕으로 구동된다.

HMGMA 차체 공장에서 차체가 자율주행 운반 로봇(AGV)에 실려 이동하고 있다. ⓒ현대차그룹

차체 공장은 로봇들이 일사불란하게 수행하는 용접 및 조립 공정을 거쳐 강판 패널들이 자동차의 외관으로 거듭나는 곳이다. HMGMA의 차체 공장은 100% 자동화를 달성했다. 차체 공정 중 세계 최초로 적용된 기술은 도어 간격/단차 자율 보정 장착 시스템으로, 로봇과 비전, AI 기술을 바탕으로 균일한 단차 품질을 구현한다.

차체 공정의 마지막 단계인 외관 품질 검사에서는 보스턴다이나믹스의 4족 보행 로봇 ‘스팟’이 수행하는 사양 검사와 측정된 품질 정보를 조립 로봇으로 실시간 피드백 보내 고품질 생산을 가능토록 지원하는 간격/단차 검사가 이뤄진다.

도장 공장은 최고의 외관 품질을 완성하기 위해 도료 도포부터 품질 검사까지 높은 수준의 자동화 시스템이 구현돼 있다. 도포 자동화 시스템은 수작업 대비 보다 균일한 도장 품질을 제공하고, 특수 도료 공급 설비는 24개 이상의 다양한 색상을 적용하는 일에 효과적인 대응을 가능하도록 한다. 도장 검사 로봇 자동화 시스템은 사람의 눈으로 알아채기 어려운 미세한 문제까지 잡아낼 수 있어 더욱 완벽한 도장 품질을 달성할 수 있게 한다.

로봇·AI로 이룬 '인간친화적' 생산공장

HMGMA 의장 공장에서 조립되고 있는 차량이 자율주행 운반 로봇(AGV)에 실려 운반되고 있다. ⓒ현대차그룹

의장 공장은 도장 공정까지 마친 차체에 2만~3만여 가지에 달하는 각종 자동차 부품을 조립해 완벽한 차량의 형태로 완성하는 마무리 생산 단계다. 자동차 내부를 각종 부품들로 채워야 하는 미세 업무가 많아 차량 생산 전체 과정 중 작업자(사람)의 손이 가장 많이 필요한 공정이라고 할 수 있다. 현대차그룹은 이곳에 인간 중심 근무 환경을 조성했다.

전통적으로 의장 공장은 컨베이어 벨트 위에서 차체가 이동하고 수십, 수백 명의 작업자가 각 위치에 대기하며 부품을 조립하는 ‘컨베이어 벨트 시스템’으로 익히 알려져 있다. 하지만 HMGMA는 소수의 상품을 대량으로 생산하는 데 적합했던 기존 방식을 새로운 형태로 극복하고자 했다. 수요에 맞춰 다양한 모델을 유연하게 생산할 수 있도록 새롭게 의장 공장 구축을 시도한 것이다.

HMGMA 의장 공장에는 컨베이어 벨트가 여전히 존재하지만, 일부 구간에서는 컨베이어 벨트 대신에 차체가 자율주행 운반 로봇(AGV)을 타고 운반된다. 향후에는 모델, 옵션과 무관하게 동일한 조립 순서를 거쳐야만 했던 컨베이어 벨트 방식을 극복해 경로를 지정할 수 있는 AGV의 도움을 받아 필요하지 않은 공정은 생략하고 필요 공정에 바로 투입되는 식으로 생산 방식이 진화해 나갈 것으로 기대된다.

HMGMA 의장 공장에 세계 최초 적용된 도어 자동 탈거 및 장착 시스템은 과거 작업자들에게 의존해야 했던 도어 단차 품질 개선과 관리를 자동화해 세계 최고의 외관 품질을 달성하도록 한다. 도장 공장에서 넘어온 차체의 도어를 열고, 고정 볼트를 풀어 차량에서 떼어내는 과정 모두를 비전 시스템의 도움을 받은 로봇이 수행한다. 도어를 다시 붙이는 작업에서는 14대의 로봇이 협동 제어를 통해 한 치의 오차 없이 도어 장착을 마무리한다.

차체와 결합될 각종 자동차 부품은 200여대의 자율이동로봇(AMR)에 실려 각 공정에 적시에 투입된다. AMR은 SLAM(동시 위치 측정 및 지도 작성) 기술을 바탕으로, 물류 창고에서 각 공정으로 원하는 위치까지 경로를 생성하며 부품을 배달시킬 수 있다. 현대차그룹은 HMGICS에서 양산성 검증을 완료한 AMR 관제 시스템을 HMGMA에 적용해 최적의 물류 시스템을 구축했다.

이후 완성된 차량은 주차로봇 위에 올라타 자동화된 무인 품질 검사를 거쳐 지정된 최종 목적지까지 이동한 뒤 고객을 만나러 가는 여정을 본격적으로 시작하게 된다. 주차로봇은 얇고 넓은 형태의 로봇 한 쌍이 차량 하부에 들어가 바퀴를 들어올려 이동시키는 방식으로 구동된다. 과거에는 작업자가 직접 운전해 차량을 옮겨야 했다.

HMGMA는 AI 기반 각종 시스템과 자율로봇 등을 완벽히 통제하고, 공장의 생산 데이터를 디지털화해 운영에 활용하는 소프트웨어(SW) 중심의 공장으로 구축되는 동시에 인간친화적인 생산 현장을 지향했다.

기존 공장에서 작업자들이 무거운 부품을 들거나 윗보기 작업을 반복해야 했던 고전압 배터리, 전/후방 샤시 모듈 조립과 같은 공정은 작업자의 신체 부담은 줄이고 부상은 예방하는 인간친화적 형태로 구성됐다. 현장 작업자가 고중량의 부품을 들어 반복적으로 볼트를 체결해야 했던 공정은 체결 위치 조정을 포함해 실제 볼트 체결까지 모든 작업이 자동화됐다. 윗보기 작업을 배제한 것은 근골격계 부상 예방 효과를 기대하게 한다.

아울러 과거 공장 상부의 운반 구조물에 실려 차체가 이동했던 설비 중심의 차체 공장은 HMGMA에서는 AGV를 활용한 차체 운반 덕에 상부 구조물 최소화가 가능해져 자연 채광이 환하게 들어오는 쾌적한 작업 환경으로 조성될 수 있었다. 작업자는 따스한 햇살을 맞으며 일할 수 있고, 기계 설비와 분리 마련된 휴게 공간에서 편안한 휴식을 취할 수 있다.

HMGMA 차체 공장에서 보스턴 다이내믹스의 4족 보행 로봇 ‘스팟(Spot)’이 차체를 검사하고 있다. ⓒ현대차그룹

HMGMA는 강판 패널들이 온전한 차량의 모습으로 변모해 가는 완성차 생산 공정뿐만 아니라, 차량에 탑재될 각종 핵심 부품을 생산하거나 공급하는 현대차그룹 주요 계열사의 개별 거점, 나아가 첨단 생산 시설의 운영을 가능케 하는 각 그룹사의 기술 역량 등을 모두 아우르는 커다란 제조 현장이다.

HMGMA 부지 안에 위치한 현대모비스 배터리시스템 공장 및 모듈 공장은 현대모비스의 글로벌 생산거점 가운데 최대 규모이다. 현대모비스는 이곳에서 SUV를 선호하는 북미 시장의 특성을 반영해 SUV용 대용량 배터리를 포함하는 배터리시스템과 맞춤형 모듈을 생산한다.

현대모비스는 공장 건축 단계부터 전체 라인 설계 과정에 고유의 생산기술 역량을 HMGMA에 집중했다. 또한 현대모비스는 HMGMA 인근에 전기차 핵심 부품인 PE 시스템을 생산하는 별도의 거점을 마련해 미국 시장의 전동화 트렌드를 적극 공략 중이다.

현대글로비스 HMGMA 물류센터는 수요 기반의 데이터를 실시간 분석해 보유 재고와 필요량을 예측하는 등 차량 제조에 필요한 부품 공급을 효율적으로 관리하며 HMGMA 운영 전반을 지원한다.

비전 카메라를 장착한 자율비행 드론이 물류센터를 선회하며 부품 현황을 실시간으로 파악한다. 또한 완성차 1대분의 부품을 자율주행 운반 로봇에 실어 차량 제조 컨베이어에 연결하고 같은 속도로 이동시키는 원키트 물류 시스템을 현장에 도입함으로써 다차종 유연생산을 가능케 한다.

현대제철 HMGMA 공장은 초고강도강을 포함해 자동차용 강판을 가공해 프레스 공장으로 공급하고 있다. 현대제철이 공급하는 초고강도 자동차용 강판은 전기차 소재에 필수적인 경량화와 충돌안정성을 동시에 확보하고 있으며, 현대제철은 자동차 생산량 확대에 맞춰 향후 안정적으로 공급량을 확대해 나갈 계획이다.

현대트랜시스 HMGMA 공장은 연간 42만대 규모의 생산능력을 갖췄으며 아이오닉 5, 아이오닉 9에 탑재되는 시트를 생산한다. 오토 도킹 시스템, 이형제 도포 로봇 등 최신 자동화 설비를 바탕으로 효율적 생산 프로세스를 구축했으며 시트벨트 강도, 로봇 승강 내구 등 시험을 통해 품질 관리에 만전을 기하고 있다. 차별화된 디자인과 신소재를 적용한 시트, 실내 공간 활용도를 극대화시키는 시트 프레임 등을 통해 완성차의 우수한 상품성을 뒷받침한다.

현대위아는 로봇 기술 역량을 바탕으로 HMGMA의 물류 자동화를 지원한다. 현대위아의 자율주행 운반 로봇은 생산에 필요한 각종 자동차 부품을 입고하고 보관하는 등 생산계획에 맞춰 각 공정에 적시 공급한다. 주차로봇은 완성된 자동차를 무인 품질 검사 등의 공정으로 안전하게 운반한다.

또한 현대로템은 차량 강판을 차체 패널로 만들어주는 서보 프레스 설비를 HMGMA 현장에 공급하며, 고품질의 자동차가 생산될 수 있게 지원했다. 또한 각종 차량 부품을 생산 공정으로 옮기는 공장 운반 설비도 담당했다.

마지막으로 향후에는 HMGMA에 현대차그룹 로봇전문 계열사 보스턴다이나믹스의 휴머노이드 로봇 ‘올 뉴 아틀라스’가 시범 투입될 예정이다. 최근 보스턴다이나믹스는 생산 현장 투입을 앞두고 아틀라스의 AI 학습을 강화하고 있다. 추후 아틀라스가 부품 운반 등 단순 반복 작업에 투입될 경우 작업자의 부담을 덜어주며 생산성, 효율성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

HMGMA에서 생산된 아이오닉 9을 작업자가 최종 점검하고 있다. ⓒ현대차그룹

현대차그룹의 미래 핵심 먹거리로 떠오른 수소 기술 등 재생에너지도 힘을 보탠다. 현대차그룹은 HMGMA에 수소 기술을 활용한 친환경 물류체계 ‘HTWO 로지스틱스 솔루션’을 도입했다. 엑시언트 수소전기트럭 21대를 활용해 부품과 완성차를 운송하는 등 HMGMA 중심의 수소 모빌리티 생태계 구축을 추진하고 있다.

현대차그룹은 수소 사업 브랜드인 ‘HTWO’를 통해 수소 에너지 기술과 사업 역량을 결집하며 국내 및 글로벌 사업 확대에 나서는 한편, 수소 리더십 강화를 통해 수소 사회 가속화에 매진하겠다는 방침이다.

또 환경친화적인 공장 운영을 위해 지난해 147MW(메가와트) 규모의 현지 태양광 발전 전력구매계약(PPA)을 체결하기도 했다. HMGMA의 넓은 주차장 부지에는 태양광 발전 패널을 지붕에 설치한 구조물들이 대규모로 설치돼 있다.

공장 야외에 설치된 워터타워(급수탑)에는 HMGMA의 환경친화적인 노력이 예술 작품으로 새겨졌다. 지역 유명 예술대학 ‘서배너 칼리지 오브 아트 앤드 디자인’의 학생들이 공장과 지역사회로 물을 공급하는 워터타워 위에 태양광, 전기차 등 HMGMA의 친환경 모습을 그려냈다.