Miniature Precision Components

수축, 변형 그리고 시간

InnovMetric과 ShapeGrabber를 통해 MPC Molder는 자동차 부품에 대해 적절한 시기에 생산 결정을 내릴 수 있습니다.

MPC(Miniature Precision Components)의 주력 제품(예: PCV 밸브, 커넥터, 튜빙, 피팅, 유체 저장소, 필러 캡 등)이 수익률 감소로 인해 일반 상품이 되면서, MPC는 자동차 제조업체에 엔진 커버 등 새로운 제품을 제공하기 시작했습니다. 이들은 로고 타입이 새겨진 엔진 커버를 포함합니다. MPC의 이전 제품들과 거의 대조적으로, 이들은 돔형, 양각 또는 홈이 있는 고도로 스타일화된 부품입니다. 자동차 제조업체에서는 이를 "외관" 부품이라고 하며, 딜러 쇼룸에서 구매자들이 확인합니다.

이 부품들은 MPC가 이전에 생산했던 제품들보다 크기가 몇 배나 더 컸기 때문에, 수축과 뒤틀림이 새로운 품질 관리상의 난제로 떠올랐습니다. 일정에 맞춰 생산을 시작해야 했던 엔지니어들은 불충분한 시간과 부족한 데이터를 가지고 금형(tooling) 및 공정(process)에 대한 중요한 결정을 내려야 했습니다.

이러한 방법들 중 하나를 선택하여 실행하는 데만도 쉽게 4주가 소요되므로, 추가적인 문제 해결을 위한 시간이 전혀 남지 않게 됩니다. Clark는 “성형 공정을 조정하고 안정화할 수 있는 기간이 단 4주뿐이며, 이 기간 안에 수축과 뒤틀림보다 훨씬 더 많은 부분들을 처리해야 합니다.”라고 말했습니다.

MPC는 ShapeGrabber 3D 레이저 스캐너와 InnovMetric Software의 포인트 클라우드 기반 검사 소프트웨어인 PolyWorks®를 활용하여 수축 및 뒤틀림 문제를 해결하였습니다. 이를 통해 MPC 경영진은 더욱 빠른 시장 출시와 높은 수준의 품질 보증이라는 두 가지 경쟁 우위를 확보하게 되었습니다!

과제

형업체가 수축과 뒤틀림에 대해 직면하는 가장 큰 어려움은, 이 두 가지 현상의 원인이 서로 다르다는 점입니다. 수축은 재료에 따라 발생하며, 그 범위는 2%에서 14%까지로 수지의 배치에 따라 달라질 수 있습니다. 반면, 뒤틀림은 냉각과 설계자가 두껍거나 얇게 설계한 부위와 관련이 있습니다. 이러한 치수와 공차의 문제를 성공적으로 해결하려면 많은 분석과 계산, 그리고 수년간의 경험이 필요합니다.

금형 제작자들은 플라스틱 수지의 물질안전보건자료(MSDS)에 제공된 예상 수축률을 바탕으로 새로운 금형의 설계를 시작합니다. 뒤틀림에 대응하기 위해서는 게이트, 벤트, 그리고 냉각수 라인에 대한 그들의 지식을 활용합니다. 그러나 실제 금형을 제작하고 작동시켜 보기 전까지는, 수축과 뒤틀림에 대한 예측은 어디까지나 경험에 기반한 추정에 불과합니다.

터치 프로빙, 금형 흐름 분석, 포토그래메트리 부족

레이저 스캐닝과 포인트 클라우드 기반의 검사가 도입되기 전까지 성형업체들은 포괄적이면서 신속한 표면 검사 도구를 가지고 있지 않았습니다. 기존에 사용할 수 있는 가장 좋은 방법들은 좌표측정기(CMM)를 이용한 접촉식 프로빙, 금형 흐름(mold-flow) 석 및 사진측량(photogrammetry)이었으나, 이 방법들 모두 한계가 있었습니다.

터치 프로빙

접촉식 프로빙은 미세한 돌출부나 처진 부분을 놓치기 쉽습니다. 또한 Clark가 지적한 것처럼, “X와 Y 좌표에 있는 두 점의 기울어짐으로 인해 다른 한 점이 Z축 허용 오차(tolerance) 밖으로 틀어져 버리는 뒤틀림 현상과 같은 보다 미묘한 변화도 감지하지 못합니다.” 이러한 이유 때문에 표면을 철저하게 검사하려면 접촉식 프로빙이 제공하는 수백 개의 측정점이 아니라, 50만 개에서 많게는 100만 개 이상의 3차원 포인트가 필요합니다.

게다가 Clark는 덧붙여, “CMM은 작업을 준비하는 데만 7일이 걸리고, 측정에 이틀이 더 소요되며, 이후 모든 데이터를 처리하는 데 또 5일이 걸립니다. 또한 CMM 장비는 항상 바쁘기 때문에 대기 순서를 얻기 위해 다시 일주일을 더 기다려야 할 수도 있습니다. 이렇게 포인트 단위로 측정하는 방식으로는, 최상의 경우라도 정확한 결과를 얻기 위한 시도를 두 번밖에 하지 못합니다.”라고 말했습니다.

금형 흐름 분석

금형 흐름(Mold-flow) 분석이란 금형의 게이트 위치 및 크기를 기반으로 수지가 어떻게 수축하고 뒤틀릴지 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 기법입니다. 하지만 이 방법에는 세 가지 큰 단점이 있습니다:

• 실제 부품을 검사한 데이터가 아니라, 노미널 치수를 사용하기 때문에 이후 금형 수정 사항들을 반영하기가 쉽지 않습니다.
• 뒤틀림에 대한 예측이 이론적이고 디지털로만 이루어지기 때문에, 금형 흐름의 가상 영역을 넘어 실제 금형 제작 단계에서는 금형 제작자가 추가 수정 작업을 거부할 수도 있습니다.
• 모든 시뮬레이션이 그렇듯 몰드 플로우 분석 역시 현실에서 적용되지 않을 수도 있는 암묵적 가정과 수치적 값들을 포함하고 있습니다.

Clark는 “우리는 금형 내에서 실제로 어떤 현상이 발생했는지를 알아야 하지, 어떤 현상이 일어나야 했는지를 알고 싶은 게 아닙니다.”라고 말했습니다. 몰드 플로우 해석은 또한 금형 한 개당 최대 12,000달러에 이르는 비용이 소요되며, 허용된 4주라는 전체 기간 중 보통 2주를 차지합니다.

포토그래메트리

포토그래메트리는 말 그대로 고해상도 사진을 이용해 측정하는 방법입니다. 사진측량은 레이저 스캐너가 측정할 수 있는 것보다 몇 배 더 큰 표면을 포착할 수 있지만, 정확한 정렬을 위해서는 대상 표면에 부착하는 타겟이 필요할 수 있습니다. 이렇게 얻어진 사진이 디지털화되면 CAD 파일과 쉽게 비교하거나, 표면 패치로 변환하여 CAD 파일로 업로드할 수도 있습니다.

포토그래메트리는 엔진 진공 하니스(vacuum harness)의 검사용 지그 및 게이지의 대안으로 시도되었습니다. Clark는 “검사 시 문제는 엔진마다 하니스가 모두 다르다는 점입니다. 제가 이곳에서 근무한 지난 13년간, 약 350만 달러에 달하는 천 개가 넘는 게이지를 구매했습니다.”라고 말했습니다. 그는 또한 “이 부품들은 검은색이어서 사진 촬영이 매우 어렵고, 주변 조명의 문제나 Z축 방향의 깊이 인식에서도 항상 어려움을 겪었습니다.”라고 덧붙였습니다.

스캐너의 빠른 속도와 편리한 사용성을 결합한 덕분에, 더욱 많은 사용자가 이 스캐너를 쉽게 사용할 수 있으며 설정 및 검사 시간을 단축할 수 있습니다. 그 결과, 다른 검사 방법들과 비교하여 검사 비용이 크게 절감됩니다.

MPC는 필요한 데이터를 15분 안에 이용할 수 있습니다

PolyWorks의 포인트 클라우드 기반 검사

이제 MPC의 엔진 커버 검사는 PolyWorks|Inspector 소프트웨어를 통해 전체 공차 범위를 색상으로 표시한 맵(full-color maps)을 사용하여 이루어집니다. PolyWorks는 스캐너를 통해 얻은 수백만 개의 데이터 포인트를 기준이 되는 CAD 모델과 비교합니다. MPC의 전문가들은 PolyWorks에서 공차를 설정하여 데이터 포인트와 CAD 모델 간의 허용 가능한 편차와 허용할 수 없는 편차를 구분합니다. 이 결과는 허용 공차 이상(재료가 너무 많은 경우)을 나타내는 빨간색부터, 허용 공차 이하(재료가 너무 적은 경우)를 나타내는 파란색까지 전체 색상 스펙트럼을 활용하여 시각화됩니다.

또한, 색상 맵의 공차 범위는 조정이 가능하므로 다양한 시나리오 분석을 수행하는 데 매우 효과적입니다. Clark는 “색상 맵을 통해 금형 내부에서 실제 어떤 일이 일어나고 있는지, 공차를 변경했을 때 어떤 표면들이 얼마나 영향을 받는지를 직접 확인할 수 있습니다.”라고 설명했습니다. 그는 또한 덧붙여, “이 색상 맵이 실제로 우리에게 보여주는 것은 플라스틱 부품이 금형 내부에서 어떻게 자리 잡고 있는지입니다. 우리는 부품의 재료가 적절한 치수로 수축될 것이고, 냉각 과정에서 발생하는 뒤틀림이 최종적으로 설계자가 의도한 형태로 부품을 만들어 줄 것이라는 점을 정확히 파악할 수 있습니다.”라고 밝혔습니다.

MPC 엔지니어들이 처음 검사 레이아웃에서 지정하지 않았던 항목을 추가로 확인할 필요가 있다면, 데이터에서 원하는 포인트를 클릭하거나 다시 스캔하여 새로운 포인트를 추가하기만 하면 됩니다. 어느 경우든 단 몇 분이면 충분합니다. 과거에는 CMM을 다시 프로그래밍해야만 했습니다. Clark는 “단 하나의 접촉 측정 포인트를 추가할 때도 처음부터 다시 시작해야 했습니다. 그러려면 최소한 이틀은 걸렸습니다.”라고 말했습니다.

MPC 및 고객사 사용자들에게 ShapeGrabber와 PolyWorks는 다음과 같은 요건을 모두 충족하는 유일한 시스템이었습니다:

• 생산 속도 및 검사 주기를 충분히 따라갈 수 있을 것
• 검사 시스템의 신뢰성을 입증하는 표준 반복성 및 재현성(Repeatability & Reproducibility, R&R) 테스트를 통과할 수 있을 것

R&R 테스트에서는 한 작업자가 부품 10개에서 특정 형상을 각각 세 번 측정합니다. 그 후 두 번째 작업자가 동일한 부품 10개에서 동일한 형상을 다시 세 번씩 측정하여 결과를 비교합니다. PolyWorks와 ShapeGrabber 시스템은 이 테스트를 성공적으로 통과하였습니다.

다른 모든 레이저 기반 방식은 속도가 지나치게 느렸습니다. 그 어떤 시스템도 필수 데이터를 수집하는 데 두세 시간 이하로 완료하지 못했습니다.

Clark는 “스캐닝 덕분에 이제 2~3주가 아닌 단 몇 분 내에 생산 옵션을 결정하는 데 필요한 모든 표면 데이터를 확보할 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다. 그는 이어서 “PolyWorks를 통해 부품의 정렬과 데이터 포맷팅까지 거의 실시간으로 얻을 수 있게 되었으며, 마침내 중요한 생산 결정들을 내리는 데 충분한 시간을 확보하게 되었습니다.”라고 밝혔습니다. 또한 그는 “치수 및 공차와 관련하여 필요한 모든 데이터를 빠르게 수집할 수 있게 되면서, 각 작업에 대해 엔지니어링 및 분석을 수행할 수 있는 시간이 며칠씩 더 확보되었습니다. 이렇게 확보된 추가 시간 덕분에 공차를 더 느슨하게 할 것인지, 금형을 수정할 것인지, 공정을 일부 변경할 것인지, 아니면 냉각용 고정장치를 제작할 것인지 등과 같은 중요한 결정을 내리는 데 큰 도움이 됩니다.”라고 덧붙였습니다.

추가로 확보된 시간 덕분에 엔지니어들은 다시 한 번 면밀히 살펴볼 수 있는 기회를 얻습니다. 여기에는 새로운 샘플 부품 배치(batch)에서 의심스러운 부분을 재점검하는 것도 포함될 수 있습니다. Clark는 “ShapeGrabber와 PolyWorks는 전체 설정 과정 전반에 걸쳐 큰 도움이 됩니다.”라고 언급했습니다.

그는 또한 “MPC는 ShapeGrabber와 PolyWorks를 통해 단 2주 만에 투자대비 효과(ROI)를 달성했다고 생각합니다.”라고 말하며, “이 솔루션 덕분에 우리는 품질 보증에서의 확고한 신뢰성과 신속한 생산 시작이라는 두 가지 새로운 경쟁력을 확보하게 되었습니다. 3D 스캐닝과 포인트 클라우드 기반 검사 덕분에 이제 중요한 비즈니스 결정을 내릴 수 있는 시간이 며칠 더 늘어났습니다. ShapeGrabber와 InnovMetric은 설정 과정 전체에서 지속적으로 우리를 지원해 주었습니다.”라고 설명했습니다.