리딩-엣지 검사를 통해 날아오르다
MTU Aero Engines, 검사 프로세스 최적화를 위해 PolyWorks|Inspector™를 도입
고도 30,000피트 상공에서 시속 550마일로 비행 중일 때, 신뢰할 수 있는 제트 엔진의 중요성을 그 어느 때보다 실감하게 됩니다. 독일 최고의 제트 엔진 제조업체인 MTU Aero Engines는 여러분의 안전을 최우선으로 생각합니다. Daimler/Chrysler 계열사인 MTU는 자사 제품의 품질을 보장하기 위해 제품 개발 및 제조 사이클의 모든 단계에서 엄격한 검사 프로세스를 구축해왔습니다. MTU는 검사 기술의 범위를 확대하고 최적화하기 위해 세계 최고의 포인트 클라우드 검사 소프트웨어 솔루션인 PolyWorks|Inspector를 도입했습니다. PolyWorks|Inspector를 통해 MTU가 터빈 블레이드 검사 시간을 85% 이상 단축하면서도, 과거보다 더 많은 품질 정보를 엔지니어들에게 제공하게 된 사례를 확인해 보세요.
과제
MTU - 세계를 움직이는 추진력
MTU Aero Engines GmbH는 독일을 대표하는 민간 및 군용 항공 엔진 부품, 어셈블리, 산업용 가스 터빈의 개발, 제조, 수리 개발 서비스를 제공하는 선도 기업입니다.
이 회사는 Pratt & Whitney, General Electric, Rolls-Royce, Snecma, Volvo, FiatAvio 등 세계 유수의 시스템 통합업체 및 제조업체들과 지속적으로 협력 사업을 진행하고 있습니다.
MTU는 자사 엔진과 관련된 모든 분야에서 첨단 기술 접근 방식으로 잘 알려져 있습니다. 개발, 제조, 검사 모든 과정에서 최신 기술을 적용하고 있습니다. MTU의 품질 엔지니어인 Dr. Karl-Heinz Dusel은 “이를 통해 우리는 고객들이 기대하는 최고 수준의 고품질 제품을 공급할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
제트 엔진의 복잡성
제트 엔진은 수백 개의 구성 요소로 이루어져 있으며, 조립 전에 모든 부품에 대한 면밀한 검사가 필요합니다. MTU가 전통적으로 사용해온 검사 프로세스는 사용된 기술의 느림과 복잡성 때문에 생산 사이클에서 병목 현상을 초래해왔습니다. 속도 제한뿐만 아니라, CMM(좌표측정기)과 같은 검사 장비는 측정 범위에 한계가 있어 품질 엔지니어들이 부품의 일부 제한된 형상에만 집중해야 했고, 그로 인해 많은 유용한 정보를 얻지 못하는 경우가 많았습니다.
제트 엔진은 비행기를 앞으로 추진하는 역할을 합니다. 비행기가 이륙하고 하늘을 날기 위해 제트 엔진은 뒤쪽으로 배기 가스를 분출하여 추력(thrust)을 만들어냅니다. 이 막대한 에너지를 생성하기 위해, 엔진은 전방의 팬을 통해 공기를 흡입합니다. 흡입된 공기는 압축기(compressor)에서 압축되어 연소기(combustor)로 공급됩니다. 연료가 분사되어 압축된 공기와 혼합되고, 이 연료-공기 혼합물은 지속적으로 연소됩니다. 이때 발생한 열로 인해 가스는 부피가 수배로 팽창하며, 높은 에너지의 기류가 되어 연소기를 빠져나옵니다. 이 가스는 터빈 블레이드를 통과하면서 블레이드를 회전시키고, 이 회전력은 압축기와 팬을 구동하는 데 필요한 에너지를 생성합니다.
터빈은 여러 단계로 구성되어 있으며, 각 단계는 하나의 고정 안내 베인(row of stationary guide vanes)과 하나의 회전 블레이드로 이루어져 있습니다. 블레이드는 고속 회전으로 인해 발생하는 원심 하중을 견뎌야 하며, 작동 중에는 붉게 달아오를 정도로 고온에서도 강도를 유지해야 합니다. 이러한 극한 조건에서는 어떠한 결함도 허용되지 않으며, 모든 부품이 가장 엄격한 설계 사양을 충족해야 합니다.
전통적인 검사 프로세스
MTU는 전통적으로 CMM 기반 검사 프로세스를 사용해 터빈 블레이드를 측정해왔습니다. 그러나 이 프로세스는 제조 공정의 리드 타임을 크게 증가시키는 원인이 되었습니다:
- CMM을 이용한 데이터 수집 프로세스는 블레이드 한 개당 최대 80분이 소요됩니다.
- 제조 공정 중에는 블레이드의 현장 스캐닝이 불가능하여, MTU는 부품을 디지털화 작업 스테이션으로 이동시켜야 했습니다.
- 측정 포인트 수가 제한되어 있어(100 포인트) 전체 표면 검사가 불가능했습니다.
- CMM을 운용하는 작업은 많은 시간이 소요되며, 고도로 숙련된 기술자의 지속적인 관리가 필요합니다.
- 데이터 처리, 측정, 비교, 보고서 생성 등의 과정은 시간이 오래 걸리며, 여러 소프트웨어를 병행해 사용해야 하는 번거로움이 있습니다.
솔루션
PolyWorks|Inspector로 음속 장벽을 허물다
모든 제품의 품질을 보장하기 위해, MTU는 독일 내 PolyWorks® 공식 유통사이자 선도적인 3D 디지털화 솔루션 제공업체인 Duwe 3d와 긴밀히 협력하여, 항공우주 산업의 가장 엄격한 요구사항에 맞춘 맞춤형 검사 솔루션을 개발했습니다.
MTU는 현재 품질 관리 프로세스의 일환으로 3D 레이저 스캐너 시스템과 PolyWorks를 활용함으로써 다양한 이점을 누리고 있습니다. 터빈 블레이드 검사에서는 FARO GoldArm과 3DScanners의 ModelMaker로 구성된 관절형 암(Articulated Arm)에 레이저 스캐너를 장착해 부품을 현장에서 직접 스캔하고, 숨겨진 영역을 포함한 모든 형상을 빠짐없이 캡처하고 있습니다.
이 새로운 검사 기술을 통해 MTU는 터빈 블레이드의 포인트 클라우드 데이터 수집 및 처리 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 되었습니다. Dr. Dusel은 “PolyWorks의 가장 큰 장점 중 하나는 어떠한 디지털화 시스템에도 유연하게 대응할 수 있다는 점입니다. 덕분에 우리는 다양한 솔루션을 실험하고, 당사 요구사항에 가장 적합한 방법을 선택할 수 있는 자유를 얻었습니다. 또한, 이처럼 막대한 시간 절감 효과 외에도, PolyWorks의 고밀도 포인트 클라우드 검사는 우리가 새로운 측정 응용 프로그램을 다양하게 적용할 수 있는 가능성을 열어주었습니다.”라고 말했습니다.
전체 표면 검사
MTU는 터빈 블레이드의 특정 영역을 분석하기 전에, 제조된 부품의 품질을 전반적으로 평가하기 위해 디지털화된 각 포인트와 해당 레퍼런스 포인트(CAD)를 비교합니다. 품질 엔지니어는 이에 대한 공차를 설정하고, 편차의 크기를 시각적으로 보여주는 컬러 맵을 생성합니다. 이 방법은 부품의 전체 품질을 빠르게 파악할 수 있도록 해주며, 사전에 정의된 공차를 벗어난 영역에 집중하여 추가 분석을 수행할 수 있게 합니다. 이러한 정보는 기존의 CMM 기반 검사 기술로는 제공할 수 없는 가치 있는 데이터이며, PolyWorks의 강력한 비교 기능은 단순히 부품의 변형 여부를 확인하는 것뿐만 아니라, 제조 과정에서 발생한 문제의 원인까지 파악하고 이를 개선하는 데 도움을 줍니다.
PolyWorks의 포인트-CAD 비교 기술은 완전히 사용자 정의가 가능하며 출시된 다른 어떤 포인트 클라우드 처리 소프트웨어 솔루션보다 더 높은 정확도를 제공합니다.
프로파일 분석
프로파일은 블레이드에서 가장 중요한 형상으로, 이는 가스 흐름(Gas Flow)에 직접적인 영향을 미칩니다. 단면은 각 블레이드의 공력 특성(Aerodynamics)을 계산하는 데 사용됩니다.
프로파일 분석은 PolyWorks의 정교한 단면 분석 기능을 통해 수행됩니다. 부품의 단면은 평면과 부품 표면이 교차하여 얻어진 2D 프로파일로, 부품을 잘라낸 듯한 형태의 슬라이스(Slice)입니다. 각 슬라이스마다 데이터 프로파일과 레퍼런스(CAD) 프로파일이 생성됩니다. PolyWorks는 각 프로파일을 정밀하게 분석할 수 있도록 국소 정렬(Local Best-Fit) 기능을 제공합니다.
단면 컬러 맵은 사용자가 정의한 공차에 따라 생성됩니다. PolyWorks는 CAD 프로파일과 데이터 프로파일과 함께 공차 밴드도 시각적으로 표시해줍니다.
PolyWorks의 중요한 장점 중 하나는, 단면과 표면 법선 간의 각도와 관계없이 실제 편차를 제공할 수 있다는 점입니다.
리딩 엣지 검사: 가상 게이징
PolyWorks는 3D 캘리퍼(3D Calipers)를 통해 고유한 가상 게이징(Virtual Gauging) 기능을 제공합니다. 이 도구는 3D 공간에 배치된 고형 실린더 형태로, 포인트, 삼각형 또는 NURBS 표면에 닿을 때까지 연장됩니다. 이번 사례에서는 캘리퍼를 사용하여 블레이드의 리딩 엣지(Leading Edge)에서 전략적으로 중요한 지점의 정확한 위치를 측정했습니다. 리딩 엣지는 가스 흐름의 공력 특성에 직접적인 영향을 주는 중요한 요소입니다.
“PolyWorks는 전통적인 물리적 게이지 검사 프로세스를 가상으로 재현해줍니다.”라고 Dr. Dusel은 말했습니다. “PolyWorks의 게이징 기능은 기존의 물리적 측정 방법과 동일한 정확도와 정밀도를 유지하면서도, 훨씬 짧은 시간 내에 우리에게 리딩 엣지에 대한 가치 있는 정보를 제공합니다.”
자동 조종 장치에 의한 제어
“PolyWorks 덕분에 우리는 이제 조종석에 앉은 것과 같습니다.”라고 Dr. Dusel은 말했습니다. “PolyWorks는 사용자가 원하는 공차를 직접 정의할 수 있게 해주고, 작업 진행 상황을 지속적으로 모니터링할 수 있도록 피드백을 제공합니다. 또한 PolyWorks의 고급 매크로 프로그래밍 기능을 통해 최초 정렬부터 최종 보고서 작성까지의 전체 검사 시퀀스를 몇 분 만에 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다. 그 후에는 마치 크루즈 컨트롤 장치를 켜듯, 마우스 클릭 한 번으로 당사가 설정한 사양에 따라 전체 검사 프로세스를 자동으로 실행할 수 있습니다.”
성과
PolyWorks를 사용하여 관찰된 장점은 다음과 같습니다.
- 품질 엔지니어에게 더 많은 정보를 제공하고 데이터 분석, 계산 등에 필요한 시간을 줄일 수 있습니다.
- 검사 부품 수를 늘려 제품의 전반적인 품질과 신뢰성을 더욱 높일 수 있습니다.
- 사용자가 CMM처럼 특정 영역에 국한되지 않고 부품 전체를 측정을 수행할 수 있도록 지원합니다.
- 중앙 검사 센터의 병목 현상을 줄여 생산 라인의 가동 중단 시간을 최소화합니다.
