빠른 프로토타이핑 검사 가속화
O'Fallon Casting에서 PolyWorks® 를 통해 자사의 래피드 프로토타이핑 검사 작업에 더 빠른 속도를 더하다
1969년에 설립된 O’Fallon Casting은 미국 미주리주 세인트루이스 서쪽 20분 거리에 위치한 비철금속 인베스트먼트 주조(Investment Casting) 전문 기업으로, 래피드 프로토타입 및 양산용 주조 부품을 제공합니다.
2006년부터 O’Fallon Casting은 3D 스캐닝 기술과 PolyWorks® 소프트웨어 솔루션을 활용하여 자사 패턴 및 주조 부품의 포인트 클라우드 기반 검사를 수행해 왔습니다.
미주리주 세인트루이스에 위치한 O’Fallon Casting은 고품질의 경쟁력 있는 가격의 주조품을 통해 까다로운 최종 사용자 요구를 충족시키며 명성을 쌓아온 비철금속 인베스트먼트 주조 전문 기업입니다. 이 회사는 50,000평방피트(약 4,600㎡) 규모의 시설에서 다양한 알루미늄, 구리 기반 및 실리콘 카바이드 금속 매트릭스 복합 합금을 전문적으로 주조하며 또한 주물만 공급하거나 고객 사양에 맞게 가공된 주물을 공급합니다.
Global CMM, Metris XC50 레이저 스캐너, PolyWorks 소프트웨어를 사용하여 O'Fallon Casting의 Ben Galmiche(왼쪽) 및 Ted Schnarre(오른쪽)와 함께 부품 검사.
과제
O’Fallon Casting은 군용 미사일 및 전자 패키징 시장, 밸브 및 펌프, 의료 및 치과 장비, 고속 자동 정밀 기계, 하드웨어, 사무기기, 로보틱스, 광학 및 레이저 장비, 실리콘 웨이퍼 가공 장비, 반도체 제조 장비 등 다양한 시장에 제품을 공급하고 있습니다.
회사의 주요 성장 분야 중 하나는 래피드 프로토타이핑(Rapid Prototyping) 사업입니다. O’Fallon Casting은 CAD 파일의 3D 모델을 기반으로 소모성 패턴(Expendable Pattern)을 생성하여, 생산용 툴링을 제작하기 전에 빠르고 효율적인 비용으로 부품을 제작하고 설계를 검증합니다.
O’Fallon Casting의 품질 엔지니어인 Ben Galmiche는 다음과 같이 말했습니다.
“최근 몇 년간 패턴 표면 마감 품질, 패턴 정확도, 패턴 소재 선택지 등에서 많은 개선이 이루어졌으며, 오늘날의 패턴은 인베스트먼트 주조 공정이 제공하는 니어넷 셰이프(Near Net Shape) 에 더욱 적합하게 제작되고 있습니다.”
이러한 개선 덕분에 주조 부품의 래피드 프로토타이핑은 고객이 툴링 비용을 절감하고 제품을 시장에 빠르게 출시하려는 경우에 매우 가치 있는 솔루션이 되고 있습니다.
품질 검사는 주조 사업에서 중요한 부분이며, 기존의 터치 방식의 검사 방법은 래피드 프로토타이핑에 적합하지 않았습니다.
“과거에는 솔리드 모델을 검사하는 효과적이고 효율적인 방법이 없었습니다. 구형 캔틸레버 타입의 CMM을 사용했고, 터치 트리거 프로브로 치수 데이터를 수집했습니다. 이 프로세스는 매우 느렸고, 우리는 새로운 대안을 찾고 있었습니다.”라고 말했습니다.”라고 Galmiche는 말했습니다.
솔루션
래피드 프로토타입 검사 프로세스의 처리 시간 향상을 위해 O’Fallon Casting은 3D 스캐닝과 포인트 클라우드 기반 검사를 도입했습니다. O’Fallon Casting은 기존의 구형 CMM을 Hexagon Metrology의 Global CMM으로 교체했으며, 여기에 Metris XC50 크로스 스캐너를 장착했습니다. 이 스캐너는 부품 형상 검사를 위해 설계된 고속 멀티 스트라이프 3D 레이저 스캐너로, 모든 방향에서 최적의 포인트 분포를 제공합니다. 이 새로운 3D 측정 시스템은 PolyWorks 범용 3D 계측 소프트웨어 플랫폼과 함께 도입되었습니다.
이 투자는 올바른 선택이었으며 빠르게 성과를 거두었습니다. 특히 2008년 O'Fallon Casting이 Boeing 787 Dreamliner의 통합 윙팁 라이트 하우징 검사를 요청받았을 때 그 진가가 발휘되었습니다.
다음은 O’Fallon Casting이 포인트 클라우드 기반 분석을 래피드 프로토타이핑 프로세스의 모든 단계에 성공적으로 통합한 과정입니다.
- 고객이 제공한 부품의 3D CAD 모델을 기반으로, 광조형(SLA)과 선택적 레이저 소결(SLS) 공정을 사용하여 윙팁 라이트 하우징의 패턴이 제작되었습니다.
- 그런 다음 패턴이 부품의 레퍼런스 CAD 모델과 일치하는지, 그리고 수축률을 고려하여 적절한 비율로 제작되었는지 확인하기 위해 육안 및 수작업 검사가 수행되었습니다.
- 패턴이 PolyWorks 검사 프로세스를 통해 검증되고 승인된 후, O’Fallon Casting은 래피드 프로토타입 패턴 주위에 세라믹 셸을 제작했습니다.
- 패턴이 포함된 세라믹 셸은 소실 공정(Burnout Process)을 거쳐 패턴이 증발되고 세라믹 몰드만 남는 상태로 처리되었습니다. 이후 부품은 A356 알루미늄으로 주조되었으며, T6 조건까지 인공 시효 처리되었습니다.
- 그 후, 해당 부품은 Global CMM과 Metris 레이저 스캐너를 사용하여 측정되었습니다. 측정 과정에서 수집된 포인트 클라우드 데이터는 회사의 내부 네트워크를 통해 PolyWorks로 전자적으로 전송되었습니다.
©Boeing
PolyWorks IMAlign™ 모듈의 스캔 정렬 및 중복 감소.
O’Fallon Casting은 전체 프로세스에서 3D 디지털화 기술과 PolyWorks 소프트웨어를 활용하여 폼 패턴과 해당 알루미늄 부품 모두를 검사했습니다. Galmiche 씨는 다음과 같이 설명했습니다. “우리는 측정된 치수 데이터를 PolyWorks 소프트웨어의 IMAlign™ 모듈로 가져와, 베스트 핏 알고리즘을 사용해 스캔 경로를 자동으로 정렬하여 부품의 포인트 클라우드 모델을 생성합니다. 그 다음, 모델을 면밀히 검토하여 고객의 CAD 모델과 정확한 비교를 수행하는 데 필요한 모든 데이터가 확보되었는지 확인합니다. 필요한 경우, CMM에서 부품의 방향을 변경하여 다른 각도에서 추가 데이터를 수집하기도 합니다.”
이러한 프로토타입 부품의 치수 데이터를 수집할 때, O’Fallon Casting은 형상 디테일을 최대한 정확히 캡처하기 위해 매우 느린 스캐닝 속도를 사용합니다. 이 과정에서 과도한 데이터가 수집되는데, Galmiche 씨는 “우리는 IMAlign의 중복 영역 감소 기능을 사용하여 스캔이 중첩된 영역에서 불필요한 데이터를 자동으로 제거하고, 해당 영역의 부품 치수를 정확히 정의하는 단일 데이터 세트를 생성합니다.”라고 설명했습니다.
이후 PolyWorks의 IMMerge™ 모듈을 사용하여 정렬된 스캔 데이터를 병합하고, 디지털화된 부품의 고정밀·고해상도의 폴리곤 메쉬 모델을 생성했습니다.
컬러맵을 이용한 전역 편차 분석.
벽 두께, 틈새, 3D 각도 및 평탄도 분석은 PolyWorks IMInspect 모듈을 사용하여 수행됩니다.
“간단한 PolyWorks IMInspect™ 도구를 사용하면, 부품이 고객의 CAD 모델 대비 어느 부분에서 공차를 벗어났는지 빠르게 확인할 수 있습니다.” Ben Galmiche, O'Fallon Casting
그런 다음 실제 치수 검사 프로세스를 위해 폴리곤 메쉬 모델을 PolyWorks의 IMInspect™ 모듈로 내보냈습니다. IMInspect는 제약 조건을 포함한 베스트 핏 정렬(constrained best-fit), 형상 및 기준점을 활용한 정렬 등 강력한 데이터 대 CAD 정렬 기술을 제공합니다. 또한, 표면 및 단면 편차 분석, 형상 치수 및 GD&T 검사, 클리어런스(간격), 두께 측정을 위한 비교 및 측정 도구도 포함되어 있습니다. 이번 프로젝트에서 O’Fallon Casting은 윙팁 라이트 하우징(Wing Tip Light Housing) 검증을 위해 다음 다섯 가지 IMInspect 도구를 사용했습니다.
- 전체 비교는 디지털화된 각 포인트와 해당 CAD 참조 지점 간의 편차를 계산하여 수행되었습니다. O'Fallon Casting에서 설정한 공차에 따라 컬러맵이 표시되었습니다.
- 광선이 방해받지 않고 투사될 수 있도록, 두 평면 간의 3D 거리를 비교하여 부품의 클리어런스(간극)를 측정했습니다.
- 벽 두께는 두 지점 간의 3D 거리를 계산하여 추출되었습니다. 이를 통해 부품의 강도를 확인하고, 설계 요구사항을 충족했는지 검증할 수 있습니다.
- 두 평면(기준면 A와 기준면 B) 사이의 평면도와 3D 각도는 PolyWorks의 GD&T 엔진을 사용하여 계산되었습니다. 계산된 결과는 설정된 공차 기준에 따라 합격/불합격 판정으로 제공되었습니다.
PolyWorks 소프트웨어의 보고서 생성 기능을 활용하여, Galmiche 씨는 AS9102 형식의 검사 보고서를 준비했습니다. 그는 다음과 같이 설명했습니다.
“데이터뿐만 아니라, 모델 비교 스냅샷도 보고서에 포함해 고객이 어느 부분에서 공차를 벗어났는지 빠르게 확인할 수 있도록 했습니다. 또한, 공차 범위에 따라 다른 색상을 사용해, 부품이 미세하게 공차를 벗어난 경우와 큰 편차가 있는 경우를 쉽게 구분해 보여줄 수 있습니다. 마지막으로, 무료 뷰어 소프트웨어인 PolyWorks|Viewer™ 덕분에 고객들은 자신의 워크스테이션에서 검사 프로젝트를 3D로 시각화할 수 있습니다.”
©Boeing
성과
Global CMM, Metris XC50 레이저 스캐너 및 PolyWorks 소프트웨어를 함께 사용하여 O'Fallon Casting에서는 부품 프로토타입을 빠르게 처리하는 데 걸리는 시간을 크게 단축했습니다. Galmiche는 말합니다. “전반적으로, 우리는 이 새로운 포인트 클라우드 기반 검사 프로세스에 매우 만족하고 있습니다. 일반적인 부품의 경우, 필요한 치수 데이터를 수집하는 데 약 하루가 소요되며, PolyWorks 소프트웨어를 사용한 데이터 분석은 반나절 이내에 완료할 수 있습니다. 이는 과거와 비교해 약 50%의 시간 절감을 의미합니다.
또한 데이터의 시각화 기능 덕분에 고객들이 검사 보고서를 더 빠르게 검토하고, 치수 데이터 분석의 의미를 쉽게 이해할 수 있게 되었습니다."
추가
O’Fallon Casting은 또한 CMM, 레이저 스캐너, PolyWorks 소프트웨어 조합을 활용해 자사 금형(Mold)과 압축-교정 툴링(Compression-Straightening Tooling)을 검사하여 설계 사양에 부합하는지 확인하고 있습니다.
PolyWorks의 IMInspect 모듈을 통해 툴링이 마모되었거나 공차에서 벗어난 부분을 빠르고 정확하게 확인할 수 있습니다.
Galmiche 씨는 새로운 검사 시스템의 또 다른 활용 가능성에 대해서도 언급했습니다.
“일부 고객들은 특정 시스템 구성 요소가 주변 환경, 예를 들어 열(heat)과 같은 조건 때문에 오작동하는지 판단하기 위해 해당 부품의 검사를 요청하기도 했습니다. 우리는 PolyWorks 소프트웨어를 활용해 해당 부품을 빠르게 스캔하고, 실제 치수 데이터와 설계 의도를 비교하여 이를 신속히 확인할 수 있습니다. 이러한 서비스가 우리의 새로운 비즈니스 영역으로 확장될 수도 있을 것 같습니다.”
