초기 단계에서 설계 및 제조 문제 해결
CT-스캐너와 PolyWorks®를 사용한 소형 부품의 기하학적 검사
소형 사출 금형 부품 및 어셈블리의 검사 및 기능 분석에는 완전히 새로운 사고 방식이 필요합니다. 오늘날에는 비전통적인 하드웨어와 소프트웨어 도구를 작고 복잡한 기하학적 형태에 치수 검사에 사용할 때 결과가 더 좋고 이해하기 쉽습니다. 이 글에서는 Bolton Works에서 PolyWorks® 제품군을 사용하여 스캔한 구성 요소와 CAD 모델을 사용하여 가상 조립을 수행함으로써 전문가가 초기 단계에서 설계 및 제조 문제를 해결할 수 있게 된 방법을 설명합니다. 소형 밸브 및 펌프 제조업체인 Parker Hannifin의 Pneutronics 사업부를 조사한 사례 연구를 통해 이 글에서는 CT 스캐너를 사용하여 작은 형상을 효율적으로 측정하고 기하공차와 같은 다양한 품질 관리 작업을 수행하는 방법도 설명합니다.
과제
더 나은 설계 도구와 재료의 등장으로, 엔지니어들은 사출 성형 부품에 여러 기능을 통합하려는 경향이 있습니다.
이를 통해 전체 비용, 조립 시간, 조립 신뢰성이 향상됩니다. 그러나 캘리퍼스, 게이지, CMM과 같은 접촉식 측정 도구는 크기가 25mm 미만이고, 특징 크기가 1mm 미만인 소형 부품 측정에 효과적이지 않다는 것이 확인되었습니다.
그 이유는 다음과 같습니다.
- 기계식 터치 프로브는 관성으로 인해 작동 속도가 제한되므로 샘플링되는 데이터 포인트 수가 제한됩니다.
- 사출 금형 내 슬라이드 및 인서트 사용으로 형성된 형상은 종종 언더컷(Undercut)을 포함하고 있어, 기존 측정 장비로는 단일 셋업에서 접근할 수 없습니다.
- 프로브의 크기에 따라 측정할 수 있는 형상의 크기가 제한됩니다.
- CMM은 CNC 공작기계와 마찬가지로 프로브가 측정 대상 위치에 도달할 수 있도록
장비 고정을 피하면서 별도로 프로그램해야 합니다. - 게이지, 광학 비교기, 현미경 등은 모두 2차원 상에서만 측정이 가능합니다. 이러한 장비들은 평면 단면에서의 측정만 제공하며, 3D 공간에서 측정된 형상들이 서로 어떻게 관련되는지에 대한 정보를 제공하지 못합니다. 따라서 기준면(Datum)을 사용해야 할 경우 큰 한계점으로 작용합니다.
솔루션
CT 스캐너로 전환
Pneutronics는 Parker Hannifin Corporation(미국 뉴햄프셔주 Hollis)의 한 사업부로, 정밀 유체 제어 분야에서 사용되는 소형 솔레노이드 밸브, 소형 다이어프램 펌프, 시스템 솔루션을 설계 및 제조하고 있습니다. Pneutronics의 밸브 제품군은 직경 0.003인치부터 0.250인치까지의 오리피스 크기를 갖는 소형 디지털, 비례 제어, 멀티미디어 솔레노이드 밸브로 구성되어 있으며, 의료기기 및 분석 장비 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
2003년, Pneutronics는 밸브를 비파괴 방식으로 분석할 수 있는 기술을 찾고 있었습니다. 해당 제품인 XValve®는 24mm x 8mm x 9mm 크기의 2포지션 3웨이 소형 공압 밸브로, 유리 충진 폴리머 하우징, 스테인리스 스틸 코어, 스테인리스 스틸 액추에이터, 엘라스토머 재질의 실링이 장착된 플런저, 그리고 솔레노이드로 구성되어 있습니다.
플라스틱 및 실리콘 고무 부품 모두를 정확하게 측정할 수 있는 솔루션을 찾는 것은 기술 선정의 중요한 요건이었습니다. Pneutronics의 개발 엔지니어인 Drew Brenner는 여러 가지 옵션을 검토한 끝에, Bolton Works의 CT 스캐닝 서비스를 통해 측정 프로세스의 전체 디지털 이력을 구축하는 방법을 선택하게 되었습니다.
CT 스캐너(컴퓨터 단층 촬영, Computer Tomography)는 산업 및 의료 분야에서 물체의 외부뿐만 아니라 내부 정보를 수집하는 데 사용됩니다. CT 스캐너는 X-선 소스, 측정 대상 물체를 지지하는 플랫폼, 그리고 검출기로 구성되어 있습니다. CT 스캐너는 X-선이 물체를 통과할 때 발생하는 감쇠를 측정하여, 3차원 볼륨 데이터셋(Data-set)을 생성합니다. 이렇게 디지털화된 모델은 수백만 개의 포인트로 구성된 매우 조밀한 포인트 클라우드로 구성됩니다.
이 방대한 정보를 처리하기 위해, Bolton Works는 InnovMetric의 포인트 클라우드 처리 소프트웨어인 PolyWorks®를 도입했습니다. 자동차 및 항공 산업에서 수년간 포인트 클라우드 데이터를 처리한 경험을 바탕으로, PolyWorks는 CT 스캐너로부터 생성되는 대용량 포인트 클라우드를 효율적으로 처리할 수 있는 가장 안정적이고 강력한 소프트웨어임이 입증되었습니다.
Pneutronics는 CT 스캔 기술과 PolyWorks를 활용하여 제품 개발 기간을 단축하고, 중요한 인사이트를 확보했으며, 시험 프로세스를 효율화할 수 있었습니다.
검사 프로세스
1) 부품 디지털화
X-밸브 어셈블리에 있는 혼합 소재로 작업하기 위해 Bolton Works에서는 플라스틱 하우징을 별도로 스캔하는 작업을 시작했으며, 그 결과 이미지 간 거리가 20μm인 1,500개의 이미지로 구성된 데이터 세트가 생성되었습니다. 생성된 이미지 데이터 세트의 총 크기는 1.8GB였습니다. 이 이미지 스택에서 약 600만 개의 데이터 포인트로 구성된 3D 포인트 클라우드 모델이 생성되었습니다.
장점:
- 특히 기존 측정 기술과 비교할 때 많은 데이터 포인트를 샘플링할 수 있다는 것은 상당한 장점입니다.
- Pneutronics에서는 CT 스캔 한 번으로 밸브 연구에 필요한 모든 데이터를 수집했으므로 새로 측정하기 위해 별도로 스캔할 필요가 없었습니다.
- 가장 중요한 것은 데이터 포인트 수가 많아 모델의 정밀도와 세부 묘사가 크게 향상되어 설계 데이터가 더욱 정확해지고 제품 분석이 더욱 완벽해졌다는 것입니다.
2) CAD와 비교
스캔을 통해 3D 모델을 생성한 후, 포인트 클라우드 데이터는 "베스트 핏(Best Fit)" 방식으로 3D CAD 모델과 정렬되었습니다. 소프트웨어는 포인트 클라우드상의 모든 포인트를 CAD 표면 정보와 비교하여 편차를 기록하고, 그 결과를 컬러 맵 형태로 시각화해 표시합니다.
3) 기하공차
PolyWorks 소프트웨어를 통해 Pneutronics는 GD&T(기하 공차)를 적용하고, 어셈블리의 기준 좌표계를 정의하여 효율적으로 기계 도면 표준을 개발할 수 있었습니다. PolyWorks는 3D CAD 모델을 활용하여, 포인트 클라우드에서 평면, 원통, 원뿔 등과 같은 기본 형상을 자동으로 추출합니다. 예를 들어, 공압 밸브의 기준 평면(Datum Plane)을 정의하기 위해, 3D CAD 모델 상의 평면을 식별한 후, PolyWorks는 해당 CAD 형상의 주변 0.25mm 내에 있는 포인트들을 이용해 포인트 클라우드로부터 해당 평면을 추출했습니다. 또한, 해당 평면의 법선과 20도 이하로 차이가 나는 포인트들만 남기고 필터링했습니다. 이러한 필터링 과정을 통해, 수백만 개의 스캔 데이터 포인트 중에서 정확한 기준 평면이 생성되었습니다. 따라서, 초기 단계의 Best Fit 정렬은 포인트들을 충분히 가까운 위치로 맞추기 위한 작업일 뿐이며, 실제 기준면과 형상은 그 이후의 데이터 필터링과 추출 과정에서 최종적으로 정의됩니다.
도면에서는 추출된 기준면, 원통, 평면 등의 관계가 시각적으로 표시되며, 최대/최소 재료 조건을 포함한 공차 정보도 명시됩니다. 이러한 정보는 PolyWorks 검사 소프트웨어에 입력되어 활용됩니다. 이는 매우 중요한 작업입니다. 그 이유는, 도면에서 특정 원통 형상이 기준 A, B, C에 대해 위치가 지정되어 있다면, 소프트웨어가 해당 기준에 맞춰 포인트 클라우드를 가상 정렬해야 하기 때문입니다. 필요한 형상 정보를 추출하고, 도면상 정의된 값과 비교한 후, 최종 검사 결과는 Excel 형식으로 출력되어 문서화됩니다.
4) 가상 조립
Pneutronics에서는 X-밸브의 특정 성능 특성을 향상시키기를 원했으며 중요한 치수의 현재 상태를 나타내는 정확한 GD&T 레포트가 필요했습니다. Brenner에서는 스테인리스 스틸 및 고무 부품과 플라스틱 하우징의 상호 작용을 평가하기로 결정했습니다. 밸브 어셈블리는 플라스틱, 고무, 스테인리스 스틸, 구리 배선 등 다양한 재질의 부품으로 구성됩니다. 이러한 각 소재는 밀도가 서로 다르기 때문에, CT 스캔 시 각 부품에 대해 서로 다른 에너지 레벨을 적용해야 했습니다. 그러나 각 재질을 분리하여 개별적으로 스캔한 후 다시 정확한 모델로 재구성하는 것은 비현실적이었습니다. 이에 따라, 어셈블리를 시각화하기 위해 다른 접근 방식이 채택되었습니다.
원통형 스테인리스 스틸 부품은 비교 측정기(Comparator)와 캘리퍼스 같은 기존 측정 도구로 측정되었습니다. 그리고 허용 공차 내에 있는 것이 확인된 후, 스테인리스 실린더와 고무 밸브의 CAD 모델을 사용하여 PolyWorks 내에서 가상 조립을 수행하고, 그 후 스캔된 하우징 데이터와 3D 상에서 중첩시켰습니다.
이 가상 조립을 통해 설계상의 기하학적 정확성이 검증되었고, 밸브가 의도한 대로 닫힌다는 사실이 확인되었습니다. 설계 검증이 완료된 이후, 조사의 초점은 어셈블리 공정으로 옮겨졌습니다.
금속 부품만 시각화하기 위해 더 높은 전압의 CT 스캐너가 사용되었습니다. 스캔 결과, 액추에이터를 하우징에 삽입할 때 정렬이 틀어질 수 있다는 사실이 확인되었습니다. 이에 따라, 어셈블리 공정의 재검토가 필요하다는 결론에 도달했습니다.
결론적으로, 형상 검사와 가상 조립 과정은 부품 간 상호작용을 이해하는 데 결정적인 역할을 했으며, Pneutronics가 밸브 성능 향상을 위해 설계 개선이 아닌 조립 공정 개선에 집중할 수 있도록 해주었습니다.
자동화 및 레포트
PolyWorks는 전문가들이 전체 검사 작업을 자동화할 수 있도록 강력한 스크립트 언어를 제공합니다. 앞서 언급된 모든 검사 작업은 스크립트로 자동화되어 마우스 클릭 한 번으로 실행될 수 있습니다. 다음 포인트 클라우드 데이터를 불러오고, 검사 결과를 Excel 스프레드시트로 출력하거나 HTML 형식으로 웹 서버에 업로드하는 것만으로 작업이 완료됩니다.
이러한 높은 수준의 자동화는 특히 다중 캐비티 금형 툴 검사 시 매우 유용합니다. Bolton Works는 2003년부터 CT 스캔 데이터를 기반으로 PolyWorks를 활용하여 검사 보고서를 자동으로 생성해 오고 있습니다.
성과
Pneutronics의 결과에서 볼 수 있듯이 CT 스캐닝은 소형 밸브에 대해 실행 가능한 검사 프로세스를 효율적인 비용으로 구현하는 방법임이 확인되었습니다. 기존의 접촉식 측정 도구를 사용하는 것은 어려움이 있었지만, CT 스캐너와 적절한 소프트웨어 도구를 함께 활용함으로써, Pneutronics는 설계, 프로토타입, 생산, 조립 등 제조 공정의 다양한 단계에서 적용 가능한 완전한 디지털 검사 프로세스를 구축할 수 있었습니다. 이 검사 방식은 전체 형상 분석, GD&T 측정, 가상 조립을 통한 부품 검증에 매우 효과적인 것으로 나타났습니다.
PolyWorks는 다양한 이유로 CT 스캐너 데이터 처리에 가장 적합한 도구임이 확인되었습니다.
- PolyWorks는 CT 스캐너가 생성하는 대용량 데이터셋(약 2GB)을 효율적으로 처리할 수 있습니다.
- PolyWorks는 데이터와 CAD 모델을 비교하여 즉각적인 전체 형상 분석을 제공합니다.
- PolyWorks에는 최신 GD&T 표준(ASME Y14.5M-1994)에 따라 부품 규격을 검증할 수 있는 고유한 내장 GD&T 엔진을 제공합니다.
- PolyWorks는 스캔된 데이터와 CAD 모델을 가상으로 조립하는 기능을 지원합니다.
- PolyWorks는 검사 프로세스를 자동화할 수 있는 강력한 스크립트 언어를 제공합니다.
CT 스캐너는 상당한 초기 투자 비용이 필요한 장비입니다. Bolton Works는 CT 스캐닝 서비스를 제공함으로써, 고객들이 자체적으로 포인트 클라우드 데이터를 기반으로 PolyWorks 소프트웨어의 지원을 받아 직접 분석할 수 있도록 하여, 이러한 기술을 보다 합리적인 비용으로 활용할 수 있게 했습니다.
