자동차 도어 어셈블리의 누수 문제 해결
Scanning and Inspection Pty에서는 PolyWorks®를 도입하여 1시간 이내에 도어 프레임과 차체 간의 관계를 1시간 이내에 분석했습니다.
제조업체들은 문제가 발생했을 때 이를 알아차릴 수는 있지만, 그 원인을 찾아내는 과정은 훨씬 더 복잡하고 많은 시간, 비용, 자원을 필요로 합니다. 문제를 밝혀낸 후에도 수치적으로 조정하는 작업은 또 다른 단계입니다. 제조된 부품이 설계된 부품과 다르거나, 예상과 다르거나, 과거와 다른 경우가 있지만, 얼마나 다른지, 어디가 다른지, 어떤 방향으로 다른지를 파악하는 일은 쉽지 않습니다. 호주의 한 주요 자동차 제조업체는 도어 어셈블리에서 발생하는 누수 문제의 원인을 파악하는 것을 우선 과제로 삼았습니다.
FaroArm에 장착된 ModelMaker Z70
과제
자동차 제조업체는 최근 피할 수 없는 제조상의 문제를 경험했습니다. 생산 및 조립된 일부 승객용 도어 씰의 정렬 상태에서 변동이 발생한 것입니다. 특정 생산 단계에서 제조된 차량은 도어와 씰이 차체와 완벽하게 정렬되어 있었지만, 이후 생산된 차량들은 테스트 단계에서 물이 새는 현상이 나타났습니다. 첫 번째 과제는 물이 어디로 새고 있는지를 파악하는 것이었지만, 더 중요한 분석은 도어 프레임과 차체 간의 관계에 대한 것이었습니다. 누수가 발생하지 않은 차량들과 무엇이, 어느 정도로, 어디에서, 어떤 방향으로 달라졌는지를 파악하는 것은 쉽지 않은 도전 과제였습니다.
한 번의 생산 배치에서 제조된 도어 어셈블리는 누수 문제가 없었고, 이후 생산된 다른 배치에서 누수가 발생했다면, 두 배치 간에 구조적인 차이가 있다는 뜻입니다. 문제를 일으킨 도어 프레임 어셈블리가 정상 차량의 도어 프레임과 어떻게 다른지 알아야 합니다. 생산 과정에서 어떤 변경이 필요한지 파악하려면, 고객은 이러한 차이를 수치화할 수 있어야 합니다. 정상 도어 프레임과 문제 도어 프레임 사이의 관계와 변동을 평가해야 했습니다. 이를 위해 정밀한 비교 분석이 수행되었고, 최신 레이저 스캐닝 기술과 PolyWorks® 소프트웨어 덕분에 몇 시간 만에 분석을 완료할 수 있었습니다.
솔루션
데이터 수집
표면 정보를 빠르고 효율적으로 수집하기 위해 Scanning and Inspection의 전문가들은 관절형 암에 장착된 레이저 스캐너를 사용했습니다. 이번 작업에 사용된 스캐너는 ModelMaker Z70으로, 0.05mm x 0.05mm의 놀라운 밀도로 표면을 디지털화할 수 있는 고성능 스캐너이며, 이는 제곱밀리미터당 약 400포인트에 해당합니다. 이를 통해 부품의 사실적이고 완전한 3D 디지털 형상이 생성되며, 이 데이터는 유용한 정보로 변환되기를 기다리는 방대한 자료가 됩니다. 스캐너는 휴대용 CMM(Platinum FaroArm)에서 3D 기준값을 얻는데, 이번 작업에서는 ±0.051mm 범위의 반복 정밀도를 가진 Platinum FaroArm이 사용되었습니다. FaroArm과 MMZ70 레이저 스캐너는 견고한 삼각대를 이용해 현장에 쉽게 배치할 수 있었고, 대상 차량 도어 바로 옆에 설치할 수 있었습니다. 필요한 표면 데이터를 캡처하는 데는 차량 한 대당 몇 분밖에 걸리지 않았습니다.
PolyWorks 프로세스
스캔 데이터가 수집된 후, 분석의 후처리 단계가 시작되었습니다. Scanning and Inspection Pty Ltd.의 전문가들은 PolyWorks를 사용해 누수가 발생한 차량의 레이저 스캔 데이터를 정상 차량의 데이터와 가상으로 정렬한 뒤, 고급 측정 및 비교 분석을 수행했습니다. 그러나 비교 분석을 진행하기에 앞서, PolyWorks 내에서 포인트 클라우드 데이터에 대한 일련의 전처리 작업이 필요했습니다.
데이터 수집
스캔 정렬 개선
데이터 수집 단계에서는 여러 번의 스캔 작업이 수행되었습니다. 각 스캔 패치는 레이저 스캐너의 위치 변화를 기준으로 공간 참조를 제공하는 관절형 암의 고유 정렬 기술을 통해 자동으로 정렬됩니다. 레이저 스캐너로 획득한 대부분의 포인트 클라우드는 이전 스캔 패스에서 이미 측정된 데이터 위에 다시 중첩되는 경우가 많습니다. 따라서 부품의 특정 영역은 두 번 이상 측정되는 경우가 발생합니다. 이러한 중복된 데이터 영역을 오버랩 영역이라고 부릅니다.
휴대용 CMM으로부터 정렬된 포인트 클라우드를 더욱 정밀하게 다듬기 위해, PolyWorks의 IMAlign 모듈은 이러한 오버랩 영역을 활용하여 모든 스캔 데이터를 재정렬합니다. 먼저 정렬된 포인트 클라우드에 대해 편차 분석이 수행되었습니다. PolyWorks는 각 오버랩 스캔 간 평균 거리를 자동으로 계산하고, 해당 편차 값을 색상으로 표시합니다. 이를 통해 사용자는 한눈에 공차를 벗어난 스캔을 식별할 수 있으며, 재정렬을 통해 개선 가능한 영역을 쉽게 파악할 수 있습니다.
그 다음, PolyWorks의 “베스트 핏” 정렬 기술을 사용해 재정렬 작업이 수행되었습니다. 동일 영역 내 스캔 패치 간에 발생할 수 있는 슬라이딩 현상을 방지하기 위해, 각 스캔마다 자동으로 8개의 제어 포인트가 설정되어 자유도를 제한합니다. 이러한 기능은 스캔 정렬 과정에서 슬라이딩 문제가 자주 발생하는 다른 스캔 정렬 솔루션과 PolyWorks를 차별화하는 요소입니다. 제약된 베스트 핏 정렬이 완료된 후, 새로운 편차 분석이 수행되고 컬러 맵이 표시되었습니다.
마지막 단계는 PolyWorks의 "중첩 감소" 기술을 사용하여 모든 중복된 스캔 데이터를 지능적으로 평균화해 단일 계층의 포인트 클라우드 모델을 생성하는 작업이었습니다. 이렇게 생성된 포인트 클라우드는 이후 도어 간 비교와 같은 추가 분석을 위해 표면으로 변환될 수 있습니다. 스캔 방법은 누수 차량과 정상 차량 모두 동일하게 적용되었습니다. 윈도 프레임과 도어 프레임에 부착된 주변 트림 부품은 모두 제거되어, 생산 이후의 구조용 강철 부품만 노출된 상태로 스캔이 진행되었습니다. 데이터 수집 과정 동안 도어는 항상 닫힌 상태였으며, 누수가 발생한 씰과 관련된 영역을 중심으로 MMZ70 레이저 스캐너를 사용하여 스캔을 수행하였습니다.
레이저 스트라이프가 표면을 가로지르며 초당 수만 개의 3D 포인트를 수집하는 동안, 해당 표면은 실시간으로 컴퓨터 화면에 바로 표시되었습니다. 이러한 실시간 포인트 클라우드 표면 표시 기능 덕분에 측정 시 누락된 영역이나 추가로 스캔해야 할 부분을 즉시 확인할 수 있었고, 즉각적으로 보완할 수 있었습니다.
폴리곤 모델 생성
폴리곤 모델 생성
"문제가 없는" 도어 프레임 어셈블리와 "문제가 있는" 도어 프레임 어셈블리의 서페이스를 비교하기 위해 Scanning and Inspection에서는 포인트 클라우드를 서페이스로 변환할 필요가 있었습니다. PolyWorks는 수천만 개에 달하는 포인트 클라우드 데이터를 순식간에 삼각형 메쉬로 변환하였습니다. 소프트웨어는 각 포인트를 삼각형의 노드로 사용해 수백만 개의 작은 삼각형을 생성했습니다.
스캔된 대상의 다양한 형상을 정확하게 표현하기 위해, PolyWorks는 차량 표면에서 형태가 일정한 구간에는 삼각형 수를 줄이고, 윤곽이 복잡해지는 부분에는 삼각형을 더 많이 사용했습니다. 이 모든 과정은 사용자가 지정한 공차 값에 기반하여 진행되었습니다. 또한 변환 전에 가장 가까운 이웃 검색 거리와 탐색 거리와 같은 파라미터도 설정되어, 삼각형 표면을 생성하는 동시에 측정 장비의 노이즈를 최소화할 수 있도록 하였습니다.
도어 대 도어 비교
복잡한 최소자승법 수학 계산과 표면 분석을 통해, 새롭게 삼각 메쉬로 최적화된 두 레이저 스캔 데이터 세트는 서로 겹쳐지고 PolyWorks의 베스트 핏 정렬 기술을 사용해 정렬되었습니다. 그 후 PolyWorks는 두 어셈블리 간 비교 결과를 강조하는 색상 코드 분포 패턴을 생성했습니다. 생성된 컬러 오류 맵은 누수가 발생한 차량의 도어가 정상 차량의 도어와 어떤 차이가 있는지를 쉽게 식별할 수 있도록 도와줍니다.
B-필러와 도어 하부 구간은 연한 초록색(아쿠아색)에 가까운 색상으로 표시되어 두 도어 세트 간 편차가 ±0.5mm 이하임을 나타냅니다. 도어 자체에 용접된 스틸 윈도 프레임과 같은 다른 영역은 초록색으로 표시되며, 이는 ±1-2mm의 편차를 나타냅니다. 마지막으로 자동차 섀시에 있는 주황색 부분도 ±1-2mm의 편차를 나타냅니다.
다시 말해, 두 차량의 B-필러가 0.5mm 이내로 정렬되었을 때, 누수가 발생한 차량의 윈도 프레임은 누수가 없는 차량보다 실제로 0.5mm에서 2mm 정도 낮게 위치해 있었으며, 이는 물이 통과하기에 충분한 간격이었습니다.
성과
Scanning and Inspection의 엔지니어들은 섀시를 조정하는 것보다 도어 프레임 위치에 영향을 주는 용접 부위를 변경하는 것이 훨씬 쉽다는 사실을 확인했습니다. 이에 따라 누수가 발생하지 않은 도어와 비교해 프레임이 너무 낮게 위치하지 않도록 윈도 프레임과 도어가 만나는 부분의 용접 위치를 조정했습니다.
전체 PolyWorks 검사 프로세스는 1시간 이내에 완료되었습니다.
조사 결과에 따라 고객의 주요 관심사는 차량의 윈도 프레임, 더 구체적으로는 윈도 프레임이 메인 도어 어셈블리에 용접되는 방식에 집중되었습니다. 초기 CAD 설계에 명시된 이상적인 위치보다 윈도 프레임이 지나치게 안쪽에 위치하지 않도록, 용접 작업에 대한 적절한 조정이 이루어졌습니다.
FaroArm과 MMZ70 레이저 스캐너의 정확도와 유연성, 그리고 세계적 수준의 PolyWorks 소프트웨어를 함께 활용함으로써, 이 자동차 제조업체는 다음과 같은 성과를 얻을 수 있었습니다:
- 누수 원인을 신속하게 파악
- 정상 도어 어셈블리와 비교하여 문제 도어 어셈블리의 물리적 편차를 얼마나, 어디서, 어떤 방향으로 발생했는지를 정확하게 측정
- 윈도 프레임과 도어가 맞닿는 용접 부위를 조정하여 어셈블리 공정을 수정
- 전체 검사 프로세스를 1시간 이내에 수행
