4행정 엔진용 크랭크 케이스의 3D 품질 검사

엔진용 크랭크 케이스는 분당 회전 속도가 최대 10,000rpm에 육박하는 구성 부품들로 채워진, 굉장히 복잡한 기계입니다. 밀리미터 단위의 미세한 정밀도가 필수적인 곳이기도 합니다. 

독일 마르크도르프(Markdorf)에 위치한 Weber Motor社는 Weber 그룹 산하 계열사이며 전세계 고객사에 엔진 구성 부품, 엔진 시스템, 온전한 엔진 전체는 물론 섬유질 보강재 복합 재료 구성 부품까지 제작 판매하는 업체로써 40년 전통의 건실하고 신뢰도가 높은 회사입니다. 크랭크 케이스를 만드는 회사의 경쟁력과 성공을 좌우하는 열쇠는 바로 품질입니다. 따라서 생산 공정 전체가 대단히 엄격한 품질 기준을 만족해야 합니다. Weber에서 만드는 강력한 4행정 엔진 제조에 사용되는 알루미늄 주물 부품을 생산하는 공정은 이러한 까다로운 품질 검증이 요구되는 대표적인 예입니다. AICON의 유연한 3차원 디지털화 및 측정 시스템인 SmartScan로 CAD 데이터와의 비교를 통해 요건을 정확히 준수했는지를 검사합니다.

목표와 측정 대상

이 프로젝트에서 측정될 대상인 크랭크 케이스는 모래 거푸집(사형 주조) 방식을 사용하여 제조되었으며 여러 역할을 맡은 부품입니다. 바로 이곳에서 크랭크축과 밸런스 샤프트가 베어링으로 연결되어 있으며 연소식 엔진의 점화력에 영향을 받게 됩니다(축상 및 방사상). 게다가 크랭크 케이스에는 감압 밸브가 달린 오일 압력 펌프가 들어 있기도 해서, 가압된 오일이 이곳으로 들어와 관련된 각 베어링 지점으로 흘러나가게 됩니다. 마지막으로 타이밍 구동축과 기어의 덮개 역할을 하기도 합니다. 따라서 주물 알루미늄으로 만든 크랭크 케이스는 매우 중요한 범주 'A" 구성 부품에 해당됩니다. 크랭크 케이스 안에 들어 있는 내부 엔진 구성 부품은 활용되는 분야에 따라 분당 회전수(rpm) 범위가 최대 10,000rpm에 달하기도 합니다. 

어떤 주물 방식을 선택하는지에 따라 형태 오차가 생길 가능성이 높아질 수 있기 때문에, 크랭크 케이스가 지정된 요건에 맞게 오차 없이 제작되었는지 측정하고 검사하는 작업이 대단히 중요합니다. 미완성 상태인 구성 부품은 기하학적 형상이 복잡하기 때문에 CMM(좌표 측정 장비)를 사용해 표면 데이터 획득을 수행하는 방식은 시간이 오래 걸리고 노동력도 많이 드는 작업임이 입증되었습니다. 종합적인 프로그래밍 작업에 드는 시간은 물론 문서화를 비롯해 도면 생성에 드는 시간까지 감안하면 상당히 많은 시간이 더 소요됩니다. 따라서 영역식 측정 시스템인 SmartScan를 사용해 정밀한 3D 데이터세트를 생성하여 이를 근거로 오차 비교를 수행하는 방안이 시간과 자원을 절약하는 완벽한 대안이 되었습니다.

미완성 상태인 구성 부품의 검사는 AICON의SmartScan를 사용하여 수행하였으며, 이 경우 측정 영역을 작게 구성하였습니다. 데이터 획득 공정을 부분적으로 자동화하여 수행하기 위해 턴테이블도 사용합니다. 

스캔 공정이 시작되면 우선 AICON의 소프트웨어인 OptoCat이 크랭크 케이스의 개별적인 데이터 기록을 생성한 다음, 이들을 정렬하고 병합하여 균일한 삼각화 그물망으로 합칩니다. 두 번째 단계에서는 이렇게 생성된 데이터세트를 특수 검사 소프트웨어 PolyWorks/Inspector™로 평가하여 기하학적 형상을 살펴봅니다. 

영역 측정용 광학식 센서에서도 일반적인 표준 삼각측량 각도만을 사용해서는 필요한 수준의 정밀도로 깊은 톱니 모양의 질감을 포착할 수 없는 경우가 빈번했습니다. SmartScan 는 센서를 유연하게 구성할 수 있어 스캔 절차를 30°, 20° 및 10°로 삼각측량 각도를 달리해 수행할 수 있습니다.  따라서 접근성이 매우 까다로운 영역이라도 대단히 세밀하고 정확하게 측정한 데이터를 얻을 수 있습니다.

결론

SmartScan 의 고정밀 데이터를 사용하자 Weber Motor에서 자사의 까다로운 품질 수준에 맞추는 데 필요한 지원을 얻을 수 있었습니다. 크랭크 케이스 생산이 제대로 이루어지는지 명확한 검사를 수행하려면 주조 담당자는 해당되는 DIN 1680 GTA 지침을 준수하는 형태 편차 허용오차 이내인 3D 데이터세트를 손에 넣을 수 있어야 합니다. 주조 공정을 마친 크랭크 케이스는 SmartScan 시스템으로 디지털화되어 CAD 기준 데이터와 비교합니다. 

CMM(좌표 측정 장비)의 접촉식 측정 센서를 사용하는 것처럼 시간을 많이 잡아먹는 절차는 이제 더 이상 필요하지 않습니다. 아무리 작은 형태 오차라도 전보다 더 빨리, 더 쉽고 훨씬 더 정확하게 확인할 수 있을 뿐만 아니라 전반적인 디지털화 공정과 뒤이은 데이터 비교 작업까지, 귀중한 시간과 비용을 대폭 절감하면서 수행할 수 있게 됩니다. 

측정 결과는 그 자리에서 바로 해석할 수 있으며 곧장 공정 매개변수를 최적화하도록 투입될 수 있습니다. 이렇게 하여, SmartScan 는 Weber Motor 생산 부서에서 최고 품질의 크랭크 케이스를 제조하는 데 꼭 필요했던 지속적인 효율성 달성에 크게 기여할 수 있었습니다. 

 
이 자리를 빌어 해당 응용 분야 사례 보고서 작성을 위해 친절하게 도움을 주신 Weber Motor社에 감사의 말씀을 드립니다.