정밀 주조의 광학적 품질 관리

측정 작업의 난제인 품질 관리: 정밀 주조 제품의 품질은 초마이크로미터 단위에 좌우되기 때문에  3차원 분석을 거치지 않고는 구성 부품을 관리할 수 없습니다. 
Zollern社는 300년이 넘는 유구한 역사와 전통을 자랑하며 금속 가공 업계를 선도하는 기업입니다. Zollern은 다종다양한 금속 처리 및 가공 기법을 개발하고 연마해 왔는데, 이는 내부 품질 검사를 수행할 때 까다로운 기준을 정립하고 준수해 왔기에 가능했습니다. StereoScan 금형으로 생성한 고정밀 3차원 스캔 데이터 덕분에 왁스 견본과 완성된 주물 부품을 필요한 수준의 효율성과 정확도를 갖추고 검사할 수 있게 되었습니다.

목표와 측정 대상

정밀 주조(precision casting)’(다른 말로는 '인베스트먼트 주조')라는 용어만 보아도 Zollern에서 제조되는 제품의 특성을 알 수 있습니다. 여기서 만드는 제품들은 대개 크기가 작고, 초정밀 제조법으로 생산된 주물 부품으로, 중량은 약 1g에서 10kg까지 다양합니다. 예를 들면 터빈 휠, 가스 터빈용 블렌더와 노즐 날개 등이 있습니다. 정밀 주조 방식을 통하면 여타 주조 기법과는 비할 데 없는 최고 수준의 성형과 구성 작업을 수행할 수 있습니다. 이 방법으로는 기능적으로 불가능하고 비용이 너무 많이 드는 다른 방식에 기술적 해법을 제시할 수도 있고, 전문 특수 제품을 만들 수도 있습니다. 

배기 터보차저에 쓰이는 인코넬(Inconell) 터빈 전기자의 품질을 예로 들면, 최고 수준의 제품 품질을 달성하기 위해 밀리미터 단위로 품질 검증을 거칩니다. 이 부품의 치수는 허용오차가 극히 미세하며, 생산 공정 내내 반복적으로 확인과 검증을 거쳐야 합니다. 이러한 구성 부품은 날이 갈수록 점점 더 복잡해지고 있기 때문에 CMM(좌표 측정 장비)를 사용한 접촉식 검사 방식으로는 시간과 품질 측면에서 공정에 필요한 속도와 변화 내용을 더 이상 따라잡을 수 없게 되었습니다. 게다가 CMM으로 도출한 결과는 계측학 전문가가 해석하고 설명해 주어야 한다는 문제도 있습니다. 이 회사의 정밀 주물 검사 부서 직원인 Jürgen Weber는 바로 이 부분을 지적합니다. 측정 프로토콜을 쉽게 이해할 수 있고 형식을 유연하게 변환할 수 있어야 측정 결과를 관계자들 사이에서 신속하고 간편하게 나눠 볼 수 있고, 사내에서뿐만 아니라 고객도 이해할 수 있게 된다는 것입니다.

측정 시스템 및 준비

Zollern은 인라인 품질 검사를 수행하기 위해 AICON의 StereoScan을 도입했습니다. 이 고성능 측정 시스템은 완제품 그대로 구매하면 되는 대량 생산 완제품 3D 스캐너가 아니라 매우 유연하게 구성할 수 있다는 점이 특징입니다. 프로젝트 준비 테스트의 결과와 AICON의 시스템 기술자들의 오랜 노하우와 경험으로 쌓은 지식을 바탕으로 측정 영역, 필요한 조도, 카메라 해상도는 물론 자동화 수준까지 Zollern의 생산 요건에 정확히 맞추어 준비했습니다. 

정밀 주조에 수행하는 검사 업무는 다채롭습니다. 3D 측정 시스템은 연구 개발 분야에 적용되는 것은 물론 인라인 품질 관리 및 품질 검증에도 사용됩니다. 예를 들어 터빈 휠을 왁스로 제작한 모델을 3차원으로 측정하여 목표값과 공칭값을 CAD 구성 데이터와 비교하는 작업을 수행하거나 모델을 반으로 갈라 내부의 기하학적 형상을 측정하는 데에 쓰이기도 합니다. 

또한 고정밀 측정 데이터는 툴링을 교정할 목적으로 조정하는 작업에는 물론 초도품 검사 단계에도 사용할 수 있습니다. 대량 생산 공정에서는 필요한 품질 기준을 맞추고 유지하려면 궁극적으로 3D 정밀도가 생명과도 같습니다. 바로 이 시점에서 주물 부품이 표본 추출 검사를 통해 형태 기준을 준수하는지 검증을 거치게 됩니다. 검증 대상에 들어가는 것은 예컨대 터빈 휠의 전체 직경이나 휠 허브에서 각 블레이드까지의 이행 상태 등입니다.

터빈 블레이드의 3차원 품질 검사는 이 프로젝트에서 필요로 하는 높은 수준의 상세한 해상도를 보장하기 위해 측정 영역을 작게 구성한 StereoScan을 사용하여 이루어졌습니다. 검사 대상인 터빈 휠은 다음과 같은 단계를 따라 디지털화됩니다. 3D 스캐너, 측정 대상과 턴테이블을 준비하고 구성한 다음, 센서 장치(카메라 및 광 투영 장치)를 캘리브레이션합니다. 

스캔 공정이 시작되면 우선 터빈 휠의 데이터 캡처 이미지가 개별적으로 생성된 다음 AICON의 소프트웨어 OptoCat을 사용해 정렬되고 하나의 균일한 다각형 그물망으로 병합됩니다. CMM에 장착된 영역 측정용 광학 센서에서 사용하는 일반적인 표준 각도로는 깊은 리브(rib)형 질감을 정밀하게 포착할 수 없습니다. 반면 AICON의 스캐너에서 사용하는 센서의 유연한 구성 방식으로는 삼각 측량 각도를 각각 30°, 20°, 및 10°로 달리하여 추가로 데이터를 획득할 수 있기 때문에 접근하기 까다롭고 다양한 크기와 모양을 가진 주물 부품의 측정 영역도 미세한 부분까지 모두 정확하게 측정할 수 있습니다. 

두 번째 단계에서는 검사 소프트웨어 PolyWorks/Inspector™로 스캔 데이터를 평가하여 지정된 검사 매개변수(표준 기하학적 패턴, 교차 또는 변형 등)를 준수하는지 평가합니다. 그러려면 다양한 방법 중에서도 특히 맞춤식 보고서 형식이 유용하게 쓰입니다. 예를 들어 2D 또는 3D 의사 색상 표현, 공칭값과 허용오차를 명시한 표나 교차 보기 등이 제공됩니다.

결론

AICON 3D 스캐닝 시스템은 쉽고 빠르게 평가할 수 있는 측정 데이터를 생성하므로, 공정 매개변수를 즉각적으로 시의적절하게 최적화할 수 있습니다. 따라서 Zollern에서 일관적이고 효율적인 공정으로 최고 품질의 터빈 휠을 생산할 수 있게 되었습니다. 이제 CMM(좌표 측정 장비)으로 힘들게 데이터 획득과 평가 작업을 할 필요가 없게 되었습니다. 터빈 휠의 3차원 디지털 데이터를 사용하면 형태 오차를 더 빠르게 우수하고 능률적으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 시간과 비용을 절감하는 데에도 도움이 됩니다. 

Weber씨는 다음과 같이 요약했습니다. "AICON 3D 스캐닝 시스템으로 CMM보다 훨씬 더 빠르게 데이터를 획득할 수 있어 시간을 효율적으로 관리할 수 있게 되었습니다. 또 다른 장점으로, 3D 데이터를 다른 종류의 정밀 주조 부품과 연계해서도 사용하고 있습니다. 예를 들어 터빈 블레이드에 쓰이는 세라믹 주조 코어는 최대 20개까지 동시에 정밀 측정할 수 있습니다." 

Weber씨는 StereoScan의 적절한 구성으로 대형 주물 부품의 품질 검사에도 활용하고 있습니다. 또한 이러한 구성 부품의 경우, 프린지 투영 시스템은 CMM(좌표 측정 장비)이나 고급 레이저 스캐너보다 훨씬 우수한 품질과 밀리미터 미만 단위의 정확도를 보장하는 데이터를 도출합니다. 뿐만 아니라 시스템 운영이나 데이터 평가 면에서도 취급 방식이 훨씬 쉽다는 장점도 있습니다. 그 결과 Zollern의 세계적 명성에 걸맞는 우수한 품질의 주물 부품을 꾸준히 생산하고 있습니다.