제조 생산분야에서의 비즈니스 성공을 위한 핵심요소

제조 생산분야에서의 글로벌 경쟁은 시간이 지남에 따라 품질과 정밀성에 대한 요구사항이 증가하고 있다. 전체 생산공정을 최적화하고 제어할 있는 가장 효과적이고 비용효율적인 방법은 무엇일까? 많은 생산업체에서, 특히 압전센서을 이용하여 동적인 프로세스에 통합된 모니터링을 수행하는 것이 솔루션으로 입증되었다.

최근 Industry 4.0의 비전은 많은 산업분야(자동차제조, 의료기술 및 전기공학 등)에서 성공적으로 구현되고 있다. 디지털화의 증가와 기계 및 시스템 네트워킹으로 유례가 없었던 모든 생산공정의 최적화를 이끌어내고 있다. 생산라인의 일관된 제어시스템은 불량제로를 목표로 미래시장에서 살아남길 원하는 생산업체에게 필수적인 사항이다.

불과 몇 년 전만해도 사실상 오프라인에서 모든 제품이 생산완료 후 검사되었다. 하지만 최근에는 생산 중 ‘인라인’에서 불필요한 비용을 줄이기 위하여 검사되고 있는 제품들이 점점 많아지고 있다. 접합, 조립 및 테스트공정에서, 압전효과 원리를 통한 센서기술은 불량제로를 목표로 하는 최적화된 생산라인 구현에 기반이 되고 있다. 이 기술은 힘, 압력, 가속도 및 토크와 같은 물리적 변수를 측정하는데 매우 적합하다.

Piezoelectric Sensors(압전센서): 이론

압전센서 사용의 물리적인 기반인 압전효과는 1880년 피에르와 자크퀴리에 의해 발견되었다. 압전재료에 기계적인 부하(그리스어”pie-zein” to press-squeeze)가 가해질 경우 전기전하가 생성된다. 압전효과의 실용화는 1950년 WalterP.Kistler가 압전신호를 위한 전하증폭기에 대하여 특허권을 획득한 것이 중요한 계기가 되었다.

압전효과는 특히 석영 크리스털을 이용하여 잘 구현할 수 있다. 적절하게 처리된 석영에 부하가 가해지면, 작용되는 힘에 비례하여 전하신호가 생성된다. 다른 기술과 달리, 압전효과를 사용한 측정기술은 변형과 변위값에 구속받지 않는다. 석영의 크기는 단순히 측정량의 최대 허용진폭을 결정한다. 따라서 크기가 큰 센서가 생성한 신호와 동일한 구조의 작은 센서에서 나온 신호는 유사하다. 다운스트림 증폭기를 사용하여 필요한 측정범위를 설정하여, 하나의 센서로 수 십 년에 걸쳐 정확한 측정이 가능하며 기계구조를 변경할 필요도 없다.

최적의 생산모니터링을 위해 설치조건에 따라 다양한 센서를 사용할 수 있다. : 1. 직접측정 (공정에서 발생하는 힘전체가 센서를 통과함). 2. 간접측정 (힘의 일부분이 센서를 통과함). 3. Shunt 측정 (힘은 C 프레임프레스의 벤딩을 통해 간접적으로 측정.)

Kistler는 또한 ICP® 출력이 있는 압전힘센서를 제공한다. 이 경우 원신호는 센서에서 바로 5 또는 10 볼트의 출력전압으로 변환된다. 결정체의 강성이 극도로 높기 때문에 측정 편차가 낮고(일반적으로 마이크로미터당 수 KN의 범위) 높은 자연주파수를 제공한다. 이것은 매우 동적인 프로세스에서 특히 핵심적인 요소이다. 또 다른 중요한 특징: 석영과 크리스탈은 제로포인트 오프셋이나 직선성 변화와 같은 피로 나노화 현상이 없다. 하지만 어떤 경우에는 물리적 현상으로 발생하는 전하 드리프트에 의해 압전센서의 사용이 제한될 수 있다. 측정량의 진폭과 측정기술의 설계에 따라 몇 분 또는 몇 시간 동안 준정적 측정이 가능하다..

1950년대 이후 키슬러 (Kistler)가 개발한 석영 센서기술로 동적인 힘이 직접 또는 간접적으로 측정될 수 있다. 직접측정의 경우 센서는 힘방향(1)에 정확히 위치하며, 공정에서 발생하는 전체하중을 측정한다. 이 방법은 실질적으로 힘적용 지점과 무관하게 높은 측정 정확도를 가진다. 센서가 힘방향에 직접 위치하지 않으면 힘의 일부만 측정된다 (3). 나머지는 탑재된 구조를 통과한다 (force shunt). 간접장력측정을 통해 스트레인센서는 구조적 변형(2)을 통해 공정하중을 간접적으로 측정할 수 있다.

연구 산업분야에서의 응용

특히, 석영크리스털을 사용하여 압전효과를 잘 이용할 수 있다. 기계적부하에 비례하여 작용하는 전하신호를 생성한다.

전반적으로 경제적 요건뿐 아니라, 설치 조건도 점점 더 중요해지고 있다. 크기는 힘센서를 선택할 때 결정적인 요소이다. 석영센서는 안정적이고 견고하며 컴팩트한 크기이다. 그래서 다른 기술을 사용할 수 없는 측정지점에 설치될 수 있다. 이러한 속성은 연구개발분야에서만 아니라 생산라인과 시험테스트분야에서도 광범위하게 사용되고 있다. 한 예로, 잠금장치, 문, 엔진후드, 트렁크데크, 시트 및 스프링 등에 대한 압력, 인장, 충돌 및 내구성과 같은 자동차 부품의 노후화와 부하테스트에는 장기적인 안정성을 보여주는 동적 힘 측정방식이 필요하다. 이러한 점에서 석영은 노후화와 같은 변형이 거의 없기 때문에 다른 센서방식보다 우수하다. 또한 교정은 DINENISO 9001:2015-1과 같은 품질보증시스템에 지정된 주기로 제한될 수 있다. 이러한 장점은 시간과 비용을 절약할 수 있다. 특정용도의 경우, 석영힘 센서는 낮은 수명주기 비용으로 인해 주요 비용절감 효과뿐만 아니라 다양한 기술적 이점을 제공한다. 압전센서는 동적인 힘측정 (판금부품의 펀칭공정 등)에 사용된다. 또한 엔진블록에 베어링을 압입하는 것과 같은 준정적 프로세스에도 사용된다. 이러한 경우 공정에서 다루어지는 힘은 안전하게 측정될 수 있다. 압전센서를 이용한 측정시스템은 기존 측정시스템을 영구적으로 파괴할 수 있는 순간적인 힘이 발생하더라도 손상되지 않고 유지된다.

Kistler는 사출성형 공정의 분석과 문서화를 위한 최적의 품질보증 솔루션을 제공한다. 캐비티 압력은 성형부품이 실제로 생성되는 상태를 즉시 보여주는 가장 중요한 프로세스 변수이다. 따라서 캐비티 압력을 통하여 센서와 시스템은 정품 또는 불량품이 생산되고 있는지를 조기에 감지할 수 있다.

직경이 8mm에 불과한 이 측정 핀타입은 Kistler의 광범위한 스트레인 센서 중 하나이다.

정을 위한 시스템 솔루션통합품질보증

매우 민감한 압전센서를 통해 수집한 데이터를 실제로 사용할 수 있도록 적절한 모니터링시스템에서 시각화하여 평가하고 문서화된다. 이러한 측정시스템을 제조공정에 적용하면 제품결함을 조기에 감지할 수 있어 불량품으로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있다. 조립공정에서 Kistler의 maXYmos시스템은 생산공정을 안정적으로 모니터링한다. 결과적으로 최대 비용효율로 불량률제로를 위한 목표에 맞게 생산을 최적화할 수 있다. 이 시스템의 우수한 특징은 탁월한 유연성과 사용자에게 친숙한 운영 인터페이스이다. maXYmos는 자동접합 및 프레스공정뿐만 아니라 핸들을 이용한 프레스와 같은 수동공정에도 사용할 수 있다. 생산과 조립공정 외에도, Kistler의 센서와 XY 모니터링시스템의 응용분야에는 제품 최종 성능테스트가 있다. Kistler XY 모니터링시스템은 탁월한 유연성을 바탕으로 품질보증이 중요시되는 모든 산업분야의 요구사항을 충족시킬 수 있다.

향상된 비용효율성

현재 Kistler의 압전센서와 관련 모니터링시스템은 유럽, 미주, 아시아에 걸쳐 사실상 전세계에서 사용되고 있다. 압전효과 이론을 기반으로 한 Kistler의 센서기술은 기업의 생산라인에서 공정신뢰성을 높이고 생산성의 지속적인 향상과 함께 생산불량을 해소하고 공정효율을 극대화한다. 비즈니스적인 관점에서, 이 정밀한 기술은 다른 어떤 목적보다도 세계각국의 경쟁이 치열한 시장에서 경제적 성공을 위한 탄탄한 토대를 만드는데 기여하고 있다.