입자형 오염물 감지와 분류

인라인 입자 검출기는 생산 라인에서 부품 표면의 100% 순도 점검이 가능하다. 이는 불량 부품으로 계속 작업하는 것을 방지한다.

 

공학 박사 얀 쉬츠(Jan Schütz): 프로젝트 매니저,

공학 박사 알브레히트 브란덴부르크(Albrecht Brandenburg): 광학 표면 분석법 팀장, 프라운호퍼 물리측정기술 연구소 (IPM) 생산점검부서장,

 

부품이 후속 가공 단계를 위해 충분히 깨끗한가? 이런 질문에 대부분 만족스럽지 못한 경우가 많다. 적어도 생산 라인에서는 이런 경우가 많다. 표준 분석은 VDA19에 의거하여 오늘날 표본 채취 방식으로 이루어지기 때문에 오염된 부품이 계속 가공될 가능성이 있다. 프라운호퍼 IPM의 인라인 입자 검출기가 이에 대한 해결책을 제시한다. 이 검출기는 생산 라인에서, 그것도 부품 표면에 근접해서 100% 청정도 점검이 가능하다.

그림 2: 다양한 이미징 프로세스의 조합을 통해 입자를 부품 위에서 바로 인식하고 VDC19에 따라 크기 및 유형 별로 분류할 수 있다. 금속성(빨간색), 비금속성(초록색), 섬유(노랑색)

             기술적 청결성은 스트레스를 받는 부품의 수명에 결정적으로 작용한다. 특히 잘못된 위치에 있는 금속 입자는 거의 치명적이며, 몇 개 안 되는 칩이라도 전체 어셈블리의 고장을 초래할 수 있다. VDA19에 따른 표준 분석을 표본 채취 방식이 아닌 직접 생산 라인에서 실시할 수 있다면, 놓치는 부분을 최소화하고 비용을 절감할 수 있다. 이런 응용 시나리오에 대응하기 위해 프라운호퍼 IPM이 인라인 입자 검출기를 개발하였고, 이를 Control 2019 박람회에서 새로운 측정 기술로 소개하였다.

 

정량적 100% 검사

프라운호퍼 IPM의 인라인 입자 검출기는 생산 라인에서 직접 100% 청정도 검사가 가능하다. 이 시스템은 부품의 입자형 오염물을 비접촉으로 감지하고 평가한다. 따라서 번거로운 채취 프로세스를 생략할 수 있어 시간을 절감한다. 결과는 검사 직후 나오고 즉각 프로세스 체인 제어에 반영할 수 있다. 이런 방식으로 프로세스 중의 문제에 바로 대응할 수 있다. 예를 들어 오염 량이 정해진 한계 값을 초과하면, 오염된 부품을 폐기하거나 선별하여 세척한 후 생산 라인에 재투입한다.

인라인 입자 검출기는 이미지뿐만 아니라 형태, 위치 또는 오염 량의 정량적 측정도 제공한다. 이런 방식으로 공간 분해된 평가는 생산 절차 최적화에 도움이 된다. 또한 결과는 품질 특징을 기록하기 위해 품질 관리 시스템에 저장할 수 있다. 따라서 모든 공급업체를 포함하여 프로세스 체인을 따라 표면 청정도 기록이 이루어진다.

             인라인 입자 검출기의 광학 장치와 조명은 소형화된 측정 헤드에 장착되어 있고, 이 측정 헤드는 로봇 암을 이용하여 부품으로 안내된다. 각 부품 형상에 맞추어 측정 헤드로 복잡한 형태의 부품을 검사한다. 그림 1은 내연 기관의 실린더 보어홀을 검사하는 시스템을 보여준다.

전형적인 시스템 특성은 시야 19mm × 14mm, 픽셀 분해능 5μm, 이미지 촬영 시간 0.1초이다. 이러한 시스템으로 입자 크기(20μm ~ 2mm)와 입자 유형에 따라(금속성 입자에서 비금속성 입자 그리고 섬유에 이르기까지) 입자를 안정적으로 분류할 수 있다. 이렇게 수집된 데이터는 사용자 친화적으로 제공되는 소프트웨어 인터페이스를 통해 기존 시스템 컨트롤러와 연결하여 제어를 위해 또는 기존 품질 기록 시스템에 결과를 표시하거나 저장하기 위해 이용할 수 있다.

 

분류 구성품 상에서 바로

품질 보장을 위해 입자 크기의 측정 만으로는 충분하지 않다. 따라서 이를 넘어서는 입자 유형의 분류가 필요하다. 이를 위해 이미징 프로세스가 한 시스템 내에 정교하게 조합되었다 (그림 2). 예를 들어 VDA19 표준 분석과 유사하게 금속성 입자를 적합한 조명 하에서 금속성 반짝거림을 감지하도록 활용할 수 있다. 이런 방식으로 치명적인 금속 입자를 이미지 처리하여 위험하지 않은 섬유 및 비금속성 입자와 구분할 수 있다. 입자 등급에 따라 다양한 한계 값도 시스템에 저장할 수 있다.

그림 3: 스트럭처링 된 표면에서 입자를 광학적으로 감지하는 것은 매우 어려운 과정이다(좌측). 하지만 입자의 위치가 압축 공기 등에 의해 위치가 바뀐 후에 동일한 표면에 대해 두 번째 이미지를 촬영할 수 있다면(가운데), 입자를 차이가 있는 이미지에서 식별할 수 있으며 (우측) 이를 확실하게 제거할 수 있다.

스트럭처링 된 구성품에서도 안정적으로 감지

강하게 스트럭처링 된 부품에서 이미징을 이용하여 입자를 감지하는 것은 어렵다. 하지만 올바른 접근법과 적합한 시스템 역량으로 작업에 맞추어 이미징을 조정할 수 있다. (그림 3)은 실장된 회로 기판과 복잡한 부품 위에서 입자 검출이 가능한 프로세스를 보여준다. 익숙한 이미지에서 (왼쪽) 입자를 부품 구조와 구분하는 것이 불가능하다. 이와 같은 경우 입자가 부품에 붙어 있지 않거나 일부만 붙어 있다는 점을 활용할 수 있다. 압축공기 펄스를 이용하면 입자의 위치 상태에 변화를 주고, 이는 두 번째 그림 (가운데)에서 파악하고, 마침내 차이가 생긴 그림 (오른쪽)에서 입자를 높은 콘트라스트를 인식할 수 있다.

MM 백그라운드

 

라인 내 입자 검출

한 눈에 보는 다섯 가지 장점:

• 부품 상에서 측정이 번거로운 입자 추출을 방지한다.

• VDA19에 따른 평가로 입자 크기와 유형을 분류할 수 있다.

• 이미징 측정으로 오염원을 유추할 수 있다.

• 라인 내 100% 점검으로 직접적으로 개입할 수 있는 품질 보장이 가능하다.

• 청정도 기록이 납품 체인에 따라 안전을 보장한다.

 

MM 세미나

 

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기한: 슈투트가르트, 2019.07.11

뒤셀도르프, 2019. 12.10

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