시험 공정 자동화

자동화된 X선 시험 시스템의 효율을 어떻게 더 올릴 수 있을까?  FraunhoferIIS(집적 회로 연구소)의 EZRT(X선 기술 개발 센터)는 이를 위해 시스템 제조사 Erhardt + Abt와 협력하여 전자동 X선 CT 시험 시스템을 구현하였다.

공학박사(BA) 마르셀나겔: SCHUNK GmbH & Co. KG그리핑 시스템 제품 및 포트폴리오 매니지먼트 분과 매니저,
* Fraunhofer EZRT: Fraunhofer IIS(집적회로 연구소)의 X선 기술을 개발하는 분과
Fraunhofer EZRT(X선 기술 개발 센터)의 XEye-4020 검출기는 노출 시간을 극도로 짧게 할 수 있다. Siemens의 고성능 X선 소스와 조합하여 방사선 투시법의 시험 사이클을 최대 50%까지 단축할 수 있다
Fraunhofer EZRT(X선 기술 개발 센터)의 XEye-4020 검출기는 노출 시간을 극도로 짧게 할 수 있다. Siemens의 고성능 X선 소스와 조합하여 방사선 투시법의 시험 사이클을 최대 50%까지 단축할 수 있다

기존의 X선 시험 시스템은 대체로 Stop&Go 모드로 작동한다. 즉 로봇이 시편(시험 분석을 위한 광석이나 광물 조각)을 배치하면 촬영 시간 동안 잠깐 멈추었다가 다음 시험 위치로 접근한다. 하지만 Erhardt + Abt의 2D/3D 시험 시스템인 Hei-Detect Flex-CT는 동작 중에 시편을 시험할 수 있다. Siemens X선 소스의 최대 출력은 최대 90kW로 기존의 300 ~ 500ms인 노출 시간이 1/80인 6ms로 줄일 수 있어 이는 동작 중에도 자동화된 시험으로서는 충분한 신호 대 잡음비와 명암으로 선명한 이미지를 얻을 수 있다.

Siemens는 어플리케이션을 위해 자체적으로 제작한 속도 프로파일, 즉 잠자리의 비행처럼 신속한 포지셔닝 이동과 속도를 줄인 포착 이동을 조합한 이른바 ‘잠자리 기법’을 이용하여 Fraunhofer EZRT에서 시험 위치가 6 ~ 10개인 시험 사이클 시간을 50% 단축할 수 있었다. 중간 정지없이 실질적으로 부드러운 운동이 가능하기 때문에, 전체 시스템의 기계적 부하도 낮아진다. 안전 관련 구성품의 전자동 X선 시험에서 시험 시스템의 개수를 피부로 느낄 수 있을 만큼 줄이는데 있어 이러한 기술이 이상적인 전제 조건을 형성한다. 전통적인 응용 분야는 림, 섀시 부품 또는 피스톤 시험이다.

다양한 구성품의 2D 및 3D 시험이 가능하다

고성능 X선 튜브의 사용 가능성을 평가하기 위해 퓌르트에 위치한 테스트 시스템을 여러 가지 구성품과 공정 매개변수로 2D 시험뿐만 아니라 3D 시험도 가능하게 구성하였다. 6축 로봇은 공작물을 전통적인 비파괴 X선 시험(2D X선 투시법)을 위해 빔 경로에 배치할 수 있고, 3D 컴퓨터 X선 사진 촬영을 위해 직접 구동되는 인덱싱 테이블 위에 놓을 수 있다. 전체 시스템은 X선이 밖으로부터 침투할 수 없는 완전 보호 캐빈 안에 위치한다. 시험 시스템에서 달성되는 결과를 기반으로 3D 인라인 컴퓨터 X선 사진 촬영을 위한 시험 시간을 최대 75% 줄일 수 있고 2D X선 투시법을 더욱 효율적인 3D 시험으로 대체할 수 있다. 새로운 방법을 이용하여 자동차 피스톤에서 오류 위치와 공간적 특징을 원료 주조품에서 정확하게 식별하고 통합된 냉각 회로의 올바른 위치를 정확하게 시험할 수 있다. 이는 제조 생산성을 높이고, 불량률을 낮추며, 주조 공정을 체계적으로 확인하고 오류를 제거할 수 있는 최적의 전제 조건이 된다.

Fraunhofer EZRT가 개발한 '잠자리 기술'은 신속한 포지셔닝 이동과 속도 감소 촬영 이동을 조합하였다
Fraunhofer EZRT가 개발한 ‘잠자리 기술’은 신속한 포지셔닝 이동과 속도 감소 촬영 이동을 조합하였다. X선관은 수 밀리 초 이내에 자신의 최대 출력을 끌어낸다

컴퓨터 X선 촬영에는 고도로 정확한 리니어 축이 필요하다

“이 시스템은 고도로 정밀한 CT 촬영에도 적합해야 하기 때문에, SCHUNK의 7축 리니어 시스템은 극도의 정밀한 작업을 해야 합니다.“(토마스슈토커, Fraunhofer EZRT 자동 X선 시험 시스템 그룹 리더). 

SCHUNK의 클램핑 시스템과 그리핑 시스템을 위해 사용하는 리니어 축은 ±0.02 mm 미만의 반복 정확도, ±0.05 mm 미만의 절대 정확도, 0.06 mm/m 미만의 직교성을 유지한다. 따라서 이 축들은 시편, X선 소스 그리고 검출기를 정확하게 배치할 수 있다. 컴퓨터 X선 촬영을 위한 회전축은 최대 40kg까지의 하중에 맞추어 설계하였고, 무거운 비대칭 부품인 경우에도 흔들림 오류가 있을 수 없다.

레이저 측정을 위해 SCHUNK의 시스템 알파 시리즈 리니어 축을 정밀하게 정렬하였다
레이저 측정을 위해 SCHUNK의 시스템 알파 시리즈 리니어 축을 정밀하게 정렬하였다. X선 소스, 검출기와 회전축 배치 시 절대 정확도는 ±0.05 mm 미만이다.

SCHUNK는 일년에 평균 2000대 이상의 Plug & work가 가능한 그리핑 시스템을 생산하고 있다. 장착 준비된 표준 어셈블리 버전이고, 고객 맞춤 그리핑 시스템이다. SCHUNK는 수요가 많고, Erhardt + Abt의 X선 시험 시스템처럼 특히 까다로운 솔루션인 경우에 특수한 그리핑 시스템 노하우를 이용하여 인터페이스 문제를 방지하고, 프로젝트 시간을 단축하며, 이미 실현된 프로젝트로부터 포괄적인 경험치를 활용하고 있다. 장착 준비된 SCHUNK 어셈블리를 전체 시스템에 통합하는 것도 SCHUNK의 직접적인 관할 범위에 속한다.  

각 시험 구역에 대해 개별적인 품질 요건을 정의할 수 있다. 주조품 내 공기 혼입과 같은 결함을 자동으로 감지하고 기록한다
각 시험 구역에 대해 개별적인 품질 요건을 정의할 수 있다. 주조품 내 공기 혼입과 같은 결함을 자동으로 감지하고 기록한다

레이저 간섭계를 이용한 측정 및 정렬

Fraunhofer EZRT의 리니어 포털의 경우 특히 전체 시스템의 절대 정확도를 높이는 것이 관건이었다. SCHUNK는 이를 실현하기 위해 전체 축 시스템을 온도 안정적인 그래나이트 플레이트 위에 올린 후, 캡슐에 싼 길이 측정 시스템을 장착한 후 레이저 간섭계로 정밀하게 정렬하였다.

레이저 측정 시 피치, 각도 오류 그리고 거기서부터 초래되는 가이드 회전을 분석한다. 오차를 바탕으로 리니어 시스템을 매우 정밀하게 보정할 수 있다. 이는 어셈블리와 콤포넌트를 가장 적합하게 서로 정렬함으로써 기계적으로 이루어진다. 이른바 맵핑 시에 백래쉬나 위치 오차 등의 시스템상의 오차를 기계 컨트롤 내 오차표를 통해 보상한다. SCHUNK는 리니어 시스템에서 전체 운동 중 0.05mm 미만의 오차를 달성할 수 있었다. 높은 수준의 절대 정확도 외에 시스템 콤포넌트의 정밀 정렬은 시스템의 마모를 줄이고 더불어 전체 시스템의 수명을 늘린다. SCHUNK의 시스템 알파 시리즈의 부하 용량이 크고 편평한 표준 리니어 테이블은 유격이 없는 볼 스크류 스핀들 드라이브와 이중 프로필 레일 가이드를 적용하여 지속적으로 높은 가이드 정확도를 보장한다. 높은 온도 안정성을 유지하기 위해 표준 축을 직접 그래나이트에 장착하였다. 필요한 경우 충돌 후에 개별 모듈을 크게 힘들이지 않고 교체할 수 있다. 이 시스템을 주물 공장 등의 까다로운 환경에서도 사용할 수 있도록, Erhardt + Abt는 SCHUNK PSH 시리즈의 밀봉된 롱스트로크 그리퍼를 사용한다. 또한 각 어플리케이션에 맞게 개별적으로 제작되는 폴리아미드 핑거는 X선 시험을 공정 안정적으로 실행하고 구성품을 최대한 유연하게 선택할 수 있도록 보장한다.

꼭 맞는 X선 셀의 출발점

컴퓨터 X선 촬영을 위해 자동차 엔진 피스톤과 같은 구성품을 직접 구동되는 인덱싱 테이블 위에 둔다
컴퓨터 X선 촬영을 위해 자동차 엔진 피스톤과 같은 구성품을 직접 구동되는 인덱싱 테이블 위에 둔다. 고성능 X선 소스를 이용하여 3D 시험의 사이클 타임을 75% 줄일 수 있다

Fraunhofer EXRT는 우수한 성능의 2D/3D 시험 시스템 Hei-Detect Flex-CT를 이용하여 가능한 어플리케이션을 체계적으로 조사하고 필요한 공정을 평가할 수 있다. “Erhardt + Abt는 자사의 포괄적인 자동화 노하우로 꼭 맞는 X선 셀을 구현할 수 있고, 원하는 경우 새로운 생산 라인이나 기존 생산 라인에서 완전히 자동화할 수 있습니다. 이 경우 핸들링 시스템을 프로그래밍할 때에 포괄적인 역량을 이용할 수 있고, 프로세스에 관련된 다양한 콤포넌트들의 정확한 연동을 구현할 수 있다는 점이 장점입니다.“(우베슈미트, Erhardt + Abt 프로젝트 리더) 따라서 X선 포털에 의식적으로 Siemens 콤포넌트를 사용하게 되는데, 가장 적합한 시간에 이미지 생성이 가능한 트리거 신호를 설정할 수 있기 때문이다. 컨트롤이 본격적인 시험 직전에 하드웨어 디지털 신호를 통해 검출기를 트리거링하고, 그러면 튜브가 본격적인 시험이 시작되기 몇 밀리 초 전에 방출을 시작하고 바로 직후에 다시 꺼지는데 방출 시간이 짧기 때문에 튜브는 최대 출력으로 구동될 수 있다. 

자동화된 비파괴구성품 시험의 새로운 잠재력

효율적인 시험 사이클, 높은 수준의 이미지 품질 그리고 간단하게 다른 어플리케이션 영역에 적용할 수 있다는 점으로 이 시험 시스템은 자동화 비파괴구성품 시험 분야에서 새로운 잠재력을 보여주고 있다. 우베슈미트는 자동차 산업의 전통적인 주조품 검사 외에도 다음의 두 응용 영역에 큰 잠재력이 있다고 본다. 첫째는 항공 우주 산업용 티타늄-알루미늄 재질의 터빈 블레이드 시험이고, 두 번째는 탄소섬유 강화플라스틱 소재의 자동차 안전 부품 시험이다. 이 외에도 기존의 X선 기술로는 지금까지 진입할 수 없었던 수많은 틈새 시장이 존재하고 있으며, 우수한 성능의 X선 소스와 검출기 덕분에 새로이 주목을 받고 있다.

 

MM INFO

FraunhoferIIS의 한 분과인 FraunhoferEZRT에서 시험 대상의 기능은 저하하지 않으면서 오류 또는 품질 결함을 가능한 효율적으로 식별할 수 있는 비파괴시험법을 개발하였다. 이 연구소는 20개 이상의 각기 다른 CT 시스템을 이용하여 전세계적으로 유일하게 다양한 시스템을 제공한다. X선 시스템 사용 스펙트럼은 자동차분야에서 남극의 빙하 코어와 화석을 거쳐 휠과 안전 관련 섀시 부품에까지 이른다.