CFRP 후처리 품질을 검사하는 스마트 휴대용 장치

섬유 강화 플라스틱 소재의 부품은 최종 윤곽에 가깝게 제작된다. 하지만 최종 완료를 위해 후가공을 해야 하며 품질 검사 단계도 매우 번거롭다. 그런데 이제 이 단계가 훨씬 편해진다.

 

토마스 괴츠(Thomas Götz), M.Sc.: 슈투트가르트 프라운호퍼 생산기술 자동화 연구소(IPA) 연구 직원,

공학박사 안드레아스 겝하르트(Andreas Gebhardt): 동 연구소 가공 기술 그룹 지도,

Dr. 티무르 라쉬바(Timur Rashba): Math&Tech Engineering GmbH 이사

 

핵심 내용

  • 미래 지향적인 경량 구조에 섬유 강화 플라스틱이 사용되고 있지만, CFRP(섬유강화플라스틱)에는 육안으로 확인하기 어려운 특징적인 오류 증상이 있다.
  • CFRP 부품의 오류를 빠르고 명확하게 찾아내는 휴대용 장치가 해결책을 제공하고 품질을 보장한다.

 

CFRP(섬유강화플라스틱)와 같은 최신 복합 소재가 다양한 분야에서 점차 많이 사용되고 있다. 특히 항공 우주 분야와 자동차 분야 그리고 기계 엔지니어링에서 이 재료의 경량 특성이 중요한 역할을 하고 있다. 하지만 이 분야에서 CFRP 부품은 대부분 소량으로 제작되고 수작업이 많이 들어간다. CFRP 부품을 시리즈 치수로 제작하려면, 독일에서 경쟁력을 유지하기 위해 가치 창출 체인에서 비용이 현저히 낮아져야 한다. 이 체인의 한 부분이 품질 점검 단계이다.

 

사용자의 요건이 충족되고 있다

CFRP 부품은 일반적으로 최종 윤곽에 가깝게 제작된다. 하지만 최종 제품으로 완성하기까지 가장자리를 깔끔하게 다듬어야 하고 드릴링이나 포켓 밀링 또는 공동부를 통해 기능성을 부여하는 절삭 후처리가 필요하다. 그런데 이러한 후처리 과정에서 손상이 발생할 수 있다. 특히 취화에 강한 매트릭스 재료에 섬유가 혼입되어 발생하는 파손이나 완벽하게 절단되지 않은 섬유로 인한 해짐 현상 그리고 표면층의 절단 가장자리에서 일어나는 박리 현상 등이 대표적이다. 지금까지 특정 손상 현상을 평가하는 자동 검사 시스템은 없었고 검사는 수작업으로 이루어져야 했다. 그것도 한도 견본 카탈로그를 이용하였으며, 이러한 주관적인 평가는 시간도 많이 걸리고 오류에도 취약하다.

따라서 재현 가능하고, 기록 가능하고 보다 안전한 측정을 위해, 드릴링 및 밀링 에지의 가공 오류를 기록 및 평가하는 자동화된 측정 기법 및 측정 수단이 매우 필요했다. 이러한 요건을 실현하기 위해 Math&Tech Engineering GmbH이 프라운호퍼 IPA와 함께 휴대용 장치 AICC 2.0(Automatic Inspection of Cut Carbon)을 개발하였다.

이 휴대용 장치는 촬영 유닛과 컴퓨팅 유닛 두 구성 요소로 이루어진다. 촬영 유닛에는 고정된 렌즈와 조명 장치가 장착된 통합 카메라가 있으며 모듈러 하드웨어 구조로 인해 다양한 측정 작업 및 공작물에 맞게 측정 유닛을 개발할 수 있다.

이 휴대용 장치는 빠른 전환을 통해 각각의 검사 작업에 맞게 손쉽게 조정할 수 있다. 예를 들면 항공기 제작에서 발생하는 것과 같이 접근하기 어려운 측정 위치를 위한 소형 촬영 헤드를 생각할 수 있다. 컴퓨팅 유닛은 임베디드 보드와 배터리, 터치스크린 및 기타 전자 소자로 이루어진다.

촬영 유닛은 손상 부위를 식별하고 측정하기 위해 CFRP 부품의 결합 부분 위에 위치하게 된다. 이미지 촬영은 기록 유닛 또는 컴퓨팅 유닛의 버튼으로 시작할 수 있다. 오류 범위의 픽셀은 세그멘테이션으로 기록되고 손상 크기와 유형 또는 품질 변수와 같은 손상은 평가 알고리즘을 이용하여 결정되고 결과는 터치스크린에 표시된다.

 

완전히 네트워크화된 CFRP 품질 검사

CFRP 후처리 품질을 검사하는 스마트 휴대용 장치

AICC 2.0은 로컬 서브 또는 클라우드 기반 서버를 통해 생산 설비와 네트워킹할 수 있다. 따라서 데이터 전송 속도와 데이터 보안 및 투자 예산 측면에서 사용자의 특정 요건에 적합한 방법을 제공하기 위해 두 가지 서버 타입이 가능하다. 서버는 임베디드 시스템의 계산 능력에 실시간 효율적 평가를 확장하여 여러 검사기를 연결하고 통계 및 리포트 중앙 관리를 통합한다.

부품과 검사기 간 인터페이스는 QR 코드이다. QR 코드를 스캔하여 부품에 맞는 특정 측정 프로그램을 정의하고, 측정 프로토콜을 명확하게 지정할 수 있다. 추적성은 투명하다. 가공 기계와 검사기 간 인터페이스를 통해 측정 프로그램도 절삭 공구 마모 상태에 맞게 조정할 수 있다. 따라서 공구가 새것인 경우 표본 측정만 수행할 수 있다. 반대로 검사기를 통해 기록된 가공 품질은 공구 마모 증가했거나 절삭 매개변수가 잘못되었음을 가리킬 수 있다. 이를 통해 불량이 발생하지 않도록 프로세스를 제어하고 최적화할 수 있다. 따라서 이 새로운 검사기는 CFRP 부품 절삭이 일상이 된 중소기업들의 품질 검사 디지털화를 보다 쉽게 시작할 수 있도록 한다.

‘AICC 2.0 – CFRP 부품 자동 표면 검사를 위한 네트워크화된 휴대용 장치’는 ‘인더스트리 4.0 – 테스트 환경’ 지원 프로그램의 일환으로 BMBF(연방 교육연구부)의 자금을 지원받았으며, DLR 프로젝트 관리 기관이 감독하였다.