광학 CMM이란 무엇입니까?

의료용 부품을 분석 중인 Zeiss O-Detect 광학 측정기. 사진 제공: Carl Zeiss AG

기존 CMM에 대한 정의부터 시작하는 것이 가장 쉬울 것입니다. 기본적으로 CMM은 물리적 프로빙(probing)을 사용하여 정밀하게 측정하는 기계입니다. XYZ 선형 축을 중심으로 구축된 이러한 장치는 3D 공간에서 형상적 특징의 위치를 기록합니다. 이 기술은 특히 고정밀 3D 측정과 분명치 않은 표면 세부 사항 감지에 적합합니다.

하지만 기존 CMM은 크기가 상당히 크고 운용 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 깨지기 쉬운 제품을 작업할 때는 프로빙으로 인해 손상이 발생할 수도 있어 특정 사례에서는 사용이 제한될 수 있습니다.

반면, 광학 CMM은 비접촉식 3D 측정을 위해 특별히 제작되었습니다. 카메라, 레이저, 구조광과 같은 기술을 사용하여 객체의 형상을 캡처하는 광학 CMM에는 다양한 유형이 있지만 모두 계측 애플리케이션에 사용될 수 있습니다.

CMM의 유형에 따라 워크플로가 약간 다릅니다. 대부분의 실험실용 광학 CMM은 사용자가 부품을 플랫폼에 놓아야 합니다. 그런 다음 백색광, 고해상도 CCD/CMOS 카메라, 레이저 삼각측량 센서와 같은 캡처 기술을 사용하여 물리적 접촉 없이 객체 표면을 감지합니다. 다른 휴대용 장치도 마찬가지로 비접촉식이지만, 사용자가 수동으로 조작할 수 있어 유연성이 뛰어납니다.

캡처한 데이터는 CAD 모델 비교를 통해 분석하거나 형상 간의 거리와 각도를 간단히 측정하여 결과가 정확하고 허용 오차 범위 내에 있게 할 수 있습니다.

ZEISS Inspect Optical 3D로 검사 중인 3D 스캔 크랭크케이스.

일반적으로 광학 CMM은 크고 정적인 기계입니다. 하지만 이제 많은 사용자가 3D 스캐너라는 또 다른 종류의 CMM을 채택하기 시작했습니다. 이들은 향상된 조작성과 속도를 자랑하지만 곧 기술 비교에 대해 살펴보겠습니다. 지금은 광학 CMM이 최고 정확도를 우선시하는 제품과 다용도성을 위해 설계된 제품까지 다양한 형태를 취할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

광학 CMM은 다음 기술 중 하나(또는 그 이상)를 사용합니다.

비전/카메라 센서: 이러한 설정에서는 카메라는 제어된 조명으로 비춘 부품을 캡처합니다. 그런 다음 이미지 처리 알고리즘이 모서리, 구멍, 패턴과 같은 특징을 감지합니다. 가장 큰 단점은 Z-초점(초점 변화)과 결합하지 않으면 2D로만 측정한다는 것입니다.

작동 중인 HP C 비전 센서. 사진 제공: Hexagon AB

비행시간/위상 편이: 이러한 기술을 기반으로 제작된 기계 또한 레이저를 사용합니다. 그러나 이러한 기계는 거리를 계산하는 방식이 다릅니다. 레이저가 돌아오는 데 걸리는 시간 또는 레이저 위상차를 측정합니다. 원거리에서는 정밀도가 좋지만 근거리에서는 정밀도가 떨어지는 경향이 있습니다. 전반적으로 비접촉 방식으로 직접 측정할 수 있습니다.

백색광/색채광: 이 접근 방식은 다양한 거리에서 다양한 파장의 빛이 객체에 조사되는 색수차를 중심으로 이루어집니다. 백색광은 색수차 렌즈를 통해 방출되며, 초점이 맞춰진 각 파장은 분광계로 감지됩니다. 이 기술을 사용하면 정확한 높이를 측정하고 높은 축 해상도를 얻을 수 있습니다.

레이저 삼각 측량: 기본적으로 이 방법은 레이저 광원, 부품 표면, 검출기 사이에 삼각형을 형성합니다. 레이저가 객체에서 반사되면 삼각 측량을 사용하여 이미터와 표면 사이의 거리를 계산합니다. 이 방법은 3D 형상이나 표면이 거친 물체를 캡처하는 데 매우 유용합니다.

레이저 삼각측정 센서로 검사 중인 차체. 사진 제공: Carl Zeiss AG

구조광: 줄무늬나 격자와 같은 패턴을 부품에 투사하고 표면 형상에 따라 어떻게 변형되는지 측정하는 것은 넓은 영역을 디지털화하고 분석할 뿐만 아니라 유기적인 모양을 캡처하는 데도 유용합니다. 이 기술은 3D 스캐닝에 자주 사용되지만 다른 분야에도 적용됩니다.

공초점 센서: 마지막으로 일부 기계는 공초점 광학을 사용합니다. 이러한 기계는 빛을 작은 지점에 집중시키고 반사된 광선의 강도를 측정하여 특정 초점면을 식별합니다. 실제로는 가장 선명한 반사만을 캡처하여 나노미터 단위의 해상도를 구현할 수 있습니다.

Artec Micro II

Artec 3D 스캐너는 이제 정확도가 매우 높은 3D 측정 기능을 갖추고 있어 그 자체로 광학 CMM으로 간주될 수 있습니다. Artec Micro II는 최대 5마이크론의 정확도와 2마이크론의 반복성으로 손에 들어오는 작은 물건이라면 무엇이든 캡처합니다. 더 좋은 점은 Artec Micro II는 Artec Studio의 Autopilot과 통합되어 있어서 캡처한 데이터를 자동으로 처리할 수 있다는 것입니다.

이제 3D 데이터 캡처 및 처리 소프트웨어 내에서 버튼 클릭 한 번으로 스캐닝과 3D 모델 생성을 시작할 수 있습니다. Micro II는 작동이 시작되면 축을 중심으로 객체를 회전시키면서 캡처합니다. 그런 다음 메시 데이터를 지정된 폴더에 저장하면 자동으로 전송되어 엔드투엔드 검사 워크플로에서 분석을 수행할 수 있습니다.

Artec Metrology Kit

전용 계측 솔루션을 찾고 있다면 Metrology Kit를 살펴보십시오. 이 완전한 3D 광학 좌표 측정 시스템은 리버스 엔지니어링, 검사 및 정확한 정밀도의 3D 측정을 위해 놀라운 2마이크론 정확도를 제공합니다.

터빈 블레이드와 같은 거대한 구조물의 변형 분석, 자동차 품질 관리, 대규모 연구개발 등 다양한 애플리케이션에 활용되고 있습니다. 6자유도 및 DAkkS 인증을 받은 Metrology Kit는 정확도가 가장 중요한 사용 사례에 적합한 매우 안정적인 솔루션입니다.

Artec Point

휴대용 CMM으로 넘어가서 Artec의 첫 번째 레이저 스캐너인 Artec Point는 높은 추적 안정성을 제공하는 동시에 계측 도구로서 진지하게 고려할 수 있을 만큼 민첩하고 정확합니다. ISO 인증 실험실 환경에서 VDI/VDE 표준에 따라 테스트된 이 장치는 산업용 데이터 캡처 솔루션에서 기대할 수 있는 모든 필수 요건을 충족합니다.

최대 20미크론의 정확도와 해상도로 다양한 모양과 크기의 객체를 측정할 수 있는 Artec Point는 HD 카메라와 혁신적인 ‘각진’ 디자인으로 되어 있습니다. 이를 통해 캡처하기 어려운 형상을 포착하고 깊은 구멍과 같은 영역을 들여다볼 수 있습니다. 다양한 유형의 표면에 대한 세 가지 스캐닝 모드를 통해 사용자는 대형 객체를 위한 그리드, 복잡한 표면을 위한 병렬 레이저, 구멍과 틈새를 들여다볼 수 있는 단일 레이저 간에 전환할 수 있습니다.

Artec Point로 3D 스캔 중인 자동차 부품.

다른 Artec 3D 스캐너와 달리 Artec Point는 표적이 필요합니다. 그러나 계측 등급의 휴대용 스캐너를 찾는 산업 제조업체는 높은 정확도와 휴대성을 갖춘 솔루션에 많은 가치를 두고 있으며, Point는 이러한 측면에서 많은 요건을 충족합니다.

Artec Leo

무선 방식의 3D 측정에 있어서는 시중의 어떤 제품도 Artec Leo에 필적할 수 없습니다. Point의 활용도가 다양하다면 Leo는 사실상 무제한의 캡처 자유를 제공합니다. 이 올인원 휴대용 CMM은 완전 무선으로 최대 초당 3,500만 포인트의 속도로 캡처할 수 있으며, 사용자는 내장된 화면을 보면서 완벽한 캡처를 수행할 수 있습니다. 0.1mm의 정확도는 까다로운 사용 사례에서 작업하는 사람들에게는 다소 부족할 수 있지만, 그 외의 대부분의 경우에는 충분히 정확합니다.

예를 들어, 석유 및 가스 파이프라인 수리와 같은 애플리케이션에서 사용자는 Leo를 사용하여 수리 클램프를 맞춤 제작할 수 있는 충분한 정확도로 뜨겁고 접근하기 어려운 영역을 원활하게 스캔할 수 있습니다. 더 넓은 범위가 필요한 경우 Ray II를 사용하여 시설이나 인프라를 캡처할 수도 있으며, Leo는 매우 중요한 곳의 기계와 내부의 세밀한 부분까지 포착할 수 있습니다.

Artec Leo로 캡처 중인 정유소 배관. 사진 제공: Team, Inc.

Artec Ray II

LiDAR는 계측 솔루션으로 여기지 않는 경우가 많지만, Artec Ray II와 같은 스캐너를 사용하면 더 큰 규모의 검사를 수행할 수 있습니다. 기존의 많은 CMM은 객체 크기에 제약을 받습니다. 하지만 Ray II는 현장으로 가져가서 130m 거리에서 건물과 인프라 전체를 높은 정확도로 스캔하도록 설치할 수 있습니다. 따라서 Ray II는 교량을 모니터링하거나 공장 디지털 트윈을 만드는 데 이상적입니다.

광범위한 범위 덕분에 법의학 범죄 현장, 긴 철로 또는 전체 유적지를 캡처하는 등 일반 CMM을 넘어서는 애플리케이션에도 활용할 수 있습니다.

제조 및 품질 관리

광학 CMM은 생산 워크플로에 직접 통합하여 부품을 일괄적으로 측정하거나 생산 라인에서 중간 점검을 위해 사용할 수 있습니다. 또한 이 기술은 다른 곳에서 공급되는 부품이 원하는 기준을 충족하는지 확인하는 데에도 적합합니다. Ausco Products가 좋은 예입니다. 이 오프로드 브레이크 제조업체는 Artec 3D 스캐닝을 사용하여 외주 제작한 주물을 검사합니다. 이 회사는 공차 테스트뿐만 아니라 이 기술을 통해 바퀴집과 같은 좁은 영역에 브레이크가 들어맞는지 확인하여 제품 맞춤 제작을 가속화할 수 있습니다.

Artec Studio에서 거리 매핑으로 검사 중인 피스톤 주조물. 이미지 제공: Ausco Products Inc.

전반적으로 광학 CMM은 초도품 검사부터 공정 중 분석, 품질 관리, 설계 반복을 위한 리버스 엔지니어링에 이르기까지 제조 워크플로 전반에 걸쳐 활용되고 있습니다.

항공우주

항공우주 산업에서 광학 CMM은 정밀도. 안정성, 그리거 엄격한 표준 준수를 보장하는 데 필수적입니다. 제조의 경우, 터빈 엔진 생산, 동체 조립, 항공기 유지보수, 수리 및 정비 과정 중 측정이 해당될 수 있습니다. 하지만 항공우주 산업의 까다로운 특성에도 불구하고, 정확도 요구 사항은 생각만큼 높지 않습니다.

1mm 미만의 정확도로 데이터를 캡처하면 특히 비행에 매우 중요하지 않은 항공우주 부품을 검사하는 데 충분한 경우가 많습니다. Artec 골드 인증 파트너인 3DMakerWorld는 Artec Leo를 사용하여 Sadler Vampire 소형 항공기를 리버스 엔지니어링하여 이를 입증했습니다. 이를 통해 3DMakerWorld는 고객이 예비 부품의 디지털 라이브러리를 구축하여 소중한 항공기를 미래에도 사용할 수 있도록 지원했습니다.

자동차

항공우주 분야와 마찬가지로 자동차 분야에도 광학 CMM 애플리케이션은 매우 다양할 수 있습니다. 한 OEM은 도장 전에 용접 구조물을 검사하고, 다른 OEM은 이 기술을 사용하여 내부 트림을 측정하며, 다른 OEM은 파워트레인이나 서스펜션 부품의 표준 준수 여부를 검사할 수 있습니다.

이러한 사용 사례는 차량 제조에만 국한될 필요는 없으며 스포일러, 스쿠프 추가 또는 성능 향상 업그레이드와 같은 개조 작업으로도 쉽게 확장할 수 있습니다. 미국에서 BD Engineering은 놀라운 수준의 땜질과 Artec Leo를 사용하여 맞춤형 Toyota Supra 드리프트 튜닝 차량을 제작함으로써 이 원칙을 새로운 극한으로 끌어올렸습니다.

BD 엔지니어링의 리버스 엔지니어링된 Toyota Supra와 계획된 개조. 이미지 제공: BD Engineering

의료 기기 제조

의료 기기 제조의 경우 광학 CMM은 무릎, 고관절, 척추 임플란트의 표면 거칠기 및 골유착을 측정하는 데 자주 사용됩니다. 메스, 겸자, 카테터와 같은 일상적인 수술 도구도 품질 관리를 위해 검사합니다.

실제로 코로나19 팬데믹 초기에는 고품질 의료 장비의 부족이 심각한 문제로 대두되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 3D 기술은 주문형 휴대용 CMM 및 신속한 제조 도구로 전 세계적으로 활용되었습니다. Assistance Publique - Hôpitaux de Paris에서는 Artec Space Spider를 사용하여 튜브 및 보호 마스크를 포함한 응급 의료 용품을 검사하여 힘든 시기에 의료진의 안전을 지켰습니다.

연구 개발

광학 CMM은 주로 초기 단계 설계의 치수 정확도를 검증하기 위해 제품 연구 개발에 사용됩니다. 프로토타입을 빠르고 쉽게 3D 스캔하고 CAD 데이터와 비교할 수 있으며, 비접촉 방식이기 때문에 비파괴 테스트의 한 형태이기도 합니다. 고려해야 할 다른 측면으로는 설계 검증, 허용 오차, 그리고 훨씬 더 초기 단계의 시각화가 있습니다.

유명 신발 브랜드인 ASICS는 제품 검사 외에도 Artec 3D 스캐닝과 사진 측량을 사용하여 매우 사실적이고 매력적인 마케팅 자료를 제작합니다. 놀라운 충실도로 캡처한 운동화 모델은 제조업체의 철저한 품질 관리에 도움이 될 뿐만 아니라 제품의 메시지를 전달하고 고객의 관심을 유도하는 데도 도움이 됩니다.

Artec 3D 스캐닝 및 사진 측량 도구를 사용하여 제작된 초현실적인 러닝화 3D 모델. 사진 제공: ASICS Corporation