Artec 3D 및 Geomagic Control X로 개선된 제조 공정

29/10/2019

스캐닝 및 주의 깊게 적층 가공된 부품은 비용을 절감하고, 반복을 최소화하며 정확성 및 품질을 높여 줍니다.

새로운 생산 기술이 발전하면서 최고의 부품을 제조하는 데 있어 새로운 기술적 과제가 생기게 됩니다. 종종 수축, 표면 마감 및 반복성과 같은 요소를 이해하기 위해 계약 제조업체가 처음으로 생산을 하려 할 때 새로운 공정을 상당히 조정해야 하는 경우가 있습니다. 적층 가공도 예외는 아니지만, 이 생산 방법론에서 이러한 요소를 추적하는 도구는 뒤처져 있습니다. 그것은 이제 바뀌고 있습니다.

대부분의 제품은 수명 주기 내내 생산에 이르기까지 일반적인 공정을 따릅니다. 디자인, 제조, 검사는 공정, 단계 및 책임을 고려하는 일반화된 방법입니다. 각각 고품질 부품을 생산하는 데 중요합니다. 제조되는 부품의 복잡성과 특성에 따라 실제 작업 흐름에는 많은 튜닝 루프와 피드백이 있을 수 있습니다.

아래의 당사 작업 흐름 예시에서 Artec Space Spider와 Geomagic 소프트웨어가 디자인, 검증 및 제조 공정의 모든 단계에서 3D로 프린팅한 왁스 주조 모형 및 주조 부품에 대한 전체 형상 캡처 및 분석을 제공한 방법을 보여줍니다.

과제

다단계 제조는 정확하지 않은 최종 부품 결과물에 축적되는 불확실성과 공정 편차로 이어질 수 있습니다. 적절한 도구를 사용하여 체계적인 접근 방식을 취하지 않으면 시정 조사는 수행하기 어렵습니다.

솔루션

Artec 3D Space Spider 스캐너 및 3D Systems의 Geomagic® Control X ™ 계측 및 품질 관리 소프트웨어

결과

3D 스캐닝 및 검사 네트를 사용하여 적층 가공된 공구 없는 모형 공정 개선을 통해 최소한의 반복(1))으로 결과를 개선

• 전체 정확성이 10% 증가하여 27%의 비용을 절감

• 주조소와의 긴밀한 업무 관계 및 주조 공정 망의 분석을 통해 최소한 반복(1)으로 주조소의 기대치를 능가하는 부품을 완성

• 최종 부품 정확성이 14% 증가

• 2차 가공 작업의 감소로 마무리 비용을 절감

Artec Space Spider는 치수 검사를 위해 소형 물체와 복잡하고 세밀한 부분을 정확하게 캡처하는 데 탁월한 초고해상도 휴대용 3D 스캐너입니다.

플러그 앤드 플레이(plug and play) 방식으로 작동하는 Space Spider는 복잡한 준비 및 광범위한 사용자 교육 없이 쉽게 물체를 스캔하여 고객이 어디서나 부품을 디지털화할 수 있습니다. Artec 3D의 독점적인 “타깃 없는” 알고리즘을 통해 스캐너는 모양과 색상만으로 물체를 추적할 수 있습니다. 물체에 타깃을 적용할 필요가 없습니다.

Artec Studio 스캐닝 소프트웨어

3D 스캔의 기본 소프트웨어인 Control X는 휴대용 측정 장치를 갖춘 계측에 이상적인 솔루션이며 3D Systems의 Geomagic Control X는 제조를 위한 근본 원인 분석 및 수정을 가능하게 하는 산업용 계측 소프트웨어입니다. Control X를 사용하면 조직 내 더 많은 사람이 더 빠르고 더 자주 더 완벽하게 어디에서나 측정할 수 있습니다.

전체 솔루션은 복잡한 제조 공정에서 성공적인 생산에 대한 고유한 통찰력을 제공합니다. 결과가 어떠냐고요? 전반적인 최종 부품 품질, 정확성 및 반복성이 크게 향상되었습니다.

디자인

이 작업 흐름의 예시에서는 실제 고객 프로젝트를 재현했지만,세부적인 사항은 일반화했습니다. 이 경우 당사 고객은 특수한 자율 주행 경량 차량을 개발하고 있었습니다. 출시 기간을 앞당기기 위해 오늘날 시중에서 판매되는 차량의 다양한 구성 요소와 시스템을 선택하고 결합하여 작동 중인 프로토타입을 완성했습니다. 이 과정에서 고객은 프로젝트에 가치가 있는 특정 조향 너클을 발견했으며, 추가로 수정하고 경량 재료로 생산을 하기 위해 디자인을 디지털화하고 캡처해야 했습니다.

작업을 시작하기 위해 원래의 주물을 3D 스캐닝하고 리버스 엔지니어링했습니다. Artec Space Spider는 신속한 디지털화에 사용되었으며, 고유한 하이브리드 모델링 방식을 사용하여 Geomagic Design X에서 부품을 신속하고 정확하게 모델링했습니다. 일반적으로 고객은 현장 맞춤(매우 정확한) 또는 설계 의도(치수 중심) 모델링 방법을 따릅니다. 하이브리드 모델링 방식은 이러한 두 개념을 결합하여 고정밀 NURB 표면은 물론 치수가 지정된 특징을 모두 갖춘 CAD 솔리드 모형 결과물을 제공합니다. 이 방법을 사용하여 모형은 1.5시간 이내에 완성되었으며 특징 형상 기반 CAD로 SOLIDWORKS에 실시간 전송되었습니다.

원래 부품 스캔

하이브리드 CAD 모형

프린팅을 위한 특징 제거(Defeatured) 모형

미완성 2500 IC 프린팅

Projet 2500 IC에서 Sparse Infill 모드의 단면

모형 제작

적층 가공은 항공 우주 및 자동차 분야에서 수십 년 동안 희생 주조 모형을 제작하기 위해 사용되었습니다. 최근 3D 프린팅이 발전함에 따라 산업 등급의 모형을 훨씬 낮은 비용으로 왁스 또는 폴리머로 프린팅할 수 있어 인베스트먼트 주조 공정에서 아주 효과적입니다. 오늘날 3D Systems는 도구가 필요 없는 적층 모형 제작이 더욱 광범위하게 채택되는 것으로 생각하고 있으며, 기술이 더욱 접근 가능하고 빠르며 정확해짐에 따라 계속해서 발전할 것입니다.

재료 증착 또는 후처리에서 열에너지를 수반하는 적층 공정의 경우 어느 정도의 부분 변형 및 "침전"이 잠재적으로 발생할 수 있습니다. 질량이 크거나 단면적이 큰 부품은 더 작거나 얇은 부품보다 더 오래 열을 유지합니다.

이러한 지식을 바탕으로 프린팅한 제품의 가능한 최저 비용과 최고 수준의 치수 안정성을 목표로 두 가지 프린팅 방법을 테스트했습니다. 우리는 3D Sprint 빌드 클라이언트 소프트웨어로 제조하고 왁스 주조 모형을 만드는 Projet MJP 2500 IC 시스템에 인쇄한 얇은 셸/희소 왁스 채움 방법뿐만 아니라 완전 고체 왁스 프린팅 방법을 테스트했습니다 경험을 통해 50% 희소 충전율을 가진 2mm 두께의 셸은 상대적으로 큰 부품을 프린팅할 때 고품질의 안정적인 부품을 생산한다는 것을 알았습니다.

두 가지 모형은 후처리 및 냉각 시간 후 동일한 Artec Space Spider로 비교적 쉽게 스캐닝했습니다. 스캐닝 기술자는 부품의 독특한 모양, 녹색 왁스 색상, 후처리의 약간의 희미함 및 미백 효과를 통해 형상 + 텍스처 추적을 사용하여 모형을 부드럽게 캡처할 수 있었습니다.

Geomagic Control X를 사용하여 3D Sprint Build 파일을 직접 가져와서 정확한 프린팅 방향으로 각 부품을 검사했습니다. 우리는 공정을 개선하기 위해 본문 부분을 반복적으로 스캔할 것이었기 때문에, 전체 공정의 개발 이력을 Geomagic Control X 파일로 유지하면서 상세한 검사 프로젝트를 설정하고 여러 번 반복할 수 있습니다. 스캔이 완료되면 우리가 새 stl 파일 각각을 Control X 프로젝트에 드롭하기만 하면 평가 공정으로 자동으로 인계되어 고품질의 반복 가능한 보고서를 작성했습니다.

가공 오프셋이 있는 모든 영역은 일반적으로 주조 공차 내에 있지만, 자유 영역이 많을수록 좁은 공차 대역을 벗어나는 경향을 나타냈습니다. 우리는 이것이 큰 단면적 영역이 열을 유지하고 냉각할 때 모양이 변경될 수 있다는 가정과 적절하게 연관되어 있다고 생각합니다.

이 단계의 종합적인 분석을 통해 왁스 모형을 사용한 3D 프린팅이 비용 효율적일 뿐만 아니라 후처리 후 치수적으로 더 적합하다는 결론을 도출 할 수 있었습니다.

주조

인베스트먼트 주조법은 5,000년 전으로 거슬러 올라가는 신뢰할 수 있는 제조 방법론으로, 산업 혁명이 시작된 이래 지난 수백 년 동안 세계 산업 제조 산업에서 널리 인정받고 있습니다.

오늘날 주조 공정은 상당히 발달하여 있고 반복할 수 있고 잘 알려져 있으며 내부 부품 결함의 가능성을 줄이기 위해 시뮬레이션 소프트웨어가 제공됩니다. 숙련된 주조소와 협력하고 고객의 최소한의 노력만 있으면 적층 가공된 모형을 제공하고 내부 결함이 없고 일반적인 주조에 대한 예상 공정 허용 오차를 초과하는 부품을 생산할 수 있습니다.

결과 및 공정 반복 테스트에 적극적으로 참여하는 고객은 주조 공정 자체의 안정성으로 인해 부품 형상을 조정할 때 훨씬 높은 품질의 결과물을 얻을 수 있습니다.

필요한 주조 크기

실제 모형 크기

• 공정에 사용된 부품 재료 ~ 35% 감소.

• 재료 비용 ~ 27% 감소.

• 전반적인 공차 준수 ~ 10% 증가(3D 비교 사용).

• 고체 부품은 공차 임계값을 초과하지 않음.

• 채움 부품은 공차 임계값을 통과함.

• 또한, 추가 조사에 따르면 실온에서 장기 치수 안정성이 고체 부품보다 개선된 것으로 나타났음.

분석: 고체 왁스 모형

분석: 채움 왁스 모형

수축은 주조 공정에서는 알려진 결과이며 일반적으로 주조소는 고객에게 경계 상자로 정의한 특정 재료와 부품 크기에 대한 보상을 제공하기 위한 지침을 제공합니다. 형상의 복잡성과 물리적 주조 공정에 의해 합성되기 때문에 대부분의 부품에서 균일하지 않은 수축이 발생하는 것이 일반적입니다. 따라서 주조는 일반적으로 "느슨한 공차" 공정으로 간주할 수 있습니다.

조향 너클의 주조 공정에서 모형과 재료에 적합한 수축률을 조사했습니다. 주조소는 상담 후 2% 균등한 스케닝을 사용하여 정확한 부품을 생산할 것을 권장했습니다. 3D 스캐닝과 정밀 스케일 팩터가 최종 부품 정확도에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해 조언에 따라 스케일 팩터가 2%인 왁스 모형을 생산하여 주조소에 공급했습니다.

균등한 스케일링 계수가 예상 공차와 일치하는지 확인하기 위해 반환된 주물을 추가로 검사하였습니다. 일반적인 주조소 사양에 따라 확실히 파트너가 지정한 달성 가능한 정확도 매개 변수 내에 들어오는 부품을 공급했습니다. 그러나 Control X의 단면 비교 도구를 사용하여 면밀히 검사한 결과 정밀 스케일 팩터를 더 잘 사용하면 완성된 부품의 전체 정확도를 상당히 향상할 수 있는 일부 명백한 영역이 있었습니다

공차 대역이 좁은 이 단면 실루엣 비교는 파란색으로 표시된 외부 경계를 명확하게 표시하고 내부 경계는 주황색 및 빨간색으로 표시합니다. 외부 프로파일은 실제 부품 경계가 참조 경계 안에 있는 "크기 부족" 상태를 확인하고 있습니다. 내부 외곽선은 중심 실린더 그림이 의도한 것보다 치수가 작지만 참조 그림 외부로 나타남을 보여줍니다. 이는 부품의 전체 실루엣 그림자에 스케일 팩터를 증가시키고 프린팅한 후 다시 주조하면 수정할 수 있는 배율 차이가 있음을 나타냅니다.

이전의 주조 공정 개선 조사를 통해 우리가 적용할 수 있는 권장 표준값에서 상대적 조정에 대한 통찰력을 얻었으며 두 번째 왁스 모형은 X, Y 및 Z에서 2.2%, 2.3% 및 2.7% 각각의 비균등 스케일 팩터로 프린팅하여 주조소에 공급했습니다.

정밀 보정 모형에 대한 최종 검사를 통해 다음과 같이 모형과 부품 간의 공정에 대한 몇 가지 결론을 도출할 수 있었습니다.

• 정밀 스케일 패턴은 주조소 기대치를 초과한 결과를 제공했습니다.

• 스케일 수정 부품의 전체 치수 적합성은 ~ 14% 증가했습니다.

• 정밀도가 높아지면 적어도 하나의 주요 가공 작업을 피할 수 있습니다.

• 총 전체 부품 생산 비용이 절감되었습니다.

• 일반적으로 기계 작동을 줄이기 위해 추가로 정밀도를 적용할 수 있는지 확인하기 위한 향후 분석이 필요합니다.

결론

효율성은 수익성을 유지하고 노동 및 생산 주기의 낭비를 줄이는 데 중요합니다. Artec 3D Space Spider 및 Geomagic Control X를 통해 튜닝 주기 및 반복을 가능한 한 최소화하여 공정의 각 단계를 분석함으로써 제조된 부품의 전체 품질을 향상할 수 있었습니다. 반복 및 추측의 감소, 시간과 비용의 절감 그리고 시장 출시 시간의 단축은 고품질 3D 스캐닝 및 스캐닝 기본 산업 검사 소프트웨어를 위한 토탈 솔루션을 사용함으로써 얻을 수 있는 주요 이점입니다.

스케일 오차의 분석 단면

최종 주조 부품

최종 주조 분석

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