[첨단 헬로티]
제조/생산 분야에서의 글로벌 경쟁은 시간이 흐를수록 품질과 정밀성에 대한 요구가 더 커지고 있다. 전체 생산 공정을 최적화하고 제어할 수 있는 가장 효과적이고 비용 효율적인 방법은 무엇일까? 많은 생산업체에서, 특히 압전센서를 이용하여 동적인 프로세스에 통합된 모니터링을 수행하는 것이 그 솔루션으로 입증됐다.
최근 인더스트리4.0의 비전은 자동차 제조, 의료 기술 및 전기 공학 등 다양한 산업 분야에서 이미 성공적으로 현실화되고 있다. 디지털화의 증가와 기계 및 시스템 네트워킹의 성장으로 전례 없이 모든 생산 공정의 최적화가 가능해졌다. 생산라인의 일관된 제어시스템은 불량 제로를 목표로 미래 시장에서 생존하길 원하는 생산업체에 필수적이다.
불과 몇 년 전만 해도 사실상 모든 제품이 오프라인에서(생산 완료 후) 검사되었다. 반대로 요즘에는 불필요한 비용을 줄이기 위하여 생산 중 ‘인라인’에서 검사되고 있는 제품들이 점점 많아지고 있다. 접합, 조립 및 테스트 공정에서, 압전 효과 원리에 기반한 센서 기술은 불량 제로를 목표로 하는 최적화된 생산라인 구현을 위한 기반이 된다. 이 기술은 힘, 압력, 가속도 및 토크와 같은 물리적 변수를 측정하는 데 매우 적합하다.
Piezoelectric Sensors(압전센서) : 이론
압전센서 사용의 물리적인 기반인 압전 효과는 1880년 피에르와 자크 퀴리가 발견했다. 압전 재료에 기계적인 부하(그리스어‘pie-zein’ to press-squeeze)가 가해질 경우 전기 전하가 생성된다. 1950년 월터 P, 키슬러(Walter P.Kistler)가 압전신호를 위한 전하 증폭기 관련 특허권을 획득했을 때 압전 효과의 실용화와 관련한 중요한 진일보가 일어났다.
압전 효과는 특히, 석영 크리스털을 이용하여 잘 구현할 수 있다. 적절하게 처리된 석영에 부하가 가해졌을 때, 작용되는 힘에 비례하는 전하 신호가 생성된다. 따라서 다른 기술과 달리, 압전 효과를 사용한 측정 기술은 변형 및 변위값에 구속받지 않는다. 석영의 크기는 단순히 측정량의 최대 허용 진폭을 결정한다.
따라서 크기가 큰 센서가 생성한 신호와 동일한 구조의 작은 센서에서 나온 신호는 유사하다. 다운 스트림 증폭기를 사용하여 필요한 측정 범위를 설정함으로써, 하나의 센서로 수십 년에 걸쳐 정확한 측정이 가능하며 기계 구조를 변경할 필요도 없다.
키슬러는 또한 ICP 출력이 있는 압전 힘센서도 제공한다. 이 경우 원래 신호는 센서에서 바로 5 또는 10V의 출력 전압으로 변환된다. 결정체의 강성이 극도로 높기 때문에 측정 편차가 낮고(일반적으로 마이크로미터당 수 KN의 범위) 높은 자연 주파수를 제공한다. 이것은 매우 동적인 프로세스에서 특히 핵심적인 요소이다. 또 다른 중요한 특징인 석영과 크리스탈은 제로 포인트 오프셋이나 직선성 변화와 같은 피로나 노화현상이 없다. 하지만 어떤 경우, 물리적 현상으로 발생하는 전하 드리프트에 의해 압전센서의 사용이 제한될 수 있다. 측정량의 진폭과 측정 기술의 설계에 따라 몇 분 또는 몇 시간 동안 준 정적 측정이 가능하다.
1950년대 이후 키슬러가 개발한 석영센서 기술 덕분에 동적인 힘이 직접 또는 간접적으로 측정될 수 있다. 직접 측정의 경우 센서는 힘 방향(1)에 정확히 위치하며, 공정에서 발생하는 전체 하중을 측정한다. 이 방법은 실질적으로 힘 적용 지점과 무관하게 높은 측정 정확도를 가진다. 센서가 힘 방향에 직접 위치하지 않으면 힘의 일부만 측정된다(3). 나머지는 탑재된 구조를 통과한다(force shunt). 간접 장력 측정을 통해 스트레인 센서는 구조적 변형(2)을 통해 공정 하중을 간접적으로 측정할 수 있다.
▲ 그림 1. 석영 크리스털을 사용하여 압전 효과를 잘 이용할 수 있다.
기계적 부하에 비례하여 작용하는 전하 신호를 생성한다.
▲ 그림 2. 최적의 생산 모니터링을 위해 설치 조건에 따라 다양한 센서를 사용
할 수 있다. (1) 직접 측정(공정에서 발생하는 힘 전체가 센서를 통과함).
(2) 간접 측정(힘의 일부분이 센서를 통과 함). (3) Shunt 측정(힘은 C 프레임
프레스의 벤딩을 통해 간접적으로 측정.)
연구 및 산업 분야에서의 응용
전반적으로 경제적 고려 요건뿐 아니라, 설치 조건도 점점 더 중요해지고 있다. 크기는 힘센서를 선택할 때 결정적인 요소이다. 석영센서는 안정적이고 견고하며 콤팩트한 크기이다. 그래서 다른 기술을 사용할 수 없는 측정 지점에 설치할 수 있다. 이러한 속성은 연구개발 분야뿐 아니라 생산라인 및 시험 테스트 분야에서도 광범위하게 사용되고 있다.
일례로, 잠금장치, 문, 엔진 후드, 트렁크 데크, 시트 및 스프링 등에 대한 압력, 인장, 충돌 및 내구성과 같은 자동차 부품의 노후화 및 부하 테스트에는 장기적인 안정성을 보여 주는 동적 힘 측정방식이 필요하다. 이러한 점에서 석영은 노후화과 같은 변형이 거의 없기 때문에 다른 센서 방식보다 우수하다.
또한, 교정은 DINENISO 9001:2015-1과 같은 품질 보증 시스템에 지정된 주기로 제한될 수 있다. 이러한 장점은 시간과 비용을 절약할 수 있다.
특정 용도의 경우, 석영 힘센서는 낮은 수명 주기 비용으로 인해 주요 비용 절감 효과뿐만 아니라 다양한 기술적 이점을 제공한다.
압전센서는 동적인 힘 측정 (판금 부품의 펀칭 공정 등)에 사용된다. 또한, 엔진 블록에 베어링을 압입하는 것과 같은 준 정적 프로세스에도 사용된다. 이러한 경우 공정에서 다루어지는 힘은 안전하게 측정될 수 있다. 압전센서를 이용한 측정 시스템은 기존 측정 시스템을 영구적으로 파괴할 수 있는 순간적인 힘이 발생하더라도 손상되지 않고 유지된다.
▲ 그림 3. maXYmos XY 모니터는 프로파일을 기준으로 제품 또는 제조 단계의
품질을 모니터링하고 평가할 수 있다. 평가 객체(EO)를 통해 사용자는 특정 모니터링
작업에 그래프 판정을 적용한다.
▲ 그림 4. 소형 힘센서는 작고 공간을 절약하여 기계설계를 위해 최적화되어 있다.
▲ 그림 5. 직경이 8mm에 불과한
이 측정 핀타입은 키슬러의 광범위
한 스트레인 센서 중의 더할 나위
없이 완벽한 하나이다.
DRAFT
키슬러는 사출 성형 공정의 분석 및 문서화를 위한 최적의 품질 보증 솔루션을 제공한다. 캐비티 압력은 성형 부품이 실제로 생성되는 동안의 상태를 즉각적으로 보여주는 가장 중요한 프로세스 변수이다. 따라서 캐비티 압력을 통하여 센서 및 시스템은 양품 또는 불량품이 생산되고 있는지를 조기에 감지할 수 있다.
공정을 위한 시스템 솔루션-통합 품질 보증
매우 민감한 압전센서를 통해 수집한 데이터를 실제로 사용할 수 있도록 적절한 모니터링 시스템에서 시각화, 평가 및 문서화된다. 이러한 측정 시스템을 제조 공정에 적용하면 제품 결함을 조기에 감지, 불량품으로 인한 경제적 손실 위험을 줄일 수 있다.
조립 공정에서 키슬러의 maXYmos 시스템은 생산 공정을 안정적으로 모니터링한다.
그 결과, 최대 비용 효율로 불량 제로를 위한 목표에 맞게 생산을 최적화할 수 있다.
이 시스템의 우수한 특징은 탁월한 유연성과 사용자에게 친숙한 운영 인터페이스이다.
maXYmos는 자동 접합 및 프레스 공정뿐만 아니라 핸들을 이용한 프레스와 같은 수동 공정에도 사용할 수 있다. 생산 및 조립 공정 외에도, 키슬러의 센서 및 XY 모니터링 시스템의 응용 분야에는 제품 최종 성능 테스트가 있다. 키슬러 XY 모니터링 시스템은 탁월한 유연성을 바탕으로 품질 보증이 중요시 되는 거의 모든 산업 분야의 요구 사항을 충족시킬 수 있다.
향상된 비용 효율성
현재 키슬러의 압전센서 및 관련 모니터링 시스템은 유럽, 미국 및 아시아에 걸쳐 사실상 전 세계에서 사용되고 있다. 압전 효과 이론을 기반으로 한 키슬러의 센서 기술은 기업의 생산라인 내에서 공정 신뢰성을 확실하게 높이고 생산성의 지속적인 향상과 함께 생산 불량을 해소하고 공정 효율을 극대화한다.
비즈니스적인 관점에서, 이 정밀한 기술은 다른 무엇보다도 더 치열해진 글로벌 시장에서 경제적 성공을 위한 탄탄한 토대를 만드는 데 기여한다.
마띠야스 기스 키슬러 인스트루먼트 AG 생산 모니터링 사업 분야 책임
