자동차 품질 관리를 위한 3D 스캐닝 정확도 향상: ARIS 기술의 혁신

ARIS 기술, 3D 스캐닝 한계 극복으로 품질 관리 혁신 주도

많은 자동차 부품 제조사가 3D 스캐닝을 도입했음에도 불구하고, 품질 관리(QC) 분야에서의 활용은 제한적이었다. 주된 이유는 다음과 같다.

1. 3D 스캐닝이 수작업에 의존함
2. 기존 '자동화'라 불리는 3D 스캐닝 시스템의 생산성이 낮음
3. 3D 스캐닝이 만능 솔루션을 지향하지만, 특정 측정에는 접촉식 측정기(CMM)가 여전히 필요함

수작업 3D 스캐닝의 한계 극복

일반적으로 제조사가 독립형 3D 스캐너를 구매하면, 지오매직(Geomagic)이나 폴리웍스(PolyWorks) 같은 3D 이미지 처리 소프트웨어, 2축 턴테이블, 삼각대 등 추가 장비를 구매해야 한다. 이후 작업자는 다음 사항들을 교육받아야 한다.

• 3D 스캐너 작동법 (전원, 설정 변경 등)
• 부품별 최적 스캔 각도 및 거리 확보 방법
• 표면 특성(반사율 등)에 따른 노출 설정 방법
• 다중 스캔 데이터 병합 및 처리 방법
• 스캔 데이터를 CAD와 비교하기 위한 이미지 처리 기법
• 스캐너 캘리브레이션, 지그 마스터링 등 기타 실무

이는 새로운 프로젝트마다 가파른 학습 곡선을 의미한다. 신규 부품 검사 시 해당 부품 스캔법을 새로 익혀야 하고, 기존 모델 재생산 시 과거 프로젝트를 복기하거나 처음부터 다시 배워야 한다. 기존 소프트웨어의 점진적 개선에도 불구하고, 이 학습 곡선을 근본적으로 해소하는 솔루션은 없었다.

협동 ARIS 시스템은 ARIS 소프트웨어의 직관적인 사용자 경험(UX)을 통해 신규 부품의 쉬운 셋업을 지원한다.

ARIS 시스템이 뛰어난 이유

많은 기업이 로봇 자동화로 3D 스캐닝 노동 강도를 낮추려 시도했으나, 기존 솔루션들은 한계가 명확했다.

• 특정 하드웨어 종속: 대부분의 솔루션이 3D 스캐너 제조사에서 제공해 특정 브랜드/유형에 고정됨. 예: 구조광 블루라이트 스캐너는 반짝이는 표면에 취약해 분체 도포 필요, 긴 스탠드오프 거리로 좁은 구멍 스캔 곤란, 마커 부착 필요로 자동화의 수동화 초래
• 유연성 부족: 생산 라인 변경 시 스캐너, 로봇, 소프트웨어 교체가 필요해 전면적인 시스템 재통합, 재교육, 재캘리브레이션 필요

ARIS는 독자 소프트웨어로 이러한 한계를 해결한다.

• 모듈형 통합 플랫폼: 검증된 최적의 센서와 로봇을 추천하고 통합·구현
• 자동화(실행) 소프트웨어: 최소 교육만 받은 작업자도 프로그래밍된 검사를 반복 수행 가능
• 셋업 소프트웨어: 제조사의 니즈 변화에 따라 새로운 프로그램과 사후 분석을 쉽게 설정 가능

CMM과의 상호 보완

3D 스캐닝은 초당 수백만 개 측정 데이터를 수집해 고해상도와 빠른 사이클 타임을 자랑하지만, 투명/반투명/반사 표면이나 내부 디테일 측정에서는 CMM에 미치지 못한다. 따라서 한 부품의 모든 필수 측정 지점을 검사하기 위해 CMM과 3D 스캐닝을 병용하는 것이 바람직한 경우가 많다.

CMM 제조사들은 3D 스캐너를 CMM 암에 장착했으나 이는 매우 느리고 비생산적이다. 반면 검사실에 산업용 로봇을 도입하는 것도 복잡하다. ARIS는 협동 로봇과 고속 멀티라인 레이저 스캐닝을 결합해 이 문제를 해결했다. 이 시스템은 3D 에어리어 스캐너(구조광) 방식 ARIS 시스템보다 정확도는 다소 낮으나, 속도와 생산성을 극대화하고 반사 표면 스캔에서 다른 3D 스캐닝 방식을 능가한다.

또한 외부 추적 메커니즘을 활용해 로봇 이동 중 실시간으로 이미지를 스티칭하므로, 대형 부품도 정밀도 저하 없이 효과적으로 스캔할 수 있다. 협동 로봇 사용으로 기존 인력 공정 구역에 배치 가능해 CMM 옆에서 실시간으로 CMM 측정을 보완할 수 있다.

정밀 시스템 실사례 연구

참조 ARIS 시스템으로 다이캐스트 부품의 전체 검사 보고서를 생성하고, 다양한 필수 주석(관심 지점)을 포함시켰다. 이어 게이지 R&R 연구를 수행해 정밀도(반복성 및 재현성)를 테스트하고 업계 표준과 비교했다.

이 정밀도 테스트는 자동화된 3D 스캐닝 시스템이 실험실뿐만 아니라 생산 현장에서도 초도품 검사(FAI)와 공정 내 검사에 투입될 수 있는지 판단해, 상당한 비용 절감을 이끌어내기 위함이다.

3D 스캐너 선택은 로봇 팔 선택보다 중요하다. 공차, 표면 마감, 부품 크기에 따라 요구되는 광학 정확도와 시야각(FOV)이 다르기 때문이다. 일반적으로 고정밀·대시야각 장비는 고가인데, ARIS 통합 소프트웨어가 다양한 3D 스캐너 유형을 플러그앤플레이 방식으로 지원하므로 예산 내에서 요구 정확도와 사이클 타임을 달성할 수 있다. 예: ±2.5μm 정확도 스캐너는 10만 달러 이상.

스캐너와 로봇 설치·배선 후, 3D 스캐너와 로봇의 상대 위치를 캘리브레이션하는 초기 셋업이 수행된다. 이는 ARIS 자동화 소프트웨어가 원클릭으로 자동 처리한다. 일부 스캐너는 온도 변화 등으로 매일 캘리브레이션이 필요한데, 이 역시 최소한의 개입으로 자동 처리된다. 참조 시스템 기준 초기 캘리브레이션에 작업자 수동 시간 15분 미만 소요.

결과적으로 생산 현장 환경에서도 최소 투자로 CMM과 유사한 정확도를 달성했다. 실험실 고정밀 CMM보다는 정밀도가 약간 낮았으나, 휴대용 CMM보다는 우수했다. 특히 고정밀 실험실 CMM은 콘크리트 바닥, 온도/진동 제어실 등 엄격한 환경 제어가 필요하지만, 3D 스캐너는 이런 외부 요인에 덜 민감해 자동화 로봇 3D 스캐닝 QC 솔루션의 유연성과 효율성을 입증했다.

ARIS 시스템은 자동차 제조사의 기존 인프라와 연동되며, 기존 CMM 공정을 대체하지 않고 협동 ARIS 시스템을 활용해 강력한 투자수익률(ROI)을 제공한다.

편집: 빌 쾨닉(Bill Koenig), 연감 편집자. 자료 제공: ARIS 테크놀로지.