굴곡의 측정 방법과 효율화 비결

평면의 「굴곡」을 측정하는 측정기로는 다이얼 게이지나 형상 측정기, 3차원 측정기 등이 있습니다. 그러나 굴곡은 입체적으로 변형된 형상이기 때문에 점이나 선으로 측정하는 기존의 측정 방법으로는 정확하게 측정하는 것이 어려웠습니다.
대상 물체의 형상이나 사이즈에 따라 기존의 방법으로는 굴곡을 정확하게 측정할 수 없는 부분이나, 물리적으로 측정 자체가 불가능한 부분이 발생하는 경우가 많이 있었습니다.
여기에서는 굴곡의 기초 지식과 측정 방법, 기존의 과제 그리고 새로운 해결 방법에 대해 소개합니다.

굴곡이란?
평행도·평면도란?
굴곡 측정의 중요성과 과제
- 윤곽 형상 측정기를 이용한 굴곡 측정 과제
- 3차원 측정기를 이용한 굴곡 측정 과제
굴곡 측정의 과제 해결 방법
요약: 측정하기 어려웠던 「굴곡」을 비약적으로 개선·효율화

굴곡이란?

「굴곡」은 부드럽게 구부러진 것을 의미하는 단어입니다. 일반적으로 공업 제품에서의 굴곡이란 표면에 있는 부드러운 요철 모양의 형상 변화를 뜻합니다.

아래의 그림은 극단적인 예입니다만 대상 물체의 표면 전체에 걸쳐 비틀림이나 휨(순방향 휨·역방향 휨), 에지의 휨이나 비틀림 등이 복합적으로 발생하는 경우가 있습니다. 특히 굴곡의 허용 허용 범위(공차 지정)가 수μm 등의 높은 정도로 설정되어 있는 경우 육안으로의 판단은 불가능하다고 볼 수 있습니다.

굴곡을 판단하기 위해서는 대상 물체의 전체 표면에 있는 요철이 나중에 설명할 「평면도」나 「평행도」의 공차 값을 초과했는지의 여부를 측정값으로 판단할 수밖에 없습니다. 그러나 면 전체의 미세한 요철을 측정하는 것은 난이도가 높으며 많은 과제가 있습니다. 굴곡의 측정 방법이나 그 과제, 해결 방법에 대해서는 아래에서 소개합니다.

평행도·평면도란?

복합적이고 완만한 요철로 구성된 굴곡은 기하공차 사용하여 정의할 수 있습니다. 일반적으로 형상 공차인 「평면도」나 방향 공차인 「평행도」에 의해 정의됩니다. 이 두 가지는 비슷해 보이지만 평행도에는 데이텀(기준이 되는 평면, 직선)을 이용되는 점 등이 다릅니다.

평면도란?

평면도는 「강판 면의 완곡이나 물결 모양의 틀어진 정도」로 정의되어 있습니다. 평면도 지정을 나타낸 도면과 대상 물체 표면의 이미지는 아래와 같습니다.

완벽하게 평평한 두 개의 평면 사이에 대상물을 끼웠다고 가정했을 때, 두 개의 평면 사이의 폭이 나타내는 값을 평면도라고 합니다. 즉 대상 물체가 얼마나 평평한 면이어야 하는가에 대한 공차를 지정하고, 가장 튀어나온 부분과 가장 함몰된 부분이 상하로 분리된 두 평면 사이의 일정 거리에 있어야 합니다. 이 그림의 경우 0.3mm 이내의 거리를 공차로 정의하고 있습니다.

평행도란?

평행도는 「2개의 직선 또는 평면이 평행해야 한다는 것」을 가리키는 기하공차입니다.
앞서 소개한 평면도와의 가장 큰 차이점은 「데이텀(기준이 되는 평면, 직선)」을 이용한다는 것입니다.

그림의 지시에 따르면 그림에서 지시선의 화살표가 가리키는 면은 데이텀 평면 A(실제 대상 물체에는 굴곡이 있었다고 해도 임시로 평면이라고 가정한 면)에 평행해야 하며, 동시에 지시선의 화살표 방향으로 0.05mm만큼 떨어진 두 평면 사이에 있어야 합니다.
금속 플레이트 부자재나 수지제의 시트·필름, 프린트 기판, 스마트폰의 커버 유리 등 얇은 대상 물체에서는 두께의 편차가 굴곡의 원인이 되어 평행도에 영향을 주는 경우가 있습니다.

굴곡 측정의 중요성과 과제

가공 시에 가해지는 열이나 잔류 응력 등의 스트레스로 인해 굴곡이 발생하는 경우는 적지 않습니다. 대표적으로 다음과 같은 공정과 스트레스가 굴곡 발생의 원인이 됩니다.

프레스 가공(펀칭·조리개에 의한 잔류 응력)
수지 성형에서의 성형 조건(용융수지나 금형의 온도·압력)
프린트 기판에 진행하는 부품 실장(리플로우 공정에서의 가열)

또한 두께가 얇은 판 형태의 물체에서는 보관 시의 온도에 따라 열팽창률의 차이에 의해 굴곡이 발생하는 경우가 있습니다.

이러한 굴곡은 형상 불량으로, 후공정과 수율에 영향을 미칩니다. 또한 프린트 기판에 굴곡이 생겼을 경우, 실장한 전자 부품의 리드 들뜸 등 접점 불량으로도 연결됩니다. 안정적인 품질을 유지하기 위해서는 가공 전 부품과 가공 후 제품의 굴곡을 정확하게 측정하는 것이 중요합니다.

굴곡의 측정 방법은 다음과 같이 다양합니다.

암에 다이얼 게이지를 고정하고 대상 물체를 덧그리면서 수치의 변화를 읽는 방법.
평평한 측정면을 가진 투명한 유리제의 기준 원기, 옵티컬 플랫을 접촉시키면서 줄무늬(광파 간섭 무늬: 뉴턴 링)의 개수로 측정하는 방법.
윤곽 형상 측정기나 3차원 측정기 등을 사용한 측정 방법.

그러나 기존의 접촉식 측정기를 이용한 굴곡 측정에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 굴곡 측정 과제

윤곽 형상 측정기란 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그림으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다.
최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉 방식으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 굴곡 측정에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

대상 물체를 선으로 덧그리며 측정하므로 굴곡을 파악할 수 없습니다.
대상 물체의 표면 전체가 어떤 상태인지 파악할 수 없습니다.
표면 실장 후의 기판과 같이 본래 측정하고 싶은 면 이외에 요철(칩)이 있는 경우, 굴곡의 유무 여부를 측정하는 것이 어렵습니다.
선의 기준면 설정이 어려우므로 측정 오차가 발생할 수 있습니다(그림).

3차원 측정기를 이용한 굴곡 측정 과제

일반적으로 3차원 측정기로 굴곡을 측정하기 위해서는 대상 물체에서 측정하고 싶은 면의 모서리 4개 이상에 프로브 선단의 접촉자를 맞추어야 합니다.
예를 들어 플레이트 부자재의 경우 6~8지점을 측정하는 것이 일반적입니다. 측정 범위가 넓을 경우 측정 포인트를 늘려 더 많은 부분의 측정값을 얻는 것으로 측정 정도를 향상시킬 수 있습니다.

굴곡 측정에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

점으로 접촉하여 측정해야 하므로 대상 물체 전체의 형상을 파악하기 어렵습니다.
보다 많은 측정값을 얻기 위해 다점 측정을 하기에는 많은 시간이 걸리며 전체의 상세한 형상을 파악할 수 없습니다.

굴곡 측정의 과제 해결 방법

기존 접촉식 계측기는 점이나 선으로 형상을 측정하기 때문에 대상 물체의 측정하려는 면 전체를 측정할 수 없었습니다. 또한 측정 정도를 향상시키기 위해서 점 측정을 진행한다 하더라도 굴곡을 포함한 정확한 형상을 파악하는 것이 어려운 데다 많은 공정 수가 요구됩니다. 또한 대부분의 경우, 굴곡 측정에는 경험, 지식 및 기술이 필요합니다. 또한 측정할 수 있는 인원의 확보나 사람에 의한 측정값의 편차도 큰 과제였습니다.

이러한 측정 현장의 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기 「VR 시리즈」를 개발했습니다.
「VR 시리즈」는 대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착합니다. 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 정량적인 측정·검사를 신속하게 진행할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 면으로 3D 형상을 스캔하여 대상 물체 전체의 형상을 순식간에 파악

O링과 같은 연질 수지의 경우 측정력에 의해 대상 물체의 형상에 변화가 생겨 버리기 때문에 접촉식 측정기에서의 굴곡 측정·검사는 어렵습니다.
「VR 시리즈」를 사용하면 스테이지 위에 대상 물체를 놓고 스캔하기만 하면 됩니다. 위치 결정이 필요하지 않으며, 비접촉 방식을 이용하여 대상 물체 전체의 3D 형상을 면으로 포착합니다. 대상 물체 전체의 높이를 색으로 구분하여 표시하거나, 임의로 지정한 부분에 대한 프로파일 측정도 가능하기 때문에 형상 불량 부분과 그 상세한 수치 등을 가시화해 파악할 수 있습니다. 따라서 금형이나 성형 조건 등 불량 발생의 원인을 특정하거나 그 대책의 실행을 원활하게 진행할 수 있습니다. 또한 정량적으로 측정한 형상 데이터를 얻을 수 있기 때문에 이를 활용하여 허용값(공차)의 수치로 굴곡을 관리하거나, 굴곡의 경향 분석을 진행할 수 있습니다.

장점 2: 컬러 맵으로 굴곡을 가시화. 문제점을 시각적 데이터로 공유

예를 들어 프레스 가공 등에서는 기계적 응력에 의해 재료에 의도하지 않은 변형이 생기는 경우가 있어 굴곡 등의 형상 불량에 주의가 필요합니다. 그러나 기존의 접촉식 측정기에서는 작은 금속 부품의 경우, 전체의 굴곡을 측정하기 어려웠습니다.

「VR 시리즈」를 사용하면 작고 얇은 금속 부품이라도 스테이지 위에 올린 후 최고 속도 1초 만에 비접촉 방식으로 전체 형상을 스캔할 수 있습니다. 대상 물체 전체의 굴곡을 순식간에 포착하여 색으로 높이를 구분한 컬러 맵 화상 데이터를 출력할 수 있습니다. 시각적으로 알기 쉬운 데이터를 공유함으로써 불량 부분과 원인을 파악하여 신속한 대책 수립과 재발 방지를 실현합니다.
「VR시리즈」를 사용하면 대상 물체의 정밀한 위치 결정은 필요하지 않습니다. 대상 물체를 스테이지에 올려두기만 하면 자동적으로 화상을 보정하기 때문에 정량적인 측정·검사를 간단하게 할 수 있습니다.

장점 3: 여러 개의 측정 데이터를 목록으로 표시. 일괄 해석 적용도 가능

최고 속도 1초 만에 대상 물체 전체의 3D 형상을 면으로 스캔하여 측정할 수 있는 「VR 시리즈」는 기존의 측정기와 비교하여 단시간에 많은 대상물을 정량적으로 측정할 수 있습니다. 효율적으로 수집한 여러 개의 측정 데이터는 목록으로 표시할 수 있는 것은 물론 모든 데이터에 같은 해석 내용을 일괄적으로 적용할 수 있습니다.

이를 통해 여러 대상 물체의 평면도를 측정하고 데이터의 차이를 한눈에 확인할 수 있습니다. 예를 들어 정상 제품과 비교하여 불량품에 얼마나 굴곡이 있는지 정량적인 분석·평가를 간단하게 진행할 수 있습니다.

기존 측정기(왼쪽)와 VR 시리즈(오른쪽)에서의 굴곡 측정 데이터의 비교·분석

요약: 측정하기 어려웠던 「굴곡」을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」 라면 고속 3D 스캔을 통해 대상 물체의 굴곡 등 정확한 3D 형상을 비접촉으로 순식간에 측정할 수 있습니다.

면으로 포착하기 때문에 대상 물체 전체에서 굴곡이 있는 부분을 파악할 수 있으며, 임의의 부분을 프로파일 측정할 수 있습니다..
고무나 연질 수지 등의 부드러운 대상 물체도 비접촉·고정도로 형상을 측정할 수 있습니다.
위치 결정이 필요하지 않으며, 대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하는 간단한 조작으로 측정이 완료됩니다.
3D 형상을 컬러 맵으로 표현할 수 있습니다. 시각적으로 알기 쉬운 데이터를 공유할 수 있기 때문에 대책도 원활합니다.
여러 개의 측정 데이터를 간단하게, 정량적으로 비교·분석할 수 있습니다.

여러 개의 측정 데이터에 평면도의 공차 등을 일괄적으로 설정할 수 있습니다. 또한 OK/NG품의 판별이나 데이터를 공유해 NG품의 분석을 재빠르게 실시할 수 있습니다. 측정 작업에서 불량 분석, 불량 대책까지 효율적으로 업무를 수행할 수 있습니다.

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