주름 가공을 빠르고 정확하게 측정하는 방법
금속과 플라스틱, 유리· 돌 등의 표면에 넣는 자연의 나뭇결이나 가죽 모양을 주름 가공이라고 합니다. 주름 가공은 고급스러움과 부가가치를 만들어 내고 싶을 때는 물론, 때로는 내구성이나 안전성을 높이기 위해서 실시하기도 합니다. 이러한 주름 가공은 PC나 프린터 등 OA 기기부터 자동차의 내장 패널, 휴대 전화나 가정용 게임기 등 다양한 제품에 사용되고 있습니다.
여기에서는 주름 가공의 금형 작성 원리나 포인트 등 기초 지식과 함께 측정 과제와 그 해결 방법에 대해 설명합니다.
- 주름 가공이란?
- 주름 가공 금형의 제작 원리
- 주름 가공의 포인트
- 기존 주름 가공의 측정 과제
- 주름 가공 측정의 과제 해결 방법
- 요약: 측정하기 어려웠던 주름 가공의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화
주름 가공이란?
「주름 가공」이라는 단어는 가죽 표면을 설명할 때에 자주 보셨으리라 생각합니다. 제품의 표면에 자연의 나무나 가죽 무늬, 광택 무늬를 부여하는 주름 가공은 제품의 수명을 길게 지해 줄 뿐만 아니라, 외관의 아름다움이나 고급스러움을 연출합니다.
이렇듯 주름을 넣는 가공을 「주름 가공」이라고 하며 배지 처리 또는 에칭이라고도 합니다. 가공법에 요철로 가공한 금형(캐비티 또는 코어)을 대상 물체에 전사하는 방법이나 약품으로 금속을 용해하기 위한 화학 부식(케미컬 에칭), 샌드블라스트 등이 있습니다.
주름 가공 금형의 제작 원리
주름 가공은 금형에 그려진 무늬를 대상 물체에 전사하여 가공합니다. 때문에 주름 가공 금형은 보다 실제에 가깝고 입체감이 있는 주름 가공을 재현하기 위해서 정교한 가공을 필요로 합니다. 이 가공은 전사와 부식을 반복하며 진행합니다. 재현하고 싶은 무늬의 종류와 상관없이 가공 원리는 동일합니다. 다음 단면도는 그 공정을 나타낸 것입니다.
-
1차 전사
-
1차 부식
- A
- 금형
- B
- 내산 잉크
- C
- 내산 잉크를 도포하지 않은 부분의 금속이 부식되어 제거됨.
-
2차 전사
-
2차 부식
- A
- 금형
- B
- 내산 잉크
- C
- 첫 번째로 제거 된 부분은 더욱 깊어짐.
- D
- 두 번째 부식으로 새롭게 제거된 부분.
-
3차 전사
-
3차 부식
- A
- 금형
- B
- 내산 잉크
- C
- 세 번째 부식으로 새롭게 제거된 부분.
이와 같이 전사와 부식을 반복함으로써 입체감 있는 풍부한 주름 가공 금형이 완성됩니다. 간단한 주름 가공 무늬의 경우 1회, 복잡한 무늬의 경우 10회 이상 이 과정을 반복하는 경우가 있습니다.
또한 주름 가공은 전 공정 중 약 80%가 수작업으로 이루어집니다. 특히 전사는 장인의 기술이라고 해야 할 정도의 기술과 정교한 작업이 요구되어 많은 공정 수를 필요로 하는 공정입니다.
주름 가공의 포인트
대부분 주름 가공은 기계 가공 및 연마 작업이 완료된 후에 수행됩니다. 이 때문에 수정 사항이나 수정이 불가능할 정도의 결함이 발생하면 생산 계획에 큰 데미지를 줍니다. 이를 통해 주름 가공이 매우 큰 리스크를 감수하는 최종 공정임을 알 수 있습니다.
따라서 일반적인 주름 가공에서의 결함 발생 위험을 줄이기 위해 유의해야 할 점은 다음과 같습니다.
금형 표면을 사포와 연마 입자로 연마
금형 표면의 마이크로 크랙이나 기계 가공에 의한 표면 변질층을 깨끗하게 제거합니다.
금형 재질로 인한 결함 방지
금형 제작에 쓰일 재질은 보이드(기포), 불순물, 탄화물의 혼입 등 재료 결함이 포함될 확률이 낮은 강재를 선정합니다.
강재의 열처리, 절삭 방향, 압연 방향은 가능한 한 동일하게 한다
위의 조건을 만족하지 않는 경우 주름 가공이 고르지 않아 지거나, 균일한 주름 가공을 얻기 힘듭니다. 또한 용접 보수한 부분에는 주름 가공을 실시하지 않는 것도 중요합니다.
빼기 구배와 두께에 주의
금형 측면의 처리를 진행할 때에는 빼기 구배를 가능한 한 크게 설정합니다. 또한 금형 측면에 처리하는 경우에는 성형품의 두께를 두껍게 하여 수축량을 의도적으로 크게 하고, 금형 표면의 온도 제어가 쉽도록 냉각 구조나 카트리지 히터 구조를 적용합니다.
이 외에는 주름 가공 후 기계 가공을 진행하도록 공정을 변경함으로써 품질이 향상되는 경우가 있습니다. 또한 성형 재료의 종류, 착색, 유리 섬유의 배합 등에 의해서도 주름 가공의 품질은 눈에 띄게 변화합니다. 이러한 경우에는 과거 데이터를 참고하여 주름 가공의 종류나 깊이 등을 선정하는 것이 좋습니다.
기존 주름 가공의 측정 과제
주름 가공은 깊이, 높이, 패턴의 형상이 품질에 크게 영향을 미칩니다. 또한 주름 가공의 결함은 미관이나 촉감뿐만 아니라 미끄럼 방지를 목적으로 한 주름 가공의 경우에는 안전성이나 그립감에도 영향을 줍니다. 표면 결함을 눈에 띄지 않게 하기 위한 주름 가공의 경우에는 생산성에 영향을 줍니다. 이 때문에 전면에 걸쳐 설계한 대로 주름 가공이 적용되었는지 확인하기 위해 측정·검사를 진행해야 합니다.
기존에는 주름 가공의 측정이나 정량화를 위해서 현미경이나 거칠기 측정기를 사용하고 있었습니다. 그러나 기존의 방식을 사용할 때에는 다음과 같은 측정 과제가 있었습니다.
거칠기 측정기 및 변위 센서를 이용한 주름 가공의 측정 과제
거칠기 측정기를 이용한 표면의 거칠기 측정은 높이 방향을 점 또는 선으로만 측정할 수 있기 때문에, 정확하게 형상을 파악하기 위해서는 측정 항목을 늘려야 합니다. 프로브를 움직여 측정하기 때문에 측정 항목이 많을수록 측정에 시간이 걸립니다. 또한 대상 물체 설치 후의 설치 보정 등이 필요하고 측정 항목에도 측정자에 의해 편차가 생겨 측정값의 신뢰성이 떨어집니다.
- A
- 프로브
- B
- 검출기
현미경을 이용한 주름 가공의 측정 과제
현미경은 거칠기 측정기와는 달리 「면」으로 정보를 포착할 수 있습니다. 스테이지의 이동량으로 홈의 폭을 측정하고, 초점 조정 이동량으로 깊이를 측정할 수도 있습니다.
다만 사람이 눈금으로 측정하기 때문에 측정 결과에 개인차가 있으며, 본래의 용도가 측정이 아니기 때문에 측정 결과를 정량화할 수없고, 정량화하더라도 그 측정값의 신뢰성이 낮다는 우려가 있습니다.
주름 가공 측정의 과제 해결 방법
기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정하고 있어 측정값의 신뢰성이 낮다는 과제가 있습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.
장점 1: 최대 200mm×100mm의 광범위를 측정 가능
대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하면 OK. 정밀한 위치 결정 등의 사전 준비가 필요하지 않으므로 측정기에 관한 지식이나 경험이 없어도 즉시 고정도의 측정을 할 수 있습니다.
기존 측정기와 달리 지금까지 많은 수고와 시간을 필요로 했던 넓은 면적에 점재하는 주름 가공의 높이 변수도 측정할 수 있습니다. 또한 다양한 측정을 간단하게 실현할 수 있는 계측 툴을 탑재하여 특정 작업자만 할 수 있었던 측정 업무를 익숙하지 않은 분이라도 간단하고 빠르게 할 수 있습니다.
장점 2: 트레이서빌리티에 대응하는 측정 시스템
「VR시리즈」는 비접촉식의 3차원 측정기인 동시에 국가 기준의 트레이서빌리티를 확보하였습니다. 측정 정도로는 정확성, 반복성의 2개의 성능을 보증하고 있어 안심할 수 있는 측정 결과, 신뢰성 높은 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 또한 본체와 교정 보드에 인증서를 기본적으로 첨부하고 있습니다.
이렇듯「VR시리즈」는 트레이서빌리티를 기반으로 한 측정 시스템이므로 측정 장비로 사용할 수 있습니다.
또한 기본적으로 검사 성적서·교정 증명서를 교정 게이지에 첨부합니다. 게이지는 JCSS 인증 사업자의 기준 척도를 따릅니다. 이로 인해 현장에 있는 모두가 정확하게 교정할 수 있습니다.
요약: 측정하기 어려웠던 주름 가공의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화
「VR 시리즈」를 사용하면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정 가능. 주름 가공의 높이와 거칠기 등의 어려운 측정도 최고 속도 1만에 완료. 기존 측정기의 모든 과제를 해결할 수 있습니다.
- 면으로 측정하므로 넓은 면적의 주름 가공도 간단하게 측정 가능. 거칠기의 다양한 변수도 측정할 수 있습니다.
- 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적인 측정을 할 수 있습니다.
- 위치 결정 등의 작업없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현. 측정 작업을 특정 작업자에게 의존해야 했던 문제를 해결했습니다.
- 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.
그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석 및 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
