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대한조선학회 웹진 October, 2020
[관련 분야 S/W 소개] 쓰리디시스템즈 디지털 메뉴팩처링 솔루션

<글 : 쓰리디시스템즈 최상규 차장 Sangkyu.Choi@3DSystems.Com>

디지털 메뉴팩처링

쓰리디시스템즈의 디지털 메뉴팩처링 솔루션은 3차원 스캐닝, 디자인, 3D 프린팅, CAM과 같은 다양한 제품을 포함하는 유기적인 통합 솔루션을 라인업하고 있습니다.

3차원 스캐닝 솔루션

30여년 전부터 3차원 스캐너는 존재해 왔습니다. 다만, 데이터화 시킬수 있는 제품의 크기가 제한적이어서 그 적용 분야가 자동차 산업, 전자 산업 분야에 집중되었다고 할 수 있습니다. 근래에는 다양한 제품의 스캐너가 라인업 되면서 조선업 분야에도 그 쓰임새가 다양해지고 있습니다. 1km까지 스캔이 가능한 광대역 스캐너, 이동의 편리함을 강조한 핸디 스캐너, 단품의 정확도를 위한 초정밀 스캐너등 다양한 스캐너를 기반으로 3D 시스템즈의 Geomagic 소프트웨어를 기반으로 한 다양한 품질 검사, 역설계등의 활용도가 높아지고 있다.

Geomagic Control X (품질검사)

신뢰할 수 있는 측정 결과, 효율적인 부품 품질관리를 통한 비용 절감, 정확한 부품 장착

# 품질 검사 사례


독일 파펜 부르크에 본사를 둔 MEYER WERFT GmbH & Co. KG는 특수 목적 선박 건조로 세계적으로 탁월한 명성을 얻고 있습니다. 특히 현대적이며 정교한 대형 유람선을 건조하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이 회사는 수년 동안 전 세계 고객들을 위해 45대의 호화 유람선을 제조했고 각각의 배들은 모두 독특합니다. MEYER WERFT는 세계적인 경쟁력을 유지하기 위해 최첨단 생산 기술을 사용합니다. 2010년부터는 기하학적 분석 및 이미지 획득 작업에 광대역 레이저 스캐너를 사용하며, LizardQ 카메라 시스템을 사용하여 360도 파노라마를 매년 최대 8,000개까지 만듭니다. 크루즈 선박을 조립하기 위해 최대 3천만개의 부품을 사용하며, 섹션이라 불리는 가장 작은 부품도 30m x 30m 2.5의 치수를 가지고 있습니다. 너무도 당연한 이야기 이지만, 건조된 선박은 완벽하게 조립되어야 하며, 이를 위해 선박 내부, 단품등을 스캔하고, 쓰리디시스템즈의 Geomagic Control X는 이 수많은 스캔 데이터 결과(포인트 클라우드)를 3D로 비교하고 정밀하게 검사할 수 있습니다.

CAD 데이터와 실제 상태를 3D로 비교하여 정확성을 보장

조선업에서 활용하는 많은 소재는 외부 영향에 의해 변동될 수 있습니다. 용접은 열 작용으로 인해 금속 부품의 변화를 유발합니다. 컴포넌트 또한 운반 및 조립 중에 기계적 영향을 받아 변형이 발생할 수 있습니다. 기온 조건도 영향을 줄 수 있습니다. CAD 데이터를 활용한 가상 조립 과정에서 완벽하게 조립이 되어도 최종 어셈블리 작업에서 편차로 인해 문제가 발생할 수도 있습니다. 건조될 이상적인 선박의 형상과 실제 컴포넌트의 비교를 통한 품질 검사 작업은 필수적이며 Geomagic Control X가 중요한 역할을 담당합니다.

표면 및 데크 분석을 통한 후속 조치 비용 절감

표면 분석 (Figure 1)은 CAD와 비교하여 갑판 표면의 울퉁불퉁한 편차를 명확하게 표현합니다. 갑판에 몇 밀리미터의 편차만으로도 웅덩이가 생길 수 있습니다. 이러한 편차는 갑판 아래에서도 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 배의 일부 구역은 타일로 구성되어있고 바닥이 고르지 않으면 바닥 타일이 갈라질 수 있습니다.
 


<Figure 1: Geomagic Control X의 컬러맵을 통해 갑판 표면의 편차를 확인할 수 있습니다.>


 선적이 배송될 때나 후에 이러한 문제를 발견하게 된다면, 값비싼 수리 비용이 발생하게 될 것입니다. 엔지니어들이 Geomagic Control X를 활용한 검사를 수행한 작업 덕분에 조선소에서 이런 문제를 사전에 예방할 수 있습니다. 문재가 발생한 부분은 재작업되고 갑판 표면은 필요한 만큼의 컴파운드를 활용하여 정확하게 수평을 맞춥니다.
데크 분석 또한 유사한 프로세스를 수반합니다. CAD 모델 데이터를 현장의 실제 조건과 비교하고 편차를 즉시 식별할 수 있습니다(Figure 2). 예를 들어, 파이프가 서로 다른 높이에 배치되어 조정이 필요한 경우 3D 분석을 통해 수정할 수 있습니다. 또한 3D 분석은 복잡한 구조의 인테리어 작업에 유용합니다.
 


<Figure 2: Geomagic Control X를 활용해 데크 CAD 모델과 현장의 실제 형상을 비교 분석할 수 있습니다.>


형상 검사는 편차를 예측하고 해결하는 데 도움이 됩니다.

선체 형상 검사는 필수입니다. 스태빌라이저에서(Figure 3~5), 셸 표면의 가장자리가 일치하지 않으며, 스캔 결과는 CAD 모델과 눈에 띄게 차이가 납니다. 품질 검사 프로세스에서 3D 데이터의 비교는 예상되는 변형으로 인한 편차가 공차 범위 내에 있는지를 결정하는 데 사용됩니다. 3D 분석은 모든 편차의 명확한 그림을 제공합니다. 해당 컴포넌트의 기능이 잘 작동하지 않거나, 편차가 일반적으로 오류 발생 가능성이 높거나, 안전 규정을 준수하지 않는 경우 해당 컴포넌트를 수정할 필요가 있을 수 있습니다.
 


<Figure 3: 스태빌라이저용 CAD 모델
​Figure 4: Geomagic Control X에서 CAD와 스캔 데이터를 비교 분석한 스태빌라이저의 컬러 맵
Figure 5: 스태빌라이저가 Geomagic Control X의 CAD 모델과 일치하지 않는 모습(쉘 표면의 가장자리의 불일치)>


3차원 스캐닝 솔루션을 통한 계측과 품질 관리는 이제 현대 조선 산업에서 필수 도구가 되었습니다. 조립 시 구성품이 완벽하게 맞도록 하고, 필요한 모든 변경이 적시에 이루어지도록 하며, 선박을 완성하여 예정대로 인도할 수 있도록 하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.

Geomagic Design X (역설계)

제품의 유지보수, 선박에 관련된 새로운 부품 개발

#역설계란?
설계자가 구상한 제품을 3차원 데이터화 하는것이 설계라면, 역설계는 이미 생산된 제품을 3차원 데이터화 시키는 것입니다. 실제 산업 전반에서 역설계는 경쟁사 제품 분석이나, 에프터마켓 제품 생산, 제품 금형에 대한 백업 데이터 확보, 설계 해석등 다양하게 활용하고 있으며, 조선업계 에서는 특히 유지보수 제품 생산, 에프터마켓등에 활용이 가능합니다. 이전에 만들어진 수많은 제품(부품)들은 도면이 없는 경우가 많으며, 내구성이 다한 부품들은 개략적인 정보를 바탕으로 정확하지 않은 유지보수 부품을 만들었습니다. 또한 기존 건조된 제품 형상에 무언가 새로운 부품을 추가할 때에도 어려움이 많았습니다.  현재의 역설계는 이러한 부정확한 정보를 이용한 것이 아니라, 명확한 스캔 데이터를 기반으로 보다 빠르고 정확한 3차원 모델링 데이터를 확보할 수 있는 솔루션 입니다. 


<Figure 6: 선박 건조 지지대 역설계>


3차원 스캐너는 수많은 디지털 형상 정보를 획득할 수 있으며, 쓰리디시스템즈사의 Geomagic Design X는 스캐너 제조사와 상관없이 스캔 데이터를 불러와 3차원 모델링 데이터를 설계할 수 있습니다.
 


<Figure 7: 선박 외형 역설계>


<Figure 8: 보트 외형 역설계> 


전통적인 CAD 소프트웨어와 같은 파라메트릭한 작업 환경을 지원하고 있으며, 곡률이 많아 직접적인 설계가 어려운 형상에 대해서는 자동으로 면을 추출하는 기능, 설계시 스캔 데이터와의 오차 확인 기능등을 제공함으로써 보다 빠르고, 정확한 CAD 데이터를 얻을 수 있습니다.
 

 

 

                                                            <Figure 9~10: 역설계 결과에 대한 오차 확인>

 



추가정보
https://www.3dscanning.co.kr/
https://ko.3dsystems.com/software