초음속 입자 증착/콜드 스프레이

초음속 입자 증착 (SPD) 또는 Cold Spray(CS)는 적층 제조 공정입니다. 이 재료 통합 과정에서 금속 또는 합금의 마이크론 크기 입자는 헬륨 또는 질소와 같은 가열된 고압 가스를 사용하여 드라발 로켓 노즐이 장착된 스프레이 건을 통해 가속됩니다. 입자는 초음속으로 빠져나가 기본 재료와의 결합 및 소성 변형을 일으키기에 충분한 에너지로 고체 표면에 충돌할 때 통합됩니다. 아래 그림 1을 참조하십시오.

그림 1 콜드 스프레이 공정의 개략도

 

이 고에너지 고체 코팅 및 분말 강화 공정은 금속, 금속 합금 및 금속 혼합물을 적용하는 효율적인 방법입니다. 수많은 응용. 공정에 열이 없기 때문에 티타늄, 알루미늄 및 마그네슘과 같은 반응성 물질과 함께 사용하기에 이상적입니다. 고체 상태 처리를 통해 치수 공차 또는 모체 부품의 기본 야금을 손상시키지 않고 두꺼운 코팅을 적용할 수 있으므로 콜드 스프레이는 재생 및 수리 공정에 이상적입니다. 콜드 스프레이는 또한 부품을 추가로 구축하는 데 사용할 수 있습니다. 콜드 스프레이의 가장 흥미로운 특성은 시간당 최대 6kg의 증착 속도로 재료를 증착할 수 있는 속도입니다.

SPEE3D – Steve와 Byron의 이야기 – 태양광 자동차에서 적층 제조까지

3D 프린팅을 더 쉽게 만든다는 사명으로 Byron Kennedy와 Steven Camilleri는 SPEE3D를 설립하여 속도, 일관된 품질 및 비용 절감으로 금속 부품을 만들었습니다. SPEE3D 프린터 세계에서 가장 저렴한 금속 적층 제조 공정을 가능하게 합니다. 금속 콜드 스프레이 기술을 활용하여 며칠 또는 몇 주가 아닌 단 몇 분 만에 산업 품질의 금속 부품을 생산함으로써 금속 부품을 가장 빠른 방법으로 만듭니다. SPEE3D는 고출력 레이저와 고가의 가스에 의존하지 않고 금속 콜드 스프레이 기술을 사용하는 특허 프로세스를 사용하여 정상적인 생산 비용으로 금속 3D 프린팅의 유연성을 허용합니다. 이 공정은 분말을 추진하기 위해 헬륨이나 질소 대신 압축 공기를 사용합니다.

Byron과 Steven은 15년 넘게 함께 일해 왔습니다. 그들은 처음에 Charles Darwin University World Solar Car Challenge 팀의 일원으로 만났고 1987년과 2005년 사이에 함께 데저트 로즈를 경주했습니다. 2000년 데저트 로즈는 태양열 자동차로 시속 107km의 세계 기록을 받았습니다.

2002년에 그들은 Desert Rose를 위해 개발된 축방향 자속 모터 기술을 상용화하기 위해 In Motion Technology(IMT)를 설립했습니다. 이 모터 기술은 현재 전 세계적으로 사용되고 있으며 태양열 자동차 경주에서 가장 성공적인 상업적 파생물 중 하나입니다. IMT의 성공적인 판매 수익으로 쌍은 SPEE3D를 형성했습니다.

SP3D(Supersonic 3D Deposition)로 알려진 SPEE3D가 개발한 새로운 적층 제조 기술 마하 3의 속도로 제트 엔진 노즐을 통해 재료를 쏘고 6축 로봇 팔로 움직이는 기판에 기하학적 패턴으로 층별로 증착됩니다. 로봇은 STL(Standard Template Library) CAD 파일에서 명령한 특정 형상을 구축하기 위해 필요에 따라 플레이트를 이동합니다.

이 과정에서 서로 충돌하는 입자의 순전한 운동 에너지는 분말이 서로 결합하여 금속 주조물보다 우수한 야금학적 특성을 가진 고밀도 부품을 형성하도록 합니다. 부품은 빌드 후 즉시 안전하게 처리할 수 있습니다. 이 공정을 통해 기존 3D 금속 프린팅 방식보다 100~1000배 빠른 속도로 금속 부품을 프린팅할 수 있다.

아래 그림 2는 SPEE3D가 단 11분 만에 구축한 구리 부품을 보여줍니다.

그림2 SPEE3D가 SP3D에서 만든 구리 부품

 

SPEE3D는 계속해서 금속 기반 적층 제조 기술의 혁신적인 공급업체이며 특허받은 콜드 스프레이 기술을 기반으로 하는 기계 및 통합 시스템 솔루션의 개발, 조립 및 유통에 중점을 둡니다. SPEE3D의 혁신적인 기술은 구리 및 알루미늄에 대한 기존 금속 인쇄 기술보다 빠르고 저렴하며 확장 가능한 생산에 기여했으며 해양, 방어 항공 우주에 활용되었습니다.

노후화 문제 해결 

NISSAN

사례 연구

인쇄 시간 40분

재질 알루미늄 6061

무게 580G

부품 비용 $58 (USD)

 

도전

자동차, 광업, 국방,

철도, 고용된 자산 및 생산된 상품은 오랜 기간 동안 경제생활을 겪어왔습니다. 그러나 자동차의 경우 교체 부품을 여러 개 소싱합니다. 생산 후 몇 년이 지나면 불가능에 가까울 수 있습니다. Nissan은 손상된 차량을 교체하는 작업으로 SPEE3D에 접근했습니다. 수냉식 구성 부품. 부분 자체가 복잡하고 수리할 수 없는 내부 냉각 채널이 포함되어 있거나 전통적인 제조 방법을 사용하여 신속하게 재현되었습니다.

해결책

SPEE3D는 자사의 3D 독점 스캐닝 기술을 금속 3D 프린팅 기술로 원본 부품을 스캔하여 SPEE3D의 LightSPEE3D에서 부품을 인쇄하는 데 사용된 CAD 파일 인쇄기 입니다.

결과

결과 부품은 응용 프로그램의 요구 사항을 충족하도록 검증 및 테스트되었습니다. 요구 사항은  SPEE3D는 많은 산업이 직면한 노후화 문제를 극복하기 위해, 자사의 기술이 기회를 제공한다는 것을 입증했습니다.

주요 혜택

• 구식이거나 조달하기 어려운 부품을 교체할 수 있는 능력.

• 재정비 및 장비 교체와 관련된 상당한 비용 방지, 리엔지니어링.

• 빠르고 비용 효과적입니다.

 

  

 

고객 차량: 닛산 EX35 인피니티

 

Nissan Australia의 '알리샤 그레이'는 "SPEE3D의 기술은 공급 제약/노후화 부품과 관련된 우리 비즈니스의 매우 실제적인 문제에 대한 실행 가능한 솔루션을 제공했습니다. 3D 금속 프린팅은 더 이상 과학 실험실의 영역이 아닙니다. 우리는 이 기술이 산업 분야에 매우 긍정적인 변화를 제공한다고 봅니다. 미래에는 제조할 수 있는 방법이 있습니다." 라고 말했습니다. 

 

닛산의 오리지널 부품이 로봇 팔과 3D 스캔 끝에 부착되어 있습니다.

 

배경

SPEE3D는 University of Technology Sydney와 파트너십을 맺었습니다. 첨단 연구개발을 위한 Rapido(UTS Rapido) 2019년부터 Rapido의 연구 전문성과 SPEE3D의 고속 금속 3D 프린팅 기술입니다. 이 프로젝트 제공하기 위한 파트너십의 지속적인 작업의 예였습니다. 세계 최고의 연구 기회를 개발합니다. 솔루션 재제조 단일 부품을 빠르고 효율적으로 생산하기 위해 Nissan Australia는 기존 제조 방식과는 다른 솔루션이 필요했습니다. 손상된 부분이 SPEE3D의 LightSPEE3D에 부착되었습니다. 3D 스캐너를 사용하여 스캔하는 로봇 팔. SPEE3D의 독자적인 소프트웨어는 부품을 조종하라는 명령을 로봇에 보냈습니다. 여러 가지 스캔을 완료합니다. 이 스캔에서 SPEE3D는 매우 복잡한 소프트웨어 알고리즘을 통해 3D 모델이 생성되었습니다. 그런 다음 3D 모델을 알루미늄 6061로 인쇄했습니다. LightSPEE3D 금속 3D 프린터. 이 테스트는 노후화를 극복하기 위한 금속 3D 프린팅 기술 많은 산업이 직면한 문제로 3D 스캐닝과 3D 스캐닝의 강력한 조합을 입증했습니다. 

TwinSPEE3D의 Nissan 부품 시뮬레이션 CAD 소프트웨어 도구.

 

알루미늄 6061 금속으로 프린팅된 Nissan 부품

LightSPEE3D 프린터에 파우더를 바르세요.

 

부품의 작동 방식

3D 프린팅된 부품이 차량 배기 시스템에 사용되었습니다. 촉매 변환기의 상류. 차량의 연료 인젝터는 배출 시스템의 구성 요소입니다. 인쇄된 부분이 허용됩니다. 냉각되는 동안 배기 장치에 장착되는 인젝터 운영 요구 사항에 따라, 냉각수는 펌프를 통해 펌핑됩니다. 인젝터를 냉각하기 위한 3D 프린팅 부품의 복잡한 내부 채널은 SPEE3D의 기술력을 입증한 부품입니다. 차량 구성 요소의 기능적인 요구 사항을 충족하기 위해 맞춤형 형상의 고품질 부품을 생산합니다. 

영향

공급 문제와 위험에 직면한 많은 산업이 있습니다. 자동차, 철도, 석유 및 가스, 광업, 국방 등이 포함됩니다. 공급 문제로 인한 다운타임으로 인해 상당한 재정적 손실 또는 운영상의 손실이 발생할 수 있습니다. 금속 부품은 일반적으로 더 이상 사용되지 않습니다. 그리고 소싱이 불가능합니다. 이 프로젝트는 이러한 점을 입증했습니다. SPEE3D의 고유한 3D 스캐닝 및 금속 3D 프린팅 기술을 사용하여 문제를 성공적으로 해결할 수 있습니다. 

과제 : 디지털 전환을 위해 회사 9개 브랜드의 수천 개 독특한 가구가 줄을 이룬 가운데, 설계 팀은 100% 휴대가 가능하고 밀리미터 미만의 정확도를 제공하며 다시 스캔할 필요 없이 가구 크기의 물체를 몇 분 만에 캡처할 수 있는 Scan-to-CGI(스캔에서 CGI까지) 이미징 파이프라인을 완료하는 데 적합한 스캐너가 필요했습니다.

솔루션 : Artec Leo, Artec Studio, SOLIDWORKS, ZBrushk,3D Studio Max

결과 : Artec Leo를 통해 설계 팀은 오후에 수십 개의 고해상도의 빈틈 없는 3D 스캐닝을 손쉽게 제공할 수 있으며, 최종 단계를 위해 CGI 팀에 전달할 준비가 됩니다. 또한 가구를 스캔하고 CAD 소프트웨어에서 리버스 엔지니어링하여 다양한 모양과 스타일로 동일한 제품을 바로 제작할 수 있는 버전을 만들 수도 있습니다.

CGI로 렌더링한 아파트 장면을 배경으로 한 3D 스캐닝 Sherrill Furniture 맞춤형 소파 세트(사진 제공 : sherrill Furniture)

맞춤형 고급 가구의 세계에서 고객은 특히 직물, 가죽, 마감재, 색상, 하드웨어 및 엑세서리 등 무제한의 조합으로 모든 가구용 직물 또는 수납 가구의 모양과 느낌을 극적으로 바꿀 수 있는 경우 주문하려는 것을 보기를 기대합니다. 직접 방문이 아닌 경우 최소한 인쇄된 카달로그나 온라인으로 보기를 원합니다.

그러나 사진을 사용하여 제품 목록용 이미지를 만드는 전통적인 방법으로는 이것이 쉬운 일이 아닙니다.

CGV로 렌더링한 실내 장면에서 3D 스캔한 맞춤형 가구 페어링(사진제공 : sherrill Furniture)

개별적으로 맞춤화된 각 가구는 먼저 제작된 다음 전용 사진 촬영 시 여러 각도에서 캡처해야 합니다. 그렇지 않으면 고객은 새 가구가 배송되었을 때 어떻게 보일지 "상상하세요"라는 말만 듣게 됩니다. 그리고 고객의 입장에서 이러한 선구자가 되는 것은 위험한 일입니다.

최고!!

노스캐롤라이나주 히커리에 있는 Sherrill Furniture에 이것은 충분하지 않았습니다. 1945년 문을 연 이래로 Sherrill Furniture의 목표는 최고 품질의 재료와 장인 정신 측면과 아울러 모든 단계에서 고객의 기대를 충족하고 능가하는 최고의 고객 만족이었습니다.

CGI로 렌더링 된 거실 장면에서 3D로 스캔한 Sherrill Furniture 맞춤형 의자(사진 제공 : Sherrill Furniture)

이처럼 Sherrill Furniture은 전 세계의 고객에게 그들이 꿈꾸는 가구가 만들어지기도 전에 그것이 정확히 어떤 모습일지 보여줄 방법을 모색했습니다. 그리고 수천 개의 독특한 가구와 회사의 9개 브랜드에 수십 개의 맞춤형 가구 프로그램이 있기 때문에, 그들이 채택한 솔루션은 모두 빠르고 유연해야 합니다.

Sherrill Furniture의 마케팅 담당 부사장 Dax Allen과 그의 팀은 전용 Scan-to-CGI 이미징 파이프라인의 일부로 3D스캐닝을 수행했습니다. 이 파이프라인에서는 매주, 매년 제품 목록을 위해 완전히 맞추어 제작할 수 있는 수십 개의 3D모델을 만들 수 있습니다.

CGI로 렌더링한 실내 장면에서 3D로 스캔한 Sherrill Furniture 맞춤형 의자(사진 제공 : Sherrill Furniture)

이와 동시에 이는 콘텐츠 제작 작업 흐름을 간소화하여 기존 병목 현상을 제거하고 새로운 병목 현상이 발생하는 것을 방지합니다. 

그들은 이러한 요구 사항을 염두에 두고 Artec 홍보대사인 Digitize Design의 스캐닝 전문가에게 연락하여 영업 엔지니어 Bo Helmrich와 상담하였고, 그는 즉시 Artec Leo를 추천했습니다.

가지고 다닐 수 있는 터치스크린과 컴퓨터가 내장된 완전 휴대형 3D 스캐너인 Artec Leo는 1mm 이하의 정밀한 컬러 3D스캔을 제공하며, 특히 Sherrill Furniture의 디자인 팀이 스캔 작업을 해야 하는 혼잡한 전시장과 같이 기동성이 필수적인 장소에서 중간 크기의 물체를 캡처하는 데 적합합니다.

"Artec Leo가 데이터를 얼마나 빨리 캡처하는지 깨닫고 나서 저는 더 빨리 움직이기 시작했고 Leo는 저를 따라잡았는 데 아무런 문제가 없었습니다."

휴대용 첨단 기술 솔루션 

Artec Leo를 구해한 후 Allen과 그의 팀은 Helmrich와 긴밀히 협력하여 Artec Studio 소프트웨어에서 가구를 캡처하고 스캔을 처리하기 위한 효율적인 작업 흐름을 고안했습니다.

Artec Leo로 의자를 스캔하고 있는 Sherrill Furniture의 Noah Carney (사진 제공 : Sherrill Furniture)

설계 엔지니어 Tanner Pittmon은 "Bo는 작은 의자부터 전체 크기의 조립식 가구에 이르기까지 제가 캡처해야 하는 어떤 종류의 가구이든 스캔하는 가장 좋은 방법을 생각해 낼 수 있도록 도와주었습니다. 즉, 왼쪽에서 오른쪽으로 작업하면서 도중에 가구의 위쪽과 아래쪽 일부를 캡처하는 것입니다."라고 말했습니다.

그는 이어 "Leo를 사용하면 표적이나 마커를 사용할 필요가 전혀 없으며 처음에 저의 유일한 문제는 제가 너무 느리게 스캔하고 너무 많은 데이터가 축척되고 있다는 것이었습니다. Leo가 데이터를 얼마나 빨리 캡처하는지 깨닫고 나서 저는 더 빨리 움직이기 시작했고 Leo는 저를 따라잡는 데 아무런 문제가 없었습니다."라고 말했습니다.

Artec Leo를 통한 3D 스캐닝을 기다리는 원본 Sherrill Furniture 나무 프레임 의자.(사진 제공 : Sherrill Furniture)

Pittmon은 전체적으로 캡처되지 않은 측면이나 디테일이 있다면 "저는 스캔하는 동안 Leo의 터치스크린에서 바로 확인할 수 있습니다."라고 말하며, "그런 다음 스캐너로 한 번 훑기만 하면 끝입니다. 

"Leo가 있다는 것은 반복해서 스캔하러 전시장으로 돌아가지 않아도 된다는 것을 의미합니다."

복잡하고 자연스러운 형태의 가구라도 빈틈없이 스캔하는 Leo의 능력은 작압 흐름에 매우 중요합니다. CGI 팀이 스캔을 받을 때 스캔에 빈틈이 있으면 가상 가구용 직물을 모델에 현실적으로 감쌀 수 없으며 품질이 저하됩니다.

이것이 각 구성 요소를 개별적으로 스캔하고 나서 Artec Studio에서 합친 다음 CGI 팀에 보내는 이유 중 하나입니다. 즉, 모든 쿠션, 배게 및 기타 요소가 자체적으로 스캔되므로 위에서 아래로 360도 전체를 커버할 수 있습니다.

마케팅 코디네이터인 Noah Carney는 "Leo를 사용하면 우리가 CGI팀이 작업을 수행하는 데 중요한 세부 사항을 놓쳤는지 파악하기 위해 스캔 처리를 시작할 때까지 기다릴 필요가 없습니다."라고 말했습니다.

나무 프레임 의자 스캔의 Artec Studio 스크린숏(사진 제공 : Sherrill Furniture)

Carney는 "우리가 당사 전시장에 가면 오후에 20개 이상의 가구를 캡처한 다음 사무실로 돌아가 스캔을 처리하게 됩니다. Leo가 있다는 것은 반복해서 스캔하러 전시장으로 돌아가지 않아도 된다는 것을 의미합니다."라고 설명했습니다.

맞춤형 시각화가 적용된 나무 프레임 의자의 CGI 렌더링(사진 제공 : Sherrill Furniture)

맞춤형 공예

스캔은 Artec Studio 소프트웨어에 업로드되면 처리되어 3D 모델로 변환되어, 이 과정에서 각 가구에 대한 다양한 스캔을 정렬하고 불필요한 데이터를 정리하는 데 몇 분 밖에 걸리지 않습니다.

Artec Studio 소프트웨어에서 의자의 Leo 스캔처리(사진 제공 : Sherrill Furniture)

이후 3D 모델을 CGI 팀으로 보내면 CGI팀은 3D 모델을 ZBrush로 가져옵니다. 거기에서 3D Studio Max에서 일어나는 다음 단계를 준비하기 위해 형상을 다듬는 데 집중합니다. 이는 ZBrush에서 수행되지 않은 이음매와 자외선 및 기타 모델 변경 사항을 추가하는 단계입니다.

Artec Leo 스캔으로 만든 Sherrill Furniture의 Dundee Natural 의자의 CGI 렌더링(사진 제공 : Sherrill Furniture)

작업의 최종 결과물로 각 가구의 생생한 실물과 같은 3D 모델이 만들어지는데, 이를 확대하고, 가까이에서 검사하고, 마우스 클릭으로 수정해서 아카펠라 레드(Acapella red)에서 주스만 시폼 그린(Zussman Seafoam green)또는 그 사이의 어떤 색으로든 가구용 직물을 변경할 수 있습니다.

Artec Leo 스캔으로 만든 Sherrill Furniture의 Sauvage Saddle의자의 CGI 렌더링(사진 제공 : Sherrill Furniture)

또한 다양한 마감재, 색상 체계 및 액세서리를 즉시 선택하고 시각화할 수 있어 고객에게 회사의 장인이 미래에 어떠한 제품에 생명을 불어넣어 출하할지 정확하게 보여 줍니다.

 

---

 

Artec Leo 스캔으로 만든 Sherrill Furniture 맞춤형 소파의 CGI 렌더링(사진 제공 : Sherrill Furniture)

Pittmon은 "사실감을 높게 유지하기 위해 Leo를 사용하여 수행하는 작은 요령 중 하나는 예를 들어, 소파를 스캔할 때 오른쪽과 왼쪽을 모두 스캔하는 것입니다. 많은 회사가 지름길을 택하여 한쪽을 다른 쪽으로 미러링하겠지만 우리는 절대 그렇게 하지 않습니다."라고 말했습니다.

 

그는 이어 "수제 가구에는 자세히 볼 때 나타나는 주름, 접힘, 심지어 빛이 작물 표면에 작용하는 방식 등 양쪽 사이에 작고 독특한 차이가 있기 때문이며, 이러한 사실성이 없다면 모델은 단지 가짜로 보일 것입니다."라고 말했습니다.

다양한 가구용 직물과 스타일로 시각화된 동일한 맞춤형 소파 세트의 CGI 렌더링 (사진 제공 Sherrill Furniture)

Pittmon은 또한 SOLIDWORKS와 함께 Scan-to-CAD 기능에서 Leo를 사용하여 가구를 리버스 엔지니어링 하였습니다. 그러한 프로젝트 중 하나에는 설계 도면이 없는 클래식 의자가 포함되었습니다. Sherrill Furniture 제조 팀은 이제 요청 시 언제든지 하루도 채 안 된 시간에 다양한 변형으로 이를 복제할 수 있습니다.

Artec Leo를 사용한 리버스 엔지니어링 : 원본 클래식 의자(왼쪽)와 최종 맞춤형 버전(오른쪽)의 CGI 렌더링(사진 제공 : Sherrill Furniture)

이 프로젝트를 설명하면서, Pittmon은 "이 두개의 의자를 보면, 오른쪽에 잇는 것은 존재하지도 않습니다. Leo 스캔에서 CGI팀은 3D 모델을 만들어 등받이를 더 높이 키웠습니다. 그들은 또한 의자의 너비를 러브 시트 또는 완전한 소파로 확장할 수 있습니다."라고 말했습니다.

Artec Studio 소프트웨어에서 원본 클래식 의자의 Artec Leo스캔(사진 제공 : Sherrill Furinture)

그는 이어 "이러한 맞춤형 버전의 의자는 당장 물리적으로 만들 필요가 없습니다. 우리는 그러한 버전의 의자를 가상으로 만듭니다. 그러면 나중에 제조가 그러한 요구에 부응할 수 있습니다."라고 말했습니다.

가구의 설계 도면이 없을 때마다 Pittmon은 SOLIDEWORKS를 사용하여 가상 의자나 소파의 CAD 모델을 신속하게 그려 가구 공장의 제품 개발팀에 직접 보낼 수 있습니다.

Sherrill Furniture CGI팀이 만든 맞춤형 버전 의자의 설계 도면(사진 제공 : Sherrill Furniture)

새로운 솔루션 찾기

Allen은 옛것과 새것의 대조에 대해 "초기에 우리는 Leo를 사용하여 기존 사진과 새로운 3D CGI파이프라인을 나란히 비교했습니다."라고 말했습니다. 3D 접근 방식은 처음에는 비용이 더 많이 들고 전체적으로 완료하는 데 시간이 더 오래 걸리지만, 여러 직물, 마감재 등으로 3D 모델을 활용할 수 있습니다.

그는 이어 "3D 스캐닝 사용은 기존 사진보다 시각적 자산당 비용 기준으로 최소 30배 이상 효율적입니다. 그리고, 우리는 실제로 시각적 품질과 사진을 개선했습니다. 놀라운  결과입니다."라고 말했습니다.

Artec Leo 스캔으로 만든 원본 클래식 의자(왼쪽)와 등받이 확장된 맞춤형 버전(오른쪽)의 CGI 렌더링 3D모델(사진 제공 : Sherrill Furniture)

그는 "테스트 중에 이런 경우가 있었으며, 그때 우리 팀은 소파가 촬영되지 않았다는 것을 깨달았습니다. 촬영팀은 촬영을 취소하고 소파가 준비되는 4주 후에 다시 촬영하는 계획을 세워야 했습니다.

그에 반하여 CGI 팀은 Leo 스캔으로 만든 의자의 3D 모델을 가져와 소파 프레임을 거기에  맞추고 이를 활용해 처음부터 끝까지 2시간 동안 100% 정확한 소파의 시각 자료를 디지털 방식으로 생성했습니다."라고 덧붙였습니다.

Allen과 그의 팀은 품질 면에서 손끝만치도 희생하지 않으면서 파이프라인을 더욱 가속화 할 수 있는 강점을 찾기 위해 계속해서 작업 흐름을 개선하고 있습니다.

과제 : 노후된 발전소를 두 개의 새로운 터빈으로 개보수하는 시간에 민감한 프로젝트를 위해 두 개의 거대한 수력 전기 흡출관의 물리적 치수를 종합적으로 기록하고, 흡출관의 측정값이 조금이라도 어긋나면 도급업체는 프로젝트 사양을 충족하지 못해 상당한 위약금을 지급하게 될 뿐만 아니라 잘못될 경우 사고로 이루어 질 수 있습니다.

솔루션 :  Artec Eva, Artec Studio, SOLIDWORKS

결과 : 각 흡출관은 Artec Eva를 사용하여 프로젝트 시간 내 약 5시간 만에 끝에서 원활하게 캡처되었습니다. 그런 다응 이 스캔을 사용하여 mm 단위의 정밀한 CAD 모델이 생성되었고, 이 모델은 새 터빈의 설계 및 제조에 사용되도록 터빈 제조업체에 바로 전달되었습니다.

 

Artec Eva를 사용하여 수력 전기 흡출관 끝 스캔

프랑스 쥐라 산맥의 중심부 깊은 곳에서 엔지니어 Damien Delmont(다미앙 델몽)은 Artec Eva 3D 스캐너를 손에 들고 긴 콘크리트 흡출관 안에 서서 4m위의 움직이지 않은 터빈을 향해 어둠을 응시하고 있었는데, 그곳에서는 두 개의 오래된 밸브가 반대편의 수백만 리터의 밀려오는 물을 막고 있었습니다.

몇 시간 후, Delmont과 그의 프로젝트 파트너인 Guillaume Demarche는 비계를 사용하여 터빈 아래 구조물의 상층부로 올라가 거대한 흡출곤을 속속들이 캡처했습니다.

팀은 빠르게 작업해야 했습니다. 터빈이 꺼진 채로 있는 매시간 발전소의 수익 손실이 발생했으며, 이 발전소는 최대 용량으로 5,000 가구에 전력을 공급할 수 있는 10메가와트 이상의 전기를 생성합니다.

87년 후, 개보수 할 시간

거의 한 세기 전인 1934년 제 1차 세계 대전의 배상금의 일부로 독일 기술자들에 의해 건설된 이 수력 발전 시설은 그 이후로 계속 가동되고 있습니다. 발전소에 있는 4개의 Francis 터빈 중 2개 터빈의 첫 번째 것을 교체할 때가 되었을 때, 프로젝트를 맡은 도급업체는 당면한 작업의 복잡한 특성을 파악했습니다.

수력 발전소 옆의 수위 모니터링

터빈 제조업체가 설비에 최적으로 작동하는 장치를 설계하기 위해서는 먼저 물이 터빈을 통해 아래 강으로 보내진 후 배기관 역할을 하는 거대한 불규칙한 모양의 흡출관의 정확한 치수를 알아야 했습니다.

부정확한 측정값을 사용할 경우 터빈은 아무리 잘 해도 지정된 전기 출력을 생성하지 못하기 때문에 발전소의 성능 표준을 충족하지 못합니다.

최악의 경우, 잘몰된 측정값으로 인해 전력 손실, 공동화, 심지어 과도하게 높은 진동 레벨이 발생하여 2009년의 시야노-슈센스카야(Sayano-Shushenskaya) 수력 발전소 재해와 같은 사고로 이어질 수 있습니다.

정확한 기록의 필요성

흡출관의 원래 청사진은 그대로 있지만 작성되고 나서 거의 90년이란 시간이 흘렀으며 치수가 바뀌어 신뢰할 수 있는 엔지니어링 문서로 사용하지 않게 되었습니다. 

터빈 제조업체와 프로젝트 도급업체는 사양을 충족하지 못해 발생하는 즉각적인 물리적 피해 외에도 벌금, 명예 훼손 등을 포함한 중징계를 받게 됩니다.

기존의 측정 방법으로는 프로젝트 도급업체는 사양을 충족하지 못해 발생하는 즉각적인 물리적 피해 외에도 벌금, 명예 훼손 등을 포함한 중징계를 받게 됩니다.

기존의 측정 방법으로는 프로젝트 기간 내에 흡출관을 정확하게 기로할 수 없다는 것을 알게 된 도급업체는 구식 구조물 및 구성요소의 개보수, 검사, 리버스 엔지니어링을 포함한 산업 응용 분야의 엔지니어링 및 3D 스캐닝 전문가에게 도움을 요청하였습니다.

Delmont은 "흡출관이 단순한 기하학적 모양이라면 기존 도구를 사용하여 쉽게 측정할 수 있었을 것입니다. 그러나 그렇지 않습니다. 그래서 우리는 이러한 흡출관의 밀리미터 단위 CAD 모델을 만들기 위해 3D 스캔을 선택했습니다."라고 말했습니다.

적합한 3D 스캐너를 찾아서

몇 년 전 Delmont은 엔지니어링 회사를 설립했을 때 자신의 요구를 충족할 3D스캐너를 찾기 시작했습니다.

Artec의 골드 인증 파트너인 Boreal 3D에 연락하여 Demarche를 만난 후 그는 곧 전 세계 엔지니어와 기타 전문가들이 많이 사용하는 1mm 이하의 정확도를 가진 휴대용 전문 3D스캐너인 Artec Eva를 소개받았습니다.

Artec Eva

Delmont은 이어 "이 프로젝트의 특성상 기한이 촉박했으며, Eva를 사용하면 단 몇 시간 만에 12m흡출관을 모두 정밀하게 캡처하여 CAD 모델을 분석하고 새로운 터빈 구축에 필요한 CFD(컴퓨팅 유체 역학) 시뮬레이션에 사용할 수 있었습니다.

어떤 이유로든  명시된 기간 내에 결과물을 제공하지 않았다면 프로젝트에 연관되어 있는 다른 모든 사람들이 영향을 받았을 것이고, 우리가 향후 프로젝트에 참여할 가능성에도 영향을 미쳤을 것 입니다."라고 말했습니다.

초대형 물체 캡처, 스캔 후 스캔

기한이 빠르게 다가오자 Delmont은 프로젝트의 규모와 복잡성을 고려하여 Guilaume Demarche에게 지원을 요청했습니다. 신중하게 계획을 세운 후 그들은 수력 발전 시설에 도착하여 신속하게 앞으로의 단계에 대한 전략을 짰습니다.

처리 단계에서 스캔을 Artec Studio 소프트웨어에서 더 빨리 정렬할 수 있도록 흡출관의 벽에 스프레이식 페인트를 도포하고 스캐닝을 위해 10개의 분리된 섹션을 지정했습니다.

 

그들은 또한 이처럼 분리된 섹션에서 작업함으로써 항상 가까이에 있던 위협인 비상 사태가 발생할 경우 흡출관에서 즉시 빠져나갈 수 있도록 만반의 준비를 했습니다. 예를 들어, 팀이 스캔하는 동안 물 수위는 그들 바로 뒤에 있는 물막이 댐 상단을 넘치기 전 10cm 지점까지 차올랐습니다.

안전 기술자들이 댐 꼭대기에 서서 내내 수위를 감시했습니다. 날씨가 더 나빠지면 불과 몇 킬로미터 상류에 물이 위험한 수위까지 올라갈 수 있습니다. 그럴 경우 팀이 모든 장비를 잡고 흡출관에서 탈출할 수 있는 시간이 1분도 채 되지 않을 것 입니다.

어둠과 물 속에서도 스캔

위험을 지속저으로 상기시키는 것은 분당 약 10리터의 물이 흡출관으로 쏟아져 위의 밸브를 흘러내리는 것이었습니다. 주택용 밸브 또는 수도꼭지와 달리, 이 오래된 밸브는 적은 양의 물을 통과하도록 설계되었습니다. 물 피해로 인한 즉각적인 위허을 피하기 위해 팀은 컴퓨터와 장비를 놓을 임시 나무 테이블을 만들었습니다. 

그러나 물은 1분도 스캔에 방해가 되지 않았습니다. Delmont은 "흡출관 바닥에 2cm 정도의 물이 있었지만 Eva는 여전히 이 영역을 완벽하게 스캔했습니다."라고 말했습니다. 

그는 이어 "저는 물이 얇게 덮여만 있어도 스캐너로 작업하는 데 어려움을 겪을 수 있다고 들었는데, Eva는 그렇지 않았습니다. 주의에 주의를 거듭하기 위해 레이저 원격 측정으로 이 영역을 확인했고 Eva 측정값이 정확하게 맞았습니다."라고 말했습니다.

각 섹션을 스캔하는 데 약 30분이 걸렸고 전체 흡출관을 끝에서 끝까지 캡처하는 데 약 5시간이 걸렸습니다.

Delmont은 "Eva는 이러한 유형의 작업에 이상적인 스캐너라는 것이 입증되었습니다. 매우 정확하고 기술에 상대적으로 악영향을 주는 습하고 심지어 물기가 있는 환경 그리고 전기 콘센트가 없는 완전한 어둠 속에서도 아무런 타깃이 없이 스캔할 수 있기 때문입니다."라고 말했습니다.

개보수, 검사 등을 위한 CAD 모델 생성

스캔하는 동안 Delmont은 흡출관 벽에서 흡출관을 통과하는 수백만 리터의 엄청난 양의 물로 인해 수십 년 동안 침전된 5~10mm의 광물 축적층을 발견했습니다.

스캔을 마치고 사무실로 돌아온 후 스캔을 CAD 모데로 처리할 시간이 되었습니다. Demarche는 "Artec Studio에서 스캔을 처리할 때 우리가 할 일은 많지 않았습니다. 그것은 우리가 계획한 대로였습니다."라고 전했습니다.

그는 이어 "기본적으로 약간의 정리 후 10개의 스캔한 섹션을 정렬하고 전체 흡출관의 모든 표면을 포함하는 단일 3D 모델을 생성했습니다."라고 말했습니다.

Artec Eva로 스캔한 전체 수력 전기 흡출관의 최종 3D 모델

최적의 결과를 위한 Artec Studio의 Scan-to-CAD 도구 사용

이 단계에 따라 Delmont은 Artec Studio의 Scan-to-CAD 기능을 사용하여 흡출관의 3D모델에 CAD 기본 도형을 피팅했습니다. 그런 다음 그는 기본 도형을 STP파일로  SOLIDWORKS로 내보냈고 여기에서 기본 도형을 흡출관의 CAD 모델을 스케치, 그리기 및 압출하기 위한 참조로 사용했습니다. 

Delmont은 Scan-to-CAD 기능의 중요성을 강조하면서 "작업 흐름의 한 단계에 너무 많은 시간이 걸리면 효율성이 떨어지고 비용이 증가하므로 경쟁력을 유지하고 새로운 프로젝트를 수주할 기회가 줄어들 것입니다."라고 말했습니다.

"Artec Studio의 스캔에서 직접 CAD 기본 요소를 생성할 수 있기 때문에 물체를 스캔한 직후에 품질 면에서 어떤 것도 희생하지 않으면서 작업 흐름에서 귀중한 시간을 단축하고 있습니다."

1차 스캐닝부터 모든 것을 완벽하게 캡처

Delmont은 "EVA를 사용하면 수력 전기 흡출관처럼 거대하고 균일하지 않은 물체의 모든 치수를 단번에 캡처할 수 있습니다. 즉, 2차 스캐닝도 필요없고, 발전소를 다시 멈추게 할 필요도 없습니다."라고 덧붙였습니다.

"스캔을 처리하기 시작하고 표면 데이터가 누락된 경우, 발전소로 돌아가서 터빈을 멈추는 것은 발주자의 수익 손실 측면에서 큰 비용이 될 수 있기 때문입니다. 다행히도 EVA는 스캔 작업을 마치고 나면 마지막 밀리미터까지 모든 데이터가 저장되어 있다는 것을 알게 됩니다."

Delmont은 기한이 되기 훨씬 전에 완성한 후 이를 발주자에 보냈고, 발주자는 이를 터빈 제조 업체에 전달했습니다.

이 모델은 모든 사양을 충족했으며 즉시 CFD 시뮬레이션 및 기타 분석에 사용되었습니다.

Artec Eva스캔에서 생성된 흡출관의 CAD 모델

몇 주 후, 팀은 수력 발전소로 돌아와 두 번째 흡출관을 스캔하고 기존 작업 흐름을 사용하여 CAD 모델을 생성했습니다.

개보수 및 그 이상을 위한 정밀한 CAD 모델

이제 두 흡출관의 CAD 모델은 쉽게 입수할 수 있으므로, 예를 들어 Artec Studio에서 소프트웨어의 표면 거리 매핑 도구를 사용하여 3D 스캐닝을 통해 흡출관을 검사하기 위한 참조 모델로 사용할 수도 있습니다. CAD 모델과 스캔 간의 차이점은 읽기 쉬운 컬러 히트 맵에 표시됩니다.

오늘날, 프랑스에만 개보수가 필요한 수십 개의 구식 수력 발전소가 있으며, 이러한 발전소가 세계 각국에 수 천 개는 아니더라도 수 백 개가 더 있는 것으로 나타났습니다.

이러한 프로젝트에 대한 엔지니어링 전문성과 관련하여 Delmont의 말에 의하면 궁극적인 질문은 '어느 정도의 정확도가 진정으로 필요한가?' 입니다. 왜냐하면 단순한 물체만이 한 레벨만 필요로 하기 때문입니다.

Delmont은 "그러나 이러한 접근 방식에는 결함이 있을 뿐만 아니라 프로젝트 시간이 길어지고, 자원이 낭비되고, 비용이 증가하며 결과적으로 결과가 좋지 않게 됩니다."라고 말했습니다.

원본  문서가 없는 복잡한 프로젝트 수행

"가장 큰 과제는 흡출관과 같은 복잡도가 다른 다양한 섹션을 가진 매우 큰 물체를 개보수 할 때 어떻게 이상적인 수준의 정확도를 달성하느냐 입니다. 동시에 어떻게 각 개별 프로젝트에 맞게 자신만의 레트로 엔지니어링 방식을 적용하느냐입니다."

Delmont은 "제가 Artec Eva로 수행한 모든 프로젝트에서 Artec Eva는 우리가 경험한 개보수 프로젝트의 약 70%에 해당하는 원본 도면이나 문서를 찾을 수 없는 공백을 메우는 데 도움이 되는 중요한 솔루션임이 입증되었습니다."라고 말했습니다.

그는 이어 "저는 Eva를 사용하여 크기가 몇 센티미터에 불과한 물체에서 길이가 수 미터인 다른 물체의 정확한 측정값 및 CAD 모델을 생성하고 있습니다. 이것이 Eva의 가장 큰 장점 중 하나인 다용도성이라고 생각합니다. 그 결과로 생성된 CAD 모델은 개보수에서 검사, 유지 보수 등에 이르기까지 모든 작업에 필수적입니다."라고 말했습니다.

과제: 매우 세부작인 맞춤 제작 부품을 설계하여 이 Ruffian GT40을 완벽한 주행 형태로 만들기

솔루션: Artec Space Spider, Artec Eva, Artec Studio, Blender, SketchUp, 3D printing

결과: SEMA 2021 데뷔를 앞두고 있는 맞춤 제작 부품으로 완성된 자동차!

컴퓨터 게임에 대한 경력과 자동차 제작에 대한 애정을 가진 Chris Ashton이 직업과 열정이 결합된 3D 스캐닝 세계로 발을 내디디는 데 오래 걸리지 않았습니다. 그는 "저는 하루의 대부분을 3D 프로그램에 참여하고 있는데 이 프로그램은 제가 스캐너와 소프트웨어를 이해하는 데 도움이 되었다고 생각합니다. 그나저나, 정말 멋진 일입니다"라고 말했습니다.

 

도로로 나갈 준비가 된 자동차.

 

캘리포니아에 본사를 둔 자신의 회사 Ruffian Cars에서 "도로를 주행할 수 있는" 경주용 자동차를 디자인, 조립, 개조 및 제작하는 사업을 하는 Ashton은 현지 대리점인 Artec의 공식 협력사 Source Graphics의 시연을 본 후 단 30분 만에 스캔을 시작할 수 있었습니다. 그는 "저는 들어가서 스캐너에 관해 물었습니다.  Source Graphics는 그런 저를 진지하게 받아들여 시연을 해주었습니다"라고 회상했습니다.

 

이를 통해 그는 Ashton의 하드웨어와 소프트웨어에 대한 이해력에 서서히 충분한 자신감을 느끼게 되었고 자신의 자동차 제작 취미에 새로운 기술을 사용할 계획을 세우면서 스캐너의 구매를 진행했습니다. 그는 그날 바로 Artec Space Spider와 Artec Eva 2대의 3D 스캐너를 구매해 손에 들고 Source Graphics를 나섰습니다. Source Graphics 팀은 모든 것이 원활하게 작동하도록 구매 후 관리 조치를 했습니다.

Artec Space Spider(왼쪽) 및 Artec Eva(오른쪽)

이름에서 알 수 있듯이 국제 우주 정거장에서 사용하기 위해 처음 고안된 Artec Space Spider는 소형 부품을 아주 세밀하게 캡처하는 데 적합합니다. 도량형적 정확도를 보장하는 이 산업용 스캐너는 미세한 선, 날카로운 가장자리 및 복잡한 형상을 스캔하는 데 탁월하여 동전부터 열쇠, 의료 장비, 자동차 부품 등에 모든 것에 적합합니다.

 

Artec 3D의 주력 스캐너인 Eva는 가볍고 빠르며 용도가 다양하여 중형 크기의 물체에 대한 고정밀 스캔을 제공합니다. 독립형 스캐너로 사용하기에 최적인 Eva는 작은 부품과 복잡한 세부 사항을 포괄적으로 커버하는 모두를 포함한 대형 스캔을 위해 다른 Artec 스캐너와 결합할 수도 있습니다.

 

Ashton은 "스캐너를 얼마나 빨리 움직여야 하는지, 표적에 얼마나 근접해야 하는지에 대한 감을 잡고 소프트웨어가 어떻게 작동하는지 기억해내려고 애쓰면서 처음 한두 시간은 힘들었지만, 첫날 저녁에 스캔 몇 개(약병과 마늘 한 쪽)를 괜찮게 처리했습니다. 그래서 투자에 만족하면서 잠자리에 들었습니다”라고 말했습니다.

그리고 그는 시작하고 있었습니다.

맞춤 제작 헤드라이트를 준비하는 GT40.

Ashton은 Artec Eva를 사용하여 자동차 전체의 3D 스캔을 캡처하고 Space Spider를 사용하여 통합하려는 별도의 개별 구성품을 확대할 수 있었습니다.

헤드라이트 뒷면의 다양한 형상이 이 선명한 Space Spider 스캔에서 충실히 재구성되었습니다.

더 큰 계획은 도로 주행에 적합할 뿐만 아니라 고개를 돌려 볼 만큼 멋진 클래식 자동차를 완전히 맞춤 제작하여 생명력을 불어넣는 것입니다. "처음에 펜더 플레어를 스캔하기 위해 스캐너를 사용했습니다. 차체 스캔을 마치고 모양에 따라 부품을 3D 모델링 프로그램 Blender나 SketchUp으로 가져왔고 플레어는 차체 위에 별도의 조각으로 제작하여 프린팅했습니다"라고 말했습니다.

 

작동법은 다음과 같습니다. "먼저 자동차의 원래 펜더를 스캔하여 컴퓨터로 가져와 그 위에 있는 디지털 펜더 플레어를 모델링합니다. 그런 다음 VR 헤드셋을 사용하여 차량 주변을 돌아다니며 가상 3D로 부품을 살펴보기 때문에 예술적인 조정을 할 수 있습니다. 디지털 파일이 마음에 들면 대형 3D 프린터에서 펜더 플레어를 프린팅할 것입니다”라고 설명했습니다.

 

프린팅된 펜더 플레어는 검정을 거친 후 다음 다른 작업장으로 보내져 주형을 만들어 탄소 섬유로 부품을 대량 생산할 수 있게 됩니다. 이것은 그가 이전에 차를 맞춤 제작한 방식과는 완전히 대조적입니다. 3D 프린팅이 이미 사용되고 있었지만, 이 프로세스에는 많은 시간과 테스트, 패턴 제작, 시행착오가 필요했습니다. "여기서 가장 큰 장점은 펜더 플레어가 실제 자동차의 축척 스캔에 디지털 방식으로 제작되어 제대로 장착될 수 있고, 왼쪽과 오른쪽이 서로 정확하게 대칭을 이룰 수 있다는 것입니다."

펜더의 3D 스캔은 Blender에서 맞춤형 플레어를 설계하는 기초의 역할을 했습니다.

맞춤 제작 부품이 어떻게 맞을지 실시간으로 확인하는 것 외에도 이 프로세스는 소요 시간도 크게 줄여줍니다.

Ashton은 "3D 스캐닝은 특히 측정하기 어려운 곡선 형태의 새로운 부품을 개발하는 시간을 크게 단축할 것입니다. 게다가, 첫 번째 프린트물이 딱 들어맞고 8시간 걸리는 5~6개의 프린트물을 기다릴 필요가 없을 것이라고 확신할 수 있습니다.

 

이전에는 차 상단에서 플레어를 발포체나 점토로 형태를 만들어 차 전체를 수리소로 가져가 주물을 꺼내야 했습니다(아니면 제가 직접 해야 했는데 이는 지저분하고 많은 화학 물질이 수반되는 작업입니다). 현실적으로 부품을 미러링할 수 없기 때문에 작업을 두 번 해야 했을 것입니다”라고 말했습니다.

 

Source Graphics의 3D 솔루션 수석인 Aneesh Joshi는 자동차 산업에서 3D 스캐닝의 가능성을 크게 보고 있습니다. 그는 "휴대용 3D 스캐너로 해결할 수 있는 실현되지 않은 적용 분야가 엄청나게 많습니다"라고 말했습니다. 그는 Ashton의 솔루션에 참여하게 되어 기뻐하며 "우리는 Ruffian Cars의 놀라운 창작물에 사용할 수 있는 훌륭한 제품을 제공하는 매체가 될 수 있어 감사하고 있습니다”라고 덧붙였습니다.

 

지난 몇 달 동안 Ashton은 헤드라이트에서 안전벨트 버클, 펜더 및 사이드 스커트에 이르기까지 모든 것을 맞춤화하며 자동차에 대한 작업을 계속해 왔습니다.

Artec Space Spider는 금속 스탬핑에 이르기까지 이 안전벨트 걸쇠의 가장 섬세한 디테일을 캡처했습니다

"헤드라이트는 새로운 Toyota LED 헤드라이트 구성품과 Superformance GT40 차체를 결합하여 클래식 경주용 자동차의 외관을 현대화하게 됩니다"라고 그는 설명했습니다.

이 헤드라이트 버킷의 내부 각도와 곡선은 정확한 측정을 위해 캡처하였으며 그렇지 않을 경우 측정하기 어렵습니다.

3D 스캐닝으로 작업할 때의 또 다른 주요 이점은 만들어진 모형이 실제에 아주 가깝다는 것입니다. Ashton은 "스캔은 실제 크기로 컴퓨터에 입력되기 때문에 저는 새로운 부품을 모형화해서 축척의 문제 없이 프린팅할 수 있습니다. 이는 측정치를 구하고 측정치를 기반으로 만들고 그 측정치가 정확하기를 바라던 이전 방식보다 훨씬 개선된 것입니다.

"처리된 모형을 보는 것은 정말 즐거운 일입니다! 마치 마술 같습니다. 그것은 현실 세계에 있었고 지금은 컴퓨터에도 있으며 똑같아 보입니다!"라고 말했습니다.

 

맞춤 제작된 헤드라이트가 제2의 피부처럼 잘 맞습니다.

 

자동차 맞춤 제작이 Ashton의 업무와 생활에 3D 스캔 및 프린팅을 더한 유일한 방법은 아닙니다. 그는 "제 여자친구는 옆면에 가짜 왁스를 떨어뜨려 완성된 양초 모양의 전구 홀더가 달린 골동품 샹들리에를 구매했습니다. 유일한 문제는 전구 홀더가 하나 뿐이었고 8개가 필요했다는 것입니다. 그러나 이제 희귀한 대체품을 찾기 위해 전 세계를 탐색할 필요가 없습니다. Space Spider로 홀더를 스캔하고 7개의 복사본을 프린팅 했습니다!

맞춤 제작된 가구 및 고급 자동차들이 SEMA 2021에 큰 데뷔를 앞둔 가운데, 자동차 제조업체가 새롭고 혁신적인 제품을 선보이는 최고의 무역 박람회인 3D 스캐닝은 Ashton에게 판도를 바꿔놓는 계기가 되었습니다. 저는 사용할 때마다 더 많은 것을 배우지만, 이미 원하는 물품을 스캔할 수 있었으며 전속력으로전진하고 있습니다"라고 설명했습니다.