마모의 가시화

미래에는 내연 기관 엔진이 훨씬 경량화되고 연료 소모가 적으며, 도로를 달릴 때 더욱 친환경적이어야 합니다. 동시에 훨씬 더 큰 출력을 낼 수 있어야 합니다. 이처럼 야심찬 목표를 달성하기 위한 한 가지 방법은 전반적인 효율 개선을 통해서 입니다. 마찰 손실은 여기서 중요한 역할을 담당합니다. 결국, 마찰을 극복하기 위해 전력이 소모되고, 마찰은 열을 발생시키며, 이 에너지는 움직임에 더 이상 사용할 수 없는 것입니다. 동시에 마찰은 원치 않는 소음을 생성하며, 전기 모터를 탑재한 현대 자동차에는 이러한 소음이 더 이상 나타나지 않아야 합니다. 마지막으로, 마찰은 엔진의 움직이는 부품을 마모시킵니다. 이러한 이유로 폭스바겐은 3D 광학 방법을 사용해 구성품들이 서로 맞닿아 마찰을 발생시키는 위치와 그 강도를 검사합니다.

형상의 변화를 보여주는 표면

기본적으로, 이것은 측정 기술자 Stefan Rubach가 엔진 개발로부터 주문으로 접수한 사전/사후 테스트입니다. "우리는 구성품이 새 것일 때와 정의된 테스트를 실행한 후의 모습이 어떻게 바뀌는지에 관심이 있습니다." 대졸 기술자의 설명입니다. 예를 들어, 표면의 마모는 더 거칠거나 더 매끈한 구조에서 잘 보입니다. "하지만 표면을 영구히 변화시키는 홈을 포함할 수도 있습니다." Rubach는 이렇게 말합니다. 진행 중인 R&D 프로젝트의 틀 안에서 그러한 변화를 검출하기 위해서는 삼차원 광학 표면 측정기가 필요합니다. 볼프스부르크의 측정 기술자들은 이러한 목적으로 NanoFocus의 장비를 이용하며, 이제 MarSurf CM explorer 명칭 하에 Mahr로부터 구입할 수 있습니다. 두 회사 모두 2018년 4월 이후로 이 분야에서 협력해오고 있습니다. MarSurf CM explorer를 이용하면 표면이 광학 방식의 비접촉식으로 스캔된 후 분석이 이루어집니다. 결과는 3차원 높이 이미지로 나타납니다. 이미지에서 봉우리와 골짜기를 명확히 식별할 수 있으며, 방향에 따라 배열되지 않고 확률적으로 분포된 경우라도 식별이 가능합니다. 테스트 벤치의 표면이 코팅되거나 비어 있는 홈을 정확히 보여줄 경우(예를 들어 원통형 트럭에서 오일의 머무름 부피를 생성), 3D 분석이 더욱더 중요합니다.

천공 다이아프램으로 미광을 여과

Mahr의 MarSurf CM explorer는 폭스바겐의 표면 측정기에서 특히 표면 정보가 필요할 때 유연한 기기로 사용됩니다. 여기에는 단순히 프로파일 단면만이 아니라 표면 디테일의 정밀 뷰가 포함되며, 이 경우 접촉식 측정이 사용됩니다.

CM explorer의 광학 측정 방법은 공초점 현미경 기술을 토대로 합니다. 특수 기능은 다음과 같습니다. Mahr의 측정기기는 회전하는 핀홀 디스크를 통해 객체 표면으로부터 반사되는 산란광을 필터링합니다. 이런 식으로 카메라에서 정확히 초점이 잡힌 CCD 칩의 표면 점만 이미지가 제작됩니다. 흐려진 픽셀은 페이드아웃됩니다. 첫 번째 단계에서 명확히 정의된 수평면에서 해당 표면에 대한 고대비 및 선명한 이미지가 만들어집니다.

표면(릴리프)에 대해 평가 가능한 삼차원 재구성을 생성하기 위해 측정 장비가 측정 내에서 자동으로 초점을 변경하여 해당 윤곽선과 함께 서로 다른 초점면에서 일련의 이미지를 생성합니다.

서로의 위에 적층되는 식으로, 나노 범위에서도 구조를 볼 수 있는 해상도로 삼차원 이미지가 결과로 나타납니다. 평균적으로 이미지 스택은 몇 초 안에 캡처된 200 ~ 400개의 개별 이미지로 구성되며, 측정 소프트웨어에 의해 삼차원 높이 이미지로 변환됩니다. "우리는 이미지가 아닌, 릴리프를 제작합니다." Stefan Rubach가 강조하며 말합니다.

넓은 영역에서도 고해상도 지원

MarSurf CM explorer를 이용해 볼프스부르크에 위치한 폭스바겐 엔진 개발부의 내부 테스트 실험실은 글자 그대로 실마리를 찾을 수 있게 되었습니다. 20x 배율을 지원하는 표준 렌즈는 of 0.8 x 0.8 mm의 측정점을 수용합니다. 더 큰 영역이 필요할 경우, CM explorer는 소위 스티칭 기능을 지원합니다. 즉, 인접한 개별 이미지를 결합해 파노라마 이미지처럼 전체 이미지를 형성합니다. 이로써 가능한 최고의 해상도로 훨씬 큰 영역을 분석할 수 있습니다. Mahr의 솔루션은 "explorer"라는 이름이 걸맞은 성능을 제공합니다. "수많은 측정 작업에서 개발자나 우리는 기대되는 사항을 알 수 없습니다." Rubach가 이후의 검색 과정을 설명하면서 말합니다.

측정 결과를 비교하기 위해서는 공초점 측정기에서 반복성 역시 중요한 요소입니다. 이는 특히 여러 직원이 일상적인 실험실 작업에서 측정을 실시할 때 적용됩니다. "측정기는 신뢰를 갖고 많은 기능을 수행합니다. 기술과 작업을 처리하는 직원을 믿으십시오." Rubach가 확신에 찬 목소리를 말했습니다. 따라서 사용자 오류를 방지하기 위해서 하드웨어 및 소프트웨어의 단순 조작성은 Rubach에게 가장 중요한 사항입니다. 하지만 검사 전에 완전히 세척되지 않은 구성품은 먼지나 이물질 때문에 결과가 왜곡됩니다. 이러한 이유로 MarSurf CM explorer의 하드웨어가 특히 튼튼하게 제작됩니다.

개발의 현실

측정된 토포그래피는 추가 분석을 위해 PDF 형식의 테스트 보고서로 사용할 수 있습니다. 그러나 폭스바겐의 개발자들은 표면 측정의 원시 데이터를 이용해 측정 결과를 시뮬레이션 프로세스에 통합합니다. 필터링되지 않은 데이터를 이용해 시뮬레이션 중 기능과 동작을 정확히 예측할 수 있습니다. 따라서 Rubach와 그의 동료들은 실물과 거의 가깝게 작업할 수 있습니다. “과거에는 계산 모델을 만들어야 했지만, 지금은 시뮬레이션에서 실제 표면과 해당하는 동작을 테스트할 수 있습니다.” VW 측정 엔지니어 Rubach의 설명입니다. 그는 설명을 이어갔습니다. “실재와 훨씬 더 가까운 모델을 개발 중에 있습니다.”

텍스트: Mahr의 제품 매니저 Thorsten Höring & Mahr의 글로벌 핵심 계정 매니저 Jörg Meyer.