접촉식 계측
표면 결함은 산업용 제품의 품질과 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 결함은 나아가 제품의 가치에도 영향을 미칠 수 있습니다. 산업 제조 분야는 첨단 가공 기술, 제품 품질 테스트, 가공 공정 관리를 필요로 합니다. 표면을 형성할 때 목표 범위, 해당 범위를 확인하는 장비 그리고 이에 필요한 방식이 정의됩니다. 이러한 품질을 검사하는 방법은 계측이며, 접촉식 장비(접촉 스타일러스)가 이러한 형태의 계측에서 가장 일반적으로 사용되는 도구입니다. 접촉식 계측은 스타일러스의 팁을 계측 대상 표면에 직접 접촉시킨 후 이동시켜 높은 신뢰성을 가진 계측 데이터를 생성합니다. 이 계측 방법을 위해 개발된 표준들은 산업용 제품들의 공급과 안정성을 향상시켰습니다.
접촉식에서 광학식으로
접촉식 기술은 높은 신뢰성을 가진 계측 결과를 얻지만, 스타일러스가 계측 대상 표면과 접촉하기 때문에 스타일러스 팁의 크기로 인해 그리고 스타일러스를 사용함에 따라 팁 끝이 무뎌지는 것으로 인해 표면 텍스처의 틈의 바닥까지 도달하지 못하는 한계가 존재합니다. 이와 더불어 계측 압력으로 인해 계측 대상 표면이 손상될 수도 있습니다. 이로 인해 계측 결과가 실제 표면 거칠기와 다른 경우가 발생합니다. 현재 스타일러스로서 높은 마찰 저항을 가진 다이아몬드가 사용되며, 팁의 형체는 최대한 좁게 제작되어 계측 압력을 미세 조정할 수 있습니다. 장비 자체의 정밀도는 크게 높아졌고 접촉식 장비의 정밀성이 표준화되어 산업용 제품의 품질이 전체적으로 향상되었습니다. 그러나 접촉식 계측이 가진 모든 문제점이 해결된 것은 아닙니다. 더 높은 제품 품질이 기대되고 있기 때문에 더 미세한 표면 거칠기 평가 방식의 개발이 계속 이어지고 있으며, '선형' 거칠기에서 '영역' 거칠기로의 변화도 진행되고 있습니다. 현재 제조사들은 차세대 표면 거칠기 계측 방식으로 접촉식 스타일러스 대신 '광학'에 높은 기대를 걸고 있습니다.
광학으로 전환하는 산업
약 30년 전, 접촉식 계측의 표준화가 진행되고 있던 시기에 광학을 이용한 계측 장비를 처음 접하게 되었습니다. 광학의 장점은 마찰이 전혀 발생하지 않는다는 점, 계측 대상 표면을 손상시키지 않는다는 점, 빠른 계측이 가능하다는 점, 쉽게 작동 가능한 장치를 사용한다는 점입니다. 이러한 장점들과 더불어 새로운 기술이라는 점이 많은 이들의 기대를 받기 시작했습니다. 그러나 초기 계측 결과는 접촉식 장비에서 얻은 계측 데이터와 많이 달랐습니다. 계측 데이터가 서로 일치하지 않은 이유는 광산란 변화와 반사광의 양 등 광학 특유의 현상으로 인해 발생한 것이 확인되었습니다. 현재 광학식 계측은 높은 정확성을 가지게 되었고, 광학식 계측을 통해 얻은 계측 데이터는 접촉식 장비를 통해 얻는 데이터와 유사한 수준이 되었습니다.
광학의 장점은 비접촉식 계측, 면적 단위 계측, 고속 계측이 가능하다는 점입니다. 비접촉식 및 면적 단위 계측을 통해 무른 제품, 얇은 제품, 넓은 산업 제품을 손상시키지 않고 빠르게 계측할 수 있습니다. 광학식 계측은 같은 형태의 대량 생산 산업 제품 제조 현장에서 필수 요소로 자리매김하고 있습니다.
광학은 계측시 손상이 우려되는 디스플레이, 전자기기, 필름 등의 제품과 디젤 엔진 노즐 등의 견고한 샘플에 사용됩니다. 광학식 계측에는 이 외에도 환경 측면에서도 장점을 가지고 있습니다.
만족스러운 신뢰성 확보
면적 거칠기 계측에 대한 일본 산업 표준(Japanese Industrial Standard, JIS)은 2차원 매개변수만을 정의하며, 3차원 매개변수에 대한 명확한 표준은 존재하지 않습니다. 유럽 소재 연구 단체에서 3차원 매개변수의 표준화를 진행하고 있으며, 3차원 매개변수가 더 광범위하게 사용될수록 더 높은 신뢰성의 3차원 분석 정보를 얻는 것이 필요합니다.
가공 기술이 지속적인 발전을 이루면서 가공 정밀성 또한 향상되고 있으며, 이로 인해 고정밀 거칠기 계측 장비 수요도 증가하고 있습니다. 빛을 매우 작은 직경의 점으로 집속시켜 표면 거칠기를 계측하는 레이저 현미경은 수직 방향으로 나노미터 수준의 해상도를 가지며, 계측 평가에서는 선형 평가보다 면적 평가가 주를 이루고 있습니다. 오늘날의 계측은 광학 장비를 사용하여 만족스러운 신뢰도를 가진 고속 면적 계측과 전면 계측이 가능한 시대입니다.
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Kazuhisa Yanagi 박사는 나가오카 기술대학교 기계공학부 엔지니어링 교수입니다. Olympus LEXT 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경이 사용된 Kazuhisa Yanagi 교수의 논문 - Akihiro Fujii, Shinichi Hayashi, Shintaro Fujii, Kazuhisa Yanagi, "Analytical study on optically measured surface profiles of referential geometry using a FDTD method", 14th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, June 2013.
- M. F. Ismail, K. Yanagi, H. Isobe, A H M Rozalee, "Effect of Diamond Electrodeposited Tool Surface Topography to Ultrasonic Vibration Assisted Grinding", "14th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces.", June 2013.
- Akihiro Fujii, Shinichi Hayashi, Shintaro Fujii, Kazuhisa Yanagi, " Analytical study on optically measured surface profiles of referential geometry using a FDTD method ", The Japan Society for Precision Engineering (JSPE) Spring Meeting 2013 (in Japanese)
- Kazuya Shimizu, Hidetake Tanaka, Kazuhisa Yanagi, "Analytical study of planetary drilling tools for CFRP and its wear observation", The Japan Society for Precision Engineering (JSPE) Spring Meeting 2012 (in Japanese)
- Koichi Nishinaka, Hidetake Tanaka, Kazuhisa Yanagi, "Development of Hydraulic Diamond Burnishing Tool for Interrupt Surface Finishin", The Japan Society for Precision Engineering (JSPE) Spring Meeting 2012 (in Japanese)
- Mohd F. Ismail , Kazuhisa Yanagi, Hiromi Isobe, "Geometrical transcription of diamond electroplated tool in ultrasonic vibration assisted grinding of steel", International Journal of Machine Tools & Manufacture 62(2012) 24-31
- Hidetake Takanaka, Koichi Nishinaka, Kazuhisa Yanagi, "Development of Hydraulic Burnishing Tool for Discontinuous Surface Finishing -Machining Characteristics of Hydrostatic Burnishing Tool with Single Crystal Diamong Tip-", Journal of The Japan Society for Technology of Plasticity Vol53,621 (2012) (in Japanese)
- Kazuhisa Yanagi, Akihiro Fujii, "A study on short-wavelength measurement limit for surface texture measuring instruments by optical methods", 3rd International Conference on surface metrology, Annecy (poster session)、2012.
- Akihiro Fujii, Kazuhisa Yanagi, " A study on short-wavelength measurement limit for surface texture measuring instruments by optical methods ", The Japan Society for Precision Engineering (JSPE) Spring Meeting 2012 (in Japanese)
- Mohd F. Ismail, Kazuhisa Yanagi,, Akihiro Fujii, "An outlier correction procedure and its application to areal surface data measured by optical instruments", Measurement Science and Technology 21 (105105) (2010) 11 pp.
- Akihiro Fujii, Hitoshi Suzuki, Kazuhisa Yanagi, "Development of measurement standards for verifying functional performance of surface texture measuring instruments", Journal of Physics : Conference Series311(2011)012009
- Hidetake Takanaka, Wataru Ishii, Kazuhisa Yanagi, "Optimal Burnishing Conditions and Mechanical Properties of Surface Layer by Surface Modification Effect Incuced of Applying Burnishing Process to Stanless Steel and Aluminum Alloy", Journal of The Japan Society for Technology of Plasticity Vol52,605 (2011) (in Japanese)
- Akihiro Fujii, Hitoshi Suzuki, and Kazuhisa Yanagi, "A study on response properties of surface texture measuring instruments in terms of surface wavelength", ASPE Summer Topical Meeting 2010 Ashvill
- Akihiro Fujii, Kazuhisa Yanagi, " A study on response properties of surface texture measuring instruments in terms of surface wavelength ", The Japan Society for Precision Engineering (JSPE) Spring Meeting 2009 (in Japanese)
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