자동차용 강철 재료의 품질 관리에 사용되는 FLIR 고속 열화상 카메라

초고정확도로 강철 재료의 결함을 검출하는 FLIR 열화상 카메라

산업화된 현대사회에서는 각종 산업, 특히 자동차 산업에서 대량의 강철 소재를 사용하고 있다. 강철 소재의 품질을 검사하는 방법은 매우 다양하지만, 더 효율적이고 안전하며, 정확도가 높은 방법은 항시 요구되고 있는 것이다. 강철 빌렛의 기존 비파괴검사법을 개량하기 위해 남아프리카의 H. 롤로프(Rohloff) (Pty) 유한회사는 강철 빌렛과 튜브를 자동화된 인-라인 방식으로 고속 검사하는 시스템을 개발했다. 이 첨단 검사 시스템은 FLIR의 열화상 기술을 이용하여 원형 및 사각형 강철 빌렛의 표면 결함을 빠르고 정확하게 검사할 수 있는 것이다.

시스템 요건
자동검사 시스템의 필요성은 철강업계 자체에서 나온 것이었다. H. 롤로프사의 기술부 루이 반 데르 발트 이사는 “한 고객 철강업체에서 현재 사용하고 있는 수동식 육안 검사 시스템을 자동화할 수 있도록 요청했다”고 말하면서 새 검사 시스템은 검사한 제품을 추적할 수 있어야 하며 품질과 검사 관련 데이터를 문서화할 수 있어야 한다는 조건이었다고 알려주었다.
고속이면서 안전하고, 높은 감도와 신뢰성을 가지면서 비접촉으로 검사할 수 있는 시스템이 개발 요청의 핵심이었다. 아울러 빌렛의 결함을 그 방향, 길이, 깊이 별로 신속하게 분류할 수 있어야 한다는 조건도 첨부되었다.
열화상 기술 분야에 오랜 경험을 보유하고 있는 H. 롤로프사는 열화상 카메라를 사용함으로써 이런 요구조건을 모두 만족시킬 수 있다는 것을 즉시 알 수 있었다.
루이 반 데르 발트 이사는 “이런 까다로운 조건을 만족시킬 수 있는 기술은 현재로서는 열화상 카메라뿐이며, 열화상 카메라를 이용하는 서모그래피 기술은 비파괴검사(Non-Destructive Testing ; NDT)의 원리를 완전하게 만족시킬 수 있으므로 첨단 제조공정에 가장 적합한 검사 기술”이라고 강조했다.

고속 검사 시스템

Billet InspectIR 시스템은 열화상 카메라 장치, 신호 처리 시스템, 운전제어반, 유도 가열장치, 유도가열 코일, 수냉 시스템, 컨베이어 및 결함 표시 장치로 구성되어 있다. 강철 빌렛이나 튜브는 컨베이어를 통해 카메라 박스 속으로 들어간다.
카메라 박스 안에서는 세 개의 각기 다른 유도가열 코일 중 하나가 강철의 표면을 최고 20°C까지 가열하며, 이때 결함이 있는 부분은 다른 부분보다 온도가 더 높아지게 된다. 검사 제품의 형태에 따라서 3~4 대의 열화상 카메라를 카메라 박스 네 모서리에 각각 설치하여 가열된 빌렛을 초 당 1m 속도로 측정한다.
이 측정 데이터를 정교한 신호처리 시스템으로 분석하여 결함을 식별하고 그 크기를 계량화하여 화면에 디스플레이 한다. 결함을 식별하는 소프트웨어는 여러 강철제조 업체들과 협력하여 특별히 개발된 것이다.
이 Billet InspectIR 검사장치는 완전 자동화된 검사 라인에서 사용할 수 있도록 개발되었으므로 사람에 의한 오류의 가능성을 완전히 배제했다. 검사 후 검출된 결함 부위에는 수성 페인트로 표시를 하거나, 또는 그 재료를 불합격 처리하여 폐기하도록 표시한다.
카메라 박스의 크기는 길이 5m, 폭 1m, 높이 3m이다. 무게는 5톤이며 알루미늄 프레임 속에 설치되어 있다. 검사 대상 재료의 형상에 따라서 높이가 자동으로 조절된다.
Billet InspectIR 시스템의 중요 원리는 검출되는 표면 결함의 깊이에 따라서 온도가 높아지는 정도가 달라진다는 것이다.
반 데르 발트 이사의 말에 의하면 “이 솔루션은 아주 독특한 것으로서 현재 이것과 유사한 검사 시스템은 세계 어디에도 없는 것”이며, “이 Billet InspectIR 장치는 결함을 방향, 길이, 깊이 별로 분류할 수 있을 뿐만 아니라 검사를 거친 재료를 사후에 추적할 수 있는 자료를 제공한다. 따라서 검사 결과를 바탕으로 그 재료를 완전히 폐기처분할 것인지, 재가공하여 결함을 제거할 것인지 결정할 수 있게 되는 것이다. 또한 비접촉 방식의 검사장치이므로 마모나 손상될 염려가 없으며 기계적 동작부분이 없으므로 수리나 정비작업도 거의 불필요하다”고 말했다.
각각의 FLIR 열화상 카메라는, 총 76,800 개 지점의 온도를 일초당 6회씩 측정한다. 그러므로 4대의 고성능 신호처리 장치에서 매초당 4,608,000 개소의 온도 측정 데이터를 분석하는 것이다.
Billet InspectIR 소프트웨어는 1°C의 온도 차이를 자동적으로 감지할 수 있으며, 결함은 온도차이에 비례하는 깊이 별로 분류된다.

생산성 향상

반 데르 발트 이사는 “이 빌렛 검사용 Billet InspectIR 시스템에 의한 생산성 향상 효과는 엄청난 것”이라고 강조했다.
지금까지 강봉은 단순히 육안으로 검사하거나 또는 자분탐상 시험법으로 검사해왔다. 그러나 육안검사는 표면에 나타난 불연속적인 결함만 검출할 수 있다는 한계가 있다.
또한 시간이 오래 걸리며 검사원의 시력과 지식에 크게 의존하는 단점이 있는 것이다. 흔히 MT(Magnetic particle testing)라 부르는 자분탐상법은 자성을 가진 재료의 표면 결함과 표면에 가까운 불연속 또는 결함을 검출할 수 있다. 이런 결함은 그 재료에 주어지는 자기장을 변형시키므로 그 변화에 의해서 검출하는 것이다.
즉 자기를 띈 분말을 결함이 있는 부분에 도포하면 그 부분에 부착되므로 결함을 발견할 수 있게 된다. 이 방법도 매우 효과적이지만 시간이 오래 걸린다는 것이 여전이 문제가 된다.
반 데르 발트 이사의 말에 의하면 강봉 한 개를 육안으로 검사하는 데는 약 2분이 걸리지만 Billet InspectIR 시스템을 사용하면 불과 6초만에 검사를 완료할 수 있다는 것이다.

초고감도의 열화상 카메라
빌렛 검사용 Billet InspectIR 시스템은 벌써 전세계 여러 철강제조 업체에 설치 사용되고 있다.
반 데르 발트 이사의 말에 의하면, 현재 남아프리카와 독일에 각 한 시스템, 그리고 중국에 세 시스템이 설치 가동 중이다. 남아프리카와 중국의 한 시스템은 각각 네 대씩의 FLIR SC3000 열화상 카메라를 사용하고 있으며, 중국의 나머지 두 시스템은 FLIR A315 및 A615 열화상 카메라를 사용하고 있다.

FLIR SC-시리즈는 최고 수준의 감도와 정밀도, 공간 분해능과 속도로 다양한 기능을 발휘하는 것이 특징이다. 이들 강철 재료는 작은 크기로 절단되어 자동차의 안전을 담당하는 중요한 부품으로 가공되기 때문에 아무리 작은 결함이라도 극히 엄격한 검사를 통해 완전히 제거하지 않으면 안 되는 것이며, 여기에 FLIR 열화상 카메라가 중요한 역할을 맡고 있다.
특히 카메라의 높은 감도와 속도는 강철 재료를 고속으로 정확하게 검사할 수 있도록 해주는 가장 큰 요인이라고 그는 거듭 강조했다.
또한 FLIR A-시리즈 열화상 카메라는 고속 적외선 윈도잉 기능을 제공하는 고감도 모델로서 열화상을 높은 프레임 속도로 녹화할 수 있다. 예를 들어 A615 카메라의 프레임 속도는 200 Hz이다.
반데르 발트 이사는 “FLIR의 열화상 카메라는 소형 경량으로 설계되어 Billet InspectIR과 같은 큰 시스템에 일체화하는데 매우 적합하다”고 높이 평가하며, 또한 FLIR에서는 카메라 제어용 툴을 제공하여 전체 시스템을 쉽게 통합할 수 있도록 지원한다고 칭찬했다.
또한 강철 빌렛이 Billet InspectIR 검사 시스템에 투입될 때마다 열화상 카메라의 초점이 자동으로 조절되어야 하며, FLIR가 제공하는 소프트웨어는 사용된 초점 위치를 기억했다가 언제라도 필요할 때 다시 자동으로 호출하여 사용할 수 있다. 그 결과 검사를 더욱 고속으로, 더 효율적으로 수행할 수 있다고 말했다.
다양한 보고서 작성 기능
모든 열화상은 시험 화면에 표시된다.
각각의 강봉이나 빌렛이 이 검사 시스템을 통과한 후에는 그 열화상과 검사 보고서가 자동적으로 생성된다. 모든 검사 결과는 저장되며 필요 시에 다운로드 또는 인쇄할 수 있다.
결함의 위치, 깊이, 길이, 방향 등 데이터 그리고 종류가 데이터 베이스에 저장된다. 검출된 결함은 레이저 속도 측정장치를 사용하여 정확하게 표시된다.

H. 롤로프(Rohloff) (Pty) 유한회사에 대하여

1946년 설립된 이래 H. 롤로프사는 현재 남아프리카의 100대 기술 기업으로 인정받고 있다. ISO 9001:2008 인증을 획득했으며 높은 기술력을 바탕으로 첨단 원재료 시험 및 측정 장비, 시스템, 솔루션을 개발 공급하고 있다. 이 회사는 광범위한 산업분야에서 고객의 요구를 만족시킬 수 있는 시험 및 측정 장비의 대명사로 통하고 있다. 휴대형 또는 독립 설치형 열화상 카메라부터 대규모의 턴키 프로젝트를 개인기업, 회사, 전문 판매업체, 대리점 등에 공급하고 있다.

자료제공 | 플리어시스템코리아(www.flir.com)

FLIR SC-시리즈
FLIR SC-시리즈는 순수 학문 및 산업 연구개발 용으로 설계된 모델로서 저렴한 가격대로 최고 수준의 감도와 정확도, 공간 분해능과 속도를 제공한다.
FLIR SC-시리즈는 최초로 CNUC™ 및 Hypercal™기술을 적용하여 NUC-free 조작 및 넓은 동적 범위를 선택할 수 있도록 했다.

FLIR A-시리즈
신뢰성 높은 품질 수준과 낮은 원가, 높은 생산성으로 제품을 생산하는 것이 생산 엔지니어와 기술자들의 임무이다.
FLIR A-시리즈 열화상 카메라는 적외선을 사용한 머신 비전, 폐회로 프로세스 제어 및 품질보증 이미징 등의 용도에 가장 효과적인 툴로서, 제품의 품질과 생산성을 높여서 경쟁력과 수익성을 향상시켜 준다.

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