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서론
우리는 높은 품질의 제품을 만들기 위해 설계과정부터 시작하여 CAE(Computer Aided Engineering), SQC(Statistical Quality Control), SPC(Statistical Process Control) 등의 여러 가지 품질(Quality) 개선 활동을 한다.
도면은 생산, 조립, 품질관리를 고려하여 적절한 치수 구조(Dimension Chain)와 허용 범위(Tolerance range)를 적용하여 의미와 목적성을 갖게 된다. 먼저 누구든지 도면을 보고 동일한 의미로 해석이 가능해야 하며, 설계자의 성품이자 자존심이기도 하지만 회사의 얼굴이며, 책임 소재 발생 시 법정 논쟁에서 귀중한 문서가 되기도 한다.
제품이 만들어진 후 외관, 기능 등의 검사를 하지만, 제품의 품질 측정 검사를 할 때는 도면의 기준에 부합한 지 검토하고 합/부 판정을 하게 된다. 모든 제품의 생산 기준은 도면이며, 회사 간의 업무를 진행할 때 상대 회사의 도면에 오기나 누락이 발생하고 도면의 상태가 불량하다면 그 회사의 신뢰도는 결코 높지 않을 것이다.
도면의 검수 과정에서 검수자의 실수를 방지하려면 표준화된 시스템에 의해 제도규격법과 누적 공차분석을 수행하는 것이 권장된다. 3차원 누적 공차분석을 통하면 검수자의 실수를 방지할 뿐만 아니라 제품품질에 영향을 미치는 민감도와 기여도 인자들을 인지하고 조정하여 품질 개선에 활용할 수 있다. 이렇게 도면의 검수를 통해 도면의 신뢰도가 대폭 상승하게 된다. 예를 들어 편차(Variation)를 가지고 있는 부품들이 모여 [그림 1]과 같이 조립이 진행되었을 때, 정상적으로 조립이 되거나 or 정상적 조립이 되지 않은 상황이 발생할 수 있다.
[그림 1] 치수 구조에 따른 조립편차
[표 1 ] [그림 1]의 Min/Max 수 계산 결과
적절한 조립성을 검토하기 위해서 [그림 1]과 같은 간단한 모델은 [표 1]의 방식으로 최소/최대 간격의 계산을 쉽게 할 수 있다. 하지만 1D/2D모델의 누적 공차 계산이 산출되어도 3D모델의 결과가 아니기에 신뢰도가 높지 않고 현업 모델에 바로 적용하기는 쉽지 않다. 그래서 3차원 공차 분석이 필요하다고 할 수 있다. 아래 AI Answer를 통해 자세히 설명하도록 하겠다.
AI Answer를 통한 3차원 공차분석 설명
■ Question Tolerance analysis에 대해 설명해줘.
-> AI Answer Tolerance Analysis는 제품의 디자인, 제조 및 조립과정에서 발생할 수 있는 공차(오차)의 영향을 분석하는 방법입니다. 이는 제품의 최종적인 기능과 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 공차는 제품의 생산과정에서 원자재, 장비, 기술, 인력 등 다양한 요인으로 발생할 수 있습니다. 이를 고려하지 않고 제품을 디자인하고 생산하면, 제품의 정확도와 품질이 저하될 수 있습니다. 따라서 Tolerance Analysis는 제품 디자인 단계에서부터 시작하여, 제조 및 조립 단계까지 계속해서 고려되어야 합니다. 이를 통해 오차의 영향을 최소화하고, 제품의 품질과 정확도를 보장할 수 있습니다.
■ Question 누적공차계산 종류에 대해 설명해줘.
-> AI Answer 누적공차 계산 종류에는 최대누적공차, 최소누적공차, 최대최소누적공차, 동일누적공차, 복합누적공차 등이 있습니다. 이들은 공차의 크기와 개수에 따라 적용되며, 각각의 방법으로 누적공차를 계산하여 제품 제작에서 사용될 수 있습니다. 이를 통해 제품의 정확도와 품질을 보장할 수 있습니다.
■ Question 3차원 공차분석에 대해 설명해줘.
-> AI Answer 3차원 공차분석은 설계 제품의 치수와 형상이 부여되었을 때, 제품의 공차와 조립공차 등의 영향을 분석하여 제품이 목표치에 부합하는지 여부를 판단하는 과정입니다. 이를 통해 제품의 품질을 개선하고, 제품의 생산성을 높일 수 있습니다. 3차원 공차분석은 CAD 모델에서 수행되며, CETOL 6σ와 같은 전문 소프트웨어를 이용하여 수행됩니다.
[그림 2] 1D, 2D, 3D모델의 누적 공차 계산
[그림 2]의 예와 같이 1D, 2D의 형태의 모델은 그리 힘들지 않게 누적 공차 계산이 가능하지만 3차원 모델의 경우 손으로 계산하는 것이 거의 불가능 하기에, 3차원 공차 분석 전문 S/W를 활용해야 한다.
3D Stack-up Tolerance Analysis, CETOL 6σ
3차원 누적 공차분석 전문 S/W인 CETOL 6σ의 활용성과 이점들을 살펴보도록 하자. CETOL 6σ는 3D CAD의 Features를 직접 활용하는 Feature기반의 S/W이다. 아래 [그림 3]과 같이 CAD모델의 Feature를 마우스로 선택하면 모델 관계를 쉽게 구성을 할 수 있다.
[그림 3. CETOL model(KC) 모델 구성]
3차원 누적 공차분석 모델을 구성할 때 아래 사항을 고려하여 검토할 수 있다.
- 실제 조립 관계의 순서
- 기구학적 자유도
- 품질 데이터
작업 과정은 일반적으로 [그림 4]의 순서를 권장한다. 모델 구성 방법 및 숙련도에 따라 1번과 2번 작업을 순서를 바꿔 유연하게 진행해도 무방하다.
- Objectives(Measurements)설정
- Assembly Modeling(조립 관계 및 순서)
- Part Modeling(치수 관계)
- Validate Model(모델 검증, 검토)
또한 CETOL 6σ는 도면 규격을 포함하고 있기 때문에 도면의 오기, 누락의 정보를 Advisor(어드바이저) 메시지로 나타난다. 이를 통해 도면의 검수와 개선작업을 진행한다.
결국 제품 개발 과정에서 공차분석은 필수라 할 수 있으며, 이를 통해 품질 개선뿐만 아니라 회사의 신뢰도 높아진다. 그럼 결과로 도출되는 민감도와 기여도 활용에 대해 살펴보도록 하자.
[그림 5. 공차 분석 결과 데이터 활용]
[그림 5]에서 상위에 있는 항목은 영향도 높은 인자, 하위 항목은 영향도가 낮은 인자이다. 민감도는 방향과 크기정보를 가지며 결과 산포에 방향과 크기를 검토할 때 활용된다. 기여도는 공차분석 모델을 구성하면서 사용된 전체 인자를 100%라고 했을 때 각 항목별 영향도를 나타낸다. 제품을 전수검사 하지 않고 영향도 높은 인자만 검사에 활용하여 효율을 높일 수 있다.
CETOL 6σ 결과를 근거자료로 활용하여 현업에서 쉽게 진행할 수 없는 제품 품질에 영향도가 낮은 공차를 완화화여 비용절감 검토를 진행할 수 있다.
맺음말
현업에서 조립 성능, 제품의 기능적 문제로 인한 품질 이슈가 적지 않은 빈도로 발생되고 있다. 이는 비용, 납기 등의 문제로 이어 지게 되며, 단순히 치수공차 항목을 작게 줄이는 것만으로는 제품의 품질이 쉽게 향상되거나 비용이 절감되지 않는다. 3차원 공차분석은 이와 같은 문제를 현실에 가까운 값으로 검토하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
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■ 문의: 김광수 매니저(kskim@tsne.co.kr)
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