1984년 뇌샤텔에서 설립된 Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique(CSEM – www.csem.ch)는 현재 세계적으로 인정받고 있는 스위스 최고의 연구·개발 기관 중 하나로서, 정밀 제조, 첨단 마이크로일렉트로닉스, 마이크로기술 및 디지털화를 전문으로 합니다. 해당 연구소는 새로운 개념의 제품, 그리고 건강, 농업, 에너지, 항공우주, 자동차, 전자, 공작기계 등 다양한 분야의 회사들을 위한 자체 제조 솔루션을 설계, 생산, 조립 및 테스트하는 비영리 민간 조직으로서, CSEM의 초석이 되었던 현지의 강력한 시계 제조 산업을 지원하는 역할도 합니다.
400명 이상의 전문가가 고용되어 있으며, 그 중 한 명인 라이오넬 키너(Lionel Kiener) 씨는 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄, 청동 및 구리를 포함한 광범위한 금속 재료를 파우더 베드에서 레이저 결합을 통해 한 층씩 레이어를 쌓아가며 적층 제조(AM) 방식으로 제조한 부품의 정확성을 검증하는 데 어려움을 겪고 있었습니다. 2D 광학 계측 방식으로는 3D 공간에서 구성품의 자유형상 표면의 정확도를 검사하기가 무척 까다로웠습니다. 제작 중인 구조물에 레이저가 뿜어낸 열로 인해 얼마나 많은 뒤틀림이 발생했는지 확인하고 구성품이 앞으로 완성될 모습을 정확하게 예측하는 것은 불가능에 가까운 일이었습니다. 이는 그 작동 원리상 구성 부품의 탄성 변형이 제공하는 유연성에 의존해야 하는 준수 메커니즘(compliant mechanism)에서 특히 문제가 되었습니다. 최종 3D 지오메트리와 치수가 도면의 공차 내에 있어야 하며 거기서 벗어나면 작동하지 않기 때문입니다. 키너 씨는 이렇게 말합니다. “기존에 운용하던 2D 측정 시스템을 사용할 경우 3D 형상이 설계 공차를 충족하는지 여부를 모르기 때문에 어려움이 있었습니다. 그래서 구성품의 전반적인 정밀도를 평가할 수 없었고 배치 간의 재현성이나 한 부품과 다음 부품 간의 재현성도 평가할 수 없었죠.” 복잡한 3D 부품의 계측 방법에 대한 이러한 지식을 얻기 위해 CSEM은 표면의 형상을 합리적인 정확도로 측정할 수 있어야 했습니다.
니콘 메트롤로지(www. nikonmetrology.com)는 7축 MCAx 관절 암에 장착된 ModelMaker H120 비접촉식 레이저 스캐너를 사용하면 이를 달성할 수 있다고 조언했습니다. 연구소는 이것이 가능한지 확인하기 위해 여러 시제품을 공급업체에 보냈고, 그 이후 Focus Inspection 소프트웨어와 함께 장비를 구입하여 각 스캔에서 수집된 포인트 클라우드 데이터와 AM 부품의 공칭 CAD 모델 또는 제작 공정 시뮬레이션 사이에서 비교를 수행했습니다. Focus Inspection은 간단한 설정을 통해 분석 및 보고는 물론 정렬, 필터링 및 메싱 작업까지도 자동으로 실행할 수 있습니다. 이 소프트웨어를 사용하면 제조 정보를 CAD 파일에서 직접 읽어올 수 있으므로 포인트 클라우드에서 형상을 검색하고 해당 공차를 평가하는 것이 가능해지고, 오류에 취약하고 작업 시간이 긴 치수 및 공차의 수동 입력 과정이 필요 없습니다. 티치인 방식으로 검사 프로그램을 작성하는 데는 전문 기술이 필요하지 않습니다. 
동일한 파우더 베드 제작 공정에서 생성된 메커니즘 한 쌍의 스캔 이미지. CAD 모델과 대비 시와 두 모델 간의 표면 변화는 색상별로 분포되어 표시되고 있습니다.
키너 씨는 이렇게 덧붙입니다. “우리가 니콘 메트롤로지 솔루션을 선택한 것은 결과에서 확인되는 뛰어난 품질 때문입니다. 35μm까지 내려가는 스캐너 장비의 포인트 분해능은 적층 제조 부품과 관련된 대부분의 응용 분야를 소화할 수 있는 정확성을 제공했죠. 더 높은 정밀도가 필요한 경우에는 간섭계와 같은 다른 방법도 사용할 수 있습니다. “게다가 ModelMaker H120은 프레임 속도가 높고 각 스캔 라인의 모든 지점에서 레이저 강도를 자동으로 최적화해주므로, 오랜 시간이 걸리는 표면 준비작업 없이도 반짝이는 광택성 부품까지 측정이 가능합니다.”
AM 과정에서 그리고 열처리 공정과 그 이후의 금속 절단 공정에 의해 발생하는 뒤틀림을 정확하게 정량화하는 기능은 CSEM가 측정하려는 구성품의 정밀도를 검증하는 디지털화된 엔드 투 엔드 계측 솔루션을 제공합니다. 또한 배치 단위로 여러 부품들을 서로 비교하고 공차를 벗어난 결과를 평균화하는 것이 가능하므로, AM 기계 제어장치에 오프셋을 피드백하여 제조 공정을 개선할 수 있습니다. 제조 공정이 개선되면 완성된 유연 메커니즘의 성능이 향상되고 작동 수명 역시 연장되는 효과가 있습니다. 키너 씨에 따르면, 니콘 메트롤로지가 새로운 검사 장비의 사용자를 위해 제공한 교육은 자세하고 매우 도움이 되었으며, 그는 이러한 지식이 특히 해당 시스템의 강력한 소프트웨어를 최대한 활용하는 데 있어 필수적인 요소라고 강조합니다. 키너 씨와 팀원들은 장비 사용을 시작한 지 며칠 만에 이를 능숙하게 사용할 수 있었습니다. 그는 또한 해당 레이저 스캐너가 최대 120mm의 시야각을 갖고 있어 스캔 라인당 2,000개 포인트에 이르는 넓은 영역에 걸쳐 데이터를 빠르고 상세하게 수집할 수 있으므로 더 큰 메커니즘의 검사도 가능하다고 설명합니다. 현재 검사되는 구성품은 최대 1.5미터에 달하지만, MCAx 암의 크기, 도달 범위 및 이동의 자유 덕분에 훨씬 큰 부품까지도 측정이 가능합니다. 그에 반해, 기존의 광학 기반 2D 품질 관리 장비는 이러한 대규모 작업을 소화하기에는 역부족입니다. 뇌샤텔의 다른 부서 동료들도 정렬을 테스트하고 시스템의 정밀도를 측정하는 용도로 레이저 스캐너를 활용할 수 있다는 것 역시 CSEM에게는 중요한 이점입니다.
