[독일] 수중에서 3D로 부품 측정

바다 속에서 가동되는 기름과 가스 용도의 컨베이 시스템에는 많은 중요한 수중 부품들이 장착되어 있다. 측정을 하는 것은 복잡하기 때문에 이들 부품들을 잘 유지하는 것은 정교하여 경비가 많이 든다. 프라운호퍼 실험실의 연구원들은 콤팩트한 3D 측정시스템을 개발하였으며 이들을 하노버 무역쇼에서 선보일 예정이다.  

 

예를 들어, 수중에서 기름 및 가스에 사용하기 위한 컨베이 시스템의 파이프, 플랜지 및 연결 부위들은 이들 목적을 위해 제일 먼저 측정되어야 한다. 측정은 예를 들면, 부식이나 혹은 다른 결점들에 의해 야기되는 손상의 정도를 바르게 평가하는데, 그리고 적절한 수선 중재를 시작하는데 적용된다. 예나(Jena)에 있는 프라운호퍼 응용광학 및 정밀 공학 실험실 IOF는 4월 13~17일에 하노버 전시회에서 수중 부품들을 측정하고 삼차원 데이터로 이러한 정보를 제공하는 시스템을 전시할 예정이다.

 

센서와 카메라 기술은 대략 신발 상자 크기이며 수중 카메라와 같이 잠수부들이 가지고 다닐 수 있다. 현재 40미터 이상의 물속에서 사용할 수 있게 디자인되어 있다. 프로토타입은 4h JENA 엔지니어링 GmbH와 노르웨이 연구소 Christian Michelsen Research (CMR) 기관 간의 국제 연구 프로젝트에 의해 만들어졌다. The Thuringia Landesentwicklungsgesellschaft (state development company)는 기획자로서 IOF의 과학자인 Peter Kühmstedt 박사는 “다음 단계로서 우리는 보다 깊고 보다 넓은 수중에서 적용할 수 있는 삼차원 측정 시스템을 최적화하기를 원한다”고 말한다.

 

프로젝트 수행 동안에 IOF는 수중에서 사용하기에 적절한 삼차원 측정 기술을 개발하는 책임을 맡았다. 과학자들은 매우 한정된 공간에서 컴퓨터 및 디스플레이 기술뿐만 아니라 전체적인 조절 시스템과 전자장비들을 수용할 수 있었다. “시스템은 20세제곱미터 미만이고 무게는 11킬로그램보다 가볍다”고 Kühmstedt는 말한다. 복잡한 기술에도 불구하고 잠수부들의 움직임이 물과 장비에 의해 제한되기 때문에 가동하기는 쉬워야만 한다. 연구원들은 이러한 점을 보장할 수 있는 시스템의 소프트웨어를 가동하고 제시하였다. 단지 몇 개의 단추를 눌러 앞으로 나가고 물속의 온도는 깊이와 해류에 의해 크게 변동이 될 수 있기 때문에 항상 장비가 기계적으로 그리고 열적으로 안정될 수 있도록 온도는 계속하여 모니터링된다. 빛의 조건들도 육상에서와 다르다. 장비와 물 사이의 간섭에 의해 광학 굴절이 있다. 측정을 위한 특별한 검증 전략으로 이를 보상해야 한다. 또한 더한 결점으로는 물 속에서 모든 것이 라디오가 아닌 전선을 따라 가동되기 때문에 과학자들은 매우 콤팩트한 방법으로 전선들을 디자인해야만 한다.

 

“물속에서 장비들을 가동할 때는 10배 더 비용이 많이 든다. 이는 에너지, 원재료 수송 회사들이 이들 시스템을 물속에서 잘 유지하기 위해 큰 비용이 든다는 것을 의미한다. 문제는 현재 부품들을 측정하는데 있어 가능한 기술들이 너무 느리거나 혹은 실제적인 응용과는 거리가 너무 있다는 점이다. 이는 우리가 산업체와 같이 이 프로토타입을 개발한 이유”라고 Kühmstedt는 말한다. 4h JENA 엔지니어링은 하우징과 시스템의 피복을 그리고 CMR은 부가적인 센서를 통합하는 부분을 담당하였다. 3D 측정 시스템은 프로젝터에 의해 시험되는 부품의 표면에 몇 가지 줄무늬가 있는 패턴을 성공적으로 묘사하였으며 동시에 물체의 사진들을 두 대의 카메라로 촬영하였다.

 

일련의 스테레오 사진들과 표면에 보여진 활성 패턴 구조를 기반으로 기술은 물체의 형태를 정확하게 결정할 수 있다. 잠수부는 3D 스캔을 단지 0.2초 내에 수행할 수 있고 이들을 사용할 수 있는지를 수중에서 조사할 수 있다. 일단 육상이나 배로 돌아오면 잠수부는 이들 데이터를 컴퓨터를 사용하여 정보를 평가하고 가능한 수전 측정을 제안하게 된다. “예를 들면, 녹이 너무 깊게 쌓였는지 혹은 파이프 내의 결점이 문제를 일으킬지 아닐지를 결정할 수 있다”고 Kühmstedt는 말한다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 20일] 

 

Conveying systems for oil and gas, operated in the sea have many important underwater components. The maintenance of such components is elaborate and expensive, as measuring them is complicated. Fraunhofer researchers are presenting a compact 3D measurement system at the trade fair in Hannover.

The maintenance of underwater technical systems is elaborate and expensive. Pipes, flanges and connections of conveying systems for oil and gas at sea, for example, must first be measured for this purpose.  The measurements serve to correctly assess the extent of damage – caused by corrosion, for instance, or by other defects – and to initiate suitable repair interventions. The Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF in Jena is presenting a system at the Hannover trade fair from April 13 to 17 (Hall 13, Booth E26), which measures underwater components and provides this information as 3D data. The sensor and camera technology has approximately the size of a shoe box and can be held by a diver just like an underwater camera. It is currently designed for use at a water depth up to 40 meters. The prototype was created within an international research project together with the 4h JENA engineering GmbH and the Norwegian Research Institute Christian Michelsen Research (CMR).

 

The Thuringia Landesentwicklungsgesellschaft (state development company) was the promoter. »In the next step we want to optimize the 3D measurement system for greater depths and broader underwater application fields«, says Dr. Peter Kühmstedt, scientist at the IOF.

 

 

During the project, the IOF was responsible for making 3D measurement technology suitable for underwater use. The highlight: The scientists managed to accommodate the entire control system and electronics as well as the computer and display technology in a very confined space: »The system is no larger than 20 cubic decimeters and weighs less than 11 kilograms«, says Kühmstedt. Despite its complex technology it must still be easy to operate, because divers are limited in their movements by the water and their equipment.

 

The researchers have adapted the operating and representation software of the system to guarantee this: Only a few buttons go outwards. The temperature is constantly monitored to keep the device mechanically and thermally stable, because under water, temperatures may fluctuate immensely depending on depth and sea current. Light conditions also differ from those on land: There are optical refractions at the interface between the device and the water. A special calibration strategy for the measurements compensates for that. A further drawback: In the water, everything runs via wires and not via radio – therefore the scientists have to design the cables in a very compact manner.

 

»Under water, things are ten times more expensive. It is a large cost aspect for energy and raw material conveying companies to have their systems maintained at sea. The problem: The technologies currently available for the measurement of components are either too slow or too far away from the actual application. This is why we have developed this prototype together with the industry«, says Kühmstedt. 4h JENA engineering was responsible for the development of the housing and the system cladding, and CMR for the integration of additional sensors.

 

 The 3D measurement system successively depicts several striped patterns onto the surface of the component to be examined by means of a projector, while at the same time taking pictures of the object are taken with two cameras. Based on the series of stereo photos taken and on the active pattern structure seen on the surface, the technology is able to exactly determine the shape of the object. The diver needs 0.2 seconds for each 3D scan and can check under water whether they are usable. Once back on land or on the ship, he can then load the data to a computer, which evaluates the information and makes suggestions for possible repair measures. »For example it can be decided whether the rust has corroded too deeply or if the defect in the pipe presents a problem or not«, says Kühmstedt.