로드 셀을 이용한 듀로미터 경도 교정장비의 측정시스템분석(MSA) 방법에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

고무 및 플라스틱과 같은 탄성체 재료는 다양한 산업에서 중요한 역할을 하며, 이들의 경도는 품질 관리에서 중요한 지표로 활용된다. 고무 제품의 경도는 내구성, 성능, 안전성과 직결되므로 정확한 경도 측정이 필수적이다. 이를 위해 듀로미터 경도시험기가 사용되며, 정확한 경도 측정을 위해서는 정밀한 교정 시스템이 필요하다. 본 연구는 이러한 요구에 대응하여, 로드 셀 기반의 듀로미터 경도시험기를 설계하고, 그 성능을 분석하여 신뢰성과 정확성을 평가하고자 하였다. 기존 듀로미터 경도시험기 교정 방법은 주로 분동을 사용하는 방식으로, 소급성 확보가 어렵고 교정 절차가 복잡하여 산 업 현장에서 한계를 보였다. 또한, 여러 측정자가 동일 시료를 측정할 때 일 관되지 않은 결과가 도출되어 품질 관리에 어려움을 초래했다. 이러한 변동 성은 경도 측정의 신뢰성을 저하시켜, 고무 및 플라스틱 재료의 경도를 측 정할 때 더 큰 문제로 나타났다. 이를 해결하기 위해 기존 교정 시스템의 개선이 필요하다.
본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 로드 셀 기반의 새로운 듀로미터 경도시험기를 설계하고 개발하였으며, 이를 통해 측정 시스템의 변동성을 종합적으로 분석하였다. 로드 셀은 힘을 정밀하게 측정할 수 있는 센서로, 이를 듀로미터 경도시험기에 통합함으로써 교정 절차를 간소화하고 측정의 신뢰성을 높이는 것이 가능하다. 기존의 분동 방식을 대체하여, 더 간단하고 정확한 측정을 가능하게 하며, 작업자의 기술 수준에 크게 의존하지 않는 시스템을 구축하는 것이 본 연구의 목표였다. 또한, 본 연구는 실험적으로 A-TYPE 듀로미터를 사용하여 눈금값 40 HDA와 80 HDA 구간에서 측정 시스템의 성능을 검증하였다. 이 구간은 고무 및 탄성체 재료의 일반적인 경도 범위로, 이들을 통해 경도 측정의 반복성, 재현성, 그리고 신뢰성을 평 가할 수 있다. 분석 결과, 눈금값 40 HDA 구간에서 측정 시스템의 변동성 은 전체 변동 중 0.59 %를 차지하며, 매우 낮은 변동성을 보였다. 이는 시 스템이 높은 정밀도를 갖추었음을 시사하며, 부품 간 차이를 정확하게 구별 할 수 있음을 확인하였다. 그러나 측정자 간의 유의미한 차이가 존재하여 측정 시스템의 전반적인 양호성에는 일부 한계가 있음을 보여주었다. 반면, 눈금값 80 HDA 구간에서는 측정 시스템의 변동성이 3.93 %로 나타났으 며, 시료 간 차이가 유의미하게 드러나 측정자 간 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 이는 로드 셀 기반의 교정 시스템이 부품 간의 차이를 효과적으로 변별할 수 있음을 시사하며, 신뢰할 수 있는 경도 측정 장비로 평가된다. 로 드 셀 기반의 듀로미터 경도시험기는 기존 방식보다 신뢰성과 정확성을 높 였으며, 교정 절차가 간소화되어 작업자의 숙련도에 따른 차이를 줄일 수 있다. 이를 통해 산업 현장에서 더욱 효율적인 품질 관리가 가능하며, 다양 한 산업 분야에서 표준화된 교정 장비로 활용될 수 있다. 본 연구는 또한 듀로미터 교정 장비의 발전과 표준화된 절차 개발에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rubber and plastic materials, such as elastomers, play an important role in various industries, and their hardness serves as a key indicator in quality control. The hardness of rubber products is directly linked to durability, performance, and safety, making accurate hardness measurement essential. For this purpose, durometer hardness testers are commonly used, and precise calibration systems are required to ensure reliable measurements. This study responds to such industrial demands by designing a durometer hardness tester based on a load cell, aiming to evaluate its performance in terms of reliability and accuracy. Traditional durometer hardness calibration methods typically rely on using weights, which present difficulties in ensuring traceability and involve complex calibration procedures, limiting their practical application in industrial settings. Additionally, inconsistent results often arise when different operators measure the same specimen, creating challenges in quality control. This variability undermines the reliability of hardness measurements, particularly when measuring the hardness of rubber and plastic materials. Therefore, improving the existing calibration system is necessary to address these issues.
This study aimed to address the issues by designing and developing a new durometer hardness tester based on a load cell, and comprehensively analyzing the variability of the measurement system. The load cell is a sensor that can accurately measure force, and by integrating it into the durometer hardness tester, it is possible to simplify the calibration process and improve the reliability of the measurements. By replacing the traditional weight-based method, this system enables simpler and more accurate measurements, reducing dependency on the operator's skill level. Additionally, the study experimentally validated the performance of the measurement system using an A-TYPE durometer at the 40 HDA and 80 HDA scales. These scales represent common hardness ranges for rubber and elastomer materials, allowing an evaluation of the repeatability, reproducibility, and reliability of the measurements. The analysis showed that at the 40 HDA scale, the measurement system’s variability accounted for 0.59 % of the total variation, indicating very low variability and high precision in distinguishing between different components. However, there were significant differences between operators, highlighting some limitations in the overall system performance. On the other hand, at the 80 HDA scale, the system's variability was 3.93 %, with no significant differences between operators, indicating that the system could effectively distinguish between samples and was a reliable hardness measurement tool. The load cell-based durometer hardness tester improves both reliability and accuracy compared to traditional methods, and the simplified calibration process reduces discrepancies caused by operator proficiency. This allows for more efficient quality control in industrial settings and facilitates the use of standardized calibration equipment across various industries. Additionally, this study provides a foundation for the development of standardized calibration procedures and the advancement of durometer calibration equipment.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 선행 연구 3
• 1.2.1 선행 교정방법 3
• 1.2.2 선행 교정방법의 문제점 및 개선방향 7
• 1.3 연구동기 및 차별성 8
• 1.3.1 연구목적 8
• 1.3.2 연구대상 및 범위 9
• Ⅱ. 문헌연구 12
• 2.1 듀로미터 경도시험기(Durometer Hardness) 12
• 2.2 측정시스템 분석(Measurement System Analysis, MSA) 15
• Ⅲ. 연구내용 및 방법 19
• 3.1 로드 셀을 이용한 듀로미터 경도교정기 설계 및 제작 19
• 3.1.1 설계 과정 20
• 3.1.2 제작 과정 22
• 3.1.3 측정시스템분석(MSA) 23
• 3.2 측정시스템분석(MSA) 24
• 3.2.1 표준시료 선정 24
• 3.2.2 측정시스템분석(MSA)의 용어의 정의 및 평가항목과 단계별
• 절차 26
• Ⅳ. 연구결과 35
• 4.1 A-TYPE 경도시험기 40 HDA 구간 Gage R&R 분석 36
• 4.2 A-TYPE 경도시험기 80 HDA 구간 Gage R&R 분석 42
• 4.3 적용사례 48
• Ⅴ. 결 론 52
• 참고문헌 54
• Abstract 57