KR20200033299A - 충돌 및 천공 저항을 분석하기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

필름 샘플의 물리적 특성을 분석하기 위한 방법 및 시스템이 본원에서 설명된다. 상기 시스템은, 필름 샘플을 홀딩하도록 구성된 재료 홀더(holder) 시스템; 필름 샘플의 물리적 특성을 테스트하도록 구성된 다트 테스팅 시스템; 및 분석되거나 또는 테스트될 홀딩된 필름 샘플을 스테이션들 사이에서 움직이도록 구성된 이동 시스템을 포함한다. 이동 시스템은 재료 홀더 시스템 내의 홀딩된 필름 샘플을 다트 테스팅 시스템을 향해 움직이도록 구성된다.

Description

충돌 및 천공 저항을 분석하기 위한 시스템

본 발명은 재료의 필름 또는 시트의 충돌(impact) 및 천공(puncture) 저항을 분석하기 위한 시스템 및 프로세스에 관한 것이다.

재료들의 물리적 속성들을 특징짓는 것은 재료들의 생산에서 이용되는 화학 제형들을 분석하고 개선하는 것뿐만 아니라 재료들의 제조의 프로세스들을 분석하고 개선하는 것에 유용하다. 물리적 속성들을 특징짓는 것은 또한 소비자들이 그들의 특정 사용 케이스에 대한 최상의 제품을 결정하는 것을 도울 수 있을 뿐만 아니라, 개발자들이 특정 애플리케이션들에 대한 신규한 해법들을 개발하는 것을 도울 수 있다. 재료의 유용한 물리적 속성들 중 하나는 재료의 천공 특성들을 결정하는 것이다. 다트(dart) 테스트는 과학자들에게 재료의 고속 천공 특성들에 대한 통찰을 제공한다. 다트 테스트는 일반적으로, 특정 속력(speed)으로 이동하는 특정 치수들의 둥근 원통형 프로브로 얇은 필름을 뚫고 얇은 필름 상에 프로브에 의해 가해지는 힘을 측정하는 것을 수반한다.

현재, 필름들에 대한 다트 테스트는 2가지 방식들: 수동 드롭-다트(drop-dart) 시스템 및 기구형 다트 시스템으로 수행된다. 2가지 경우들 모두에 있어서, 시스템은 테스트될 필름을 향해 다트 프로브를 가속하기 위해 중력에 의존한다. 필름은 클램핑 메커니즘들을 이용하여 제 위치에 팽팽하게 홀딩된다. 드롭 다트(drop dart; DD)는 필름 상에 알려진 질량/중량을 떨어트리는 것을 수반한다. 운영자는 필름이 천공되었는지 여부를 관찰한다. 이러한 테스트는 필름의 다수의 복제들에 대하여 상이한 질량들/중량들을 가지고 다수 회 반복될 수 있다. 결과적이 필름 속성들(일반적으로 단지 전체 에너지)이 결과들로부터 추정된다. 그러나, 이러한 시스템은 사용하기 번거로우며, 자동화된 동작을 위해 적절하지 않고, 필름에 가해지는 힘 커브의 성질의 상세한 이해를 제공하지 않는다.

기구형 다트 충돌 시스템(instrumented dart impact system; IDI)은 필름을 천공하기 위해 사용되는 다트 프로브 상에 힘 센서를 통합함으로써 단일 테스트로부터 더 풍부한 데이터를 획득하기에 더 적절하다. 이는 자동화된 다트 시스템들에 대한 최신형 기술이다. 그러나, 이러한 시스템을 이용하더라도, 필름들의 로딩 및 언로딩은 수동으로 수행된다. 이에 더하여, 이러한 시스템은 제한된 양의 수집된 데이터를 제공한다.

따라서, 재료의 필름의 충돌 및/또는 천공 저항을 분석하기 위한 자동화된 프로세스 및 시스템에 대한 필요성이 남아 있다.

본 개시에 따른 충돌 및/또는 천공 저항을 분석하기 위한 시스템 및 방법을 사용함으로써, 프로세스가 자동화되고, 스루풋(throughput)이 증가되며, 테스트로부터 수집되는 데이터의 양이 개선된다는 것을 결정되었다.

본 개시의 일 측면은 필름 샘플의 물리적 특성을 분석하기 위한 시스템을 제공하는 것이다. 시스템은, 필름 샘플을 홀딩하도록 구성된 재료 홀더(holder) 시스템; 필름 샘플의 물리적 특성을 테스트하도록 구성된 다트 테스팅 시스템; 및 스테이션들 사이에서 분석되거나 또는 테스트될 홀딩된 필름 샘플을 움직이도록 구성된 이동 시스템을 포함한다. 이동 시스템은 재료 홀더 시스템 내의 홀딩된 필름 샘플을 다트 테스팅 시스템을 향해 움직이도록 구성된다.

본 개시의 다른 측면은 필름 샘플의 물리적 특성을 분석하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 방법은, 이동 시스템에 연결된 재료 홀더 시스템에 의해 필름 샘플을 홀딩하는 단계; 이동 시스템에 의해 필름 샘플을 다트 테스팅 시스템으로 움직이는 단계; 및 다트 테스팅 시스템을 사용하여 재료의 필름의 물리적 특성을 테스트하는 단계를 포함한다.

본 개시뿐만 아니라, 동작의 방법들 및 구조체의 관련된 엘리먼트들의 기능들 및 제조의 부분들 및 경제의 조합이 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 설명 및 첨부된 청구항들을 고려할 때 더 용이하게 명백해질 것이며, 도면들의 전부가 본 명세서의 부분을 형성하고, 여기에서 동일한 참조 번호들이 다양한 도면들에서 대응하는 부분들을 나타낸다. 그러나, 도면들은 단지 예시 및 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 한계들의 정의로서 의도되지 않는다는 것이 명백히 이해되어야 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇 시스템의 3차원 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 재료 홀더 시스템의 3차원 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 두께 측정 시스템의 컴포넌트들의 3차원 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 필름 샘플 내의 결함들을 분석하기 위한 재료 이미지 분석기 시스템의 3차원 사시도를 도시한다.
도 6a는 본 개시의 일 실시예에 따른 클램핑 시스템의 3차원 사시도이다.
도 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 클램핑 시스템의 절개도를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시예에 따른 클램프 어셈블리에 의해 클램핑된 필름 샘플의 비디오의 초기 및 최종 프레임들을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른, 다트가 막 필름 샘플에 충돌할 때(도 8a)의 및 필름 샘플이 최대로 스트레칭된(천공되기 바로 전의) 때(도 8b)의 필름 샘플로부터의 프레임들을 도시한다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 다트 프로브 메커니즘의 3차원 사시도를 도시한다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 다트 프로브의 3차원 사시도를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 각기, 본 개시의 일 실시예에 따른, 다트 프로브가 필름 샘플과 접촉하기 직전의 그리고 다트 프로브가 필름 샘플과 접촉한 이후에 필름이 천공되기 직전에 최대로 스트레칭된, 클램프에 의해 클램핑된 필름 샘플의 측면도들을 도시한다.
도 12a는 일 실시예에 따른, 프로브의 움직임의 시작으로부터 프로브의 완전한 정지까지의 시간(들) 대 프로브 상에 가해진 힘(N)의 플롯(plot)이다.
도 12b는 본 개시의 일 실시예에 따른, 필름 샘플과의 충돌 지점으로부터 필름 샘플의 천공의 완료까지의 시간(들) 대 프로브 상에 가해진 힘(N)의 플롯이다.
도 13a 및 도 13b는 본 개시의 일 실시예에 따른 힘(N) 대 변위(m)의 플롯들을 도시한다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 재료 홀더 시스템을 사용하여 필름 샘플을 픽 업하는 로봇 시스템을 도시한다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 재료 두께 측정 시스템을 사용하여 샘플의 두께를 측정하는 것을 도시한다.
도 16은 본 개시의 일 실시예에 따른 재료 이미지 분석기 시스템을 사용하여 결함 분석을 수행하는 것을 도시한다.
도 17a는 본 개시의 일 실시예에 따른 다트 테스팅 시스템으로부터 테스트된 필름 샘플을 픽 업하는 로봇 시스템을 도시한다.
도 17b는 본 개시의 일 실시예에 따른 다트 테스팅 시스템 내에 새로운 테스트되지 않은 필름 샘플을 위치시키는 로봇 시스템을 도시한다.
도 18은 테스트된 필름 샘플을 배치하는 로봇 시스템을 도시한다.

본 개시의 실시예들에 따르면, 재료의 얇은 필름의 충돌 및 천공 저항을 테스트하는 프로세스가 자동화된다. 자동화된 다트 테스팅 시스템들에 대한 아이디어는 다양한 산업 분야들에서의 고 스루풋(high throughput; HTP) 테스팅에 대한 필요성으로부터 기인한다. 많은 양의 재료들을 테스트하는 더 높은 레이트(rate) 및 상대적으로 빠르게 수집되고 경항들에 대하여 분석될 수 있는 데이터를 획득하는 것은 더 상세한 연구들이 관심이 있는 영역들 상에 수행되는 것을 가능하게 한다. HTP 테스팅 셋업의 개시 시에 요구되는 하나의 특징은 연속적인(또는 거의 연속적인) 동작이다. 시스템들이 중단 없이 작동하는 것을 가능하게 함으로써, 수행되는 테스팅의 양이 증가된다. 시스템은 또한 수동 테스팅 시스템들에 비하여 단일 테스트의 속력을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이는, 로봇들이 중단 없이 더 긴 시간 기간 동안 작동할 수 있기 때문에, 인간 연구자들 또는 운영자들을 대신하기 위해 로봇 공학들을 사용하여 달성된다. 정확성을 희생하지 않고 시스템의 스루풋을 증가시키기 위하여 사용될 수 있는 제 2 특징은 병렬로 다수의 테스트들을 수행하는 것이다. 제 3 특징은, 인간-기반 테스팅 시스템들에 비하여 시스템이 반복가능하고 일정하다는 것이다. 본 개시의 실시예들은 테스트되는 샘플들의 수를 크게 증가시킬 수 있는 테스팅 셋업을 제공하기 위하여 이러한 특징들을 이용한다.

블로운(blown) 필름 제조 라인과 통합되는 것에 더하여, 얇은 필름들의 충돌 및 천공 저항을 분석하기 위한 본 시스템이 또한 기존의 블로운 필름 연구소(lab)들 내에 통합될 수 있다. 테스트들을 자동으로 그리고 상대적으로 빠르게 수행할 수 있음으로써, 연구소들은 본 시스템을 사용하여 테스트들의 그들의 백로그(backlog)를 치울 수 있을 것이다.

추가로, 본 시스템은 폴리머 필름들(예를 들어, 플라스틱) 및 비-폴리머 필름들을 포함하는 다양한 재료의 필름들을 테스트하는 것을 가능하게 한다. 이에 더하여, 본 시스템은 1 mm 또는 그 이상에 이르는 두께를 갖는 기판들을 포함하는 다양한 두께들의 필름들 또는 기판들을 테스트하기 위해 사용될 수 있다. 기판들은, 예를 들어, 폴리머 플라크(plaque)들, 금속 시트들, 종이 시트들, 또는 다른 복합 재료들일 수 있다. 따라서, 용어들 "필름", "필름 샘플", 또는 "재료의 필름"은 본원에서 다양한 유형들의 재료들(예를 들어, 플라스틱, 종이, 금속, 또는 복합물들) 및 다양한 두께들의 재료들을 포괄하기 위해 사용된다. 일 예에 있어서, 시스템은, 주입 몰딩 및 다른 플라스틱-형성 수단을 통해 형성된 것들과 같은 다른 제조된 재료들을 테스트하는 것을 가능하게 한다.

다음의 단락들로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 시스템은 효율적인 방식으로 임무들의 세트를 달성한다. 임무들은, 필름 샘플의 두께를 측정하는 것; 분석에 영향을 줄 측정 영역 내의 결함들에 대하여 필름을 시각적으로 분석하는 것; 충돌 하에서 필름의 강도 및 에너지 소산(dissipation)을 측정하는 것; 필름 샘플을 테스팅 스테이션으로 로딩하고, 필름을 테스트하는 것; 및 테스트된 필름을 테스팅 스테이션으로부터 제거하는 것을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 시스템은, ASTM F1306에 의해 설명되는 위치에서 필름의 두께를 측정하는 것; 카메라 및 기계 비젼(vision) 분석 기술들을 사용하여 다트 충돌 측정 영역 내의 결함들에 대하여 필름을 분석하는 것; 일관된 로딩을 위하여 필름들의 분리를 보장하는 시스템을 사용하여 테스팅 스테이션 내로 필름을 로딩하는 것; 필름 샘플의 다트 충돌 분석을 수행하는 것; 및 결과들의 자동화된 계산을 수행하는 것을 가능하게 한다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 시스템의 개략도를 도시한다. 본 개시의 일 실시예에 있어서, 충돌 및 천공 저항을 분석하기 위한 시스템(10)은 로봇 시스템(12), 재료 홀더 시스템(14), 재료 두께 측정 시스템(16), 재료 이미지 분석기 시스템(18) 및 다트 테스팅 시스템(20) 중 하나 이상을 포함한다. 로봇 시스템(12), 재료 홀더 시스템(14), 재료 두께 측정 시스템(16), 재료 이미지 분석기 시스템(18) 및 다트 테스팅 시스템(20)은 작업 표면(22) 또는 공통 프레임워크 상에 위치될 수 있다. 로봇 시스템(12), 재료 홀더 시스템(14), 재료 두께 측정 시스템(16), 재료 이미지 분석기 시스템(18) 및 다트 테스팅 시스템(20)은 컴퓨터 시스템(24)을 사용하여 제어될 수 있다. 전달 시스템이 또한 제공될 수 있다. 전달 시스템은 작업 표면으로 샘플들을 전달하는 하나 이상의 트레이들을 포함할 수 있으며, 여기에서 로봇 시스템(12) 및 재료 홀더 시스템(14)은 하나 이상의 트레이들로부터 필름 샘플을 회수(retrieve)할 수 있다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇 시스템(12)의 3차원 사시도이다. 일 실시예에 있어서, 로봇 시스템(12)은 Epson 사에 의해 만들어진 Epson C4L 로봇과 같은 6-축 로봇 암(arm) 시스템이다. 실시예들에 따르면, Epson C4L 로봇 시스템은 900 mm(~35”)의 최대 리치를 갖는다. 로봇 시스템(12)은, 작업 표면(22) 또는 공통 프레임워크 상에 제공된 스테이션들 사이에서 분석되거나 또는 테스트될 필름 샘플들을 움직이도록 구성된다. 예를 들어, 로봇 시스템은 도 3과 관련하여 이하에서 설명되는 바와 같은 재료 홀더 시스템에 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 로봇 암 이외의 다른 유형의 로봇 시스템이, 작업 표면(22) 상에 제공된 스테이션들 사이에서 필름 샘플들을 움직이기 위해 사용될 수 있다.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 재료 홀더 시스템의 3차원 사시도이다. 재료 홀더 시스템(14)은 도 2에 도시된 로봇 시스템(12)의 일 단부에 연결된다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 재료 홀더 시스템(14)은 체결구들을 사용하여 로봇 시스템(12)의 암에 부착된다. 재료 홀더 시스템(14)은 필름 샘플을 홀딩하고 움직이도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 재료 홀더 시스템은 진공 흡입을 통해 필름 샘플을 홀딩하도록 적응된 진공 흡입 시스템(30)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 진공 흡입 시스템(30)은 필름 처짐(sag)을 방지하기 위해 필름의 각각의 코너 상에서 필름 샘플을 실질적으로 평평하게 홀딩하도록 구성된 흡입 컵들(32)의 2개의 쌍들을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 진공 흡입 시스템은, 이를 가지고 필름 샘플들이 작업 표면 주위로 이동되는 효율을 증가시키기 위하여 흡입 컵들(34)의 제 3 쌍을 더 포함한다. 예를 들어, 흡입 컵들(34)의 제 3 쌍을 제공함으로써, 새로운 필름 샘플(38)이 테스트를 위하여 위치되는 동안 이전에 테스트된 필름 샘플(36)이 동시에 픽 업될 수 있다.

흡입 컵들이 필름 샘플을 홀딩하기 위해 사용되는 것으로서 본원에서 설명되지만, 다른 메커니즘들 또는 시스템들이 또한 재료의 유형에 따라 필름 샘플을 홀딩하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 흡입 컵들은 다양한 플라스틱들 및 폴리머 재료들과 같은 무공성 및 상대적으로 가벼운 샘플들을 홀딩하기에 적절할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 다공성 재료가 사용되는 경우, 흡입 컵들은 자석들, 클립들, 또는 어떤 다른 유형의 그리핑(gripping) 메커니즘과 같은 다른 홀딩 메커니즘들에 의해 교체될 수 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 두께 측정 시스템의 컴포넌트들의 3차원 사시도이다. 두께 측정 시스템(16)은, 예를 들어, 0.5 밀(mil)(12.7 마이크로미터) 내지 10 밀(250 마이크로미터) 사이의 두께들의 넓은 범위 내의 필름 샘플의 두께를 측정하도록 구성된다. 두께 측정 시스템(16)은 접촉 플레이트(40) 및 프로브(41)를 사용하여 필름의 두께를 측정하도록 구성된다. 접촉 플레이트(40) 및 프로브(41)는 전반적으로 평평하고 그것의 대향되는 표면들 상에서 필름과 접촉하며, 필름의 두께는 접촉 플레이트(40)와 프로브(41) 사이의 거리로서 측정된다. 접촉 플레이트(40) 및 프로브(41) 둘 모두의 표면은 측정 동안 필름 샘플의 천공을 회피하기에 충분하다. 접촉 플레이트(40)와 프로브(41)는 두께 게이지의 힘을 분산시키고 측정 동안 필름 샘플이 변형되는 것을 방지하는 이점을 갖는다. 예를 들어, 접촉 플레이트(40) 및 프로브(41)는, 가요성이고 유연한 재료들에 대하여 또는 더 강성의 샘플들에 대하여 사용되도록 구성될 수 있다.

두께 측정 시스템(16)은 또한 고-정확 디지털 접촉 센서(44)(예를 들어, Keyence 사로부터의 Keyence GT2 시리즈들)를 포함한다. 센서(44)는 1 마이크론(0.04 밀)의 정확도까지 필름 샘플의 두께를 측정하기 위해 사용된다. 센서(44)는 그것의 정확도에 대해 선택된다. 프로브(41)는 센서(44)에 기계적으로 링크된다. 두께 측정 시스템(16)은 또한, 필름 샘플(미도시)이 센서(44)의 상단 또는 하단 접촉부들 상에 캐치(catch)되지 않도록 배열된 램프(ramp)(42)를 포함한다. 일단 필름이 접촉 플레이트(40)와 프로브(41) 사이에서 제 위치에 있게 되면, 공기압(air-pressure) 시스템(46)으로부터의 가압된 공기가 센서(44)에 인가되어 센서(44)에 링크된 샤프트(45)를 연장시키고 프로브(41)에 인가되어 필름의 두께를 측정하기 위해 프로브(41)를 움직인다.

기계적 유형의 두께 측정 시스템(16)이 설명되고 사용되지만, 다른 유형의 두께 측정 시스템들이 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에 있어서, 두께 측정 시스템(16)은 레이저 빔들을 사용하여 두께를 결정하도록 적응된 레이저 거리 측정 센서들을 포함한다. 예를 들어, 듀얼 레이저 두께 분석기들이 필름 샘플의 두께를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 정전용량 측정 시스템들이 필름의 두께를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 정전용량(또는 일반적으로는 임피던스) 측정 시스템들은 재료에 걸쳐 커패시턴스(또는 임피던스)를 측정하는 것에 기초한다.

다시 도 1을 참조하면, 두께 측정 시스템(16)에서의 두께 측정 이전에 또는 이후에, 필름 샘플은 로봇 시스템(12)에 의해 재료 이미지 분석기 시스템(18)으로 이동된다. 도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 필름 샘플 내의 결함들을 분석하기 위한 재료 이미지 분석기 시스템의 3차원 사시도를 도시한다. 일 실시예에 있어서, 재료 이미지 분석기 시스템(18)은 편광의 원리에 기초한다. 용어 "결함(defect)"은 본원에서 필름 샘플 내의 임의의 불완전부(imperfection)들 또는 불규칙부들을 포함하도록 사용된다. 재료 이미지 분석기 시스템(18)은 테스트될 필름 샘플 내의 결함들을 검출하도록 구성된다. 편광의 소스(18A)는 임의의 주변 광을 제거하면서 분석기 시스템(18) 내의 필름을 조명하기 위해 사용된다. 광이 필름을 통과한 이후에, 이는 편광 필터가 장착된 카메라(18B)에 의해 캡처된다. 완전하게 형성된 필름은 소스로부터의 편광을 산란시키지 않으며 그에 따라 완전히 깨끗한 이미지를 야기한다. 그러나, 필름 내의 임의의 불완전부들/결함들은 카메라에 의해 검출되는 광을 산란시킨다. 그러면 기계 비전 알고리즘은 상당한 결함들을 갖는 필름들을 식별하고 태깅(tag)한다. 따라서, 재료 이미지 분석기 시스템(18)은, 필름 샘플을 통과하는 편광이 샘플 내에 존재하는 특정 물리적 결함들에 의해 영향을 받을 때 초래되는 결함들을 검출하는 것에 기초한다. 재료 이미지 분석기 시스템이 광의 편광에 의존하기 때문에, 테스트될 재료가 변화될 때, 편광이 또한 변화할 수 있으며, 이는, 결함이 존재하지 않는 곳에 존재할 결함을 잠재적으로 나타낼 것이다. 그러나, 분석 측면의 부분으로서, 결함 또는 불규칙부 분석은 데이터 해석으로 시프트(shift)되며, 필름으로부터의 결과들의 범위를 살펴보고 평균으로부터의 거리 및 표준 편차에 기초하여 이상점들을 식별함으로써 수행된다. 따라서, 결함들을 결정하는 본 방법은 재료와 독립적이며, 문제에 대한 더 범용적인 해법이다. 일 실시예에 있어서, 대안적으로, 재료 이미지 분석기 시스템(18)은, 결함들의 유형들을 수량화하고 식별하도록 구성된 겔(gel) 테스터를 포함할 수 있다. 겔 테스터들의 예들은 광학 제어 시스템(optical control system; OCS) 테스터들을 포함한다. 이상에서 설명된 것과는 다른 유형들의 재료 이미지 분석기 시스템들이 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학 광 투과율 분석기 시스템들 또는 초음파 결함 검출 시스템들이 필름 샘플 내의 결함들을 검출하기 위해 사용될 수 있다.

결함 분석 다음에, 필름 샘플은 로봇 시스템(12)에 의해 다트 테스팅 시스템(20)으로 이동된다. 다트 테스팅 시스템은 필름 샘플의 물리적 특성들을 테스트하도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 물리적 특성들은 필름 샘플의 탄성 및 강도를 포함한다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 다트 테스팅 시스템(20)은 필름 클램핑 시스템(60)을 포함한다. 도 6a는 본 개시의 일 실시예에 따른 클램핑 시스템(60)의 3차원 사시도이다. 도 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 클램핑 시스템(60)의 절개도를 도시한다. 필름 클램핑 시스템(60)은 테스트의 정확성을 보장하는데 일정한 역할을 한다. 클램핑 시스템(60)은 2개의 조(jaw)들(62A 및 62B)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 조들(62A 및 62B)은 원형이며, 즉, 원형 또는 환형 형상을 갖는다. 그러나, 조들(62A 및 62B)은 또한 다각형 형상과 같은 상이한 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 2개의 조들(62A 및 62B)은, 조들(62A, 62B)이 서로에 대하여 폐쇄될 때 서로 완전히 또는 부분적으로 메이팅(mate)하는 대응하는 표면 기하구조들을 포함한다. 예를 들어, 도 6b의 절개도에서 도시된 바와 같이, 상부 조(62A)에는 홈들(64A) 및 리지(ridge)들(65A)이 구비된다. 하부 조(62B)에는 매칭되는 홈들(64B) 및 리지들(65B)이 구비된다. 상부 조(62A) 내의 리지들(65A)은 하부 조(62B) 내의 홈들(64B)과 메이팅하도록 구성된다. 하부 조(62B) 내의 리지들(65B)은 상부 조(62A) 내의 홈들(64A)과 메이팅하도록 구성된다. 홈들(64A, 64B) 및 리지들(65A, 65B)은, 2개의 조들(62A, 62B)이 서로 상에서 폐쇄될 때 필름을 팽팽하게 당기도록 구성된다. 홈들(64A, 64B) 및 리지들(65A, 65B)은, 프로세스 중에 과도한 응력들이 필름 상에 인가되지 않도록 더 구성된다. 일 실시예에 있어서, 홈들 및 리지들은 원형이다. 일 실시예에 있어서, 리지의 폭은, 필름 샘플이 대향되는 리지들 및 홈들 사이에 캐치되지만 커팅되지는 않도록 하기에 충분한 공간을 제공하기 위하여 홈의 폭보다 약간 더 작다. 조들(62A 및 62B)은 홀(66)과 같은 중앙에 위치된 개구를 획정(define)한다. 일 실시예에 있어서, 중앙 홀(66)은 (ASTM 테스팅 표준에 의해 지정된) 3”(7.6 cm) 직경이다. 2개의 조들(62A 및 62B)은, 조들(62A, 62B)을 개방하고 폐쇄하도록 작동될 수 있는 (Schunk로부터 획득되는) 병렬 조 공압 그리퍼(68)에 의해 작동된다. 일 실시예에 있어서, 하단 조(62B)는, 필름 클램핑 시스템(60)이 개방되어 있는 동안 필름을 제 위치에 홀딩하는 (도 6a에 도시된) 4개의 흡입 컵들(63)을 포함한다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 것과는 다른 클램프들이 다트 테스트 동안 필름 샘플을 홀딩하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 10 psi(0.68 bar) 내지 50 psi(3.45 bar) 사이의 압력, 예를 들어, 15 psi(1.03 bar)의 압력이 그 사이에 필름 샘플을 홀딩하도록 2개의 조들(62A 및 62B)을 폐쇄하기 위해 병렬 조 공압 그리퍼(68)에 의해 인가된다. 그러나, 인가되는 압력이 필름 샘플을 전단하지 않는 다른 압력들이 제공되는 것이 가능하다.

클램프 어셈블리(60)의 기능은, (a) 클램프가 폐쇄될 때 필름 샘플이 팽팽하게 당겨지고 클램프에 기인하는 필름의 과도한 응력/스트레칭이 존재하지 않는 것 및 (b) 필름 샘플이 테스팅 프로세스 전체에 걸쳐 클램프 내에서 미끄러지지 않는 것을 보장하기 위해 테스트된다. 이러한 연구들에 대하여 정량적 데이터를 수집하는 것을 돕기 위해 고속 카메라 시스템이 사용된다.

필름을 팽팽하게 당기는 클램프 어셈블리(60)의 효능을 테스트하기 위해, 다양한 레벨들의 주름들 및 구김살들을 갖는 다수의 필름 샘플들이 상이한 테스트들에 대하여 클램프 내에 위치된다. 고속 비디오는, 이것이 필름 상에서 폐쇄될 때 클램프 어셈블리(60) 위로부터 캡처된다.

도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시예에 따른 클램프 어셈블리(60)에 의해 클램핑된 필름 샘플의 비디오의 초기 및 최종 프레임들을 도시한다. 도 7a에서 초기 프레임은 필름 내의 일부 주름들을 보여준다. 그러나, 클램프 시스템(60)의 폐쇄 시에, 도 7b에서의 최종 프레임은 필름이 팽팽하게 당겨진 것을 명백히 보여준다. 필름 샘플이 클램프 어셈블리(60) 내에 위치되기 이전에 필름 샘플 상에 동심원들이 그려졌다. 프레임들은 또한, 클램프 어셈블리(60)가 폐쇄될 때 원들의 형상이 심하게 변경되지 않는다는 것을 보여준다. 따라서, 클램프 어셈블리(60)는 이것을 팽팽하게 당기는 동안 필름 샘플에 부정적인 영향을 주지 않는다.

필름 샘플이 클램프 어셈블리(60)에 의해 고정된 이후에, 다트가 필름 샘플을 관통해 이동되며, 다시, 테스트의 고속 비디오가 캡처된다. 도 8a 및 도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른, 다트가 막 필름에 충돌할 때(도 8a)의 및 필름이 최대로 스트레칭된(천공되기 바로 전의) 때(도 8b)의 필름 샘플로부터의 프레임들을 도시한다. 도 8a 및 도 8b의 2개의 프레임 이미지들은 클램프 조들에 가장 가까운 필름 샘플의 에지들이 제 위치에 남아 있다는 것을 보여주며, 이는 필름 샘플이 클램프 어셈블리(60) 내에서 미끄러지지 않는다는 것을 나타낸다. 이상의 테스트들은 상대적으로 얇은(0.5 밀 또는 12.7 마이크로미터) 그리고 상대적으로 두꺼운(10 밀 또는 254 마이크로미터) 필름들에 대하여 수행되었으며, 2개의 경우들 모두에 있어서 결과들이 동일하였다.

도 9를 참조하면, 다트 테스팅 시스템 또는 디바이스(20)는 또한 다트 프로브 메커니즘(90)을 포함한다. 도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 다트 프로브 메커니즘(90)의 3차원 사시도를 도시한다. 다트 프로브 메커니즘(90)은 다트 프로브(92) 및 다트 프로브(92)를 움직이는 추진 시스템(94)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 추진 시스템(94)은 선형 모터(96)(예를 들어, LinMot USA 사로부터의 LinMot 선형 모터) 및 선형 모터(96)를 제어하기 위한 제어기(미도시)를 포함한다. 선형 모터(96)는, 지정된 모션 프로파일을 정확하게 따르면서 상대적으로 높은 가속 및 감속을 위해 구성된다. 일 실시예에 있어서, 선형 모터는 상대적으로 더 낮은 속력(0.04 m/s)으로부터 상대적으로 더 높은 속력(4 m/s)까지 다트 프로브의 목표 속력을 선택하거나 또는 변화시킬 뿐만 아니라 모션의 허용가능 범위 내에서 목표 속도(velocity)에 도달하면서 천공 저항 및 다트 충돌 테스트 동안 속도를 조절하기 위한 유연성을 제공한다. 추가로, 선형 모터는, 다트 프로브가 선형 모터에 링크되기 때문에 다트 프로브의 빠르고 용이한 회수의 이점을 제공한다. 제어기는 추정된 모터 파라미터들에 기초하여 피드-포워드 보상을 갖는 통상적인 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative; PID) 제어기를 사용할 수 있다. 명령어들이 컴퓨터 시스템(24)(도 1 참조)에 의해 제어기로 전송된다. 컴퓨터 시스템(24)은 제어기와 통신하며, 컴퓨터 시스템(24)은 선형 모터(96)를 제어하기 위해 제어기로 명령 신호를 전송하도록 구성된다. 컴퓨터 시스템(24)은, 궤적을 로딩하고 로딩된 궤적에 따라 다트 프로브(92)를 움직이도록 제어기에 명령 신호를 전송하도록 구성된다. 유사하게, 피드백 데이터는 PID 제어기로부터 컴퓨터 시스템(24)에 의해 수신된다. 다트 프로브(92)는 선형 모터(96)의 이동가능 슬라이더(95)에 부착되며, 반면 고정자는, 예를 들어, 포스트(97)에 의해 프레임의 작업 표면(22)에 고정된다. 다트 프로브(92)가 선형 모터(96)에 의해 제어되기 때문에, 다트 프로브(92)에 대한 회수 프로세스가 종래 기술의 시스템들을 이용할 때보다 더 빠르고 더 안전하며, 이는 자동화된 고-스루풋 필름 테스팅을 가능하게 만든다. 그러나, 선형 모터(96)와는 다른 추진 시스템들이 다트 프로브(92)를 움직이기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 유압 시스템 또는 (예를 들어, 압축 공기를 사용하는) 공압 시스템이 또한 다트 프로브(92)를 움직이기 위해 사용될 수 있다. 모터가 또한 다트 프로브(92)를 움직이기 위해 선형 모터(96) 대신에 사용될 수 있다.

디바이스(20)의 다트 테스팅 시스템은 힘 센서(99)를 더 포함한다. 힘 센서(99)는 다트 프로브(92)의 움직임 동안 다트 프로브(92)가 겪는 힘을 측정하도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 힘 센서(99)는, 다트 테스트 동안 힘 신호를 측정하기 위해, 예를 들어, 모터(94)의 슬라이더(95)와 다트 프로브(92) 사이에서, 다트 프로브(92)의 하단에 설치되는 압전 힘 센서이다. 압전 센서들은 빠르게 변화하는 힘들을 정확하게 측정할 수 있다. 압전 센서들은, 빠르게 변화하는 힘 프로파일을 수반하는 다트 프로브(92)로부터의 힘을 측정하기에 적합하다. 본원에서 다트 테스트들 동안 힘들을 측정하기 위해 압전 센서가 사용되지만, 다른 유형들의 센서들이 또한 힘들을 측정하기 위해 사용될 수 있다.

다트 충돌 테스트는 ASTM D1709 표준과 상관되며, 천공 저항 테스트는 ASTM F1306 표준과 상관된다. 다트 테스팅 시스템(20)은 더 양호한 속도 조절 및 더 빠른 프로브 회수를 위해 구성된다. 다트 프로브(92)를 교체함으로써, 다트 테스팅 시스템(20)은 낮은 속력에서 천공 저항 테스트를 그리고 더 높은 속력에서 다트 충돌 테스트를 수행할 수 있다.

도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 다트 프로브의 3차원 사시도를 도시한다. 일 실시예에 있어서, 다트 프로브(92)는 ASTM 테스팅 표준들에 의해 지정된 바와 같이 구성된다. 일 실시예에 있어서, 다트 프로브(92)는 0.5”(1.27 cm)의 직경을 갖는 원통형 막대(102)이다. 일 실시예에 있어서, 원통형 막대(102)는 0.2”(0.51 cm) 내지 1”(2.54 cm) 사이의 직경을 갖는다. 다트 프로브(92)는 또한 ASTM 표준에 의해 지정된 바와 같은 반구형 단부(104)를 갖는다. 반구형 형상은 응력 집중을 최소화한다. 일 실시예에 따르면, 반구형 단부(104)는 ASTM 테스팅 표준에 의해 지정된 바와 같이 0.25 인치(0.63 cm)의 반경을 가질 수 있다. ASTM 표준이 강철로 만들어진 프로브를 지정하지만, 반면 이는 프로브를 무겁게 만들 것이다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 다트 프로브(92)의 중량을 최소화하기 위하여, 다트 프로브(92)는 중공형으로 구성된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다트 프로브(92)는 알루미늄으로 만들어진다. 다트 프로브(92)가 ASTM 표준을 따르는 것을 보장하기 위하여, 팁(tip)(104)이 강철로 만들어질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 팁(104)은, 예를 들어, 접착제를 사용하여, 원통형 막대(102)에 고정되거나 또는 이에 나사 결합된다. 프로브의 전체 길이는 약 10”(25.4 cm)이다. 일 실시예에 있어서, 프로브의 전체 길이는 6”(15.2 cm) 내지 약 16”(40.6 cm) 사이이다. 다트 프로브(92)의 중량은 대략 90 g이다. 일 실시예에 있어서, 다트 프로브(92)의 중량은 50 g 내지 200 g 사이이다.

고속 다트 충돌 테스트를 수행하기 위하여, ASTM 표준들은, 테스트될 필름 샘플과의 충돌의 순간에, 다트 프로브가 3.3 m/s로, 바람직하게는 실질적으로 일정하게 이동하고, 필름 샘플이 천공될 때까지 그 속력의 80% 이상으로 계속해서 이동할 것을 요구한다. 일 실시예에 있어서, 필름 샘플과의 충돌 시에 다트 프로브(92)의 속도는 3.3 m/s이며, 속도는, 필름 샘플이 다트 프로브(92)에 의해 천공될 때까지 3.3 m/s의 80% 이상으로 남아 있는다. 합리적인 이동 거리에 걸쳐 이러한 속도 프로파일을 달성하기 위해, 궤적의 신중한 계획이 요구될 수 있다. 궤적에 대한 3개의 페이즈들이 존재한다: 필름 샘플과의 접촉 이전에 정지 상태로부터 3.3 m/s까지의 가속, 3.3 m/s의 일정한 속도, 및 필름 샘플이 천공된 이후에 3.3 m/s로부터 정지 상태까지의 감속. 가속 및 감속에 기인하여, 힘 센서(99)는 가속 및 감속 페이즈들에서 G-힘들을 기록한다. 다음의 단락들에서 추가로 설명될 바와 같이 가속 및 감속 페이즈들로부터의 데이터는 폐기된다. 이상적으로는, 이러한 힘들은 궤적의 일정 속도 부분에서는 존재하지 않을 것이며, 필름 샘플과의 프로브의 충돌에 기인하여 힘 측정치들을 오염시키지 않을 것이다. 그러나, 가속 프로파일이 너무 공격적인 경우, PID 위치 제어 시스템이 처음에 목표 위치를 따라잡을 수 없으며, 궁극적으로 일정 속도 영역에서 목표 속도를 초과한다. 이는 힘 센서(99)에서 반영되는 다트의 모션에서 진동을 생성한다. 이러한 바람직하지 않은 상황을 회피하기 위해, 매끄러운 궤적이 가속 시에 급격한 변화들을 최소화하기 위하여 수립될 수 있다. PID 제어기 상의 이득들은, 시스템이 오버-댐핑(over-damped or non-oscillatory)되거나 또는 비-진동(non-oscillatory)이라는 것을 보장하도록 조정될 수 있다. 다트 프로브(92)의 속도가 충돌 시에 3.3 m/s와 동일한 것으로서 이상에서 설명되었지만, 다트 프로브(92)의 속도는, 천공 저항 테스트들을 수행하기 위한 상대적으로 낮은 0.04 m/s로부터 고속 다트 충돌 테스트들을 수행하기 위한 4 m/s까지 조정될 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 각기, 본 개시의 일 실시예에 따른, 다트가 필름 샘플과 접촉하기 직전의 그리고 다트가 필름 샘플과 접촉한 이후에 필름이 천공되기 직전에 최대로 스트레칭된, 클램프에 의해 클램핑된 필름 샘플의 도면들을 도시한다.

테스팅 조건들을 실질적으로 모든 필름 샘플들에 대하여 동일하게 유지하기 위하여, 공통 필름 포맷이 테스트 샘플들에 대해 선택된다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 필름의 6” x 6”(15.2 cm x 15.2 cm) 피스가 공통 포맷으로서 선택된다. 예를 들어, 이러한 크기는 다트 테스트를 위하여 3”(7.6 cm) 직경의 클램프(60) 내에 단단하게 홀딩되기에 충분히 크다. 추가로, 통상적인 다이(die)가 이러한 포맷으로 필름들을 커팅하기 위해 이용가능하다. 그러나, 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 크기들 및 포맷들이 또한 사용될 수 있다.

다트 시스템에 대한 예시적인 테스팅 절차는 다음의 단계들을 포함한다:

(a) 도 14에 도시된 바와 같이, 재료 홀더 시스템(14)을 사용하여 로봇 시스템(12)에 의해 필름 샘플을 픽 업하는 단계,

(b) 도 15에 도시된 바와 같이, 재료 두께 측정 시스템(16)을 사용하여 필름 샘플의 두께를 측정하는 단계,

(c) 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이, 필름 샘플을 다트 테스팅 시스템(20) 내의 클램프(60) 내에 위치시키는 단계. 도 17a는 다트 테스팅 시스템(20)으로부터 테스트된 필름 샘플을 픽 업하는 로봇 시스템(12)을 도시한다. 도 17b는 다트 테스팅 시스템(20) 내에 새로운 테스트되지 않은 필름 샘플을 위치시키는 로봇 시스템(12)을 도시한다.

(d) 다트 테스팅 시스템(20) 내에서 다트 프로브(92)를 움직이는 단계,

(e) 컴퓨터 시스템(24)에 의해 다트 테스트의 결과들 및 데이터를 수집하는 단계, 및

(f) 도 18에 도시된 바와 같이, 테스트된 필름 샘플을 배치하는 단계.

선택적으로, 테스트 절차는 또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 재료 이미지 분석기 시스템(18)을 사용하여 필름 샘플에 대한 결함 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

샘플은 6”(15.2 cm) 정사각형 필름을 포함할 수 있다.

단계 (a)에 대하여, 6”(15.2 cm) 정사각형 필름이 샘플 리셉터클(receptacle) 상에 위치될 수 있으며, 테스트 시퀀스가 개시된다. 로봇 시스템(12)은 재료 홀더 시스템(14)을 사용하여 필름 샘플을 픽 업한다. 일 실시예에 있어서, 픽-업 모션은 필름 샘플을 떨어트리는 것을 회피하기 위해 적절한 속력으로 수행된다.

단계 (b)에 대하여, 로봇 시스템(12)은 두께 측정 시스템(16)으로 필름을 움직인다. 일 실시예에 있어서, 2개의 별개의 측정들이 두께 측정 시스템(16)에 의해 이루어진다. 제 1 측정은 0점 판독(zero reading)을 획득하기 위해 필름 샘플이 없는 상태에서 수행되며, 제 2 측정은 필름 샘플이 제 위치에 있는 상태에서 수행된다. 제 1 및 제 2 측정들 사이의 차이가 필름 샘플의 두께를 제공한다. 각각의 판독에 대한 0점 값을 측정함으로써, 두께 측정 시스템(16)은 센서 내의 임의의 장기간 드리프트/축적을 고려할 수 있다. 그러나, 0점 값을 측정하는 것은 또한, 0점 값에 대한 확신이 존재하는 경우(즉, 0점 값이 측정마다 변화하지 않는 경우) 한 번만 수행될 수도 있다. 대안적으로, 0점 값은 시간에 따라 발생할 수 있는 임의의 잠재적인 드리프트를 고려하기 위하여 복수의 측정 이후에 또는 규칙적인 시간 간격으로 측정될 수 있다.

단계 (c)에 대하여, 필름 샘플이 테스트할 준비가 될 때, 다트 테스팅 시스템(20)의 클램프(60)가 개방되며, 로봇 시스템(12)에 부착된 재료 홀더 시스템(14)이 먼저 (클램프 내에 필름이 존재하는 경우) 클램프(60) 내에 있는 임의의 오래된 필름을 제거하고 새로운 필름 샘플을 클램프(60) 내에 위치시킨다. 도 3, 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이, 이는, 클램프(60)로부터 임의의 사용된/테스트된 필름(36)을 잡아서 제거하기 위하여(도 17a 참조) 재료 홀더 시스템(14) 상의 진공 흡입 컵들(34)을 제어함으로써, 그리고 계속해서 진공 흡입 컵들(34)을 가지고 테스트된/사용된 필름(36)을 홀딩하면서 새로운 필름 샘플(38)을 홀딩하고 클램프(60)의 2개의 조들(62A 및 62B) 사이에 새로운 필름 샘플(38)을 위치시키기 위해(도 17b 참조) 진공 흡입 컵들(32)의 쌍을 제어함으로써 달성된다. 흡입 컵들(34)의 쌍을 사용함으로써, 새로운 필름 샘플(38)이 테스트를 위하여 잡혀서 위치되는 동안 이전에 테스트된 필름 샘플(36)이 동시에 잡혀서 픽 업될 수 있다. 이는 전체 시스템의 효율을 증가시킨다. 테스트된 필름을 제거하고 그런 다음 테스트를 위하여 새로운 필름을 위치시키기 위해 로봇 시스템(12)을 움직이는 대신에, 로봇 시스템(12)의 단일 움직임이 테스트된 필름 샘플을 픽 업하는 동안 이와 동시에 새로운 필름 샘플을 테스트를 위하여 위치시킨다. 그러면, 클램프(60) 상의 흡입 컵들(63)의 세트(도 6a 참조)는 2개의 조들(62A 및 62B) 사이에서 필름 샘플(36)을 제 위치에 홀딩하도록 제어된다. 이미 테스트된 필름 샘플은, 도 18에 도시된 바와 같이, 로봇 시스템(12)을 가지고 재료 홀더 시스템(14)을 움직이고 이를 폐기를 위한 영역 내에 위치시킴으로써 제거된다. 일단 재료 홀더 시스템(14)을 갖는 로봇 시스템(12)이 클램프(60)의 공간으로부터 인출되면, 클램프(60)가 폐쇄되며, 위치된 새로운 필름 샘플이 클램프(60)의 조들(62A 및 62B) 사이에 팽팽하게 홀딩된다. 따라서, 새로운 필름 샘플이 테스트될 준비가 된다.

단계 (d)에 대하여, 선형 모터(96)(도 9 참조)는, 선형 모터(96)(도 9 참조)를 일관된 시작 위치로 귀소 시키는 것(homing)을 포함하여 시스템이 시작될 때 초기화된다. 일 실시예에 있어서, 일단 선형 모터(96)가 초기화되면, 선형 모터(96)의 재-초기화 없이 다수의 테스트들이 실행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 다트 테스팅 시스템(20)의 선형 모터(96)는, 선형 모터(96)가 동일한 시작 위치로 복귀하는 것을 보장하기 위하여 주기적으로, 예를 들어, 매일 재-초기화될 수 있다. 그런 다음, 다트 테스팅 시스템(20)의 다트 프로브(92)는, 지정된 궤적을 로딩하고 다트 프로브(92)를 움직이기 위해 선형 모터(96)에 명령을 전송하도록 다트 테스팅 시스템(20)의 PID 제어기에 지시하는 컴퓨터 시스템(24)에 의해 이동된다.

단계 (e)에 대하여, 명령은 또한, 데이터 수집을 시작하기 위해 다트 테스트 동안 힘 신호를 측정하는 힘 센서와 통신하며 컴퓨터 시스템(24)과 통신하는 데이터 획득 시스템으로 컴퓨터 시스템(24)에 의해 전송된다. 이러한 명령은 다트를 이동시키는 명령과 실질적으로 동시에 전송될 수 있거나, 또는 다트를 이동시키는 명령과 순차적으로 또한 전송될 수 있다. 테스팅이 완료된 이후에, 모터는 그것의 초기 위치로 복귀한다.

단계 (f)에 대하여, 그러면 사용된 필름 샘플은 로봇 시스템(12)을 사용하여 재료 홀더 시스템(14)에 의해 들어 올려지고, 운영자에 의해 주기적으로 비워지는 쓰레기 통에 위치될 수 있다. 이는 사이클을 완료하며 시스템은 그것의 초기 상태로 복귀하여, 예를 들어, 다음 필름 샘플이 리셉터클에 도착할 때 또는 이 때로부터 다음 필름 샘플을 픽 업할 준비를 한다.

일 실시예에 있어서, 로봇 시스템(12)은 필름 샘플을 재료 이미지 분석기 시스템(18)으로 움직인다. 이상의 단락들에서 설명된 바와 같이, 필름의 이미지는 편광으로 조명되는 동안 편광 필터를 통해 캡처된다. 이미지는, 필름 샘플이 임의의 결함을 가지는지 여부 또는 테스트 결과들에 실질적으로 영향을 줄 임의의 결함이 있는지 여부를 결정하기 위한 추가적인 분석(이후의 시간에서의 자동화된 이미지 분석 또는 수동 분석)을 위해 저장될 수 있다.

다트 테스트를 제어하는 것 및 다트 테스트의 데이터 및 결과들을 수집하는 것에 더하여, 일 실시예에 있어서, 컴퓨터 시스템(24)은, 두께 측정, 결함 분석, 및 다트 테스트 정보가 각각의 샘플에 대하여 상관되고 이후의 참조 및 분석을 위해 저장되도록, 필름 샘플이 다양한 테스트들을 통해 진행할 때 필름 샘플을 추적하도록 더 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 결함이 있는 샘플로부터의 테스트 데이터는 이것이 신뢰되어야 하는지 또는 폐기되어야 하는지 여부가 평가되고 플래그(flag)될 수 있다.

전형적으로, 충돌로부터 필름 샘플의 천공까지의 시간은 대략 수 밀리초이다. 이에 더하여, 획득된 충돌 신호의 고속 푸리에 분석은 약 20 kHz의 주파수 정보 콘텐트를 보여주었다. 따라서, 샘플링 주파수(주파수 수집 레이트)는 20 kHz 이상에서 수행될 수 있다. 캡처된 데이터의 주파수 스펙트럼은 더 낮은 주파수들에서 관련 데이터 및 더 높은 주파수들에서 임의의 잡음을 보여준다. 잡음은 저역-통과 필터들을 사용하여 제거될 수 있다.

이상에서 언급된 바와 같이, 프로브가 겪는 힘을 측정하기 위해 센서들이 사용된다. 일 실시예에 있어서, 단일-축 힘 센서가 다트 시스템 내에서 힘을 측정하기 위해 사용된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 압전 센서는 그것의 고 대역폭(36000Hz) 및 그에 따른 힘의 변화들을 빠르게 측정하기 위한 그것의 능력에 기인하여 선택된다. 일 실시예에 있어서, PCB Piezotronics로부터의 단일-축 힘 센서인 모델 ICP Force Sensor, 208C02가 선택된다. 이러한 압전 센서는 Z-방향에서 100 lb.(444N의 힘과 동등함)의 하중 용량을 갖는다. 이러한 센서는 동적 힘 애플리케이션들을 위해 구성된다. 센서 상의 임의의 정적 하중은 궁극적으로 0으로 복귀할 것이다.

일 실시예에 있어서, 충격 시에 그리고 필름의 천공의 프로세스를 통한 다트의 속력을 확인하기 위하여, 다트 속도는 위치 신호의 수치적 미분을 취함으로써 계산된다. 이러한 프로세스에 의해 도입되는 임의의 수치적 잡음을 제거하기 위하여, 힘 신호를 필터링하기 위해 사용되는 것과 유사한 저역-통과 필터링 전략이 사용된다.

일 실시예에 있어서, 다트 테스팅 시스템(20)과 통신하는 컴퓨터 시스템(24)은 다트 테스팅 시스템(20)으로부터 힘 데이터를 수집하거나 또는 획득하도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 다트 테스팅 시스템(20) 내에서의 데이터 수집은, 다트가 이동될 때 시작하고 다트가 그것의 스트로크(stroke)의 상단에서 멈출 때 종료된다. 이는, 지연들 및 타이밍 고려사항들이 다트가 필름 샘플과 접촉하고 있는 동안 수집되는 데이터에 영향을 주지 않는 것을 보장한다. 따라서, 수집된 데이터 내에서 데이터의 관련 부분들을 분리하기 위해, 수집된 데이터는 바람직하게는 절두된다(truncated). 이는, 다트가 필름과 접촉하는 시간을 나타내는 충돌 센서로부터의 데이터를 사용하여 수행된다. 측정되는 힘이 0으로 떨어질 때 천공의 완료가 표시된다. 그러나, 힘 신호의 필터링에 기인하여, 힘은 0으로 떨어지지 않을 수 있다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 천공 완료 지점은 필터링되지 않은 힘 신호를 사용하여 식별된다.

도 12a는 일 실시예에 따른, 프로브의 움직임의 시작으로부터 프로브의 완전한 정지까지의 시간(들) 대 프로브 상에 가해진 힘(N)의 플롯이다. 이러한 플롯은 프로브의 가속에 대응하는 제 1 광범위 피크, 필름 샘플과 프로브의 접촉에 대응하는 날카로운 피크, 및 프로브의 감속에 대응하는 제 2 광범위 피크를 보여준다.

도 12b는 일 실시예에 따른, 필름 샘플과의 충돌 지점으로부터 필름 샘플의 천공의 완료까지의 시간(들) 대 프로브 상에 가해진 힘(N)의 플롯이다.

[표 2]

과학자들은 다트 시스템에 의해 수집된 힘 데이터로부터 계산된 몇 가지 주요 메트릭들을 찾는다. 이러한 메트릭들은 그들의 애플리케이션들에 기초하여 필름들을 특징짓는 것을 돕는다. 이러한 메트릭들은, 그들의 단위들, 설명 및 이들이 계산되는 방법의 짧은 설명과 함께 표 2에 요약된다.

도 13a는 본 개시의 일 실시예에 따른 힘(N) 대 변위(m)의 플롯을 도시한다. 도 13a 상에서, 힘 또는 최대 힘의 피크, 및 최대 힘까지의 힘 커브 아래의 면적에 대응하는 피크 에너지가 표시된다. 에너지는 거리 또는 변위에 대한 힘의 적분에 대응한다. 일 실시예에 있어서, 힘의 적분 또는 에너지를 계산하기 위해 사다리꼴 방법이 사용된다. 그러나, 이해될 수 있는 바와 같이 다른 계산 방법들이 사용될 수 있다.

도 13b는 본 개시의 일 실시예에 따른 힘(N) 대 변위(m)의 플롯들을 도시한다. 도 13b 상에서, 힘 또는 최대 힘의 피크, 및 총 변위까지의 힘 커브 아래의 면적에 대응하는 총 에너지가 표시된다.

단일 유형의 필름의 필름 샘플들 또는 복제물들이 모두 테스트된 이후에, 데이터 내의 임의의 이상점들을 검출하고 제거하기 위해 통계적 알고리즘이 사용된다. 임의의 통계적 이상점들을 제거하는 목적은, 부적절한 테스팅(예를 들어, 테스트 동안 필름의 부존재, 찢어진 필름 등)으로부터 기인할 수 있는 임의의 부정확한 테스트 결과들을 제거하는 것이다. 따라서, 이상점들을 제거하기 위해 사용되는 임계들은 보수적이다.

일 실시예에 있어서, 일단 이상점들이 식별되면, 데이터 세트 내의 나머지 복제물들 또는 샘플들의 평균 및 표준 편차들이 계산되고 데이터베이스에 업로딩될 수 있다. 예컨대 이상점 데이터는 태깅될 수 있으며, 희망되는 경우 추가적인 리뷰를 위해 데이터베이스 내에 저장될 수 있다.

용어 "컴퓨터 시스템"은 본원에서 임의의 데이터 프로세싱 시스템 또는 프로세싱 유닛 또는 유닛들을 포괄하기 위해 사용된다. 컴퓨터 시스템은 하나 이상의 프로세서들 또는 프로세싱 유닛들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템은 또한 분산형 컴퓨팅 시스템일 수 있다. 컴퓨터 시스템은, 예를 들어, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨팅 디바이스 예컨대 PDA, 태블릿, 스마트폰 등을 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품 또는 제품들은 이상의 단락들에서 설명된 기능들 또는 동작들을 달성하기 위하여 컴퓨터 시스템 상에서 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은, 이상에서 설명된 기능들 또는 동작들을 수행하기 위하여 컴퓨터 시스템을 프로그래밍하기 위해 사용되는 저장된 명령어들을 갖는 컴퓨터 판독가능 매체 또는 저장 매체 또는 매체들을 포함한다. 적절한 저장 매체 또는 매체들의 예들은, 플로피 디스크들을 포함하는 임의의 유형의 디스크, 광 디스크들, DVD들, CD ROM들, 자기 광 디스크들, RAM들, EPROM들, EEPROM들, 자기 또는 광 카드들, 하드 디스크, 플래시 카드(예를 들어, USB 플래시 카드), PCMCIA 메모리 카드, 스마트 카드, 또는 다른 매체들을 포함한다. 대안적으로, 컴퓨터 프로그램 제품의 일 부분 또는 전체는 인터넷, ATM 네트워크, 광역 네트워크(wide area network; WAN) 또는 근거리 네트워크와 같은 네트워크를 통해 원격 컴퓨터 또는 서버로부터 다운로드될 수 있다.

컴퓨터 판독가능 매체들 중 하나 이상에 저장된 프로그램은 범용 또는 특수 컴퓨터 시스템 또는 프로세서를 제어하기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 소프트웨어는 또한 컴퓨터 시스템 또는 프로세서가 그래픽 사용자 인터페이스, 머리 착용형 디스플레이(head mounted display; HMD) 등과 같은 출력 디바이스들을 통해 사용자와 상호작용하는 것을 가능하게 한다. 소프트웨어는 또한, 비제한적으로, 디바이스 드라이버들, 운영 시스템들 및 사용자 애플리케이션들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터 프로그램 제품(들)로서(예를 들어, 소프트웨어 제품들로서) 이상에서 설명된 방법들을 구현하는 대신에 또는 이에 더하여, 이상에서 설명된 방법은, 예를 들어, 그 내부에서 애플리케이션 특정 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC) 또는 그래픽 프로세싱 유닛 또는 유닛들(graphics processing unit; GPU)이 본 개시의 방법 또는 방법들, 기능들 또는 동작들을 구현하도록 설계되는 하드웨어로서 구현될 수 있다.

Claims (19)

1. 필름 샘플의 물리적 특성을 분석하기 위한 시스템으로서,
   상기 필름 샘플을 홀딩하도록 구성된 재료 홀더 시스템;
   상기 필름 샘플의 물리적 특성을 테스트하도록 구성되는 다트(dart) 테스팅 시스템; 및
   분석되거나 또는 테스트될 홀딩된 필름 샘플을 스테이션들 사이에서 움직이도록 구성된 이동 시스템을 포함하며,
   상기 이동 시스템은 상기 재료 홀더 시스템 내의 상기 홀딩된 필름 샘플을 상기 다트 테스팅 시스템을 향해 움직이도록 구성되는, 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 시스템은 관절-암(articulating-arm) 로봇 시스템을 포함하는, 시스템.
   
3. 청구항 1 및 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료 홀더 시스템은 진공 흡입을 통해 상기 필름을 홀딩하도록 구성된 진공 흡입 시스템을 포함하며, 상기 필름 샘플은 4개의 코너들을 갖는 사변형 형상을 가지고, 상기 진공 흡입 시스템은 실질적으로 상기 필름 샘플의 각각의 코너 상에서 상기 필름 샘플을 홀딩하도록 구성된 흡입 컵들의 제 1 쌍 및 흡입 컵들의 제 2 쌍을 포함하는, 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 진공 흡입 시스템은 테스트될 상기 필름 샘플을 홀딩하고 위치시키도록 구성된 흡입 컵들의 제 1 쌍 및 흡입 컵들의 제 2 쌍, 및 이전에 테스트된 필름 샘플을 픽 업(pick up)하도록 구성된 흡입 컵들의 제 3 쌍을 포함하는, 시스템.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 필름 샘플의 두께를 측정하도록 구성된 재료 두께 측정 시스템을 더 포함하는, 시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 재료 두께 측정 시스템은 측정 동안 상기 필름 샘플을 천공(puncture)하는 것을 회피하기 위해 확산 영역(spread area)에 걸쳐 상기 필름 샘플의 두께를 측정하도록 구성된 프로브(probe)를 포함하는, 시스템.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다트 테스팅 시스템은 상부 조(jaw) 및 하부 조를 갖는 클램핑 시스템을 포함하며, 상기 상부 조 및 상기 하부 조는 각기 홈들 및 리지(ridge)들을 포함하고, 상기 상부 및 하부 조 중 하나 내의 리지들은 상기 상부 및 하부 조 중 다른 것의 홈들 내에 끼워 맞춰지도록 구성되는, 시스템.
   
8. 청구항 7에 있어서, 상기 상부 조 및 상기 하부 조 중 하나는 상기 클램핑 시스템이 개방된 동안 상기 필름 샘플을 제 위치에 홀딩하도록 구성된 홀딩 메커니즘을 포함하는, 시스템.
   
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다트 테스팅 시스템은 상기 필름 샘플의 물리적 특성을 테스트하도록 구성된 다트 프로브 메커니즘을 포함하는, 시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 다트 프로브 메커니즘은 다트 프로브 및 상기 다트 프로브를 움직이도록 구성된 추진 시스템을 포함하는, 시스템.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 추진 시스템은 선형 모터를 포함하는, 시스템.
    
12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다트 프로브 메커니즘은 상기 다트 프로브에 연결된 압전 힘 센서를 포함하며, 상기 압전 힘 센서는 상기 필름 샘플의 다트 테스트 동안 힘 신호를 측정하도록 구성되는, 시스템.
    
13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다트 테스팅 시스템과 통신하는 컴퓨터 시스템을 더 포함하며, 상기 컴퓨터 시스템은 상기 다트 테스팅 시스템으로부터 힘 데이터를 획득하도록 구성되는, 시스템.
    
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필름 샘플 내의 결함을 검출하도록 구성된 재료 이미지 분석기 시스템을 더 포함하는, 시스템.
    
15. 필름 샘플의 물리적 특성을 분석하기 위한 방법으로서,
    이동 시스템에 연결된 재료 홀더 시스템에 의해 상기 필름 샘플을 홀딩하는 단계;
    상기 이동 시스템에 의해 상기 필름 샘플을 다트 테스팅 시스템으로 움직이는 단계; 및
    상기 다트 테스팅 시스템을 사용하여 상기 재료의 상기 필름의 물리적 특성을 테스트하는 단계를 포함하는, 방법.
    
16. 청구항 15에 있어서, 상기 필름 샘플의 상기 물리적 특성을 테스트하는 단계는 상기 다트 테스팅 시스템의 클램핑 시스템을 사용하여 상기 테스트하는 단계 동안 상기 필름 샘플을 팽팽하게 그리고 응력을 받지 않도록(unstressed) 홀딩하는 단계를 포함하는, 방법.
    
17. 청구항 15 및 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필름 샘플의 상기 물리적 특성을 테스트하는 단계는 상기 다트 테스팅 시스템의 다트 프로브로 상기 필름 샘플을 천공하고 상기 필름 샘플의 테스트 동안 힘을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
    
18. 청구항 15 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동 시스템에 의해 상기 필름 샘플을 재료 두께 측정 시스템으로 움직이는 단계; 및
    상기 재료 두께 측정 시스템을 사용하여 상기 필름 샘플의 두께를 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
    
19. 청구항 15 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 이동 시스템에 의해 상기 필름 샘플을 재료 이미지 분석기 시스템으로 움직이는 단계; 및
    상기 재료 이미지 분석기 시스템을 사용하여 상기 필름 샘플 내의 결함을 검출하는 단계를 더 포함하는, 방법.

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