적층 제조에서의 고정밀 공정 모니터링과 오류 감지

핵심 과제는 부품의 품질에 결정적인 영향을 미치는 층별 레이저 용융 공정을 정밀하게 분석하는 것입니다. 프로세스 안정성과 효율성 향상을 위한 연구의 일환으로, Aalen 대학교의 LaserApplicationCentre (LAZ)에 소속된 학생들과 연구진은 PBF-LB/M 공정에 대한 전역 동적 관찰을 수행하고 있습니다. 온도 피드백을 이용한 고속 공정 제어 환경에서, 적층 제조 과정 중 발생하는 스패터와 연기 형성, 고체화, 기계 부품의 안전한 이동에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 또한, 재용융된 부품층 형상에 대한 고해상도 정적 분석과 분말층의 잠재적 결함을 정밀하게 감지하여 최종 부품 품질에 대한 근거 있는 결론을 도출합니다. 연구 프로젝트의 이미징 구성 요소는 IDS Imaging Development Systems의 고성능 USB3 산업용 카메라 두 대입니다.

필요한 이미지 정보를 제공하는 두 대의 IDS 산업용 카메라

두 가지 작업에는 서로 다른 카메라 모델이 필요합니다. LAZ 연구원 David Kolb는 "PBF-LB/M 공정의 스플래시나 연기 형성과 같은 전역적이고 역동적인 관찰에는 USB3 uEye CP 카메라 제품군의 모델을 사용합니다. 분말층과 재용융된 부품층 형상의 이상 현상을 정적 고해상도로 식별하는 데에는 USB3 uEye SE 카메라를 사용합니다."라고 설명합니다.

카메라 시스템 요구 사항

두 IDS 카메라 시스템의 요구 사항은 PBF-LB/M의 적용 영역에 따라 다릅니다.

"금속의 파우더 베드 기반 레이저 빔 용융은 부품이 층층이 생성되는 매우 동적인 적층 제조 공정이므로 다음 기능이 전역적이고 동적인 모니터링에 특히 중요했습니다. 카메라는 1000 x 1000 px 이상의 해상도와 100 fps 이상의 프레임률을 제공해야 하며, 최소 100 mm x 100 mm의 이미지 영역을 커버하고 동영상 녹화를 위한 트리거 포트를 갖추어야 합니다,"라고 David Kolb는 카메라 모델 선택 이유를 설명합니다. 선택된 U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 모델은 저조도 환경이나 빠르게 움직이는 물체를 촬영해야 하는 경우에도 탁월한 이미지 품질을 제공합니다. Sony Pregius 통합 글로벌 셔터 CMOS 센서 IMX273은 이미지 품질, 고감도 및 넓은 동적 범위에서 특히 우수한 평가를 받고 있습니다. 1.58 MP(1456 x 1088 px) 해상도로 251 fps의 프레임률을 구현하여 동적 공정의 상세한 동영상 및 이미지 분석에 이상적입니다.

동영상 시퀀스/이미지는 IDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 카메라와 IDS peak 소프트웨어로 녹화한 다양한 레이저 파라미터를 적용한 층별 PBF-LB/M 공정 과정을 보여줍니다. David Kolb는 “산업용 카메라의 설정 방식에 따라 PBF-LB/M 공정 중 재료 증발이나 분사물의 양과 방향 등 다양한 공정 특성을 관찰하고 정량화할 수 있습니다,”라고 애플리케이션에 대해 설명합니다.

공정 파라미터를 결정하기 위해 큐브 모양의 부품을 적층 제조하고 USB 3 uEye CP 카메라를 사용하여 전역 제조 공정을 분석했습니다. 이를 통해 미래의 더욱 효율적인 전기 모터를 위한 새로운 유형의 연자성 부품을 가공이 어려운 6.5 wt.% 실리콘 함유 철-실리콘 합금(FeSi6.5)으로부터 생산할 수 있는 최적의 레이저 매개변수를 식별하는 것이 가능해졌습니다. 이를 기반으로 한 FeSi6.5로 제작된 고정자 하프쉘은 최적화된 3차원 자속 유도를 통해 횡자속 기계의 특수 요구 사항에 완벽하게 적응할 수 있습니다. PBF-LB/M은 소재의 높은 전기 저항과 설계의 자유도를 통해 와전류 손실을 줄이고, 전력 밀도를 높이며 냉각 구조와 같은 추가 기능을 통합할 수 있습니다. 복잡한 형상과 부서지기 쉬운 연자성 재료인 FeSi6.5는 기존 제조 공정으로는 생산 또는 가공이 거의 불가능하며, 적층 제조 기술을 사용해야 합니다.

반면에 분말층이나 부품층 형상을 정적으로, 고해상도로 관찰하려면 단일 이미지 기록을 위한 트리거 포트 외에도 다음과 같은 카메라 특성이 특히 필요합니다: 센서는 층의 결함을 식별하기 위해 40µm 미만의 기하학적 특징을 감지할 수 있어야 하며, 최소 100mm × 100mm의 이미지 영역과 가능한 한 정사각형(1:1)의 이미지 비율을 제공해야 합니다. 20.36 MP(4512 x 4512 px) 산업용 카메라 U3-3990SE Rev.1.2는 바로 이러한 기능을 제공합니다. IMX541센서는 Sony Pregius S 시리즈의 고성능 초고해상도 대형 포맷 1.1" CMOS 센서입니다. BSI 기술(뒷조명, Back Side Illuminated)을 통해 더 작은 픽셀(2.74µm)과 더 높은 해상도를 구현할 수 있으며, 양자 효율과 감도도 향상됩니다.

"사용자 친화적이고 유연하게 통합할 수 있는 IDS 카메라 덕분에 테스트 설정에 필요한 조정을 빠르고 쉽게 구현하여 USB 3 uEye SE 카메라를 정해진 각도로 특별히 배치할 수 있었습니다."라고 David Kolb는 설명합니다. 최종 조정이 완료되면 개별 분말 부품 형상 층을 수직에 가깝게 관찰하여 부품 품질과 잠재적인 제조 결함에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 적층 제조 부품의 특성에 대한 중요한 정보를 얻고 제조 공정을 최적화하는 데 구체적으로 사용할 수 있습니다.

전망

PBF-LB/M 분야 연구는 새로운 소재 합금의 개발 및 가공, 그리고 성능 향상형, 다중 소재 부품 형상 생산에 필수적입니다. 공정에 대한 심층적인 이해는 결함을 최소화하고 기존 생산 방식으로는 불가능했던 혁신적인 디자인을 실현하는 데 도움이 됩니다. IDS 카메라는 PBF-LB/M에 대한 심층적인 통찰력을 제공하여 신소재 합금 가공이나 복잡한 애플리케이션 맞춤 (다중 소재) 부품 생산 등 연구 개발 및 기술 이전(R&D&T)에 귀중한 기여를 합니다.

향후에는 인공 지능을 사용하여 PBF-LB/M의 동적 및 정적 관측을 자동으로 분석할 예정입니다. 목표는 스패터의 수와 궤적, 공정 오류의 발생 등 매우 동적인 레이저-재료 상호 작용을 더욱 정확하게 이해하고, 자원 효율성과 지속 가능성 측면에서 적층 제조 공정을 더욱 개선하는 것입니다.