광학 마이크를 사용한 적층 제조 모니터링

적층 제조(AM) 기술은 최근 몇 년 동안 업계에서 눈에 띄게 채택되었습니다. 디지털화와 주문형 제조로 인해 생산 현장이 완전히 자동화된 운영 라인으로 바뀌면서 안정적인 공정 모니터링 방법이 점점 더 중요해지고 있습니다.

레이저 기반 금속 가공에서 공정 중 광학 및 음향 방출을 실시간으로 분석하고 최종 부품 품질과 상호 연관시킬 수 있다는 것은 잘 알려진 사실입니다. ^1,2,3 이 접근 방식은 생산 공정 중에 생성된 기공, 균열 또는 기타 불균일성의 발생이 기계적 특성에 큰 영향을 미치고 부품 결함의 위험을 증가시키기 때문에 상당한 가치를 제공합니다. 따라서 경고 프로세스 신호에 대한 즉각적인 반응은 스크랩 자재를 줄이고 시간을 절약할 수 있습니다.

오늘날 고온계, 고속 카메라, IR 카메라 및 포토다이오드와 같은 광학 시스템은 학문적 및 산업적 맥락에서 레이저 기반 AM 공정을 모니터링하는 데 널리 사용됩니다. ⁴ 레이저-금속 상호 작용 영역에 대한 중요한 통찰력을 제공하지만 레이저가 꺼진 후 발생하는 관련 측면(예:열 응력으로 인한 균열.

구조 기반 음향 센서 시스템은 최근 PBF(Powder Bed Fusion) 공정 내에서 상용화되었습니다. ⁵ 그러나 구조 기반 신호 경로가 변경되거나 빌드 시간 내내 중단될 수 있는 LMD(레이저 금속 증착) 또는 WAAM(와이어 아크 적층 제조)과 같은 프로세스와 관련하여 구조 기반 사운드 감지기는 문제가 있습니다. 이러한 경우 고정 거리 공기 결합 음향 센서가 유능한 솔루션을 제공합니다.

새로운 초음파 검사 기술

기존의 멤브레인 또는 압전 기반 음향 센서와 달리 XARION Laser Acoustics의 광대역 광 마이크는 간섭계를 통해 작동합니다. 무동력 감지 원리는 그림 1a에 표시된 센서 헤드 상단에 있는 2mm 간섭계 공동 내에서 공기의 굴절률 변화를 일으키는 음파에 의존합니다. 이로 인해 공동 내에서 앞뒤로 포함되고 반사되는 레이저 파장의 작은 이동이 발생합니다. 파장의 약간의 편차는 간섭의 변화를 일으켜 공동에서 되돌아오는 빛의 강도를 변화시킵니다. 그런 다음 외부 포토다이오드로 강도의 변화를 측정합니다.

움직일 수 있는 요소 없이 완전히 작동하는 이 음향 변환 방법은 마이크 시장에서 사용할 수 있는 가장 넓은 주파수 범위를 제공하여 최신 기술을 10배 이상 초과합니다. 일반적으로 근처 기계에서 나오는 소리는 낮은 주파수(<100kHz)로 제한되며, 광학 마이크의 범위는 10Hz에서 최대 1MHz이므로 중요한 프로세스 신호와 원치 않는 노이즈 사이의 명확한 스펙트럼 분리가 가능합니다. 이 주파수 응답의 상한은 공기의 흡수가 소리의 전파를 매우 강하게 감쇠시키기 때문에 매체 자체에 의해 부분적으로 미리 결정됩니다. 예를 들어, 공기 중 음향 2MHz 신호의 감쇠는 640dB/m 정도입니다. ⁶

다음과 같은 경우 여러 응용 프로그램이 논의됩니다. 모든 설정에서 센서의 아날로그 전기 출력은 고속 데이터 수집 및 분석 시스템에 입력되어 실시간 FFT 계산 및 대기 중 공정 방출의 스펙트럼 표시를 수행합니다.

레이저 금속 증착(LMD)

LMD 공정의 일반적인 문제는 열 응력으로 인한 균열의 형성입니다. 이러한 균열은 처리 시간 내에 발생할 수 있지만 몇 분 후에 발생할 수도 있습니다. 로봇 기반 LMD 프로세스, 와이어 또는 분말 공급으로 일정한 측정 거리를 유지할 수 있습니다. 로봇 헤드에 장착된 공기 결합 음향 시스템의 장점은 레이저-재료 상호 작용의 신호와 레이저 레이저 가공 후의 재료 거동을 분석할 수 있다는 것입니다. 해당 음향 신호가 있는 측정 설정의 예는 그림 2에 나와 있습니다.

크랙 신호는 주파수가 광대역인 경향이 있으므로 고역 통과 필터를 적용하여 생산 노이즈의 방해 없이 공정 중 및 사후 크랙 발생을 안전하게 감지할 수 있습니다. 이 설정에서는 350kHz ~ 1MHz의 필터가 적용되었으며, 이는 참조 7에 자세히 설명된 대로 X선 이미징 및 와전류 테스트의 비파괴 테스트 방법에서 나온 균열 수와 가장 강력한 상관 관계를 보여주었습니다.

파우더 베드 퓨전(PBF)

PBF 프로세스 중 초음파 방출을 포착하기 위해 그림 1b와 같이 광학 마이크를 빌드 플레이트에서 약 30cm 떨어진 빌드 챔버 내부에 배치했습니다. 전형적인 음향 처리 특징이 그림 3에 나타나 있으며, 이는 또한 고주파수 초음파 분석의 장점, 즉 잔향이 없음을 보여줍니다. 이는 저주파 영역에서 신호를 '번질' 수 있으며, 그 후 처리의 우수한 시간적 분해능을 나타냅니다. 이벤트.

LMD 설정과 달리 PBF는 미러 검류계를 사용하여 분말 베드를 가로질러 공정 레이저를 전달합니다. 이 절차는 알려진 관계를 따르므로 레이저 좌표가 동시에 추적되는 경우 고려할 수 있는 공중 신호의 거리 및 주파수 종속 감쇠를 유발합니다. 많은 경우에 일정한 신호 접지 레벨을 유지할 필요도 없습니다. 단기 스펙트럼 이상 감지용. 이들의 두 가지 예가 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4a는 분말 위의 용융 입자 위의 레이저 통과에서 발생하는 스펙트로그램의 광대역 피크를 보여주고 그림 4b는 3D 스펙트로그램 보기(위쪽) 및 각각의 크랙 신호를 보여줍니다. 200-600kHz의 주파수 대역에서 통합된 2D 에너지 곡선(하단).

와이어 아크 적층 제조(WAAM)

LMD에서와 유사한 설정을 WAAM 프로세스에 적용할 수 있습니다(그림 5). 최대 600kHz의 광대역임에도 불구하고 음향 신호의 신호는 크게 다릅니다. 주요 현상은 액적 형성 주기(약 10ms마다 뚜렷한 블록이 나타남), 아크 변조 속도(여기:80kHz)와 관련된 톤 신호 및 금속 증발과 관련된 광대역 프로세스 방출입니다.

공정에서 가장 중요한 두 가지 매개변수는 아크의 안정성과 형성 주기입니다. 전자를 모니터링하기 위해 변조 주파수와 높은 고조파에 협대역 통과 필터를 적용할 수 있으며, 후자의 경우 상대적으로 느린 액적률을 계산하기 위해 고역 통과 필터링된 시간 신호에 대해 FFT 분석을 수행할 수 있습니다. 배경 소음이 없습니다.

결론

가장 높은 초음파 주파수를 위한 멤브레인이 없는 광대역 마이크를 통해 이전에는 액세스할 수 없었던 정보를 이제 실시간으로 음향 처리 현상을 모니터링하는 데 활용하고 사용할 수 있습니다. 향후 개발에는 삼각측량을 적용하여 작업자, 공정 엔지니어 및 기계 제조업체가 잠재적인 결함을 보다 쉽게 ​​식별할 수 있도록 정확한 출처를 현지화할 수 있습니다. 또한, 음향 데이터 스트림에 적합하고 보다 복잡한 산업 모니터링 애플리케이션으로 기술의 발전을 촉진하는 온보드 AI 방법을 포함하는 것이 목표입니다.

승인

저자는 AIMEN Technology Center(스페인)와 Damon Northeast(Renishaw plc)의 지원에 감사드립니다.

참조

1. D. F. Farson, K. R. Kim:레이저 용접 기둥에서 광학 및 음향 방출 생성 , 응용 물리학 저널 85, 1329(1999),
2. 엠. Bastuck et al.:Uberwachung und Qualitätssicherung des Laserschweißprozesses ultrahochfester Karosseriestähle durch integrierte ZfPVerfahren , DGZfP-Jahretagung – Mi.2.A.4(2013),
3. J Shao 및 Y Yan:레이저 용접의 온라인 모니터링 및 검사 기술 검토 , Journal of Physics:Conference Series 15, 101–107(2005)
4. S. Everton 등:금속 적층 제조를 위한 현장 공정 모니터링 및 현장 계측 검토 , 재료 및 디자인 95 (2016) 0431-445
5. Anas Essop, 3D 프린팅 산업, 2019년 12월 10일, 2020년 6월 26일 액세스
6. 엠. Bass, Atmospheric Absorption of Sound, JASA (1990)
7. Camilo Prieto 외:레이저 금속 증착 응용 분야의 균열 감지를 위한 광학 마이크를 사용한 현장 공정 모니터링, AIMEN Technology Center(스페인)의 측정 데이터 , LANE 컨퍼런스, 산업 논문 출품(2020)

이 기사는 애플리케이션 엔지니어인 Martin Ursprung이 작성했습니다. Thomas Heine, R&D 책임자 Balthasar Fischer, CEO; Wolfgang Rohringer, 개발 엔지니어; 및 Ryan Sommerhuber, 애플리케이션 엔지니어, XARION Laser Acoustics GmbH(오스트리아 비엔나). 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Mr. Sommerhuber에게 문의하십시오. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .