광학 마이크로폰 모니터링을 이용한 적층 제조 실시간 품질 보증

적층 제조(AM) 기술은 최근 몇 년간 산업계에서 놀라운 채택률을 보이고 있습니다. 디지털화와 주문형 제조가 생산 현장을 완전 자동화된 운영 라인으로 탈바꿈시키면서, 신뢰할 수 있는 공정 모니터링 방법의 중요성이 갈수록 커지고 있습니다.

레이저 기반 금속 가공에서 공정 중 발생하는 광학 및 음향 방출을 실시간으로 분석해 최종 부품 품질과 연관 짓는 것은 잘 알려진 사실입니다.^1,2,3 이 접근법은 생산 과정에서 생성되는 기공, 균열 또는 기타 불균질성이 기계적 특성에 큰 영향을 미치고 결함 부품 위험을 높이기 때문에 상당한 가치를 제공합니다. 공정 경고 신호에 즉각 대응하면 스크랩 자재를 줄이고 시간을 절약할 수 있습니다.

요즘은 파이로미터, 초고속 카메라, IR 카메라, 포토다이오드 같은 광학 시스템이 학계와 산업계 모두에서 레이저 기반 AM 공정 모니터링에 널리 쓰입니다.⁴ 이들은 레이저-금속 상호작용 구역에 대한 중요한 통찰을 주지만, 레이저가 꺼진 후 발생하는 열응력 균열 등 사후 현상에는 '눈먼' 상태입니다.

구조물 전달 음향 센서 시스템이 최근 상용화되어 분말 베드 용융(PBF) 공정 등에 적용되고 있습니다.⁵ 그러나 구조물 전달 음파 검출기는 레이저 금속 증착(LMD)이나 와이어 아크 적층 제조(WAAM)처럼 빌드 과정에서 구조물 결합 신호 경로가 변하거나 중단될 수 있는 공정에서는 한계가 있습니다. 이런 경우 고정 거리 공기 결합 음향 센서가 유력한 대안이 됩니다.

새로운 초음파 검사 기술

기존 멤브레인 또는 압전 기반 음향 센서와 달리, 자리온 레이저 어쿠스틱스(XARION Laser Acoustics)의 광대역 광학 마이크로폰은 간섭계 원리로 작동합니다. 이 무운동(akinetic) 검출 원리는 센서 헤드 상단의 2mm 간섭계 공동 내 공기의 굴절률을 음파가 변화시키는 것을 이용합니다. 이로 인해 공동 내부를 왕복하는 레이저 파장에 미세한 변화가 생기고, 간섭과 그에 따른 복귀 광강도에 변화가 생깁니다. 이 강도 변화를 외부 포토다이오드가 측정합니다.

이 음향 변환 방식은 움직이는 부품 없이 작동하며, 마이크로폰 시장에서 가장 넓은 주파수 대역을 제공해 기존 최고 수준을 10배 초과합니다. 배경 소음(인근 기계 소음 등)은 주로 저주파(<100kHz)에 집중되므로, 광학 마이크로폰의 10Hz~1MHz 대역은 유용한 공정 신호와 원치 않는 소음을 스펙트럼상으로 명확히 분리할 수 있습니다. 이 주파수 응답의 상한은 매질 자체에 의해 부분적으로 정해지는데, 공기의 흡수가 음파 전파를 강하게 감쇠시키기 때문입니다. 예를 들어 공기 중 2MHz 음향 신호의 감쇠는 약 640dB/m에 이릅니다.⁶

다음 사례들에서 여러 응용 분야를 다룹니다. 모든 설정에서 센서의 아날로그 전기 출력은 고속 데이터 수집 및 분석 시스템에 입력되어 실시간 FFT 연산과 공기 중 공정 방출의 스펙트럼 표시를 수행합니다.

레이저 금속 증착(LMD)

LMD 공정에서 흔한 문제는 열응력으로 인한 균열 발생입니다. 이 균열은 가공 중에도 생길 수 있고, 가공 후 몇 분 뒤에도 나타납니다. 로봇 기반 LMD 공정(와이어 또는 분말 공급)은 일정한 측정 거리 유지가 가능합니다. 로봇 헤드에 장착된 공기 결합 음향 시스템의 장점은 레이저-재료 상호작용 신호뿐만 아니라 레이저 조사 후 재료 거동 신호도 분석할 수 있다는 점입니다. 그림 2는 측정 설정 예와 해당 음향 신호를 보여줍니다.

균열 신호는 대역폭이 넓은 주파수 특성을 띠므로, 하이패스 필터를 적용하면 생산 소음 간섭 없이 공정 중 및 공정 후 균열 발생을 안전하게 감지할 수 있습니다. 이 설정에서는 350kHz~1MHz 필터를 적용했는데, 이는 X선 영상 및 와전류 검사 등 비파괴 검사법의 균열 개수와 가장 강한 상관관계를 보였습니다(참고문헌 7 참조).

분말 베드 용융(PBF)

PBF 공정 중 초음파 방출을 포착하기 위해 광학 마이크로폰을 빌드 챔버 내부에, 빌드 플레이트로부터 약 30cm 떨어진 위치에 설치했습니다(그림 1b). 그림 3은 대표적인 음향 공정 신호를 보여주며, 고주파 초음파 분석의 이점인 잔향 부재를 입증합니다. 저주파 대역에서는 잔향이 신호를 '번지게' 만들어 공정 이벤트의 시간 분해능을 떨어뜨립니다.

LMD 설정과 달리 PBF는 미러 갈바노미터로 공정 레이저를 분말 베드 위를 주사합니다. 이 과정은 공기 중 신호에 거리 및 주파수 의존적 감쇠를 일으키는데, 이는 알려진 관계를 따르므로 레이저 좌표를 동시에 추적하면 보정할 수 있습니다. 많은 경우 일정한 신호 그라운드 레벨을 유지할 필요도 없습니다(단기 스펙트럼 이상 감지 시). 그림 4에 두 가지 예가 제시되어 있습니다: 그림 4a는 분말 위 용융 입자를 레이저가 지나갈 때 발생하는 스펙트로그램의 광대역 피크이고, 그림 4b는 3D 스펙트로그램 뷰(상단)와 200-600kHz 대역에서 적분한 2D 에너지 곡선(하단)에 나타난 균열 신호입니다.

와이어 아크 적층 제조(WAAM)

LMD와 유사한 설정을 WAAM 공정에도 적용할 수 있습니다(그림 5). 음향 신호 특성은 크게 다르지만, 역시 600kHz까지 광대역입니다. 주요 현상은 물방울 형성 주기(약 10ms마다 나타나는 뚜렷한 블록), 아크 변조율 관련 토널 신호(여기선 80kHz), 금속 증발 관련 광대역 공정 방출입니다.

공정에서 가장 중요한 두 매개변수는 아크 안정성과 물방울 형성 주기입니다. 전자를 모니터링하려면 변조 주파수와 고조파에 좁은 대역통과 필터를 적용하고, 후자에는 하이패스 필터링된 시간 신호에 FFT 분석을 수행해 배경 소음 없이 느린 물방울 비율을 계산합니다.

결론

이동 부품 없는 광대역 마이크로폰이 최고 초음파 주파수까지 커버하게 됨에 따라, 이전에는 접근할 수 없었던 음향 공정 현상을 실시간으로 모니터링할 수 있게 되었습니다. 향후 개발 방향으로는 삼각측량 적용을 통해 음원 위치를 특정함으로써 운영자, 공정 엔지니어, 기계 제조업체가 잠재적 결함을 더 쉽게 포착할 수 있도록 하는 것, 그리고 음향 데이터 스트림에 적합한 온보드 AI 기법을 탑재해 더 복잡한 산업 모니터링 애플리케이션으로 기술을 발전시키는 것이 목표입니다.

감사의 말

저자들은 AIMEN 기술 센터(스페인)와 데이먼 노스이스트(레니쇼 plc)의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. D. F. Farson, and K. R. Kim: Generation of optical and acoustic emissions in laser weld plumes, Journal of Applied Physics 85, 1329 (1999);
2. M. Bastuck et al.: Überwachung und Qualitätssicherung des Laserschweißprozesses ultrahochfester Karosseriestähle durch integrierte ZfPVerfahren, DGZfP-Jahrestagung – Mi.2.A.4 (2013);
3. J Shao and Y Yan: Review of techniques for On-line Monitoring and Inspection of Laser Welding, Journal of Physics: Conference Series 15, 101–107 (2005)
4. S. Everton et al.: Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing, Materials and Design 95 (2016) 0431-445
5. Anas Essop, 3D Printing Industry, Dec 10, 2019, Accessed June 26, 2020.
6. M. Bass, Atmospheric Absorption of Sound, JASA (1990)
7. Camilo Prieto et al.: In situ process monitoring by optical microphone for crack detection in Laser Metal Deposition applications, measurement data from AIMEN Technology Centre (Spain), LANE Conference, industrial paper entry (2020)

이 기사는 마틴 우어스프룽(Martin Ursprung) 애플리케이션 엔지니어, 토마스 하이네(Thomas Heine) R&D 총괄, 발타사르 피셔(Balthasar Fischer) CEO, 볼프강 로링거(Wolfgang Rohringer) 개발 엔지니어, 라이언 조머후버(Ryan Sommerhuber) 애플리케이션 엔지니어, 자리온 레이저 어쿠스틱스 GmbH(오스트리아 빈)가 공동 집필했습니다. 자세한 정보는 라이언 조머후버(이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호 중, 자바스크립트 활성화 필요)에게 문의하거나 여기를 방문하세요.