KR101974722B1 - 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 - Google Patents
3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101974722B1 KR101974722B1 KR1020170065065A KR20170065065A KR101974722B1 KR 101974722 B1 KR101974722 B1 KR 101974722B1 KR 1020170065065 A KR1020170065065 A KR 1020170065065A KR 20170065065 A KR20170065065 A KR 20170065065A KR 101974722 B1 KR101974722 B1 KR 101974722B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- resonance frequency
- damping coefficient
- heat source
- melt pool
- intensity
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 12
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 title description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 title 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 51
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 40
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 31
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 10
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 7
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 23
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 10
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- 241000710789 Lactate dehydrogenase-elevating virus Species 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000001636 atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
-
- B22F3/1055—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/31—Calibration of process steps or apparatus settings, e.g. before or during manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/80—Data acquisition or data processing
- B22F10/85—Data acquisition or data processing for controlling or regulating additive manufacturing processes
-
- B22F2003/1057—
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
금속을 재료로 사용하는 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작 가능한 장치를 제시한다. 이상 유무를 판단하기 위해 Melt pool의 신호를 측정하는 기능, 각 단계별 제작물의 공진 주파수로 가진 하는 기능, 유한요소 해석을 통해 각 단계별 제작물의 공진 주파수를 계산하는 기능, 수집된 신호를 분석하여 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하는 기능, 기준 데이터와 측정된 데이터를 비교 분석하는 기능, 각 단계별 데이터를 저장하는 기능을 포함하여 3차원 적층 구조물 품질 향상, 성형 조건 데이터베이스 구축, 생산성을 향상시킬 수 있는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 감시 및 보정 기능이 탑재된 장치 및 그 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 3차원 프린팅 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Melt pool의 깊이를 예측하여, 3차원 적층 가공 공정을 이용하여 구조물을 제작할 때 구조물이 정상적으로 제작되고 있는지를 검사하고 문제가 발생할 경우 정상 상태가 될 수 있도록 제어하는 방법에 관한 것이다.
3차원 적층가공이란 구조물을 한층 한층 적층해서 제작하는 공법으로 최근 3D 프린팅 기법으로 우리에게 잘 알려져 있다. 최초의 3차원 적층가공은 1981년 폴리머를 이용해 3차원 구조물 적층을 성공하면서 개발되었다. 3차원 적층 가공은 품질이 우수하고 복잡한 형상 제작이 용이하며 사용자 목적에 맞는 구조물 제작이 가능해 단기간에 그 기술이 급속도로 성장하고 있다. 또한 사용할 수 있는 재료의 제약이 작아 금속, 비금속, 복합재료 등 다양한 재료를 사용 가능해서 항공, 우주, 자동차, 의학, 생명공학 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있고 시장 규모는 해마다 급속도로 성장하고 있다.
3차원 적층 가공이 다양한 분야에서 널리 사용되는 만큼 중요시되는 것은 제작된 구조물의 품질 확보이다. 금속을 이용한 3차원 적층 가공 구조물의 경우 구조물의 제작 속도는 금속을 용융시키는 레이저 세기와 회전 속도에 의해 조절되는데 레이저 세기가 기준 값 보다 크거나 회전 속도가 느려지는 경우, 그리고 적층된 구조물의 크기에 따라 열용량이 변하게 되는데 이로 인하여 melt pool의 상태가 변경되어 결함이 발생할 수 있다. 이처럼 3차원 적층 가공의 결함은 장비 자체의 결함과 공정 중 야기되는 결함으로 구분할 수 있다.
기존의 3차원 적층가공 구조물의 검사 방법은 X-Ray, CT, MT, VT 등과 같은 일반적인 비파괴 검사 방법이 있으나, 제작이 완료된 이후에 검사가 진행되어 구조물 내부에 결함이 발견될 경우 폐기 또는 수리가 요구되어 제작에 소요되는 시간적, 비용적인 손실이 발생하고, 모든 제품에 대해 비파괴 검사가 현실적으로 불가능 하여 결과적으로 양품 생산 및 품질관리에 적합하지 않은 경우가 많다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 실시간으로 3차원 적층 가공을 감시하기 위한 기술 개발이 진행되고 있다. 대표적으로 레이저 초음파 기술을 이용하여 액체 상태의 Melt pool이 형성된 후 다음 단계로 넘어갈 때 냉각 효과에 의해 고체 상태로 변경하는 위치에서 레이저를 이용해 특정 주파수로 가진 하고 LDV를 사용해서 신호를 계측 하는 기술, 광학적 발광 분광법(Optical Emission Spectroscopy)을 이용해 Melt pool 상태를 예측하는 기술 등이 개발되어 있다. 하지만 Melt pool의 깊이 정보를 직접 예측하는 기술에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있어 실시간으로 Melt pool 깊이를 예측하여 최적 상태의 Melt pool을 유지하여 추가적인 결함 검사 없이 품질 확보가 가능한 기법 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 금속을 재료로 사용하는 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작이 가능한 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
특히, 금속 재료를 사용하는 3차원 적층 가공 방법을 사용해 구조물 제작 시 실시간으로 Melt pool의 깊이를 예측하고 공정의 이상 유무를 판단하는 방법을 적층 가공 기계에 융합하여 구조물 품질 향상, 제작 조건 데이터베이스 구축, 추가적인 결함 검사 방법이 필요 없는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 및 보정 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치는, Melt pool의 신호를 측정하는 센서; 기준 공진 주파수와 댐핑 계수로 구조물을 가진하는 작동기; 금속 재료를 녹여주는 열원; 적층에 필요한 재료를 공급하는 장치; 센서 신호, 열원, 재료를 한 곳으로 모아주는 적층 헤드; 센서에서 수집되는 데이터를 취득하고 작동기를 구동하는 장비; 및 취득한 센서 데이터로부터 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하고, 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 열원의 세기를 제어하는 컴퓨팅 장치;를 포함한다.
그리고, 센서는, 레이저광 조사에 따른 Melt pool의 표면 신호와 구조물의 표면 신호를 측정하는 적어도 하나의 LDV;를 포함할 수 있다.
또한, 작동기는, 제작되는 구조물의 단계에 맞는 기준 공진 주파수와 댐핑 계수로 구조물을 가진하는 임팩트 해머 또는 압전 작동기일 수 있다.
그리고, 컴퓨팅 장치는, 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 Melt pool의 크기를 예측할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 장치는, 수치 해석 방법을 통해 구조물 제작 단계별 기준 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산할 수 있다.
그리고, 컴퓨팅 장치는, 기준 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수와 비교하여, 피드백 제어를 통해 열원의 세기를 조절할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 장치는, 비교 결과 설정한 값보다 큰 오차가 발생하면, 제어 신호를 발생시켜 열원의 세기를 조절할 수 있다.
그리고, 열원은, 레이저 빔 또는 전자 빔일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치는, Melt pool의 신호를 측정하는 센서; 기준 공진 주파수와 댐핑 계수로 구조물을 가진하는 작동기; 센서에서 수집되는 데이터를 취득하고 작동기를 구동하는 장비; 및 취득한 센서 데이터로부터 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하고, 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 열원의 세기를 제어하는 컴퓨팅 장치;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 금속을 재료로 사용하는 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작 가능해진다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따르면, Melt pool의 깊이 정보를 예측하고 Reference 데이터와 비교 분석하는 알고리즘을 적용함으로써 최적의 Melt pool의 상태를 유지하여 추가적인 결함 검사가 필요 없는 높은 품질의 구조물을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, Reference 데이터는 각 제작 단계별 구조물의 공진 주파수와 댐핑 계수로 수치해석 프로그램을 이용하여 단계별 공진 주파수와 댐핑 계수를 확보 하고 실제 LDV를 통해 측정된 공진 주파수와 댐핑 계수를 비교 분석하여 제작 시 발생하는 문제에 대해 피드백 제어를 통해 능동형 3차원 적층가공이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 감시 및 보정 기능을 하는 Direct Energy Deposition 장비의 구성을 보인 개념도,
도 2는, 도 1의 시스템을 개발하기 위해 Melt pool 상태를 감시를 위한 실험 셋업 개념도,
도 3은, 도 2의 실험 셋업 개념도를 기반으로 한 Melt pool 감시 및 보정 기법 원천 기술 개발 및 검증을 위한 실제 실험 장면,
도 4는, 도 3의 LDV를 이용해 공진 주파수와 댐핑 계수를 예측하기 위해 사용된 Q-factor를 정의하는 그래프,
도 5는, 도 2에 나타낸 실험 셋업을 통해 얻어진 결과로서 Melt pool의 깊이가 1mm에서 3mm로 증가할 경우 공진 주파수와 댐핑 계수가 낮아지는 결과를 얻은 그래프,
도 6은, 도 5에서 얻어진 결과를 가지고 공진 주파수를 계산한 결과를 정리한 그래프,
도 7은, 도 5에서 얻어진 결과를 가지고 댐핑 계수를 계산한 결과를 정리한 그래프, 그리고,
도 8은, 도 5에서 얻어진 결과를 바탕으로 Melt pool 깊이를 예측하여 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작이 가능한 알고리즘 개념도 이다.
도 2는, 도 1의 시스템을 개발하기 위해 Melt pool 상태를 감시를 위한 실험 셋업 개념도,
도 3은, 도 2의 실험 셋업 개념도를 기반으로 한 Melt pool 감시 및 보정 기법 원천 기술 개발 및 검증을 위한 실제 실험 장면,
도 4는, 도 3의 LDV를 이용해 공진 주파수와 댐핑 계수를 예측하기 위해 사용된 Q-factor를 정의하는 그래프,
도 5는, 도 2에 나타낸 실험 셋업을 통해 얻어진 결과로서 Melt pool의 깊이가 1mm에서 3mm로 증가할 경우 공진 주파수와 댐핑 계수가 낮아지는 결과를 얻은 그래프,
도 6은, 도 5에서 얻어진 결과를 가지고 공진 주파수를 계산한 결과를 정리한 그래프,
도 7은, 도 5에서 얻어진 결과를 가지고 댐핑 계수를 계산한 결과를 정리한 그래프, 그리고,
도 8은, 도 5에서 얻어진 결과를 바탕으로 Melt pool 깊이를 예측하여 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작이 가능한 알고리즘 개념도 이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는, 금속을 재료로 사용하는 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작 가능한 장치 및 방법을 제시한다.
본 발명의 실시예에서는, 이상 유무를 판단하기 위해 Melt pool의 신호를 측정하는 기능, 각 단계별 제작물의 공진 주파수로 가진 하는 기능, 유한요소 해석을 통해 각 단계별 제작물의 공진 주파수를 계산하는 기능, 수집된 신호를 분석하여 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하는 기능, 기준 데이터와 측정된 데이터를 비교 분석하는 기능, 각 단계별 데이터를 저장하는 기능이 제시된다.
도 1은 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 감시 및 보정 기능을 하는 Direct Energy Deposition 장비의 구성을 보인 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 및 보정 장치(100)는, LDV(Laser Doppler Vibrometer) 센서(101), 압전 작동기(102), 열원(103), 재료 공급장치(104), 적층 헤드(105), DAQ 장비(106) 및 PC(107)를 포함한다.
LDV 센서(101)는 각 단계별로 레이저광 조사에 따른 구조물과 Melt pool의 표면 신호를 측정하여 Melt pool의 상태를 각 단계별로 측정하고, 압전 작동기(102)는 구조물에 임펄스 신호를 가진 한다. 열원(103)은 금속을 녹이고, 재료 공급장치(104)는 적층에 필요한 금속 재료를 공급한다. 분말 형태의 금속 재료를 이용하는 경우, 이 재료는 가스에 의해 이동된다.
열원(103)으로 레이저 빔(laser beam) 또는 전자 빔(electron beam)을 이용할 수 있다. 적층 헤드(105)의 상부에 위치하는 집속 렌즈(lens)는 열원(103)을 집속하여 공급되는 금속을 용융시키고, LDV 신호 역시 집속시켜 Melt pool의 상태를 측정할 수 있게 한다.
적층 헤드(105)는 열원의 에너지, LDV 신호, 그리고 재료를 한곳으로 모아모아 적층 가공을 가능하게 한다. 적층 헤드(105)는 다축(multi-axis) 관절에 설치되어 다양한 방향으로 회전이 가능하다.
DAQ 장비(106)는 센서에서 수집되는 데이터를 취득 및 압전 작동기를 구동하며, PC(107)는 취득된 센서 데이터 처리와 구조물의 단계별 공진 주파수를 계산한다.
3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 및 보정 장치(100)는 금속 재료를 이용하여 구조물을 제작할 때 Melt pool의 크기에 따라 달라지는 공진 주파수와 댐핑 계수 값을 계산하여 Melt pool의 깊이 예측이 가능하고, 이를 통해 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 감시 및 보정 알고리즘이 실현될 수 있다.
도 1에 도시된 장치(100)에 의한 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 및 보정 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 및 보정 장치(100)는 제작 상태를 감시하기 위해 LDV(101) 센서를 사용하여 Melt pool 표면 신호를 측정하고 DAQ 장비(106)를 통해 센서 신호를 획득한다.
이후 PC(107)에서 신호처리를 하여 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산할 수 있는데, Melt pool의 깊이에 따라 계산된 공진 주파수와 수치해석을 통해 구해진 공진 주파수의 차이가 발생한다.
여기서는, PC(107)에서 수치해석을 통해 제작 단계별 구조물의 공진 주파수를 계산할 수 있고, 제작 단계별 공진 주파수를 압전 작동기(102)에 보내어 구조물을 가진시킬 수 있다.
3차원 적층을 위해 금속 재료의 공급과 고체 상태의 재료를 녹일 수 있는 열원(103)이 필요하다. 열원(103)은 전자광선 또는 레이저 광선을 사용할 수 있다. 구조물 제작에 필요한 금속 재료는 재료 공급 장치(104)를 통해 공급되는데 공급 방법에 따라 분말 공급 방법 와이어 공급 방법으로 구성될 수 있다.
열원(103), LDV(101) 신호, 그리고 재료를 한곳으로 모아주는 적층 헤드(105)는 다축 회전체에 부착되어 다양한 각도로 적층 헤드(105)를 이동시켜 복잡한 형상 제작이 가능하게 한다.
LDV(101)의 설치 위치는 3차원 적층 장비 형상에 따라 자유롭게 설치 가능 하지만, Beam guidance system을 사용하여 레이저 빔이 적층 헤드(105)의 정 중앙에 위치하도록 정렬이 필요하다.
압전 작동기(102)는 제작되는 구조물에 공진 주파수로 가진하기 위해 3차원 적층 기계의 적층 선반 위에 설치하는 것이 일반적이며 동일한 주파수로 가진하기 때문에 압전 작동기(102) 수에는 제약이 없다.
도 2는, 도 1의 시스템을 개발하기 위해 Melt pool 상태를 관찰하기 위한 실험 셋업 개념도이다.
Melt pool이 모사된 시편(201)은 직경 2mm, 깊이는 각각 1mm, 2mm, 그리고 3mm로 달리하여 Melt pool의 깊이에 따라 가진되는 주파수와 측정되는 공진 주파수의 차이를 확인할 수 있다.
2대의 LDV가 사용될 수 있는데 1대(202)는 Melt pool의 표면 신호를 측정하고, 나머지 1대(203)는 구조물 표면을 측정하여 DAQ 장비(204)를 통해 수집된 데이터가 PC에서 신호처리 후 주파수 변화의 차이를 분석한다.
시편 가진 방법은 Impulse 신호를 주기 위해 충격 망치(205)를 사용할 수 있고 동일한 위치에 동일한 힘을 준다. Impulse 신호에 대한 Melt pool와 구조물의 응답 함수를 계산하기 위해 DAQ 장비에는 2대의 LDV와 충격 망치가 연결되어 있다. DAQ 장비를 통해 수집된 전기 신호를 이용하여 PC(206)는 주파수 응답 함수를 계산하게 된다.
도 3은, 도 2의 실험 셋업 개념도를 기반으로 한 Melt pool 감시 및 보정 기법 원천 기술 개발 및 검증을 위한 실제 실험 사진이다.
도 4는, 도 3의 LDV를 이용해 공진 주파수와 댐핑 계수를 예측하기 위해 사용된 Q-factor를 정의하는 그래프이다.
댐핑 계수는 품질 계수(Q factor)를 사용하여 계산할 수 있다. Q factor는 FRF 그래프에서 공진 주파수를 기준으로 Magnitude가 3dB 떨어지는 지점의 주파수 차이로 공진 주파수를 나눈 값이다. 이 값을 이용해 댐핑 계수는 1을 2배의 Q factor로 나누어 구할 수 있다.
도 5는, 도 2에 나타낸 실험 셋업을 통해 얻어진 FRF 결과로 Melt pool의 깊이가 1mm에서 3mm로 증가할 경우 공진 주파수는 낮아지고 공진 주파수의 그래프 파형이 부드러워진 결과를 보여준다.
도 6은, 도 5에서 얻어진 결과를 가지고 공진 주파수를 계산한 결과를 정리한 그래프이다.
해석적으로 구한 알루미늄 보의 1차 공진 주파수는 298.61Hz이고 도 2의 실험 셋업을 통해 구한 구조물의 1차 공진 주파수는 약 287.49Hz이다. 이 값의 차이는 약 3.8%의 오차를 보이지만 이는 실험과 해석의 오차 수준으로 볼 수 있다. 충격 신호에 대한 알루미늄 보의 응답을 보면 Melt pool의 깊이에 관계없이 일정한 값을 보이고 있다. 그 다음 충격 신호에 대한 Melt pool의 응답을 보면 Melt pool의 깊이가 1mm에서 3mm로 증가할수록 1차 공진 주파수는 287.22Hz에서 282.29Hz로 4.93Hz 낮아진 결과를 보여주고 있다.
도 7은, 도 5에서 얻어진 결과를 가지고 댐핑 계수를 계산한 결과를 정리한 그래프이다.
알루미늄 보의 경우 Melt pool의 깊이에 따라 평균적으로 약 0.0021로 거의 동일한 수준을 유지하지만, Melt pool의 경우 깊이가 1mm에서 3mm로 증가할수록 0.0037부터 0.0067로 증가하는 결과를 보여주고 있다.
도 8은, 도 5, 도 6 및 도 7에서 얻어진 결과를 바탕으로 Melt pool 깊이를 예측하여 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단 후 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 보증 및 향상이 가능한 알고리즘 개념도 이다.
이 알고리즘에서는, PC를 사용하여 참고 데이터인 제작 단계별 구조물의 1차 공진 주파수와 댐핑 계수가 수치해석 방법을 통해 구해진다. 이후 구해진 1차 공진 주파수와 댐핑 계수를 압전 작동기로 보내 구조물을 가진하게 된다.
다음, LDV는 Melt pool 표면에서 신호를 취득하여, 1차 공진 주파수와 댐핑 계수가 구해지고 수치해석을 통해 구한 데이터와 실제 측정된 신호를 가지고 계산된 데이터를 비교 분석하여 설정한 값보다 큰 오차가 발생하면 제어 신호를 발생시켜 Heating source 또는 제작 속도를 제어하여 실시간으로 구조물의 품질을 확보할 수 있다.
상기와 같이 Melt pool의 크기가 변화함에 따라 측정되는 1차 공진 주파수와 댐핑 계수 값이 변화되는 결과를 얻어 실시간으로 제작되는 구조물의 품질을 확보가 가능하므로 급속하게 증가하고 있는 3차원 적층 산업에서 제작되어 지는 구조물의 신뢰성 확보를 위해 금속을 재료로 사용하는 3차원 적층가공 장비가 구조물 제작 시 실시간으로 이상 유무를 판단하여 피드백 제어를 통해 구조물의 품질 향상 및 추가적인 결함 검사 없이 제작 가능해진다.
지금까지, Melt pool의 깊이를 예측하여, 3차원 적층 가공 공정을 이용하여 구조물을 제작할 때 구조물이 정상적으로 제작되고 있는지를 검사하고 문제가 발생할 경우 피드백 신호를 발생시켜 정상 상태가 될 수 있도록 제어하는 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서는, Melt pool 깊이를 예측하기 위해 Laser Doppler Vibrometer (LDV), 압전작동기, 그리고 신호처리 기법을 적용하여 실시간 melt pool 깊이를 예측 할 수 있어 적정 수준의 Melt pool 크기 제어가 가능하며, 문제 발생 시 레이저 세기를 자동으로 제어하고 제작 공정 전체 데이터의 저장이 가능하여, 최종적으로 구조물 제작이 완료 된 이후 추가적인 검사 없이 문제가 발생한 위치를 확인할 수 있다.
특히, 3차원 적층가공 장비에 Melt pool 상태를 감지하는 LDV를 설치하고 구조물에 특정 주파수로 가진하기 위해 압전 작동기를 부착하여 가진된 신호의 응답 신호를 수집 후 데이터를 분석하여 장비 스스로 Melt pool의 크기를 제어하고, Point by Point 데이터를 저장하여 추후 별도의 결함 검사 없이 문제가 발생한 부분을 찾을 수 있다.
또한, 기존의 3차원 적층 가공 장비에 LDV와 압전 작동기를 추가하여 장비 단가 상승을 최소화 하였고, Melt pool 상태를 실시간으로 감시하여 최적화된 상태를 스스로 제어할 수 있으며, 제작 단계별 데이터를 수집 후 맵핑 알고리즘을 통해 결함이 발생 했을 경우 손쉽게 해당 위치를 찾을 수 있어 제작 효율 및 품질을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 및 보정 장치
101 : LDV 센서
102 : 압전 작동기
103 : 열원
104 : 재료 공급장치
105 : 적층 헤드
106 : DAQ 장비
107 : PC
200 : 본 발명을 위한 실험 셋업 개념도
201 : Melt pool 모사 시편
202, 203 : LDV 센서
204 : DAQ 장비
205 : 충격망치
206 : PC
101 : LDV 센서
102 : 압전 작동기
103 : 열원
104 : 재료 공급장치
105 : 적층 헤드
106 : DAQ 장비
107 : PC
200 : 본 발명을 위한 실험 셋업 개념도
201 : Melt pool 모사 시편
202, 203 : LDV 센서
204 : DAQ 장비
205 : 충격망치
206 : PC
Claims (9)
- Melt pool의 신호를 측정하는 센서;
기준 공진 주파수와 댐핑 계수로 구조물을 가진하는 작동기;
금속 재료를 녹여주는 열원;
적층에 필요한 재료를 공급하는 장치;
센서 신호, 열원, 재료를 한 곳으로 모아주는 적층 헤드;
센서에서 수집되는 데이터를 취득하고 작동기를 구동하는 장비;
취득한 센서 데이터로부터 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하고, 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 열원의 세기를 제어하는 컴퓨팅 장치;를 포함하고,
컴퓨팅 장치는,
계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 Melt pool의 크기를 예측하고, 예측 결과를 기초로 열원의 세기를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
센서는,
레이저광 조사에 따른 Melt pool의 표면 신호와 구조물의 표면 신호를 측정하는 적어도 하나의 LDV;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
작동기는,
제작되는 구조물의 단계에 맞는 기준 공진 주파수와 댐핑 계수로 구조물을 가진하는 임팩트 해머 또는 압전 작동기인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
컴퓨팅 장치는,
수치 해석 방법을 통해 구조물 제작 단계별 기준 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
컴퓨팅 장치는,
기준 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수와 비교하여, 피드백 제어를 통해 열원의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- 청구항 6에 있어서,
컴퓨팅 장치는,
비교 결과 설정한 값보다 큰 오차가 발생하면, 제어 신호를 발생시켜 열원의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- 청구항 1에 있어서,
열원은,
레이저 빔 또는 전자 빔인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
- Melt pool의 신호를 측정하는 센서;
기준 공진 주파수와 댐핑 계수로 구조물을 가진하는 작동기;
센서에서 수집되는 데이터를 취득하고 작동기를 구동하는 장비;
취득한 센서 데이터로부터 공진 주파수와 댐핑 계수를 계산하고, 계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 열원의 세기를 제어하는 컴퓨팅 장치;를 포함하 고,
컴퓨팅 장치는,
계산된 공진 주파수와 댐핑 계수를 기초로 Melt pool의 크기를 예측하고, 예측 결과를 기초로 열원의 세기를 제어하는 는 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사 장치.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170065065A KR101974722B1 (ko) | 2017-05-26 | 2017-05-26 | 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 |
| PCT/KR2017/006945 WO2018216845A1 (ko) | 2017-05-26 | 2017-06-30 | 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170065065A KR101974722B1 (ko) | 2017-05-26 | 2017-05-26 | 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180129280A KR20180129280A (ko) | 2018-12-05 |
| KR101974722B1 true KR101974722B1 (ko) | 2019-05-02 |
Family
ID=64396880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170065065A KR101974722B1 (ko) | 2017-05-26 | 2017-05-26 | 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101974722B1 (ko) |
| WO (1) | WO2018216845A1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11430118B2 (en) * | 2019-07-12 | 2022-08-30 | Bruker Nano, Inc. | Methods and systems for process control based on X-ray inspection |
| CN114001771A (zh) | 2020-07-28 | 2022-02-01 | 通用电气公司 | 使用物理辅助机器学习模型诊断增材制造设备的系统及方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3603843B2 (ja) * | 2001-02-23 | 2004-12-22 | 日産自動車株式会社 | レーザー溶接部の品質モニタリング方法およびその装置 |
| US6670574B1 (en) * | 2002-07-31 | 2003-12-30 | Unitek Miyachi Corporation | Laser weld monitor |
| KR100596713B1 (ko) * | 2004-05-17 | 2006-07-07 | 전자부품연구원 | 로봇 액추에이터의 오버슛 저감용 구동 시스템 및 그 방법 |
| KR101405267B1 (ko) * | 2012-10-30 | 2014-06-13 | (주)아이비티 | 레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 |
| JP6254036B2 (ja) * | 2014-03-31 | 2017-12-27 | 三菱重工業株式会社 | 三次元積層装置及び三次元積層方法 |
| KR101673062B1 (ko) * | 2014-12-08 | 2016-11-04 | 김화중 | 레이저 클래딩 과정에서 생성되는 용융 풀의 높이 측정 방법 |
| GB201510220D0 (en) * | 2015-06-11 | 2015-07-29 | Renishaw Plc | Additive manufacturing apparatus and method |
-
2017
- 2017-05-26 KR KR1020170065065A patent/KR101974722B1/ko active IP Right Grant
- 2017-06-30 WO PCT/KR2017/006945 patent/WO2018216845A1/ko active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2018216845A1 (ko) | 2018-11-29 |
| KR20180129280A (ko) | 2018-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7024981B2 (ja) | 付加製造動作中の放射熱エネルギーを測定するためのシステムおよび方法 | |
| RU2722525C1 (ru) | Адаптивное управление процессами аддитивного производства в реальном масштабе времени с использованием машинного обучения | |
| EP2941677B1 (en) | Object production using an additive manufacturing process and quality assessment of the object | |
| JP7032018B2 (ja) | 積層造形部品をトポグラフィに基づいて検査し、プロセス制御するための方法およびシステム | |
| CN110799286B (zh) | 用于增材制造的方法和设备 | |
| JP6504723B2 (ja) | インサイチュー検査を伴う金属ａｍ法 | |
| US10336007B2 (en) | Sensor fusion for powder bed manufacturing process control | |
| Hossain et al. | In situ process monitoring for additive manufacturing through acoustic techniques | |
| JP6707649B2 (ja) | 付加製造されるべき部材を検査するための方法及び装置 | |
| CN111024736B (zh) | 一种激光增材制造的缺陷在线监测方法 | |
| EP3309544A1 (en) | Method and system for in-process monitoring and quality control of additive manufactured parts | |
| JP2020069492A (ja) | 加工条件設定装置及び三次元レーザ加工システム | |
| WO2019030839A1 (ja) | 三次元積層造形装置、三次元積層造形方法、及び、三次元積層造形物 | |
| JP2017164801A (ja) | 機械学習装置、レーザ加工システムおよび機械学習方法 | |
| KR20190101896A (ko) | 손상 또는 불규칙성을 시각화하기 위한 레이저 초음파 스캐닝 | |
| KR101974722B1 (ko) | 3차원 적층 가공의 실시간 가공 상태 검사와 보정 장치 및 이를 적용한 방법 | |
| Saqib et al. | Investigation of the transient characteristics for laser cladding beads using 420 stainless steel powder | |
| EP3909708A1 (en) | Tunable system and method for stress resolution in additive manufacturing | |
| WO2021054127A1 (ja) | 積層造形システム | |
| US20230256513A1 (en) | Method and Apparatus for Additive Manufacture of a Workpiece | |
| CN113840675A (zh) | 用于增材制造的原位监测系统辅助材料和参数开发 | |
| Prem et al. | A review on application of acoustic emission testing during additive manufacturing | |
| Venkatraman | Process Modeling of Ultrasonic Additive Manufacturing | |
| Rohe | Investigation of a quantified sound probe for stud weld quality measurement with numerical simulation data | |
| GB2511409A (en) | Object production and assessment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |