KR102194694B1 - 3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템 - Google Patents

3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102194694B1
KR102194694B1 KR1020190179186A KR20190179186A KR102194694B1 KR 102194694 B1 KR102194694 B1 KR 102194694B1 KR 1020190179186 A KR1020190179186 A KR 1020190179186A KR 20190179186 A KR20190179186 A KR 20190179186A KR 102194694 B1 KR102194694 B1 KR 102194694B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
thermal image
printing
printing process
ultrasound
Prior art date
Application number
KR1020190179186A
Other languages
English (en)
Inventor
손훈
전익근
페이페이 리우
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190179186A priority Critical patent/KR102194694B1/ko
Priority to US17/130,641 priority patent/US20210197287A1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102194694B1 publication Critical patent/KR102194694B1/ko
Priority to CN202011608777.8A priority patent/CN113118472A/zh

Links

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
    • 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
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • 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
    • B22F10/22—Direct deposition of molten metal
    • 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
    • B22F10/36—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
    • 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
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • 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
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • 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
    • 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
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • 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
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1006—Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0004—Industrial image inspection
    • B22F2003/1056—
    • 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
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4097—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by using design data to control NC machines, e.g. CAD/CAM
    • G05B19/4099—Surface or curve machining, making 3D objects, e.g. desktop manufacturing
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/32—Operator till task planning
    • G05B2219/32194—Quality prediction
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37266—Infrared
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49018—Laser sintering of powder in layers, selective laser sintering SLS
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10048—Infrared image
    • 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
    • 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
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템은
3D 프린팅용 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔에 의해 적층부에 공급되는 모재를 녹임으로써 적층부에 형성되는 용융풀의 열 화상을 획득하는 적외선 카메라, 적층부로부터 반사되는 레이저 초음파를 수광하는 레이저 초음파 장치, 및 획득된 열 화상 및 수광된 레이저 초음파의 응답을 기초로 적층부의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행하는 제어부를 포함한다. 여기서, 적외선 카메라 및 레이저 초음파 장치는 3D 프린팅용 레이저 소스와 동축 상으로 배치된다.

Description

3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템{Integrated inspection system using thermography and laser ultrasonic in 3D printing process and 3D printing system having the same}
본 발명은 3D 프린팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 3D 프린팅 공정에서 열 화상 및 레이저 초음파의 데이터 융합에 기반하여 제품의 물성치 추정 및 결함 검출을 온라인 및 비파괴 기법으로 수행할 수 있는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
3D 프린팅은 3차원 물체를 만들어 내는 제조 기술로서, 3D모델 데이터로부터 정보를 받아 한 층씩 쌓아가는 방식으로 대상물을 가공하는 기술이다. 3D 프린팅은 복잡하거나 제품의 내부에 형성된 형상의 구현을 용이하게 해주는 장점을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 3D 프린팅 기술은 각종 산업용 부품과 의료용 재료 등 다양한 제품의 제작을 쉽게 해 줄 수 있는 고부가 가치 기술로 각광받고 있다.
3D 프린팅은 3차원 제품의 형상을 균일하거나 가변적인 두께를 가지는 수많은 2차원 단면으로 나누어 각 2차원 단면을 적층하여 형성하는 방식으로 진행될 수 있다. 3D 프린팅에는 1) Material extrusion 방식, 2) Material jetting 방식, 3) Binder jetting 방식, 4) Sheet lamination 방식, 5) Vat photopolymerization 방식, 6) Powder bed fusion 방식, 7) Directed energy deposition(DED) 방식 등이 있다. 그 중 DED 방식은 금속 파우더, 혹은 와이어 등의 소재에 레이저 등의 에너지를 집중시켜 그 소재를 녹여 붙이는 방식이다. DED 방식은 타 방식에 비해 저렴한 상용소재를 쓸 수 있다는 점, 기존에 존재하는 3D 형상에 적층할 수 있다는 점, 그리고 타 방식에 비해 기계 물성이 우수하다는 장점 때문에 널리 이용되고 있다.
DED 방식의 3D 프린팅에서는 집광부에서 조사되는 레이저빔이 기재에 조사되면서 용융풀이 형성되고, 용융풀 상에 금속 분말이 공급되면서 적층이 이루어지게 된다.
일반적으로 3D 프린팅 가공 제품은 3D 프린팅 공정이 완료된 후 선택한 샘플에 대해 비파괴 또는 파괴 테스트가 수행된다. 이때, 강성과 같은 목표 물성치를 달성하는 것은 3D 프린팅 공정에서 가장 중요한 문제 중 하나이지만, 3D 프린팅 공정 중에 이러한 물성치를 검사할 수 있는 기술은 개발된 사례가 없다. 따라서 강성(stiffness) 및 강도(strength)와 같은 물성치와 두께와 같은 치수에 대한 온라인 특성화 기술이나 시스템의 개발이 요구되고 있다.
또한, 3D 프린팅 시스템에서, 온도 및 비전 이미지와 같은 간단한 온라인 측정이 보고되었지만, 가스 및 가늘고 긴 기공(pore), 균열(crack) 및 박리(delamination) 등과 같은 결함의 온라인 검사 기법이나 시스템 역시 개발된 사례가 없다. 따라서 3D 프린팅 공정 중 결함을 감지할 수 있는 NDE(NonDestructive Evaluation) 기술의 개발이 요구되고 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 3D 프린팅 공정 중 제품의 결함이나 물성치를 실시간으로 검사할 수 있는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 3D 프린팅용 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔에 의해 적층부에 공급되는 모재를 녹임으로써 상기 적층부에 형성되는 용융풀의 열 화상을 획득하는 적외선 카메라; 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 초음파를 수광하는 레이저 초음파 장치; 및 상기 획득된 열 화상 및 상기 수광된 레이저 초음파의 응답을 기초로 상기 적층부의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행하는 제어부;를 포함하고, 상기 적외선 카메라 및 상기 레이저 초음파 장치는 3D 프린팅용 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 레이저 초음파의 응답의 추가적인 반사파 및 상기 열 화상의 열 에너지 분포의 변화에 따라 상기 적층부에 결함의 존재를 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 레이저 초음파의 응답의 도달시간 및 파동 속도와, 상기 열 화상의 열 에너지 전달 속도에 따라 상기 적층부의 강성(stiffness)을 추정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 펄스-에코(pulse-echo) 기법 또는 피치-캐치(Pitch Catch) 기법으로 상기 레이저 초음파의 응답을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템은 상기 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔 경로 상에 배치되며 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 빔의 일부를 상기 적외선 카메라 측으로 분리시키는 제1빔 스플리터; 및 상기 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔 경로 상에 배치되며 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 빔의 일부를 상기 초음파 장치 측으로 분리시키는 제2빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템은 상기 제1빔 스플리터와 상기 적외선 카메라 사이에 배치되며 상기 적외선 카메라의 파장 대역을 통과시키는 제1필터부; 및 상기 제2빔 스플리터와 상기 레이저 초음파 장치(80) 사이에 배치되며 상기 레이저 초음파 장치의 파장 대역을 통과시키는 제2필터부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적외선 카메라와 상기 레이저 초음파 장치는 상기 레이저 소스와 상이한 파장 대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적외선 카메라는 2~5㎛의 파장 대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 초음파 장치는 515㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 소스는 1.07㎛ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 레이저 초음파 장치는 펨토초 레이저 장치일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템은 상기 적층부의 이미지를 획득하는 비전 카메라; 상기 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔 경로 상에 배치되며 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 빔의 일부를 상기 비전 카메라 측으로 분리시키는 제3빔 스플리터; 및 상기 제3빔 스플리터와 상기 비전 카메라 사이에 배치되며 상기 비전 카메라의 파장 대역을 통과시키는 제3필터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 빔을 조사하여 적층부에 공급되는 모재를 녹임으로써 상기 적층부에 용융풀이 형성되도록 하는 레이저 소스; 상기 적층부로 모재를 공급하는 모재 공급원; 상기 용융풀의 열 화상을 획득하는 적외선 카메라; 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 초음파를 수광하는 레이저 초음파 장치; 및 상기 획득된 열 화상 및 상기 수광된 레이저 초음파의 응답을 기초로 상기 적층부의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행하는 제어부;를 포함하는 3D 프린팅 시스템이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 적외선 카메라 및 상기 레이저 초음파 장치는 상기 레이저 소스와 동축 상으로 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 모재는 금속 분말 또는 금속 와이어일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템은 열 화상과 레이저 초음파 응답을 융합함으로써 3D 프린팅 공정 중에 온라인 및 비파괴 기법으로 제품의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행할 수 있으므로 3D 프린팅 공정의 제어 정밀성 및 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 열 화상과 레이저 초음파 응답을 융합함으로써 더 양호한 검사 결과를 제공할 수 있으므로 3D 프린팅 공정 중 조기 폐기 또는 제품의 품질을 향상시키기 위한 실시간 피드백 제어를 제공할 수 있고 따라서 3D 프린팅 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 소스에 의해 적층부에서 용융풀, 열파 및 레이저 초음파가 생성되는 것을 모식적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 펄스-에코 기법에 의한 레이저 초음파와 열 화상의 데이터 융합 기반 결함 검출의 일례를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 피치-캐치 기법에 의한 레이저 초음파와 열 화상의 데이터 융합 기반 물성치 추정의 일례를 나타낸 도면, 그리고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 초음파와 열 화상의 데이터 융합 기반 강화된 결함 검출 및 물성치 추정의 일례를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템은 레이저를 이용하여 모재를 녹여 3차원의 물체를 형성하는 시스템으로서, 3D 프린팅 공정 동안 온라인으로 비파괴 평가(NDE; NonDestructive Evaluation)를 수행하도록 레이저 초음파와 열 화상의 데이터를 융합하는 시스템이다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템은 금속 분말을 레이저로 용융시켜 3차원 물체를 형성할 수 있는 DED 방식의 3D 프린팅 시스템일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템(1)은 레이저 소스(20), 모재 공급원(30), 초점렌즈(40), 노즐(50), 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70), 레이저 초음파 장치(80) 및 제어부(90)를 포함한다.
여기서, 레이저 소스(20), 모재 공급원(30), 초점렌즈(40) 및 노즐(50)은 일반적인 DED 방식의 3D 프린터(10)일 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에 적용될 수 있는 3D 프린터(10)가 DED 방식에 제한되는 것은 아니며, 용융풀을 금속으로 형성할 수 있는 3D 프린터라면 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템으로 구현할 수 있다.
또한, 3D 프린팅 시스템(1)은 DED 3D 프린터(10)에 동축으로 제공된 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70) 및 레이저 초음파 장치(80)를 포함할 수 있다. 즉, 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70) 및 레이저 초음파 장치(80)는 레이저 소스(20)와 동축 상에 배치된다. 여기서, 동축 배치는 복수의 레이저 빔과 광빔이 동일한 광로를 공유하도록 관련 구성요소들이 배치되어, 빔 스플리터, 다이크로익 미러(dichroic mirror), 필터 등에 의해 레이저 빔을 분리 및 투과시켜 광로를 공유하는 것을 의미한다.
이에 의해, 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70) 및 레이저 초음파 장치(80)의 위치를 제어하지 않아도 연속적으로 적층부(4)의 촬영 및 검사가 가능하다.
또한, 적외선 카메라(60), 레이저 초음파 장치(80) 및 제어부(90)는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템일 수 있다. 따라서 3D 프린팅 시스템(1)은 3D 프린터(10)와 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템을 포함한다.
도 1을 참조하면, 레이저 소스(20)는 적층부(4)로 레이저 빔(22)을 조사한다. 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22)은 초점렌즈(40)를 지나 적층부(4)로 조사된다. 이때, 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22)은 용융풀(2)까지 조사되는 동안 모재를 공급하기 위한 노즐(50)을 통과하여 지나도록 형성될 수 있다. 여기서, 레이저 소스(20)는 1.07㎛ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
모재 공급원(30)으로부터 공급된 모재는 예를 들어, 금속 분말 혹은 금속 와이어 형태로 별도의 공급관(32)을 통하여 노즐(50)로 공급된다. 모재를 적층부(4)로 공급하기 위하여 노즐(50)에 형성되는 모재의 이동 경로는 레이저 빔(22)이 지나는 경로와 나란하게 혹은 비스듬하게 형성될 수 있다. 적층부(4)로 공급된 모재는 레이저 빔(22)에 의하여 용융되어, 적층부(4)에는 용융풀(2)이 형성된다.
적층부(4)는 복수의 층이 적층되어 3차원 물체로 형성될 수 있다. 본 실시예를 설명하기 위한 도 1에서, 적층부(4)는 제1층(6) 및 제2층(8)으로 형성되고, 제2층(8)에 용융풀(2)이 형성된 상태가 도시되어 있다.
적외선 카메라(60)는 적층부(4)에 형성되는 용융풀(2)의 열 화상을 획득한다. 여기서, 적외선 카메라(60)가 촬영할 수 있는 적외선은 레이저 소스(20)가 발생시키는 레이저 빔(22)과는 상이한 파장 대역을 가질 수 있다. 일례로, 적외선 카메라(60)는 2~5㎛의 파장 대역의 적외선을 촬영할 수 있다.
레이저 소스(20)와 적외선 카메라(60) 간의 동축 배치 구성을 위해, 제1빔 스플리터(62)가 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제1빔 스플리터(62)는 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22)이 제1 빔 스플리터(62)와 초점렌즈(40) 등을 통과하여 적층부(4)에 입사된 후 적층부(4)로부터 반사되는 레이저 빔(22)의 일부를 적외선 카메라(60) 측으로 분리시킬 수 있다.
또한, 제1필터부(64)가 제1빔 스플리터(62)와 적외선 카메라(60) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제1필터부(64)는 적외선 카메라(60)가 촬영할 수 있는 적외선의 파장 대역을 통과시킬 수 있다. 이에 의해, 적외선 카메라(60)는 적층부(4)에 입사된 후 반사되어 제1 빔 스플리터(62)를 통해 전달된 레이저 빔(22)으로부터 자신의 촬영가능 파장 대역의 레이저 빔만 추출하여 열 화상을 획득할 수 있다.
비전 카메라(70)는 실화상을 촬영할 수 있다. 여기서, 비전 카메라(70)는 레이저 소스(20)와 상이한 파장 대역의 신호를 촬영할 수 있다. 일례로, 비전 카메라(70)는 600~900㎚의 파장 대역의 신호를 촬영할 수 있다.
레이저 소스(20)와 비전 카메라(70) 간의 동축 배치 구성을 위해, 제3 빔 스플리터(72)가 레이저 소스(20)로부터 출력된 레이저 빔(22)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제3 빔 스플리터(72)는 적층부(4)에 입사된 후 적층부(4)로부터 반사되는 레이저 빔(22)의 일부를 비전 카메라(70) 측으로 분리시킬 수 있다.
또한, 제3필터부(74)가 제3빔 스플리터(72)와 비전 카메라(70) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제3필터부(74)는 비전 카메라(70)가 촬영할 수 있는 파장 대역의 레이저 빔을 통과시킬 수 있다. 이에 의해, 비전 카메라(70)는 레이저 빔(22)으로부터 자신의 파장 대역의 레이저 빔만 추출하여 적층부(4)의 가공 상태 이미지를 획득할 수 있다.
레이저 초음파 장치(80)는 적층부(4)로부터 반사되는 레이저 초음파를 수광한다. 여기서, 레이저 초음파 장치(80)는 레이저 소스(20)와 상이한 파장 대역을 가질 수 있다. 일례로, 레이저 초음파 장치(80)는 515㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다. 또한, 레이저 초음파 장치(80)는 펨토초 레이저 장치일 수 있다.
레이저 소스(20)와 레이저 초음파 장치(80) 간의 동축 배치 구성을 위해, 제2빔 스플리터(82)가 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22) 경로 상에 배치될 수 있다. 제2빔 스플리터(82)는 적층부(4)에 입사된 후 적층부(4)로부터 반사되는 레이저 빔(22)의 일부를 레이저 초음파 장치(80) 측으로 분리시킬 수 있다.
또한, 제2필터부(84)가 제2빔 스플리터(82)와 레이저 초음파 장치(80) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제2필터부(84)는 레이저 초음파 장치(80)의 파장 대역을 통과시킬 수 있다. 이에 의해, 레이저 초음파 장치(80)는 레이저 빔(22)으로부터 자신의 파장 대역인 레이저 초음파만을 추출하여 수광할 수 있다.
여기서, 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70) 및 레이저 초음파 장치(80)의 동축 배치 구성을 위해, 빔 스플리터(62, 72, 82) 및 필터부(64, 74, 84)만 구비하는 것으로 도시되고 설명하였으나, 일정한 반사각을 갖는 미러 등과 같은 광 경로 변환기 또는 특정 파장 대역을 통과시키거나 반사시키는 다이크로익 미러를 포함할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1에서 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70) 및 레이저 초음파 장치(80)는 레이저 빔(22)에 대하여 일측에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 일례로, 적외선 카메라(60), 비전 카메라(70) 및 레이저 초음파 장치(80)는 빔 스플리터(62, 72, 82)의 변형에 따라 레이저 빔(22)에 대하여 양측으로 분산 배치될 수 있다.
제어부(90)는 적외선 카메라(60)에서 획득된 열 화상 및 레이저 초음파 장치(80)에서 수광된 레이저 초음파의 응답을 기초로 적층부(4)의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행한다.
이때, 제어부(90)는 후술하는 바와 같이, 펄스-에코(pulse-echo) 기법 또는 피치-캐치(Pitch Catch) 기법으로 레이저 초음파 응답을 산출할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 열 화상 및 레이저 초음파의 데이터 융합에 기반한 물성치 추정 및 결함 검출을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 소스에 의해 적층부에서 용융풀, 열파 및 레이저 초음파가 생성되는 것을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22)은 용융풀(2)을 형성하기 위해 적층부(4)에 조사된다.
이때, 레이저 빔(22)의 열 에너지 또는 용융풀(2)의 열에 의해 열파(3)가 생성될 수 있다. 생성된 열파(3)는 적층부(4)를 따라 전파한다. 여기서, 열파(3)는 적층부(4)의 열 에너지 분포, 열 에너지 전달 속도, 또는 열 확산율과 관련된다. 즉, 열 에너지 분포, 열 에너지 전달 속도, 또는 열 확산율은 적층부(4)의 물성치 및 결함 여부에 영향을 받는다.
또한, 레이저 빔(22)이 적층부(4)에서 반사됨에 따라 레이저 초음파(3a)가 생성될 수 있다. 즉, 적층부(4)의 두께 방향으로 진행한 레이저 빔(22)이 그 표면(상부 또는 하부)에서 반사되어 적층부(4)의 외부로 다시 방출되는데, 이와 같은 반사파가 레이저 초음파(3a)일 수 있다.
이때, 레이저 초음파(3a)는 적층부(4)에 대하여 응답으로서 도달시간 또는 파동 속도와 관련된다. 즉, 레이저 초음파(3a)의 도달시간 및 파동 속도는 적층부(4)의 물성치 및 결함 여부에 영향을 받는다. 여기서, 도달시간은 레이저 빔(22)의 조사 후 반사에 의한 레이저 초음파(3a)의 수광시간을 의미한다.
상술한 바와 같이, 열 화상 및 레이저 초음파(3a) 응답은 적층부(4)의 물성치와 결함 여부에 따라 상호작용한다. 즉, 열 화상 및 레이저 초음파(3a) 응답은 물성치 및 결함 여부를 나타내는 특징을 갖는다. 다시 말하면, 열 화상 및 레이저 초음파(3a) 응답은 적층부(4)의 물성치 및 결함 여부에 따라 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 펄스-에코 기법에 의한 레이저 초음파와 열 화상의 데이터 융합 기반 결함 검출의 일례를 나타낸 도면이다.
적층부(4)가 결함이 존재하지 않는 경우, 적층부(4)에 조사된 레이저 빔(22)은 적층부(4)의 표면에 의한 반사파(St)와 적층부(4)의 바닥면에 의한 반사파(Sr)를 생성할 수 있다. 여기서, 레이저 초음파(3a)의 응답은 펄스-에코 기법을 이용하며, 레이저 빔(22)의 조사 위치와 레이저 초음파(3a)의 수광 위치는 동일하다.
그러나 적층부(4)의 내부에 공극(void)과 같은 결함이 존재하는 경우, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 적층부(4)에 조사된 레이저 빔(22)은 공극에 의한 추가적인 반사파(Sr')를 생성할 수 있다. 즉, 추가적인 반사파(Sr')의 생성 여부에 따라 적층부(4)의 결함 여부를 판단할 수 있다. 다시 말하면, 정상적인 반사파(St, Sr) 이외의 추가적인 반사파(Sr')가 검출되면, 적층부(4)의 공극이 존재하는 것으로 추정할 수 있다.
한편, 반사파(St, Sr)에 의해 적층부(4)의 두께를 판단할 수 있다. 이때, 추가적인 반사파(Sr)는 결함에 의한 것인지 적층부(4)의 두께 변화에 의한 것인지 명확하지 않을 수 있다. 이를 보완하기 위해 열 화상의 데이터를 융합하여 결함 여부를 판단할 수 있다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 적층부(4)의 내부에 공극과 같은 결함이 존재하는 경우, 적층부(4)의 열 에너지의 이력이 변화할 수 있다. 즉, 적층부(4)의 열 에너지 분포가 변화할 수 있다. 이와 같이, 열 화상에 의한 적층부(4)의 열 에너지 분포의 변화 여부에 따라 적층부(4)의 결함 여부를 판단할 수 있다. 다시 말하면, 적층부(4)의 열 화상에서 열 에너지 분포가 변화하면, 적층부(4)의 결함이 존재하는 것으로 추정할 수 있다.
이때, 제어부(90)는 레이저 초음파의 응답의 추가적인 반사파 및 열 화상의 열 에너지 분포의 변화에 따라 적층부(4)에 결함의 존재를 검출할 수 있다. 이에 의해, 레이저 초음파의 응답 또는 열 화상의 열 에너지 분포의 변화만을 모니터링하는 경우에 비하여, 본 발명은 적층부(4)의 결함 여부를 더 정확하게 검출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 3D 프린팅 공정 중에 결함을 검출할 수 있으므로 제품을 공정 중에 조기 폐기함으로써 3D 프린팅 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시간 피드백 제어를 제어할 수 있으므로 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 피치-캐치 기법에 의한 레이저 초음파와 열 화상의 데이터 융합 기반 물성치 추정의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 레이저 초음파(3a)의 도달시간은 적층부(4)의 강성 등과 같은 물성치에 따라 변화한다. 여기서, 레이저 초음파(3a)의 응답은 피치-캐치 기법을 이용하며, 레이저 빔(22)의 조사 위치와 레이저 초음파(3a)의 수광 위치는 상이하다.
일례로, ①과 같이, 적층부(4)가 딱딱한(stiff) 경우, 레이저 초음파(3a)의 도달시간은 비교적 짧다. 또한, ②와 같이, 적층부(4)가 무른(soft) 경우, 레이저 초음파(3a)의 도달시간은 비교적 길어진다. 즉, 레이저 초음파(3a)의 도달시간에 따라 적층부(4)의 강성과 같은 물성치를 추정할 수 있다.
한편, 레이저 초음파(3a)의 도달시간은 적층부(4)에 의한 반사파로 측정되기 때문에 적층부(4)의 두께 변화에 의한 것일 수도 있다. 즉, 레이저 초음파(3a)의 도달시간 만으로는 적층부(4)의 물성치를 명확하게 추정할 수 없다. 이를 보완하기 위해 열 화상의 데이터를 융합하여 결함 여부를 판단할 수 있다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 적층부(4)의 물성치에 따라 열 전파 특성이 변화할 수 있다. 즉, 적층부(4)의 열 에너지 전달 속도가 변화할 수 있다. 여기서, 열 에너지 전달 속도는 적층부(4)의 열 확산율에 기인한다. 이와 같이, 적층부(4)의 열 에너지 전달 속도에 따라 적층부(4)의 강성과 같은 물성치를 추정할 수 있다.
이때, 제어부(90)는 레이저 초음파(3a) 응답의 도달시간 및 파동 속도와, 열 화상의 열 에너지 전달 속도에 따라 적층부(4)의 강성을 추정할 수 있다. 이에 의해, 레이저 초음파의 응답 또는 열 화상의 열 에너지 전달 속도의 변화만을 모니터링하는 경우에 비하여, 적층부(4)의 물성치를 더 정확하게 추정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 초음파와 열 화상의 데이터 융합 기반 강화된 결함 검출 및 물성치 추정의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, (a)와 같은 레이저 초음파(3a)의 응답과 (b)와 같은 열 화상에 따른 열 에너지 이력 또는 열 전파 특성의 데이터 융합에 의해 (c)와 같이 강화된 결함 감지 이미지를 생성할 수 있다. 따라서 적층부(4)의 결함 검출 및 물성치 추정을 더 정확하게 수행할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템은 3D 프린팅 공정 중에 온라인 및 비파괴 기법으로 제품의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행할 수 있으므로 3D 프린팅 공정의 제어 정밀성 및 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 더 양호한 검사 결과를 제공할 수 있으므로 3D 프린팅 공정 중 조기 폐기 또는 제품의 품질을 향상시키기 위한 실시간 피드백 제어를 제공할 수 있고 따라서 3D 프린팅 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 3D 프린팅 시스템 2 용융풀
3 : 열파 3a : 레이저 초음파
4 : 적층부 10 : 3D 프린터
20 : 레이저 소스 30 : 모재 공급원
40 : 초점렌즈 50 : 노즐
60 : 적외선 카메라 62 : 제1빔 스플리터
64 : 제1필터부 70 : 비전 카메라
72 : 제3빔 스플리터 74 : 제3필터부
80 : 레이저 초음파 장치 82 : 제2빔 스플리터
84 : 제2필터부 90 : 제어부

Claims (15)

  1. 3D 프린팅용 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔에 의해 적층부에 공급되는 모재가 녹을 때, 상기 적층부에 형성되는 용융풀의 열 화상을 획득하는 적외선 카메라;
    상기 3D 프린팅용 레이저 소스로부터 상기 적층부에 입사된 후 반사되는 상기 레이저 빔에 포함된 레이저 초음파를 수광하는 레이저 초음파 장치; 및
    상기 적외선 카메라가 획득한 열 화상 및 상기 레이저 초음파 장치가 수광한 상기 레이저 초음파의 응답에 기초하여 상기 적층부의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행하는 제어부를 포함하고,
    상기 적외선 카메라 및 상기 레이저 초음파 장치는 3D 프린팅용 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 초음파의 응답의 추가적인 반사파 및 상기 열 화상의 열 에너지 분포의 변화에 따라 상기 적층부에 결함의 존재를 검출하는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 초음파의 응답의 도달시간 및 파동 속도와, 상기 열 화상의 열 에너지 전달 속도에 따라 상기 적층부의 강성(stiffness)을 추정하는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 펄스-에코(pulse-echo) 기법 또는 피치-캐치(Pitch Catch) 기법으로 상기 레이저 초음파의 응답을 산출하는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔 경로 상에 배치되며 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 빔의 일부를 상기 적외선 카메라 측으로 분리시키는 제1빔 스플리터; 및
    상기 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔 경로 상에 배치되며 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 빔의 일부를 상기 레이저 초음파 장치 측으로 분리시키는 제2빔 스플리터;를 더 포함하는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1빔 스플리터와 상기 적외선 카메라 사이에 배치되며 상기 적외선 카메라의 파장 대역을 통과시키는 제1필터부; 및
    상기 제2빔 스플리터와 상기 레이저 초음파 장치 사이에 배치되며 상기 레이저 초음파 장치의 파장 대역을 통과시키는 제2필터부를 더 포함하는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 카메라와 상기 레이저 초음파 장치는 상기 레이저 소스와 상이한 파장 대역을 갖는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적외선 카메라는 2~5㎛의 파장 대역을 갖는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 초음파 장치는 515㎚ 이하의 파장 대역을 갖는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 1.07㎛ 이하의 파장 대역을 갖는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 초음파 장치는 펨토초 레이저 장치인 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적층부의 이미지를 획득하는 비전 카메라;
    상기 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔 경로 상에 배치되며 상기 적층부로부터 반사되는 레이저 빔의 일부를 상기 비전 카메라 측으로 분리시키는 제3빔 스플리터; 및
    상기 제3빔 스플리터와 상기 비전 카메라 사이에 배치되며 상기 비전 카메라의 파장 대역을 통과시키는 제3필터부를 더 포함하는 3D 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템.
  13. 레이저 빔을 조사하여 적층부에 공급되는 모재를 녹임으로써 상기 적층부에 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅용 레이저 소스;
    상기 적층부로 모재를 공급하는 모재 공급원;
    상기 용융풀의 열 화상을 획득하는 적외선 카메라;
    상기 3D 프린팅용 레이저 소스로부터 상기 적층부에 입사된 후 반사되는 상기 레이저 빔에 포함된 레이저 초음파를 수광하는 레이저 초음파 장치; 및
    상기 획득된 열 화상 및 상기 수광된 레이저 초음파의 응답을 기초로 상기 적층부의 물성치 추정 및 결함 검출을 수행하는 제어부를 포함하는 3D 프린팅 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적외선 카메라 및 상기 레이저 초음파 장치는 상기 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 3D 프린팅 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 모재는 금속 분말 또는 금속 와이어인 3D 프린팅 시스템.
KR1020190179186A 2019-12-31 2019-12-31 3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템 KR102194694B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190179186A KR102194694B1 (ko) 2019-12-31 2019-12-31 3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템
US17/130,641 US20210197287A1 (en) 2019-12-31 2020-12-22 Integrated inspection system for 3d printing process based on thermal image and laser ultrasound wave and 3d printing system having the same
CN202011608777.8A CN113118472A (zh) 2019-12-31 2020-12-30 基于热图像和激光超声波的用于3d打印过程的集成检查系统以及具有其的3d打印系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190179186A KR102194694B1 (ko) 2019-12-31 2019-12-31 3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102194694B1 true KR102194694B1 (ko) 2020-12-24

Family

ID=74087351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190179186A KR102194694B1 (ko) 2019-12-31 2019-12-31 3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210197287A1 (ko)
KR (1) KR102194694B1 (ko)
CN (1) CN113118472A (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113084193A (zh) * 2021-03-22 2021-07-09 中国人民解放军空军工程大学 一种激光选区熔化技术原位质量综合评价方法
CN113500213A (zh) * 2021-06-15 2021-10-15 南京航空航天大学 减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置
CN113523304A (zh) * 2021-06-15 2021-10-22 南京航空航天大学 减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置
KR102606270B1 (ko) * 2023-05-08 2023-11-27 고려공업검사 주식회사 초음파탐상법을 이용한 3d프린터용 자동 비파괴검사시스템
KR102608455B1 (ko) * 2023-05-08 2023-12-01 고려공업검사 주식회사 위상배열초음파탐상법을 이용한 3d프린터용 자동 비파괴검사시스템
US11867638B2 (en) * 2020-10-28 2024-01-09 Lawrence Livermore National Security, Llc System and method for in situ inspection of defects in additively manufactured parts using high speed melt pool pyrometry

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102235761B1 (ko) * 2019-12-31 2021-04-02 한국과학기술원 3d 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템
KR102236149B1 (ko) * 2019-12-31 2021-04-06 한국과학기술원 3d 프린팅 시스템 및 이의 실시간 피드백 공정제어 방법

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05337662A (ja) * 1992-06-04 1993-12-21 Miyachi Technos Kk 溶接良否判定方法及び装置
KR20100107932A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 한국기계연구원 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치
JP2012006078A (ja) * 2010-05-21 2012-01-12 Toshiba Corp 溶接システムおよび溶接方法
KR20120039216A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 한국과학기술원 초음파를 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법
KR20120039222A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 한국과학기술원 펄스 레이저의 분산 조절을 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법
JP2015530925A (ja) * 2012-08-06 2015-10-29 リヴァス，ヴィクター，エイ． 表面積及び熱エネルギーの散逸が増大するようにフェムト秒パルスレーザ技術によりナノ加工した材料
JP2016502603A (ja) * 2012-11-08 2016-01-28 ディーディーエム システムズ， インコーポレイテッド 金属構成要素の加法的製造および修復
JP2017164801A (ja) * 2016-03-17 2017-09-21 ファナック株式会社 機械学習装置、レーザ加工システムおよび機械学習方法
JP2018075831A (ja) * 2016-10-11 2018-05-17 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 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
JP2018100954A (ja) * 2016-10-18 2018-06-28 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 付加製造部品のサーモグラフィ検査のための方法およびシステム
JP2018524476A (ja) * 2015-07-18 2018-08-30 ヴァルカンフォームズ インコーポレイテッド 空間制御された材料の溶融による付加製造
JP2018536092A (ja) * 2015-11-16 2018-12-06 レニショウ パブリック リミテッド カンパニーＲｅｎｉｓｈａｗ Ｐｕｂｌｉｃ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ 付加製造方法および装置
JP2019122976A (ja) * 2018-01-15 2019-07-25 株式会社タマリ工業 レーザ溶接装置及びレーザ溶接品質判定装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0601982D0 (en) * 2006-02-01 2006-03-15 Rolls Royce Plc Method and apparatus for examination of objects and structures
DE602007006307D1 (de) * 2006-06-20 2010-06-17 Univ Leuven Kath Verfahren und vorrichtung zur in-situ-überwachung und rückkopplungssteuerung selektiver laserpulverbearbeitung
KR101253913B1 (ko) * 2011-08-01 2013-04-16 주식회사 포스코 다중 빔 헤드를 가지는 레이저 초음파 장치 및 이를 이용한 신호 처리 방법
NL2007972C2 (en) * 2011-12-15 2013-06-18 Heerema Marine Contractors Nl An inspection apparatus for inspection of a weld and method of welding two components.
JP5951332B2 (ja) * 2012-04-13 2016-07-13 株式会社東芝 レーザ超音波検査装置及び方法
WO2016081651A1 (en) * 2014-11-18 2016-05-26 Sigma Labs, Inc. Multi-sensor quality inference and control for additive manufacturing processes
US10173262B2 (en) * 2016-02-04 2019-01-08 The Aerospace Corporation Systems and methods for monitoring temperature using acoustic waves during processing of a material
US11402356B2 (en) * 2019-12-12 2022-08-02 Provenance Laboratories LLC Object identification system and method

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05337662A (ja) * 1992-06-04 1993-12-21 Miyachi Technos Kk 溶接良否判定方法及び装置
KR20100107932A (ko) * 2009-03-27 2010-10-06 한국기계연구원 초음파 진동을 사용하는 하이브리드 레이저 가공 장치
JP2012006078A (ja) * 2010-05-21 2012-01-12 Toshiba Corp 溶接システムおよび溶接方法
KR20120039216A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 한국과학기술원 초음파를 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법
KR20120039222A (ko) * 2010-10-15 2012-04-25 한국과학기술원 펄스 레이저의 분산 조절을 이용한 레이저 가공장치 및 가공방법
JP2015530925A (ja) * 2012-08-06 2015-10-29 リヴァス，ヴィクター，エイ． 表面積及び熱エネルギーの散逸が増大するようにフェムト秒パルスレーザ技術によりナノ加工した材料
JP2016502603A (ja) * 2012-11-08 2016-01-28 ディーディーエム システムズ， インコーポレイテッド 金属構成要素の加法的製造および修復
JP2018524476A (ja) * 2015-07-18 2018-08-30 ヴァルカンフォームズ インコーポレイテッド 空間制御された材料の溶融による付加製造
JP2018536092A (ja) * 2015-11-16 2018-12-06 レニショウ パブリック リミテッド カンパニーＲｅｎｉｓｈａｗ Ｐｕｂｌｉｃ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ 付加製造方法および装置
JP2017164801A (ja) * 2016-03-17 2017-09-21 ファナック株式会社 機械学習装置、レーザ加工システムおよび機械学習方法
JP2018075831A (ja) * 2016-10-11 2018-05-17 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 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
JP2018100954A (ja) * 2016-10-18 2018-06-28 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 付加製造部品のサーモグラフィ検査のための方法およびシステム
JP2019122976A (ja) * 2018-01-15 2019-07-25 株式会社タマリ工業 レーザ溶接装置及びレーザ溶接品質判定装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11867638B2 (en) * 2020-10-28 2024-01-09 Lawrence Livermore National Security, Llc System and method for in situ inspection of defects in additively manufactured parts using high speed melt pool pyrometry
CN113084193A (zh) * 2021-03-22 2021-07-09 中国人民解放军空军工程大学 一种激光选区熔化技术原位质量综合评价方法
CN113084193B (zh) * 2021-03-22 2022-10-21 中国人民解放军空军工程大学 一种激光选区熔化技术原位质量综合评价方法
CN113500213A (zh) * 2021-06-15 2021-10-15 南京航空航天大学 减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置
CN113523304A (zh) * 2021-06-15 2021-10-22 南京航空航天大学 减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置
KR102606270B1 (ko) * 2023-05-08 2023-11-27 고려공업검사 주식회사 초음파탐상법을 이용한 3d프린터용 자동 비파괴검사시스템
KR102608455B1 (ko) * 2023-05-08 2023-12-01 고려공업검사 주식회사 위상배열초음파탐상법을 이용한 3d프린터용 자동 비파괴검사시스템

Also Published As

Publication number Publication date
CN113118472A (zh) 2021-07-16
US20210197287A1 (en) 2021-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102194694B1 (ko) 3d 프린팅 공정의 열 화상 및 레이저 초음파 통합 검사 시스템 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템
US11484945B2 (en) Method of feedback controlling 3D printing process in real-time and 3D printing system for the same
CN110799286B (zh) 用于增材制造的方法和设备
JP6754439B2 (ja) レーザビームによる接合中に接合継ぎ目を監視するための方法および装置
KR102226094B1 (ko) 3d 프린팅 공정 중 펨토초 레이저 빔을 이용하여 프린팅 대상물의 적층 품질을 검사하는 방법, 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템
US20170066084A1 (en) Thermography for quality assurance in an additive manufacturing process
US20210197275A1 (en) Three dimensional printing system and method capable of controlling size of molten pool formed during printing process
US11590579B2 (en) Method and apparatus for estimating depth of molten pool during printing process, and 3D printing system
US20060029121A1 (en) Test apparatus and test method for the nondestructive testing in particular of membrane electrode assemblies for use in fuel cells, which can be integrated in production
JP2007024674A (ja) 表面・表層検査装置、及び表面・表層検査方法
CN108169282A (zh) 差动式激光诱导红外热成像无损检测系统及方法
WO2000075630A1 (en) High speed flaw detecting apparatus and method for reflective material
JP7481132B2 (ja) 欠陥検出方法、欠陥検出装置及び造形装置
WO2021054127A1 (ja) 積層造形システム
US20210197282A1 (en) Method and apparatus for estimating height of 3d printing object formed during 3d printing process, and 3d printing system having the same
KR102262247B1 (ko) 3d 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템
JP2008016778A (ja) 半導体検査装置および半導体検査方法
KR20200017066A (ko) 완전 비접촉 레이저 초음파 기반 3차원 구조물 결함 가시화 장치 및 방법
JP2008279497A (ja) 溶接割れ検出方法
CN113063736B (en) Femtosecond laser-based ultrasonic measurement apparatus for 3D printing process and 3D printing system having the same
KR102493099B1 (ko) 레이저 초음파 탐상 및 파수신호처리 기반 비접촉 고온 슬리브강의 온도 측정장치 및 그 온도측정방법
Gattani et al. Laser ultrasound wave propagation in multi-layer laser-welded joints and implications on substrate interface defect detection
JP7305495B2 (ja) 検査装置及び検査方法
JP6877312B2 (ja) 付加製造方法及び付加製造システム
JP2006170953A (ja) 板状体の歪み検出方法及び歪み検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant