KR20170023729A - 인-시튜 레이저 초음파 검사를 이용한 적응적 적층 제조 프로세스 - Google Patents

인-시튜 레이저 초음파 검사를 이용한 적응적 적층 제조 프로세스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적층 제조 프로세스에 관한 것이며, 적층 제조 프로세스는: 고체 증착부(28)를 갖는 고체 증착 층(10)을 형성하기 위해 선택적 레이저 가열 프로세스를 통해 파우더(18)의 층을 선택적으로-가열하는 단계 ― 고체 증착 층은 컴포넌트의 부분(24)을 구성함 ―; 파-생성 레이저 빔(42)을 고체 증착부의 표면(44)에 지향시키기 위해 그 표면으로부터 이격된 파 생성 레이저(40) 세트를 이용함으로써 컴포넌트의 완성 전에 고체 증착부를 통해 초음파 에너지파들(50, 60)을 전파하는 단계; 전파된 초음파 에너지파들(62)을 검출하는 단계; 고체 증착부의 물리적 특징에 관한 정보를 위해 전파된 초음파 파들을 평가하는 단계; 및 고체 증착부에 관해 획득된 정보에 응답하는 방식으로 다른 고체 증착 층(80)을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

인-시튜 레이저 초음파 검사를 이용한 적응적 적층 제조 프로세스{ADAPTIVE ADDITIVE MANUFACTURING PROCESS USING IN-SITU LASER ULTRASONIC TESTING}
본 발명은, 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)에서 층들의 형성 사이에 발생하는 컴포넌트(component)의 인-시튜 레이저 초음파 검사(in-situ, laser ultrasonic testing)에 관한 것이다.
적층 제조는 종종, 매우 얇은 층들로 제조되도록 대상물(object)의 3차원 표현을 슬라이싱(slicing)하고, 이에 의해, 각각의 층의 2차원 이미지(image)를 생성함으로써 시작된다. 각각의 층을 형성하기 위해, 선택적 레이저 용융(SLM; selective laser melting) 및 선택적 레이저 소결(SLS; selective laser sintering)과 같은 대중적인 레이저 적층 제조 기법들은 수평면 상에 정확한 두께의 금속 파우더(powder)의 얇은 층의 기계적 사전-배치를 포함한다. 이러한 사전-배치는 파우더의 균일한 층을 스위핑(sweep)하기 위해 또는 그 층을 스크리딩(screed)하기 위해 기계적 와이퍼(wiper)를 이용함으로써 달성되며, 그 후에, 각각의 층에 대한 고체 재료의 2차원 패턴(pattern)에 따라 레이저와 같은 에너지 빔(energy beam)이 파우더 층에 걸쳐 인덱싱된다(indexed). 각각의 층에 대한 인덱싱 동작(indexing operation)이 완료된 후에는, 증착된 재료의 수평면이 낮아지고, 그 프로세스는 3차원 부분이 완성될 때까지 반복된다.
관련된 완성된 부분의 물리적 특징은 결함들(공극들, 균열들 등)뿐만 아니라 상당한 양의 잔류 응력(residual stress)을 포함하는데, 그 이유는, 부분적으로 잔류 응력이 뒤틀림(warping) 및 조기 균열(premature cracking)을 야기할 수 있기 때문이다. 컴포넌트의 고체 부분에서의 잔류 응력의 양에 관한 지식은 중앙-홀 드릴링(center-hole drilling)과 같은 알려진 기법들을 이용하여 결정될 수 있다. 그러나, 그 알려진 기법들은 재료의 제거를 필요로 하며, 그러므로 적어도 준-파괴적(semi-destructive)이다. X-선(X-ray) 및 중성자 회절 기법들은 비-파괴적이지만, X-선 및 중성자 회절 기법들은 고비용이며, 인-시튜(in-situ)로 수행될 수 없다. 추가하여, 이러한 기법들은 평가가 수행되도록 하기 위해 컴포넌트의 제거를 필요로 한다. 자기 검사(magnetic testing)도 또한 비-파괴적이지만, 자기 검사는 자화와 강자성 재료의 탄성 변형도 사이의 상호작용에 의존한다. 결과적으로, 자기 검사는 필연적으로 강자성 재료들로 제한된다. 물리적 특징들의 레이저 초음파 검출이 용접 및 접합 분야에서 알려져 있지만, 적층 제조 분야에서는 거의 알려지지 않았고, 이들은 컴포넌트의 형성과 동시에 그리고/또는 형성되고 있는 컴포넌트 상에서 직접적으로 수행되지 않는다. 따라서, 잔류 응력 또는 결함들과 같은 물리적 특징의 검출을 위한 개선된 비-파괴적 프로세스에 대한 여지가 당해 기술분야에 남아있다.
본 발명은 다음을 도시하는 도면들을 고려하여 다음의 설명에서 설명된다:
도 1은 레이저 적층 제조 프로세스를 도시한다.
도 2는 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스를 도시한다.
도 3은 적층 제조 프로세스 동안 이용되는 파라미터(parameter)들을 달리함으로써 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스 후에 고체 증착 층(solid deposit layer)을 형성하는 옵션(option)을 도시한다.
도 4는 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스 후에 잔류 응력-제거 프로세스(residual stress-relieving process)를 수행하는 옵션을 도시한다.
도 5는 고체 증착부(solid deposit) 상에서 수행되는 레이저 적층 제조 프로세스 및 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스를 도시한다.
도 6은 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스를 이용한 적층 제조 프로세스의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다.
많은 제조 프로세스와 마찬가지로, 선택적 레이저 가열 프로세스들(예컨대, SLM, SLS)은 물리적 특징들, 이를테면, 결함 및/또는 잔류 응력의 축적을 초래한다. 잔류 응력의 레벨(level)은 높을 수 있고, 컴포넌트의 구조적 무결성에 영향을 줄 수 있다. 결과적으로, 존재하는 잔류 응력의 양뿐만 아니라 임의의 다른 결함들도 아는 것이 유익하다. 본 발명자들은, 잔류 응력이 각각의 층 내에서 발생할 수 있고, 추가의 층들의 형성에 따라 축적될 수 있다는 것, 및 적층 제조 프로세스 동안 물리적 특징들을 식별하는 것이 유익할 것임을 인식했다.
예컨대, 블레이드 팁(blade tip)을 구축하는데 있어서의 잔류 응력 제어와 연관된 종래의 기법들은 잔류 응력들을 균일화(even-out)하기 위해 측부마다 레이저 빔의 적용을 교번하는 것을 포함한다. 그 다음으로, 이러한 부분들은 잔류 응력들을 추가로 완화하기 위해 열처리될 수 있다. 그러나, 이러한 프로세스들은 반드시 컴포넌트의 형성 동안 잔류 응력을 측정하는 것이 아니라, 대신에 미리 결정된 양만큼의 잔류 응력의 존재를 예측하고 그리고 그 다음으로, 추정된 잔류 응력을 수용/완화한다. 용융 풀(melt pool)의 이미지를 캡쳐(capture)하기 위해 카메라(camera)를 이용함으로써, 적층 제조 프로세스에서 층을 형성하기 위해 이용되는 용융 풀의 특징들이 평가될 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 기법이 용융 풀에 관한 정보를 제공하는 반면, 이러한 기법은 용융 풀이 고체화된 후에 존재할 수 있는 물리적 특징들에 관한 정보를 제공하지 않고, 용융 풀 하에서의 층들의 물리적 특징들에 관한 정보도 제공하지 않는다.
본 발명자들은, 컴포넌트가 형성됨에 따라 컴포넌트 내의 물리적 특징들을 모니터링(monitor)하고 물리적 특징들에 관해 학습되는 것에 대한 응답으로 적층 제조 프로세스를 적응시키는 적층 제조 프로세스를 개발했다. 물리적 특징(예컨대, 잔류 응력)은 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스를 이용하여 모니터링되며(monitored), 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스는, 가장-최근에 형성된 고체 증착 층의 표면 상으로 파-생성 레이저 빔을 지향시키기 위해 컴포넌트로부터 이격되어 배치된 레이저를 이용한다. 비-접촉식 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스들은 예컨대, Daniel Levesque 등에 의해, Defect Detection and Residual Stress Measurement in Friction Stir Welds using Laser Ultrasonics(1st International Symposium on Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications. July 16-18 2008, Montreal, Canada)에서 설명된 바와 같이 당해 기술분야에 알려져 있다. 잔류 응력의 레이저 초음파 검출은 예컨대, Karabutov, Alexander 등에 의해, Laser Ultrasonic Diagnostics of Residual Stress(Ultrasonics, 48, 631-635 (2008))에 설명되어 있다.
이러한 프로세스에서, 파-생성 레이저 빔은, 가장-최근에 형성된 고체 증착 층을 통해서뿐만 아니라 임의의 기저(underlying) 고체 증착 층들을 통해서도 음파들이 전파되도록 야기한다. 초음파 에너지파(ultrasonic energy wave)들은 컴포넌트 내에서 반사되고, 반사된 초음파 에너지파들은 알려진 기법들을 이용하여 파-검출 레이저 빔에 의해 검출될 수 있다. 초음파 에너지파들이 분석되어, 가장-최근에 형성된 고체 증착 층 및/또는 임의의 기저 고체 증착 층들의 잔류 응력 및/또는 결함들이 결정될 수 있다. 원하는 경우, 적층 제조 프로세스는 잔류 응력을 수용 및/또는 완화하기 위해 필요에 따라 조정될 수 있다. 조정들은 후속적으로 형성되는 고체 증착 층이 형성되는 방식을 변경하는 것 및/또는 다른 고체 증착 층을 형성하기 전에 컴포넌트 상에서 잔류 응력-제거 프로세스를 수행하는 것을 포함한다.
도 1은 이전에 형성된 고체 증착 층들(12) 상에 고체 증착 층(10)이 형성되는 레이저 적층 제조 프로세스의 예시적 실시예를 도시한다. 적층 제조 프로세스 동안, 가열 레이저(14)는, 고체 증착 층(10)을 형성하기 위해 파우더(18)를 가열하도록 레이저 빔(16)을 파우더(18)를 향해 선택적으로 지향시킨다. 레이저 빔(16)은 선택적 레이저 소결 프로세스의 부분으로서 파우더 입자들을 함께 소결할 수 있다. 대안적으로, 레이저 빔(16)은 파우더 입자들을 함께 용융 풀(20)에서 용융할 수 있고, 용융 풀(20)은 그 다음으로, 고체 증착 층(10)을 형성하기 위해 고체화된다. 고체 증착 층(10) 및 이전에 형성된 고체 증착 층들(12)은 스택(stack)(22)을 구성하며, 스택(22)은 형성되고 있는 컴포넌트(도시되지 않음)의 부분(24)이다. 고체 증착 층(10)의 형성 동안, 하나 이상의 고체 증착부들(28)이 형성되고, 하나 이상의 고체 증착부들(28)은 층이 완성될 때, 고체 증착 층(10)을 형성한다. 하나의 고체 증착부(28)가 형성되어, 고체 증착 층(10)이 형성될 때까지 계속해서 성장할 수 있다. 대안적으로, 복수의 이산 고체 증착부들(28)이 연합하여 고체 증착 층(10)을 형성할 때까지, 복수의 이산 고체 증착부들(28)이 임의의 패턴으로 형성될 수 있다.
선택적 레이저 가열 프로세스는 파라미터들의 세트(set)를 이용하여 수행될 수 있다. 프로세스 파라미터들은 파우더-관련 파라미터들, 이를테면, 입자 크기, 및 층 두께(30) 등을 포함한다. 파우더 입자들의 크기는 전체 층에 대해 가변될 수 있거나 또는 층 내에서 국부적으로 가변될 수 있다. 예컨대, 더 미세한 파우더 입자들은 가열하기 위해 더 적은 에너지를 요구하는 반면, 더 큰 입자 크기들은 더 많은 열을 요구한다. 그 다음으로, 입자 크기는 국부적 잔류 응력을 제거하기 위해 필요한 국부적 가열 요건들에 매칭(match)되도록 가변될 수 있다.
이러한 프로세스 파라미터들은 또한, 레이저-관련 파라미터들, 이를테면, 레이저 빔 횡단의 방향(32), 레이저 빔 에너지, 레이저 빔 직경(34), (파우더에 걸친) 레이저 빔 횡단 속도(laser beam traversal rate)를 포함할 수 있다. 펄스-레이저(pulse-laser)의 경우, 레이저 특징들은 펄스 특징들, 이를테면, 주파수 및 지속기간 등을 포함할 수 있다. 추가하여, 고체 증착 층(10)을 형성할 때 취해지는 레이저 경로가 가변될 수 있다. 예컨대, 고체 증착 층(10)을 형성하기 위해 증착되는 파우더(18)의 하나의 단부로부터 다른 단부로의 경로를 따르는 대신에, 레이저 빔(16)은 증착되는 파우더(18)에서 하나의 위치로부터 다른 원격의 위치로 이리저리 점프(jump)할 수 있다. 이러한 경우에서, 레이저 빔(16)은 먼저, 검출된 잔류 응력을 제거하기에 효과적인 방식으로 파우더(18)에서의 위치 또는 위치들을 프로세싱(process)하고, 그 다음으로, 고체 증착 층(10)을 완성하기 위해 남은 파우더(18)를 프로세싱할 수 있다.
도 2는 레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스를 도시한다. 프로세스는 고체 증착 층(10)의 완성 후에 구현될 수 있는데, 이 경우, 파 생성 레이저(40)는 파 생성 레이저 빔(42)을 방출하고, 파 생성 레이저 빔(42)은 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)의 표면(44)을 향해 지향된다. 대안적으로 또는 추가하여, 프로세스는 고체 증착 층(10)의 형성 동안 구현될 수 있다. 이러한 예시적 실시예에서, 파-생성 레이저(40)는 부분적으로 형성된 고체 증착 층(10)의 고체 부분인 고체 증착부의 표면(44)을 향해 파-생성 레이저 빔(42)을 방출한다. 프로세스는 일반적으로 본원에서 고체 증착 층(10)에 대해 설명되지만, 그 원리들은 형성되고 있는 고체 증착 층(10)의 고체화된 부분(예컨대, 고체 증착부)에 적용가능한 것으로 이해된다.
파-생성 레이저(40)는 이러한 프로세스 동안 표면으로부터 원격에(즉, 표면(44)과 접촉하지 않고) 위치될 수 있다. 파-생성 레이저 빔(42)이 표면(44)에 접촉할 때, 초음파 에너지파들(48)이 생성된다. 이러한 초음파 에너지파들(50)은 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)을 통해 전파되고, 임의의 수의 피쳐(feature)들을 반영할 수 있다. 이러한 피쳐들은 계면(52), 이를테면, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)과 인접한 기저 증착 층(54) 사이의 계면(52), 스택(22)의 하부 표면(56), 또는 결함(58), 이를테면, 공극 또는 균열을 포함한다. 이러한 피쳐들을 직면할 때, 초음파 에너지파들(48)이 반사되고, 이에 의해, 반사된 초음파 에너지파들(60)이 생성될 수 있다. 반사된 초음파 에너지파들(60)은, 최종적으로 표면(44)에 도달할 때까지 스택(22)을 통해 전파된다. 파-검출 레이저(70)는 파-검출 레이저 빔(72)을 생성하며, 파-검출 레이저 빔(72)은 표면(44)을 향해 지향되고, 파-검출 레이저(70)를 향해 다시(back) 반사되어서, 반사된 초음파 에너지파들(60)에 관한 정보를 자신과 함께 반송한다. 대안적으로, 초음파 에너지파들(50) 중 일부는 파-검출 레이저(70)에 의해 검출될 때까지, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)을 통해 방해받지 않으면서 이동할 수 있다. 결과적으로, 파-검출 레이저(70)에 의해 검출되는 전파된 에너지파들(62)은 방해받지 않은 초음파 에너지파들(50) 및/또는 반사된 초음파 에너지파들(60)을 포함할 수 있다.
예시적 실시예에서, 가열 레이저(14), 파-생성 레이저(40), 및 파-검출 레이저(70)는 별개의 레이저들일 수 있다. 대안적으로, 단일 레이저는 레이저들(14, 40, 70) 중 임의의 2개 또는 3개 모두일 수 있다. 예컨대, 단일 레이저가, 파우더(18)를 프로세싱하는데 이용되고 그리고 그 다음으로 초음파 에너지파들(50)을 생성하기 위해 표면(44)을 핑(ping)하는데 이용될 수 있다. 그 동일한 단일 레이저가 또한, 전파된 에너지파들(62)을 검출하는데 이용될 수 있거나, 또는 별개의 레이저가 전파된 에너지파들(62)을 검출하는데 이용될 수 있다. 전파된 파들을 검출할 때, 파-검출 레이저(70)는 예컨대, 당해 기술분야에 알려진 바와 같은 간섭계(interferometer)와 함께 이용될 수 있다.
에너지파들이 통과하는 재료의 물리적 특징들은 에너지파의 특징들을 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 전파된 에너지파들(62)은 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46) 및/또는 이전에 형성된 고체 증착 층들(12)의 물리적 특징들에 관한 정보를 반송한다. 전파된 에너지파들(62)의 특징들의 분석은, 특정 피쳐들(예컨대, 공극들 및/또는 균열들)이 존재하는지의 여부뿐만 아니라 존재하는 잔류 응력의 양을 포함하는 물리적 특징들에 관한 결정이 이루어지는 것을 가능하게 한다.
정보는 전파되는 에너지파들(62)의 특징들로부터 직접적으로 수집될 수 있다. 예컨대, 전파되는 에너지파들의 특징(예컨대, 진폭 등)이 임계치의 일측 또는 다른 측에 떨어지면, 잔류 응력을 완화하거나 또는 보상하기 위해 적층 제조 프로세스의 변경과 같은 미리 결정된 동작이 취해질 수 있다. 대안적으로 또는 추가하여, 전파된 에너지파들(62)의 특징들이 평가되고 그 평가로부터 물리적 특징들이 추론될 수 있다. 그 다음으로, 이러한 물리적 특징들은 수용가능성에 대해 평가될 수 있으며, 수용불가한 경우, 잔류 응력을 완화하거나 또는 보상하기 위해 적층 제조 프로세스의 변경과 같은 동작이 취해질 수 있다. 발견된 결함의 경우에서, 적층 제조 프로세스는 그 부분을 리워딩(reword)하고 그 다음으로 마무리하기 위해, 또는 그 부분을 폐기하기 위해, 중단될 수 있다.
레이저 초음파 물리적 특징 검출 프로세스는 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46) 상에서 수행되고, 여기서, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)은 고체 상태이다. 예컨대, 레이저 초음파 검출 프로세스는, 전체적인 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)이 형성되어 주위 온도로 냉각된 후에 수행될 수 있다. 레이저 초음파 검출 프로세스는, 파우더(18)가 레이저로 처리된 직후에 수행될 수 있으며, 이 경우, 프로세싱되는(processed) 재료는 비교적 따뜻할 것이다. 선택적 레이저 용융의 경우, 재료는 거의 그 재료의 용융 온도일 수 있다. 재료가 냉각됨에 따라 특징들 및 잔류 응력의 양이 변화되기 때문에, 후자의 경우에서 검출된 잔류 응력은, 일단 컴포넌트가 완성되어 주위 온도가 될 때의 잔류 응력과 동일하지 않다.
비교적 따뜻한 온도에서 검출된 잔류 응력과 추가의 냉각 후의 것일 잔류 응력 사이의 연관성을 도출하기 위해, 파라미터 데이터(parametric data)가 이용될 수 있다. 레이저 처리가 완료된 바로 후에 레이저 초음파 검출 프로세스를 수행하는 것은, 그 부분이 냉각되기를 기다리고 그 다음으로 레이저 초음파 검출 프로세스를 수행하는데 걸리는 시간과 비교할 때, 상당한 양의 시간을 절약할 수 있다. 이는 또한, 레이저 초음파 검출 프로세스 이후의 냉각 동안 형성될 것으로 예측되는 잔류 응력의 형성을 미연에 방지할 수 있는 덜 극단적인 정정 동작을 허용할 수 있다. 파라미터 데이터는, 가변 온도들 및 완료 상태들 등에서 컴포넌트들의 잔류 응력을 실제로 측정하여, 그 데이터를 측정된 데이터에 적용함으로써 발전될 수 있다. 대안적으로 또는 추가하여, 냉각될 때의 잔류 응력은 다양한 모델링 알고리즘(modeling algorithm)들 등을 통해 예측될 수 있다.
예시적 실시예에서, 레이저 초음파 검출 프로세스는, 고체 증착 층(10)이 형성될 때마다 만큼 자주 발생할 수 있다. 대안적으로, 레이저 초음파 검출 프로세스는, 매 다른 고체 증착 층(10)마다, 또는 매 3번째 고체 증착 층(10)마다 등과 같은 미리 결정된 간격들로 발생할 수 있다. 레이저 초음파 검출 프로세스가 언제 발생해야 하는지를 결정하기 위해 이용되는 프로세스에, 컴포넌트 및/또는 고체 증착 층(10)의 기하학적 구조를 비롯한 다른 팩터(factor)들이 포함될 수 있다. 예컨대, 필릿(fillet)과 같은 응력 라이저(stress riser)가 형성되거나 또는 냉각시에 높은 잔류 응력을 받는 임의의 기하학적 구조가 형성되는 경우, 레이저 초음파 검출 프로세스는 컴포넌트 형성 동안 더 빈번하게 발생할 수 있다. 역으로, 기하학적 구조가 잔류 응력을 덜 받는 경우, 레이저 초음파 검출 프로세스는 컴포넌트 형성 동안 덜 빈번하게 발생할 수 있다.
레이저 초음파 검출 프로세스가 언제 발생하는지는 적층 제조 프로세스에 내장된 디폴트 패턴(default pattern)일 수 있다. 그러나, 적층 제조 프로세스는, 적층 제조 프로세스 동안 검출된 잔류 응력들에 대한 응답으로 적층 제조 프로세스 동안 디폴트 패턴을 수정할 수 있다. 예컨대, 디폴트 패턴이, 적층 제조 프로세스 동안 주어진 포인트(point)에서 예측되는 잔류 응력의 특정 레벨에 기초하는 경우, 그리고 주어진 포인트에서의 실제 잔류 응력이 더 적은 경우, 디폴트 패턴은, 다음번 레이저 초음파 검출 프로세스 전에, 디폴트 패턴으로 형성되었을 고체 증착 층(10)보다 더 많은 고체 증착 층들(10)이 형성될 수 있도록, 수정될 수 있다. 예컨대, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46) 이후에, 그리고 다시 단지 3개의 더 많은 고체 증착 층들(10)이 형성된 이후에, 레이저 초음파 검출 프로세스가 발생한다면, 그리고 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46)을 검사할 때, 잔류 응력이 예측된 것보다 더 낮다는 것을 레이저 초음파 검출 프로세스가 결정한다면, 다음번 레이저 초음파 검출 프로세스를, 4개, 또는 5개, 또는 더 많은 고체 증착 층들(10)이 형성된 이후로 스케줄링(schedule)하도록 디폴트 패턴이 수정될 수 있다.
역으로, 예측된 잔류 응력이 예상한 것보다 더 큰 경우, 그리고 단지 3개의 더 많은 고체 증착 층들(10)이 형성된 이후로 다음번 레이저 초음파 검출 프로세스가 스케줄링된(scheduled) 경우, 각각의 고체 증착 층(10)이 형성된 후에 레이저 초음파 검출 프로세스가 발생하도록, 디폴트 패턴이 수정될 수 있다.
도 3 및 도 4는 검출된 잔류 응력이 미리 결정된 임계치를 초과하는 경우 및 방식에 있어서의 적층 제조 프로세스에 대한 변화 또는 잔류 응력 제거 및/또는 완화가 필요한 것으로 여겨지는 경우에 이용가능한 옵션들을 도시한다. 도 3은 레이저 초음파 검출 프로세스 후에 고체 증착 층(10)을 형성함으로써 그리고 적층 제조 프로세스 동안 이용되는 파라미터들을 달리함으로써, 잔류 응력을 수용하는 옵션을 도시한다. 예컨대, 잔류 응력이 검출되고, 인스턴트(instant) 고체 증착 층(10)이 형성됨에 따라 그 잔류 응력이 보상될 수 있다고 결정되는 경우, 그 보상은 인스턴트 고체 증착 층(10)이 형성됨에 따라 발생할 수 있다. 대안적으로 또는 추가하여, 보상은 후속 고체 증착 층(80)이 형성되는 방식으로 발생할 수 있다. 고체 증착 층(10)의 형성과 연관된 프로세스 파라미터들 중 임의의, 복수의 또는 모든 프로세스 파라미터들이 조정될 수 있고, 그 조정은 인스턴트 및/또는 후속 고체 증착 층에서 발생할 수 있다. 이러한 프로세스 파라미터들은 앞서 개시된 파우더-관련 파라미터들 및 레이저-관련 파라미터들, 및 당업자들에게 알려진 임의의 다른 파라미터들을 포함한다.
예시적 실시예에서는, 프로세싱되고 있는 고체 증착 층(10)에서의 잔류 응력 형성은, 잔류 응력이 임계치에 도달하기 전에 검출될 수 있고, 프로세스 파라미터들은 잔류 응력 레벨의 추가의 증가들을 방지하기 위해 조정될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서는, 이전에 형성된 고체 증착 층들(12) 중 하나 이상의 고체 증착 층들(12)에서의 잔류 응력에 대항(counter)하기 위해, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46) 또는 그 고체 증착 층(46)의 고체 증착부(28)에서는 잔류 응력이 의도적으로 형성될 수 있다. 이는 고체 증착 층(46) 또는 그 고체 증착 층(46)의 고체 증착부(28)에 어쩌면 잔류 응력이 축적되는 것과 대조적으로, 그 잔류 응력을 국한시킨다. 따라서, 프로세싱되고 있는 층에서 전개되는 잔류 응력은 중지될 수 있고 그리고/또는 이전에 형성된 잔류 응력은 프로세스 파라미터들을 적응시키는 것을 통해 대항될 수 있다.
도 4는 레이저 초음파 응력 검출 프로세스 후에 잔류 응력-제거 프로세스를 수행하는 옵션을 도시한다. 잔류 응력-제거 프로세스들은 당해 기술분야에 알려진 것들, 이를테면, 쇼트 피닝(shot peening)(예컨대, 레이저 쇼트 피닝), 레이저 재가열, 및 열처리(예컨대, 유도성 열처리)를 포함한다. 잔류 응력을 감소시키기 위해 후속 고체 증착 층(80)의 형성과 연관된 파라미터들을 변경하는 대신에 또는 변경하는데 추가하여, 응력-제거 프로세스를 수행하기 위해, 스택(22)은 제 위치에 남겨질 수 있거나 또는 제거될 수 있다.
예시적 실시예에서, 스택(22)은 응력-제거 프로세스 동안 제 위치에 남겨진다. 레이저 쇼트 피닝 프로세스가 인-시튜 응력 제거를 위해 적절한데, 그 이유는, 이용되는 레이저가, 동일한 프로세스 챔버(chamber)/환경에 위치될 수 있고, 파우더를 프로세싱하는 동일한 가열 레이저(14)일 수 있기 때문이다. 레이저 쇼트 피닝에서, 레이저 빔(16)은 쇼트 피닝 프로세스를 수행하기 위해, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46) 또는 그 고체 증착 층(46)의 고체 증착부(28)의 표면(44)에 지향될 수 있다. 레이저 재가열은, 가장 최근에 형성된 고체 증착 층(46) 또는 그 고체 증착 층(46)의 고체 증착부(28)의 일부 또는 전부를, 잔류 응력을 완화하기 위해 필요에 따라 가열하기 위해 가열 레이저(14)를 이용할 수 있다. 유도 열처리는, 가열 코일(heating coil)들이 동일한 프로세스 챔버/환경에 위치될 때, 인-시튜로 수행될 수 있다. 그 다음으로, 유도 가열은 단순히 가열 코일들을 필요에 따라 활성화함으로써 수행될 수 있다. 추가하여, 잔류 응력을 감소시키기 위해, 가열 코일들은 용융 풀(20) 및/또는 고체화된 증착 층(10)이 냉각되는 속도를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 및 다른 잔류 응력-제거 프로세스들 중 임의의 또는 모든 잔류 응력-제거 프로세스들은 서로 공조하여 이용될 수 있다. 또한, 이들은 고체화된 증착 층(10)이 형성된 후에 또는 고체화된 증착 층이 형성되는 동안 이용될 수 있다.
도 5는 고체 증착 층(10)의 형성 동안 구현되는 레이저 초음파 프로세스의 대안적인 예시적 실시예를 도시한다. 2개의 프로세스들이 동시에 발생하는 것으로 도시된다. 대안적으로 또는 추가하여, 그 2개의 프로세스들은 순차적으로 수행될 수 있다. 이러한 예시적 실시예에서, 파-생성 레이저(40)는 부분적으로 형성된 고체 증착 층(10)의 고체 부분인 고체 증착부(28)의 표면(44)을 향해 파-생성 레이저 빔(42)을 방출한다. 따라서, 앞서 개시된 원리들은 부분적으로 형성된 고체 증착 층(10)의 고체 증착부(28)에 적용가능하다. 레이저 초음파 프로세스는 형성되고 있는 고체 증착 층(10)의 고체 증착부(28) 상에서 수행될 수 있고, 인-시튜 잔류 응력 제거 프로세스들 중 하나 이상이 고체 증착부(28) 또는 스택(24)의 임의의 다른 부분 상에서 형성될 수 있다. 그러므로, 레이저 가열 프로세스, 레이저 초음파 프로세스, 및 잔류 응력 감소 프로세스는, 잔류 응력을 수용하도록 적층 제조 프로세스를 적응시키기 위해 임의의 순서로 그리고 필요한 만큼 자주, 고체 증착 층(10) 상에서, 형성되고 있는 고체 증착 층(10)의 하나의 고체 증착부(28) 상에서, 그리고/또는 고체 증착 층(10)의 다수의 이산 고체 증착부들(28) 상에서 수행될 수 있다.
응력-제거 프로세스가 수행된 후에, 응력-제거 프로세스의 유효성을 평가하기 위해, 다른 레이저 초음파 검출 프로세스가 선택적으로 수행될 수 있다. 만족스러운 경우, 다른 고체 증착 층들(10, 12)에 대해 이용된 것과 동일한 또는 상이한 파라미터들을 이용하여, 후속 고체 증착 층(80)이 형성될 수 있다. 만족스럽지 않은 경우, 다른 응력-제거 프로세스가 수행될 수 있다. 이러한 프로세스는, 원하는 잔류 응력 레벨에 도달하기 위해 필요에 따라 여러번 반복될 수 있고, 필요에 따라 후속 고체 증착 층(80)에 대한 변경들 및 응력-제거 프로세스들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
도 6은 레이저 초음파 검출 프로세스를 이용하는 적층 제조 프로세스의 예시적 실시예를 도시하는 흐름도이다. 단계(100)에서, 고체 증착 층(10)이 형성된다. 단계(102)에서, 레이저 초음파 검출 프로세스가 수행된다. 단계(104)에서, 레이저 초음파 검출 프로세스로부터 잔류 응력이 추론된다. 단계(106)에서, 잔류 응력이 임계값 미만인지, 임계값과 동등한지, 또는 임계값을 초과하는지의 결정이 이루어진다. 잔류 응력이 임계값을 초과하지 않는 경우(예컨대, 스택(22)은 검사를 통과함), 단계(108)에서, 다른 레이저 초음파 검출 프로세스가 다시 수행되기 전에 얼마나 더 많은 고체 증착 층들(10)이 형성될 수 있는지에 관한 결정이 이루어진다. 단계(110)에서, 결정된 수의 고체 증착 층들(10)이 형성되고, 그 후에 프로세스는 단계(102)로 복귀한다.
잔류 응력이 임계값을 초과하는 경우(예컨대, 스택(22)은 검사를 실패함), 단계(112) 또는 단계(114)가 수행된다. 단계(112)에서, 레이저 가열 프로세스에 대한 상이한 파라미터들을 이용하여 후속 고체 증착 층(80)이 형성될 수 있다. 단계(114)에서, 잔류 응력 감소 프로세스가 스택(22) 상에서 수행된다. 단계(114) 다음에 단계(112) 또는 단계(116)가 뒤따를 수 있다. 단계(116)에서, 이전에 형성된 고체 증착 층들(12) 중 하나가 형성되었을 때 이용된 것과 동일한 파라미터들을 이용하여 후속 고체 증착 층(80)이 형성될 수 있다. 단계들(112 및 116) 다음에 단계(102)가 뒤따를 수 있다.
전술한 내용으로부터, 본 발명자들이, 물리적 결함들 및 잔류 응력에 대한 컴포넌트의 인 시튜 온라인 비-파괴 검사(in situ, online, non-destructive testing)를 허용하기 위해 최신 기술을 적층 제조 프로세스에 적용하였음이 확인될 수 있다. 프로세스는, 특정 상태들의 정정을 가능하게 하고, 이에 의해, 비용이 절약되며, 표준들을 충족하지 않을 부분들과 연관된 단축 수명이 이러한 프로세스에 의해 인에이블된다(enabled). 결과적으로, 이는 당해 기술분야의 개선을 나타낸다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로만 제공됨이 명백할 것이다. 본원의 본 발명으로부터 벗어남이 없이, 많은 변형들, 변경들 및 대체들이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.

Claims (15)

  1. 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)로서,
    고체 증착부(solid deposit)(28)를 포함하는 고체 증착 층(solid deposit layer)(10)을 형성하기 위해 파우더(powder)(18)의 층을 선택적 레이저 가열 프로세스(selective laser heating process)를 통해 선택적으로 가열하는 단계 ― 상기 고체 증착 층은 컴포넌트(component)의 부분(24)을 구성함 ―;
    파-생성 레이저 빔(wave-generating laser beam)(42)을 상기 고체 증착부의 표면(44)에 지향시키기 위해 상기 표면으로부터 이격된 파 생성 레이저(wave generating laser)(40) 세트(set)를 이용하여 상기 컴포넌트의 완성 전에 상기 고체 증착부를 통해 초음파 에너지파(ultrasonic energy wave)들(50, 60)을 전파하는 단계;
    전파된 초음파 에너지파들(62)을 검출하는 단계;
    상기 고체 증착부의 물리적 특징에 관한 정보를 위해 상기 전파된 초음파 파들을 평가하는 단계; 및
    상기 정보에 응답하는 방식으로 다른 고체 증착 층(80)을 형성하는 단계를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 기저(underlying) 고체 증착 층(54)을 형성하는 단계;
    상기 파우더의 층을 증착할 때, 상기 적어도 하나의 기저 고체 증착 층 상에 상기 파우더의 층을 증착하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 기저 고체 증착 층은 상기 컴포넌트의 이전에 형성된 부분을 구성함 ―; 및
    상기 컴포넌트의 상기 이전에 형성된 부분에서 상기 물리적 특징을 결정하는 단계를 더 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    단일 레이저가 상기 선택적 레이저 가열 프로세스를 수행하고 상기 파-생성 레이저 빔을 생성하는,
    적층 제조 프로세스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 물리적 특징은 잔류 응력(residual stress)을 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고체 증착부 상에서 잔류 응력-제거 절차(residual stress-relieving procedure)를 수행하는 단계를 더 포함하고,
    상기 잔류 응력-제거 절차는 상기 고체 증착 층을 레이저 쇼트 피닝(laser shot peening)하는 것, 유도성 열처리(inductive heat treating)하는 것, 및 레이저 재가열하는 것 중 적어도 하나를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 고체 증착 층을 형성하기 위해 상기 파우더의 층을 선택적으로-가열할 때, 프로세스 파라미터(process parameter)들을 이용하는 단계;
    상기 잔류 응력을 결정한 후에, 상기 고체 증착 층 상에 파우더의 추가의 층을 증착하는 단계; 및
    상기 잔류 응력에 대한 응답으로 선택되는 상이한 프로세스 파라미터들을 이용하여 추가의 고체 증착 층을 형성하기 위해, 상기 파우더의 추가의 층을 선택적으로-가열하는 단계를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  7. 제 4 항에 있어서,
    냉각되고 있는 고체 증착부(cooling solid deposit)를 통해 상기 초음파 에너지파들을 전파하는 단계; 및
    상기 잔류 응력 및 상기 잔류 응력과 연관된 파라미터 데이터(parametric data)를 이용하여, 추가의 냉각 후의 상기 고체 증착부에서의 잔류 응력을 예측하는 단계를 더 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  8. 적층 제조 프로세스로서,
    복수의 고체 증착 층들을 포함하는 컴포넌트를 형성하는 단계 ― 각각의 고체 증착 층은 선택적 레이저 가열 프로세스를 통해 형성되고 고체 증착부를 포함함 ―;
    초음파 에너지파들을 가장-최근에 형성된 또는 형성되고 있는 고체 증착부에 전파하기 위하여, 상기 가장-최근에 형성된 또는 형성되고 있는 고체 증착부의 표면에 파-생성 레이저 빔을 지향시키기 위해 상기 표면으로부터 이격된 파-생성 레이저 세트를 이용하여, 선택적 레이저 가열 프로세스들 사이에서 적어도 하나의 고체 증착부 상에서 초음파 잔류 응력 검출 프로세스를 수행하는 단계;
    상기 초음파 잔류 응력 검출 프로세스 동안 검출된 잔류 응력을 모니터링(monitoring)하는 단계; 및
    상기 잔류 응력이 임계치를 초과하는 경우, 상기 적층 제조 프로세스를 조정하는 단계를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    단일 레이저가 상기 선택적 레이저 가열 프로세스를 수행하고 상기 파-생성 레이저 빔을 생성하는,
    적층 제조 프로세스.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 적층 제조 프로세스를 조정하는 단계는, 상기 잔류 응력에 대한 응답으로 상기 고체 증착 층의 형성 동안 상기 선택적 레이저 가열 프로세스와 연관된 파라미터들을 변경하는 단계를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 적층 제조 프로세스를 조정하는 단계는, 상기 잔류 응력에 대한 응답으로 응력-제거 프로세스를 수행하는 단계를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 응력-제거 프로세스는 레이저 쇼트 피닝, 레이저 재가열, 및 유도성 열처리를 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 표면으로부터 이격된 파-검출 레이저 세트를 이용한 상기 초음파 잔류 응력 검출 프로세스 동안 전파된 초음파 에너지파들을 검출하기 위해 파-검출 레이저 빔을 상기 표면에 지향시키는 단계를 더 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 잔류 응력에 기초하여, 다른 초음파 잔류 응력 검출 프로세스가 수행되기 전에 얼마나 많은 고체 증착 층들이 형성될 수 있는지를 결정하는 단계를 더 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 가장-최근에 형성된 또는 형성되고 있는 고체 증착부가 냉각됨에 따라, 상기 초음파 잔류 응력 검출 프로세스를 수행하는 단계, 및
    상기 잔류 응력과 연관된 파라미터 데이터를 이용하여, 추가의 냉각 후의 잔류 응력을 예측하는 단계를 더 포함하는,
    적층 제조 프로세스.
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