ASM International은 그 구성원 및 재료과학 커뮤니티에 과학, 공학, 기술 지식을 제공하는 데 주력하고 있는 비영리 전문 협회입니다. 이들의 교육 및 실험 연구소에서는 제조상의 품질 보증을 개선할 수 있는 혁신적인 검사 솔루션을 자주 사용합니다.
이 협회에서 연구 중인 새로운 어플리케이션 중 하나는 레이저 분말 베드 용융(L-PBF)이며, 이는 레이저를 사용하여 분말 재료를 용접함으로써 3D 물체를 형성하는 적층 제조 공정입니다. 금속 부품용 3D 인쇄에 대해 생각해 보겠습니다. ASM International에서 연구하고 있는 과제 중 하나는 3D 인쇄된 부품의 품질을 평가하는 방법입니다.
레이저 분말 베드 용융(L-PBF)의 작동 원리는?
이 공정은 베이스의 금속 분말 베드로 시작됩니다. 초미세 레이저가 분말 재료를 선택적으로 가열하여 용접합니다. 사용자는 여러 층에서 수천 개(또는 부품 크기에 따라 그 이상)의 작은 용접부를 생성하고 사용되지 않는 분말 재료를 폐기함으로써 3D 금속 물체를 효과적으로 생성할 수 있습니다.
전체 공정은 컴퓨터를 통해 제어되고, 생성 중인 각 부품에서 약 200개의 매개변수를 올바르게 설정해야 합니다. 매개변수를 올바르게 설정하지 않으면 제조 공정 중에 문제가 발생하고 부품 품질이 저하될 수 있습니다. 예를 들어, 시스템이 올바르게 설정되지 않는 경우 공극 또는 다공성이 발생할 수 있습니다. 이 경우 최종 부품이 약화되어 조기에 결함이 발생할 수 있습니다.
L-PBF를 통해 생산된 부품의 품질을 평가하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. 가장 많이 사용되는 기술은 컴퓨터 단층촬영(CT)입니다. CT는 X선을 사용하여 부품의 2D 단면 슬라이스를 여러 개 캡처합니다. 그런 다음 이 슬라이스를 3D 렌더링으로 재구성하므로 외부 및 내부 부품 형상을 볼 수 있습니다. 이 방법만을 사용하면 효과적이지만 시간이 많이 소요됩니다. 하지만, 적층 제조에서는 속도와 효율성이 매우 중요합니다.
레이저 주사 공초점 현미경을 사용한 실험
ASM의 연구소에는 Olympus LEXT™ OLS5000 레이저 공초점 현미경이 있습니다. OLS5000 현미경은 서브마이크론 수준에서 샘플의 형태와 표면 거칠기를 측정하는 다양한 검사 어플리케이션에서 사용됩니다. 이 현미경의 장점으로는 속도, 사용 편이성, 긴 작동 거리, 정밀한 이미징 등이 있습니다.
ASM International 연구소의 LEXT OLS5000 현미경.
ASM International의 수석 금속공학자이자 연구소 관리자인 John Peppler는 L-PBF 공정 속도를 높이기 위해 OLS5000 현미경을 사용했습니다. 특히 OLS5000 현미경을 사용해 용접 형태를 특성화한 후 CT 스캔 결과와 비교했습니다.
인쇄된 부품의 결점 평가
인쇄된 부품의 상단 층은 이미 배치된 용접부를 나타냅니다. 용접부의 형태와 그 사이에 있는 공간은 잠재적인 결함을 찾고 평가하는 작업과 많은 관련이 있으며, 이러한 종류의 모양을 분석하는 기능이 OLS5000 현미경의 강점입니다.
CT 스캔을 사용하여 구성 요소를 설정하고 전체 평가를 완료하기까지 약 3시간이 소요됩니다. OLS5000 현미경을 사용하면 표면 거칠기를 확인하기 위해 3mm × 3mm 면적을 스캔하는 데 약 1시간이 소요됩니다. 또한 John Peppler는 OLS5000 현미경을 사용하여 부품의 단순한 선 프로파일 측정치를 캡처했습니다. 이러한 스캔에는 각각 단 2분 정도만 소요되었습니다.
 작동 거리가 긴 50X 대물렌즈를 사용하여 캡처한 3mm × 3mm 스캔의 컬러 이미지. |  왼쪽 이미지에 표시된 것과 동일한 영역의 높이 맵. |
OLS5000 데이터는 부품의 전체 내부 구성을 보여주지 않지만 부품 표면에 있는 산과 골을 평가하는 데 효과적입니다. 이 현미경을 사용하면 '골'을 부품 표면 아래로의 특정 깊이를 측정한 것으로 정의하고 나서 이 측정치를 표시할 수 있습니다. 이 레이저 현미경이 제공하는 매핑은 L-BPF 시스템이 올바르게 작동하는지 확인하여 구성 요소의 품질을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 상단 층의 용접부 사이에 있어서는 안 되는 큰 공극이 있는 경우, 이러한 간극이 부품 내부에도 존재할 수 있다고 합리적으로 가정할 수 있으므로, CT 스캔으로 부품의 무결성을 확인해야 합니다.
OLS5000 현미경을 사용하여 3mm × 3mm 스캔 3회에서 캡처한 이미지로, 강도, 색상, 높이 맵, 재물대 맵을 보여줌.
L-PBF 시스템 미세 조정
OLS5000 현미경의 고속 선형 거칠기 측정 기능은 설정 중에 시스템을 올바르게 조정하는 데 유용할 수 있습니다. 각 L-PBF 장비에는 가능한 한 최고의 부품을 생산할 수 있도록 올바르게 설정해야 하는 일련의 매개변수가 있습니다. 이렇게 조정하면서 시행착오를 거치기 때문에 이 공정 속도를 높일 수 있는 고속 테스트 솔루션이 필수적입니다.
L-PBF 용접부 전반에서 캡처한 선형 높이 프로파일. 인접한 용접부 사이의 골은 빌드 높이 층보다 상당히 깊으며, 이는 결함을 나타낼 수 있습니다.
측정해야 하는 주요 인자는 부품에 있는 골의 수, 위치 및 깊이입니다. 이 현미경의 고해상도 및 비접촉식 레이저 기반 측정 접근법은 용접부 사이의 좁은 골의 깊이도 정확하게 측정합니다. Peppler는 라인 스캔 맵을 생성함으로써 제조업체들이 형태뿐만 아니라 내부 건전성을 위해 LBPF 제조 장비를 미세 조정할 수 있는 도구를 제작할 수 있기를 바랍니다. OLS5000 현미경은 CT 스캔을 대체할 수 없지만, 설정 및 품질 보증 공정 효율성을 높여 주는 중요한 공정 구성 요소일 수 있습니다.
결론
레이저 분말 베드 용융 및 이와 유사한 적층 제조 기법이 빠르게 인기를 얻고 있습니다. 단조나 밀링 가공 없이 복잡한 형태와 기하 형상을 지닌 3D 금속 부품을 인쇄하는 기능이 제조업체의 눈길을 끌고 있습니다. 하지만 첨단 제조 기법이 발전하기 때문에 이 기법은 첨단 검사 기술로 뒷받침되어야 합니다. 올림푸스와 ASM International의 협력은 새로운 과제를 해결하고자 솔루션 개발을 위해 노력하고 있는 숙련된 교육자 및 연구자들의 역량과 첨단 장비를 접목시켜 도움을 주고자 하는 데 목표를 두고 있습니다.
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