FLIR / 적외선에 의한 적층 제조 공정 개선
3D 인쇄라고도 불리는 적층 제조(AM, Additive manufacturing)는 제조에 혁명을 일으키고 있다. AM 기술은 가공과 같은 절삭 생산방식과 달리, 컴퓨터 모델에서 직접 구성 요소를 작성해 필요한 경우에만 재료를 추가한다. 열은 종종 일관된 결과를 보기 위해 면밀히 모니터링을 하는 것이 프로세스의 필수 부분이다. 여기서는 제조사가 적외선(IR) 카메라를 사용해 체계적인 문제를 발견하고 제품 품질을 유지하기 위해 필요한 변경 사항을 파악하는 방법에 대해 설명한다.
증가하는 첨단 기술 조직은, 제품 개발에서부터 건축 설계, 항공 우주 부품 및 의료용 임플란트 분야의 특수 제조에 이르는 애플리케이션 분야에 사용되는 선구적인 적층 제조(AM) 기술이다.
NASA는 제로–G에서 작동하도록 설계된 2개의 다른 3D 프린터를 국제 우주 정거장에 보냈다. AM의 장점은 훨씬 큰 설계 유연성과 에너지 소비 감소 및 출시 시간 단축이 가능하다는 것이다. 그러나 AM 부품은 진단하기 어려울 수 있는 품질 문제, 열응력 및 왜곡의 영향을 받을 수 있다. IR 카메라로 공정 및 열 특성을 연구하면 제조사가 최소한의 생산 지연만으로 신속하게 교정할 수 있다.
프로세스 제어
연구원은 탄소섬유 강화 열가소성 플라스틱에서 살아있는 세포에 이르기까지, 다양한 기본 물질을 실험하고 있지만 대부분의 적층 제조업체는 금속 또는 폴리머 증착 기술(polymer-deposition technology)을 사용한다. 연구자가 AM 공정을 개선하고 공정 실패의 이유를 이해하려고 노력하므로 이 자료는 그 자체로 까다로움을 입증한다.
부가적으로 제조된 부품은 제조 공정 매개변수 설정과 공정 특성 사이의 원인 및 결과 관계를 알 수 없다. 때문에 다양한 품질 문제가 발생할 수 있다. 공정 파라미터는 너무 자주 시행착오 기법을 사용해 설정된다. 이는 시간 소모적이고, 값 비싸며, 주관적이고, 기계 및 재료에 특화된 기술이다.
적층 제조연구에서 공정 장비와, 재료 및 공정 중 부품 온도를 신속하고 정확하게 모니터링할 수 있는 능력이 중요하다. 열전대와 RTD 및 서미스터와 같은 일반적인 접촉 형태의 온도 측정은 효과적으로 사용하기 어렵거나 불가능하다. 많은 연구자의 해결책은 적외선 과학을 사용하는 것이다.
카메라는 공정 내 온도 데이터와 완성품 품질 측정값을 연관시키는 데 필요한 데이터 정확도를 제공할 수 있는, 고속의 비접촉 온도 측정 도구이다. IR 카메라는 프린터 설정이나 사용된 재료의 변화의 영향을 모니터링할 수 있다. 이 외에도 다공성, 층 박리, 수축, 열악한 표면 조도, 치수 및 형태 오차, 열응력 및 왜곡과 같은 품질 문제의 원인을 식별하는 데 도움을 줄 수 있다.
온도 모니터링을 위한 도구
카메라는 다양한 소재의 온도 변화를 모니터링하는 데 필요한 기능을 갖췄다. 테네시 주 녹스빌 소재 오크 리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 AM 연구원 Ralph Dinwiddie는 자신의 연구소가 IR 카메라를 사용해 생산 공정의 여러 위치와 단계에서 온도를 측정한다고 말했다. Dinwiddie는 “우리는 고속으로 온도를 기록하고 자체 카메라로 카메라를 보정할 수 있는 능력이 필요합니다.
AM 연구원을 위한 일반적인 도구로는 FLIR X6900sc와 같은 고속 카메라, 중기파 적외선(MWIR) 냉각 카메라, FLIR A65sc와 같은 저해상도 장파 적외선(LWIR) 비 냉각 카메라가 있습니다. 이 카메라의 다른 기능으로 인해 특정 작업 세트에 특히 적합합니다.”라고 설명했다. 이를테면 냉각되지 않은 A65sc는 소형이며, 압출기 팁 또는 온도 감시를 위해 폴리머 3D 프린터에 쉽게 장착할 수 있다.
예를 들어, 냉각되지 않은 A65sc는 콤팩트하며 폴리머 3D 프린터에 쉽게 장착돼 압출기 팁 또는 압출 소재의 온도를 모니터링할 수 있다. 열 감도가 50mK 미만이면 A65sc 카메라는 미세한 온도 변화를 구별할 수 있다. 고속 온도 측정이 중요한 작업의 경우 냉각된 X6900sc의 창 기능을 사용하면 더 빠른 프레임 속도가 필요하다.
Dinwiddie는 그의 연구에서 카메라를 가지고 있는 것이 중요하다고 말한다. 윈도우잉 기능 즉, 카메라가 IR 감지기에서 픽셀의 더 작은 하위 그룹을 읽어 프레임 당 픽셀 수를 줄인다. 이를 통해 카메라는 초당 더 많은 프레임을 보내고, 보다 빠른 프레임 속도를 구현할 수 있다. 부속품 역시 중요할 수 있다.
Dinwiddie는 “제 작품은 또한 렌즈 측면에서 많은 유연성을 요구합니다. 예를 들어, 저는 망원 렌즈, 광각 렌즈, 표준 50밀리미터 렌즈, 현미경 렌즈 및 매크로 렌즈를 사용했습니다. 또한 확장 고리를 사용했기 때문에 평소보다 훨씬 더 집중할 수 있습니다.”라고 말했다.
심지어 각각의 새로운 AM 시스템 또는 재료가 고유한 특성화 문제가 있다. 전자빔 시스템으로 부품이 인쇄되는 동안 일부 작업은 다공성을 감지하는 작업을 포함한다. 기공은 전형적으로 열화상 상에 어두운 점으로 나타난다. 카메라는 새로운 금속 분말 배합을 사용해 작업할 때, 모공의 형성을 방지하는 데 필요한 올바른 가공 매개 변수를 선택하는 데 특히 유용하다.
IR 카메라는 폴리머 3D 시스템 구축에서 연구원이 온도의 역할을 보다 잘 이해할 수 있도록 돕는다. 그들은 카메라를 사용해 적용될 때의 부품에 대해 각 레이어 온도를 측정하고, 하위 레이어의 온도가 레이어 간의 결합 강도에 미치는 영향을 연구할 수 있다.
그 밖에도 빌드 챔버의 온도를 측정하고, 냉각될 때 부품 자체의 온도 구배를 모니터링 하는 데 사용된다. 많은 고분자 재료를 사용하면 균일한 냉각을 통해 완성품의 왜곡을 줄일 수 있다. 따라서 일부 3D 프린터에는 가열된 빌드 챔버가 있어 부품의 바깥 쪽 가장자리를 냉각시키는 속도가 느려진다.
IR 카메라는 재료 과학자에게 재료와 장비 및 공정 매개 변수를 미세 조정하는 데 필요한 정확한 결과를 제공해, 다양한 신흥 AM 기술을 발전시키는 데 있어 가치 있음을 입증했다. 수년 내에 AM 공정의 개선은 산업이 예상되는 빠른 성장을 달성하는 데 도움이 될 것이다.
자료 제공: FLIR(www.flir.com/science)
