KR20230124421A - 3차원 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅용 레이저 빔에 의해 모재가 용융된 후 응고된 영역 내 공극이 존재하면 펨토초 레이저 기반 펌프 레이저 빔의 변조 주파수에 따라 응고된 영역 내 열확산 길이가 변화되고, 공극 없이 균일한 경우에는 펌프 레이저 빔에 의한 온도 반응과 상응하는 반사율 변화의 전체적인 형상이 변조 주파수의 영향을 받지 않는 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 비접촉식 공극 모니터링 방법에 관한 것이다.

Description

3차원 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법{Method of monitoring porosity using thermoreflectance measurement in 3D Printing Process}

본 발명은 3D 프린팅 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 발생 여부를 온라인으로(실시간으로) 모니터링 하는 방법에 관한 것이다.

고에너지 직접 적층(Directed Energy Deposition; DED) 방식의 3D 프린터는 집광부에서 조사되는 3D 프린팅용 레이저 빔을 기재에 조사하여 용융풀을 형성하여 원하는 물체를 프린팅 할 수 있는 장치로 알려져 있다. 이 DED 방식의 3D 프린터는 용융풀 상에 금속 분말 등이 공급되고 응고가 일어나면서 복잡한 형상을 가진 물체를 생산할 수 있고, 재료 낭비를 최소화할 수 있다.

DED 방식의 3D 프린팅 공정 중 용융과 응고가 일어나는 과정에서 다양한 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함의 예시 중 하나가 공극이다. 공극이 발생하면 제품의 기계 물성에 해로운 영향을 미쳐 DED 방식을 활용하는 데 제약이 된다.

이러한 결함의 생성 메커니즘에 관해 여러 가지 연구가 진행되어 왔다. 이러한 결함은 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 프린팅 레이저 출력, 레이저 빔 스팟의 크기, 금속 분말 등의 공급속도, 스캔 속도, 운반 가스 유량 및 레이저 기반의 DED 방식에서 적층 층의 치수 등이 결함에 영향을 미칠 수 있는 요인들이다.

이와 같은 개별 요소들의 영향은 DED 전체 프로세스에 대한 이해를 어렵게 만들고, 동일한 인쇄 변수로 제작된 물체 간에도 상당히 편차를 유발할 수 있다.

현재까지는 공극을 검출하기 위해 1) 밀도 기반 방법, 2) 현미경 분석 방법, 3) X-RAY 컴퓨터 단층 촬영 방법 등을 사용하고 있다.

가스 피크노메트리와 아르키메데스 방법은 물체의 밀도를 기반으로 공극을 평가하는 방법이다. 이러한 밀도 기반 방법은 비파괴적이고 상대적으로 빠르며 다공성 물질에 적합한 검사 방식이라는 장점이 있다. 다만, 검사 대상 물체의 부피가 제한되는 점, 공극의 크기나 모양, 분포 등을 평가할 수 없는 점 및 DED 공정 중 합금 요소의 증발로 화학적 조성이 변할 수 있기 때문에 물체의 기준 밀도를 정확히 평가할 수 없다는 점 등의 단점이 있다.

현미경 분석 방법은 물체를 절단한 단면을 현미경으로 관찰하는 방법이다. 이 방법은 공극의 크기와 분포를 매우 정밀하게 평가할 수 있는 반면, 물체가 절단되어 파괴적이고 선택된 단면의 공극만 검사할 수 있고, 공극이 균일하게 분포하는 것은 아니므로 물체 전체에 대한 공극을 대표하는 검사 결과가 아니라는 단점이 있다.

X-RAY 컴퓨터 단층 촬영 방법은 물체를 X선 촬영을 하여 물체 내부의 공극을 검사하기 위한 검사 방법이다. 이 방법은 공극의 사이즈와 분포를 3차원 공간에서 정량화 할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 방법 역시 검사 대상 물체의 크기와 밀도가 제한되며, 검사 해당도가 복셀(voxel) 크기에 의존하여 전형적인 매크로 수준의 스캔은 큰 복셀(voxel) 크기가 수반되어 공극이 과소 평가될 수 있어 현재까지의 공극 감지 기술은 파괴적이거나 검사대상 물체의 크기 등에 제한이 따른다.

최근에는 3D 프린팅 공정 중 온라인으로 용융풀을 검사하면서 실시간으로 공극을 검사하는 방식도 시도되고 있다. 이러한 방식은 높은 정확도로 공극을 예측할 수 있는 반면, 많은 양의 데이터가 축적되어야 하고, 훈련된 모델과 다른 적층 공정이나 재료를 사용할 때 새로운 모델을 구상하고 훈련시키는 과정이 요구되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 과도적 열반사율 계측 방식을 이용하여 많은 양의 데이터를 축적하여 학습을 통한 모델을 구축하지 않아도 되고, 비파괴적이며, 검사대상 물체 크기 제약 없이 공극을 실시간으로 모니터링 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법은, 3D 프린팅용 레이저 빔에 의하여 모재가 용융된 후 응고된 영역 내의 공극을 모니터링 하는 방법으로서, 펨토초 레이저 소스로부터 출력되는 펨토초 레이저 빔을 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔으로 분리하는 단계, 상기 분리된 펌프 레이저 빔을 서로 다른 복수의 주파수로 변조한 후 상기 응고된 영역에 조사하는 단계, 상기 분리된 프로브 레이저 빔을 상기 펌프 레이저 빔보다 소정 시간이 지연되어 상기 응고된 영역에 조사하는 단계, 상기 응고된 영역에서 반사된 프로브 레이저 빔을 검출하여 전기신호로 변환하는 단계, 변환된 전기 신호로부터 변조 주파수 별 진폭과 위상을 계측하는 단계, 위상을 보정하여 계측된 진폭, 위상 값으로부터 펌프 레이저 빔에 의한 과도적 열반사율 변화를 추출하는 단계, 제1 소정의 시간 t₁에서 각 변조 주파수 별로 과도적 열반사율 변화를 정규화하는 단계, 제2 소정의 시간 t₂(단, t₂ > t₁)에서 정규화 된 과도적 열반사율 변화의 차이를 계산하여 손상지수(Damage Index: DI)를 계산하는 단계, 손상지수를 미리 설정된 기준 값과 비교하여 상기 응고된 영역 내 공극의 존재 여부을 판별하는 단계를 포함한다.

예시적인 실시예에 있어서, 펌프 레이저 빔은 서로 다른 3개 이상의 주파수로 변조될 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 프로브 레이저 빔과 다른 파장 또는 편광을 이용하여 간섭을 방지한 추가 프로브 경로를 더 포함하여 데이터 수집 시간을 감소시키고 공간 분해능과 시간 분해능을 더 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법은 3D 프린팅 공정 중에 생기는 공극을 비접촉식으로 온라인으로 모니터링 할 수 있다. 그에 따라, 3D 프린팅 되고 있는 물품에서 생기는 공극을 실시간으로 감지하여 공극이 발생한 프린팅 중의 물품에 대한 더 이상의 불필요한 공정 수행을 중단하거나 적절한 수정 작업을 즉각적으로 수행할 수 있어 공정 손실을 최소화할 수 있고, 3D 프린팅 물품의 결함을 최소화하고, 구조적으로 건전하며 신뢰성 있는 제품을 생산할 수 있다.

또한, 기계학습 기법을 이용하지 않으므로, 종래기술처럼 데이터의 축적과 기계학습을 통한 모델의 구축이라는 번거로움을 거치지 않아도 된다. 또한, 본 발명은 다중 주파수에서 펌프 레이저 빔을 변조하여 위치에 따른 열 특성의 영향 없이 공극을 모니터링 할 수 있다.

또한, 본 발명은 추가 프로브 경로를 포함함으로써, 데이터 수집 시간은 더 감소되고, 공간 해상도는 더 향상된 효과를 기대할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 위에서 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공극 모니터링 방법을 수행하기 위한 과도적 열반사율 계측 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 3D 프린팅 물품 내 공극이 존재하는 응고 영역에서 변조 주파수에 따른 열확산길이의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공극 모니터링 방법의 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 3D 프린팅 물품 내 공극을 검출하기 위해 DI를 계산하는 과정을 도시한 것이다.
도 5는 대표적인 TTR 신호와 광학현미경으로 샘플을 촬영한 예시이다.
도 6은 DI값이 제어 한계를 벗어난 이상 값을 보이는 위치에 공극이 존재함을 보여주는 본 발명의 실시예에 따른 공극 모니터링 검사 결과와 검사 대상 샘플을 현미경으로 촬영한 예시이다.

이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공극(porosity) 모니터링 방법을 수행하기 위한 과도적 열반사율 계측 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과도적 열반사율 계측 시스템(1)은 펨토초 레이저 소스(10), 빔 스플리터(20), 음향-광학 변조기(30), 지연 스테이지(40), 광 검출기(50), 락인 증폭기(60), 제어부(70)를 포함할 수 있다.

과도적 열반사율 계측 시스템(1)은 예컨대 DED 방식의 3D 프린팅 시스템(비도시)에 결합될 수 있다. 3D 프린팅 시스템(비도시)이 3D 프린팅용 레이저 빔(80)을 모재에 조사하여 그 모재가 용융된 후 응고되는 동안, 과도적 열반사율 계측 시스템(1)은 펨토초 레이저 빔을 이용하여 그 응고되는 모재 내에 공극이 발생하였는지 여부를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 3D 프린팅용 레이저 빔(80)에 의하여 모재가 용융된 후 응고된 영역(이하, "응고 영역(92)") 내의 공극을 검출하기 위한 과도적 열반사율(Transient thermoreflectance; TTR) 계측용 소스로 펨토초 레이저 소스(10)가 이용될 수 있다. 펨토초 레이저 소스(10)는 3D 프린팅용 레이저 빔(80)의 소스(비도시)와 동축 상으로 배치될 수 있다. 펨토초 레이저 소스(10)는 펨토초 레이저 빔(12)을 출력할 수 있다.

펨토초 레이저 빔을 사용하는 이유는 다음과 같다. 펨토초 레이저 빔으로부터 분리된 펌프 레이저 빔(14)이 응고 영역(92)에 조사되면, 응고 영역(92)의 온도가 일시적으로 상승한다. 이 때, 온도 변화는 대략 1 내지 2ns 정도 지속된다. 여기서, 응고 영역(92) 높이는 수십 ㎛에서 mm에 이르기 때문에 온도 응답 감쇠 시간 규모는 응고 영역(92)의 표면 바닥으로부터 반사되는 음향 펄스의 도달 시간보다 훨씬 짧다. 일 예로, 응고된 영역의 높이가 100㎛ 정도 되면 반사 음향 펄스 도달시간은 303ns가 훨씬 넘는다. 따라서, 펨토초 레이저 소스(10)를 채택하면 반사 음향 펄스에 의해 야기된 반사율 변화의 간섭이 없는 광열 반사율(photothermal reflectivity change)을 측정 할 수 있다.

빔 스플리터(20)는 펨토초 레이저 빔(12)의 분리를 위해 펨토초 레이저 빔(12)의 광로에 배치될 수 있다. 펨토초 레이저 소스(10)로부터 출력된 펨토초 레이저 빔(12)이 빔 스플리터(20)를 통과하면서 펌프 레이저 빔(14)과 프로브 레이저 빔(16)으로 분리될 수 있다.

TTR 계측은 펌프-프로브 방식으로 수행될 수 있다. 빔 스플리터(20)를 통과하여 변조된 펌프 레이저 빔(14)은 응고 영역(92) 물질의 반사율을 변화시킬 수 있다. 이후, 도달 시간이 지연된 프로브 레이저 빔(16)이 해당 반사율 변화를 계측하여 공극을 검출할 수 있다.

여기서, 빔 스플리터(20)는 프로브 레이저 빔(16)을 분리하여 추가 프로브 레이저 경로를 설정할 수 있다.

음향-광학 변조기(30)는 빔 스플리터(20)에서 분리된 펌프 레이저 빔(14)을 다중 주파수로 변조할 수 있다. 이 때 특정 주파수로 생성된 기준 정현파의 주파수에 맞춰 펌프 레이저 빔(14)을 변조할 수 있다. 변조된 펌프 레이저 빔(14)은 주파수는 동일하나 각 시간 지연에 대하여 다른 진폭 변화를 갖는 주기적 신호를 야기한다.

다중 주파수로 변조된 펌프 레이저 빔(14)들은 응고 영역(92)을 여기 (excitation)시키기 위해 응고 영역(92)으로 조사될 수 있다. 변조된 펌프 레이저 빔(14)의 유도 가열 지속시간은 연속된 두 펌프 레이저 빔(14) 사이의 설정시간보다 훨씬 짧다. 따라서, 각 펌프 레이저 빔(14)은 변조된 진폭이 있는 독립 이벤트로 처리될 수 있다. 단일 펌프 레이저 빔(14)으로 인한 온도 상승은 일반 실험 조건에서 몇 켈빈 이하에 불과하므로, 펌프 레이저 빔(14) 입력에 대한 응고 영역(92)의 응답은 선형이고 시간 불변으로 가정할 수 있다.

지연 스테이지(40)는 빔 스플리터(20)에서 분리된 프로브 레이저 빔(16)의 광로를 조정하여 펌프 레이저 빔(14)보다 응고 영역(92)으로 도달하는 시간을 지연시킬 수 있다. 이를 위해, 지연 스테이지(40)는 광로 길이를 조정하도록 복수의 반사 미러들을 포함할 수 있다.

추가 프로브 레이저 경로를 도입하기 위해 지연 스테이지(40)를 복수 개 포함할 수 있다.

이러한 펌프 레이저 빔(14)과 프로브 레이저 빔(16) 사이의 시간 지연을 제어함으로써, 높은 샘플 주파수를 얻어 고해상도로 3D 프린팅 공정 중 실시간으로 공극을 모니터링을 할 수 있다.

광 검출기(50)는 응고 영역(92)에서 반사된 프로브 레이저 빔(16)을 검출하여 전기 신호로 변환할 수 있다. 검출된 프로브 레이저 빔(16)은 응고 영역(92) 표면의 온도를 동적으로 모니터링 하는 데 이용될 수 있다. 일 예로, 광 검출기(50)는 포토다이오드일 수 있다.

락인 증폭기(60)는 광 검출기(50)에서 변환된 전기 신호로부터 변조 주파수 별 진폭과 위상을 계측할 수 있다. 기준 정현파에 대한 주파수를 알고 있으므로 그 주파수 성분만 추출할 수 있다. 즉, 각 시간 지연에서 기준 정현파에 대해 변조 주파수에서만 추출된 성분의 진폭과 위상을 출력할 수 있다. 프로브 레이저 빔(16)의 반사율은 적층 층의 온도, 펄스 유도 변형(pulse induced strain), 표면 변위 변화(displacement variation) 등과 관련될 수 있다. 프로브 레이저 빔(16)의 반사율의 시간에 따른 의존성을 얻기 위해 가변적으로 시간이 지연된 상태에서 다수 회 반복 측정할 수 있다.

제어부(70)는 락인 증폭기(60)에서 획득한 진폭과 위상(TTR) 계측 값을 이용하여 손상지수(Damage Index: DI)를 계산하고, 제어한계를 벗어난 손상지수 값을 갖는 위치를 스캔 하여 응고 영역(92) 내 공극 유무를 검출할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제어부(70)는 후술하는 본 발명에 따른 방법을 구현한 컴퓨터 프로그램과, 그 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 프로세서 및 메모리 등의 컴퓨팅 자원을 포함하는 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 과도적 열반사율 계측 시스템(1)의 원리를 설명하기 위해, 3D 프린팅 물품 내 공극이 존재하는 응고 영역에서 변조 주파수에 따른 열확산 길이의 변화를 도시한 것이다. 변조된 펌프 레이저 빔(14)이 응고 영역(92)에 조사되면 변조 주파수의 크기에 따라 응고 영역(92) 내 열확산 길이가 변화 될 수 있다. 변조 주파수에 따른 온도 반응과 반사율의 변화의 유무로 응고 영역(92) 내 공극 유무를 검출할 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 펌프 레이저 빔(14)은 음향-광학 변조기(30)에서 기준 정현파로 변조될 수 있다. 반복적인 펌프 여기(excitation)는 주기적인 열원으로 취급될 수 있다. 이러한 주기적 열원에 의해 상당한 에너지가 전달되는 깊이인 열확산 길이는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

수학식 1에서, μ는 열확산 길이, λ는 응고영역(92)의 열전도율, ρ는 응고영역(92)의 밀도, Cp는 열용량, f는 펌프 레이저 펄스의 변조 주파수이다.

낮은 변조 주파수에 의한 펌프 여기는 응고 영역(92) 표면 아래 깊이 침투하는 반면, 높은 변조 주파수에 의한 펌프 여기는 표면 근처에 머물도록 제한된다. 일 예로, Ti-6Al-4V 샘플에서 f₁=200kHz, f₂=25kHz로 변조된 주파수에 의한 열확산 길이는 각각 4.86㎛과 13.75㎛일 수 있다.

반면, 응고 영역(92)의 깊이 방향 (도 1의 z방향)으로 공극이 없이 균일한 경우, 단일 펌프 레이저 빔(14)에 의해 유도된 온도 응답 전체 형상은 변조 주파수의 영향을 받지 않는다. 그러므로 이와 같은 변조 주파수에 따른 온도 반응과 반사율 변화를 이용하여 공극 유무를 검출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공극 모니터링 방법의 순서를 도시하며, 도 4는 3D 프린팅 물품 내 공극을 검출하기 위해 DI를 계산하는 과정을 도시한 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하여 공극 모니터링 순서를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측을 이용한 공극 모니터링 방법은 변조된 펌프 레이저 빔(14)에 의해 야기된 과도적 열반사율을 계측하는 단계(S10), 위상 보정 단계(S20), 소정의 시간 t₁에서 과도적 열반사율 변화를 정규화 하는 단계(S30), 소정의 시간 t₂에서 손상지수(DI)를 획득하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.

먼저, 변조된 펌프 레이저 빔(14)에 의해 야기된 과도적 열반사율을 계측하는 단계는 다음과 같다(S10).

펨토초 레이저 빔(12)으로부터 빔 스플리터(20)를 통과하면서 분리된 펌프 레이저 빔(14)은 음향-광학 변조기(30)에서 서로 다른 주파수 f₁ 과 f₂(f_{1 >} f₂)로 변조될 수 있다. 증착 층에서의 각 검사 위치에 대해 TTR 측정은 상기 두 가지 주파수, 즉 f₁과 f₂에서 변조된 펌프 레이저 빔 펄스로 수행될 수 있다. 각 TTR 측정에 대해진폭과 위상은 기준 정현파에 대하여 락인 증폭기(60)에서 획득할 수 있다. 락인 증폭기(60)를 통해 복조 된 과도적 열반사율 신호는 도 4(A)에 도시된 것과 같이 나타날 수 있다.

여기서 획득된 진폭과 위상 신호는, 펌프 레이저 빔 펄스로 인한 과도 반사율 변화 외에, 비과도 성분도 포함할 수 있다. 비과도 성분은 라디오 주파수 노이즈, 프로브 강도의 변동, 펌프 산란, 잔열 등 여러 요인에 의해 생기고, 변조 주파수에 따라 변한다. 공극 모니터링에 과도 성분만 필요하므로, 제어부(70)는 펌프 레이저 빔(14)에 의해 야기된 과도 반사율 변화만 추출하기 위해 위상 보정을 수행할 수 있다.

위상 보정을 통해 각 변조 주파수 별 TTR 계측 값으로부터 과도 반사율 변화(A_t)를 추출할 수 있다(S20).

[수학식 2]

수학식 2에서, f는 변조주파수, A_m과 Φ_m은 각각 시간 t의 함수로 락인 증폭기(60)로부터 획득된 진폭과 위상이다. A_t와 Φ_t는 각각 추출된 과도 성분의 진폭과 시간 불변 위상이다. A_m과 Φ_m은 각각 의 비과도 성분의 진폭과 위상이다. A_n과 Φ_n은 제로 딜레이 전(펌프 레이저 빔(14)과 프로브 레이즈 빔(16)이 동시에 도달하기 전)에는 비과도 성분만 존재하므로 A_m과 Φ_m 초기 부분에서 획득될 수 있다.

과도 성분 진폭(A_t)은 다음과 같이 표현될 수 있다. 과도 성분 진폭은 다음과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 3]

서로 다른 변조 주파수에서 추출된 과도 반사율 변화 A_t를 비교하기 위해 소정의 시간 t₁에서 정규화 할 수 있다(S30). 시간 t₁에서 정규화한 A_t 신호를 TTR로 정의한다.

이 때, t₁은 제로 딜레이 후 시점을 선택할 수 있다. 일 예로, t₁은 제로 딜레이 후 소정 시간 (예컨대 15ps) 이상 지난 시점(예컨대 0.1ns)로 정할 수 있다. t₁을 이렇게 선정하는 이유는 다음과 같다. 펌프 레이저 빔(14)이 여기 된 후 수 ps의 시간 동안 비평형 전자-포논 결합 효과와 펌프 레이저 빔(14)이 유도한 열팽창으로 변형파가 생성될 수 있다. t₁을 위와 같이 선택하면 이들의 영향을 최소화할 수 있다.

서로 다른 변조 주파수로부터 얻은 TTR 신호는 다음 조건을 만족할 수 있다.

[수학식 4]

도 4의 (C)를 참조하면, 서로 다른 변조주파수 f₁ 과 f₂에 의해 획득된 TTR신호 값이 소정의 t₁에서 서로 일치함을 확인할 수 있다.

마지막으로, 소정의 시간 t₂ (t₂ > t₁)에서 서로 다른 변조 주파수에 의해 획득된 TTR 신호 간 차이를 구할 수 있다. 이를 손상지수(DI)로 정의할 수 있다(S40).

[수학식 5]

수학식 5에서, t₂는 TTR 신호가 0으로 감쇄하기 전 시점을 선택할 수 있다. 공극이 존재하면 TTR신호가 변조주파수에 따라 변하므로 더 큰 DI 값이 나타날 수 있다.

DI 값은 공극에만 민감하고 검사 위치에 따른 열특성에는 영향을 받지 않으므로, 열특성에 대한 사전 지식 없이 오로지 사전에 정의된 제어 한계를 벗어난 DI 값으로부터 공극을 검출할 수 있다.

도 4의 (D)를 참조하면, 변조 주파수가 작을수록 TTR 신호 간 차이가 더 켜져 더 큰 DI값이 나타남을 확인할 수 있다.

본 발명은 두 개의 변조 주파수에만 국한되지 않으며, 더 정교한 검사 결과를 얻기 위해 다수의 변조 주파수를 활용할 수 있다.

3D 프린팅 공정 중 공극을 실시간으로 모니터링 하기 위한 방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 과도적 열반사율 계측 시스템(1)은 광섬유 유도로 펌프, 프로브 레이저 빔(16)을 3D 프린터 시스템(비도시)에 전달할 수 있다. 전달된 레이저 빔은 광학렌즈(비도시)를 이용하여 초점을 맞출 수 있다. 이를 통해, 3D 프린터 시스템(비도시)과 계측 시스템을 통합할 수 있다.

공극 실시간 모니터링은 3D 프린팅 레이저 빔(80)과 수 밀리미터 거리 떨어진 위치에 조사되어 수행될 수 있다. 즉, 3D 프린팅용 레이저 빔(80)에 의하여 모재가 용융된 후 응고된 영역(92)에서 수행될 수 있다.

단일 프로브 경로의 과도적 열반사율 계측 시스템(1)은 각 변조 주파수 f₁과 f₂에 대해 3개의 시점에서의 데이터가 필요하므로 최소 6번의 측정이 필요하다. 구체적으로, 각 변조 주파수 별로 위상 보정을 위한 제로 딜레이 이전 시간, 정규화를 위한t₁, DI 계산을 위한 t₂ 각각에서 진폭과 위상 계측 값이 필요하다.

일 예로, 각 시점에서의 계측이 100ms (예를 들어, 지연 스테이지의 평균 이동시간이 70ms, 락인증폭기 신호처리 시간이 30ms)이므로 최소 6번 계측하려면 약 600ms 시간이 소요된다. 이러한 데이터 수집 시간에서 실시간 공극 모니터링은 8mm (600ms x 800mm/분, 여기서 800mm/분은 전형적인 DED 프린팅 속도)의 공극 해상도가 달성된다.

이 때, 추가 프로브 경로를 설정하여 데이터 수집시간을 줄이고, 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 추가 프로브 경로는 지연 스테이지를 추가하여 추가 프로브 경로와 기존 경로가 가변적인 시간 지연을 가지게 할 수 있다.

또 다른 방법으로, 추가 프로브 경로는 빔 스플리터(20)에서 분리되어 추가된 프로브 경로랑 기존 경로 거리 차이를 고정시킨 채 시간 지연을 가지게 할 수도 있다.

일 예로, 2개의 프로브 경로를 사용하면 2개의 프로브 경로에 대한 시간 지연을 t₁과 t₂로 설정할 수 있다. 이 때, 지연 스테이지가 추가되면 추가된 프로브 경로가 소요되는 시간과 기존 프로브 경로 시간 차 t₂-t₁이 가변적이나, 빔 스플리터(20)에서 분리하여 프로브 경로를 추가하면 t₂-t₁이 고정될 수 있다.

위와 같이 시간 지연을 t₁과 t₂ 로 설정하면, 한 번에 t₁과 t₂에서의 각 변조 주파수에 대한 진폭과 위상 측정값을 동시에 얻을 수 있으므로, 지연 스테이지(40) 이동 시간이 제거될 수 있다. 일 예로, 데이터 수집 시간은 90ms, 공간 해상도는 1.2mm일 수 있다.

또 다른 예로, 3개의 프로브 경로를 이용하면, 공간 해상도는 0.8mm로 더 향상될 수 있다.

이와 같이, 추가 프로브 경로를 기존 프로브 레이저 빔(16)과 파장이 다르거나 편광으로 간섭을 방지하여 도입하면, 데이터 수집시간을 감소시키고, 더 향상된 공간 해상도를 기대할 수 있다.

도 5는 대표적인 TTR 신호와 광학현미경으로 샘플을 촬영한 예시이다.

제안된 공극 모니터링 방법을 검증하기 위해 DED 방식 3D 프린터를 이용하여 샘플 1는 최적의 인쇄 매개변수로 제작하고, 샘플 2은 인쇄 레이저 출력은 높이고, 스캔 속도를 낮춰 공극이 존재하도록 제작하였다.

TTR 신호는 기공이 없는 위치(a), 기공이 있는 위치(b)에서 측정하였다. 현미경 사진에서 큰 원은 펨토초 레이저 빔(Laser Beam), 작고 어두운 점이 공극(Pores)이다.

도 5(b)에서 (f₂=25kHz)는 검사 위치에 공극이 존재하여 더 작은 값을 가지므로, (f₁=200kHz)이 도 5(a) 신호들과 거의 동일하게 나타나는 것과 대조된다. t₂= 0.5ns에서 계산된 DI 값은 공극이 없을 때 -0.002, 공극이 있으면 0.104로 나타난다.

도 6는 공극이 없는 샘플 1과, 공극이 있는 샘플 2에서 수행한 공극 검사 결과이다. 현미경 사진에서 큰 원은 펨토초 레이저 빔(Laser Beam), 작고 어두운 점이 공극(Pores)이다.

공극 통계적 공정 제어를 위해 제어 한계 상하한(Upper control limit, Lower control limit)을 표시할 수 있다. 공극이 없는 샘플 1에서 얻은 DI 값에 가우시안 분포를 맞춰 99.7% 신뢰 구간을 제어 한계 상하한으로 설정할 수 있다.

도 6(a)는 공극이 존재하지 않는 샘플 1에서 수행한 공극 검사 결과이다. 최적의 인쇄 매개변수로 적층 되어 모든 DI값이 제어 한계 내에 있어 공극이 거의 없음을 확인할 수 있다. 이러한 검사 결과는 현미경 사진과도 일치한다.

도 6(b)는 공극이 존재하는 샘플 2에서 수행한 공극 검사 결과이다. 도 6(a)와 대조적으로 공극이 존재한다. 스캔 시 공극이 존재하는 위치마다 미리 정의된 제어 한계를 벗어난 DI값이 확인할 수 있다. 이러한 제어한계를 벗어난 DI값으로부터 공극 검출 및 위치를 확인할 수 있다.

DI 값은 위에서 살펴본 바와 같이 공극에만 민감하고, 검사 위치에 따른 열특성의 영향을 받지 않으므로, 검사 위치의 열특성에 대한 사전 지식 없이도 오로지 사전에 정의된 제어 한계를 벗어난 DI 값을 검색하여 찾음으로써 공극을 감지할 수 있다.

위와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링을 비접촉식으로 수행하여 3D 프린팅 공정 제어 정밀성과 프린팅 대상물(90)의 품질을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 의한 DI 이상 값으로부터 공극 검출 및 위치확인 검사 결과와 연마 후 촬영한 현미경 사진과 비교한 결과 93.3% 성공률을 보였다.

또한, 본 발명은 실시간 공극 모니터링을 통해 3D 프린팅 공정 중 조기 폐기 또는 제품 품질을 향상시키기 위한 실시간 피드백 제어가 가능하여 재료 손실을 줄이고, 즉각적인 보완조치로 프린팅 대상물(90)의 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본명세서에 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 : 과도적 열반사율 계측 시스템 10 : 펨토초 레이저 소스
12 : 펨토초 레이저 소스 14 : 펌프 레이저 빔
16 : 프로브 레이저 빔 20 : 빔 스플리터
30 : 음향-광학 변조기 40 : 지연 스테이지
50 : 광 검출기 60 : 락인 증폭기
70 : 제어부 80 : 3D 프린팅용 레이저 빔
90 : 프린팅 대상물 92 : 응고 영역

Claims (3)

1. 3D 프린팅용 레이저 빔에 의하여 모재가 용융된 후 응고된 영역 내의 공극을 모니터링 하는 방법으로서,
   펨토초 레이저 소스로부터 출력되는 펨토초 레이저 빔을 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔으로 분리하는 단계;
   상기 분리된 펌프 레이저 빔을 서로 다른 복수의 주파수로 변조한 후 상기 응고된 영역에 상기 변조된 펌프 레이저 빔들을 조사하는 단계;
   상기 분리된 프로브 레이저 빔을 상기 펌프 레이저 빔보다 소정 시간 지연되어 상기 응고된 영역에 조사하는 단계;
   상기 응고된 영역에서 반사된 프로브 레이저 빔을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계;
   상기 변환된 전기 신호로부터 상기 변조 주파수 별 진폭과 위상을 계측하는 단계;
   위상 보정으로 상기 변조 주파수 별 진폭과 위상 계측 값으로부터 펌프 레이저 빔에 의한 과도적 열반사율 변화를 추출하는 단계;
   제1 소정의 시간 t₁에서 상기 각 변조 주파수 별 과도적 열반사율 변화를 정규화 하는 단계;
   제2 소정의 시간 t₂ (단, t₂ > t₁)에서 상기 정규화 된 과도적 열반사율 변화 값의 차이로 손상지수(Damage Index:DI)를 계산하는 단계; 및
   상기 손상지수와 미리 설정된 기준 값을 비교하여 상기 응고된 영역 내의 공극의 존재여부를 판별하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 펌프 레이저 빔이 서로 다른 3개 이상의 주파수로 변조되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법.
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 프로브 레이저 빔과 다른 파장 또는 편광을 이용하여 간섭을 방지한 추가 프로브 경로를 더 포함하여 데이터 수집 시간을 감소시키고 공간 분해능과 시간 분해능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 공정 중 과도적 열반사율 계측 방식을 이용한 공극 모니터링 방법.