3D 금속프린팅공정실시간모니터링하는 CLAMIR 시스템 엘모트레이딩 www.elmotrade.co.kr 자료출처 : Google 그림 1. 전형적인 3D Metal Printing 공정의구조 NIT Europe, Spain은다양한산업현장에적용되는초고속열화상카메라를개발, 제조하는업체로핵심기술인중적외선초고속열화상카메라와그동안의축적된노하우를기반으로최근 3D 프린팅공정을실시간모니터링, 컨트롤하는 CLAMIR 시스템을라운칭하였다. 본고에서는 NIT Europe의 3D 프린팅공정을실시간모니터링, 자동컨트롤하는 CLAMIR 시스템에대하여소개하고자한다. 시스템의핵심과구성 CLAMIR 시스템이적용되는대표적인공정들은 AM Cladding 공정 (Metal Additive Manufacturing systems) LMD 공정 (Laser metal deposition) 금속 3D Printing 공정 기타 laser process control 공정등이다. 이시스템은 NIT의초고속열화상카메라, 초당 1,000개의열화상, 픽셀당열에너지값을수집한다. 스캔속도는 1,000frame/second, 측정할수있는온도범위는 100~2500 이다. 시스템이수집, 연산한데이터로실시간자동으로 Laser power를컨트롤하여원하는 Melt pool의폭과온도등의공정파라미터들을일정하게유지할수있다. 시스템이실시간모니터링하여수집, 연산하는파라미터들은 Melt pool 온도의최고값과평균온도값 Melt pool의열적 ( 熱的 ) 변화와특성 Melt pool에대한열등고선과면적, 길이, 폭등이다. CLAMIR 시스템은핵심하드웨어인열화상카메라, 수집한데이터를실시간수집, 연산하는처리회로, Laser power를실시간연동 (Loop control) 92 C&I 2017. 6
3D 금속프린팅공정실시간모니터링하는 CLAMIR 시스템 그림 2. 3D 프린팅을실시간모니터링, 컨트롤하는시스템의구성 그림 3. 시스템의핵심인열화상카메라는 Laser head 의동축방향 ( 同軸 -, Co-axial) 으로설치, 결합된다. 할수있는 Analog output(0~10voltage) 과운영소프트웨어가설치된 Host PC와의통신을위한 Digital interface 등으로구성되어있다 ( 그림 2). 솔루션의기대효과와적용사례 3D 프린팅공정과레이저프로세스콘트롤 (Laser process control) 공정에서 Melt pool의폭과공정온도를실시간으로모니터링하여 Laser 2017. 6 C&I 93
그림 4. 시스템은 Melt pool 의폭을포함한공정의여러파라미터들을실시간수집, 연산하여자동으로 laser power 를조절한다. 그림 5. NIT 의중적외선카메라 ( 아래오른쪽 ) vs 기존의 CMOS 카메라 ( 아래왼쪽 ) power를실시간 Loop control한다. 이로써공정에서발생할수있는결함들이감소하여시간과경비, 유지보수비용등을절약할수있다. 실제적용사례에서살필수있는특장점은다음과같다. (1) 3D 프린팅공정의결함발생방지 3D 프린팅공정에서변함없이일정한 Laser power는불안정한 cladding 공정과컨트롤되지않은 Heat input으로 tube 끝의과열과불균일한 coating을초래할수있다. NIT의솔루션은일관된레이어 (Layer) 층들, 일관된 wall 94 C&I 2017. 6
3D 금속프린팅공정실시간모니터링하는 CLAMIR 시스템 그림 6. CLAMIR 시스템의레이저콘트롤에의해레이어가결함없이적층되는단계 ( 동영상캡처 ) thickness와 base plate로부터낮은박리 (Lower delamination) 를구축해결함발생을방지한다. (2) 공정에최적화된 NIT의중적외선카메라적용 Laser control 공정에서가시광선영역을감지하는 CMOS 카메라는단지이미지형상만으로모 니터링해서열의강도와분포를알수없다. 이에반해 NIT의중적외선열화상카메라는열의분포와유동 ( 流動 ) 을정확하게모니터링할수있다. 또한 CMOS 카메라는 900 이상의열을감지하지못하지만 NIT의중적외선카메라는 2017. 6 C&I 95
그림 7. CLAMIR 의설치를위해서점선으로표시한부분을제거한다. CCD 카메라와 CLAMIR 시스템모두사용하는하이브리드 (Hybrid) 방법도검토될수있다. 100~2,500 의열을감지한다. CMOS 카메라가강한 Laser에의해악영향을받아서 Saturation 이나 Blooming effect와같은현상이나타나지만 ( 단면적이커지고이미지가흐려지거나초점이맞지않는다 ) 매우높은해상도를갖는 CMOS 카메라는 Laser power를실시간으로컨트롤하는데큰의미가없다. (3) 광범위한온도감지와빠른반응속도로데이터수집 < 그림 6> 은동일한공정조건에서 NIT 솔루션을적용했을때 (With control) 와적용하지않은상태들 (Without control) 을시간진행에따라서보여준다. CLAMIR 시스템의 Laser control에의해 Layer가결함없이적층되는단계들을보여준다. NIT 솔루션에적용된중적외선카메라는 100~2,500 의광범위한온도를감지할수있으 며, 1,000frame/sec의초고속데이터수집과빠른반응속도로공백없이데이터를수집한다. 또한 Zero-defect 생산량을 Full production으로높일수있다. 기계적인설치와소프트웨어환경설정 (1) 기계적인설치 CLAMIR 설치는 Laser head의동축방향 ( 同軸方向, Co-axial) 으로설치, 결합한다. 이는고객의 3D 프린터의광학시스템에결합이용이하다. CLAMIR 설치를위해서는파란점선으로표시된기존카메라시스템부분을제거해야한다. 대부분 CCD Camera를위한 BK7 렌즈가설치되어있는데적외선을투과하지못하므로제거하는것이다. 통상적으로 Laser의초점을맞추기위한추가렌즈 (Mirror, 노즐에더가까운쪽의렌즈 ) 쪽에설 96 C&I 2017. 6
3D 금속프린팅공정실시간모니터링하는 CLAMIR 시스템 그림 8. 기계적인연결부분의제작. 한쪽은 Laser head 에, 반대쪽은 CLAMIR 시스템의하드웨어에맞도록디자인된다. 그림 9. CLAMIR 의운영소프트웨어메인화면 그림 10. 광학적인보정작업 치해서열화상을수집한다. 기계적인인터페이스는고객의 Optical port에맞도록 NIT에서디자인, 공급한다 ( 그림 8 중앙 ). (2) CLAMIR 시스템소프트웨어환경 사용환경 : 프로세서유형 i5 이상, Windows 7 이상, 8GB RAM 권장 실시간디스플레이되는파라미터들 : Melt pool의폭, laser power(curves), 2차원열화상에의한열적인유동상태 Configuration 파일에서설정, 저장되는파라미터들 - Closed-loop control parameters: Kp, Ki, Kd.(PID filter) - Laser power 의최고값과최소값설정 - Default laser power - CLAMIR이전송하는 Analog output value(0-10v) 를 laser power의 Span(0- Max) 과동기화 (in Watts). 예 ) 0V일때 2017. 6 C&I 97
그림 11. CLAMIR 시스템의소프트웨어실행화면 최소 Laser power(watt), 10V일때최고 Laser power(watt) (3) Spatial calibration ; 광학적인보정작업광학적으로보정작업을하는이유는픽셀단위의면적을실제mm2단위의면적으로동기화하기위해서다. CLAMIR에내장된열화상카메라의렌즈와별개로, 레이저헤드는자체광학시스템렌즈를가지고있으므로, 이광학시스템의렌즈와열화상카메라의렌즈의조합으로최종배율을부여한다. (4) 소프트웨어실행시스템의 Warm-up 단계가끝나면서소프트웨어는 Melt pool의 Dimension을실시간으로모니터링, 반영한다. 동시에시스템은이제 Laser power를자동으로컨트롤한다. 이제실시간으로 Melt pool의크기 ( 타원의가로축, 세로축길이로 표시 ) 를디스플레이한다. 컨트롤되고있는 ( 변하고있는 ) Laser power, Track 번호, 시간등이디스플레이된다. 맺는말 NIT Europe의 3D 프린팅모니터링, 컨트롤시스템은연구소내또는생산공정에있는 3D 프린팅공정에서 Melt pool에대한여러파라미터들을초고속으로수집, 연산하여공정진행중발생할수있는결함을제거하여생산성을높이고경비절감을극대화할수있다. 앞으로계속증가할국내금속 3D 프린팅공정들에큰도움이될것으로기대한다. 문의 : 070)8806-3039 98 C&I 2017. 6