Fast 360-Degree 3D Metrology for Directed Energy Deposition

거대한 금속 부품들이 블록에서 깎이거나 틀에 부어 만들어지는 것이 아니라, 불과 금속 가루로 이루어진 3D 프린터처럼 층층이 쌓여 만들어지는 공장 바닥을 상상해 보십시오. 직접 에너지 적층(directed energy deposition)이라고 알려진 이 공정은 강력한 레이저를 사용하여 금속 분말의 흐름을 녹여, 이동하면서 이를 단단한 형상으로 융합합니다. 이 기술은 비행기, 자동차, 의료 기기를 위한 복잡한 부품을 만들거나, 심지어 고장 난 부품을 현장에서 즉시 수리할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 그러나 이 공정의 본질적인 특성 때문에 검사가 매우 어렵습니다. 만들어지고 있는 금속은 종종 뜨겁고, 불균일하며, 빛을 강하게 반사하여 센서의 눈을 멀게 하는 방식으로 빛을 되돌려 보냅니다. 만약 결함(작은 구멍, 뒤틀린 층, 또는 약한 지점)이 발생한다면, 이는 수천 달러의 비용이 들고 제작에 며칠이 걸릴 수 있는 전체 부품을 망가뜨릴 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 엔지니어들은 다음 층의 금속이 추가되기 전, 눈 깜짝할 사이에 물체의 표면을 완벽한 3차원 지도로 포착하여 물체를 명확하게 볼 수 있는 방법이 필요합니다.

오랫동안 이러한 빛나는 움직이는 표면을 측정하기 위해 사용 가능한 도구들은 너무 느리거나 제한적이었습니다. 전통적인 방식은 종-종히 시간에 따라 일련의 사진을 찍어야 하는데, 이는 물체가 빠르게 움직이거나 형태가 변하는 경우에는 불가능합니다. 다른 방식들은 금속의 눈부심 때문에 어려움을 겪으며, 밝은 점들과 누락된 데이터로 가득 찬 이미지를 만들어냅니다. 이제 애리조나 대학교와 노스웨스턴 대학교의 연구진이 이러한 문제들을 해결하는 새로운 시스템을 개발했습니다. 그들은 모든 각도에서 금속 부품을 한순간에 스캔할 수 있고, 눈을 멀게 하는 반사광을 걸러내어 표면의 실제 형상을 드러내는 빠르고 다재다능한 3D 카메라 설정을 만들었습니다. 최근 연구에 통해 상세히 밝혀진 이들의 작업은 인간의 머리카락 너비보다 더 미세한 정밀도로 복잡한 금속 부품을 측정할 수 있는 시스템을 입증했으며, 이는 첨단 제조 분야에서 품질을 보장하는 새로운 길을 제시합니다.

이 새로운 시스템의 핵심은 작업 공간 주변에 배치된 카메라와 프로젝터의 영리한 배열입니다. 하나의 관점에만 의존하면 숨겨진 모서리나 가파른 벽을 놓치기 쉬운 데 반해, 연구진은 작업 영역 주위에 원형으로 4대의 카메라와 3대의 프로젝터를 배치했습니다. 이를 통해 모든 측면에서 물체 전체를 한 번에 볼 수 있습니다. 형상을 포착하기 위해 프로젝터는 금속 표면에 빛의 줄무늬 패턴을 투사합니다. 이 줄무늬가 성장하는 금속 부품의 울퉁불퉁하고 거친 표면에 닿으면 굴절되고 왜곡됩니다. 카메라는 이러한 왜곡을 기록하며, 컴퓨터는 선이 어떻게 휘어졌는지를 사용하여 표면의 모든 지점이 정확히 얼마나 높거나 낮은지를 계산합니다. 이 기술은 '프린지 투영 프로필로메트리(fringe projection profilometry)'라고 알려져 있으며, 형상을 측정하는 표준적인 방법이지만 연구진은 이를 금속 프린팅의 독특한 과제에 맞게 조정해야 했습니다.

가장 큰 도전 과제는 눈부심이었습니다. 금속 표면, 특히 갓 만들어진 뜨거운 상태의 금속은 거울처럼 작동하여 카메라 렌즈로 빛을 직접 반사합니다. 이는 섬세한 줄무늬 패턴을 씻어내 버리는 밝고 포화된 점들을 생성하여 해당 영역의 측정을 불가능하게 만듭니다. 이를 해결하기 위해 팀은 장비에 편광 필터 층을 추가했습니다. 편광된 빛을 수직 슬랫이 있는 울타리를 통과하는 물줄기라고 생각해 보십시오. 만약 이 빛을 수평 슬랫이 있는 두 번째 울타리로 통과시키려 한다면, 빛은 차단될 것입니다. 연구진은 프로젝터 앞에 빛이 특정 방향으로 진동하도록 강제하는 필터를 배치했습니다. 그런 다음, 동일한 방향을 차단하도록 설정된 일치하는 필터를 각 카메라 앞에 배치했습니다. 빛이 금속에 부딪혀 직접 반사될 때, 그것은 원래의 진동을 유지하여 카메라의 필터에 의해 차단됩니다. 그러나 거칠고 무광택인 금속 표면에서 산란되는 빛은 진동 방향이 뒤섞여 변하게 됩니다. 이 산란된 빛은 카메라의 필터를 통과할 수 있어, 시스템이 눈부신 눈부심을 무시하면서 금속의 실제 질감을 볼 수 있게 해줍니다.

시스템을 프린팅 공정 속도에 맞출 수 있도록 만들기 위해, 연구진은 여러 장의 사진을 순차적으로 찍는 전통적인 방식에서 벗어났습니다. 표준 시스템은 종종 여러 가지 다른 패턴을 투사하고 일련의 사진을 찍어 3D 모델을 구축해야 하는데, 이 과정은 너무 오래 걸리고 물체가 조금이라도 움직이면 오류가 발생할 위험이 있습니다. 대신, 이 새로운 시스템은 단 한 장의 사진만으로 전체 3D 형상을 계산할 수 있는 수학적 기법을 사용합니다. 단 한 장의 이미지에서 빛 줄무늬의 주파수를 분석함으로써, 컴퓨터는 표면의 모든 지점에 대한 깊이를 즉각적으로 결정할 수 있습니다. 이는 전체 측정 시간이 0.5초 미만이 된다는 것을 의미하며, 기계를 오래 멈추지 않고도 프린팅 단계 사이에 수행할 수 있을 만큼 충분히 빠릅니다.

팀은 실제 금속 프린팅 기계 내부에서 시스템을 테스트하였으며, 풍선 강아지 모양과 높고 얇은 벽 모양의 복잡한 부품을 측정했습니다. 풍선 강아지의 경우, 시스템은 새로운 층이 추가될 때마다 높이를 성공적으로 포착하였으며, 700 마이크로미터만큼의 작은 변화도 감지해 냈습니다. 이들의 측정값을 고급 산업용 현미경으로 측정한 값과 비교했을 때, 그 차이는 64 마이크로미터에 불과했으며, 이는 시스템이 부품의 성장을 신뢰성 있게 추적할 수 있음을 증명하는 정확도 수준입니다. 또한 시스템은 레이저가 표면을 따라 이동하면서 남긴 미세한 물결과 같은 미세한 디테일을 분해능 있게 보여주었으며, 이는 제조 과정의 미묘한 질감까지도 볼 수 있음을 보여줍니다.

아마도 가장 어려운 테스트는 두 개의 평행한 표면이 매우 가까이 서 있는 구조물인 얇은 벽이었을 것입니다. 전통적인 3D 스캐닝 방식은 종종 이러한 형상에서 어려움을 겪으며, 공간의 부족으로 인해 두 벽을 하나의 평평한 표면으로 합쳐버리는 실수를 범하곤 합니다. 그러나 새 시스템은 네 대의 카메라로부터 얻은 뷰를 결합하는 스마트 알고리즘을 사용했습니다. 알고리즘은 모든 지점에서 표면이 향하는 방향을 분석하고, 각 지점에 대한 최선의 뷰를 선택하여 충돌하는 데이터를 폐기했습니다. 이를 통해 시스템은 얇은 벽의 실제 두께를 온전히 보존하며 재구성할 수 있었습니다. 최종 결과는 정밀도 측면에서 55 마이크로미터 오차 범위 내의 완전한 360도 객체 지도였습니다.

이 성과는 금속 적층 제조 분야에서 중요한 진전을 의미합니다. 단일 샷 카메라 기술과 눈부심을 걸러내는 방법을 결합함으로써, 연구진은 금 metal 부품이 만들어지는 동안 품질을 모니터링할 수 있는 도구를 만들었습니다. 이 시스템은 단순히 물체를 보는 것이 아니라, 열기, 움직임, 그리고 보통 진실을 가려버리는 눈부신 반사에도 불구하고 물체를 명확하게 봅니다. 현재의 설정은 측정을 위해 층 사이의 짧은 휴지기를 필요로 하지만, 시스템의 속도는 미래 버전이 결국 레이저가 작동하는 중에도 실시간으로 과정을 모니터링할 수 있음을 시사합니다. 이러한 능력은 제조업체들이 핵심 부품을 제작하는 방식을 변화시켜, 오류가 발생하는 즉시 잡아내고 최종 제품이 층층이 완벽하게 만들어지도록 보장할 수 있게 할 것입니다.