Feedback Loop Control in AM by a Leader-Follower Process

녹은 금속으로 정교하고 돌출된 다리를 한 층 한 층, 마이크로미터 단위로 쌓아 올린다고 상상해 보십시오. 오직 집중된 빛의 빔만을 사용하여 말입니다. 이것이 바로 레이저 분말 베드 용융(laser powder bed fusion)의 현실이며, 미세한 금속 분말을 융합하여 디지털 설계를 견고한 금속 부품으로 바꾸는 제조 기술입니다. 이 과정은 믿을 수 없을 정도로 정밀하지만, 동시에 매우 까다롭습니다. 레이저가 분말을 녹이면 강렬한 열이 발생하고 이것이 급격히 식으면서, 종종 금속이 뒤틀리거나 층이 의도한 모양에서 벗어나 떨어져 나가는 현상이 발생합니다. 이러한 실패는 특히 항공우주나 의료용 복잡한 부품을 제작할 때 비용이 많이 들고 좌절감을 줍니다. 수년간 엔지니어들은 제작을 시작하기 전에 기계 설정을 조정함으로써 이러한 문제를 해결하려 노력해 왔지만, 이는 본질적으로 최선의 결과가 나오기를 바라는 요행에 불과했습니다. 그러나 새로운 접근 방식이 게임의 판도를 바꾸고 있습니다. 바로 기계가 스스로를 관찰하고 실시간으로 자신의 행동을 조절할 수 있는 능력을 부여하는 것입니다. 마치 굽이진 길을 운전하며 핸들을 수정하는 운전자처럼 말입니다.

오하이오 주립 대학교의 연구진은 산업 파트너들과 협력하여 이 자기 교정 기술의 특정 버전을 테스트하기 위해 나섰습니다. 그들은 두 개의 레이저가 협력하여 인쇄 과정의 거친 모서리를 매끄럽게 만들 수 있는지 확인하고자 했습니다. 단일 레이저에 의존하는 대신, 그들은 한 레이저가 '리더(leader)' 역할을 하고 두 번째 레이저가 '팔로워(follower)' 역할을 하도록 기계를 구성했습니다. 어떻게 배치하느냐에 따라, 팔로워는 리더가 분말을 녹이기 전에 분말을 예열하거나, 금속이 녹은 후에 뒤따라와서 재가열할 수 있었습니다. 목표는 컴퓨터 시스템이 열과 부품의 형상을 끊임없이 모니터링하며 유도하는 이 '이중 레이저 댄스'가 표준 단일 레이저 설정보다 더 곧고 신뢰할 수 있는 부품을 만들어낼 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구진은 기계의 한계를 시험하기 위해 설계된 특별한 테스트 피스를 제작했습니다. 여기에는 점점 더 가파른 각도로 뻗어 나가는 일련의 캔틸레버(cantilever), 즉 돌출된 팔들이 포함되었습니다. 이러한 돌출부는 녹은 금속을 받쳐줄 밑받침이 없기 때문에 처짐이나 낮은 표면 품질을 유발하기로 악명 높은, 인쇄하기 매우 어려운 구조입니다. 이를 관리하기 위해 그들은 피드백 루프로 작동하는 정교한 소프트웨어 시스템을 사용했습니다. 이 시스템은 고속 카메라를 통해 인쇄 과정을 관찰하며 열과 용융 풀(melt pool, 레이저에 의해 생성된 작은 빛나는 액체 금속 웅덩이)의 형상을 측정했습니다. 몇 층마다 소프트웨어는 관찰된 모습과 원래의 디지털 설계를 비교했습니다. 만약 금속이 뒤틀리기 시작하거나 열이 너무 강해지면, 시스템은 즉시 레이저의 출력이나 층의 두께를 미세하게 조정하여 과정을 궤도에 다시 올려놓았습니다.

연구팀은 여러 차례의 빌드를 실행하여 다양한 전략을 비교했습니다. 단일 레이저를 사용하여 샘플을 인쇄했고, 그다음에는 피드백 루프가 활성화된 상태에서 두 개의 레이저 설정을 사용하여 인쇄했습니다. 한 가지 구성에서는 두 번째 레이저가 첫 번째 레이저가 분말을 녹이기 전에 분말을 데워 급격한 온도 변화로 인한 응력을 줄이는 것을 목표로 했습니다. 또 다른 구성에서는 두 번째 레이저가 뒤따라오며 금속이 녹은 후 잠시 동안 뜨거운 상태를 유지하게 하여, 재료가 더 부드럽게 식을 수 있도록 했습니다. 결과는 피드백 루프가 공정을 안정적으로 유지하는 데 매우 효과적임을 보여주었습니다. 시스템이 예열 설정을 제어할 때, 열 측정값은 목표치에 놀라울 정도로 근접했으며, 제어되지 않은 인쇄물에 비해 변동이 거의 없었습니다. 시스템은 매 3개 층마다 기계를 성공적으로 조정하여, 중단하거나 재시작할 필요 없이 빌드가 실패하는 것을 방지했습니다.

그러나 두 가지 레이저 구성이 똑같이 작동하지는 않았습니다. 예열 설정은 컴퓨터가 제어하기 쉬웠던 반면, 후가열(post-heating) 설정은 더 까다로운 것으로 드러났습니다. 연구진은 두 번째 레이저가 첫 번째 레이저를 따라갈 때 분말 베드를 방해하고 '스패터(spatter)'라고 불리는 날아다니는 불꽃을 더 많이 생성한다는 것을 발견했습니다. 이 불꽃은 센서를 혼란시켜 소프트웨어가 정상적인 열과 파편으로 인한 불규칙한 신호를 구분하기 어렵게 만들었습니다. 결과적으로 후가열 과정을 미세하게 조정하는 컴퓨터의 능력은 정밀도가 떨어졌으며, 조정 시 더 큰 오차가 발생했습니다. 그럼에도 불구하고, 물리적인 결과는 후가열 방식이 놀라울 정도로 우수했습니다. 용융 후 가열 전략으로 인쇄된 부품은 예열이나 단일 레이저 방식보다 뒤틀림과 의도한 형상으로부터의 편차가 현저히 적었습니다. 돌출된 팔들은 훨씬 더 곧게 유지되었으며, 부품의 상단 표면과 하단 표면 사이의 차이는 다른 방법들에 비해 약 4분의 1 수준으로 줄어들었습니다.

부품의 형상 외에도, 연구진은 금속 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 미시적인 수준에서 살펴보았습니다. 그들은 인쇄된 샘플을 절단하여 금속의 강도와 내구성을 결정하는 결정립 구조(grain structure)를 조사했습니다. 그들은 후가열 방식이 재료의 내부 구성에 뚜一个한 변화를 일으켜, 티타늄 합금에서 흔히 볼 수 있는 특유의 바늘 모양 구조(needle-like structure) 형성을 촉진한다는 것을 발견했습니다. 이 구조는 후가열 레이저를 사용할 때 부품의 본체 부분에서 더 자주 나타났으며, 이는 추가적인 열이 재료가 특정 배열을 촉진하는 방식으로 식도록 도왔음을 시사합니다. 흥erosity하게도, 단일 레이저와 예열 방식은 이러한 바늘 모양 구조의 증가를 보이지 않았는데, 이는 후가열 방식이 빌드가 끝난 후 별도의 열처리 단계 없이도 재료의 특성을 조절할 수 있는 독특한 방법을 제공함을 나타냅니다.

연구는 피드백 루프가 두 레이저 설정 모두에서 잘 작동하지만, 금속을 녹인 후 열을 가하는 팔로워 레이저와 지속적으로 과정을 교정하는 시스템의 조합이 가장 좋은 결과를 제공한다고 결론지었습니다. 연구진은 상용 피드백 소프트웨어를 이러한 첨단 기계에 통합하여 밀도가 거의 완벽한 고품질 인쇄를 달로 수 있음을 입증했습니다. 또한, 시스템이 후가열 설정의 노이즈가 섞인 신호로 인해 약간 어려움을 겪었음에도 불구하고, 물리적인 이점은 부정할 수 없다는 점을 강조했습니다. 이 연구는 기계가 스스로를 관찰하고 조정하게 함으로써, 제조업체가 더 복잡하고 신뢰할 수 있는 금속 부품을 생산하여 실패를 줄이고, 이 기술의 광범위한 활용을 위한 길을 열 수 있음을 시사합니다.