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KR102501153B1 - 자기 증분 투자율을 이용한 금속 3d 프린팅 부재 항복강도 계측 방법 및 이를 위한 계측 시스템 - Google Patents

자기 증분 투자율을 이용한 금속 3d 프린팅 부재 항복강도 계측 방법 및 이를 위한 계측 시스템 Download PDF

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KR102501153B1
KR102501153B1 KR1020210095604A KR20210095604A KR102501153B1 KR 102501153 B1 KR102501153 B1 KR 102501153B1 KR 1020210095604 A KR1020210095604 A KR 1020210095604A KR 20210095604 A KR20210095604 A KR 20210095604A KR 102501153 B1 KR102501153 B1 KR 102501153B1
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KR
South Korea
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metal material
measured
magnetic field
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coil
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손훈
임형진
이종수
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한국과학기술원
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Priority to US18/580,750 priority patent/US20240328998A1/en
Priority to CN202280063743.6A priority patent/CN118043660A/zh
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Abstract

자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도를 비파괴적으로 계측하는 방법과 시스템을 개시한다. 전자석을 이용하여 준정적 여기 자기장을 생성하여 계측대상 금속재의 두 지점을 통해 입출하도록 인가함과 동시에, 가진코일을 통해 작은 교류 자기장을 생성하여 계측대상 금속재에 인가한다. 계측대상 금속재 내부로 인가된 준정적 여기 자기장의 세기를 홀센서를 이용하여 측정한다. 자화된 계측대상 금속재로부터 유도된 자기장을 센싱코일을 이용하여 검출한다. 홀센서의 출력신호와 센싱코일의 검출신호를 이용하여 계측대상 금속재의 가역투자율(MIP)을 구한다. 구해진 가역투자율과 계측대상 금속재의 입자크기 간의 상관관계로부터 계측대상 금속재의 입자크기를 구하고, 그 구해진 입자크기를 이용하여 계측대상 금속재의 항복강도를 산출한다. 계측대상 금속재의 입자크기와 항복강도를 비파괴적으로 계측할 수 있다.

Description

자기 증분 투자율을 이용한 금속 3D 프린팅 부재 항복강도 계측 방법 및 이를 위한 계측 시스템 {Method of measuring yield strength of 3D printed metallic members using magnetic incremental permeability, and system therefor}
본 발명은 금속재의 항복강도를 계측하는 기술분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린팅하는 동안에 그 프린팅되는 금속재의 항복강도를 계측하는 기술에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술의 발달로 복잡한 형상의 금속 부재들을 효율적으로 제작할 수 있게 되었다. 하지만, 기존에는 제작 중인 3D 프린팅 부재가 목표한 기계적 물성치를 확보하였는지 여부는 제작하는 그 부재의 제작 후에 파괴적인 인장시험을 수행하는 방법을 통해서만 알 수 있었다. 제작 후 시험에서 그 제작된 3D 프린팅 부재가 원하는 물성치를 확보하는 데 실패한 것으로 판명되면, 그 제작 작업은 헛수고로 돌아가게 된다. 불량이 제품 제작 초기에 발생하였을 경우에도, 그 즉시 제작을 중단하지 못하고 불필요한 공정을 끝까지 수행하는 데 따른 과외의 손실이 발생한다. 또한 인장시험의 방식이 프린팅 완성품을 파괴하여 분석하는 방식이므로, 시험대상의 양이 많아질수록 원가상승의 부담이 커지게 된다.
한편, 3D 프린팅 시 레이저 기술 및 인공신경망 기술을 이용하여 프린팅되는 물체의 손상 여부를 실시간 모니터링하는 기술은 알려져 있다.
대한민국 특허등록번호 제10-2236149 B1 (2021.03.30)
본 발명의 일 목적은 자기 증분 투자율(magnetic incremental permeability: MIP)과 홀 펫치(Hall Petch) 관계를 이용하여, 금속재의 입자크기와 항복강도를 비파괴적으로 추정하는 금속부재의 항복강도 계측 방법과 이를 위한 계측 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MIP와 홀 펫치(Hall Petch) 관계를 이용하여, 제작 중인 3D 프린팅 금속재의 항복강도를 비접촉 및 비파괴 방식으로 실시간으로 계측할 수 있는 금속부재의 항복강도 계측 방법과 이를 위한 계측 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법은 전자석을 이용하여 준정적 여기 자기장을 생성하여 계측대상 금속재의 두 지점을 통해 입출하도록 인가하는 단계; 상기 인가하는 단계와 병행하여, 가진 코일을 통해 상기 준정적 여기 자기장보다 작은 교류 자기장(ΔH)을 생성하여 상기 준정적 여기 자기장과 중첩되게 상기 계측대상 금속재에 인가하는 단계; 상기 계측대상 금속재 내부로 인가된 상기 준정적 여기 자기장의 세기를 홀센서를 이용하여 측정하는 단계; 상기 준정적 여기 자기장과 상기 교류 자기장(ΔH)에 의해 자화된 상기 계측대상 금속재로부터 유도된 자기장을 센싱코일을 이용하여 검출하는 단계; 상기 홀센서의 출력신호와 상기 센싱코일의 검출신호를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 가역투자율(MIP)을 구하는 단계; 구해진 가역투자율(MIP)과 상기 계측대상 금속재의 입자크기 간의 상관관계로부터 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 구하는 단계; 및 그 구해진 입자크기를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 항복강도를 산출하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 계측대상 금속재의 항복 강도(σy)는 아래 식으로 표현되는 금속재의 입자크기(d)와 항복강도(σy) 간 홀 펫치 관계식
Figure 112021084142028-pat00001
(여기서, σ0은 재료의 마찰응력(Friction Stress)을 나타내고, Ky는 상수임)에 추정된 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 입력하여 구해질 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 계측대상 금속재는 금속원료를 사용하여 실시간으로 3D 프린팅 되고 있는 금속재일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 상관관계는 상기 계측대상 금속재의 입자 크기에 따른 MIP 변화를 나타내는 버터플라이 형상의 그래프로 표현될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전자석, 상기 홀센서, 상기 가진 코일 및 상기 센싱코일이 한 몸체로 결합된 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 인가되는 구동전압의 크기에 따라 두께 변화 또는 움직임을 유발하는 압전소자를 이용하여 조정하는 단계; 변위계측센서를 이용하여 상기 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 계측하는 단계; 및 상기 변위계측센서로부터 출력되는 이격거리 계측신호를 이용하여 상기 계측대상 금속재와 상기 MIP 계측 센서 간의 이격거리를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 이격거리 계측신호는 상기 MIP 계측 센서에서 상기 계측대상 금속재로 레이저광을 방출하여 그 계측대상 금속재로부터 반사되는 레이저 광을 검출한 신호일 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 전자석, 홀센서, 가진 코일, 센싱 코일, 그리고 연산제어부를 포함한다. 상기 전자석은 두 다리부를 포함하는 요오크와 상기 요오크에 감긴 전자석 코일을 포함하며, 상기 전자석 코일에 준정적 전류가 흐를 때 생성되는 준정적 여기 자기장의 자속이 계측대상 금속재의 이격된 두 지점을 통해 입출하도록 하여 상기 계측대상 금속재를 자기적으로 여기시키도록 구성된다. 상기 홀센서는 상기 전자석의 두 다리부 사이에 배치되어, 상기 계측대상 금속재 내부로 인가된 상기 준정적 여기 자기장의 세기를 측정하도록 구성된다. 상기 가진 코일은 상기 홀 센서 주위에 권선되고, 교류 전류가 흐르는 동안에 상기 준정적 여기 자기장보다 작은 교류 자기장(ΔH)을 생성하여 상기 준정적 여기 자기장과 중첩되게 상기 계측대상 금속재에 인가하도록 구성된다. 상기 센싱 코일은 상기 홀 센서 주위에 권선되고, 상기 준정적 여기 자기장과 상기 교류 자기장(ΔH)에 의해 자화된 상기 계측대상 금속재로부터 유도된 자기장을 검출하도록 구성된다. 상기 연산제어부는 상기 홀센서의 출력신호와 상기 센싱코일의 검출신호를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 가역투자율(MIP)을 구하고, 구해진 가역투자율(MIP)과 상기 계측대상 금속재의 입자크기 간의 상관관계로부터 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 구하고, 그 구해진 입자크기를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 항복강도를 산출하도록 구성된다. 이런 구성을 통해, 상기 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 계측대상 금속재의 입자크기와 항복강도를 비파괴적으로 계측할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 계측대상 금속재의 항복 강도(σy)는 아래 식으로 표현되는 금속재의 입자크기(d)와 항복강도(σy) 간 홀 펫치 관계식
Figure 112021084142028-pat00002
(여기서, σ0은 재료의 마찰응력(Friction Stress)을 나타내고, Ky는 상수임)에 추정된 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 입력하여 구해질 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 상관관계는 상기 계측대상 금속재의 입자 크기에 따른 MIP 변화를 나타내는 버터플라이 형상의 그래프로 표현될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전자석은 두 다리부가 상기 계측대상 금속재의 이격된 상기 두 지점과 마주보게 되는 U-자형 또는 말발굽형 전자석일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 두 다리부의 말단면은 각각 말단부로 가면서 단면적이 줄어드는 테이퍼링된 형상의 말단면이거나 또는 경사면 형상의 말단면일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 상기 홀 센서를 고정시켜주는 홀 센서 고정부, 그리고 상기 가진 코일과 상기 센싱 코일이 권선될 수 있는 코일 권선부를 포함하여, 상기 홀 센서, 상기 가진코일, 그리고 상기 센싱 코일을 일체로 결합시켜주는 홀센서 홀더를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 홀센서 고정부는 원통형 몸체의 바닥 중앙에 축방향으로 형성되어 상기 홀 센서가 끼움 삽입될 수 있게 마련된 홀센서 장착공을 포함하고, 상기 코일 권선부는 상기 원통형 몸체의 하부 외면의 위와 아래쪽에 원주 방향으로 일주하여 상기 홀센서 장착공을 포위하도록 형성되어 상기 가진 코일과 상기 센싱코일이 각각 권선될 수 있는 제1 권선홈과 제2 권선홈을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전자석은 전자석 코일; 및 자성 물질로 만들어지고 상기 전자석 코일이 권선되고 제1 및 제2 말단면을 갖는 U자형 또는 말발굽형 요오크; 상기 요오크에 권선된 전자석 코일을 포함할 수 있다. 상기 전자석은 준정적 여기 주파수의 전류신호가 상기 전자석 코일에 흐르는 동안에 생성되는 준정적 여기 자기장이 상기 요오크를 통해 이동하다가 상기 제1 및 제2 말단면을 통해 출입하는 형태로 일주하도록 자로를 제공함으로써, 계측대상 금속재가 상기 제1 및 제2 말단면에 근접해있을 때 상기 준정적 여기 자기장이 상기 계측대상 금속재의 소정 구간을 통과할 수 있도록 해주도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 상기 홀 센서의 출력단에 연결되어, 상기 홀 센서의 출력신호를 제1 디지털 데이터로 변환하여 상기 연산제어부에 제공하도록 구성된 제1 계측신호 처리부; 상기 센싱 코일의 출력 전압을 제공받아 제2 디지털 데이터로 변환하여 상기 연산제어부로 제공하도록 구성된 제2 계측신호 처리부; 및 상기 홀 센서의 동작에 필요한 전압을 제공하는 직류 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 준정적 저주파 전류신호를 생성하는 제1 파형생성기; 상기 제1 파형생성기가 생성한 상기 준정적 저주파 전류신호를 증폭하여 상기 전자석 코일에 제공하는 신호 증폭기; 고주파 교류 전류신호를 생성하여 상기 가진 코일에 인가하는 제2 파형생성기; 상기 홀 센서의 출력단에 연결되어 상기 홀 센서의 출력신호를 디지털화하는 제1 계측신호 처리부; 및 상기 센싱코일에 연결되어 상기 센서코일에 의한 검출신호를 디지털화하는 제2 계측신호 처리부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 상기 전자석, 상기 홀센서, 상기 가진 코일 및 상기 센싱코일이 한 몸체로 결합된 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 조정하도록 구성된 센서 변위부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 센서 변위부는 인가되는 구동전압의 크기에 따라 두께 변화 또는 움직임을 유발하여 상기 계측대상 금속재와 상기 MIP 계측 센서 간의 이격거리를 조정하는 압전소자; 및 상기 압전소자를 지지하여 상기 압전소자의 두께 변화 또는 움직임이 상기 MIP 계측 센서에 전달되도록 해주는 하우징을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 연산제어부는 상기 압전소자의 두께 변화 또는 움직임을 제어하는 데 필요한 상기 구동전압을 생성하여 상기 압전소자에 인가해주도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 금속부재의 항복강도 계측 시스템은 상기 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 계측하도록 구성된 변위 계측부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 연산제어부는 상기 변위 계측부의 구동을 제어하면서 상기 변위 계측부의 출력신호를 제공받아 상기 계측대상 금속재와 상기 MIP 계측 센서 간의 이격거리를 산출하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 변위 계측부는 상기 MIP 계측 센서에 고정된 채 레이저 광을 생성하여 상기 계측대상 금속재로 방출하여 상기 계측대상 금속재로부터 반사되는 레이저 광을 검출하도록 구성된 레이저 변위 계측 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 자성 물질인 금속재의 항복강도를 비접촉 비파괴적인 방법으로 계측할 수 있다. 그러므로 항복강도 등 물성치 검사를 위한 완제품 파괴에 따른 손실을 막을 수 있다. 또한, 금속재의 항복강도를 실시간으로 계측할 수 있다. 제작 중에 있는 금속재의 항복강도가 제대로 확보되고 있는지 여부를 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 제작 중인 금속재가 원하는 항복강도를 갖지 못하는 것으로 판별되면, 그 즉시 더 이상 제작을 진행하지 않고 폐기처분하거나 보강 및 다시 제작을 할 수 있으므로 제품 불량에 따른 손실을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들을 3D 프린팅으로 금속재를 가공하는 공정에 활용할 수 있다. MIP 계측이 가능한 MIP 센서와 계측 시스템을 금속 3D 프린터에 탑재하여, 3D 프린팅 제작 중인 금속재의 항복강도를 비파괴적으로 실시간으로 계측할 수 있다. 나아가, 그 계측결과를 3D 프린팅 제작공정에 반영하여 금속 3D 프린팅 제품 및 구조물의 내구성을 향상시키고 불량률을 줄일 수 있다.
도 1은 MIP와 금속재의 입자크기 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MIP 계측 센서의 구성을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 MIP 계측 센서를 채용한 MIP 계측 시스템의 구성을 예시한다.
도 4는 준정적 저주파 자기장에 의한 계측대상 금속재의 자화도 변화와 고주파 교류 자기장에 의한 추가적인 자화에 의한 와전류 신호의 변화를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MIP 기법 기반의 금속 3D 프린팅 공정 계측용 시스템의 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MIP 기법 기반의 금속 3D 프린팅 공정 계측 방법의 흐름도를 도시한다.
이하, 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 1에는 MIP와 금속재의 입자크기 간의 관계가 도시되어 있다. 자기투과성은 인가된 자기장에 대한 물질의 반응 정도로 정의된다. 자속밀도(B)와 자계의 세기(H)는 상관관계가 있지만 B-H 곡선의 모양은 재료에 따라 크게 다를 수 있다. 자성체에서 자속밀도(B)는 자계의 세기(H)의 크기 변화에 따라 비례적으로 변하지 않고, 도 1에 도시된 것처럼 비가역적으로 변하여 히스테리시스 루프를 그릴 수 있다. 그런데 그 히스테리시스 루프 상의 아주 작은 범위(도 1에서 두 점선 사이)에서는 B-H가 가역적인 관계를 갖는 것으로 볼 수 있는데, 그 범위에서의 투자율을 가역 투자율(reversible permeability, μΔ)이라 한다. MIP는 금속재와 같은 강자성 물질이 일정한 준정적(Quasi-static) 자기장에 노출된 상태에서 작은 교류 자기장을 중첩되게 인가하여 측정된 가역 투자율로 정의된다. MIP 즉, 가역 투자율(μΔ)을 식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112021084142028-pat00003
(1)
여기서, μ0는 진공에서의 투자율(4π
Figure 112021084142028-pat00004
H/m), ΔH와 ΔB는 강자성 물질에 가해진 교류 자기장의 세기 변화량과 그 교류 자기장에 의한 자속밀도의 변화량을 각각 나타낸다.
MIP는 자화과정에서 작은 루프(minor loop)의 자속밀도를 측정하여 계산될 수 있다. 자구(magnetic domains)와 같은 강자성 물질의 미세 구조적 특징은 소성 변형 및 피로 손상과 같은 기계적 손상의 영향을 쉽게 받을 수 있다. 일반적으로 MIP는 재료의 미소 구조(microstructure)와 입자크기에 의해 영향을 받는다. 그러므로, MIP 계측을 통해 계측대상 금속재의 입자크기를 비파괴적으로 추정할 수 있다. 구체적으로, 약한 정적 자기장에서는 입자크기가 큰 경우, 고주파 교류 자기장에 의해 금속재가 자화되기 쉽지만, ΔB가 크므로 μΔ도 크다. 입자크기가 작은 경우에는 상대적으로 자화가 잘 되지 않는다. ΔB가 작으므로 μΔ도 작다. 또한, 강한 정적 자기장에서는 입자크기가 큰 경우 μΔ가 작지만, 입자크기가 작으면 μΔ가 큰 특성이 있다. 이런 관계를 이용하여 가역 투자율(μΔ) 즉, MIP를 이용하여 입자크기를 추정할 수 있다.
나아가, 금속재의 입자크기(d)와 항복강도(σy) 간에는 아래와 같은 관계가 있음이 알려져 있는데, 이를 홀 펫치(Hall Petch) 관계라고 한다.
Figure 112021084142028-pat00005
(2)
여기서, σ0은 금속재의 마찰응력(Friction Stress)을 나타내고, Ky는 상수이다.
따라서 금속재의 입자크기(d)를 알 수 있으면, 상기 홀 펫치 관계식을 이용하여 그 금속재의 항복강도(σy)를 추정할 수 있다.
결국, 가역 투자율(μΔ)과 홀 펫치 관계에 의거하여 금속재의 항복강도(σy)를 알 수 있다. 즉, 자기장의 증분에 따른 자속밀도의 변화를 계측하여 가역 투자율(μΔ)즉, MIP를 구하고, 금속재의 입자크기에 따른 MIP 변화의 상관관계에 의거하여 그 금속재의 입자크기를 구할 수 있고, 그 구해진 입자크기를 홀 펫지 관계식 (2)에 대입하여 그 금속재의 항복강도(σy)를 구할 수 있게 된다. 이 방법은 금속재를 파괴하지 않고도 금속재의 항복강도(σy)를 추정할 수 있게 해준다.
3D 프린팅으로 제작 중인 금속부재의 항복강도를 구하기 위해, 우선 MIP를 계측할 필요가 있다. 예시적인 실시예에서, 금속부재에 대하여 MIP를 비접촉 비파괴적인 방법으로 실시간으로 계측하기 위해 MIP 계측용 센서와 이를 이용하여 구성되는 MIP 계측 시스템이 제공될 수 있다.
도 2에는 예시적인 실시예에 따른 MIP 계측 센서의 구성이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, MIP 계측 센서(20)는 전자석(45)과 홀(Hall) 센서부(80)를 포함할 수 있다. 전자석(45)은 요오크(Yoke)(30)와 그 요오크(30) 둘레에 권선된 전자석 코일(40)을 포함할 수 있다. 요오크(30)는 주변 자기장의 자속을 집속하여 자신의 내부를 통해 이동하게 할 수 있는 자로(磁路)를 제공하도록 기능할 수 있다. 이를 위해 요오크(30)는 주변 자기장의 집속을 강화해주는 자성 물질로 만들어질 수 있다. 요오크(30)는 예컨대 철, 니켈, 또는 이들 각각을 주재료로 구성된 합금 등과 같은 강자성 물질로 만들어질 수 있다.
요오크(30)는 개방된 구간을 포함하는 구조, 예컨대 소정 간격만큼 이격된 채 수직으로 나란한 제1 및 제2 다리부(30a, 30b)와 이 두 다리부(30a, 30b)의 상단을 연결하는 연결부(30c)에 의해 형상이 말 발굽형 내지 U-자형 구조일 수 있다. 일예로, 두 다리부(30a, 30b)의 양쪽 말단면(32a, 32b)은 실질적으로 동일한 레벨일 수 있다. 일예로, 양쪽 말단면(32a, 32b)은 계측 대상 금속재의 표면과 실질적으로 평행한 평면일 수 있다. 예컨대 계측 대상 금속재의 표면이 평면이면 그 양쪽 말단면(32a, 32b)도 서로 평행한 평면일 수 있다. 제1 및 제2 다리부(30a, 30b)는 원기둥, 또는 사각기둥 등의 다각 기둥 형상일 수 있다.
전자석 코일(40)은 요오크(30)의 임의의 구간에 권선될 수 있다. 일예로, 요오크(30)의 제1 다리부(30a) 및/또는 제2 다리부(30b)에는 고전도성의 전선으로 된 전자석 코일(40)이 권선될 수 있다.
이러한 전자석(45)은 계측 대상 금속재(10)에 준정적 여기 자기장을 인가할 수 있다. 요오크(30)의 제1 및 제2 다리부(30a, 30b)의 말단면(32a, 32b)이 계측 대상 금속재(10)의 표면에 근접해 있는 상태를 고려하자. 전자석 코일(40)에 준정적 여기주파수의 사인파 전류를 흘려 그 전자석 코일(40) 주위로 준정적 여기 자기장(85)이 생긴다. 그 준정적 여기 자기장(85)의 자속은, 도 2의 일점쇄선으로 표시된 것처럼, 요오크(30) 내부로 집속되어 그 요오크(30)가 제공해주는 자로를 따라 이동하다가 제1 및 제2 다리부(30a, 30b) 중 어느 하나의 말단면(32a 또는 32b) 통해 요오크(30) 밖으로 나왔다가 계측 대상 금속재(10) 안으로 인가되어 소정 구간 이동하면서 그 금속재(10)를 자기적으로 여기시키고, 다시 그 금속재(10) 밖으로 나와서 나머지 하나의 말단면(32a 또는 32b)을 통해 요오크(30) 내부로 들어가서 요오크(30) 내부를 통해 반대쪽 말단면(32a 또는 32b)으로 진행할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 준정적 여기 자기장(85)은 전자석 코일(40)에 예컨대 0.1Hz의 여기 주파수의 사인파 전류가 흐를 때 생성되는 준정적 자기장일 수 있다. 그 여기 자기장(85)의 세기는 대략 10kA/m일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 홀 센서부(80)는 요오크(30)의 제1 다리부(30a)와 제2 다리부(30b) 사이에 배치될 수 있다. 홀 센서부(80)는 홀 센서(50)와, 코일부(60, 65)을 포함할 수 있다.
코일부는 계측 대상 금속재(10)에 고주파 교류 자기장(90)을 인가하기 위한 가진 코일(60, Transmitting coil)과, 계측 대상 금속재(10)로부터 유도된 자기장을 계측하기 위한 센싱 코일(65, Pickup coil)을 포함할 수 있다.
잘 알려진 바와 같이 홀 센서는 자기장의 세기를 측정할 수 있는 센서이다. MIP 계측 센서(20)에서, 홀 센서(50)는 계측 대상 금속재(10) 내부로 인가된 준정적 여기 자기장(85)의 접선 방향 세기를 측정할 수 있도록 설치될 수 있다. 일예로, 홀 센서(50)는 요오크(30)의 제1 다리부(30a)와 제2 다리부(30b) 사이에 배치될 수 있다. 홀 센서(50)는 제1 다리부(30a)의 제1 말단면(32a) 및 제2 다리부(30b)의 제2 말단면(32b)과 실질적으로 동일한 레벨에 위치될 수 있다.
가진 코일(60)은 홀 센서(50) 둘레를 감싼 형태로 권선될 수 있다. 가진 코일(60)은 교류 전류가 흐르는 동안에 작은 교류 자기장(ΔH)를 생성하여 큰 준정적 여기 자기장(MIP의 정의임)에 중첩되게 계측대상 금속재(10)에 인가할 수 있다. 이를 위해, 가진 코일(60)에는 예컨대 50kHz의 교류 전류를 흐르게 할 수 있다. 교류 자기장(ΔH)의 세기는 준정적 여기 자기장의 세기에 비해 작을 수 있다.
센싱 코일(65)을 역시 홀 센서(50) 둘레를 감싼 형태로 권선될 수 있다. 전자석(45)이 인가한 큰 준정적 여기 자기장과 가진 코일(60)이 인가한 작은 교류 자기장의 중첩 자기장에 의해 자화된 계측대상 금속재(10)의 주변에는 자기장이 생성될 수 있다. 센싱 코일(65)은 그 자기장에 의해 유도되는 유도전압을 검출할 수 있다. 검출된 유도전압의 절대값은 계측대상 금속재(10)의 MIP 즉, 가역 투자율에 비례하는 값일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 이러한 배치를 용이하게 구현하기 위해 홀 센서부(80)는 홀 센서(50), 가진 코일(60)과 센싱 코일(65)을 일체로 결합시켜주는 홀센서 홀더(70)를 더 포함할 수 있다. 홀센서 홀더(70)는 홀 센서(50)를 고정시켜주는 홀센서 고정부, 그리고 가진 코일(60)과 센싱 코일(65)이 권선될 수 있는 코일 권선부를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 2의 (B)에 도시된 것처럼, 상기 홀센서 홀더(70)는 원통형 몸체로서, 그 원통형 몸체의 바닥 중앙에 축방향으로 홀센서 장착공(72)이 홀센서 고정부로서 마련될 수 있다. 또한, 상기 원통형 몸체의 하부 외면의 위와 아래쪽에는 원주 방향으로 일주하여 홀센서 장착공(72)을 포위하도록 형성된 제1 권선홈(74)과 제2 권선홈(76)이 각각 가진 코일(60)과 센싱 코일(65)의 코일 권선부로서 마련될 수 있다.
이러한 홀 센서 홀더(70)를 이용하여, 홀 센서(50)는 홀센서 장착공(72)에 끼움 삽입되어, 위에서 언급하였듯이 제1 및 제2 다리부(30a, 30b)의 말단면(32a, 32b)과 실질적으로 동일한 레벨에 배치될 수 있다. 가진 코일(60)과 센싱 코일(65)이 제1 권선홈(74)과 제2 권선홈(76)에 각각 권선되어 홀 센서(50)를 둘러싼 형태로 배치될 수 있다. 즉, 센싱 코일(65)이 가진 코일(60)보다 계측 대상 금속재(10)에 더 가까이 위치하도록 권선될 수 있다. 가진 코일(60)과 센싱 코일은 서로 독립적인 코일이다. 가진 코일(60)은 고주파 교류전류가 흐를 때 그 주파수에 상응하는 교류 자기장을 생성하는 가진 코일이고, 센싱 코일(65)은 계측 대상 금속재(10)로부터 유도되는 제3 자기장을 검출하여 계측 대상 금속재(10)의 자화도를 계측하기 위한 센싱 코일이다. 가진 코일(60)이 생성한 교류 자기장은 계측 대상 금속재(10)에 인가될 수 있다. 계측 대상 금속재(10)는 준정적 여기 자기장과 교류 자기장에 의해 자화되고, 그로 인해 유도되는 자기장은 센싱 코일(65)에 전압을 유도한다. 센싱 코일(65)은 그 유도 전압을 검출하여 출력할 수 있다.
도 3에는 도 2에 도시된 MIP 계측 센서를 채용한 MIP 계측 시스템의 구성이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, MIP 계측 시스템(100)은 MIP 계측 센서(20) 외에, 데이터 계측부(110), 신호 증폭기(125), 연산제어부(160), 직류전원 공급기(170)를 더 포함할 수 있다.
데이터 계측부(110)는 제1 및 제2 파형 생성기(120, 130)와 제1 및 제2 계측신호 처리부(140, 150)를 포함할 수 있다. 신호 증폭기(125)는 제1 파형 생성기(120)와 MIP 센서(20)의 전자석 코일(40) 사이에 연결될 수 있다. 직류전원 공급기(170)는 홀 센서(50)의 전원단자에 연결될 수 있다. 제2 파형 생성기(130)는 가진 코일(60)에 연결될 수 있다. 제1 계측신호 처리부(140)는 홀 센서(50)의 출력단에 연결될 수 있고, 제2 계측신호 처리부(150)는 센싱 코일(65)에 연결될 수 있다.
직류전원 공급기(170)는 홀 센서(50)의 동작에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
제1 파형생성기(120)는 준정적 저주파 전류신호를 생성할 수 있다. 예컨대 그 준정적 저주파 전류 신호는 신호증폭기(125)에 의해 충분한 진폭의 전류신호로 증폭되어 전자석 코일(40)에 공급될 수 있다. 전자석 코일(40)에 증폭된 준정적 저주파 전류가 흐름에 따라 전자석 코일(40) 내부를 통과하는 준정적 저주파 자기장이 생성될 수 있다. 그 준정적 저주파 자기장(85)의 자속은 요오크(30) 구간에서는 요오크(30) 내부에 집속되어 요오크(20)를 따라 이동하고, 두 말단면(32a, 32b) 사이의 비요오크 구간에서는 그 두 말단면(32a, 32b) 사이에 존재하는 매질을 통해 이동할 수 있다. 그 매질은 공기와 계측 대상 금속재(10)일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 파형 생성기(120)는 예컨대 1 Hz 이하 준정적인 사인파를 생성할 수 있다. 이로 인해, 준정적 저주파 자기장(85)도 시간에 따라 사인파로 변화하게 된다(히스테리시스 루프).
계측 대상 금속재(10)에 준정적 저주파 자기장(85)이 걸리는 동안에, 제2 파형생성기(130)와 가진 코일(60)은 계측 대상 금속재(10)에 추가적으로 고주파 교류 자기장(90)을 인가할 수 있다. 즉, 계측 대상 금속재(10)에 준정적 저주파 자기장(85)이 걸리는 동안에, 제2 파형생성기(130)는 고주파 교류 전류를 생성하여 가진 코일(60)에 인가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 파형생성기(130)는 예컨대 1-10kHz의 정현파 전류를 생성할 수 있다. 가진 코일(60)에 그 고주파 교류 전류가 흐름에 따라 가진 코일(60)에서 고주파 교류 자기장(90)이 형성될 수 있다. 그 고주파 교류 자기장(90)은 홀 센서(50)를 수직으로 관통하면서 계측 대상 금속재(10)에도 인가될 수 있다.
전자석 코일(40)에 흐르는 준정적 전류에 의해 생성된 준정적 저주파 자기장에 의한 계측 대상 금속재(10)의 자화도는 홀 센서(50)와 제1 계측신호 처리부(140)를 이용하여 계측할 수 있다. 계측 대상 금속재(10)에 인가된 준정적 저주파 자기장(85)의 세기는 홀 센서(50)를 이용하여 검출할 수 있다. 홀 센서(50)의 출력신호는 제1 계측신호 처리부(140)에 제공되어 디지털 값으로 변환될 수 있다. 즉, 계측 대상 금속재(10)에 인가된 준정적 저주파 자기장(85)의 세기는 디지털 값으로 획득될 수 있다.
또한, 가진 코일(60)이 생성하는 고주파 교류 자기장(90)이 계측 대상 금속재(10)에 인가되면, 그 계측 대상 금속재(10)에 와전류가 발생하고, 이로부터 유도된 자기장은 센싱 코일(65)에 전압(또는 전류)을 유도한다. 센싱 코일(65)에 그 흐르는 그 유도 전류(유도 전압)는 제2 계측신호 처리부(150)에 제공되어 디지털 값으로 변환될 수 있다.
계측 대상 금속재(10)에 준정적 저주파 자기장(85)이 인가되는 동안 동일한 크기의 고주파 교류 자기장(90)이 인가되더라도, 인가되고 있는 준정적 저주파 자기장(85)의 세기에 따른 계측 대상 금속재(10)의 가역투자율에 의해 고주파 교류 자기장(90)에 의한 계측 대상 금속재(10)의 자화 정도가 달라진다. 이로 인해 센싱 코일(65)과 제2 계측신호 처리부(150)를 통해 계측되는 와전류 신호의 크기가 달라진다.
제1 계측신호 처리부(140)로부터 계측된 준정적 저주파 자기장(85)에 의한 계측대상 금속재(10)의 자화도 변화와 제2 계측신호 처리부(150)로부터 계측된 고주파 교류 자기장(90)에 의한 추가적인 자화에 의한 와전류 신호의 변화를 도시하면 도 4와 같은 나비 모양을 띠게 된다.
MIP는 준정적 저주파 자기장(85)의 세기에 따라 고주파 교류 자기장(90)에 따른 계측대상 금속재(10)의 추가 자화정도(가역 투자율)의 변화를 계측한 것으로 볼 수 있고, 이는 계측대상 금속재(10)의 입자크기와 관련이 있다고 알려져 있다. 약한 준정적 저주파 자기장에서, 계측대상 금속재(10)의 입자크기가 크면 고주파 교류 자기장에 의해 계측대상 금속재(10)가 자화되기 쉽지만, 입자크기가 작으면 상대적으로 자화가 잘 되지 않는다. 반대로, 강한 준정적 저주파 자기장에서는, 계측대상 금속재(10)의 입자크기가 크면 고주파 교류 자기장에 의한 계측대상 금속재(10)의 자화가 잘 되지는 않지만, 입자크기가 작으면 자화가 잘 되는 특성이 있다.
앞서 언급했던 홀 펫치(Hall Petch) 관계에서 입자크기는 재료의 항복강도와 관련이 있으므로, 입자크기에 따른 MIP 변화 즉, 도 4에 도시된 나비 형상을 계측하여 계측 대상 금속재(10)의 항복강도를 추정할 수 있다. 다시 말하면, '나비 형상 변화 -> 계측 대상 금속재(10)의 입자크기 변화 -> 계측 대상 금속재(10)의 항복강도 변화'의 관계가 있으므로, 이러한 관계를 이용하여 금속재(10)에 대한 MIP 계측을 통해 계측 대상 금속재(10)의 입자 크기를 계측하고, 그 입자 크기로부터 계측 대상 금속재(10)의 항복 강도를 추정할 수 있다.
그런데, 나비 형상 변화와 입자크기 변화 사이에 정량적인 관계식이 아직 알려진 바가 없다. 따라서 '나비 형상 변화 -> 항복강도 변화'의 관계로 단순화 시켜 항복강도를 추정할 수 있다. 이를 위해 동일 재료이지만 다양한 항복강도를 가지는 시편을 다수 제작하고, 그 시편들에 대하여 나비 형상으로부터 항복강도에 연관되는 특성을 추출한 다음, 그 추출된 특성과 항복강도의 관계를 회귀분석을 통해 알아낼 수 있다.
이러한 점들에 기초하여, 연산제어부(160)는 제1 계측신호 처리부(140)로부터 제공받은 디지털 신호(즉, 홀센서(50)의 출력신호의 디지털 데이터)와 제2 계측신호 처리부(150)로부터 제공받은 디지털 신호(즉, 센싱코일(65)이 출력전압의 디지털 데이터)를 이용하여, 3D 프린팅된 금속재(10)의 가역투자율(MIP)을 구할 수 있다. 그런 다음, 연산제어부(160)는 그 구해진 가역투자율(MIP)과 금속재(10)의 입자크기 간의 상관관계로부터 그 금속재(10)의 입자크기를 구하고, 그 구해진 입자크기를 이용하여 금속재(10)의 항복강도를 산출할 수 있다.
다음으로, 도 5는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 MIP 기법 기반의 금속 3D 프린팅 부재 항복강도 계측 시스템의 구성을 도시한다.
계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)의 항복강도를 MIP를 이용하여 추정하는 경우, 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)와 MIP 계측 센서(220) 간의 이격거리(lift off)가 큰 영향을 미친다. 그러므로 그 이격거리를 정밀하게 제어할 수 있고 계측할 수 있는 수단이 필요할 수 있다. 이를 위해, 도 5를 참조하면, 금속 3D 프린팅 부재 항복강도 계측 시스템(200)은 도 3에 도시된 MIP 계측 시스템(100)의 구성요소 외에, 센서 변위부, 변위 계측부, 그리고 연산제어부(260)를 더 포함할 수 있다.
센서 변위부는 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)에 대한 MIP 계측 센서(220)의 이격거리를 조정하도록 구성된 것일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 센서 변위부는 압전소자(270)와 하우징(250)을 포함할 수 있다.
압전소자(270)는 알려진 것처럼 전기적인 신호를 가하면 이를 기계적인 변형으로 전환할 수 있는 소자로서, 압전소자(270)에 전압을 가하면 소자의 두께 변화 또는 움직임을 유발할 수 있다.
하우징(250)은 압전소자(270)를 지지하여 그 압전소자(270)의 두께 변화 또는 움직임이 MIP 계측 센서(220)에 전달되게 하도록 구성될 수 있다. 압전소자(270)는 하우징(250)에 의해 MIP 계측 센서(220)와 하우징(250) 사이에 개재된 형태로 배치될 수 있다. 예컨대, 압전소자(270)는 전자석(245)의 요오크(230)의 연결부(30c) 사이에 샌드위치된 형태로 배치될 수 있다.
하우징(250)은 고정되어 있으므로, 압전소자(270)의 두께 변화량만큼 요오크(230)가 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300) 쪽으로 변위될 수 있다. 압전소자(270)에 가해주는 전기신호의 정밀제어를 통해 압전소자(270)의 두께 또는 움직임을 제어하고, 이를 통해 MIP 계측 센서(220)와 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300) 간의 이격거리를 마이크로미터(㎛) 수준으로 정밀하게 조절할 수 있다.
변위 계측부는 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)와 MIP 계측 센서(220) 간의 이격거리를 계측하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 변위 계측부는 변위 계측 센서(280)를 포함할 수 있다. 변위 계측 센서(280)는 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)와 MIP 계측 센서(220) 간의 이격거리를 레이저를 사용하여 계측할 수 있도록 구성된 레이저 변위 계측 센서일 수 있다. 즉, 변위 계측 센서(280)는 레이저 광을 생성하여 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)로 방출하고, 그로부터 반사되는 레이저 광을 검출하여 대응되는 전기신호로 변환할 수 있다. 그 변환된 전기신호는 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)와 MIP 계측 센서(220) 간의 이격거리를 산출에 필요한 신호로 이용될 수 있다. 이를 위해 그 변환된 전기신호는 디지털 데이터로 변환되어 연산제어부(260)에 제공될 수 있다.
연산제어부(260)는 앞에서 설명한 제1 및 제2 계측신호 처리부(140, 150)가 제공하는 데이터를 처리하여 계측대상 금속재(300)의 입자크기와 항복강도를 산출하는 것 외에도, 압전소자(270)의 두께 변화 또는 움직임을 제어하는 데 필요한 구동전압을 생성하여 압전소자(270)에 인가해주도록 구성될 수 있다. 또한, 연산제어부(260)는 변위 계측 센서(280)의 구동을 제어하고, 그 변위 계측 센서(280)의 출력신호를 제공받아 금속 3D 프린팅 부재(300)와 MIP 계측 센서(220) 간의 이격거리를 산출할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전자석(245)의 요오크(230)의 제1 및 제2 다리부(230a, 230b)의 하부 소정 높이에서 각각의 하부 말단으로 가면서 단면적이 점점 줄어들어 테이퍼링된 형상으로 마련될 수 있다. 다른 예로, 도 5에 예시된 것처럼 제1 및 제2 다리부(230a, 230b)의 말단면(232a, 232b)이 예컨대 각각 경사면 형상일 수 있다. 요오크(230)의 제1 및 제2 다리부(230a, 230b)의 말단 부분(232a, 232b)이 이러한 형상으로 마련되면, 전자석 코일(40)로부터 유발된 자기장이 그 말단 부분(232a, 232b)에 모이게 되어 좁은 영역에만 자기장을 가할 수 있게 되어 mm 단위의 항복강도 계측 공간 분해능을 확보할 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 금속 3D 프린팅 부재 항복강도 계측 시스템(200)은 금속 3D 프린터에 탑재하여 제작 중에 부재의 항복강도를 계측할 수 있다. 계측 결과를 제작공정에 반영하여 금속 3D 프린팅 제품 및 구조물의 안전성과 내구성을 향상시키고 불량률을 줄일 수 있다.
도 6에는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MIP 기법 기반의 금속 3D 프린팅 공정 계측 방법의 흐름도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 제1 파형 생성기(120)가 준정적 저주파 전류 신호를 생성하여 신호증폭기(125)를 통해 전자석 코일(40)에 인가되도록 함으로써, 전자석 코일(40)을 관통하여 요요크(230)를 일주하는 준정적 저주파 자기장(285)이 생성될 수 있다(S10 단계). MIP 계측 센서(220)가 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)에 근접한 상태에서, 전자석 코일(40)에서 생성된 준정적 저주파 자기장(285)은 요오크(230)의 뾰족한 두 말단면(232a, 232b) 중 어느 하나에서 밖으로 나와서 계측대상 금속 3D 프린팅 부재(300)의 일부 구간 즉, 물성치 계측 영역(310)을 관통한 다음 다시 나머지 하나의 말단면으로 들어가게 된다.
이와 동시에 제2 파형 생성기(130)가 가진 코일(60)에 인가한 고주파 교류전류에 의해, 그 가진 코일(60)과 홀 센서(50)를 관통하는 고주파 교류 자기장이 생성될 수 있다(S12 단계). 이 고주파 교류 자기장(290) 역시 그 물성치 계측 영역(310)을 통과할 수 있다.
이때, 홀 센서(50)는 물성치 계측영역(310)에 중첩 인가된 준정적 저주파 자기장(310)과 고주파 교류 자기장(290)에 의한 접선방향 자기장 성분을 검출하여 제1 계측신호 처리부(140)에 제공할 수 있다. 그 제1 계측신호 처리부(140)는 그 검출신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 연산제어부(260)에 제공할 수 있다. 이와 동시에, 센싱 코일(65)도 물성치 계측영역(310)에서의 고주파 와전류가 만들어내는 자기장에 의해 유도되는 전압을 검출하여 제2 계측신호 처리부(150)로 제공할 수 있다. 그 제2 계측신호 처리부(150)도 제공받은 전압신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 연산제어부(260)에 제공할 수 있다.
연산제어부(260)는 제1 및 제2 계측신호 처리부(140, 150)로부터 제공받은 디지털 신호를 이용하여 3D 프린팅된 금속재(300)의 입자크기와 그에 따른 항복강도를 산출할 수 있다. 이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 3D 프린팅은 재료를 적층하는 방식으로 부재를 제작할 수 있다. 금속재 3D 프린팅의 1 회 적층두께(약 100~200 ㅅm)와 적층 시 하단의 기존 적층부 일부가 용융되고, 이로 인해 3D 프린팅된 금속재(300)의 입자크기의 변화와 그에 따른 항복강도의 변화가 발생할 수 있다. 이를 고려하여 MIP 계측 센서(220)의 입력신호의 주파수와 세기를 조절하는 방법을 사용하여 와전류가 영향을 미치는 깊이(예컨대, 100~300 ㅅm)를 제어하고 목표 깊이만큼의 항복강도 계측을 수행할 수 있다. 고주파 와전류가 영향을 미치는 유효 깊이는 다음과 같은 관계가 있다고 알려져 있다.
Figure 112021084142028-pat00006
(3)
여기서
Figure 112021084142028-pat00007
는 고주파 와전류 입력신호의 주파수,
Figure 112021084142028-pat00008
는 3D 프린팅된 금속재(300)의 투자율,
Figure 112021084142028-pat00009
는 3D 프린팅된 금속재(300)의 전기전도도이다. 해당 식을 이용해서 고주파 와전류 입력신호의 주파수를 조정하면, 투자율과 전기전도도를 알고 있는 3D 프린팅된 금속재(300)에서 와전류 유효깊이를 제어할 수 있다. 금속 3D 프린팅 중에 제작중인 금속재(300)의 적층 레이어별 항복강도를 실시간, 비접촉, 비파괴적인 방법으로 추정하고 레이어별 추정 결과를 G-Code 형상정보와 종합하여 부재의 항복강도를 추정할 수 있다. 여기서, G-code 형상정보는 제작할 부재의 형상과 적층방법에 대한 정보를 담고 있는 3D 프린팅을 위한 설계도면일 수 있다. G-code 형상 정보에 각 층별 계측된 항복강도 정보를 더하면, 해석을 통해 전체 3D 프린팅 금속재(300)의 강도를 추정할 수 있다.
도 3과 도 5의 연산제어부(160, 260)는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 연산제어부(160, 260)는 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 연산제어부(160, 260)의 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 연산제어부(160, 260)의 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
연산제어부(160, 260)의 소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 연산제어부(160, 260)의 소프트웨어는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명은 예컨대 금속과 같은 강자성 물질의 항복 강도 계측에 이용될 수 있으며, 특히 금속재를 이용한 3D 프린팅에 적용되어 3D 프린팅 되는 금속재의 항복강도를 비파괴, 실시간으로 모니터링하는 데 유용하게 이용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 계측 대상 금속재 20: MIP 계측 센서
30: 요오크 40: 전자석 코일
45: 전자석 70: 홀센서 홀더
80: 홀 센서부 85: 준정적 여기 자기장
100: MIP 계측 시스템 110: 데이터 계측부
160, 260: 연산제어부

Claims (20)

  1. 전자석을 이용하여 준정적 여기 자기장을 생성하여 계측대상 금속재의 두 지점을 통해 입출하도록 인가하는 단계;
    상기 인가하는 단계와 병행하여, 가진코일을 통해 상기 준정적 여기 자기장보다 작은 교류 자기장(ΔH)을 생성하여 상기 준정적 여기 자기장과 중첩되게 상기 계측대상 금속재에 인가하는 단계;
    상기 계측대상 금속재 내부로 인가된 상기 준정적 여기 자기장의 세기를 홀센서를 이용하여 측정하는 단계;
    상기 준정적 여기 자기장과 상기 교류 자기장(ΔH)에 의해 자화된 상기 계측대상 금속재로부터 유도된 자기장을 센싱코일을 이용하여 검출하는 단계;
    상기 홀센서의 출력신호와 상기 센싱코일의 검출신호를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 가역투자율(MIP)을 구하는 단계;
    구해진 가역투자율(MIP)과 상기 계측대상 금속재의 입자크기 간의 상관관계로부터 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 구하는 단계; 및
    그 구해진 입자크기를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 항복강도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 계측대상 금속재의 항복 강도(σy)는 아래 식으로 표현되는 금속재의 입자크기(d)와 항복강도(σy) 간 홀 펫치 관계식
    Figure 112021084142028-pat00010
    (여기서, σ0은 재료의 마찰응력(Friction Stress)을 나타내고, Ky는 상수임)에 추정된 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 입력하여 구해지는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 계측대상 금속재는 금속원료를 사용하여 실시간으로 3D 프린팅 되고 있는 금속재인 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상관관계는 상기 계측대상 금속재의 입자 크기에 따른 MIP 변화를 나타내는 버터플라이 형상의 그래프로 표현되는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전자석, 상기 홀센서, 상기 가진 코일 및 상기 센싱코일이 한 몸체로 결합된 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 인가되는 구동전압의 크기에 따라 두께 변화 또는 움직임을 유발하는 압전소자를 이용하여 조정하는 단계; 변위계측센서를 이용하여 상기 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 계측하는 단계; 및 상기 변위계측센서로부터 출력되는 이격거리 계측신호를 이용하여 상기 계측대상 금속재와 상기 MIP 계측 센서 간의 이격거리를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이격거리 계측신호는 상기 MIP 계측 센서에서 상기 계측대상 금속재로 레이저광을 방출하여 그 계측대상 금속재로부터 반사되는 레이저 광을 검출한 신호인 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 방법.
  7. 두 다리부를 포함하는 요오크와 상기 요오크에 감긴 전자석 코일을 포함하며, 상기 전자석 코일에 준정적 전류가 흐를 때 생성되는 준정적 여기 자기장의 자속이 계측대상 금속재의 이격된 두 지점을 통해 입출하도록 하여 상기 계측대상 금속재를 자기적으로 여기시키도록 구성된 전자석;
    상기 전자석의 두 다리부 사이에 배치되어, 상기 계측대상 금속재 내부로 인가된 상기 준정적 여기 자기장의 세기를 측정하도록 구성된 홀 센서;
    상기 홀 센서 주위에 권선되고, 교류 전류가 흐르는 동안에 상기 준정적 여기 자기장보다 작은 교류 자기장(ΔH)을 생성하여 상기 준정적 여기 자기장과 중첩되게 상기 계측대상 금속재에 인가하도록 구성된 가진 코일;
    상기 홀 센서 주위에 권선되고, 상기 준정적 여기 자기장과 상기 교류 자기장(ΔH)에 의해 자화된 상기 계측대상 금속재로부터 유도된 자기장을 검출하도록 구성된 센싱 코일; 그리고
    상기 홀센서의 출력신호와 상기 센싱코일의 검출신호를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 가역투자율(MIP)을 구하고, 구해진 가역투자율(MIP)과 상기 계측대상 금속재의 입자크기 간의 상관관계로부터 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 구하고, 그 구해진 입자크기를 이용하여 상기 계측대상 금속재의 항복강도를 산출하도록 구성된 연산제어부를 구비하여,
    계측대상 금속재의 입자크기와 항복강도를 비파괴적으로 계측할 수 있는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 계측대상 금속재의 항복 강도(σy)는 아래 식으로 표현되는 금속재의 입자크기(d)와 항복강도(σy) 간 홀 펫치 관계식
    Figure 112021084142028-pat00011
    (여기서, σ0은 재료의 마찰응력(Friction Stress)을 나타내고, Ky는 상수임)에 추정된 상기 계측대상 금속재의 입자크기를 입력하여 구해지는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 상관관계는 상기 계측대상 금속재의 입자 크기에 따른 MIP 변화를 나타내는 버터플라이 형상의 그래프로 표현되는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 전자석은 두 다리부가 상기 계측대상 금속재의 이격된 상기 두 지점과 마주보게 되는 U-자형 또는 말발굽형 전자석인 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 두 다리부의 말단면은 각각 말단부로 가면서 단면적이 줄어드는 테이퍼링된 형상의 말단면이거나 또는 경사면 형상의 말단면인 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 홀 센서를 고정시켜주는 홀 센서 고정부, 그리고 상기 가진 코일과 상기 센싱 코일이 권선될 수 있는 코일 권선부를 포함하여, 상기 홀 센서, 상기 가진코일, 그리고 상기 센싱 코일을 일체로 결합시켜주는 홀센서 홀더를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 홀센서 고정부는 원통형 몸체의 바닥 중앙에 축방향으로 형성되어 상기 홀 센서가 끼움 삽입될 수 있게 마련된 홀센서 장착공을 포함하고, 상기 코일 권선부는 상기 원통형 몸체의 하부 외면의 위와 아래쪽에 원주 방향으로 일주하여 상기 홀센서 장착공을 포위하도록 형성되어 상기 가진 코일과 상기 센싱코일이 각각 권선될 수 있는 제1 권선홈과 제2 권선홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  14. 제7항에 있어서, 상기 전자석은 전자석 코일; 및 자성 물질로 만들어지고 상기 전자석 코일이 권선되고 제1 및 제2 말단면을 갖는 U자형 또는 말발굽형 요오크; 상기 요오크에 권선된 전자석 코일을 포함하며,
    상기 전자석은 준정적 여기 주파수의 전류신호가 상기 전자석 코일에 흐르는 동안에 생성되는 준정적 여기 자기장이 상기 요오크를 통해 이동하다가 상기 제1 및 제2 말단면을 통해 출입하는 형태로 일주하도록 자로를 제공함으로써, 계측대상 금속재가 상기 제1 및 제2 말단면에 근접해있을 때 상기 준정적 여기 자기장이 상기 계측대상 금속재의 소정 구간을 통과할 수 있도록 해주도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  15. 제7항에 있어서, 상기 홀 센서의 출력단에 연결되어, 상기 홀 센서의 출력신호를 제1 디지털 데이터로 변환하여 상기 연산제어부에 제공하도록 구성된 제1 계측신호 처리부; 상기 센싱 코일의 출력 전압을 제공받아 제2 디지털 데이터로 변환하여 상기 연산제어부로 제공하도록 구성된 제2 계측신호 처리부; 및 상기 홀 센서의 동작에 필요한 전압을 제공하는 직류 전원 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  16. 제7항에 있어서, 준정적 저주파 전류신호를 생성하는 제1 파형생성기; 상기 제1 파형생성기가 생성한 상기 준정적 저주파 전류신호를 증폭하여 상기 전자석 코일에 제공하는 신호 증폭기; 고주파 교류 전류신호를 생성하여 상기 가진 코일에 인가하는 제2 파형생성기; 상기 홀 센서의 출력단에 연결되어 상기 홀 센서의 출력신호를 디지털화하는 제1 계측신호 처리부; 및 상기 센싱코일에 연결되어 상기 센싱코일에 의한 검출신호를 디지털화하는 제2 계측신호 처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  17. 제7항에 있어서, 상기 전자석, 상기 홀센서, 상기 가진 코일 및 상기 센싱코일이 한 몸체로 결합된 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 조정하도록 구성된 센서 변위부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 센서 변위부는 인가되는 구동전압의 크기에 따라 두께 변화 또는 움직임을 유발하여 상기 계측대상 금속재와 상기 MIP 계측 센서 간의 이격거리를 조정하는 압전소자; 및 상기 압전소자를 지지하여 상기 압전소자의 두께 변화 또는 움직임이 상기 MIP 계측 센서에 전달되도록 해주는 하우징을 포함하며,
    상기 연산제어부는 상기 압전소자의 두께 변화 또는 움직임을 제어하는 데 필요한 상기 구동전압을 생성하여 상기 압전소자에 인가해주도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 MIP 계측 센서와 상기 계측대상 금속재 간의 이격거리를 계측하도록 구성된 변위 계측부를 더 구비하고,
    상기 연산제어부는 상기 변위 계측부의 구동을 제어하면서 상기 변위 계측부의 출력신호를 제공받아 상기 계측대상 금속재와 상기 MIP 계측 센서 간의 이격거리를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 변위 계측부는 상기 MIP 계측 센서에 고정된 채 레이저 광을 생성하여 상기 계측대상 금속재로 방출하여 상기 계측대상 금속재로부터 반사되는 레이저 광을 검출하도록 구성된 레이저 변위 계측 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 증분 투자율을 이용한 금속부재의 항복강도 계측 시스템.

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