니켈 기반 초합금에서 중요한 크기 결함을 자동으로 감지하는 방법은 어떻게 할까요?

EuroSuperalloys 2022 symposium 에서 이번 달에 발표할 논문은 독일의 고객인 MTU Aero Engines와 오하이오에 본부를 둔 재료 특성화 파트너 UES Robomet과 공동으로 준비했습니다.

항공 우주 산업의 부품 공급망에서 일하고 계신 분들께, 니켈 기반 초합금으로 만든 주조 부품 생산과 관련된 도전에 익숙할 것입니다. 결함 없는 부품을 만드는 것은 어렵고, 고가의 하드웨어 테스트도 도전입니다. 이는 비용과 수익성뿐만 아니라 재료의 낭비와 배출로 인해 환경에도 영향을 미치며, 이는 더 이상 지속 가능한 방법으로 간주되지 않습니다. 그래서 디지털화가 제조업계에 빠르게 확산되고 있으며, 주조 부품 공급업체들도 그 예외는 아닙니다.

항공 우주 분야에서 디지털 리더 중 하나는 MTU Aero Engines입니다. 여기서 제조 공정 엔지니어들은 수치 주조 시뮬레이션을 기반으로 한 해결책을 탐구했는데, 이를 통해 중요한 결함 크기의 형성을 예측할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하는 자동 분석과 주조 시뮬레이션이 어떻게 도움이 되는지 살펴보기 전에 엔지니어링 고통을 이해하는 시간을 가져보겠습니다.

Pore clusters은 특정 응고 조건에 의해 형성되는 투자 주조 공정 중 흔히 발생하는 제조 결함입니다. 이러한 구멍 군집은 비행기 부품 제조업체에게 주요 균열 발생원으로 작용하여 폐기율을 높입니다. 장기적으로는 이러한 구멍 군집이 니켈 기반 초합금의 피로 수명을 줄일 수 있으며, 품질이 낮은 부품은 내구성이 떨어질 수 있습니다. 그러므로 고스트레스 항공 엔진 구성 요소의 수명을 보장하기 위해 구멍의 크기, 군집 간 연결성 및 부품 내 위치 등 포함된 다공성을 자세히 파악하는 것이 매우 중요합니다.

MTU Aero Engines와 UES와의 공동 연구에서는 자동화와 시뮬레이션을 결합한 세 가지 기법을 소개합니다. 이를 통해 대표적인 구멍 크기, 그들의 상호 연결성, 그리고 다공성 위치를 평가합니다. 연구에 사용된 부품은 터빈 날개입니다.

1. 첫째로, 산업적인 환경에서 주로 사용되는 2차원 현미경 평가 방법은 결함 형성을 조절하는 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공하는 3차원 실험 평가와 비교되었습니다. 이를 위해 다공성 백분율, 동등한 구형 지름, 그리고 결함 군집 내 구멍을 수용하는 임계값 등을 평가하여 비교하였습니다.


2. 둘째로, 3차원 데이터를 활용하여 2차원에서 동등한 결함 크기를 분류하는 방법을 검증하기 위해 자동화된 이미지 분석 방법이 개발되었습니다. 이 개발된 자동화 도구는 85%의 정확도를 보여주었습니다.


3. 마지막으로, 터빈 부품에서 식별된 다공성 군집은 ProCAST 주조 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 예측된 결과와 관련이 있음이 확인되었습니다. 주조 과정 중 금속의 열력사, 금형, 그리고 절연재 덮개에 대한 적절한 설명을 통해 다공성이 향상된 터빈 날개의 특정 영역을 식별할 수 있습니다.

저희 연구에서는 이미지 처리 기술을 활용하여 결함 크기를 자동으로 평가하는 방법을 발견했습니다. 더불어, 사용된 기준은 샘플 재료의 3D 렌더링을 통해 검증되었습니다. 우리는 ProCAST를 이용하여 열역학 데이터에 따라 다공성 형성이 가장 높은 지역을 예측했습니다. (응고 과정은 주로 온도 분포에 의해 결정되며, 이는 열적 및 기하학적 측면에 의해 결정됩니다). 논문에서 제시된 접근 방법은 구멍 네트워크를 특성화하는 데 사용될 수 있습니다.

우리가 세우고 있는 좋은 주조 시뮬레이션 워크플로우는 MTU Aero Engines와 같은 부품 제조업체에게 구성품의 품질과 내구성을 높이는 혜택을 제공합니다. 이는 결과적으로 항공 부품의 지속 가능성을 높입니다.

경량 디자인과 새로운 소재에서 주조 가능성을 보장하기 위해서는, 주조 가능성 확인부터 공정 개발 및 철저한 공정 검증까지 전체 투자 주조 공정을 완벽하게 다뤄야 합니다. 제 개인적인 필수 소프트웨어 기능 목록은 다음과 같습니다:

1. 자동 쉘 몰드 생성
2. 포장 구성 모델링
3. 그림자 효과를 고려한 방사선 처리
4. 결정 구조 예측
5. 잔류 응력 예측
6. 합금, 세라믹 쉘 및 절연재의 열역학적 속성을 모두 고려한 설정

이를 통해 제조 엔지니어는 효과적으로 방법과 공정 설계를 개발하고 제어하여 올바른 치수 허용치를 갖춘 고품질의 주조물을 생산할 수 있습니다. 물론 비용을 효과적으로 관리하고 수익성을 향상시킬 수 있습니다.

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Naomi Bellomo는 2019년부터 MTU에서 일하고 있습니다. 그녀는 니켈 초합금의 피로 특성을 예측하기 위한 유한 요소 모델링(FEM)을 중점적으로 연구하고 있으며, 현재는 ENSAM - LAMPA Angers에서 박사 과정을 진행하고 있습니다. 그녀의 연구는 투자 주조에 의해 생산된 엔진 부품의 결함 형성을 조사하는데 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구는 다결정, 방향성 응고 및 단결정 합금을 다룹니다. 나오미는 터린 공과대학(Polytechnic University of Turin)에서 재료공학 학위를 받았습니다.