센서 통합을 위한 프라운호퍼 2가지 적층 기술 적용

프라운호퍼 생산 시스템 및 설계 기술 연구소(IPK) 연구원들이 실시간 모니터링이 가능하고, 작동 지점에 가깝게 센서를 터빈 블레이드에 통합하기 위해 두 가지 적층 제조법을 사용하였다.

공학박사 에카르트 울만(Eckart Uhlmann) 교수: 프라운호퍼 IPK 책임자 / 공학박사 줄리안 폴테(Julian Polte): IPK 제조기술, 생산 기계 및 시스템 관리 부서 지도 / 토비아스 노이발트(Tobias Neuwald): 동 연구원 생산 기술 부서 연구원

핵심 내용

  • 늦지 않게 수리하거나 교체하기 위해 적시 정비가 필요한 경우, 스마트 제품이 필요하다.
  • 지능형 구성품을 실현하고자 하는 경우, 센서, 디지털 트윈, 사이버 물리 시스템(CPS)이 이러한 스마트 제품에 속한다.
  • 프라운호퍼 IPK 연구원들이 적층 제조로 스마트 터빈 블레이드 시연품을 개발하였다.

기계와 관련 부품을 실시간으로 모니터링하면 정비 작업을 계획하고 실행하기가 수월해진다. 에너지 섹터에서 터빈 블레이드와 같이 중요한 부품의 마모와 공동 현상 또는 온도 이상 등을 모니터링하는 것은 작동 안전의 중요한 역할을 한다[1]. 연소 챔버 내 까다로운 압력과 온도 조건으로 인해 중요한 공정 데이터를 수집하는 것은 어려운 일이다[2]. 이 공정 포인트에 센서를 포함하는 것은 불가능하거나 기술적으로 어려운 경우가 많다. 하지만 두 가지 적층 제조법을 조합하는 하이브리드 컨셉트로 열전대가 통합된 스스로 모니터링하는 구성품을 만들 수 있다. 이른바 사이버 물리 시스템(CPS)으로 주변을 모니터링하는 대신, 부품 내부에서 직접 데이터를 수집하고, 전체 시스템을 확실하게 평가할 수 있다[3].

하이브리드 제조 및 센서 통합

터빈 블레이드를 이용하여 이미 연구된 방법과 통합 전략[4]을 자세히 설명하고자 한다. 높이 30cm의 이 터빈 블레이드는 안쪽에 있는 냉각 채널이나 복잡한 자유형태면과 같이 실제적으로 같은 고정식 가스 터빈 블레이드의 전형적인 특성을 지니고 있다. 이 부품의 기능은 구조를 조정하고, 적층 제조의 설계 자유와 조합하여 확장할 수 있다.

우선 통합할 고온 센서용 구멍과 채널을 포함하여 터빈 블레이드를 LPBF (Laser Powder Bed Fusion) 법으로 프린팅한다. 센서를 삽입하고 LDED (Laser Directed Energy Deposition) 적층 프로세스로 구멍을 막는다. 이때 채널과 구멍은 레이저 열 유입이 전자 구성품을 손상시키지 않도록 설계하였다. 이어서 터빈 블레이드를 통상적으로 절삭 가공하였다. 데이터 수집 기능은 PLM 소프트웨어에 통합하였고, 그로 인해 디지털 트윈을 생성할 수 있었다.

첫 번째 작업 단계에서 터빈 블레이드 첨두부에 측정점을 정의한다. 작동 중에 그 부분이 가장 중요한 구성 요소이기 때문이다. 그다음으로 K 타입 열전대에 맞는 채널 형성을 구성한다. 이때 채널과 구멍은 센서를 견고히 통합할 수 있도록 설계한다. 선택한 열전대는 작동 온도 ϑB ≤ 1200°C는 견디지만, LDED 공정 온도 ϑP ≥ 2200°C에서는 손상될 수 있다. 따라서 센서로의 열 유입을 줄이기 위해, 그림 2와 같이 블레이드에 언더컷이 있는 특수 채널을 만든다.

이후 LPBF 법으로 SLM Solutions Group AG의 SLM 250 HL 타입의 시스템에서 공정 시간 tP = 38시간으로 재종 1.440을 이용하여 터빈 블레이드를 제작한다. 이렇게 제작한 터빈 블레이드는 지지 구조물을 제거하고 세척한 후 열처리한다. 또한 열전대를 수동으로 삽입하고, 재종 1.4404로 채널을 막기 위해 Trumpf의 Trudisk 2.0kW 타입의 Yb: YAG 고체 레이저와 동축 환형 갭 노즐을 사용하였다. 열전대가 부분적으로 차폐되어 있기는 하지만, 센서 손상을 피하기 위해 열 유입이 제대로 제어되는 점을 보장해야 한다. 이때 중요한 것이 터빈 블레이드의 얇은 벽부(2mm ≤ tw ≤ 4mm)가 열 변형되는 것을 막는 것이다. 이때 구멍을 LDED 시스템의 저온 수리 모드에서 20개의 용접 비드로 채우는데[5,. 레이저 출력은 P=800W이며, 시스템은 피드 속도 vf=600mm/min로 작동한다. 공정 시간은 tP ≤ 10분이다. 그림 2는 센서 삽입 구조를 보여준다.

그림 2: 사진은 적층 제조된 터빈 블레이드이며, 그 옆의 그림은 센서 통합을 위한 배치 전략 원리를 보여준다.

후처리 공정이 이어진다

필요한 공차와 표면 품질 때문에 LDED 공정에서 dtw=1mm의 오버사이즈로 작업하였다. 최종 후처리는 Röders GmbH의 RXP-600DSH 시리즈 5축 머시닝 센터에서 진행하였고, 자유 곡면의 2단계 밀링 공정은 공정 시간 tP ≤ 5분으로 달성되었다. 이때 밀링 머신에 배치하는 것이 어려운 문제이기 때문에 이에 맞는 포지셔닝 보조 수단을 설계 중에 통합하였다. 이어지는 표면 처리 후 슬라이드 연삭을 통해 표면을 매끈하게 처리하였다[6].

그림 3: 총 20개의 용접 비드로 적층 공정 L-DED를 통해 센서 채널 막기

디지털 트윈도 제 역할을 한다

터빈 블레이드 시연품은 데이터 기록을 위해 홀더에 있는 해당 포트를 통해 Raspberry의 Pi 싱글 보드 컴퓨터와 연결하였다(그림 3). 측정값은 무선으로 에디 컴퓨터에 전송되고, 에지 컴퓨터는 블레이드의 디지털 트윈을 Contact Software GmbH의 클라우드 플랫폼 Elements for IoT에 저장하였다[7]. 이런 구조로 사용 중인 가스 터빈의 중요한 공정 포인트에서 측정 데이터를 실시간으로 모니터링하여 어디서든 판독할 수 있으며, 전체 작동 패턴과 정비 이력 그리고 제조 조건도 분석할 수 있게 되었다.

결과와 요약 그리고 전망

통합된 온도 센서를 점검하기 위해 터빈 블레이드를 분젠 버너로 가열한다(그림 4). 센서와 표면 사이에 작은 틈이 있어, 대기 시간 tL ≤ 2s이 지난 후에 제대로 유의한 온도차 Δϑ가 나타난다. 사용한 재종 1.4404의 최대 작동온도 ϑMax에서 측정 데이터 수집을 점검하기 위해, 터빈 블레이드를 산업용 로에서 t = 60분 동안 ϑ = 550°C로 가열하였다. 이 시연품은 극한 조건에서도 측정 데이터를 모니터링할 수 있다는 점을 확인하였다.

그림 4: 통합 센서가 사용 중 손상되지 않고 스트레스를 견딜 수 있도록 분젠 버너로 터빈 블레이드를 가열한다

이번 연구는 두 가지 적층 제조법을 조합하여 새로운 등급의 기능 구성 요소가 생성되는 것을 확인하였다. 이 컨셉트는 구성품 모니터링과 구성품의 지능적 정비 그리고 IoT 측면에서 구성품의 응용에 있어 큰 잠재력을 내포한다. 채널에 최적화된 형상을 구성품에 통합하는 방법, 센서를 구성품에 삽입하는 방법, LDED 법으로 사용한 구멍을 다시 막는 방법이 완전히 새로운 응용 분야를 열어 주었다. 구성품 복잡성 측면에서는 거의 한계가 없었다. 또 다른 응용 영역으로는 프레스 다이, 주조 금형 내 온도 및 압력 모니터링과 펌프의 진동 센서 등이 있다. 마모 센서가 통합된 선박 프로펠러 모니터링도 응용 분야가 될 수 있다. 이 분야에서 셧다운 타임과 효율성 손실이 중대한 경제적 및 생태학적 영향을 미치기 때문이다[8].

참고 문헌

[1] Tahan, M.; Tsoutsanis, E.; Muhammad, M.; Karim, Z. A.: Applied Energy 198. p. 122 – 144. 2017. [2] Mevissen, F.; Meo, M.: Sensors 19. p. 711. 2019.

[3] Hossain, S. M.; Gonzalez, J. A.; Hernandez, R. M.; Shuvo, A., A., I.; Mireles, J.; Choudhur, A.; Lin, Y.; Wicker, R. B.: Additve Manufacturing 10. p. 58 – 66. 2016.

[4] Petrat, T.; Kersting, R.; Graf, B.; Rethmeier, M.: Procedia CIRP 74. p. 168 – 171. 2018.

[5] Petrat, T.; Graf, B.; Gumenyuk, A.; Rethmeier, M.: Physics Procedia 83. p. 761 – 768. 2016.

[6] Uhlmann, E.; Eulitz, A.; Seiffert, K.; Kersting, R.; Schenk, S.: wt Werkstattstechnik online 109/6. p. 400 – 404. 2019.0

[7] Göckel, N.; Müller, P.: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115. p. 7–10. 2020.

[8] Koboević, Ž.; Bebić, D.; Kurtela, Ž.: Ships and Offshore Structures 14. p. 95 – 103. 2019.