Ultrasonic Nondestructive Testing for Metal Additive Manufacturing: Microstructural Characterization, Online Monitoring, and Deep Learning Application

Abstract

Metal additive manufacturing (AM), also known as metal 3D printing, is garnering attention in various manufacturing industries. Currently, advancements related to AM in general focus on the development of AM processes and materials, and little progress has been made for quality assurance issues during AM processes. In this study, ultrasonic nondestructive testing techniques were developed for quality assurance during AM processes. In particular, we focused on (1) microstructural characterization of AM components using ultrasonic testing; (2) online quality monitoring during the AM process; and (3) deep learning application. The unique contributions of this study are as follows: developments of (1) characterization technique of various microstructures (porosity, grain, and micro-oxide inclusion) in AM components; (2) online quality (microstructural and mechanical properties) monitoring technique during the AM process using femtosecond laser ultrasonics; and (3) deep learning-based ultrasonic testing for evaluation in harsh environments. The performance of the proposed techniques was examined using specimens fabricated under various AM operation conditions. The experimental results obtained by the proposed techniques were consistent with those obtained from independent destructive tests performed after the completion of the AM process.|적층 제조 (Additive manufacturing, AM), 달리는 3D 프린팅이라고 불리는 이 기술은 4차산업혁명 핵심 제조 기술로 다양한 분야에서 주목받고 있다. 현재 AM과 관련된 발전은 AM 공법 및 재료 개발에 중점을 두고 있고, AM 공정 중 발생하는 품질 문제에 대한 진전은 거의 없다. 본 연구에서는, AM의 품질 보증을 위한 초음파 비파괴 검사 기술을 개발하였다. 특히, (1) 초음파를 이용한 AM 부품의 미시구조 특징화, (2) AM 공정 도중 온라인 모니터링 기술 개발, 그리고 (3) 인공지능 활용 기술 개발에 주목하였다. 본 연구의 독창성은 다음과 같다. (1) 초음파 선형/비선형 특성을 이용한 AM 부품의 다양한 미시구조(공극, 결정립, 미세게재물) 특징화 기술 개발, (2) 펨토초 레이저초음파를 이용한 AM 공정 도중 적층재의 미시구조 및 물성치 온라인 모니터링 기술 개발, 그리고 (3) 극한 환경에서 품질 검사를 위한 딥러닝 기반 초음파 기술 개발. 개발된 기술의 성능은 AM 공정 조건이 다르게 제작된 시험편들로부터 검증되었다. 실험 결과, 개발된 기술과 기존의 파괴시험으로 평가된 결과가 잘 일치하였다.