NIST: Process Monitoring NIST: Process Monitoring | HBM

미국 제조업체는 생산성을 높이기 위해 빠른 데이터 수집 시스템을 사용한다.

제품의 품질을 향상시키기 위해 전 세계 제조업체가 노력하면서, 미국의 연구진들은 HBM의 DAQ 장비를 사용하여 국제적 경쟁력을 높였다.

세계적인 경쟁력을 유지하기 위해 미국 제조업체는 복잡하면서 맞춤 설정이 많은 고품질의 제품을 설계하고 제작하는데 초점을 맞춘 기본적인 변환을 구현하고 있다. 변화하는 시장의 요건을 충족할 수 있도록 보다 신속하게 이러한 것을 제작하는 것이 전 세계의 요구이다. 제조업체는 제품 개발 주기를 단축하고 공급망에 따라 생산 시스템의 속도와 융통성을 향상시켜야 한다. 이는 에너지 요건이나환경적 영향을 줄임과 동시에 완료되어야 한다.

미국 제조업체가 직면하고 있는 또 하나의 중요한 과제는 특정 프로세스와작업 자재에 대한 최고의 가공 파라미터를 정확하게 예측하는 기능이다.

이 과제는 미국에서 주요 연구 주제가 되어 왔으며, National Institute of Standards and Technology (NIST)에서는 최신 프로세스 계측 방식과 툴을 개발하여 기존 제조 과정의 과학적인 이해력을 높인 바 있다.

연구목표

연구 목표는 미국의 국제적 경쟁력을 강화시킬 수 있는 새로운 산업 어플리케이션을 개발하기 위한 기반을 마련하는 것이다.


여러 가지 제조 프로세스에서 가장 중요한 것으로 여겨지는 몇 가지 프로세스가 개발되었고, NIST는 다음이 일반적인 계측 방식을 필요로 하고 있다고 생각한다. 
 

  • NIST가 초점을 맞추고 있는 공통적인 프로세스 현상은 툴 인터페이스에서 힘, 온도, 자재 속성, 자재 변형에 대해 보다 잘 이해할 수 있도록 하는 것이다.
  • 또 다른 초점은 툴 마모가 성능에 끼치는 영향을 줄이고, 제조 과정 중에 마찰이나 진동의 영향을 줄이는 방법이다.

 

이러한 변화의 영향은 과학 기반의 모델링, 의사 결정 및 생산을 향한 인간의 경험을 바탕으로 제조하는 기술이 바뀌도록 만들고 있다. NIST 프로그램은 기본적인 측정, 표준, 툴을 개발하여 미국의 제조업체가 이러한 변화를 구현하는데 도움을 주고 있다.

 

Split Hopkinson Bar 샘플

NIST의 Split Hopkinson Bar는 과학 기반 모델렝, 의사 결정 및 생산을 향한 미국 제조 기술의 변화를 용이하게 한다. NIST가 개발했던 연구의 일부분으로, 정밀-공학 분야의 Split Hopkinson Bar 또는 Split-Hopkinson Pressure Bar에는 급속 가열 기능이 결합되었다. 이 장치는 고속 가공 프로세스의 유한 요소 모델링에 자재 속성 정보를 제공하기 위해 개발되었다.

NIST의 Split Hopkinson Bar는 길이가 1.5m, 직경이 15mm인 고력강 바 두 개로 이루어져 있으며, 이 바는 다른 방향으로의 휘어짐을 견디면서 바가 축박향으로는 쉽게 미끄러질 수 있도록 베어링에 부착되어 있다. 이를 Incident Bar 또는 Transmission Bar라고 부른다. 그 외에도 세 번째 바가 있는데, 이는 Striker로, 다른 두 메인 바와 같은 강철로 만들어졌다. 이것은 훨씬 더 짧지만, 다른 두 메인 바와 같은 직경을 가지며, 쉽게 이동할 수 있다.

실험을 수행할 때에는 테스트를 받을 자재의 실린더형 샘플이 두 바 사이에 장착되며, 축 방향으로 대칭이 되도록 정렬된다. 이는, 방사상의 영향을 무시하며, 수집된 모든 데이터는 1차원 파동설을 사용하여 분석할 수 있음을 의미한다. 그 다음 에어 건이 다양한 고속으로 발사되어 Incident Bar에 Striker를 발사시킨다.

Striker의 영향은 Incident Bar와 샘플을 통해 이동하는 압축된 응력파를 전달한다. 이 접근 방식을 사용한다는 것은 샘플이 압축된 응력파에 의해 급격한 영향을 받는다는 것을 의미한다. 압축 파가 샘플에 도달하면 바와 샘플 사이의 임피던스 차가 입력파를 두 부분으로 분할한다.

한 부분은 인장파(tensile wave)로서 Incident Bar를 따라 뒤로 반사되는 파이다. 두 번째 부분은 샘플을 유연하게(빠르고 영구적으로) 변형시키는 압축파로 지속된다. 그 다음 압축파는 Transmission Bar까지 전파된다. NIST Split Hopkinson Bar는 샘플만 플라스틱 변형의 영향을 받도록 설계되었다.

The NIST Split Hopkinson Bar facilitates a transformation in US manufacturing practices towards scientific-based modelling, decision-making, and production.

펄스-히팅(pulse-heating)

또한, NIST 장치는 테스트 샘플을 계측하는데 독특한 관점을 제공하기 위해 제어된 저항-가열식 시스템과 결합되었다.


가열 시스템은 원래 단금속을 녹이는 임계점 등과 같이 고온에서 금속의 물리적인 속성을 측정하기 위해 개발되었다. 현재에는 테스트를 위해 샘플을 놓은 다음 정밀하게 제어된 CD 전기 전류의 펄스를 사용하여 샘플을 극단적으로 급격하게 예비 가열할 수 있도록 개선되었다.


NIST Split Hopkinson Bar는 테스트 샘플을 1초도 안 되는 시간 안에 약 1,000ºC 온도까지 가열할 수 있다. 이 고온은 전류를 급격하게 차단하기 전에 몇 초간 유지할 수 있기 때문에 104 sec-1까지의 변형 속도에서 급속 가열된 샘플의 동적 압축 테스트를 수행할 수 있다.


NIST Split Hopkinson Bar와 예비 가열된 샘플의 이러한 결합을 통해 연구진들은 고속 가공 작업을 시뮬레이션할 수 있도록 탄소강의 유동변형력에 대한 가열 속도 및 시간의 영향을 어떤 온도에서든 연구할 수 있다. 


펄스-가열 속도가 일반적인 고속 가공 프로세스보다 낮은 경우라고 하더라도 기존 방식을 사용하는 예비 가열 샘플보다 훨씬 빠르다. 전위 어닐링, 결정립 성장 및 고체 상태 변형과 같이 열활성화 미세 구조 프로세스가 발생하는 시간은 더 짧기 때문에 유동변형력을 측정할 수 있다는 점은 큰 장점이라고 할 수 있다.

데이터 수집의 중요성

테스트의 주요 목적은 최첨단 프로세스 계측 방식 및 도구를 보다 쉽게 개발하는데 도움을 주는 데이터를 수집하는 것이므로, NIST Split Hopkinson Bar는 반드시 고성능 데이터 수집 및 분석 장비를 통해 모니터링해야 한다.


일반적으로 단일 자재에서는 다섯 개에서 열 개정도의 테스트가 수행되므로, 테스트를 반복해서 수행할 수 있어야 하고 DAQ에는 다른 테스트에서의 데이터를 쉽게 비교할 수 있는 기능이 있어야 한다. 또한 각 테스트는 실험 중에 샘플이 얇아지거나 영구적으로 변형되는 등 파괴적인 시험이다.


테스트 중의 시간 간격이 몇 밀리세컨드 정도밖에 되지 않기 때문에 모든 관련 데이터를 제대로 캡쳐하고 분석할 수 있도록 하기 위해서는 시스템을 설계하는데 수많은 제약이 따르게 된다.

해결책: Genesis HighSpeed

이러한 모든 요건이 충족될 수 있음을 확인하기 위해 NIST는 Split Hopkinson Bar Data Processing And Distribution System (PADS)라고 하는 통합식 소프트웨어 시스템을 개발했다.


HBM의 Genesis HighSpeed 데이터 수집 장비는 Data PADS에 Split Hopkinson Bar 측정 데이터를 제공한다. HBM은, Genesis HighSpeed이 다음과 같은 테스트 중에 세 가지 핵심 부분으로부터 모든 관련 데이터를 캡쳐할 수 있는 강력한 DAQ 시스템이기 때문에 NIST의 요건을 충족할 수 있었다.


   • 초기 압축 영향
   • 반사된 압축 응력파
   • 진행 중인 인장파


이는 매우 짧은 시간 간격으로 캡쳐할 수 있다. 이것이 HBM의 국제적 계측 전문 기술과 결합되었다는 것은 스트레인 게이지부터 분석 소프트웨어에 이르기까지 유사한 시스템을 구축하고자 하는 연구진들이 필요로 하는 데이터 수집 및 데이터 프로세싱 장비, 각종 센서 등을 제공할 수 있게 되었다는 것을 의미한다.


HBM의 DAQ의 장점은 고속 A/D 보드에 장착되기 때문에 낮은 전압까지도 정확하게 레코딩할 수 있다는 점이다. DAQ 시스템은 보통 1 밀리세컨드 내의 신호를 레코딩하기 위해 높은 주파수 응답을 가져야 한다. 일반적으로 데이터 수집 시스템에 있는 모든 구성요소의 최소 주파수 응답은 스트레인 게이지의 경우 2MHz이고, 가열 데이터의 경우 100kHz이다.


스트레인 게이지는NIST Split Hopkinson Bar 실험에서 바 스트레인을 측정하기 위한 표준 기술로 발전했다. 보통 바 직경을 따라 바 표면에 대칭적으로 두 개의 스트레인 게이지가 부착된다. Incident Bar와 Transmission Bar의 중간 지점에 부착된 스트레인 게이지와 1차원 탄성파 분석 방법을 사용하여, 스트레인 응답에 대한 샘플의 스트레스를 파악할 수 있다. 스트레인 게이지에서 얻은 신호는 휘트스톤 브리지로 조정된다. 일반적으로 이러한 실험에서 휘트스톤 브리지의 전압 출력은 약 밀리볼트 정도로 크기가 작다.


풀 브리지 회로에 표준 선형 스트레인 게이지 두 세트가 배치된다. 업스트림 스트레인 게이지는 자재의 입사 스트레인(incident strain)과 샘플과 충돌하는 장비의 로딩 펄스로 리턴된 반사 스트레인(reflected strain)을 측정하는 것으로, 이렇게 두 가지 용도를 가지고 있다. 다운스트림 스트레인 게이지는 자재를 통과하여 NIST Split Hopkinson Bar의 두 번째 섹션으로 전달된 스트레스를 기록한다.


Genesis HighSpeed DAQ 장비의 또 다른 장점은 사용 방법이 쉽고 소프트웨어를 간단히 수정하여 어떤 어플리케이션의 요건이든 충족시킬 수 있다는 점이다. Genesis HighSpeed 데이터 수집 장비와 스트레인 및 스트레인 게이지에 대한 HBM의 지식을 결합함으로써 HBM은 고객에게 독특한 전문 기술의 조합을 제공할 수 있게 되었다.

실험에는 HBM의 Genesis HighSpeed로 캡쳐한 데이터가 시각 정보와 관계 있다는 것을 확인하기 위해 그 일부분으로 고속 카메라가 사용된다.

간단한 데이터 분석

지금까지, 엔지니어는 Fortran이나 Matlab과 같은 랭귀지로 정적인 절차 스크립트를 사용하여 유사한 실험으로부터의 데이터를 분석해왔다. 그러나 Genesis HighSpeed와 HBM의 관련 소프트웨어, 그리고 탁월한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 엔지니어에게 새로운 도구를 제공하고 있다.


또한 그 동안 엔지니어는 테스트를 수행하고, 데이터를 분석하며, 처리된 데이터만을 사용할 수 있었다. 그러나 HBM은 포괄적인 관계형 데이터베이스를 통해 연구진이 근원 자료와 프로세싱 파라미터를 함께 저장하고, 필요 시에는 데이터를 실시간으로 재프로세싱할 수 있게 한다. 이 기능은 Split Hopkinson Bar 데이터에서 스트레스/스트레인 곡선을 그릴 때 매우 유용하다. Genesis HighSpeed 장비를 사용하면 랩탑 PC에 설치되었거나 파일 서버를 통한 네트워크를 통해 데이터를 액세스할 수 있으며, 독립형 모드로 사용하여 전체 테스트 레코드를 쉽게 검색할 수 있다.


이 기능의 유용성을 보여주는 한 예는 바로 Data PADS로, 이것은 스트레인 게이지의 미가공 데이터와 스트레인 게이지의 데이터의 처리 방식을 보여주는 메타데이터를 모두 저장하여 다양한 가설 하에서 스트레스/스트레인 관계와 기타 데이터 곡선을 상호 작용적으로 재계산한다. NIST가 개발한 Data PADS에는 비주얼 고속 영상, 열카메라 영상, 고속 고온계 데이터, 발사 속도 센서 데이터를 포함한 데이터베이스와 기술 자료 및 관련 정보까지도 포함되어 있다. 그 외에도 소프트웨어는 다양한 구성의 시스템에서 여러 종류의 테스트를 수행해야 하는 여러 사용자가 액세스할 수 있어야 한다.


교정 상수, 테스트 조건 등과 같은 일반적인 1차원 데이터 이외에도, NIST Split Hopkinson Bar 장비는 전류, 온도, 발사 위치, 스트레인 게이지 데이터-시간 등의 광범위한 2차원 데이터를 제공한다. 보다 포괄적인 범위의 데이터를 제공하기 위해 시간에 대한 열 이미지, 가시광선 이미지 등의 3차원 데이터도 사용할 수 있다.

결론

NIST Split Hopkinson Bar 자비를 사용하면 칩 생성과 관련된 기본적인 문제를 시뮬레이션해 볼 수 있다. 칩 형성 중에는 워크피스가 극단적인 압력 및 온도 조건에서 커팅 툴과 상호적으로 작용한다. 그 결과 새로 절단된 자재가 툴 면과 닿을 때 툴/워크피스의 인터페이스를 따라 얇은 1차 전단대와 2차 전단대 모두에 매우 높은 변형율로 플라스틱 변형이 발생하게 된다.


일부 자재에서는 고속 절단 중의 온도가 녹는점 가까이 올라가기도 한다. 사용자 친화적인 유한 요소 소프트웨어 패키지가 개발되었기 때문에 모델링 및 시뮬레이션으로 진행 상황을 표시할 수는 있지만, NIST Split Hopkinson Bar 장비의 개발은 향상된 자재 속성의 필요성을 충족하는데 도움을 주기 때문에, 가공 프로세스의 모델링 및 시뮬레이션 정밀도와 신뢰성을 한층 높여준다.