3D 프린팅 금속 구조 내 무선 온·변형·균열 감지를 위한 자기 반응 포함체

초록

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본 논문은 적층 제조 과정에서 갈펜올(FeGa)과 모넬(NiCu) 포함체를 삽입해, 외부 코일을 이용해 비접촉·무선으로 변형·온도·균열 진행을 실시간 측정하는 방법을 제시한다. 실험 결과, 변형 감지는 ±27 µε, 온도 감지는 ±0.75 °C 정확도를 달성했으며, 피로 시험에서 균열 발생을 수천 사이클 전부터 탐지하였다.

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상세 분석

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이 연구는 기존 구조건전성 모니터링 기술이 갖는 ‘와이어링·표면 부착·극한 환경에 대한 내구성 부족’이라는 근본적인 한계를 자기‑열 반응성 물질을 이용해 해결한다는 점에서 혁신적이다. 갈펜올(Galfenol, FeGa)은 자계 도메인 재배열에 의해 기계적 응력에 민감하게 퍼머빌리티가 변하는 마그네토엘라스틱 재료이며, 온도 변화에 대해서는 거의 무감응한다. 반면 모넬(Monel, NiCu)은 큐리 온도 근처에서 퍼머빌리티가 급격히 변하는 열자성 물질로, 기계적 응력에는 반응하지 않는다. 두 물질을 각각 변형·온도 센서로 활용함으로써, 하나의 코일 시스템으로 두 물리량을 동시에 측정할 수 있다.

제조 공정에서는 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 중에 선택적으로 용융을 중단해 1 mm 외경·0.8 mm 내경 알루미늄 마이크로튜브를 형성하고, 그 내부에 갈펜올 혹은 모넬 와이어(0.5 mm × 5 mm)를 삽입한다. 이후 레이어를 재개하면 파우더가 용융돼 튜브와 기판 사이에 견고한 기계·열 접합이 형성된다. 이 구조는 센서가 고온·고열구배에 직접 노출되는 것을 방지하면서도, 주변 금속과 동일한 열팽창 거동을 보장한다.

센서의 동작 원리는 1 kHz 교류 코일이 생성하는 자기장에 의해 포함체의 퍼머빌리티가 변하면 코일의 인덕턴스가 변하는 현상을 이용한다. 인덕턴스 변화 ΔL은
ΔL ∝ μ·V·(1/d³)
(μ: 포함체 퍼머빌리티, V: 부피, d: 코일‑포함체 거리) 로 근사할 수 있다. 따라서 인덕턴스 측정만으로 μ 변화를 정량화하고, 사전 보정된 μ‑스트레인·μ‑온도 관계식을 통해 실제 변형·온도를 역산한다.

실험에서는 코일‑포함체 거리를 0.5 mm로 고정하고, 온도 보정을 위해 CTE(선팽창계수) 차이에 의한 열‑기계 결합 효과를 식(1)로 보정하였다. 결과적으로 0–200 µε 범위에서 ±27 µε, 20–80 °C 범위에서 ±0.75 °C의 정확도를 달성했으며, 이는 기존 광섬유 브래그 격자(FBG) 혹은 전기식 스트레인 게이지와 비교해 동등하거나 우수한 수준이다.

피로 시험에서는 3점 굽힘 부재에 포함체를 배치하고 10 Hz, 25–250 MPa 사이클을 가했다. 갈펜올 센서는 균열이 발생하고 전파될수록 부재의 전반적인 강성 감소를 감지해 인덕턴스 상승을 보였으며, 균열 전파가 임계 파단 전 약 2 000 사이클 전부터 명확히 탐지되었다. 이는 기존 비접촉 초음파·에디 커런트 방식이 갖는 ‘신호 해석 복잡성·표면 제한’을 뛰어넘는 조기 경보 능력이다.

핵심 한계로는(1) 포함체 부피·위치에 따라 감도 변동이 크며, (2) 코일 설계 최적화가 필요하고, (3) 고주파(>10 kHz)에서는 금속 부품의 와전류 손실이 감도 저하를 초래할 수 있다. 향후 연구에서는 마이크로‑코일 배열, 다중 주파수 탐지, 그리고 복합 재료와의 호환성을 확대함으로써 실용화 가능성을 높일 수 있다.

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