KR100271208B1 - 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법및 쾌속조형장치 - Google Patents

선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법및 쾌속조형장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균일하게 도포되어 예열된 분말입자들 사이에 용융된 재료를 선택적으로 용침시켜 열변형을 최소화함으로써 제품의 치수정밀도를 향상시킨다.
본 발명에 따르면, 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형장치에 있어서, 받침대(52)의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말(61)들을 전후방향(b)으로 이동하면서 균일하게 도포하는 분말재료 도포장치(10)와; 상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들 사이에 선택적으로 용침될 용침분말(63)들을 분무하며 3축 방향(c,d,e)으로 이동가능한 용침재료 분무장치(20)와; 상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들을 레이저빔(42)을 사용하여 상기 분말(61)의 용융점 이하로 예열하고, 상기 용침재료 분무장치(20)에서 분무된 상기 용침분말(63)들을 레이저빔(43)을 사용하여 용융하는 레이저빔 조사장치(30) 및; 상기 제품을 모델링한 데이터값을 이용하여 상기 분말재료 도포장치(10)와 상기 용침재료 분무장치(20) 및 상기 레이저빔 조사장치(30)를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치가 제공된다.

Description

선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치
본 발명은 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법에 관한 것이며, 특히, 균일하게 도포되어 예열된 분말입자들 사이에 용융된 재료를 선택적으로 용침하여 시제품(prototypes)이나 몰드(molds)를 제작하는 쾌속조형방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 균일하게 도포되어 예열된 분말입자들 사이에 용융된 재료를 선택적으로 용침하여 시제품(prorotypes)이나 몰드(molds)를 제작하는 쾌속조형장치에 관한 것이기도 하다.
본 발명은 자동차, 전자, 항공 등 여러 제조업분야에서 시작공정의 시제품 제작과 다양한 금속재료를 이용한 금속몰드의 제작 및 제품의 소량생산 등에 활용된다.
종래의 쾌속조형방법은 액체상태의 재료를 레이저 광선을 조사하여 경화시켜 3차원 형상을 제조하는 경화법과, 입상(粒狀) 또는 층상(層狀)으로 된 고체 소재를 원하는 형태로 접합시켜 만드는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
먼저, 상기의 경화법 중의 하나인 광조형(stereolithography ; 3D Systems사)방법은 액체상태의 광경화성 수지(photo polymer)에 선택적으로 레이저빔을 조사하여 응고시키는 방식으로 한 층씩 계속적으로 적층해 나가는 방식이다. 이런 광조형 방법은 레이저빔을 국소적으로 조사하는 방법(3D Systems사, Quadrax사, Sony사 등)과, 자외선 램프를 이용하여 한꺼번에 한 층씩을 조사하는 방법(Cubital사, Light Sculpting사 등) 등 두 가지 방식이 있다.
그러나, 이런 광조형 방법은 작업공정 중 응고된 광경화성 수지가 경화시에 수축되고 이로 인해 뒤틀림 현상이 발생된다는 단점이 있다. 또한, 돌출부가 있는 제품을 제작할 경우에는 이런 돌출부를 형성하기 위해 사용되는 광경화성 수지가 아래로 떨어지지 않도록 지지하는 지지대가 필요하다는 단점이 있다. 또한, 수지가 재료로 사용되므로 강도가 떨어져 기능성 재료로서의 이용이 어렵다는 단점이 있다.
그리고, 분말재료를 이용하여 형상을 제조하는 방법에는, 선택적 레이저 소결조형(selective laser sintering ; DTM사)방법과 3차원 프린팅(three dimension printing ; Solingen사, Z Corp. 등 - MIT개발)방법 등이 있다.
이런 선택적 레이저 소결조형방법은 플라스틱류의 분말재료를 도포하고, 레이저빔을 조사하여 분말을 결합하는 방식으로 제품을 제작한다. 또한, 이런 선택적 레이저 소결조형방법은 플라스틱을 표면에 코팅한 철분말을 이용하여 금속제품이나 몰드를 제작하는 데 사용되기도 한다. 그러나, 이렇게 플라스틱을 표면에 코팅한 철분말을 이용하여 금속제품이나 몰드를 제작할 경우에는, 표면에 코팅된 플라스틱을 제거하고 철분말들을 서로 결합할 수 있도록 소결(sintering)하여야 한다. 또한, 철분말들 사이에 형성된 공극을 채울 수 있도록 구리용침을 하는 등 후처리가 필요하다. 그러나, 이런 선택적 레이저 소결조형방법은 후처리 과정에서 열변형에 의한 수축이 일어나므로 치수정밀도를 맞추기가 어렵다는 단점이 있다.
그리고, 3차원 프린팅방법은 도포된 분말에 액체상태의 결합제를 선택적으로 뿌려서 제품을 만든다. 즉, 이런 3차원 프린팅방법을 이용함으로써, 세라믹 분말로부터 인베스트먼트 케스팅(investment casting)용 세리믹쉘(ceramic shell)을 직접 만들거나, 녹말(starch)성분을 기본으로 하는 분말재료를 사용하여 제품을 제작할 수도 있다. 그러나, 이런 3차원 프린팅방법은 제품의 밀도와 강도증가를 위해 후처리가 필수적이므로 열변형에 의한 수축이 발생한다는 단점이 있다.
또한, 박판재료 적층(laminated object manufacturing ; Helisys사)방법은 얇은 박판형상의 종이를 가열된 롤러를 사용하여 접착하고 레이저로 절단하는 과정을 반복하여 제품을 제작한다. 그러나, 이런 박판재료 적층방법은 재료로 종이를 사용하므로 운영비가 저렴하다는 장점은 있지만, 제품 제작후 제품을 빼내는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다. 예를 들어, 구형상의 제품을 제작할 경우에 있어서, 종이를 순차적으로 적층 및 절단하는 과정을 통해 구형상의 제품이 제작되면, 구형상 제품 이외의 잔류 종이부분이 제작된 구형상 제품의 둘레를 감싸고 있어 이런 잔류 종이부분으로부터 구형상 제품을 빼내는데 많은 시간이 소요된다. 또한, 현재 플라스틱 박판재료가 개발되어 플라스틱 제품을 제작할 수 있으나 종이의 경우와 마찬가지로 제품을 빼내는 공정이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 용착조형(fused deposition manufacturing ; Stratasys사)방법은 필라멘트(filament)형태의 플라스틱류 재료를 압출금형과 유사한 형태의 가열된 노즐사이로 통과시켜 용융상태로 만들어서 접착하는 방식으로 제품을 제작한다. 그러나, 이런 용착조형방법은 필라멘트 형태의 재료를 사용하기 때문에 표면이 거칠다는 단점이 있다.
아래에서는 금속과 같은 기능성 재료의 제품이나 몰드를 직접 제작하는 쾌속조형방법에 대해 설명하겠다.
최근 상용화된 LENS(Laser Engineered Net Shaping ; Optomec사 - Sandia National Lab. 개발)방법은 레이저빔을 이용하여 금속 기저(substrate)를 국부적으로 가열하여 작은 용탕풀(melt pool)을 만들고, 이 곳에 금속분말을 가스를 이용하여 떨어뜨리는 방식으로 제품을 제작한다. 그러나, 이런 LENS 방법은 금속을 완전히 녹여서 제품을 제작하기 때문에 응고시 변형이 심하여 치수 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 이런 LENS 방법은 용융물을 이용한 제품의 제작방법이므로 돌출부나 외팔보 형태를 지닌 제품을 제작하기가 불가능하다는 단점이 있다.
그리고, SDM(Shape Deposition Manufacturing ; Stanford Univ, Carnegie Mellon Univ)방법은 금속 용착(deposition)과 CNC 기계가공을 결합한 방법이다. 이런 SDM 방법은 먼저 금속을 용착한 후에 다축 CNC 밀링을 이용하여 원하는 두께와 경계형상을 갖도록 가공하고, 같은 층의 나머지 부분은 다른 금속재료로 채운 후에 다시 CNC 가공을 하여 한 층을 완성한다. 이렇게 한 층이 완성된 후에는 잔류응력을 제거하기 위하여 숏 피닝(shot peening) 작업을 한다. 이런 일련의 과정을 수행함으로써 원하는 제품을 제작하게 된다. 그러나, 이런 SDM 방법은 여러 가지 과정을 반복적으로 수행해야 함으로 제품을 제작하는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 균일하게 도포되어 예열된 분말입자들 사이에 용융된 재료를 선택적으로 용침시켜 열변형을 최소화함으로써 제품의 치수정밀도를 향상시킬 수 있는 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 쾌속조형장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 분말재료 도포장치의 사용 상태도이고,
도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 용침재료 분무장치의 사용 상태도이고,
도 4는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 선택적 용침공정의 개념도이고,
도 5는 본 발명의 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법을 설명하기 위한 공정도이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 쾌속조형장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,
도 7은 도 6에 도시된 쾌속조형장치의 용침재료 분무장치의 사용 상태도이며,
도 8은 도 6에 도시된 쾌속조형장치의 선택적 용침공정의 개념도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
1,2 : 쾌속조형장치 10 : 분말재료 도포장치
20,70 : 용침재료 분무장치 30 : 레이저빔 조사장치
32,34,36∼38 : 반사경 33 : 셔터
39,40 : 렌즈 41,42,43 : 레이저빔
60,62,65 : 분말재료 61 : 분말
63 : 용침분말 64,66 : 용융물
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형방법에 있어서, 받침대의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말들을 균일하게 도포하는 도포단계와, 상기 받침대에 균일하게 도포된 상기 분말들을 레이저빔을 사용하여 상기 분말의 용융점 이하로 예열하는 예열단계 및, 예열된 상기 분말들 사이에 용융된 용융물을 선택적으로 용침하여 상기 분말들을 서로 결합하는 용침단계를 포함하며, 상기 단계들을 반복적으로 수행하여 원하는 제품을 제작하는 것을 특징으로 하는 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형장치에 있어서, 받침대의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말들을 X축 방향으로 이동하면서 균일하게 도포하는 분말재료 도포장치와; 상기 받침대에 균일하게 도포된 상기 분말들 사이에 선택적으로 용침될 용침분말들을 분무하며 3축 방향으로 이동가능한 용침재료 분무장치와; 상기 받침대에 균일하게 도포된 상기 분말들을 레이저빔을 사용하여 상기 분말의 용융점 이하로 예열하고, 상기 용침재료 분무장치에서 분무된 상기 용침분말들을 레이저빔을 사용하여 용융하는 레이저빔 조사장치 및; 상기 제품을 모델링한 데이터값을 이용하여 상기 분말재료 도포장치와 상기 용침재료 분무장치 및 상기 레이저빔 조사장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형장치에 있어서, 받침대의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말들을 X축 방향으로 이동하면서 균일하게 도포하는 분말재료 도포장치와, 상기 받침대에 균일하게 도포된 상기 분말들 사이에 선택적으로 용침될 용융물들을 분무하며 3축 방향으로 이동가능한 용침재료 분무장치와, 상기 받침대에 균일하게 도포된 상기 분말들을 레이저빔을 사용하여 상기 분말의 용융점 이하로 예열하는 레이저빔 조사장치 및, 상기 제품을 모델링한 데이터값을 이용하여 상기 분말재료 도포장치와 상기 용침재료 분무장치 및 상기 레이저빔 조사장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치가 제공된다.
아래에서, 본 발명에 따른 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
[제1실시예]
도면에서, 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 쾌속조형장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 분말재료 도포장치의 사용 상태도이고, 도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 용침재료 분무장치의 사용 상태도이고, 도 4는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 선택적 용침공정의 개념도이고, 도 5는 본 발명의 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1에 보이듯이, 본 발명의 쾌속조형장치(1)는 분말재료를 제공하는 분말재료 도포장치(10)와, 도포된 분말재료가 서로 결합될 수 있도록 용침재료를 분무하는 스크루형 용침재료 분무장치(20) 및, 도포된 분말재료와 이런 분말재료들 사이에 용침되는 용침재료를 예열 및 용융시키는 레이저빔 조사장치(30)를 포함한다.
여기에서, 레이저빔 조사장치(30)의 일부분과 분말재료 도포장치(10) 및 스크루형 용침재료 분무장치(20)는 챔버(50)의 내부에 각각 위치하게 된다. 이 때, 분말재료 도포장치(10)는 챔버(50)의 하부부위에 위치하고, 스크루형 용침재료 분무장치(20) 및 레이저빔 조사장치(30)는 챔버(50)의 상부부위, 즉, 분말재료 도포장치(10)의 상부에 위치한다.
아래에서, 각 부재들의 위치 및 결합관계에 대해 상세히 설명하겠다.
먼저, 챔버(50)의 하부면에는 지지대(51)가 배치되어 있다. 이런 지지대(51)의 하부부위에는 받침대(52)가 배치되어 있다. 그리고, 받침대(52)의 하부면에는 스텝모터(도시생략)가 결합되어 상기 받침대(52)를 일정주기로 상하방향(a)으로 이동시킨다.
또한, 지지대(51)의 상부에는 분말재료 도포장치(10)가 배치되어 있다. 이런 분말재료 도포장치(10)는 도 2에 상세하게 도시되어 있다.
도 2에 보이듯이, 분말재료 도포장치(10)는 분말재료(60)를 저장하는 호퍼(11)를 포함한다. 이런 호퍼(11)의 하부에는 상기 분말재료(60)를 일정크기의 분말(61)로 배출하는 2개의 롤러(12)가 배치되어 있다. 또한, 호퍼(11)의 측면에는 받침대(52)의 표면에 도포되는 상기 분말(61)이 균일하게 도포될 수 있도록 하는 플레이트(13)가 고정되어 있다. 이렇게 구성된 분말재료 도포장치(10)는 모터(도시생략)에 의해 전후방향(b)으로 이동한다. 이 때, 모터는 분말재료 도포장치(10)를 전후방향(b)으로 이동시키면서 롤러(12)를 회전시켜 분말(61)을 하부방향으로 배출한다.
그리고, 챔버(50)의 상부에는 X축 테이블(53)이 배치되어 있다. 이런 X축 테이블(53)은 소정의 폭을 가지면서 챔버(50)의 양 측면에 각각 고정되어 있다. 이런 X축 테이블 중 한 쪽의 X축 테이블(53)에는 스크루가 배치되어 있다.
이렇게 배치된 X축 테이블(53)의 상부에는 상기 X축 테이블(53)에 대해 직각방향으로 Y축 테이블(54)이 결합되어 있다. 이 때, Y축 테이블(54)은 X축 테이블(53)에 대해 전후방향(c)으로 이동할 수 있도록 결합되어 있다. 즉, X축 테이블(53)에 배치된 스크루에 의해 전후방향(c)으로 자유롭게 이동할 수 있게 결합되어 있는 것이다.
이런 Y축 테이블(54)의 한 쪽면에는 Z축 테이블(55)이 결합되어 있다. 이 때, Z축 테이블(55)은 Y축 테이블(54)에 대해 좌우방향(d)으로 이동할 수 있도록 결합되어 있다. 이런 Y축 테이블(54)에 대한 Z축 테이블(55)의 이동은 X축 테이블(53)에 대한 Y축 테이블(54)의 이동원리와 동일하다.
이렇게 배치된 Z축 테이블(55)에는 Z축 실린더(56)가 결합되어 있다. 이런 Z축 실린더(56)는 Z축에 대해 상하방향(e)으로 작동한다. 이렇게 작동하는 Z축 실런더(56)에는 스크루형 용침재료 분무장치(20)가 결합되어 있다. 이런 스크루형 용침재료 분무장치(20)는 Z축 실린더(56)의 작동에 의해 Z축에 대해 상하방향(e)으로 이동한다.
이런 스크루형 용침재료 분무장치(20)는 도 3에 상세하게 도시되어 있다.
도 3에 보이듯이, 스크루형 용침재료 분무장치(20)는 분말재료(62)를 저장하는 몸체부(21)를 포함한다. 이런 몸체부(21)의 중앙에는 상기 분말재료(62)를 용침분말(63)로 만들어 하부방향으로 배출하는 스크루축(22)이 배치되어 있다. 이런 스크루축(22)은 모터(도시생략)에 의해 회전한다.
아래에서는 도 1을 참조로 하여 레이저빔 조사장치(30)의 배치관계에 대해 설명하겠다.
도 1에 보이듯이, 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드(31)와 제1반사경(32) 및 셔터(33)는 챔버(50)의 외부의 소정위치에 고정배치되어 있다. 그리고, 제2반사경(34)은 Y축 테이블(54)의 소정위치에 고정되어 있고, 분광기(35) 및 제3반사경(36)은 소정의 간격을 두고 Z축 테이블(55)의 상부에 각각 고정되어 있다. 또한, 제4, 제5반사경(37,38)과 제1, 제2렌즈(39,40)는 Z축 테이블(55)에 고정된 Z축 실린더(56)의 하부에 각각 결합되어 있다.
이렇게 고정된 제2반사경(34)은 X축 테이블(53)을 따라 전후방향(c)으로 이동할 수 있고, 분광기(35)와 제3, 제4, 제5반사경(36∼38) 및 제1, 제2렌즈(39,40)는 Y축 테이블(54)을 따라 좌우방향(d)으로 이동할 수 있다. 또한, 제4, 제5반사경(37,38)과 제1, 제2렌즈(39,40)는 Z축 실린더(56)에 의해 상하방향(e)으로 이동할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같은 레이저 헤드(31)와 다수의 모터들은 제어장치(도시생략)에 의해 제어된다. 또한, 이런 제어장치에는 제작하고자 하는 제품을 모델링한 데이터값이 입력되어 있고, 이런 데이값에 맞게 다수의 모터들이 제어되어 원하는 제품이 제작된다.
아래에서, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 쾌속조형장치(1)를 사용하여 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법을 설명하겠다.
도 1에 보이듯이, 먼저, 레이저 헤드(31)에서 레이저빔(41)이 조사되면 제1반사경(32) 및 셔터(33)를 거쳐 Y축 테이블(54)에 고정된 제2반사경(34)에 도달한다. 이 때, 레이저빔(41)은 챔버(50)의 측면에 형성된 홀(57)을 통과하여 제2반사경(34)에 도달한다. 이렇게 제2반사경(34)에 도달한 레이저빔(41)은 Z축 테이블(55)에 고정된 분광기(35)에 도달하여, 일부분은 Z축 실린더(56)에 고정된 제4반사경(37)으로 조사되고, 다른 일부분은 Z축 테이블(55)에 고정된 제3반사경(36)으로 조사된다. 이렇게 제4반사경(37)에 도달한 레이저빔(42)은 제1렌즈(39)를 통해 조사되고, 제3반사경(36)에 도달한 레이저빔(43)은 제5반사경(38) 및 제2렌즈(40)를 거쳐 조사된다.
앞서 설명한 바와 같이 레이저빔이 여러과정을 거쳐 조사되는 동안, 분말재료 도포장치(10)는 지지대(51)를 따라 전후방향(b)으로 이동하면서 분말(61)을 받침대(52)의 표면에 균일하게 도포한다. 이와 동시에, Y축 테이블(54)은 X축 테이블(53)을 따라 전후방향(c)으로 이동하고, Z축 테이블(55)은 Y축 테이블(54)을 따라 좌우방향(d)으로 이동하며, Z축 실린더(56)는 상하방향(e)으로 작동한다. 이런 X축, Y축 테이블(53,54)의 이동 및 Z축 실린더(56)의 작동에 따라, 스크루형 용침재료 분무장치(20)는 전후방향(c)과 좌우방향(d) 및 상하방향(e)으로 이동하면서 용침분말(63)을 하부방향으로 분무하게 된다.
이런 일련의 과정에 따라 받침대(52)에 균일하게 도포된 분말(61)은 도 4에 도시된 바와 같이 제1렌즈(39)를 통해 조사된 레이저빔(42)에 의해 예열된다. 이런 레이저빔(42)은 디포커싱(defocusing)된 레이저빔으로서, 분말(61)의 용융점보다 약간 낮은 온도로 분말(61)을 예열하는 데 사용된다. 이렇게 예열된 분말(61)은 상변화되지 않는다. 또한, 스크루형 용침재료 분무장치(20)에 의해 하부방향으로 분무되는 용침분말(63)은 제2렌즈(40)를 통해 조사된 레이저빔(43)에 의해 용융된다. 이렇게 용융된 용융물(64)은 상변화된 것으로서, 예열되어 받침대(52)에 균일하게 도포된 분말(61)들 사이에 선택적으로 용침되어 분말(61)들을 서로 결합한다.
이렇게 함으로써, 받침대(52)에 균일하게 도포된 분말(61)에 대한 선택적 용침이 끝나면, 상기 받침대(52)는 하부방향으로 한 층의 두께만큼 이동한다. 그러면, 앞서 설명한 동일한 방법에 의해 또 한 층의 분말(61)이 적층결합된다(도 4참조). 이와 같은 반복적인 작업공정을 통해 원하는 제품이 제작된다. 이렇게 함으로써, 원하는 제품이 완성되면 받침대(52)로부터 제품을 꺼낸다. 그러면, 분말(61)들이 서로 결합되어 제작된 제품 이외의 부분에 있는 분말(61)들은 제품으로부터 자연스럽게 떨어진다.
앞서 설명한 모든 부분은 제어장치에서 제어한다, 또한, 본 발명에 사용되는 분말재료(61,62)는 용융점이 낮은 플라스틱류 또는 용융점이 높은 금속류가 사용된다. 여기에서, 제품의 원재료가 되는 분말재료(61)는 용융점이 높은 것이 사용되고 용침재료로 사용되는 분말재료(62)는 용융점이 낮은 것이 사용될 수 있다. 즉, 이종의 분말재료(61,62)를 사용하여 합금 등의 제품을 제작할 수도 있다.
[제2실시예]
본 발명의 제2실시예에 따른 쾌속조형장치(2)는 스크루형 용침재료 분무장치(20) 대신에 진동형 용침재료 분무장치(70)가 사용되고, 레이저빔 조사장치(30)의 구성요소 일부분이 제거된 것을 제외하고는 제1실시예에 동일하다. 그러므로, 도1 내지 도 8에서 동일하거나 유사한 도면부호에 대해서는 동일하거나 유사한 도면부호가 부여될 것이며, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략될 것이다.
도면에서, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 쾌속조형장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고, 도 7은 도 6에 도시된 쾌속조형장치의 용침재료 분무장치의 사용 상태도이며, 도 8은 도 6에 도시된 쾌속조형장치의 선택적 용침공정의 개념도이다.
도 7에 보이듯이, 진동형 용침재료 분무장치(70)는 분말재료(65)를 저장하는 몸체부(71)를 포함한다. 이런 몸체부(71)의 둘레에는 상기 분말재료(65)를 용융시키는 열선(72)이 배치되어 있다. 또한, 몸체부(71)의 상부에는 상기 열선(72)에 의해 용융된 용융물(66)을 하부방향으로 분무할 수 있도록 상하방향으로 진동시키는 진동피스톤(72)이 배치되어 있다. 이런 진동피스톤(72)은 초음파 또는 기계적 진동에 의해 상하방향으로 작동하여 하부방향으로 용융물(66)을 분무한다.
또한, 도 6에 보이듯이, 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저빔 조사장치는 제1실시예의 레이저빔 조사장치(30)의 분광기(35)를 반사경(44)으로 교체하고, 용침재료로 사용되는 분말재료를 용융하기 위해 레이저빔을 이송하는 제3, 제5 반사경(36,38)과 제2렌즈(40)를 제거하면 된다.
앞서 설명한 바와 같은, 진동형 용침재료 분무장치(70)와 레이저빔 조사장치를 사용하면, 도 8에 도시된 바와 같은 방법에 의해 분말(61)들이 서로 결합된다. 즉, 제1렌즈(39)를 통해 조사된 레이저빔(42)에 의해 예열되어 받침대(52)에 균일하게 도포된 분말(61)들 사이에, 진동형 용침재료 분무장치(70)에 의해 하부방향으로 분무된 용융물(64)이 선택적으로 용침되어, 분말(61)들을 서로 결합한다. 이런 방법과 제1실시예에와 같은 반복적인 작업공정을 통해 원하는 제품이 제작된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법은 용융점 미만의 온도로 예열된 분말입자들 사이에 선택적으로 용침된 용융재료만이 응고되면서 수축하여 제품이 제작되므로 제품의 열변형이 최소화된다.
또한, 본 발명의 쾌속조형방법은 수축에 의한 열변형이 적으므로 치수정밀도를 향상시킬 수 있으며, 또한 선택적 용침법을 이용하므로 제품의 밀도가 매우 높아 종래의 쾌속조형방법들에 비해 빠른 시간내에 제품을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 쾌속조형방법은 도포된 분말재료의 예열에 사용되는 레이저빔의 출력조정이 가능하고, 선택적 용침에 사용되는 용융재료 분무기를 이용하여 다양한 재료의 용융물을 생산할 수 있으므로, 같은 공정에서 다양한 재료를 이용하여 제품을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 쾌속조형방법은 제작하는 제품이 돌출부나 외팔보 형태를 지닌 경우에도 응고결합되지 않은 분말입자들이 지지대의 역할을 하므로 별도의 지지대를 설치할 필요가 없다.
이상에서 본 발명의 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims (9)

  1. 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형방법에 있어서,
    받침대(52)의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말(61)들을 균일하게 도포하는 도포단계와,
    상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들을 레이저빔(42)을 사용하여 상기 분말(61)의 용융점 이하로 예열하는 예열단계와,
    예열된 상기 분말(61)들 사이에 용융된 용융물(64,66)을 선택적으로 용침하여 상기 분말(61)들을 서로 결합하는 용침단계를 포함하며,
    상기 단계들을 반복적으로 수행하여 원하는 제품을 제작하는 것을 특징으로 하는 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용융물(64)은 용침재료로 사용되는 용침분말(63)에 레이저빔(43)이 조사되어 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용융물(66)은 용침재료로 사용되는 분말재료(65)를 저장 및 분무하는 용침재료 분무장치(70)의 가열수단(72)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 용침공정을 이용한 쾌속조형방법.
  4. 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형장치에 있어서,
    받침대(52)의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말(61)들을 X축 방향(b)으로 이동하면서 균일하게 도포하는 분말재료 도포장치(10)와,
    상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들 사이에 선택적으로 용침될 용침분말(63)들을 분무하며 3축 방향(c,d,e)으로 이동가능한 용침재료 분무장치(20)와,
    상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들을 레이저빔(42)을 사용하여 상기 분말(61)의 용융점 이하로 예열하고, 상기 용침재료 분무장치(20)에서 분무된 상기 용침분말(63)들을 레이저빔(43)을 사용하여 용융하는 레이저빔 조사장치(30) 및,
    상기 제품을 모델링한 데이터값을 이용하여 상기 분말재료 도포장치(10)와 상기 용침재료 분무장치(20) 및 상기 레이저빔 조사장치(30)를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 용침분말(63)은 상기 용침재료 분무장치(20)의 중앙에 위치하는 스크루축(22)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 용침재료 분무장치(20)는 Z축 방향(e)으로 작동하는 Z축 실린더(56)에 결합되어 있고, 상기 Z축 실린더(56)는 Y축 방향(d)으로 이동할 수 있도록 Y축 테이블(54)에 결합되어 있고, 상기 Y축 테이블(54)은 X축 방향(c)으로 이동할 수 있도록 X축 테이블(53)에 결합되어 있어, 상기 용침재료 분무장치(20)가 3축 방향(c,d,e)으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
  7. 레이저빔을 사용하여 제품을 제작하는 쾌속조형장치에 있어서,
    받침대(52)의 표면에 제품의 주원료가 되는 분말(61)들을 X축 방향(b)으로 이동하면서 균일하게 도포하는 분말재료 도포장치(10)와,
    상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들 사이에 선택적으로 용침될 용융물(66)들을 분무하며 3축 방향(c,d,e)으로 이동가능한 용침재료 분무장치(70)와,
    상기 받침대(52)에 균일하게 도포된 상기 분말(61)들을 레이저빔(42)을 사용하여 상기 분말(61)의 용융점 이하로 예열하는 레이저빔 조사장치 및,
    상기 제품을 모델링한 데이터값을 이용하여 상기 분말재료 도포장치(10)와 상기 용침재료 분무장치(70) 및 상기 레이저빔 조사장치를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용침재료 분무장치(70)는 용침재료로 사용되는 분말재료(65)를 용융하는 가열수단(72)과, 상기 가열수단(72)에 의해 용융된 용융물(66)이 하부방향으로 분무될 수 있도록 진동을 가하는 진동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 용침재료 분무장치(70)는 Z축 방향(e)으로 작동하는 Z축 실린더(56)에 결합되어 있고, 상기 Z축 실린더(56)는 Y축 방향(d)으로 이동할 수 있도록 Y축 테이블(54)에 결합되어 있고, 상기 Y축 테이블(54)은 X축 방향(c)으로 이동할 수 있도록 X축 테이블(53)에 결합되어 있어, 상기 용침재료 분무장치(70)가 3축 방향(c,d,e)으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
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