KR100419369B1

KR100419369B1 - Real-time Monitoring and Controlling Method of a Height of Deposit in Laser Cladding and Laser-aided Direct Metal Manufacturing by using Image Photographing and Image Processing and System thereof

Info

Publication number: KR100419369B1
Application number: KR10-2001-0071508A
Authority: KR
Inventors: 서정훈
Original assignee: 주식회사 인스텍
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2004-02-19
Also published as: KR20030039929A

Abstract

본 발명은 레이저 표면 합금화(Laser Surface Alloying)와 레이저 클래딩(Laser Cladding) 등과 같은 레이저 표면개질 기술 및 레이저 클래딩 기술을 기반으로 하는 레이저 클래딩(Laser Cladding; 다층 클래딩 포함) 및 레이저 직접 금속 조형(Laser-aided Direct Metal Manufacturing)기술에서, 이미지 촬영과 이미지 프로세싱(Image Processing) 방법을 응용하여 실시간으로 용융 풀(Melt Pool)의 위치 및 높이를 모니터링함과 동시에 공정변수를 제어함으로써, 형성되는 클래딩 층의 높이를 원하는 대로 조절할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 그리고 공정변수 가운데 가장 중요한 레이저 출력을 레이저 상태와 무관하게 얻을 수 있는 출력 보정방법도 포함된다.The present invention is based on laser surface modification techniques such as laser surface alloying and laser cladding, and laser cladding (including multilayer cladding) and laser direct metal molding (Laser-). In aided direct metal manufacturing technology, the height of the cladding layer formed by monitoring the position and height of the melt pool and controlling process variables in real time by applying image capturing and image processing methods. It relates to a device and a method that can be adjusted to the desired. It also includes an output calibration method that can obtain the most important laser power among process variables regardless of the laser condition.

Description

Real-time monitoring and control method of a height of deposit in laser cladding and laser-aided direct metal manufacturing using image capture and image processing in laser cladding and direct metal molding technology by using Image Photographing and Image Processing and System

본 발명은 레이저 클래딩(Laser Cladding; 다층 클래딩 포함)과 직접 금속 조형기술에서 이미지 촬영 및 이미지 프로세싱을 이용하여 클래딩 층의 높이를 실시간으로 모니터링하고 제어하기 위한 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for monitoring and controlling the height of a cladding layer in real time using image capture and image processing in laser cladding (including multilayer cladding) and direct metal shaping techniques.

레이저 직접 금속 조형기술(Laser-aided Direct Metal Manufacturing)은 컴퓨터에 저장되어 있는 3차원 형상모델의 기하학적 자료(Digital Data of 3D Subjects)로부터 바로 제품이 요구하는 기능성 소재(예로, 금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 직접 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 툴(tools)을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있는 새로운 개념의 쾌속 조형기술(Rapid Near-net Shaping)로 정의되고, 기술상으로는 "직접 금속 툴링(Direct Metal Tooling)" 기술로 분류된다.Laser-aided Direct Metal Manufacturing technology provides the functional materials (eg, metals, alloys, ceramics, etc.) required by the product directly from the digital data of 3D Subjects stored in the computer. ) Is defined as Rapid Near-net Shaping, a new concept of rapid 3D-shaped products or the tools needed to produce products in a very short time. (Direct Metal Tooling) "technology.

상기 3차원 형상모델의 기하학적 자료는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(Computer Tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상법) 데이터, 그리고 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털 데이터 등을 말하며, 툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품생산에 필요한 시작 및 양산 금형을 의미한다.The geometric data of the three-dimensional shape model is measured by three-dimensional CAD data, medical computer tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI) data, and a three-dimensional scanner (3D Object Digitizing System) The term “digital data” refers to the starting and mass-producing molds required for production of dies or molds.

이러한 기술은 CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공방식과 비교할 수 없는 빠른 시일 내에 기능성 금속 시작품(Functional Metal Prototypes), 시작 및 양산 금형, 복잡한 형상의 최종제품 및 각종 툴을 쾌속 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능하다.These technologies include functional metal prototypes, start-up and production molds, and complex geometries incomparably with conventional machining methods such as cutting and casting using computerized numerical control (CNC) and other processing machines. It is possible to rapidly manufacture final products and various tools, and can be applied to restoration, remodeling and repairing of molds using reverse engineering.

CAD 데이터로부터 그 물리적 형상을 구현하는 기본 개념은 일반 프린터와 유사하다. 프린터가 컴퓨터에 저장되어 있는 문서 데이터 파일을 이용하여 2차원 종이 평면 위의 정확한 위치에 카본이나 잉크를 입혀 문서를 제작하듯이, 직접 금속 조형기술은 3차원 CAD 데이터를 이용하여 3차원 공간의 정확한 위치에 기능성 소재를 요구하는 양만큼 형성시킴으로써 3차원의 물리적 형상을 구현한다.The basic concept of implementing its physical shape from CAD data is similar to that of a normal printer. Just as a printer uses a document data file stored on a computer to produce a document by coating carbon or ink at the exact location on a two-dimensional paper plane, direct metal forming technology uses three-dimensional CAD data to create an accurate three-dimensional space. By forming the required amount of functional material at the location, a three-dimensional physical shape is realized.

그러나 재료를 절삭하거나 또는 재료를 용융시킨 다음에 소정의 형틀에 부어 응고시키는 기존의 전통적인 제조공정으로는 CAD 데이터로부터 바로 3차원 형상을 구현하는 것이 불가능하며, 이를 위해서는 MIM(Materials Increase Manufacturing) 공정을 적용해야만 한다.However, it is not possible to realize three-dimensional shapes directly from CAD data using the conventional manufacturing process, which cuts the material, or melts the material and then pours it into a mold to solidify it. Must apply

기본적으로 3차원 형상의 물체는 2차원의 면들로 구성되어 있고, 2차원의 면은 1차원의 선들로 이루어져 있다. 따라서 2차원의 면들을 반복적으로 한 층씩 차례로 적층함으로써 3차원 형상을 제작할 수 있다. 이러한 원리를 MIM 공정이라 하고, 도 1과 같이, 기존의 제조공정과 달리 벌크(bulk) 재료를 절삭하거나 혹은 용융된 금속을 어떤 형틀에 부어 응고시키는 것이 아니라, 재료를 첨가·증착시켜 3차원 형상을 만드는 방식(Additive Materials Deposition for Building Shapes)이다.Basically, a three-dimensional object consists of two-dimensional planes, and the two-dimensional plane consists of one-dimensional lines. Therefore, the three-dimensional shape can be manufactured by repeatedly stacking two-dimensional surfaces one by one. This principle is called a MIM process, and unlike the conventional manufacturing process, as shown in FIG. 1, the bulk material is not cut or the molten metal is poured into a mold to solidify, but the material is added and deposited to form a three-dimensional shape. Additive Materials Deposition for Building Shapes.

레이저 직접 금속 조형기술에서 2차원의 평면은 레이저 클래딩(Laser Cladding)기술을 이용하여 물리적으로 구현한다.In the laser direct metal molding technology, the two-dimensional plane is physically implemented using laser cladding technology.

레이저 클래딩은 도 2에서, 시편 표면(201)에 레이저빔(202)을 조사하여 국부적으로 용융 풀(Melt Pool)(203)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(예로, 금속, 합금 또는 세라믹 등)(204)를 공급하여 시편 표면에 새로운 클래딩 층(205)을 형성시키는 기술이다. 레이저 직접 금속 조형기술에서는 도 3에서,3차원 CAD 데이터로부터 2차원의 단면 정보를 산출하고, 각 2차원 단면정보에 해당하는 형태와 두께 및/또는 높이를 갖는 클래딩 층을 순차적으로 형성시킴으로써 3차원 형상의 기능성 금속 제품 또는 툴을 쾌속으로 조형한다.The laser cladding in FIG. 2 irradiates a laser beam 202 to the specimen surface 201 to form a locally melt pool 203 and at the same time a powder cladding material (eg, metal, alloy or 204) to form a new cladding layer 205 on the specimen surface. In the laser direct metal molding technique, in FIG. 3, two-dimensional cross-sectional information is calculated from three-dimensional CAD data, and three-dimensional cross-sectional information is sequentially formed by sequentially forming a cladding layer having a shape, thickness, and / or height corresponding to each two-dimensional cross-sectional information. Shaped functional metal products or tools are rapidly molded.

조형과정에서 이용되는 2차원 단면정보는 3차원 CAD 데이터를 균일한 두께 및/또는 높이로 자르거나(Slicing) 또는 가변적인 두께를 갖는 2차원 데이터로 잘라 만들며, 이를 조형정보로 이용한다. 이 단면정보를 이용하여 CAD 데이터와 일치하는 정밀한 3차원 형상을 물리적으로 구현하기 위해서는 레이저 클래딩 공정을 통해 각각의 2차원 단면정보에 해당하는 정확한 형태와 높이 및/또는 두께를 갖는 클래딩 층을 형성시킬 수 있어야 한다.Two-dimensional cross-sectional information used in the molding process is to cut the three-dimensional CAD data to a uniform thickness and / or height (Slicing) or to cut the two-dimensional data having a variable thickness, and use it as the molding information. In order to physically realize a precise three-dimensional shape that matches the CAD data using this cross-sectional information, a cladding layer having a precise shape, height and / or thickness corresponding to each two-dimensional cross-sectional information is formed through a laser cladding process. It should be possible.

이것이 3차원 조형물의 치수 정밀도에 지대한 영향을 주며, 특히 레이저 클래딩 층의 높이를 원하는 대로 조절할 수 있는 클래딩 층의 높이 제어기술이 레이저 직접 금속 조형기술의 구현에 있어 가장 중요한 핵심 기술이다.This greatly affects the dimensional accuracy of three-dimensional sculptures. In particular, the height control technology of the cladding layer, which can adjust the height of the laser cladding layer as desired, is the most important core technology in the implementation of the laser direct metal molding technology.

레이저 직접 금속 조형기술에서는 도 2의 통상적인 레이저 클래딩에서와 같이, 고정된 레이저빔을 중심으로 금속 기판(이하, 시편이라 함)을 x, y축으로 보간 이송하거나 또는 고정된 시편을 중심으로 레이저빔을 이동시켜 클래딩 층을 형성시킨다. 그리고 레이저빔과 금속의 시편을 함께 이송시킬 수도 있으며, 가공 자유도를 높이기 위하여 3축 이상의 이송계 또는 로봇의 사용도 가능하다.In the laser direct metal sculpting technique, as in the conventional laser cladding of FIG. 2, a metal substrate (hereinafter referred to as a specimen) is interpolated to a fixed laser beam in the x and y axes, or the laser is fixed to a fixed specimen. The beam is moved to form a cladding layer. In addition, the laser beam and the metal specimen may be transferred together, and in order to increase the degree of freedom of processing, it is also possible to use a transfer system or a robot more than three axes.

조형과정에서 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 형태는 단면정보로부터 산출된 공구경로(Tool Path)와 이송계의 정밀도에 주로 의존하고, 물리적인 구현이 비교적 용이하다. 그러나, 레이저 클래딩 층의 높이는 레이저의 출력, 레이저빔 모드, 크기, 시편의 이송속도, 클래딩 분말의 특성, 분말공급량, 분말의 낙하속도, 클래딩 비드의 중첩도(Overlapping Factor), 그리고 공급되는 각종 보조 가스의 종류 및 유량 등의 수많은 공정변수에 영향을 받으며, 클래딩 과정에서 열 축적(Heat Accumulation)에 의해 발생되는 시편 표면의 온도변화, 시편 표면 및 레이저 발진기의 상태 등의 외부적 요인들도 형성되는 클래딩 층의 높이에 영향을 준다.The shape of the cladding layer corresponding to the two-dimensional cross section information in the molding process mainly depends on the tool path calculated from the cross section information and the precision of the feed system, and the physical implementation is relatively easy. However, the height of the laser cladding layer is determined by the power of the laser, the laser beam mode, the size, the feed rate of the specimen, the properties of the cladding powder, the powder supply amount, the dropping rate of the powder, the overlapping factor of the cladding beads, and the various auxiliary supplies supplied It is influenced by many process variables such as gas type and flow rate, and external factors such as temperature change of specimen surface, specimen surface and laser oscillator state caused by heat accumulation during cladding process are also formed. Affects the height of the cladding layer.

따라서, 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 높이를 얻기 위해서는 클래딩 층의 높이를 결정하는 용융 풀의 위치를 실시간으로 모니터링하여 클래딩 층의 높이에 영향을 주는 공정변수를 실시간으로 제어해야 하는 기술적인 어려움이 있다.Therefore, in order to obtain the height of the cladding layer corresponding to the two-dimensional cross section information, it is necessary to monitor the position of the molten pool that determines the height of the cladding layer in real time, and to control the process variables affecting the height of the cladding layer in real time. There is difficulty.

미국특허 제6,122,564호는 클래딩 층의 높이 제어를 목적으로 포토트랜지스터(Photo Transistor)를 이용한 광 탐지장치(Optical Detection Device)와 전자회로(Electron Circuit)로 이루어져 있는 피드백(Feedback) 장치 및 방법에 대하여 기술하고 있다. 이 방법에서 광 탐지장치는 레이저빔의 조사로 인해 시편 표면에 형성되는 용융 풀 부근에 설치하며, 용융 풀이 목표 높이에 도달되었을 때에 용융 풀로부터 나오는 빛(적외선 파장의 빛)을 감지할 수 있도록 하기 위하여 광 탐지장치의 광축(Optical Axis)이 목표 높이를 향하도록 정렬시킨다. 광 탐지장치는 협대역 통과필터(Narrow Band-pass Filter), 카메라 렌즈, 광전자 센서인 포토트랜지스터로 구성되어 있으며, 용융 풀이 광축과 만나는 높이에 도달했을 때에만 용융 풀로부터 나오는 빛(적외선)이 포토트랜지스터에 감지되도록 하기 위하여, 중심이 광축을 통과하는 작은 구멍(Aperture)이 있는 마스크(Mask)를 포토트랜지스터 앞쪽에 설치하였다.U.S. Patent No. 6,122,564 describes a feedback device and method consisting of an optical detection device and an electronic circuit using a photo transistor for the purpose of controlling the height of the cladding layer. Doing. In this method, the light detector is installed near the molten pool formed on the surface of the specimen due to the irradiation of the laser beam, so that when the molten pool reaches the target height, it is possible to detect light from the molten pool (light of infrared wavelength). To align the optical axis of the light detector toward the target height. The photodetector consists of a narrow band-pass filter, a camera lens, and a phototransistor, a photoelectric sensor, and the light (infrared rays) from the melt pool only reaches the height when the melt pool reaches the height where it meets the optical axis. In order to be sensed by the transistors, a mask with a small aperture through which the center passes through the optical axis was installed in front of the phototransistor.

따라서, 용융 풀이 목표높이에 도달되었을 때(클래딩 층의 높이가 목표 값에 도달되었을 때), 용융 풀로부터 나오는 빛은 우선 협대역 통과필터를 거치면서 적외선 영역의 파장을 갖는 빛만이 필터를 통과하게 되고, 이 빛은 마스크에 있는 구멍을 통과하게 되므로 포토트랜지스터가 빛을 감지하게 된다. 그러나 용융 풀이 목표 높이에 있지 않을 경우에는 용융 풀로부터 나오는 빛은 마스크에 의해 차단되므로, 포토트랜지스터는 어떠한 빛도 감지하지 못한다.Therefore, when the molten pool reaches its target height (when the height of the cladding layer reaches its target value), the light from the molten pool first passes through the narrowband pass filter, so that only light having a wavelength in the infrared region passes through the filter. The light passes through a hole in the mask, which causes the phototransistor to detect the light. However, when the melt pool is not at the target height, the light from the melt pool is blocked by the mask, so the phototransistor does not detect any light.

이 방법에서는 포토트랜지스터의 빛 감지 여부를 통하여 레이저 클래딩 층(용융 풀)의 높이가 목표 값에 도달하였는지의 여부를 판단하게 된다. 포토트랜지스터는 빛에 노출되었을 때에 전압강하(Voltage Drop) 현상이 일어나는데, 이때 발생되는 전기적 신호(Signal)를 이용하여 레이저 발진기에 전달되는 아날로그 전압신호(Analog Voltage Signal)를 제어하도록 전기회로를 구성하여, 포토트랜지스터의 빛 감지여부에 따라 레이저빔의 출력을 온/오프(On/Off)하는 방식으로 레이저 출력을 제어한다.In this method, it is determined whether the height of the laser cladding layer (melt pool) has reached the target value by detecting the light of the phototransistor. When the phototransistor is exposed to light, a voltage drop occurs. An electrical circuit is configured to control an analog voltage signal transmitted to a laser oscillator by using an electrical signal generated at this time. The laser output is controlled by turning on / off the laser beam output depending on whether the phototransistor detects light.

그러나, 상기 미국특허 제6,122,564호의 방법에서 사용되는 광 탐지장치는 용융 풀의 높이가 클래딩 층의 목표 높이 값보다 크거나 작은 경우를 모두 동일하게 판단하며, 이때, 정상 레이저 출력을 내보내는 문제점을 갖고 있다. 특히, 특정의 위치에서 클래딩 층의 높이가 국부적으로 목표 값보다 커진 경우에 광탐지장치는 클래딩 층의 높이가 목표 값에 도달하지 않은 것으로 판단하고 정상적인 레이저 출력을 내보낸다.However, the optical detection device used in the method of US Pat. No. 6,122,564 judges the same when both the height of the melt pool is larger or smaller than the target height value of the cladding layer, and at this time, there is a problem of outputting a normal laser output. . In particular, when the height of the cladding layer is locally larger than the target value at a particular position, the light detector determines that the height of the cladding layer has not reached the target value and emits a normal laser output.

따라서, 이 위치의 클래딩 층은 오히려 더 두텁게 및/또는 높게 코팅되며, 그 위에 다시 반복적으로 레이저 클래딩을 수행하는 경우에는 점점 더 상황이 악화되어 조형 정밀도가 크게 저하된다. 그리고 광 탐지장치의 기구적인 문제로 인해 레이저 직접 금속 조형과정에서 균일한 두께 및/또는 높이를 갖는 2차원 단면정보를 이용하여 3차원 형상을 조형할 때는 문제가 없으나, 가변적인 두께 및/또는 높이를 갖는 2차원 단면정보를 이용하여 조형할 경우에는 클래딩 층의 높이가 변할 때마다 광 탐지장치의 정렬과 보정을 다시 해야 한다는 문제점이 있다.Therefore, the cladding layer at this position is rather thicker and / or coated higher, and if the laser cladding is repeatedly performed on it again, the situation becomes worse and the molding precision is greatly degraded. In addition, there is no problem in forming a three-dimensional shape by using two-dimensional cross-section information having a uniform thickness and / or height in the laser direct metal molding process due to a mechanical problem of the optical detector, but a variable thickness and / or height is not a problem. When molding using two-dimensional cross-section information having a problem that the alignment and correction of the light detection device has to be redone whenever the height of the cladding layer changes.

또한, 레이저 출력제어 방식에 있어서도 레이저 펄스의 지속 시간(Duration Time)을 제어하는 레이저빔 온/오프(On/Off) 방식이기 때문에 연속파 레이저 발진기에 적용하기가 어려운 문제점이 있다.In addition, the laser output control method has a problem that it is difficult to apply to a continuous wave laser oscillator because it is a laser beam on / off method for controlling the duration of the laser pulse (Duration Time).

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 직접 금속 조형과정에서, 고속의 이미지 촬영과 이미지 프로세싱을 이용하여 용융 풀의 위치 및 높이를 실시간으로 측정하고, 공정변수를 제어함으로써 형성되는 클래딩 층의 높이를 원하는 대로 제어할 수 있는 방법과 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned conventional problems. In the direct metal molding process, the position and height of the molten pool are measured in real time by using high-speed imaging and image processing, and the process variables are controlled. It is an object of the present invention to provide a method and a system capable of controlling the height of a cladding layer to be formed as desired.

그리고, 본 발명은 본 발명의 공정변수 가운데, 가장 중요한 레이저 출력을 레이저 상태에 무관하게 얻을 수 있는 출력 보정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide an output correction method that can obtain the most important laser output of the process variables of the present invention irrespective of the laser state.

본 발명에서는 용융 풀의 실제 위치 및 높이를 실시간으로 측정하기 때문에, 클래딩 층의 높이가 목표 값과 항상 정확하게 일치하도록 공정변수를 제어할 수 있고, 가변 두께를 갖는 2차원 단면정보를 이용하여 3차원 형상을 조형할 때도 이미지 촬영장치(Image Monitoring Device)를 별도로 재배열하거나 또는 보정할 필요 없이 바로 조형작업이 가능하고, 펄스 및 연속파 레이저에도 적용할 수 있으며, 조형과정에서 실제 클래딩되는 영상을 모니터를 통하여 관찰할 수 있는 특징이 있다.In the present invention, since the actual position and height of the molten pool is measured in real time, the process variables can be controlled so that the height of the cladding layer always exactly matches the target value, and three-dimensional using two-dimensional cross section information having a variable thickness. When shaping the shape, it is possible to perform the shaping work without the need to rearrange or correct the image monitoring device separately. It can be applied to pulse and continuous wave lasers, and to monitor the actual cladding in the shaping process. There are features that can be observed through.

더욱이, 본 발명은 레이저 직접 금속 조형기술 뿐만 아니라, 레이저 표면 합금화와 레이저 클래딩 등과 같은 레이저 표면 개질 기술, 그리고 반복적인 레이저 클래딩을 통해 2mm이상의 두터운 클래딩 층을 형성시키는 레이저 클래딩 기술에도 적용할 수 있는 장점이 있다.Moreover, the present invention can be applied not only to laser direct metal sculpting, but also to laser surface modification techniques such as laser surface alloying and laser cladding, and to laser cladding techniques for forming a thick cladding layer of 2 mm or more through repetitive laser cladding. There is this.

도 1은 MIM(Materials Increase Manufacturing) 공정의 개념도,1 is a conceptual diagram of a materials increase manufacturing (MIM) process;

도 2는 레이저 클래딩 공정의 개념도,2 is a conceptual diagram of a laser cladding process,

도 3은 레이저 직접 금속 조형기술의 개념도,3 is a conceptual diagram of a laser direct metal molding technology,

도 4는 레이저 직접 금속 조형 시스템의 개략도,4 is a schematic diagram of a laser direct metal forming system,

도 5는 원심형 분말 공급노즐과 이미지 촬영장치가 설치되어 있는 영역을 확대하여 나타낸 시스템의 개략도,5 is a schematic diagram of a system in which a centrifugal powder supply nozzle and an image photographing apparatus are enlarged and shown;

도 6은 이미지 촬영장치의 구성도,6 is a configuration diagram of an image photographing apparatus;

도 7은 용융 풀의 이미지가 이미지 촬영장치에 의해 모니터링 되는 원리 1을 보여 주는 개략도로서,7 is a schematic diagram showing principle 1 in which an image of a melt pool is monitored by an image photographing apparatus,

도 7(A)은 레이저빔의 광축 방향에서 관찰되는 용융 풀의 개략도,7 (A) is a schematic diagram of the melt pool observed in the optical axis direction of the laser beam,

도 7(B)은 모니터에서 관찰되는 용융 풀의 이미지,7 (B) is an image of the melt pool observed on the monitor,

도 8은 용융 풀의 이미지가 이미지 촬영장치에 의해 모니터링 되는 원리 2를보여 주는 개략도,8 is a schematic diagram showing principle 2 in which an image of a melt pool is monitored by an image photographing apparatus;

도 9는 시편(또는 레이저빔)의 이송 방향에 따른 용융 풀 이미지의 변화를 나타낸 것으로,9 is a view showing the change of the melt pool image according to the conveying direction of the specimen (or laser beam),

도 9(A)는 용융 풀이 이미지 촬영장치를 향할 경우,9 (A) shows that when the melt pool is directed toward the image photographing apparatus,

도 9(B)는 용융 풀이 이미지 촬영장치의 반대방향으로 향해 있을 경우,9 (B) shows that when the melt pool is directed in the opposite direction of the image photographing apparatus,

도 9(C)와 도 9(D)는 시편 또는 레이저빔이 이미지 촬영장치의 광축과 수직한 방향으로 이동할 경우,9 (C) and 9 (D) show that when the specimen or laser beam moves in a direction perpendicular to the optical axis of the image photographing apparatus,

도 10은 용융 풀의 높이 변화에 따른 용융 풀의 이미지 변화를 나타낸 개략도,10 is a schematic diagram showing an image change of the melt pool according to the height change of the melt pool,

도 11은 레이저 출력과 클래딩 층의 높이와의 관계 및 레이저 출력방식을 도식적으로 나타낸 개략도,11 is a schematic diagram showing the relationship between the laser power and the height of the cladding layer and the laser power system;

도 12는 본 발명의 방법과 시스템으로 제작된 간단한 형태의 조형물(H-13 공구강),12 is a simplified form of the production (H-13 tool steel) produced by the method and system of the present invention,

도 13은 본 발명의 방법과 시스템으로 제작된 휴대폰 금형의 사진(H-13 공구강),13 is a photograph (H-13 tool steel) of a cell phone mold manufactured by the method and system of the present invention,

도 14는 본 발명의 방법과 시스템으로 제작된 임펠러의 사진(H-13 공구강),14 is a photograph of the impeller manufactured by the method and system of the present invention (H-13 tool steel),

도 15는 본 발명의 방법과 시스템을 사용하여 리모델링한 자동차 펜더 금형의 사진.15 is a photograph of an automobile fender mold remodeled using the method and system of the present invention.

♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣♣ Explanation of symbols for main part of drawing ♣

200: 시편 201: 시편 표면200: specimen 201: specimen surface

202: 레이저빔 203: 용융 풀202: laser beam 203: melt pool

204: 클래딩 소재 205: 클래딩 층204: cladding material 205: cladding layer

401: 레이저 발생장치 402: 이송 시스템401: laser generator 402: transfer system

403: 제어 시스템 404: 클래딩 소재 공급장치403: control system 404: cladding material feeder

405: 빔 전송장치 406: 빔 집광장치405: beam transmitter 406: beam concentrator

407: 이미지 촬영장치 408: 이미지 프로세싱장치407: image recording device 408: image processing device

409: CAD/CAM 장치 410: 냉각장치409: CAD / CAM unit 410: chiller

411: 실외기 장치 412: 가스 제어시스템411: outdoor unit device 412: gas control system

413: 가스 공급장치 414: 원심형 분말 공급노즐413: gas supply device 414: centrifugal powder supply nozzle

501: 레이저빔의 광축 502: 이미지 촬영장치의 광축501: optical axis of the laser beam 502: optical axis of the image photographing apparatus

601: CCD 카메라 602: 렌즈601: CCD camera 602: lens

603: ND 필터 604: 치구603: ND filter 604 jig

605: 냉각라인 701: CCD 카메라의 이미지 플레인(Image Plane)605: cooling line 701: image plane of the CCD camera

702: CCD 카메라의 뷰 필드 플레인(View Field Plane)702: View Field Plane of CCD Camera

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 이미지 촬영과 이미지 프로세싱을 이용하여 용융 풀의 위치 및 높이를 실시간으로 모니터링하여 측정하고 공정변수를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 및 레이저 직접 금속 조형기술에서의 클래딩 층 높이의 실시간 모니터링 및 제어 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the laser cladding and laser direct metal molding technology, characterized in that to monitor and measure the position and height of the molten pool in real time by using image capture and image processing and to control the process variables Provides a real-time monitoring and control method of the cladding layer height.

또한, 본 발명은 소정의 레이저빔 조사로 시편 표면에 용융 풀을 만들어 내는 레이저 발생장치; 상기 레이저 발생장치로부터 발생된 레이저빔을 빔 집광장치로 전달하기 위한 빔 전송장치; 상기 빔 전송장치로부터 전달된 레이저빔을 집광하기 위한 빔 집광장치; 상기 빔 집광장치에서 집광된 레이저빔의 조사로 인해 시편 표면에 형성된 용융 풀에 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치; z축 방향에 상기 빔 집광장치를 설치하여 클래딩 과정에서 레이저빔의 초점거리를 항상 유지하고, 시편을 x-y축 테이블에 고정한 다음에 레이저빔을 중심으로 공구경로에 따라 시편을 자유로이 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 하기 위한 이송 시스템; 3차원 CAD 데이터로부터 공구경로와 같은 조형정보를 만들어 제어시스템에 전달하기 위한 CAD/CAM 장비; 실시간으로 용융 풀의 영상을 획득하여 이미지 프로세싱장치로 전송하기 위한 이미지 촬영장치; 용융 풀의 영상을 받아 용융 풀의 물리적인 위치 및 높이를 연산하고, 그 값을 실시간으로 제어시스템으로 전송하기 위한 이미지 프로세싱장치; 상기 장치들을 제어하고 상태를 모니터링하며, CAD/CAM 장비로부터 조형정보를 받아 레이저 클래딩을 수행하고, 용융 풀에 대한 정보를 받아 클래딩 층의 위치 및 높이가 목표 값에 도달하도록 공정변수를 실시간으로 제어하기 위한 제어시스템으로 이루어진 레이저 클래딩과 직접 금속 조형기술에서 이미지 촬영과 이미지 프로세싱을 이용한 클래딩 층 높이의 실시간 모니터링과 제어를 위한 시스템을 제공한다.In addition, the present invention is a laser generator for producing a molten pool on the surface of the specimen by a predetermined laser beam irradiation; A beam transmission device for transferring the laser beam generated from the laser generator to a beam condenser; A beam concentrator for condensing a laser beam transmitted from the beam transmitter; A cladding material supply device for supplying a cladding material to a molten pool formed on a surface of a specimen due to irradiation of a laser beam focused by the beam concentrator; By installing the beam concentrator in the z-axis direction, the focal length of the laser beam is always maintained in the cladding process, the specimen is fixed to the xy axis table, and then the specimen is freely transported along the tool path around the laser beam so that the laser cladding A transport system to be performed; CAD / CAM equipment for creating molding information, such as tool paths, from 3D CAD data to a control system; An image photographing apparatus for obtaining an image of the melt pool in real time and transmitting the image to the image processing apparatus; An image processing apparatus for receiving an image of the melt pool, calculating a physical position and height of the melt pool, and transmitting the value to the control system in real time; Control the devices and monitor the condition, perform the laser cladding with the modeling information from CAD / CAM equipment, and control the process variables in real time so that the position and height of the cladding layer reach the target value by receiving the information about the melt pool It provides a system for real-time monitoring and control of cladding layer height using image capture and image processing in laser cladding and direct metal forming technology.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 기술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 레이저 직접 금속 조형 시스템의 개략도를 나타낸 것으로, 클래딩 층의 실시간 높이 제어를 위한 이미지 촬영장치(407) 및 이미지 프로세싱장치(408), 그리고 3차원 CAD 데이터로부터 2차원 단면정보를 산출하고, 이에 해당하는 공구의 경로를 산출하여 제어시스템(403)으로 전송하는 CAD/CAM 장치(409)가 포함되어 있다.4 shows a schematic diagram of a laser direct metal forming system, which calculates two-dimensional cross-sectional information from an image photographing apparatus 407 and an image processing apparatus 408 for real-time height control of a cladding layer, and three-dimensional CAD data. CAD / CAM device 409 for calculating the path of the corresponding tool and transmitting to the control system 403 is included.

레이저 발생장치(401)는 산업용 CO₂레이저인 것이 바람직하지만, Nd-YAG, 고출력 다이오드 레이저 등과 같이 레이저빔의 조사로 인하여 금속 시편의 표면에 용융 풀을 만들 수 있는 어떠한 파장의 레이저도 사용 가능하다. 상기 레이저 발생장치(401)로부터 나온 레이저빔은 빔 전송장치(405)를 통해 빔 집광장치(406)로 전달되는데, Nd-YAG 등과 같은 레이저를 사용할 경우에는 광섬유(Optical Fiber)를 사용하여 레이저빔을 전송할 수도 있다.Although the laser generator 401 is preferably an industrial CO ₂ laser, lasers of any wavelength capable of forming a molten pool on the surface of the metal specimen due to the irradiation of the laser beam, such as Nd-YAG, high power diode laser, etc., may be used. . The laser beam from the laser generator 401 is transmitted to the beam concentrator 406 through the beam transmitter 405. When a laser such as Nd-YAG is used, the laser beam is used by using an optical fiber. Can also be transmitted.

빔 집광장치(406)는 렌즈나 미러(Mirror) 등의 광학부품을 조합하여, 레이저 클래딩에 적합하도록 레이저빔을 집광하는 역할을 수행하고, 그 아래쪽에는 클래딩 소재를 공급하기 위한 클래딩 소재 공급장치(404), 바람직하게는 분말 공급장치(Powder-feeding System)(404)로부터 이송된 분말을 용융 풀에 공급하는 원심형 분말 공급노즐(Concentric Powder-feeding Nozzle)(414)이 장착되어 있다.The beam concentrator 406 combines an optical component such as a lens or a mirror to condense the laser beam so as to be suitable for laser cladding, and a cladding material supply device for supplying a cladding material below the beam concentrator. 404, preferably a Concentric Powder-feeding Nozzle 414, which feeds the powder conveyed from the Powder-feeding System 404 to the melt pool.

또한, 클래딩 소재는 분말형태가 바람직하지만, 와이어(Wire) 또는 막대(Rod) 또는 리본(Ribbon) 형태로도 사용할 수 있다. 분말형태의 클래딩 소재를 사용할 경우에도 레이저빔을 기준으로 분말공급 방향에 따라 측면 분말 공급방식(Lateral Powder-feeding)과 원심형 분말 공급방식(Concentric Powder-feeding)으로 구별된다.In addition, the cladding material is preferably in the form of a powder, but may also be used in the form of a wire, a rod, or a ribbon. Even in the case of using the powder type cladding material, it is classified into Lateral Powder-feeding and Centrifugal Powder-feeding according to the powder supply direction based on the laser beam.

상기 원심형 분말 공급방식은 레이저빔을 중심으로 모든 방향으로부터 균일하게 금속 분말을 용융 풀에 공급하기 때문에 공구경로에 대한 제약이 없고, 레이저 직접 금속 조형기술에 적용하기에 적합하다.Since the centrifugal powder supplying method supplies metal powder uniformly from all directions with respect to the laser beam, there is no restriction on the tool path and is suitable for applying to the laser direct metal molding technology.

반면에, 상기 측면 분말 공급방식은 레이저빔을 기준으로 측면의 어느 한 방향으로부터 금속 분말을 용융 풀에 공급하는 방법으로, 노즐의 설계방식에 따라 분말의 손실률을 최대 5%까지 줄일 수 있고, 1mm이상의 비교적 두터운 클래딩 비드를 합성하는데 적합하다. 그러나, 클래딩 방향(시편 또는 레이저빔의 이송방향)에 따라 비드의 형태와 높이가 변화하는 이방성이 존재하기 때문에 조형과정에서 사용하는 공구경로에 큰 제약을 받는다는 문제가 있다.On the other hand, the side powder supply method is a method for supplying the metal powder to the molten pool from any one side of the side with respect to the laser beam, depending on the design of the nozzle can reduce the loss rate of the powder up to 5%, 1mm It is suitable for synthesizing the relatively thick cladding beads described above. However, since there is anisotropy in which the shape and height of the beads vary depending on the cladding direction (the specimen or laser beam transfer direction), there is a problem that the tool path used in the molding process is greatly restricted.

또한, 이송 시스템(Work Table)(402)은, z축 상에 빔 집광장치(406)를 설치하여 조형과정에서 레이저빔의 초점거리를 항상 일정하게 유지하고, 시편을 x-y축 테이블에 고정한 다음에 레이저빔을 중심으로 공구경로에 따라 시편을 자유로이 이송시켜 레이저 클래딩이 수행되도록 한다.In addition, the work table 402 installs a beam concentrator 406 on the z-axis to maintain a constant focal length of the laser beam at all times during the molding process, and to fix the specimen to the xy-axis table. The laser cladding is performed by freely transferring the specimen along the tool path around the laser beam.

레이저 직접 금속 조형기술과 일반 레이저 클래딩 공정에서는 상기 이송 시스템(402) 뿐만 아니라, 고정된 시편을 중심으로 레이저빔을 이송시키거나, 또는 레이저빔과 시편 동시에 이송시킬 수 있는 이송 시스템을 적용할 수 있다. 그리고 가공의 자유도를 향상시키기 위하여 3축 이상의 이송 시스템 또는 로봇의 적용도 가능하다.In the laser direct metal forming technique and the general laser cladding process, not only the transfer system 402 but also a transfer system capable of transferring a laser beam around a fixed specimen or simultaneously transferring the laser beam and the specimen may be applied. . In addition, it is possible to apply a three-axis or more transfer system or robot to improve the degree of freedom of machining.

가스 제어시스템(412)은 레이저 클래딩에 사용되는 각종의 가스(413)를 제어하는 기능을 수행한다. 미설명 부호 (410)는 냉각장치이고, (411)는 실외기 장치이다.The gas control system 412 controls the various gases 413 used for the laser cladding. Reference numeral 410 denotes a cooling device, and 411 denotes an outdoor unit device.

제어시스템(403)은 PC－NC(퍼스널 컴퓨터－수치 제어시스템)와 각종 입출력장치로 이루어져 있고, 레이저 발생장치(401), 이송 시스템(402), 클래딩 소재 공급장치(404), 가스 제어시스템(412) 및 냉각장치(410) 등이 포함되며, 본 발명의 레이저 직접 금속 조형 시스템을 구성하고 있는 모든 장치를 제어하고, 실시간을 통해 각 장치의 상태를 모니터링하는 기능을 포함하고 있다.The control system 403 is composed of a PC-NC (Personal Computer-Numerical Control System) and various input / output devices, and includes a laser generator 401, a transfer system 402, a cladding material supply device 404, and a gas control system ( 412 and the cooling device 410, and includes a function for controlling all the devices constituting the laser direct metal molding system of the present invention, and monitor the status of each device in real time.

특히 제어시스템(403)은 CAD/CAM 장치(409)로부터 조형정보를 받아 레이저 클래딩 작업을 수행하고, 이미지 프로세싱장치(408)로부터 실시간으로 용융 풀의 높이에 대한 정보를 받아 클래딩 층의 높이가 목표 값에 도달하도록 클래딩 공정변수를 실시간으로 제어하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 또한, 제어시스템은 PC－NC를 대신하여 일반적인 NC 시스템을 적용하여 구성할 수도 있다.In particular, the control system 403 receives the molding information from the CAD / CAM device 409 to perform the laser cladding operation, and receives the information about the height of the molten pool in real time from the image processing apparatus 408 to set the height of the cladding layer. It plays an important role in controlling the cladding process variables in real time to reach the value. In addition, the control system may be configured by applying a general NC system in place of the PC-NC.

도 5는 원심형 분말 공급노즐(414)과 이미지 촬영장치(407)가 구성된 영역을 확대하여 나타낸 개략도로, 보다 간결하게 나타내기 위하여 레이저빔(202)과 용융 풀(203)로 공급되는 분말의 흐름(Powder Stream)(204)에 대해서는 생략하였다.FIG. 5 is an enlarged schematic view showing an area in which the centrifugal powder supply nozzle 414 and the image photographing apparatus 407 are configured, and the powder supplied to the laser beam 202 and the melting pool 203 for the sake of brevity. It is omitted for the Powder Stream 204.

도 2에서와 같이, 레이저 클래딩 공정에서 용융 풀(203)은 항상 금속 시편(200) 또는 레이저빔의 이송과 무관하게 레이저빔(202)이 조사되는 시편 표면(201)의 국부적인 영역에서 형성된다. 따라서, 도 5와 같이, 이미지 촬영장치(407)를 레이저빔의 광축 방향(501)과 소정의 각도(90°－θ°)를 이루고, 이미지 촬영장치(407)의 광축(502)이 시편 표면(201)에서 레이저빔이 조사되는 영역을 통과하도록 설치함으로써, 금속 시편(200) 또는 레이저빔의 이송에 무관하게 용융 풀의 영상(예로, 높이 변화)을 촬영할 수 있다.As shown in FIG. 2, in the laser cladding process, the melt pool 203 is always formed in the local region of the specimen surface 201 to which the laser beam 202 is irradiated, irrespective of the transport of the metal specimen 200 or the laser beam. . Accordingly, as shown in FIG. 5, the image pickup device 407 forms a predetermined angle (90 ° -θ °) with the optical axis direction 501 of the laser beam, and the optical axis 502 of the image pickup device 407 is the specimen surface. By installing the laser beam through the area irradiated at 201, an image (eg, a height change) of the molten pool may be captured regardless of the metal specimen 200 or the laser beam.

도 6은 이미지 촬영장치(407)를 확대하여 나타낸 세부 구성도로, ND 필터(Neutral Density Filter)(603), 필터 설치용 치구(604), 렌즈(602) 및 고속의CCD 카메라(601)로 구성되어 있다.FIG. 6 is a detailed configuration diagram showing an enlarged image photographing apparatus 407. An ND filter 603, a filter mounting jig 604, a lens 602, and a high-speed CCD camera 601 are shown. have.

ND 필터(603)는 용융 풀(203)로부터 반사되어 입사되는 빛의 양을 감쇠시키고, 레이저 클래딩 과정에서 발생하는 스퍼터(Sputter)로부터 렌즈를 보호하기 위한 것으로, 렌즈(602)의 전방, 즉 필터 설치용 치구(604)의 내측에 장착된다. 그리고 상기 필터 설치용 치구(604)의 외주에는 용융 풀(203)로부터 방출되는 복사열로부터 ND 필터(603) 및 렌즈(602)의 손상을 방지하기 위하여 냉각수가 공급되는 냉각 라인(605)이 설치되어 있다.The ND filter 603 attenuates the amount of light reflected from the melt pool 203 and protects the lens from sputters generated during the laser cladding process. It is mounted inside the mounting jig 604. A cooling line 605 is provided on the outer circumference of the filter mounting jig 604 in which cooling water is supplied to prevent damage to the ND filter 603 and the lens 602 from radiant heat emitted from the melt pool 203. .

렌즈(602)는 용융 풀(203)의 이미지를 CCD 카메라(601)로 전달하기 위한 것으로, 일반적인 카메라의 렌즈를 적용할 수도 있지만, 본 발명에서는 용융 풀(203)의 영상에 대한 왜곡현상을 최소화하기 위하여 고정 배율을 갖는 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)를 적용하였다.The lens 602 is for transferring the image of the melt pool 203 to the CCD camera 601. Although the lens of the general camera may be applied, the present invention minimizes distortion of the image of the melt pool 203. In order to apply a telecentric lens having a fixed magnification.

본 발명에서는 실시간으로 용융 풀(203)의 영상을 얻기 위하여, 프로그레시브 스캔 모드(Progressive Scan Mode)에서 1초당 50프레임(Frames)의 영상을 획득할 수 있는 고속의 흑백 CCD 카메라(601)를 사용하였다. 이 CCD 카메라(601)는 용융 풀(203)의 영상을 매 20msec에 한 번씩 획득하여 영상 정보를 이미지 프로세싱장치(408)에 전송하고, 더욱 고속으로 용융 풀(203)의 영상을 획득하기 위하여 150frames/sec 이상의 고속 CCD 카메라를 적용하는 것도 바람직하다.In the present invention, in order to obtain an image of the molten pool 203 in real time, a high-speed black and white CCD camera 601 capable of acquiring an image of 50 frames per second in a progressive scan mode is used. . The CCD camera 601 acquires an image of the melt pool 203 once every 20 msec, transmits the image information to the image processing device 408, and 150 frames to obtain an image of the melt pool 203 at a higher speed. It is also preferable to apply a high-speed CCD camera of / sec or more.

이미지 촬영장치(407)는 매 20msec에 한 번씩 용융 풀(203)의 이미지 정보를 이미지 프로세싱장치(408)에 전송하게 되고, 이미지 프로세싱 기술을 이용하여 용융 풀의 물리적 위치 및 높이를 산출하며, 산출된 데이터를 실시간으로제어시스템(403)으로 다시 전송한다.The image capturing apparatus 407 transmits the image information of the molten pool 203 to the image processing apparatus 408 once every 20 msec, and calculates the physical position and height of the molten pool using an image processing technique. The data is transmitted back to the control system 403 in real time.

이미지 프로세싱장치(408)는 영상처리 전용 보드인 프레임 그래버(Frame Grabber)와 입출력장치가 설치된 퍼스널 컴퓨터(PC)로 구성되고, 이미지 프로세싱(용융 풀의 높이 계산)을 위한 소프트웨어는 비주얼 C++ 프로그램을 이용하여 프로그래밍 하였다.The image processing apparatus 408 is composed of a frame grabber, a board dedicated to image processing, and a personal computer (PC) equipped with an input / output device. The software for image processing (calculation of the height of the melting pool) uses a visual C ++ program. Was programmed.

상기 소프트웨어가 이미지 촬영장치(407)로부터 한 개의 이미지 정보를 받아 용융 풀의 위치 및 높이를 연산하는 데는 최대 5msec가 소요되고, 디지털신호 처리장치(Digital Signal Processor; DSP)를 갖고 있는 프레임 그래버를 사용할 경우에는 연산 처리속도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 소프트웨어는 이미지 촬영장치(407)로부터 전송받은 영상신호를 실시간으로 모니터에 디스플레이 되도록 함으로써, 레이저 클래딩(또는 레이저 직접 금속조형) 공정에서 용융 풀을 실시간으로 관찰할 수 있도록 하였다.It takes up to 5 msec for the software to calculate the position and height of the molten pool by receiving one piece of image information from the image capturing device 407 and use a frame grabber having a digital signal processor (DSP). In this case, the processing speed can be greatly improved. In addition, the software allows the image signal received from the image capturing apparatus 407 to be displayed on a monitor in real time, so that the molten pool can be observed in real time in a laser cladding (or laser direct metal molding) process.

이와 같은 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 용융 풀의 이미지로부터 용융 풀의 위치 및 높이를 측정하는 원리를 설명한다.The principle of measuring the position and height of the melt pool from the image of the melt pool using this image processing method is described.

도 2와 도 5를 참조하면, 레이저 클래딩 공정에서는 레이저빔(202)이 이동하는 경로를 따라 용융 풀(203)의 뒤쪽에 일정 높이를 갖는 클래딩 층이 형성된다. 또한, 레이저빔의 조사로 인하여 시편 표면(201)에 형성되는 용융 풀(203)은 시편 표면(201)으로부터 소정 각도로 기울어져 있다. 그리고 용융 풀(203)의 모양은 집광된 레이저빔(202)의 빔 모드와 단면 형태에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나, 통상적인 레이저 클래딩에서는 용융 풀(203)의 모양이 원형이라고 가정할 수 있다.2 and 5, in the laser cladding process, a cladding layer having a predetermined height is formed at the rear of the melt pool 203 along a path along which the laser beam 202 moves. In addition, the molten pool 203 formed on the specimen surface 201 due to the irradiation of the laser beam is inclined at an angle from the specimen surface 201. The shape of the melt pool 203 may vary slightly depending on the beam mode and the cross-sectional shape of the focused laser beam 202. However, in the conventional laser cladding, the shape of the melt pool 203 may be assumed to be circular. .

더욱이 도 7(A)은 레이저 클래딩 공정에서 레이저빔의 광축 방향에서 관찰한 용융 풀을 도시한 것이다. 도 5에서, 이미지 촬영장치(407)는 측면에서 시편 표면(201)으로부터 θ°만큼 기울어진 상태에서 용융 풀(203)을 촬영한다.Furthermore, Fig. 7A shows the melt pool observed in the optical axis direction of the laser beam in the laser cladding process. In FIG. 5, the imaging device 407 photographs the melt pool 203 in a state inclined by θ ° from the specimen surface 201 at the side.

상기 용융 풀(203)이 이미지 촬영장치(407)를 향하고 있는 경우에는 용융 풀(203)은 도 7의 개략도와 같이, CCD 카메라의 이미지 플레인(Image Plane)(701)에 영상이 맺히고, 원형의 용융 풀(203)은 광 경로 차이로 인하여 도 7(B)의 이미지와 같이, 클래딩 방향 및 이송방향과 평행한 축(b')이 다소 짧은 타원의 형태로 모니터링 된다.When the melt pool 203 faces the image pickup device 407, the melt pool 203 forms an image on the image plane 701 of the CCD camera, as shown in the schematic diagram of FIG. The melt pool 203 is monitored in the form of an ellipse with a shorter axis b 'parallel to the cladding direction and the conveying direction, as shown in the image of FIG.

더욱 정확하게 설명하면, 도 8의 개략도와 같이, 용융 풀(203)이 CCD 카메라의 뷰 필드 플레인(View Field Plane)(702) 상에 놓여져 있지 않기 때문에, 실제 CCD 카메라의 이미지 플레인(Image Plane)(701) 상에 맺히는 용융 풀의 이미지는 이미지 촬영장치(407)의 광축(502)을 기준으로 b₁ ^'과 b₂ ^'의 길이가 다소 차이를 갖게 된다. 그러나 이러한 차이는 매우 미미하기 때문에 이미지 프로세싱 과정에서 이를 무시하였다. 실제로 용융 풀의 크기를 1mm라고 가정했을 때, 본 발명에서 사용한 이미지 촬영장치(407)에서 관찰되는 길이의 차이(b₁ ^'－ b₂ ^')는 대략 2μm (2/1,000mm)으로 매우 작은 값을 갖는다.More precisely, since the melt pool 203 is not placed on the view field plane 702 of the CCD camera, as shown in the schematic diagram of Fig. 8, the image plane of the actual CCD camera ( The image of the molten pool formed on the 701 has a slightly different length between b ₁ ^′ and b ₂ ^′ based on the optical axis 502 of the image photographing apparatus 407. However, this difference is so small that it was ignored during image processing. Assuming that the size of the melt pool is actually 1 mm, the difference in length (b ₁ ^' -b ₂ ^' ) observed in the image photographing apparatus 407 used in the present invention is a very small value of approximately 2 μm (2 / 1,000 mm). Has

그리고 용융 풀(203)의 이미지는 시편(또는 레이저빔)의 이송방향에 따라 서로 다른 형태로 관찰된다.And the image of the melt pool 203 is observed in different forms depending on the conveying direction of the specimen (or laser beam).

도 9는 시편(또는 레이저빔) 이송방향에 따른 용융 풀 이미지의 변화를 나타낸 것이다. 이러한 차이는 도 5와 같이, 이미지 촬영장치(407)가 측면의 한 방향에서 용융 풀(203)을 모니터링하고, 시편(또는 레이저빔)의 이송방향에 따라 용융 풀(203)이 이미지 촬영장치(407)에 대하여 서로 다른 방향을 향하기 때문이다. 더욱이 도 9(A)는 용융 풀(203)이 이미지 촬영장치(407)의 광축(502)을 향할 때에 관찰되는 용융 풀의 이미지로써 수직방향으로 비교적 두터운 타원 형태로 모니터링 되고, 도 9(B)는 용융 풀(203)이 이미지 촬영장치(407)의 광축(502)을 등지고 있을 경우에 관찰되는 용융 풀의 이미지로써 수직방향으로 비교적 얇은 타원 형태로 모니터링된다. 또한, 도 9(C)와 도 9(D)는 이미지 촬영장치(407)의 광축(502)에 수직한 방향으로 시편(또는 레이저빔)이 이송될 때에 관찰되는 용융 풀의 이미지를 나타낸 것으로, 용융 풀(203)은 수직으로부터 좌측 또는 우측으로 기울어진 비교적 얇은 타원 형태로 모니터링 된다.9 shows a change in the melt pool image according to the specimen (or laser beam) transfer direction. 5, the image pickup device 407 monitors the melt pool 203 in one direction of the side surface, and the melt pool 203 is connected to the image pickup device according to the conveying direction of the specimen (or laser beam). This is because they face different directions with respect to 407. Furthermore, FIG. 9 (A) is an image of the molten pool observed when the molten pool 203 faces the optical axis 502 of the image pickup device 407, and is monitored in a relatively thick ellipse in the vertical direction, and FIG. 9 (B). Is an image of the molten pool observed when the molten pool 203 is facing the optical axis 502 of the image pickup device 407, and is monitored in a relatively thin ellipse in the vertical direction. 9 (C) and 9 (D) show images of the molten pool observed when the specimen (or laser beam) is transferred in a direction perpendicular to the optical axis 502 of the image photographing apparatus 407. The melt pool 203 is monitored in the form of a relatively thin ellipse inclined from vertical to left or right.

이와 같이 시편(또는 레이저빔)의 이송방향에 따라 용융 풀(203)의 이미지가 각각 다르게 관찰되는 것은 이미 설치된 1개의 이미지 촬영장치(407)와는 별도로 1개 이상의 이미지 촬영장치를 부가적으로 설치함으로써 해결할 수 있으나, 용융 풀(203)의 높이 측정에서는 1개의 이미지 촬영장치로도 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다.As described above, the images of the molten pool 203 are observed differently according to the conveying direction of the specimen (or laser beam) by additionally installing one or more image photographing apparatuses separately from one image photographing apparatus 407 already installed. However, in the height measurement of the melt pool 203, a satisfactory result can be obtained even with one image photographing apparatus.

상기 용융 풀(203)은 이미지 촬영장치(407)를 통하여 도 9에 도시된 바와 같이, 소정의 영역을 갖는 이미지로 모니터링 된다. 이러한 이미지 정보를 갖고 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 용융 풀의 높이를 얻기 위해서는 우선 각 이미지에서 용융 풀의 높이를 대표하는 화소(Pixel)를 결정해야 한다.The melt pool 203 is monitored as an image having a predetermined area as shown in FIG. 9 through the image capturing apparatus 407. In order to obtain the height of the molten pool with such image information and by using an image processing method, it is necessary to first determine a pixel representing the height of the molten pool in each image.

본 발명에서는 이미지 촬영장치(407)를 통해 얻어진 이미지의 무게 중심을 구하고, 이것에 해당하는 화소, 특히 화소의 가로 열을 용융 풀의 높이로 결정하였다. 이 방법뿐만 아니라, 용융 풀의 이미지를 표현하는 가장 긴 가로 열에 해당하는 화소를 용융 풀의 높이로 선택하거나 또는 용융 풀이 원형을 하고 있다는 가정 아래에서 실제 용융 풀의 원 중심점을 구하고, 이미지에서 이에 해당하는 화소를 결정하는 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.In the present invention, the center of gravity of the image obtained through the image capturing apparatus 407 is obtained, and the horizontal columns of the pixels corresponding to this, in particular the pixels, are determined as the height of the melt pool. In addition to this method, the pixel corresponding to the longest horizontal column representing the image of the melt pool is selected as the height of the melt pool or the circle center point of the actual melt pool is assumed under the assumption that the melt pool is circular, and the image corresponds to this. Various methods such as determining the pixel to be used can be used.

도 10은 용융 풀의 높이 변화에 따라 용융 풀의 이미지가 어떻게 모니터링 되는 가를 보여주는 개략도로, 용융 풀의 높이 변화로 인해 용융 풀의 이미지는 모니터(또는 CCD 카메라의 이미지 플레인(701))에서 서로 다른 위치에서 관찰된다.10 is a schematic showing how the image of the melt pool is monitored as the height of the melt pool changes, so that the image of the melt pool due to the height change of the melt pool is different on the monitor (or image plane 701 of the CCD camera). Observed at the location.

따라서, 용융 풀의 이미지에서 어떤 1개의 화소에 대한 실제 물리적인 높이(절대 높이)와 1개의 화소 당 실제 높이의 변화 값을 알면, 용융 풀의 이미지로부터 실제 물리적인 높이를 연산할 수 있다. 본 발명에서는 클래딩 층의 높이를 알고 있는 표준 시편을 이용하여 상기의 값을 보정해 주었으며, 이미지 프로세싱을 담당하는 소프트웨어에 별도의 보정용 모듈을 프로그래밍하여 사용하였다.Thus, knowing the actual physical height (absolute height) for one pixel in the image of the melt pool and the change in the actual height per pixel, the actual physical height can be calculated from the image of the melt pool. In the present invention, the above values are corrected by using a standard specimen which knows the height of the cladding layer, and a separate calibration module is programmed and used in software for image processing.

이미지 프로세싱장치(408)는 상기 원리를 이용하여 용융 풀의 위치 및 높이를 연산하고, 그 값을 아스키(ASCII) 데이터 형태로 실시간으로 제어시스템(403)으로 전송한다. 제어시스템(403)은 CAD/CAM 장치(409)로부터 받은 단면 조형정보와 이미지 프로세싱장치(408)로부터 실시간으로 받은 용융 풀의 높이 데이터를 기초로 하여 레이저 클래딩 과정에서 2차원 단면정보에 해당하는 형태와 두께(높이)를 갖는 클래딩 층이 형성되도록 공정변수를 실시간으로 제어한다.The image processing apparatus 408 uses the above principles to calculate the position and height of the melt pool and send the values to the control system 403 in real time in the form of ASCII data. The control system 403 corresponds to the two-dimensional cross-sectional information in the laser cladding process based on the cross-sectional molding information received from the CAD / CAM device 409 and the height data of the melt pool received in real time from the image processing apparatus 408. Process variables are controlled in real time to form a cladding layer with a thickness and height (height).

클래딩 층의 높이에 영향을 주는 공정변수는 레이저 출력(Laser Power), 레이저빔의 크기 및 모드, 시편(또는 레이저빔)의 이송속도(또는 상호작용 시간(Interaction Time)), 분말공급량(Powder Flow Rate) 등이 있고, 이 중에서 특히 레이저 출력이 가장 큰 영향을 준다.Process variables affecting the height of the cladding layer are laser power, the size and mode of the laser beam, the feed rate (or interaction time) of the specimen (or laser beam), and the powder flow. Rate), among which laser power has the greatest influence.

레이저 클래딩 층의 높이(H)는, 도 11(A)에서, 레이저 출력(P)이 증가함에 따라 선형적으로 높아지는 비례관계를 갖는다. 이러한 관계를 응용하면, 레이저 출력의 실시간 제어를 통해 클래딩 층의 높이를 자유롭게 조절하는 것이 가능하다. 이때, 레이저 출력의 제어는 PID(Properation－Integral－Derivative; 비례－적분－미분) 제어(Katsuhiko Ogata 저, Modern Control Engineering, Prentice-Hall, 1990, pp. 592-605), 퍼지(Fuzzy) 제어(변증남 저, 퍼지논리제어, 홍릉과학출판사, 1997년) 등의 다양한 제어방식을 응용할 수 있으나, 본 발명에서는, 도 11에서와 같이, 비교적 간단한 방식을 채택하였다.The height H of the laser cladding layer has a proportional relationship that increases linearly as the laser output P increases in FIG. 11A. Applying this relationship, it is possible to freely adjust the height of the cladding layer through real-time control of the laser power. At this time, the control of the laser output is PID (Properation-Integral-Derivative) control (Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering, Prentice-Hall, 1990, pp. 592-605), fuzzy control ( Although various control methods such as fuzzy logic control, Hongneung Science Publishing Co., Ltd., etc. can be applied, the present invention adopts a relatively simple method as shown in FIG.

상기 제어방식은 도 11(B)에서, 용융 풀의 높이(H)가 클래딩 층의 목표 값(목표 높이) H_t보다 작을 경우에는 정상 레이저 출력보다 (P-P_t) 만큼 큰 레이저 출력이 시편에 조사되도록 하고, 반면에 용융 풀의 높이(H)가 H_t보다 클 경우에는 레이저 출력을 정상출력보다 (P-P_t) 만큼 작게 조사시킴으로써 용융 풀의 높이가 항상 클래딩 층의 목표 값에 도달하도록 하는 제어방법이다.In the control method of FIG. 11 (B), when the height H of the melt pool is smaller than the target value (target height) H _t of the cladding layer, the laser power larger than the normal laser power (PP _t ) is irradiated onto the specimen. On the other hand, if the height (H) of the melt pool is greater than H _t , the control method is such that the height of the melt pool always reaches the target value of the cladding layer by irradiating the laser power by (PP _t ) less than the normal power. to be.

실제 레이저 출력의 제어에서는 도 11(C)에서, 용융 풀의 높이를 일정한 범위로 그룹을 만들어 레이저 출력을 제어하였고, 클래딩 층의 높이 제어를 성공적으로 할 수 있었다. 본 발명에서는 레이저 출력을 제어변수로 제어하였지만, 분말공급량과 시편(또는 레이저빔)의 이송속도 등의 다른 공정변수도 유사한 방식을 통해 실시간으로 제어하는 것이 가능하다.In the control of the actual laser power, in FIG. 11C, the height of the melt pool was grouped to a certain range to control the laser power, and the height control of the cladding layer was successfully performed. In the present invention, the laser power is controlled as a control variable, but other process variables such as the powder supply amount and the feed rate of the specimen (or laser beam) can be controlled in real time in a similar manner.

일반적으로 분말공급량이 증가함에 따라 레이저 클래딩 층의 높이는 증가한다. 따라서 레이저 출력에서와 같이, 용융 풀의 높이가 클래딩 층의 목표 높이 값보다 적을 경우에 분말공급량을 증가시키고, 반대로 용융 풀의 높이가 클 경우 분말 공급량을 줄이거나 공급을 중단함으로써 레이저 클래딩 층의 높이 제어가 가능하다. 시편(또는 레이저빔)의 이송속도는 레이저 출력 또는 분말공급량과 달리, 시편(또는 레이저빔)의 이송속도가 증가함에 따라 클래딩 층의 높이는 감소하고, 이송속도를 줄이면 클래딩 층의 높이가 증가하는 현상이 있다. 따라서, 용융 풀의 높이가 클 경우에 시편(또는 레이저 빔)의 이송속도를 높여 형성되는 클래딩 층의 높이를 줄여주고, 반대로 용융 풀의 높이가 낮을 경우 시편(또는 레이저빔)의 이송속도를 줄여 클래딩 층의 높이가 목표 값에 도달되도록 제어할 수 있다.In general, as the powder feed rate increases, the height of the laser cladding layer increases. Therefore, as in the laser output, the powder supply is increased when the height of the melt pool is less than the target height value of the cladding layer, and on the contrary, when the height of the melt pool is large, the powder supply volume is reduced or the supply is interrupted to stop the supply Control is possible. Unlike the laser output or powder supply, the feed rate of the specimen (or laser beam) decreases the height of the cladding layer as the feed rate of the specimen (or laser beam) increases, and increases the height of the cladding layer as the feed rate decreases. There is this. Therefore, when the height of the melt pool is large, the conveying speed of the specimen (or laser beam) is increased to reduce the height of the cladding layer formed. On the contrary, when the height of the melt pool is low, the conveying speed of the specimen (or laser beam) is reduced. The height of the cladding layer can be controlled to reach a target value.

대부분의 레이저는 0V ∼ 10V(또는 12V) 사이의 아날로그 전압신호(Analog Voltage Signal)를 통해 제어된다. 예를 들어, 0V는 레이저 출력이 0인 상태가 되고, 10V의 아날로그 전압신호가 입력되었을 때는 최대 출력이 발진된다. 그리고 레이저가 0V ∼ 10V 사이의 아날로그 전압신호를 받으면 0에서 최대출력 사이의 아날로그 값에 해당하는 레이저 출력이 발진된다. 대부분의 레이저에서는 아날로그 전압신호에 대한 응답속도(Response Time)가 대략 1msec(1/1,000초)이하이고, 본 발명에서 사용된 CO₂레이저 발생장치(401)의 경우에는 응답속도가 약 60μsec(60/1,000,000초)이다. 제어시스템(403)은 －10V ∼ ＋10V 사이의 아날로그 전압신호를 16비트의 디지털 신호로 처리하도록 설계하였고, 이는 레이저 발생장치(401)로 입력되는 0V 에서 10V의 아날로그 전압신호를 32,768단계로 나누어 처리하는 효과를 갖는다.Most lasers are controlled by analog voltage signals between 0V and 10V (or 12V). For example, 0V is in a state where the laser output is 0, and the maximum output is oscillated when an analog voltage signal of 10V is input. When the laser receives the analog voltage signal between 0V and 10V, the laser output corresponding to the analog value between 0 and the maximum output is oscillated. In most lasers, the response time for an analog voltage signal is approximately 1 msec (1 / 1,000 second) or less, and in the case of the CO ₂ laser generator 401 used in the present invention, the response time is about 60 μsec (60). / 1,000,000 seconds). The control system 403 is designed to process the analog voltage signal between -10V and + 10V as a 16-bit digital signal, which divides the analog voltage signal of 10V from 10V input into the laser generator 401 into 32,768 steps. Has the effect.

제어시스템(403)은 이미지 프로세싱장치(408)로부터 20msec에 한 번씩 용융 풀의 높이에 대한 데이터를 받고, 이 값을 CAD/CAM 장치(409)로부터 전송받은 조형정보와 비교한 다음에 용융 풀의 높이가 목표 값에 도달하기 위하여 필요한 레이저 출력 값을 결정하게 된다. 이와 같이 결정된 값은 디지털 데이터이기 때문에 D/A 컨버터를 거쳐 아날로그 신호로 변환된 다음에 레이저 발생장치(401)로 입력된다.The control system 403 receives data about the height of the melt pool once every 20 msec from the image processing apparatus 408, compares this value with the modeling information transmitted from the CAD / CAM device 409, and then Determine the laser power value needed for the height to reach the target value. Since the determined value is digital data, it is converted into an analog signal through a D / A converter and then input to the laser generator 401.

레이저 발생장치(401)는 입력된 아날로그 전압신호에 해당하는 소정 크기의 레이저 출력을 발진하도록 설계되어 있다. 그러나 동일한 아날로그 전압신호를 레이저 발생장치에 입력하더라도, 레이저 가스, 냉각정도, 레이저 공진기의 오염도, 진공도, 각종 광학부품(예로, Rear Mirror와 Output Coupler)의 상태 및 레이저 발진기의 상태에 따라 레이저 출력이 다소 변할 수 있다.The laser generator 401 is designed to oscillate a laser output of a predetermined size corresponding to the input analog voltage signal. However, even if the same analog voltage signal is input to the laser generator, the laser output depends on the laser gas, cooling degree, contamination of the laser resonator, vacuum degree, various optical components (for example, rear mirror and output coupler), and laser oscillator. It may change somewhat.

따라서, 본 발명에서는 레이저의 상태와 무관하게 항상 원하는 레이저 출력을 얻을 수 있는 레이저 출력 보정방법을 개발 및 적용하였다. 이 방법은 레이저 발생장치(401)와 제어시스템(403) 사이에 폐회로(Closed Loop)를 구성하고, PID 제어방식을 이용하여 레이저 클래딩 또는 레이저 직접 금속 조형 공정 직전에 제어시스템(403)이 원하는 레이저 출력을 얻을 수 있는 아날로그 신호 값을 미리 결정하는 것이다.Therefore, the present invention has developed and applied a laser output correction method that can always obtain the desired laser output irrespective of the state of the laser. In this method, a closed loop is formed between the laser generator 401 and the control system 403, and a laser desired by the control system 403 immediately before the laser cladding or laser direct metal forming process using a PID control method. The value of the analog signal from which the output can be obtained is determined in advance.

보정과정에서 원하는 레이저 출력이 목표 값이 되고, 미리 입력된 PID 값에 따라 0V∼10V에 해당하는 32,768단계의 디지털 값을 변화시켜 레이저로부터 피드백되는 레이저 출력 값이 목표 값에 도달시킬 수 있는 디지털 신호 값(이 값은 DA 컨버터를 통해 아날로그 신호로 변환되어 레이저 발생장치에 입력된다)을 결정한다. 레이저 클래딩 또는 레이저 직접 금속 조형에서 사용하는 레이저 출력 값이 10개인 경우에 각각의 레이저 출력을 얻을 수 있는 디지털 신호를 상기의 방법으로 결정하게 된다.In the process of calibration, the desired laser output becomes the target value, and the digital signal that the laser output value fed back from the laser can reach the target value by changing the digital value of 32,768 steps corresponding to 0V to 10V according to the previously input PID value. The value (this value is converted into an analog signal through the DA converter and input into the laser generator). In the case of 10 laser output values used in laser cladding or laser direct metal molding, a digital signal for obtaining each laser output is determined by the above method.

제어시스템(403)은 항상 보정된 아날로그 신호 값을 사용하여 레이저 출력을 제어하기 때문에 레이저 클래딩 또는 레이저 직접 금속조형 과정에서 레이저의 상태에 전혀 영향을 받지 않게 된다.The control system 403 always uses the corrected analog signal values to control the laser output so that the laser system is not affected at all in the laser cladding or laser direct metal forming process.

다음의 응용 사례는 본 발명의 방법 및 시스템에 의하여 완성된 레이저 직접 금속 조형기술을 이용하여 제작한 샘플에 관한 것이다.The following application examples relate to samples fabricated using laser direct metal sculpting techniques completed by the method and system of the present invention.

(응용예 1)(Application Example 1)

도 12는 본 발명의 방법 및 시스템으로 제작된 단순한 형태의 조형물을 나타낸 사진이다. 제작에 사용된 기판은 스테인리스 강(SUS 316)이고, 클래딩 소재는 열간 공구강인 H-13 공구강(SKD 61)으로, 주로 사출성형 금형의 소재로 사용되는 합금이다. 본 발명에서 제시된 방법에 의하여 100%의 치밀한 미세 조직을 얻었으며, 기계적 특성도 단조 재질(Wrought Materials)과 유사하거나 더 우수하였다.12 is a photograph showing a simple form of sculpture made with the method and system of the present invention. The substrate used for the fabrication is stainless steel (SUS 316), and the cladding material is H-13 tool steel (SKD 61), which is a hot tool steel, and is an alloy mainly used as a material for injection molding molds. By the method presented in the present invention, 100% of the dense microstructure was obtained, and the mechanical properties were similar to or better than those of the Wrought Materials.

(응용예 2)(Application Example 2)

도 13은 본 발명의 방법 및 시스템으로 제작된 휴대폰 금형을 나타낸 사진이다. 응용예 2에서는 3차원 CAD 데이터를 이용하여 두께 250μm으로 자르고(Slicing), 이를 조형정보로 사용하였다. 이때, 레이저빔의 크기는 0.8mm이고, 레이저 클래딩 속도는 0.85m/min이다. 사용된 기판은 스테인리스 강(SUS 316)이고, 클래딩 소재는 H-13 공구강이다. 그리고 금형의 제작을 위한 레이저 가공시간은 15시간 37분이 소요되었다.13 is a photograph showing a mobile phone mold manufactured by the method and system of the present invention. In Application Example 2, the film was cut to a thickness of 250 μm using 3D CAD data (Slicing), and used as modeling information. At this time, the size of the laser beam is 0.8mm, the laser cladding speed is 0.85m / min. The substrate used is stainless steel (SUS 316) and the cladding material is H-13 tool steel. And the laser processing time for the manufacture of the mold took 15 hours 37 minutes.

(응용예 3)(Application Example 3)

도 14는 레이저 직접 금속 조형기술로 제작된 임펠러를 나타낸 사진이다. 사용한 기판과 클래딩 소재는 모두 H-13 공구강(SKD 61)이다. 그리고 다른 조건은 상기 응용예 2와 동일하며, 레이저 가공시간은 12시간 8분이 소요되었다.14 is a photograph showing an impeller manufactured by a laser direct metal molding technique. The substrate and cladding material used were both H-13 tool steel (SKD 61). The other conditions were the same as those of Application Example 2, and the laser processing time was 12 hours and 8 minutes.

(응용예 4)(Application Example 4)

레이저 직접 금속 조형기술의 가장 중요한 특징이 3차원 CAD 데이터를 사용하여 바로 3차원 형상을 만들 수 있다는 점이다. 이러한 특성은 3차원 형상의 제품을 빠르게 만들 수도 있을 뿐만 아니라, CAD 데이터를 수정하거나 또는 역공학을 이용하여 기존의 제품 또는 금형의 재생, 리모델링 및 수정이 가능하다는 것이다. 도 15는 자동차용 펜더 금형의 일부를 잘라내고, 3차원 CAD 데이터의 수정을 통해 리모델링 작업을 수행한 금형의 사진을 보여준다. 금형의 소재는 FCD 550이고, 리모델링에 사용된 소재는 H-13 공구강(SKD 61)이다. 리모델링에 소요된 레이저 가공시간은 1시간 43분이었다.The most important feature of laser direct metal sculpting is the ability to create 3D shapes directly from 3D CAD data. This feature not only allows the rapid creation of three-dimensional shapes, but also the ability to modify CAD data or use reverse engineering to regenerate, remodel and modify existing products or molds. FIG. 15 shows a photograph of a mold in which a part of an automobile fender mold is cut out and a remodeling operation is performed through modification of three-dimensional CAD data. The material of the mold is FCD 550, and the material used for remodeling is H-13 tool steel (SKD 61). The laser processing time for remodeling was 1 hour 43 minutes.

상술한 바와 같이, 본 발명은 레이저 클래딩 및 레이저 직접 금속 조형기술에서, 고속의 이미지 촬영과 이미지 프로세싱을 응용하여 용융 풀의 위치 및 높이를 실시간으로 측정하고, 공정변수를 제어함으로써 형성되는 클래딩 층의 높이를 원하는 대로 조절할 수 있는 방법과 시스템을 제공한 것으로, 특히 레이저 직접 금속 조형기술을 물리적으로 구현한 효과가 있다.As described above, the present invention is a laser cladding and laser direct metal molding technology, by applying high-speed imaging and image processing to measure the position and height of the melt pool in real time, and control the process variables of the cladding layer formed By providing a method and a system that can adjust the height as desired, the physical implementation of the laser direct metal molding technology.

더욱이, 레이저 직접 금속 조형기술은 3차원 CAD 데이터로부터 제품이 요구하는 기능성 소재를 사용하여 직접 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 각종의 툴을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있는 쾌속의 조형기술로서, 이 기술은 CNC 및 기타 가공기계를 이용한 절삭 및 주조 등과 같은 기존의 가공방식과 비교할 수 없는 빠른 시일 내에 기능성 금속의 시작품, 시작 및 양산 금형, 복잡한 형상의 최종제품 및 각종 툴을 제작할 수 있고, 역공학을 이용한 금형의 회복, 리모델링 및 수정에도 적용이 가능한 효과가 있다.Moreover, laser direct metal molding technology is a rapid molding technology that can produce various tools required for the production of products or products in 3D form directly using the functional materials required by the product from 3D CAD data in a very short time. This technology makes it possible to produce prototypes, start-ups and production molds, complex shaped end products and tools of functional metals in a fraction of the time incomparable with conventional machining methods such as cutting and casting with CNC and other processing machines. It can also be applied to mold recovery, remodeling and modification using engineering.

또한, 본 발명은 레이저 직접 금속 조형기술 뿐만 아니라, 레이저 표면 합금화와 레이저 클래딩 등과 같은 레이저 표면 개질 기술 및 반복적인 레이저 클래딩을 통해 2mm이상의 두터운 클래딩 층을 형성시키는 레이저 클래딩 기술에도 적용할 수 있다. 이들 공정에서 본 발명은 균일한 두께의 클래딩 층을 형성시킴으로써, 레이저 가공의 정밀도를 향상시키고 후가공 비용을 절감하는 효과가 있다.In addition, the present invention can be applied not only to laser direct metal forming technology, but also to laser surface modification technology such as laser surface alloying and laser cladding, and laser cladding technology for forming a thick cladding layer of 2 mm or more through repetitive laser cladding. In these processes, the present invention has the effect of improving the precision of laser processing and reducing the post-processing cost by forming a cladding layer of uniform thickness.

이와 같은 본 발명의 레이저 클래딩과 직접 금속 조형기술에서 이미지 프로세싱을 이용한 클래딩 층 높이의 실시간 모니터링과 제어를 위한 방법 및 그 시스템은 상술한 응용예에만 한정되지 않고, 당업자가 용이하게 변경 또는 치환할 수 있을 것이다.Such a method and system for real-time monitoring and control of cladding layer height using image processing in the laser cladding and direct metal forming technology of the present invention are not limited to the above-described application, and can be easily changed or replaced by those skilled in the art. There will be.

Claims

In the laser cladding and laser direct metal sculpting technology, the image of the melt pool generated during the laser cladding process is taken and image processed to monitor and measure the physical position and height of the melt pool in real time and control process variables. Real time monitoring and control of cladding layer height.

The method of claim 1, wherein the process variable is any one of laser power, a size and a mode of a laser beam.

The method of claim 1, wherein the process variable is a real-time cladding material feed amount and a feed rate of a specimen or a laser beam.

The method of claim 1, wherein the height of the molten pool is calculated by determining a pixel representing the height of the molten pool from the image of the molten pool obtained in the image capturing.

The method of claim 4, wherein the pixel representing the height of the melt pool is the center of gravity of the melt pool image.

The pixel representing the height of the molten pool is selected from the pixel corresponding to the longest horizontal column representing the image of the molten pool, or the circle of the elliptical shape of the actual melt pool in the shape of a circle or ellipse And a method of selecting a pixel corresponding to the image in the image.

5. The method of claim 4, wherein the height of the melt pool is calculated by correcting for the actual physical height for any one pixel in the image of the melt pool and the actual height change value per pixel.

Using a relationship in which the height of the cladding layer is linearly proportional to the laser power, the laser power greater than the normal power (PP _t ) when the height (H) of the melt pool is smaller than the target value (H _t ) of the cladding layer. Let this specimen be investigated,

If the height (H) of the melt pool is larger than the target value (H _t ) of the cladding layer, the laser power is irradiated by (PP _t ) smaller than the normal output, so that the height of the melt pool reaches the target value of the cladding layer constantly. A method for real-time monitoring and control of cladding layer height using image capturing and image processing in laser cladding and direct metal molding technology.

9. The method of claim 8, wherein the laser output is controlled by using a PID (proportional-integral-derived) control method or a fuzzy control method so that the height of the melt pool reaches a target value of the cladding layer constantly. Characterized in that the method.

In laser cladding and laser direct metal shaping techniques, a method of compensating an input analog voltage signal of a laser used for control in order to control the laser output irrespective of the state of the laser generator.

The method according to any one of claims 1, 8 and 10, wherein the method is used for regeneration, remodeling and modification of metal products or molds.

A laser generator for producing a molten pool on the surface of the specimen by a predetermined laser beam irradiation;

A beam transmission device for transferring the laser beam generated from the laser generator to a beam condenser;

A beam concentrator for condensing a laser beam transmitted from the beam transmitter;

A cladding material supply device for supplying a cladding material to a molten pool formed on a surface of a specimen due to irradiation of a laser beam focused by the beam concentrator;

By installing the beam concentrator in the z-axis direction, the focal length of the laser beam is always maintained in the cladding process, the specimen is fixed to the xy axis table, and then the specimen is freely transported along the tool path around the laser beam so that the laser cladding A transport system to be performed;

CAD / CAM equipment for creating molding information, such as tool paths, from 3D CAD data to a control system;

An image photographing apparatus for obtaining an image of the melt pool in real time and transmitting the image to the image processing apparatus;

An image processing apparatus for receiving an image of the melt pool, calculating a physical position and height of the melt pool, and transmitting the value to the control system in real time;

Control the devices and monitor the condition, perform the laser cladding with the modeling information from CAD / CAM equipment, and control the process variables in real time so that the position and height of the cladding layer reach the target value by receiving the information about the melt pool A system for real-time monitoring and control of cladding layer height using image capturing and image processing in laser cladding and direct metal sculpting, characterized in that it comprises a control system.

a conveying system for freely conveying a laser beam about a specimen fixed to an x-y axis table so that cladding is performed;

By installing the beam concentrator in the z-axis direction, the focal length of the laser beam is always kept constant during the cladding process, and the specimen is fixed to the xy-axis table, and then the laser beam and the specimen are moved along the tool path around the laser beam. A conveying system for freely conveying to allow laser cladding to be performed;

A transfer system to which a three-axis or more transfer system or robot is applied to increase the degree of freedom of processing in order to perform laser cladding in the cladding process;

The cladding material according to any one of claims 12, 13, 14, and 15, wherein the cladding material supplied to the molten pool formed on the surface of the specimen due to the irradiation of the laser beam focused by the beam concentrator is any one of powder, wire, and ribbon. System characterized in that.

17. The method of claim 16, further comprising a powder supply nozzle for supplying the powder supplied from the cladding material supply device to the molten pool formed on the surface of the specimen simultaneously with the laser beam when the powder is applied to the cladding material. system.

The system according to any one of claims 12, 13, 14 and 15, wherein the laser applied in the laser generator is any one of industrial CO ₂ , Nd-YAG, and high power diode laser having a predetermined wavelength.

19. The system of claim 18, wherein the optical fiber can be used when the laser generated by the laser generator is an Nd-YAG laser.

The system according to any one of claims 12, 13, 14 and 15, wherein the image photographing apparatus includes an ND filter, a filter mounting jig, a lens, and a CCD camera.

The system according to any one of claims 12, 13, 14, and 15, wherein the image photographing apparatus comprises an ND filter, a filter mounting fixture, a lens, and an IR camera capable of obtaining images of a melt pool at high speed. .

16. The apparatus according to any one of claims 12, 13, 14 and 15, wherein the imaging device is arranged on an optical axis of the laser beam and configured to observe the molten pool at a predetermined angle (90 ° -θ °) with the specimen surface. System characterized.

The method according to any one of claims 12, 13, 14, and 15, wherein the image photographing apparatus is applied in plurality in order to prevent a phenomenon in which the image of the molten pool is observed differently according to the conveying direction of the specimen or the laser beam. system.

16. The system according to any one of claims 12, 13, 14 and 15, wherein the system is applied to the regeneration, remodeling and modification of metal products or molds.