KR101503719B1

KR101503719B1 - 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101503719B1
Application number: KR1020140098286A
Authority: KR
Inventors: 김기법
Original assignee: 김기법
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2015-03-24
Also published as: WO2016017861A1

Abstract

본 발명은 다양한 두께의 금속판재를 레이저를 사용하여 용접하고, 경사 절단하여 원하는 3차원 형상의 제품을 얻는 3차원 금속판재 적층 시스템에 관한 것으로, 경사각을 갖는 등고선 형태의 두께 0.05mm 내지 10 mm의 절단 단면과 윗단면에 레이저의 초점 반경 만큼 옵?하여 구한 용접 궤적과 윗 단면과 아랫 단면의 각도 데이터를 추출하는 연산 제어부(11);준비된 판재와 절단되고 남은 판재를 이송 하는 이송판(12a); 이송되어진 같은 두께의 금속판재를 레이저의 초점 반경 만큼 옵? 되어진 윗단면의 궤적에 따라 레이저로 용접하여 고정시키는 용접 헤드?(13a)과, 경사각을 갖는 절단된 단면에 따라 경사 절단을 하는 절단 헤드?(13b) 및 레이저 발진 장치(13c)를 포함한 수치 제어 장치(13); 및 준비된 금속판재를 z 방향으로 이송시키는 작업대(12-1, 12-2)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템을 제공한다.

Description

서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템 및 방법{Method and system for manufacturing 3D metallic plate using metallic plate of different thickness}

본 발명은 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 서로 다른 두께의 금속판재를 레이저를 사용하여 용접하고, 경사 절단하여 원하는 3차원 형상의 제품을 얻는 3차원 금속판재 제작 시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래의 금속 3D 프린터를 금속 적층 시스템 기술은 절삭 공구를 사용하거나 금속 분말을 용융 소결하여 원하는 제품을 제작하였으나(SLS, DED 방식) 금속분말의 가격이 매우 고가임으로 제품의 단가가 높아지는 한계점이 있다.

또한, 종래의 기술은 레이저 광원을 수직 용융 접착함으로써, 층간의 두께에 의한 치수 정밀도가 낮아져 정밀 금속 제품에 대한 적용에는 한계점이 있다.

그리고 종래의 금속 적층 기술의 경우 단면 데이터 산출 방식은 수직 적층 되는 것을 전제로 하였기 때문에 치수 오차는 필연적이며, 오차를 줄이기 위해 적층 되는 두께를 얇게 하는 것으로 치수 정밀도를 보완하고 있지만 이러한 방식은 제작 시간이 증가하는 문제점이 있었다.

또한 기존의 기술들은 하나의 두께로 금속 적층 함으로써 제품 형상의 정밀도 및 제작 시간 이 오래 걸리는 문제점과 고가의 금속 분말을 사용함으로써 제작 단가가 비싸진다는 문제점이 있었다.

특허 1 : 대한민국 특허출원 제10-2008-7031440호

특허 2 : 대한민국 특허출원 제10-1989-0701079호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 제품의 3차원 캐드 데이터를 정밀도를 만족하는 경사각을 갖는 단면을 구하는 방식으로, 단면의 두께는 제한된 두께(0.05 내지 10 mm)를 갖는 사용 금속판재의 두께 혹은 조합된 두께로 다음 단면의 높이(두께)로 정하여 단면을 구하고, 구해진 두께의 순서에 맞게 한정된 두께의 금속판재를 준비하여 z 방향으로 이송시키는 작업대에 장착하고 용접헤드?와 경사 절단헤드?를 가진 레이저 CNC장치에 투입하여 반복적으로 용접하고 절단하여 원하는 3차원 금속 제품을 얻을 수 있는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 준비된 금속 판재를 작업대로 이송하기 위하여 이송장치(진공장치 및,자석)와 작업의 정밀도를 보장하기 위한 Z 축 방향으로만 이송하는 별도 의 작업대를 사용하여 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 경사각을 갖는 등고선 형태(두께 0.05mm 내지 10 mm)의 윗단면에 대하여 레이저의 초점 반경만큼 옵?하여 구한 용접 궤적과 상기 금속판재의 윗 단면과 아랫 단면의 각도 데이터를 추출하는 연산 제어부(11); 준비된 판재와 절단되고 남은 판재를 이송하는 이송판(12a); 이송되어진 금속판재를 레이저의 초점 반경 만큼 옵? 되어진 윗단면의 용접 궤적에 따라 레이저로 용접하여 고정시키는 용접 헤드?(13a)과, 3차원 캐드 데이터에 따라 경사절단을 할 수 있는 절단 헤드?(13b) 및 레이저 발진 장치(13c)를 포함한 수치 제어 장치(13); 및 준비된 금속판재를 -z 또는 +z 방향으로 이송시키는 작업대(12-1, 12-2)를 포함하여 구성되되, 상기 각도 데이터는 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 z축과 이루는 각(a)이고, 상기 용접 궤적은 적층된 금속판재의 높이 및 3차원 캐드 데이터에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 연산제어부는 적층 단면의 두께를 구하는 방식으로 금속 구조물에 해당하는 3차원 캐드 데이터(cad data)로부터 적층 단면이 직선구간과 곡선 구간을 미리 검색하고 직선 구간은 사용될 금속판재의 단일 두께와 판재 두께의 조합이 두꺼운 순으로 적층 높이를 결정하여 단면을 구하며, 곡선 구간은 적층 단면의 커브와 두 단면을 잇는 경사선분으로 허용 오차를 만족하는 두께를 연산하여 이 값에 근사치를 갖는 사용할 금속판재의 두께나 판재의 조합 된 두께로 윗 단면을 구하는 방법으로 연산하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 연산제어부는 단면 내의 허용 오차를 만족하는 점 군을 구하여 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 임의의 점 p1에서의 법선이 x축과 이루는 각(b)과 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 z축과 이루는 각(a)을 구하는 것이 바람직하다.

또한 상기 재료는 0.05 내지 10 mm범위의 두께를 갖는 여러 가지 두께의 금속판재를 조합하여 사용하며, 1 mm 이하의 두께는 여러 장의 금속판재를 미리 부분 용접하여 한 장으로 사용하거나, 제품의 크기에 따라 가로 세로 사이즈로 미리 절단 한후 상기 연산제어부에서 산출한 순서대로 배열된 상태로 사용는 것이 바람직하다.

한편 상기 연산제어부는 구해진 윗 단면에서 레이저 초점 반경 만큼 옵?하여 용접 궤적을 구하는 것이 바람직하다.

또한 상기 진공 흡착판 또는 자석판 중 하나로 구성되는 이송판은 사용되는 금속판재의 이송 및 절단 후의 잔여 판재를 배출하는 역할을 하는 것이 바람직하다.

한편 상기 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템은 한 장의 금속판재를 진공 흡착판 또는 자석판 중 하나로 구성되는 이송판이 설치된 작업대로 이송 명령에 따라 이송을 완료하며, 상기 수치 제어장치는 용접 헤드?을 사용하여 용접 궤적에 따라 용접하고 원점 복귀하며, 절단 헤드?을 사용하여 3차원 캐드 데이터에 의해 설정된 절단 궤적에 따라 경사 절단을 수행하고 원점 복귀하며 절단되고 남은 금속판재를 상기 진공 흡착판 또는 자석판 중 하나로 구성되는 이송판을 통해 외부로 배출하며, 새로운 금속판재를 상기 작업대로 유입 후 작업대를 금속판재의 두께나 판재의 조합된 두께만큼 z축으로 이송되도록 제어하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 수치 제어장치는 상기 용접 헤드?과 별도의 절단 헤드?을 함께 장착 하여 용접과 절단작업을 반복 수행하는 것이 바람직하다.

한편 상기 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템은 절단헤드?으로써 스팟 사이즈(spot size)를 조절 할수 있는 레이저 절단 헤드? 또는 경사각 절삭 엔드밀(tappered endmill)을 사용할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연산 제어부가 3차원 금속 구조물에 해당하는 금속판재의 3차원 캐드 데이터(cad data)의 적층 단면이 직선구간과 곡선 구간을 미리 검색하고, 직선 구간은 사용될 금속판재의 두께와 판재 두께의 조합이 두꺼운 순으로 적층 높이를 결정 하여 단면을 구하며, 곡선 구간은 적층 단면 사이의 경사선분과 적층 방향의 단면의 커브와의 허용 오차(δ)를 만족 하는 값으로 적층 높이를 연산하고 그 값에 해당하는 근사치의 사용 금속판재의 두께 또는 조합된 두께로 아랫단면과 윗단면을 구하여 각도 데이터를 연산하는 제 1 단계; 상기 연산 제어부는 상기 제1 단계에서 구해진 윗단면에서 레이저 초점 반경만큼 옵?하여 용접 궤적을 구하는 제 2단계; 상기 연산 제어부는 결정된 두께와 순서를 기록하는 제 3 단계; 작업이 완료되었는지 판단하여(S11), 완료되지 않았다면 상기 제1 단계 내지 제3 단계를 반복하고, 완료되었다면 한 장의 금속판재를 진공흡착판이나 자석판 중 하나로 구성되는 이송판이 설치된 작업대로 이송 명령에 따라 이송을 완료하는 제 4단계; 수치 제어 장치가 연산 제어부로부터 입력된 용접궤적 데이터를 활용하여 용접 헤드?을 이용하여 금속판재에 대한 용접 명령을 수행하는 5단계, 절단 헤드?를 사용하기 위해 상기 제2 단계의 옵?만큼 원점 보정을 하는 제6단계; 용접되어 적층되어진 금속판재에 대하여 절단 헤드?을 이용하여 절단을 수행하는 제 7단계; 다시 용접 헤드?을 사용하기 위한 레이저 초점 반경만큼 옵?하여 원점 보정 하는 8단계; 상기 연산 제어부가 절단되고 남은 금속판재를 진공흡착판이나 자석판 중 하나로 구성되는 이송판에 대한 제어를 통해 흡착하여 외부로 배출한 뒤, 새로운 금속판재를 제1작업대(12-1)로 유입 후 상기 제1작업대(12-1)를 금속판재의 두께나 판재의 조합된 두께만큼 -z축으로 이송하여 항상 일정한 높이에서 용접 및 절단할 수 있도록 제어하는 제 9단계; 및 제2작업대(12-2)를 다음 사용될 금속판재 두께만큼 +z 방향으로 이송시키는 제10단계;를 포함하되, 상기 각도데이터는 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 x축과 이루는 각(b)과 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 z축과 이루는 각(a)이고, 상기 용접 궤적 및 윗단면은 적층된 금속판재의 높이 및 3차원 캐드 데이터에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

여기서 제1 단계 내지 제 3 단계는 최종 단면을 얻을 때 까지 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 금속 소재를 여러가지 두께의 금속판재를 사용함으로써 금속분말을 사용하는 시스템에 비하여 생산 단가를 획기적 수준(1/3 이하)으로 낮출 수 있는 효과를 제공한다.

둘째, 작은 초점 크기의 레이저 광원을 사용하여 최적의 유효 경사각을 적용함으로써 작업 공정을 자동화할 수 있으며 제품의 치수 정밀도를 높일 수 있는 효과를 제공한다

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2a,b,c는 도 1의 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템에서 작업대, 레이저 용접 헤드?, 레이저 절단 헤드? 그리고 레이저에 의한 작업 개념을 나타내는 도면이다.
도 3a,b,c, d는 도 1의 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템에서 5축 제어 레이저 광원에 대한 최적의 유효 경사각을 적용 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템의 금형의 코어와 케비티 및 기계부품 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2a,b,c 는 도 1의 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템에서 작업대, 레이저 용접 헤드?, 절단 헤드? 그리고 레이저에 의한 작업 개념을 나타내는 도면이며, 도 3a, b, c, d은 도 1의 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템에서 5축 제어 레이저 광원에 대한 최적의 유효 경사각을 적용 개념을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 금속판재 적층 제작 시스템은 연산 제어부(11), 제1, 제2작업대(12-1, 12-2), 레이저 용접 헤드?(13a), 절단 헤드?(13b), 레이저 발진장치(13c) 및 수치 제어 장치(13)를 포함한다.

여기서, 연산 제어부(11)는 3차원 금속 구조물인 3차원 캐드 데이터(cad data)로부터 허용오차(δ)를 만족하는 유효 적정 두께의 경사 등고선 형태의 절단 단면 데이터와 각도, 용접 궤적을 연산한다. 그리고 제1, 제2작업대(12-1. 12-2) 상에 준비된 금속판재(1)를 레이저 용접 헤드?(13a)으로 용접하고, 절단 헤드?(13b)으로 절단하여 적층하도록 연산함으로서 원하는 3차원 입체 형상의 금속 제품(기계부품, 금형의 코어 및 캐비티)을 얻도록 한다.

제1, 제2작업대(12-1,12-2)는 자석판이나 진공흡착판으로 구성되는 이송판(12a)을 상부에 구비하며, 수치 제어 장치(13)는 연산 제어부(11)에서 연산한 데이터에 따라 레이저 용접 헤드?(13a)와 절단 헤드?(13b)를 제어한다.

보다 구체적으로 수치 제어 장치(13)에 대해서 살펴보면, 수치 제어 장치(13)는 연산 제어부(11)로부터 입력된 용접 궤적 데이터에 레이저를 활용하여 레이저 용접 헤드?(13a)를 이용하여 금속판재(1)에 대한 용접 명령을 수행한다.

또한, 수치 제어 장치(13)는 연산 제어부(11)로부터 입력된 단면과 각도 데이터를 이용하여 용접되어진 금속판재(1)에 대한 경사절단 명령을 수행한다. 즉, 수치 제어장치(13)는 레이저 발진장치(13c)와, 절단 헤드?(13b) 및 레이저 용접 헤드?(13a)을 장착 한 기계장치를 포함한다.

연산 제어부(11)는 한 장의 금속판재(1)를 자석판이 설치된 제1작업대(12-1)로 이송 명령에 따라 이송을 완료하며, 수치 제어 장치(13)의 제어에 따라 레이저 용접 헤드?(13a)을 사용하여 용접한 후 레이저 용접 헤드?(13a)을 원점으로 복귀 시키고 절단 헤드?(13b)을 사용하여 절단하고, 절단 헤드?(13b)을 원점 복귀 시킨후에 절단되고 남은 금속판재(1)를 이송판(12a)에 대한 제어를 통해 들어올려 외부로 배출한다.

그리고 연산 제어부(11)는 제1작업대(12-1)를 금속판재(1)의 두께나 금속판재(1)의 조합된 두께 만큼 -z 축으로 이송되도록 제어하고 제2작업대(12-2)를 금속판재(1)의 두께나 금속판재(1)의 조합된 두께만큼 +z 축으로 이송되도록 제어한 후 이송판(12a)을 사용하여 제2작업대(12-b)의 상부에 있는 금속판재(1)를 제1작업대(12-1)로 유입하도록 제어한다.

또한, 연산 제어부는, 상기에서 구해진 단면 커브 내에서 허용 오차 내 의 점군을 생성 한다. 각도 데이터의 연산 제어부에 의한 연산시, y=f(x)의 그래프 위의 점 p1(x1, y1)에서 접선의 방정식을 (y-y1) = f'(x)×(x1-x1), 법선 방정식을 (y-y1)= -1/f'(x1)×(x-x1)으로 설정하고, 금속 판재의 임의의 점 p1(x1, y1)과 최단거리에 있는 금속 판재의 점 p2(x2, y2)와의 각도 계산식을 금속 판재의 두께 나 판재의 조합된 두께를 D1라고 하고 두 점 사이의 거리를 L1 라고 설정하고, 기지의 첫 번째 판재의 두께(T1)와 3차원 캐드 데이터에 기설정된 곡률로부터 R이 구해지므로 결과적으로 Q1을 구할 수 있다. 즉 Q1=arcsine(T1/R)이다. 각도 Q2에 대해서는, θ = arcsine(D1 / L1)일 때, Q2/2 = 90°-(Q1+θ)로부터 Q2를 연산하는 것이 바람직하다.

한편, 연산 제어부(11)는 상기에서 서술한 방식으로 단면 데이터를 연산하며, 윗 단면과 아랫 단면 사이의 각도 데이터 연산에 대해서 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴보도록 한다.

연산 제어부(11)는 윗 단면을 구하기 위해 적층 단면이 직선 구간은 사용될 금속판재(1)의 두께와 판재 두께의 조합이 두꺼운 순으로 적층 높이를 결정하여 단면을 구하며 곡선 구간은 적층 단면 사이의 경사선분과 적층 방향 단면의 커브와의 허용 오차(δ)를 만족하는 값으로 적층 높이를 연산하고, 그 값에 해당하는 근사치의 사용 금속판재(1)의 두께(혹은 조합된 두께)로 실재 다음 적층 높이로 결정하여 단면을 구하고, 단면 내의 점 군을 구하여 임의의 p1점에서의 법선 벡터를 구하여 각도 b를 산출하고, 임의의 점 p1의 법선이 z축과 이루는 각도 b로서 산출한다.

이에 따라 연산 제어부(11) 경사등고선 단면 내의 임의의 점(x1, y1)과 최단거리에 있는 금속판재(1)의 점 (x2, y2)와의 각도 계산식은 금속판재(1)의 두께 나 판재의 조합 된 두께를 D1라고 하고 두 점 사이의 거리를 L1 라고 하면 각도 Q2는 상술한 바와 같이, θ = arcsine(D1 / L1)으로부터 연산할 수 있다.
연산 제어부(11)는 윗 단면을 구하기 위해 적층 단면 이 직선 구간은 사용될 금속판재(1)의 두께와 판재 두께의 조합이 두꺼운 순으로 적층 높이를 결정하여 단면을 구하며 곡선 구간은 적층 단면 사이의 경사선분과 적층 방향 단면의 커브와의 허용 오차(δ)를 만족하는 값으로 적층 높이를 연산한다.

삭제

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 적층 시스템의 금형의 코어와 케비티 및 기계부품 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 연산 제어부(11)는 허용 오차를 만족 하는 두께를 연산하여 이 값에 근사치를 갖는 사용할 금속판재(1)의 두께나 판재의 조합된 두께로 아랫 단면을 구하고 윗 단면을 같은 방식 구하여 윗 단면과 각도 데이터를 구한다(S1).

그 다음 연산 제어부(11)는 구해진 윗 단면에서 레이저 초점 반경만큼 옵? 하여 용접 궤적을 구한다(S2).

연산 제어부(11)는 결정된 두께와 순서를 기록한다(S3).

그다음 작업이 완료되었는가 판단한다(S11). 판단결과(S11) 작업이 완료되지 않았다면 S1 단계 내지 S3 단계를 반복한다.

그러나 판단결과(S11) 작업이 완료되었다면 연산 제어부(11)는 준비된 금속판재를 자석판이 설치된 작업대로 이송 명령에 따라 이송을 실행한다(S4).

수치 제어 장치(13)가 연산 제어부(13)로부터 입력된 용접궤적 데이터를 활용하여 레이저 용접 헤드?(13a)을 이용하여 금속판재(1)에 대한 용접 명령을 수행한다(S5).

절단 헤드?(13b)을 사용하기 위해 레이저 용접 헤드?(13a)을 원점 복귀를 실행한다(S6).

용접되어 적층된 금속판재(1)에 대하여 레이저(또는 경사엔드밀 절삭 공구(tappered endmill))를 이용하여 절단을 수행한다(S7).

다시 레이저 용접 헤드?(13a) 사용을 하기 위한 원점 보정을 수행한다(S8)

그 다음 연산 제어부(11)가 절단되고 남은 금속판재(1)를 이송판(12a)에 대한 제어를 통해 흡착하여 외부로 배출한 뒤, 제1작업대를 다음 사용될 금속판재(1) 두께만큼 -z 방향으로 이송시킨다(S9).

그리고 나서 제2작업대(12-2)를 다음 사용될 금속판재 두께만큼 +Z 방향으로 이송시킨다(S10).

단계(S10) 이후, 연산 제어부(11)는 모든 작업에 대한 완료 여부를 판단하여(S12), 완료되지 않은 경우 단계(S4)로 회귀하여 단계(S4) 내지 단계(S10)의 과정을 반복적으로 수행한다.

즉, 단면 데이터와 각도 데이터 연산, 수치 제어장치(13)에서 금속판재(1)를 이송판(12a)이 설치된 작업대(12)로 이송 명령, 수치 제어 장치(13)에서 레이저 광원을 이용하여 금속판재(1)에 대한 용접 명령, 적층 되어진 금속판재를 절단하며, 절단되고 남은 금속판재(1)를 진공흡착판이나 자석판으로 구성되는 이송판(12a)이 들어올려 밖으로 배출, 새로운 금속판재(1)를 작업대(12)로 유입, 작업대(12)를 금속판재(1) 두께만큼 z축으로 이송 과정을 반복 수행한다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

11 : 연산 제어부 12-1, 12-2 : 작업대
12a : 이송판 13 : 수치 제어 장치
13a : 레이저 용접 헤드? 13b : 절단 헤드?
13c : 레이저 발진장치

Claims

경사각을 갖는 등고선 형태의 금속판재의 윗단면에 대하여 레이저의 초점 반경만큼 옵?하여 구한 용접 궤적과 상기 금속판재의 윗 단면과 아랫 단면의 각도 데이터를 추출하는 연산 제어부(11);
준비된 판재와 절단되고 남은 판재를 이송하는 이송판(12a);
이송되어진 금속판재를 레이저의 초점 반경 만큼 옵?되어진 윗단면의 용접 궤적에 따라 레이저로 용접하여 고정시키는 용접 헤드?(13a)과, 3차원 캐드 데이터에 따라 경사 절단을 할 수 있는 절단 헤드?(13b) 및 레이저 발진 장치(13c)를 포함한 수치 제어 장치(13); 및
준비된 금속판재를 -z 또는 +z 방향으로 이송시키는 작업대(12-1, 12-1)을 포함하여 구성되되,
상기 각도 데이터는 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 x축과 이루는 각(b)과 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 z축과 이루는 각(a)이고,
상기 용접궤적은 적층된 금속판재의 높이 및 3차원 캐드 데이터에 따라 결정되며,
상기 연산 제어부(11)는 적층 단면의 두께를 구하는 방식으로 금속 구조물에 해당하는 3차원 캐드 데이터(cad data)로부터 적층 단면이 직선구간과 곡선 구간을 미리 검색하고 직선 구간은 사용될 금속판재의 가장 두꺼운 판재로 단일 두께와 판재 두께의 조합이 두꺼운 순으로 적층 높이를 결정하여 단면을 구하며, 곡선 구간은 적층 단면의 커브와 두 단면을 잇는 경사선분으로 허용 오차를 만족하는 두께를 연산하여 이 값에 근사치를 갖는 사용할 금속판재의 두께나 판재의 조합된 두께로 다음단면의 높이로 결정하여 윗 단면을 구하는 방법으로 연산하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 금속판재는 두께 0.05mm 내지 10 mm범위의 두께를 갖는 여러 가지 두께의 금속판재를 조합하여 사용하며, 1 mm 이하의 두께는 여러 장의 금속판재를 미리 부분 용접하여 한 장으로 사용하거나, 제품의 크기에 따라 가로 세로 사이즈로 미리 절단한 후 상기 연산 제어부(11)에서 산출한 순서대로 배열된 상태로 사용하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 이송판(12a)은 금속판재의 이송 및 절단 후의 잔여 판재를 배출하는 역할을 하는 진공흡착판이나 자석판으로 구성됨을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템.
제1항에 있어서,
상기 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템은,
한 장의 금속판재를 진공 흡착판 또는 자석판 중 하나로 구성되는 이송판이 설치된 작업대로 이송 명령에 따라 이송을 완료하며, 상기 수치 제어장치는 용접 헤드?을 사용하여 용접 궤적에 따라 용접 하고 원점 복귀하며, 상기 절단 헤드?을 사용하여 3차원 캐드 데이터에 의해 설정된 절단 궤적에 따라 경사 절단을 수행하고 원점 복귀하며 절단되고 남은 금속판재를 상기 진공 흡착판 또는 자석판 중 하나로 구성되는 이송판을 통해 외부로 배출하며, 새로운 금속판재를 상기 작업대로 유입 후 작업대를 금속판재의 두께나 판재의 조합된 두께만큼 z축으로 이송되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 절단 헤드?은,
스팟 사이즈(spot size)를 조절할 수 있는 절단 헤드? 또는 경사각 절삭 엔드밀(tappered endmill)을 사용하는 절삭 헤드?인 것을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 시스템.
연산 제어부가 3차원 금속 구조물에 해당하는 금속판재의 3차원 캐드 데이터(cad data)의 적층 단면이 직선구간과 곡선 구간을 미리 검색하고, 직선 구간은 사용될 금속판재의 두께와 판재 두께의 조합이 두꺼운 순으로 적층 높이를 결정하여 단면을 구하며, 곡선 구간은 적층 단면 사이의 경사선분과 적층 방향의 단면의 커브와의 허용 오차(δ)를 만족하는 값으로 적층 높이를 연산하고 그 값에 해당하는 근사치의 금속판재의 두께 또는 조합된 판재의 두께로 아랫단면과 윗단면을 구하여 각도 데이터를 연산하는 제 1 단계;
상기 연산 제어부는 상기 제1 단계에서 구해진 윗단면에서 레이저 초점 반경만큼 옵?하여 용접 궤적을 구하는 제 2단계;
상기 연산 제어부는 결정된 두께와 순서를 기록하는 제 3 단계;
작업이 완료되었는지 판단하여(S11), 완료되지 않았다면 상기 제1단계 내지 제3단계를 반복하고, 완료되었다면 한 장의 금속판재를 진공흡착판이나 자석판 중 하나로 구성된 이송판이 설치된 작업대로 이송 명령에 따라 이송을 완료하는 제 4단계;
수치 제어 장치가 연산 제어부로부터 입력된 용접궤적 데이터를 활용하여 용접 헤드?을 이용하여 금속판재에 대한 용접 명령을 수행하는 5단계;
절단 헤드?을 사용하기 위해 상기 제 2단계의 옵?만큼 원점 보정하는 제6단계;
용접되어 적층되어진 금속판재에 대하여 절단 헤드?을 이용하여 절단을 수행하는 제 7단계;
다시 용접 헤드?을 사용을 하기 위한 레이저 초점 반경만큼 옵?하여 원점 보정하는 8단계;
상기 연산 제어부가 절단되고 남은 금속판재를 진공흡착판에 대한 제어를 통해 흡착하여 외부로 배출한 뒤, 새로운 금속판재를 제1작업대(12-1)로 유입 후 상기 제1작업대(12-1)를 금속판재의 두께나 판재의 조합된 두께만큼 -z축으로 이송하여 항상 일정 높이에서 용접 및 절단할 수 있도록 제어하는 제 9단계; 및
제2작업대(12-2)를 다음 사용될 금속판재 두께만큼 +Z 방향으로 이송시키는 제10단계;를 포함하되,
상기 각도데이터는 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 x축과 이루는 각(b)과 상기 윗단면과 아랫 단면의 외곽선을 잇는 법선이 z축과 이루는 각(a)이고,
상기 용접궤적 및 윗단면은 적층된 금속판재의 높이 및 3차원 캐드 데이터에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 두께의 금속판재를 사용한 3차원 금속판재 제작 방법.
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