KR101653524B1 - 레이저 3차원 가공 시스템 - Google Patents

레이저 3차원 가공 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 3차원 가공 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 치과 보철용 대상물을 스캔하면서 패턴을 형성하거나 컷팅, 마킹, 웰딩, 밀링 또는 용접이 가능한 레이저 3차원 가공 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 레이저 3차원 가공 시스템은 레이저 헤드를 구비하지 않고 반사 미러를 구비하여 대상물에 라인 빔을 형성하는 레이저 스캔 방식을 채용하기 때문에 가공 속도가 수 십 배에서 수 백 배 이상 향상되는 효과가 있다. 즉, 무거운 헤드를 이송하는 것 대신에 수 십 그램의 가벼운 반사 미러를 이송시키는 것은 수 십 배에서 수 백 배 이상의 관성을 줄일 수 있어서 가공 속도를 수 십 배 이상 향상시키면서 고속, 고정밀의 곡선 및 3차원 가공을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 대상물이 2축 이상의 회전축을 가지도록 회전 클램프를 구비하기 때문에, 대상물의 측면 가공이 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 대상물의 가공 지점에 따라 조사되는 레이저의 빔 사이즈 및 초점이 자동으로 조절되도록 렌즈부 및 미세 자동 초점 조절부를 구비하고, 렌즈부, 반사 미러부 및 회전 클램프를 동기화하여 대상물을 가공하기 때문에 정밀 가공이 가능한 효과가 있다.

Description

레이저 3차원 가공 시스템{LASER 3D PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 레이저 3차원 가공 시스템에 관한 것으로, 가공 대상물의 3차원 형상을 컷팅, 마킹, 패턴닝, 웰딩, 밀링 또는 용접이 가능하도록 하는 레이저 3차원 가공 시스템에 관한 것이고 특히 3차원으로 스캔된 대상물의 형상을 3차원 형상으로 가공하는 시스템에 관한 것이다.
근래에 들어 재료의 절단, 용접 및 재료 상에 패턴을 형성하는 공정에 있어서, 레이저의 사용이 증대되고 있다.
상기 레이저를 사용하는 방법은 종래의 가공 방법에 비해 가공 속도 및 정밀도에서 현격한 우위를 보이므로 근래에 들어 그 사용이 여러 분야에 적용되고 있다.
특히, 인공 치아 가공에 있어서 레이저를 이용하여 가공하는 기술이 개시되어 있다.
종래 기술인 한국 등록실용신안 20-295086호에는 시술 현미경, 치아 고정픽스쳐, 생리액 살수 장치, 플라즈마 조사 램프, 조명 램프 및 치과용 엔진 유니트를 일체로 장착한 치아 가공을 위한 치과용 테이블 유니트가 개시되어 있는데 이 기술은 사람이 직접 치아를 가공하므로 가공의 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 한국 공개특허10-2009-0114913호에는 인공치아를 고정하여 회전시키는 인공치아 고정부, 상기 인공치아를 6축에서 가공하는 제1엔드밀부와 제2엔드밀부를 구비하여 인공치아를 가공할 수 있는 삼차원 인공치아 가공장치가 개시되어 있는데 이는 다수의 엔드밀로 인공 치아를 깎아내는 방식으로 가공하기 때문에 일반적으로 공지되어 있는 기술인데다, 치아의 정밀 가공에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 한국 공개특허10-2005-0035802호에는 레이저를 이용하여 인공치아를 가공하는 레이저 가공헤드가 구비되는 치과보철용 레이저 가공기가 개시되어 있는데 이는 인공치아를 헤드가 구비된 레이저를 이용하여 가공하게 된다. 이는 가공을 원하는 부위마다 대응되는 헤드를 직접 이동시켜 가공하고, 헤드가 구동되는 동안은 가공 작업이 수행되지 않으므로 많은 시간이 소요된다는 문제가 있고, 대상물이 하나의 회전축을 가지는 환형봉에 고정되어 가공되기 때문에 측면 가공이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 레이저 헤드를 구비하지 않고 반사 미러를 구비하여 대상물에 라인 빔을 형성하는 레이저 스캔 방식을 채용한 레이저 3차원 가공 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 대상물이 2축 이상의 회전축을 가지도록 회전 클램프를 구비하는 레이저 3차원 가공 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 대상물의 가공 지점에 따라 조사되는 레이저의 빔 사이즈 및 초점이 자동으로 조절되도록 렌즈부 및 미세 자동 초점 조절부를 구비하고, 렌즈부, 반사 미러부 및 회전 클램프를 동기화하여 대상물을 가공하는 레이저 3차원 가공 시스템을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 레이저 3차원 가공 시스템을 제공한다. 이는 레이저를 발생시키는 레이저 발진기, 레이저 발진기로부터 방출된 레이저의 빔 사이즈를 조절하고 레이저 초점이 대상물의 가공선 상에 맺히도록 하는 렌즈부를 포함하는 광학계, 반사 미러부 및 대상물에 조사되는 레이저 스팟 빔이 라인 빔으로 형성되도록 반사 미러부를 구동시키는 구동모터를 포함하고, 광학계를 통과한 레이저가 반사 미러부를 통해 반사되어 회전하는 대상물에 조사되도록 하는 반사계, 대상물이 고정된 채 대상물을 회전시키는 회전 클램프 및 반사계로부터 반사된 레이저가 회전하는 대상물에 조사되어 라인 빔을 형성하도록 구동모터 및 회전 클램프를 제어하는 제어부를 포함하고, 회전 클램프는 가이드부가 형성된 몸체, 일단이 가이드부와 결합되고, 타단에 대상물 일부를 고정하며 회전하는 지지대 및 지지대가 가이드부를 따라 이동하도록 제어하는 회전 클램프 구동모터를 포함한다.
지지대가 가이드부를 따라 이동할때 대상물이 레이저가 조사되는 범위 내에 유지되도록 몸체는 곡률을 가지며, 가이드부는 몸체의 내주면에 형성된다.
반사 미러부는 반사 미러, 갈바노 미터, 폴리곤 미러 또는 갈바노 미터와 폴리곤 미러의 조합 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
렌즈부의 초점 거리, 광학계의 빔 사이즈, 반사 미러부의 구동 속도, 대상물을 회전시키는 지지대의 회전 속도 및 가이드부를 따라 이동하는 지지대의 이동 속도가 서로 동기화되는 것을 특징으로 한다.
반사 미러부는 복수개의 반사 미러를 포함하고, 지지대의 회전 및 이동 제어를 비동으로 하고, 반사 미러 각각의 각도를 조절하여 대상물의 일면을 면 가공하는 것을 특징으로 한다.
반사 미러부는 60도 이하의 반사각을 가지도록 구동되는 것을 특징으로 한다.
렌즈부는 대상물에 조사되는 레이저의 초점 조절 및 빔 사이즈 조절을 위한 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
반사계와 대상물 사이에 미세 자동 초점 조절부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
미세 자동 초점 조절부는 f-θ 렌즈 또는 텔레센트릭 렌즈 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 3차원 가공 시스템은 레이저 헤드를 구비하지 않고 반사 미러를 구비하여 대상물에 라인 빔을 형성하는 레이저 스캔 방식을 채용하기 때문에 가공 속도가 수 십 배에서 수 백 배 이상 향상되는 효과가 있다. 즉, 무거운 헤드를 이송하는 것 대신에 수 십 그램의 가벼운 반사 미러를 이송시키는 것은 수 십 배에서 수 백 배 이상의 관성을 줄일 수 있어서 가공 속도를 수 십 배 이상 향상시키면서 고속, 고정밀의 곡선 및 3차원 가공을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 대상물이 2축 이상의 회전축을 가지도록 회전 클램프를 구비하기 때문에, 대상물의 측면 가공이 정밀해지고 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 대상물의 가공 지점에 따라 조사되는 레이저의 빔 사이즈 및 초점이 자동으로 조절되도록 렌즈부 및 미세 자동 초점 조절부를 구비하고, 렌즈부, 반사 미러부 및 회전 클램프를 동기화하여 대상물을 가공하기 때문에 정밀 가공이 가능한 효과가 있다. 일예로 치과용 세라믹 가공시 빔 사이즈를 크게 하여 황삭 가공을 하고 정밀 가공시에는 빔 사이즈를 줄여 전체 가공 시간을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대상물에 형성되는 직선 라인빔을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대상물에 형성되는 곡선 라인빔을 도시한 도면 및
도 3은 도 2의 곡선 라인빔이 형성되는 부분을 확대한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대상물에 형성되는 직선 라인빔을 도시한 도면이다. 도 1를 참조하면, 본 발명의 레이저 3차원 가공 시스템은 레이저 발진기, 광학계, 반사계, 회전 클램프 및 제어부로 구성된다.
레이저 발진기는 일반적으로 가우시안 형태의 가운데 부분의 출력이 세고 주변부로 갈수록 출력이 약해지는 형태의 출력 분포를 나타내는 상태로 출력된다.
광학계는 레이저 발진기로부터 방출된 레이저의 빔 사이즈를 조절하고 레이저 초점이 대상물의 가공선 상에 맺히도록 하는 렌즈부를 포함한다. 렌즈부는 대상물에 조사되는 레이저의 초점 조절 및 빔 사이즈 조절을 위한 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈의 조합으로 이루어진다. 상술한 렌즈부가 볼록 렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 이루어지는 경우, 볼록 렌즈의 우측에 오목 렌즈가 구비되거나, 오목 렌즈의 후측에 볼록 렌즈가 구비될 수도 있다. 볼록 렌즈와 오목 렌즈들은 어느 하나가 이동하거나 모두 이동하여 상호 가까워지거나 멀어지는 방향으로 위치가 이동되면서 각 렌즈를 통과한 레이저 빔의 사이즈(굵기)가 넓어지거나 좁아지게 된다. 또한, 볼록 렌즈와 오목 렌즈로 이루어진 렌즈부는 레이저 빔의 사이즈 뿐만 아니라 볼록 렌즈와 오목 렌즈 간의 거리 조절을 수행함으로써 상기 레이저 빔의 초점이 형성되는 위치도 상기 레이저의 진행 방향으로 어느 정도 조절 가능하다.
반사계는 반사 미러부 및 대상물에 조사되는 레이저 스팟 빔이 라인 빔으로 형성되도록 반사 미러부를 구동시키는 구동모터를 포함하고, 상술한 광학계를 통과한 레이저가 반사 미러부를 통해 반사되어 회전하는 대상물에 조사되도록 한다. 반사 미러부는 반사 미러, 갈바노 미터, 폴리곤 미러 또는 갈바노 미터와 폴리곤 미러의 조합 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 반사 미러부는 60도 이하의 반사각을 가지도록 구동된다. 예컨대, 광학계로부터 입사한 레이저 빔이 대상물에 조사될 때, 입사각 및 반사각이 60도 이하로 구동각을 가지게 함으로써 대상물에 조사되는 레이저 빔의 사이즈가 확대되는 것을 방지한다. 상술한 반사각에 따라 최대 스캔 구간이 결정되므로 대상물의 크기가 결정 된다. 이때, 대상물은 상술한 최대 스캔 구간보다 같거나 작은 크기인 것으로 채택하는 것이 바람직하다. 또한, 구동모터에 의해 반사 미러부에 채택된 미러의 각도가 변경되고 대상물로 레이저 빔이 반사되면서 대상물에 조사되는 위치가 이동되면서 스캐닝 된다. 여기서, 스캐닝이란, 레이저 빔이 대상물 표면을 훑어 내려가는 것을 의미하며, 레이저 빔의 출력 및 조사량 등의 변수에 따라 스캐닝 되는 지점에 패터닝을 할 수도 있고, 용접을 할 수도 있고 컷팅을 할 수도 있다.
한편, 반사계와 대상물 사이에 미세 자동 초점 조절부가 구비될 수 있다. 미세 자동 초점 조절부는 플랫 필드 렌즈인 f-θ 렌즈 또는 텔레센트릭 렌즈 중 어느 하나인 것을 사용함으로써 대상물에 조사되는 레이저 빔의 초점을 미세하게 조절할 수 있다.
회전 클램프는 대상물이 고정된 채 대상물을 회전시킬 수 있다. 회전 클램프는 가이드부가 형성된 몸체, 일단이 가이드부와 결합되고, 타단에 대상물 일부를 고정하며 회전하는 지지대 및 지지대가 가이드부를 따라 이동하도록 제어하는 회전 클램프 구동모터(미도시)를 포함한다. 또한, 지지대는 Y자 형태로 변형될 수 있어 대상물을 고정시키는 고정부 및 하나 이상의 회전축을 가지는 회전부로 나뉠 수도 있다. 한편, 지지대가 가이드부를 따라 이동할때 대상물이 레이저가 조사되는 범위 내에 유지되도록 몸체는 곡률을 가지며, 가이드부는 몸체의 내주면에 형성될 수 있다. 따라서, 대상물의 측면 가공이 용이해질 수 있다. 지지대를 가이드부 상에서 이동시키기 위한 신호는 제어부로부터 받을 수 있다.
제어부는 반사계로부터 반사된 레이저가 회전하는 대상물에 조사되어 라인 빔을 형성하도록 구동모터 및 회전 클램프를 제어한다. 이때, 렌즈부의 초점 거리, 광학계의 빔 사이즈, 반사 미러부의 구동 속도 및 회전 클램프의 대상물을 회전시키는 회전 속도가 서로 동기화되어 대상물의 정밀 가공을 위해 제어부에서 제어 신호가 광학계, 반사계 및 회전 클램프로 송출된다. 반사 미러부의 구동 속도 및 회전 클램프의 대상물을 회전시키는 회전 속도에 의해서 실제 가공되어 지는 조사선의 위치 좌표들을 계산할 수 있고, 제어부는 대상물의 형태 및 스캐닝 하고자 하는 지점들의 위치 좌표에 대한 데이터를 사전에 입력받을 수 있다. 또한, 스캐닝되는 지점의 스캔 되어야 할 사이즈에 대한 데이터도 입력되어 있을 수도 있다.
또한, 본원발명의 레이저 3차원 가공 시스템은 회전하는 대상물 가공을 위한 레이저 3차원 가공 시스템으로 기술 적용 분야를 한정하였으나, 레이저를 이용하여 대상물을 가공하는 공정에 모두 응용될 수 있다.
실시예를 들어 보다 상세하게 설명하도록 한다.
(실시예 1)
도 1를 참조하면, 지지대에 대상물이 고정되어 회전하고 있는 것을 도시한 것이다. 회전 방향은
Figure 112016063734745-pat00001
의 방향이며,
Figure 112016063734745-pat00002
은 지지대 회전에 의한 대상물의 각속도이며,
Figure 112016063734745-pat00003
은 대상물 회전에 의해 실제로 조사되는 레이저 빔의 각속도이고,
Figure 112016063734745-pat00004
는 반사계로부터 조사되는 레이저 빔의 조사 속도이고,
Figure 112016063734745-pat00005
은
Figure 112016063734745-pat00006
및
Figure 112016063734745-pat00007
의 연산으로 생성되는 벡터이며,
Figure 112016063734745-pat00008
은 대상물의 회전에 의해 실제로 레이저 빔의 직선 라인빔이 조사되는 속도를 나타낸 것이다. 따라서
Figure 112016063734745-pat00009
을 계산하는 수식으로는 간단한 벡터 연산을 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(수식 1)
Figure 112016063734745-pat00010
Figure 112016079883073-pat00011
및
Figure 112016079883073-pat00012
의 사이각 세타는
Figure 112016079883073-pat00013
및 대상물의 밑면의 반지름을 통해 계산할 수 있다. 이렇게 실제로
Figure 112016079883073-pat00014
의 속도로 우측으로 라인 빔이 조사되고 난 후, 대상물의 우측 끝단에 레이저 빔이 도달하게 되면 다시 좌측으로 라인 빔이 조사된다. 상술한 동작을 수 회 반복하여 대상물 가공이 이루어진다. 이때 대상물이 도면에서처럼 원추형이라 가정했을 때, 대상물의 측면이 가공된다. 한편, 원추형의 밑면을 가공하기 위해서는 회전 클램프의 가이드부를 통해 지지대를 이동시키면 된다.
(실시예 2)
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대상물에 형성되는 곡선 라인빔을 도시한 도면 및 도 3은 도 2의 곡선 라인빔이 형성되는 부분을 확대한 도면이다. 도 2의 대상물의 가공되는 부분을 확대하여 도시한 도 3를 참조하면, 대상물이 원추형이라 가정했을 때, 원추형의 작은 밑면을 나타낸 것이다. 여기서 레이저가 조사되는 방향으로 대상물의 밑면이 배치된다. 대상물의 좌측 중앙에서 숫자 순서대로 라인 빔이 조사된다. 이때 지지대는 시계 방향으로 회전하고 있으므로 실제 조사되는 레이저 빔은 곡선으로 형성된다. 예컨대, 제어부를 통해 반사 미러부의 구동 속도 및 회전 클램프의 대상물을 회전시키는 회전 속도를 제어함으로써 다양한 곡선 라인빔을 형성하여 가공할 수 있다.
한편, 상술한 동기화를 해제하여 지지대의 회전 및 이동 제어를 비동으로 설정하여 대상물을 가공하는 경우, 반사 미러부는 복수개의 반사 미러로 구성될 수 있고, 각각의 반사 미러의 각도를 조절하여 대상물을 면 가공할 수 있다. 즉, 한 차례 면 가공 후, 비동으로 지지대를 회전시켜 대상물을 회전시키거나, 가이드부를 따라 움직이는 지지대를 이동시켜 대상물의 가공될 면을 변경시킴으로써 대상물을 가공할 수 있다.
한편, 대상물은 치과용 세라믹이나 금속, 비금속, 플라스틱 및 목재 중 어느 하나일 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 회전하는 대상물 가공을 위한 레이저 3차원 가공 시스템에 있어서,
    레이저를 발생시키는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기로부터 방출된 레이저의 빔 사이즈를 조절하고 레이저 초점이 상기 대상물의 가공선 상에 맺히도록 하는 렌즈부를 포함하는 광학계;
    반사 미러부 및 상기 대상물에 조사되는 레이저 스팟 빔이 라인 빔으로 형성되도록 상기 반사 미러부를 구동시키는 구동모터를 포함하고, 상기 광학계를 통과한 레이저가 상기 반사 미러부를 통해 반사되어 회전하는 상기 대상물에 조사되도록 하는 반사계;
    상기 대상물이 고정된 채 상기 대상물을 회전시키는 회전 클램프 및
    상기 반사계로부터 반사된 레이저가 회전하는 상기 대상물에 조사되어 라인 빔을 형성하도록 상기 구동모터 및 상기 회전 클램프를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 회전 클램프는 가이드부가 형성된 몸체, 일단이 상기 가이드부와 결합되고, 타단에 상기 대상물 일부를 고정하며 회전하는 지지대 및 상기 지지대가 상기 가이드부를 따라 이동하도록 제어하는 회전 클램프 구동모터를 포함하고,
    상기 지지대가 상기 가이드부를 따라 이동할때 상기 대상물이 상기 레이저가 조사되는 범위 내에 유지되도록 상기 몸체는 곡률을 가지며, 상기 가이드부는 상기 몸체의 내주면에 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반사 미러부는 반사 미러, 갈바노 미터, 폴리곤 미러 또는 갈바노 미터와 폴리곤 미러의 조합 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈부의 초점 거리, 상기 광학계의 빔 사이즈, 상기 반사 미러부의 구동 속도, 상기 대상물을 회전시키는 상기 지지대의 회전 속도 및 상기 가이드부를 따라 이동하는 상기 지지대의 이동 속도가 서로 동기화되는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 반사 미러부는 복수개의 반사 미러를 포함하고, 상기 지지대의 회전 및 이동 제어를 비동으로 하고, 상기 반사 미러 각각의 각도를 조절하여 상기 대상물의 일면을 면 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반사 미러부는 60도 이하의 반사각을 가지도록 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈부는 상기 대상물에 조사되는 상기 레이저의 초점 조절 및 빔 사이즈 조절을 위한 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 반사계와 상기 대상물 사이에 미세 자동 초점 조절부가 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 미세 자동 초점 조절부는 f-θ 렌즈 또는 텔레센트릭 렌즈 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 3차원 가공 시스템.
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