KR101683799B1 - 형상물의 슬라이싱 단면을 영역분할하고 그 분할된 면적에 따라 빔의 크기 및 속도를 조절하여 생산속도를 향상시킨 3차원 형상 가공 방법 - Google Patents

형상물의 슬라이싱 단면을 영역분할하고 그 분할된 면적에 따라 빔의 크기 및 속도를 조절하여 생산속도를 향상시킨 3차원 형상 가공 방법 Download PDF

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김동수
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 가공 형상품의 치수 정밀도와 가공 속도를 향상 시킬 수 있는 파우더 베드 시스템의 레이저 빔 가공 장치 및 가공 방법을 위하여, 레이저 빔 발진기와, 상기 레이저 빔 발진기에서 방출된 레이저 빔의 경로 상에 배치되며 레이저 빔이 조사될 면적에 비례하여 통과하는 상기 레이저 빔의 직경을 조절할 수 있는 빔 익스팬더와, 상기 빔 익스팬더를 통과한 레이저 빔을 형상물 제조를 위한 파우더로 반사시키는 레이저 빔 스캐너를 포함하는 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법을 제공한다.

Description

형상물의 슬라이싱 단면을 영역분할하고 그 분할된 면적에 따라 빔의 크기 및 속도를 조절하여 생산속도를 향상시킨 3차원 형상 가공 방법{The 3-dimensional shape manufacturing method using region segmentation and beam spot size and velocity adjustment}
본 발명은 파우더 베드 퓨전 시스템의 레이저 빔 가공 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3차원 가공 형상품의 치수 정밀도와 가공 속도를 향상 시킬 수 있는 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법에 관한 것이다.
최근에 다양한 제품의 형상 구현이 가능하고, 누구나 손쉽게 제작이 가능하며, 다품종 소량생산 및 개인 맞춤형 제작이 가능한 적층 가공 (Additive Manufacturing) 분야가 각광 받고 있다. 이러한 적층 가공 방식은 재료의 경화 또는 소결 방식에 따라 다양한 기술로 구분될 수 있으며, 본 발명이 제안하는 파우더 베드 퓨전 기술은 평탄화된 파우더(플라스틱, 코팅된 금속, 금속 및 세라믹) 위에 가공하자고 하는 3차원 형상의 2차원 단면에 맞춰 레이저 빔를 조사한 후 그 위에 새로운 파우더를 공급(적층) 과정을 수차례 반복하여 원하는 3차원 형상을 만들어 내는 기술이다.
그러나 상술한 파우더 베드 퓨전 기술을 이용하여 3차원 형상을 제작할 때 사용되는 레이저 빔은 대부분 CO2 레이저 빔를 사용하고 있으며, 이때 레이저 빔 엔진에 의해 발진되는 레이저 빔의 빔 크기는 500㎛ 정도로 일정한 빔 크기를 사용하고 있다. 하지만, 레이저 빔의 크기가 일정한 관계로 넓은 내부를 소결할 때에는 문제가 없으나, 미세한 부분을 소결할 때에는 레이저 빔의 크기가 미세 소결 부분보다 클 경우가 발생하게 되는데 이로인해 미세한 부분에 대한 형상 정밀도가 낮아지게 되는 단점이 있다. 또한, 미세하고 복잡한 부분을 소결할 때는 레이저 빔 주사 후 다음 층이 적층 될 때까지 일정시간 동안 소결된 파우더가 열에 의해 노출된다. 이 시간동안 소결된 파우더가 갖는 열에너지가 소결되지 않는 부분의 파우더 보다 많은 열 에너지를 보유하게 되고 소결된 영역에서 챔버 내의 주위로의 대류, 복사 및 주변 파우더로의 전도 열전달이 일어나게 되며, 이러한 현상은 소결된 영역의 온도가 주위 또는 주변 파우더와의 열적 평형상태에 도달 할 때까지 일어나게 되어 과 소결(Over Sintering)이 일어날 가능성이 매우 높다.
또한, 레이저 빔이 내부에서 외부로 조사할 때 레이저 빔의 빔 사이즈가 커서 전체 조사되는 영역을 벗어나 부가적인 부분까지 조사하는 현상이 발생 할 가능성이 있어 제품 제작 완료 후에도 불필요한 후처리 공정을 발생케 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 레이저 빔 발진기와, 상기 레이저 빔 발진기에서 방출된 레이저 빔의 경로 상에 배치되며 레이저 빔이 조사될 면적에 비례하여 통과하는 상기 레이저 빔의 직경을 조절할 수 있는 빔 익스팬더와, 상기 빔 익스팬더를 통과한 레이저 빔을 형상물 제조를 위한 파우더로 반사시키는 레이저 빔 스캐너를 포함하는 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치가 제공된다.
상기 빔 익스팬더는 상기 레이저 빔을 3가지 사이즈로 조절할 수 있다.
상기 레이저 빔 스캐너는 레이저 빔이 조사될 면적에 반비례하여 스캔속도를 변경할 수 있다.
상기 레이저 빔 스캐너는 상기 빔 익스팬더가 변경한 레이저 빔의 직경에 반비례하여 스캔속도를 변경할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 형상물의 형상정보로부터 획득한 어느 층의 슬라이싱 단면을 여러 영역으로 분할하는 단계와, 상기 분할된 영역의 면적에 비례하여 조사하는 레이저 빔의 직경을 결정하는 단계를 포함하는, 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 방법이 제공된다.
상기 분할된 영역의 면적에 반비례하여 레이저 빔의 스캔속도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔의 스캔속도 결정단계 후 인접한 다른 층의 단면에 대하여 각 단계들을 반복적으로 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 가공 형상품의 치수 정밀도와 가공 속도를 향상 시킬 수 있는 파우더 베드 시스템의 레이저 빔 가공 장치 및 가공 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법의 영역 분할을 개략적으로 도시한 개념도 및 참고도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법에 따른 결과물을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법에 따른 결과물을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법에 따른 결과물을 개략적으로 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 가공 방법에 따른 결과물을 개략적으로 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 빔의 크기는 빔의 직경, 빔의 구경, 빔의 스팟 사이즈 등 다양한 용어로 표현될 수 있다.
또한, 이하에서 단면은 형상물의 xy평면에 평행한 단면일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다. 본 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치는 레이저 빔 유닛(100)과 상기 레이저 빔 유닛(100)에 의해 발생된 레이저 빔를 이용하여 가공을 수행하는 가공 유닛(200)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치는 본체, 레이저 빔 발진기, 빔 익스팬더(120) 및 레이저 빔 스캐너(150)를 포함할 수 있다.
레이저 빔 유닛(100)에 대해 설명하면, 레이저 빔 유닛(100)은 레이저 빔을 발생하기 위한 레이저 빔 발진기(110)와, 레이저 빔 발진기(110)에 의해 생성된 레이저 빔의 스팟 사이즈(spot size)를 변경할 수 있는 빔 익스팬더(120)와, 빔 익스팬더(120)를 경유한 레이저 빔을 가공하고자 하는 3차원 형상에 맞게 조사하는 레이저 빔 스캐너(150)를 포함할 수 있다. 이때, 레이저 빔 유닛(100)은 레이저 빔의 경로를 조절하기 위해 레이저 빔 발진기(110)과 빔 익스팬더(120)의 사이 및/또는 빔 익스팬더(120)과 레이저 빔 스캐너(150) 사이에 미러(130,140)를 더 포함할 수 있다.
즉, 레이저 빔의 스팟 사이즈는 빔 익스팬더(120)에 의해 변경된다, 예를 들어 빔 익스팬더(120)는 레이저 빔이 될 3차원 형상의 단면의 면적에 따라 레이저 빔의 직경을 조절할 수 있다. 구체적으로 빔 익스팬더(120)는 단면의 면적에 비례하여 레이저 빔의 직경을 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 빔 익스팬더(120)는 단면의 큰 면적에는 큰 레이저 빔이 조사되도록, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 크게 변경할 수 있다. 그리고 빔 익스팬더(120)는 단면의 작은 면적에는 작은 레이저 빔이 조사되도록, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 작게 변경할 수 있다. 또한, 빔 익스팬더(120)는 단면의 외측면에는 레이저 빔의 스팟 사이즈를 최소화하여 외곽부분의 가공 정밀도를 높일 수 있다.
여기서 빔 익스팬더(120)는 3가지 크기로 레이저 빔의 직경을 변경할 수 있다. 구체적으로 빔 익스팬더(120)는 스팟 사이즈를 800㎛, 500㎛, 300㎛로 변경할 수 있다. 물론 스팟 사이즈는 위 수치에 한정하는 것은 아니다.
빔 익스팬더(120)를 더욱 상세히 설명하면, 빔 익스팬더(120)는 2개의 렌즈(121,122)가 그 위치를 변동시켜 가면서 상기 레이저 빔의 스팟 사이즈를 변경시킬 수 있다. 이때, 빔 익스팬더(120)는 두 개의 렌즈를 이동시키기 위한 스텝 모터, 초음파 모터 등을 더 포함할 수 있다.
한편 상기 빔 익스팬더(120)를 경유한 레이저 빔은 레이저 빔 스캐너(150)에서 반사되어 파우더(P)측으로 향하게 된다. 이때 레이저 빔 스캐너(150)는 갈바노 미러(Galvano mirror)를 포함할 수 있다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며, 레이저 빔 스캐너(150)는 다각형 형상을 가지는 폴리곤 휠(polygonwheel)(151)을 포함할 수도 있다.
이러한 레이저 빔 스캐너(150)는 갈바노 미러를 포함하는 경우에 프린팅을 위한 레이저 빔의 주사 경로를 따라 이동할 수 있다.
또는 레이저 빔 스너는 폴리곤 휠을 포함하면, 폴리곤 휠이 회전하면 상기 레이저 빔의 굴절각이 달라지면서 렌즈를 통과하는 레이저 빔 역시 다른 위치로 조사된다.
이때 레이저 빔 스캐너(150)는 자신의 스캔속도를 조절하여, 파우더에 접촉하는 레이저 빔의 끝단의 스캔속도를 조절할 수 있다. 예컨대, 레이저 빔 스캐너(150)는 xy평면상에서의 스캔속도를 조절하거나, 폴리곤 휠의 회전속도를 조절하여, 레이저 빔의 끝단의 스캔속도를 조절할 수 있다.
보다 구체적으로 레이저 빔 스캐너(150)는 단면의 면적에 반비례하여 스캔속도를 조절할 수 있다. 즉, 레이저 빔 스캐너(150)는 빔 익스팬더(120)가 변경한 레이저 빔의 직경에 반비례하여 스캔속도를 변경할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔이 조사될 면적이 크면, 레이저 빔의 스팟 사이즈는 커지고, 스캔속도는 느려진다. 그리고 레이저 빔이 조사될 면적이 작으면, 레이저 빔의 스팟 사이즈는 작아지고, 스캔속도는 빨라진다. 예를 들어, 레이저 빔 스캐너(150)는 스캔속도를 6m/s, 5m/s, 4m/s로 변경할 수 있다.
따라서, 단면의 면적이 큰 경우, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 800㎛로 설정하고 스캔속도를 4m/s로 설정할 수 있다. 단면의 면적이 중간인 경우, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 500㎛로 설정하고 스캔속도를 5m/s로 설정할 수 있다. 단면의 면작이 소형인 경우, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 300㎛로 설정하고 스캔속도를 6m/s로 설정할 수 있다.
또한, 하나의 단면을 여러 면적으로 나누어, 면적의 크기에 따라 레이저 빔의 스팟 사이즈와 스캔속도를 설정할 수 있다. 여기서 스캔속도를 변경하는 구성은 종래의 SLS장치를 그대로 사용할 수 있다.
따라서 상기 빔 익스팬더(120)와 레이저 빔 스캐너(150)를 캐드 데이터(형상 정보)에 따라 제어를 하면 원하는 3차원 형상을 가공할 수 있게 되는 것이며, 결국 상기 구성에 의해 가공 속도와 가공 정밀도를 향상시킬 수 있어 본 발명의 3차원 형상 가공 장치의 최적 생산 속도를 향상시킬 수 있다.
한편 레이저 빔 유닛(100)을 수용하여 파우더를 가공하는 가공 유닛(200)에 대해 도 1을 다시 참조하며 설명하기로 한다.
우선 가공 유닛(200)은 프레임 구조물의 형상을 가지고 있는 본체(250)를 포함한다. 본체(250)는 상부에 상기 레이저 빔 유닛(100)을 수용하는 수용부(240)와 상기 수용부(240)의 하측에 마련되는 테이블(210)로 구성된다.
수용부(240)는 본체(250)의 상부에 형성되며 그 바닥면에는 레이저 빔 유닛(100)에 의해 생성된 레이저가 테이블(210)측으로 조사되기 위한 홀(241)이 형성된다.
또한, 수용부(240) 하측에 형성되는 테이블(210)은 도 1에 도시된 바와 같이 평면형상을 가지고 있다. 이때 테이블(210)상에 승하강 가능하게 장치되는 빌딩 룸(220)과 피딩 룸(230)이 구비된다.
즉, 빌딩 룸(220)은 앞서 설명한 바와 같이 승하강 가능하게 장치되는데, 레이저 빔에 의해 일정한 파우더층이 소결되면 그 파우더층을 하강시키는 역할을 하게 된다. 빌딩 룸(220)의 구조는 에어 실린더나 스크류 등을 이용하여 승하강 시킬 수 있으며 이에 대해서는 널리 알려진 기술인 관계로 자세한 설명은 생략한다.
이는 상기 피딩 룸(feeding room)(230)의 경우도 동일하다. 상기 피딩 룸(230)의 경우 내부에 파우더가 충진되어 있어, 파우더 룸(230)이 상승하면서 파우더를 테이블(210)상으로 공급하게 된다.
이와 같은 가공 유닛(200)과 레이저 빔 유닛(100)에 의해 3차원 형상을 가공하게 된다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 레이저 빔 유닛(100)에 의해 레이저 빔이 조사되어 일정 파우더층을 소결하게 되면 빌딩 룸(220)이 하강하게 된다. 이때 상기 빌딩 룸(220) 일측에 장치되는 피딩 룸(230)은 상승하면서 내부에 충진되어 있는 파우더를 테이블(210)상으로 공급하게 된다. 이러한 공정을 반복하면서 원하는 3차원 형상의 가공물을 가공하게 되는 것이다.
한편 상술한 바와 같이 본 발명에서 파우더의 공급은 상기 피딩 룸(230)이 상승하면서 내부에 충진된 파우더를 테이블(210)상에 공급하는 구성을 취하는데, 이때 테이블(210)상에 공급된 파우더를 상기 빌딩 룸(220)으로 도포하기 위해 롤러 유닛(300)을 구비할 수 있다.
즉, 도 1에 개념적으로 도시된 바와 같이 롤러 유닛(300)을 테이블(210) 일측 끝부분에 설치한 후 피딩 룸(230)이 상승하면 그에 의해 공급된 파우더를 상기 롤러 유닛(300)이 지나가면서 도포하게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 방법에 대해 설명한다.
레이저 빔을 이용하여 파우더를 소결하기 위하여, 3차원 모델의 형상정보로부터 일정한 높이의 레이어 단위로 2차원 슬라이싱 단면을 획득한다.
슬라이싱 단면을 필요한 경우 도 2a에 도시된 바와 같이 여러 영역으로 분할할 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 단면이 요철형상 등 연속적이지 않은 형상일 경우에는 스캔경로 중 레이저 빔을 오프하고 다음 구간으로 이동해야하는 점프가 발생한다. 이러한 점프가 존재하는 경우에는 슬라이싱 단면을 적어도 두 영역으로 분할할 수 있다.
점프 구간이 많을수록 스캔시간이 증가하게 된다. 따라서 도 2b와 같이 종래에 따라 스캔할 때 점프 구간이 많아 스캔시간이 증가한다. 그러나 본 실시에에 따르면, 슬라이싱 단면을 여러 영역으로 분할하고, 영역 별로 스캔하여 점프 구간을 최소화하고, 나아가 스캔 시간을 줄일 수 있다.
영역분할 방법은 먼저 입력된 형상정보(Cad data)로부터 레이어를 분리하여 슬라이싱 단면에 대한 정보를 만든다. 슬라이싱 단면에 대하여 지그재그로 이루어지는 스캔경로를 판단하고, 스캔경로에 점프가 존재하는지 판단한다.
점프가 존재하지 않는다면 스팟 사이즈를 가장 큰 스팟 사이즈인 800㎛로 결정한다. 이때, 점프가 존재하지 않더라도 슬라이싱 단면의 크기에 따라 스팟 사이즈를 작은 사이즈로 조절할 수도 있다.
한편, 점프가 존재한다면 슬라이싱 단면을 적어도 두 개의 영역으로 분리한다. 구체적으로 스캔경로로부터 한 스팟 사이즈의 레이저 빔으로 주사할 경우 복수의 영역에서 측정되는 각각의 주사시간을 비교한다. 그리고 주사시간에 따라 영역을 분리할 수 있다. 예컨대, 주사시간이 10초 이상이면 큰 영역 그룹(후술할 1그룹)으로 분리하고, 5초 이상 10초 미만이면 중간 영역 그룹(후술할 2그룹)으로 분리하며, 1초이상 5초 미만이면 소형 영역 그룹(후술할 3그룹)으로 분리할 수 있다. 또는 주사선(scan ray)와 주사 간격(scan spacing)으로부터 영역을 분할할 수 있다. 예를 들어, 주사 간격은 동일하므로, 주사선의 길이의 변경됨에 따라 영역을 분리할 수 있다.
분할된 영역의 면적에 반비례하여 조사하는 레이저 빔의 직경을 결정할 수 있다. 예를 들어, 분할된 면적은 크기 별로 3개의 그룹으로 분류될 수 있다. 가장 크기가 큰 1그룹에 해당하는 영역에 대하여 레이저 빔의 스팟 사이즈를 800㎛로 결정할 수 있다. 중간 크기인 2그룹에 대하여, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 500㎛로 결정할 수 있다. 그리고 작은 크기인 3그룹 및 외곽선인 윤곽선분(boundary)에 대해서는 레이저 빔의 스팟 사이즈를 300㎛로 결정할 수 있다.
한편, 레이저 빔의 스팟 사이즈를 결정하기 전후 또는 동시에, 레이저 빔의 스캔 속도를 결정할 수 있다. 구체적으로 분할된 영역의 면적에 반비례하여 레이저 빔의 스캔속도를 결정할 수 있다.
예를 들어, 가장 크기가 큰 1그룹에 해당하는 영역에 대하여 레이저 빔의 스캔속도를 4m/s로 결정할 수 있다. 중간 크기인 2그룹에 대하여, 레이저 빔의 스캔속도를 5m/s로 결정할 수 있다. 그리고 작은 크기인 3그룹 및 외곽선인 윤곽선분(boundary)에 대해서는 레이저 빔의 스캔속도를 6m/s로 결정할 수 있다.
한편, 주사시간에 따라 바로 스팟 사이즈와 스캔속도를 바로 결정할 수도 있다. 예를 들어, 주사시간이 10초 이상이거나, 면적이 제1기준 크기 이상이면 800㎛, 4m/s로 분리한다. 주사시간이 5초 이상 10초 미만이거나, 면적이 제1기준 크기 미만 제2기준 크기 이상이면 500㎛, 5m/s로 분리한다. 주사시간이 1초 이상 5초 미만이거나, 면적이 제2기준 크기 미만 제3기준크기 이상이면 300㎛, 6m/s로 분리할 수 있다. 여기서 제1기준 크기, 제2기준 크기 제3기준 크기 순으로 작아진다.
그리고 한 단면에 대해 스팟 사이즈 및 스캔속도가 결정되면, 다음 단면에 대하여 동일한 단계들을 반복적으로 수행할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예들에 따르면 가공하고자 하는 슬라이싱 단면에 대해 하나의 Source 빔을 이용하여 넓은 해칭면에 대해서는 크기가 굵은 레이저 빔을 조사하고, 미세한 부분 및 단면의 외곽선 부분에 대해서는 크기가 작은 레이저 빔, 중간 부분에 대해서는 중간 크기의 레이저 빔을 조사하여 원하는 형상에 대해 빔의 크기를 가변할 수 있도록 장치를 구성하여 전체적인 가공품의 형상 정밀도 및 제작 속도를 높일 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 방법의 공정 순서를 개략적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 레이저 빔 스캐너(150)와 빔 익스팬더(120)를 초기화할 수 있다. 이때, 레이저 빔 스캐너(150)와 빔 익스팬더(120)는 기 설정된 최초상태가 되며 기 설정된 최초위치로 온다.
이때, 레이어(층)이 바뀔 때 마다 레이저 빔 스캐너(150)와 빔 익스팬더(120)를 초기화 할 수 있다.
전술한 실시예에 따라 형상정보로부터 슬라이싱 단면을 필요에 따라 여러 영역으로 분리하고, 그에 따라 스팟 사이즈 및/또는 스캔속도에 대한 파라미터와, 스캔경로 및 레이저 온/오프에 대한 파리미터를 입력한다. 이때 자동으로 입력된다.
성형하고자하는 층을 선택하고, 빔 익스팬더(120)과 빌딩 룸(220)을 승하강하는 장치에 제어신호를 발신한다.
레이저 빔 스캐너(150)는 스캔경로를 따라 레이저 빔을 조사하여 파우더를 소결시킨다. 이때 빔 익스팬더(120)는 입력된 파라미터에 따라 여러 사이즈로 스팟 사이즈를 조정할 수 있다. 또한, 레이저 빔 스캐너(150)는 입력된 파라미터에 따라 스캔속도를 변경할 수 있다. 이때, 큰 스팟 사이즈 및/또는 느린 스캔속도에 해당하는 큰 영역부터 작은 스팟 사이즈 및/또는 빠른 스캔속도에 해당하는 영역으로 소결한다.
단면을 해칭하는 공정인지 윤곽선분을 소결하는 공정인지 판단한다. 윤곽선분을 소결하는 공정을 마쳤으면 다음 레이어로 넘어가고, 단면을 해칭이 필요하면 분할된 다른 영역을 해칭한다.
표 1 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 빔의 크기 조절이 가능한 3차원 가공 장치 및 방법에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸 표 및 그래프이다.
Basic algorithm 스팟 사이즈 가변
스캔속도 고정		 스팟 사이즈 가변
스캔속도 가변
Spacing
(spot size)		 0.3(0.5) 0.3(0.3)
0.3(0.6)
0.6(0.8)		 0.3(0.3)
0.3(0.6)
0.6(0.8)
Speed 5m/s 5m/s 6m/s
5m/s
4m/s
processing time 390198ms 211881ms 189063ms
표 1에 나타난 바와 같이 분할된 면적에 따라 스팟 사이즈를 가변한 경우, 가공시간이 기존에 비해 상당히 단축됨을 알 수 있다. 더욱이 분할된 면적에 따라 스팟 사이즈와 스캔속도를 모두 가변한 경우, 가공시간이 대폭 감소됨을 알 수 있다.
표 2에 나타난 바와 같이 시편을 제조하여 인장강도를 측정한 결과, 종래에 따른 경우보다 인장강도가 향상되었다.
Algorithm 스캔속도 가변
스팟 사이즈 가변		 Basic Algorithm
최대파단응력(N/㎟) 12.93 10.52
탄성계수(MPa) 251 348
표 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따라 스케일 바를 제조하였다. 그 결과 표 3에 도시된 바와 같이 치수정밀도가 매우 향상되었음을 알 수 있다.
구분 a b c d e f
크기 96 96 7.2 21.6 79.2 21.6
치수 95.8 95.7 7.39 21.65 79.21 21.56
오차 0.2 0.3 -0.19 -0.05 -0.01 -0.04
구분 g h i j k L
크기 7.2 50.4 12 12 3.6 3.6
치수 7.18 50.5 12.4 12.1 3.66 3.71
오차 -0.18 -0.1 -0.4 -0.1 0.06 -0.11
또한, 도 7a에 나타난 바와 같이 종래에 의한 인쇄 결과물은 표면이 매끄럽지 못하고 작은 구멍 등이 제대로 형성되지 못하는 것에 비해, 도 7b에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 결과물은 표면이 매끄럽고 작은 구멍 등도 온전하게 형성됨을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 레이저 유닛 110 : 레이저 발진기
120 : 빔 익스팬더 130, 140 : 미러
150 : 레이저 빔 스캐너 200 : 가공 유닛
210 : 테이블 220 : 빌딩 룸
230 : 피딩 룸 240 : 수용부

Claims (7)

  1. 3차원 형상 가공방법에 있어서,
    형상물의 형상정보로부터 레이어를 분리하여 슬라이싱 단면에 대한 정보를 생성하는 단계;
    상기 슬라이싱 단면에 대하여 스캔경로와 점프의 존재여부를 판단하는 단계;
    상기 점프가 존재하는 경우에 상기 슬라이싱 단면을 복수의 영역으로 분할하되, 상기 복수의 영역의 스캔경로에 대해 레이저빔으로 주사하는 경우에 각각 측정되는 주사시간을 비교하여 복수의 영역을 크기에 따라 분할하는 단계;
    상기 분할된 영역의 면적에 비례하여 조사하는 레이저 빔의 직경을 결정하는 단계; 및
    상기 분할된 영역의 면적에 반비례하여 레이저 빔의 스캔속도를 결정하는 단계;
    를 포함하며,
    레이저 빔 스캐너는, 형상물 제조를 위한 파우더에 접촉하는 상기 레이저 빔의 끝단 스캔속도를 조절할 수 있으며, 상기 레이저 빔 스캐너의 스캔속도는 상기 레이저 빔이 조사될 상기 파우더의 면적이 크면 느려지고 상기 레이저 빔이 조사될 상기 파우더의 면적이 작으면 빨라지도록 구성된 것을 특징으로 하는 형상물의 슬라이싱 단면을 영역분할하고 그 분할된 면적에 따라 빔의 크기 및 속도를 조절하여 생산속도를 향상시킨 3차원 형상 가공 방법.
  2. 3차원 형상 가공방법에 있어서,
    형상물의 형상정보로부터 레이어를 분리하여 슬라이싱 단면에 대한 정보를 생성하는 단계;
    상기 슬라이싱 단면에 대하여 스캔경로와 점프의 존재여부를 판단하는 단계;
    상기 점프가 존재하는 경우에 상기 슬라이싱 단면을 복수의 영역으로 분할하되, 상기 복수의 영역의 스캔경로에 대해 레이저빔으로 주사하는 경우에 각각 측정되는 각각의 주사선의 길이를 비교하여 복수의 영역을 크기에 따라 분할하는 단계;
    상기 분할된 영역의 면적에 비례하여 조사하는 레이저 빔의 직경을 결정하는 단계; 및
    상기 분할된 영역의 면적에 반비례하여 레이저 빔의 스캔속도를 결정하는 단계;
    를 포함하며,
    레이저 빔 스캐너는, 형상물 제조를 위한 파우더에 접촉하는 상기 레이저 빔의 끝단 스캔속도를 조절할 수 있으며, 상기 레이저 빔 스캐너의 스캔속도는 상기 레이저 빔이 조사될 상기 파우더의 면적이 크면 느려지고 상기 레이저 빔이 조사될 상기 파우더의 면적이 작으면 빨라지도록 구성된 것을 특징으로 하는 형상물의 슬라이싱 단면을 영역분할하고 그 분할된 면적에 따라 빔의 크기 및 속도를 조절하여 생산속도를 향상시킨 3차원 형상 가공 방법.
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