KR101775601B1 - 대기용 전자빔 3차원 적층장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 전자빔이 가속되는 공간을 형성하고, 타측에 가속된 전자빔이 방출되는 방출구가 형성된 본체, 상기 본체 내 일측에 배치되며, 전자를 방출하는 캐소드, 상기 본체 내에서 상기 캐소드로부터 타측으로 이격되어 위치되며, 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 가속하는 애노드 및 상기 본체로부터 방출되는 전자빔의 이동경로 상에 구비되어, 방출된 전자빔에 의해 녹여진 대상물을 적층시키는 적층모듈을 포함하는 대기용 전자빔 3차원 적층장치가 개시된다.

Description

대기용 전자빔 3차원 적층장치{Apparatus for 3D Stacking Electron Beam Gun for Using on atmosphere}

본 발명은 대기용 전자빔 3차원 적층장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대기 중에서 사용가능하여 진공 챔버 제작비용이 절감되고 3차원 적층작업 이후 후처리 작업이 순차적으로 수행되고, 전자빔을 플라즈마 방식으로 방출하여 장치의 수명이 연장된 대기용 전자빔 3차원 적층장치에 관한 것이다.

일반적인 레이저 적층장치는 대기 중에서 사용가능하지만 소재의 종류에 따라 레이저의 파장대를 조절해야 하는 단점이 있다. 이러한 레이저 적층 장치의 문제를 해결하기 위하여 전자빔 3차원 적증장치가 개발되어 사용되고 있다.

종래의 전자빔 3차원 적층장치는 고 에너지를 이용하여 전자를 방출하여, 메탈을 녹이고 적층시켜 물품을 제작하는 장치이다.

일반적인 전자빔 3차원 적층장치는 레이저빔 3차원 적층장치에 비해 에너지효율이 좋고, 초점거리의 변경이 용이하다는 장점이 있으나, 진공 챔버 내에서 사용되어야 한다는 단점이 있다.

진공 챔버 내에서 작업이 이루어질 경우, 대형 부재를 작업하기 위해 진공 챔버의 크기를 대형으로 제작해야 하며, 이에 따라 진공 챔버 제작 비용 및 작업시간이 증가하게 된다.

그리고 3차원 적층 작업이 이루어진 후 적층된 구조물의 후처리 가공이 이루어져야 하는데 진공 챔버는 진공 상태로 유지되기 때문에, 후처리 설비를 진공 챔버 내에 투입하는 것에 대한 제약이 있다.

이러한, 전자빔 3차원 적층장치는 일반적으로 필라멘트에 고전압, 고전류를 인가하여 전자빔을 방출시키는 방식이 사용되고 있는데, 높은 진공도를 유지해야 하는 어려움 및 필라멘트 제조에 어려움이 있고 이는 장비유지운용의 어려움과 직결되고 있다.

또한 종래의 전자빔 3차원 적층장치는 열음극 방식을 통해 3차원 메탈 적층 작업을 수행하는 장비로서, 열음극 방식에 사용되는 필라멘트의 소재는 텅스텐일 수 있다.

하지만 텅스텐 필라멘트는 수명이 짧기 때문에 일정 시간이 지나면 교체를 해야한다. 이에 따라 작업효율이 감소하고 교체시간에 따른 작업시간이 증가하는 문제점이 발생하였다.

미국등록특허 4,998,044

본 출원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 진공 챔버가 아닌 대기 중에서 사용가능하기 때문에 진공 챔버 제작 비용이 절감되고, 대형 가공물 역시 작업할 수 있는 대기용 전자빔 3차원 적층장치를 제공하는 것이 과제이다.

진공 챔버가 아닌 대기 중에서 사용가능하기 때문에, 적층 작업이 끝난 후 순차적으로 후처리 작업이 수행되는 대기용 전자빔 3차원 적층장치를 제공하는 것이 과제이다.

전자빔을 플라즈마 방식으로 방출하여 필라멘트를 사용하는 열음극 전자빔 방출장치보다 설비의 수명이 연장된 대기용 전자빔 3차원 적층장치를 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 전자빔이 가속되는 공간을 형성하고, 타측에 가속된 전자빔이 방출되는 방출구가 형성된 본체, 상기 본체 내 일측에 배치되며, 전자를 방출하는 캐소드, 상기 본체 내에서 상기 캐소드로부터 타측으로 이격되어 위치되며, 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 가속하는 애노드 및 상기 본체로부터 방출되는 전자빔의 이동경로 상에 구비되어, 방출된 전자빔에 의해 녹여진 대상물을 적층시키는 적층모듈을 포함한다.

상기 적층모듈을 기 설정된 값에 따라 이동시켜 적층되는 대상물의 크기 및 형상을 조절하는 제어모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 본체는 대기압보다 낮고 일정한 압력이 인가되며 가스가 내부에 투입되어 플라즈마 환경이 형성되고, 상기 캐소드와 상기 애노드가 내부에 구비되어 전자빔이 가속되는 공간을 형성하는 저압 하우징 및 상기 저압 하우징과 연통되고 상기 저압 하우징에 인가된 압력보다 높고 일정한 압력이 인가되며, 전자빔이 대기로 방출되는 상기 방출구가 형성된 고압 하우징을 포함할 수 있다.

상기 저압 하우징 또는 상기 고압 하우징 중 적어도 하나에 일정한 압력을 인가하여, 상기 저압 하우징 및 상기 고압 하우징이 서로 다른 압력을 갖도록 조절하는 진공펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 저압 하우징 또는 상기 고압 하우징에 질소가스 또는 헬륨가스를 투입하여 상기 저압 하우징 또는 상기 고압 하우징의 내부를 플라즈마 환경으로 형성하는 가스조절유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 가스조절유닛은 상기 고압 하우징 또는 상기 저압 하우징 중 적어도 어느 하나에 연결되어 내부로 질소가스 또는 헬륨가스를 공급하는 유입부 및 상기 고압 하우징에 구비되어 내부로 유입된 질소가스 또는 헬륨가스가 외부로 배출되도록 하며, 선택적으로 배출여부 및 배출량이 조절되는 배출부를 포함할 수 있다.

상기 가스조절유닛은 상기 고압 하우징 또는 상기 저압 하우징에 구비되어 내부의 압력을 측정하는 기압측정부를 더 포함할 수 있다.

상기 본체의 상기 방출구에 질소가스 또는 헬륨가스를 투입하는 실드가스 투입부를 더 포함할 수 있다.

상기 고압 하우징 내부에 구비되어 상기 애노드로부터 가속된 전자빔을 집속시키는 집속부 및 상기 제3 하우징 내부에 구비되어 상기 애노드로부터 가속된 전자빔의 방출방향을 편향시키는 편향부를 더 포함할 수 있다.

상기 저압 하우징 내측에 배치되며, 상기 저압 하우징과 상기 고압 하우징의 연통지점의 주위로부터 상기 애노드 측으로 연장되도록 형성되고, 상기 연통지점 주위에서 반사된 2차전자 및 산란전자가 상기 저압 하우징 내측으로 반사되는 것을 차단하는 반사전자 차단구조체를 더 포함할 수 있다.

상기 반사전자 차단구조체는, 상기 애노드와 상기 연통지점 사이에 배치되며, 상기 연통지점으로부터 상기 애노드를 향하여 연장되며, 내부 중공을 가지고 상기 애노드를 향하는 측 및 상기 연통지점을 향하는 측은 개구된 관의 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치는 진공 챔버가 아닌 대기 중에서 사용가능하기 때문에, 진공 챔버 제작 비용을 절감하고, 진공 챔버에 수용하기 어려운 초대형 가공물 역시 작업할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치는 진공 챔버가 아닌 대기 중에서 사용가능하기 때문에, 적층 작업이 끝난 후 순차적으로 후처리 작업이 수행되어 이에 따른 작업효율이 증가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치는 플라즈마 방식으로 구비되어 필라멘트를 사용하는 열음극 방식 전자빔 방출장치보다 수명이 길기 때문에 작업효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 전자빔 방출장치를 도시한 단면도;
도 2는 본 출원의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치의 일 예를 도시한 단면도;
도 3은 도 2의 캐소드를 도시한 단면 사시도;
도 4는 도 3의 일부분을 확대하여 도시한 단면도;
도 5는 도 3의 다른 일부분의 분해사시도;
도 6은 도 2의 대기용 전자빔 3차원 적층장치에서 전자빔이 방출되는 모습을 도시한 단면도; 그리고
도 7은 도 2의 대기용 전자빔 3차원 적층장치에서 전자빔이 방출되어 3차원 적층작업이 수행되는 모습을 도시한 단면도 이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 발명에서 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 발명에서, "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.

도 2는 본 출원의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)의 일 예를 도시한 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 본체(150, 300), 캐소드(120: Cathode), 애노드(Anode)(130), 절연홀더(140) 및 가스조절유닛(400)을 포함할 수 있다.

상기 본체(150, 300)는 내부에 공간이 형성되고, 전자빔이 가속되는 공간을 형성하고, 타측에 가속된 전자빔이 방출되는 방출구(156)가 형성된다.;

구체적으로 상기 본체(150, 300)는 각기 서로 다른 압력조건을 가지며 내부에 캐소드(120)를 수용하는 저압 하우징(150) 및 저압 하우징(150)에 연속하여 형성되며 방출구(156)가 형성되는 고압 하우징(300)을 포함한다.

캐소드(120)는 저압 하우징(150) 내 일측에 구비되어 전기에너지를 인가받아 전자를 방출하는 구성요소로서, 본 실시예에서는 금속 재질로 이루어지고 전체적으로 소정의 두께를 갖는 원판의 형태로 이루어지는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

애노드(130)는 저압 하우징(150) 내에서 캐소드(120)로부터 타측으로 이격되어 위치될 수 있다. 상기 애노드(130)는 전기에너지를 인가받아 상기 캐소드(120)로부터 방출된 전자를 가속시키는 구성요소로서, 가속된 전자들이 통과하는 개구부(132)가 형성될 수 있다.

한편, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120)와 저압 하우징(150) 사이를 절연하며, 상기 캐소드(120)를 저압 하우징(150)에 고정시키는 구성요소이다.

또한, 절연홀더(140)의 일측에는 상기 캐소드(120) 또는 애노드(130)에 전기에너지를 공급하는 구동부(160) 및 캐소드(120)를 냉각시키는 냉각부(170)가 구비될 수 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)와 애노드(130)에 전기에너지를 인가하면, 상기 캐소드(120)로부터 전자가 방출되어 애노드(130) 측으로 가속된 후 고압 하우징(300)의 방출구(156)를 통해 방출될 수 있다.

고압 하우징(300)으로부터 방출되는 전자빔의 경로 상에 적층모듈이 구비되어, 방출된 전자빔에 의해 녹여진 대상물을 적층시킬 수 있다. 적층모듈에 대한 자세한 설명은 추후에 자세히 하도록 한다.

이 때 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)에 의해 적층된 구조물은, 제작 완성도를 위해 적층 작업 이후에 후처리 작업이 수행되어야 한다.

일반적인 대기용 적층장치는 진공 챔버 내에서 작업이 수행되기 때문에 후처리 작업의 제약이 있을 수 있다. 예를 들어 후처리 설비가 진공 환경에서 구동되지 않거나 또는 후처리 설비가 진공 챔버의 크기보다 클 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 대기 중에서 사용가능 하기 때문에, 3차원 적층 작업이 이루어진 후에 적층된 구조물을 후처리 하는 후처리 작업이 순차적으로 수행될 수 있다.

고압 하우징(300)으로부터 방출된 전자빔은 추후에 업급될 대상물(M)을 녹이고 적층시킬 수 있다.

한편, 도 3은 도 2의 캐소드(120)를 도시한 단면 사시도이고, 도 4는 도 3의 일부분을 확대하여 도시한 단면도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드(120)의 상기 애노드(130)를 바라보는 면은 오목하게 구배를 형성할 수 있다.

그리고, 상기 캐소드(120)의 상기 구배를 형성한 면의 테두리는 둥글게 라운드지게 형성될 수 있다.

따라서, 캐소드(120)에 테두리에 뾰족한 첨단 부분이 형성되지 아니하므로 아크 발생이 방지되어 보다 안정적인 운전이 가능하다.

그리고, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120)의 구배가 형성된 면의 배면 및 상기 캐소드(120)의 측면을 감싸도록 형성되는데, 상기 절연홀더(140)가 상기 캐소드(120)의 측면을 감싸는 부분은 상기 캐소드(120) 테두리의 라운드진 부분(122)까지 연장되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 절연홀더(140)가 캐소드(120)의 측면까지 연장되어 저압 하우징(150)과 캐소드(120) 사이에서 아크가 발생하는 것이 방지될 수 있다.

이 때, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120) 테두리의 라운드진 부분(122)의 일부를 감싸도록 연장형성 될 수 있다.

즉, 상기 캐소드(120)가 상기 절연홀더(140)보다 더 상기 애노드(130)에 가깝게 위치될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 캐소드(120)의 테두리가 라운드지게 형성되므로, 상기 절연홀더(140)와 캐소드(120)의 사이에는 공간이 형성될 수 있는데, 이 때 상기 공간이 전하가 축적되는 공간의 역할을 하게 되어 전자빔 방출장치의 운전중 아크가 발생할 수도 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)가 절연홀더(140)보다 더 애노드(130)에 가깝게 위치되어 상기 캐소드(120)와 절연홀더(140) 간의 간격이 줄어들어 전하가 축전되는 공간이 줄어들 수 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)와 절연홀더(140)간에 커페시턴스가 줄어들게 되어 아크의 발생이 억제되므로, 보다 안정적으로 운전할 수 있으며, 한계 출력을 보다 상승시킬 수 있다.

한편, 상기 저압 하우징(150)은 그 측면의 둘레를 형성하는 튜브(Tube: 152)를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 튜브(152)는 금속재질로 형성될 수 있으며, 상기 캐소드(120) 및 애노드(130)와는 절연될 수 있다. 이를 위해, 상기 튜브(152)와 캐소드(120) 및 상기 튜브(152)와 애노드(130)의 사이에는 절연체(154)가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 저압 하우징(150)은 별도의 진공펌프(미도시)에 의해 내부 가 고진공으로 조절될 수 있다.

그리고, 접지(158)가 이루어질 수 있다.

상기 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)로서 금속을 가공할 때에는 용융된 금속에서 금속증기가 발생되며, 발생된 금속증기는 상기 튜브(152) 내측면에 증착될 수 있다.

이 때, 상기 튜브(152)에 접지(158)가 이루어져 있으므로, 상기 튜브(152) 내측면에 부착된 금속증기의 주변의 전자는 접지(158)된 그라운드로 흐르게 되어 아크의 발생이 방지되어 보다 안정적인 운전이 가능하며, 동시에 한계 출력을 상승시킬 수 있다.

또한, 금속 재질의 특성상 외부의 충격 및 반복되는 열 충격에 강하고, 부착되는 금속증기를 제거하지 아니하여도 운전이 가능하므로 반영구적인 사용이 가능하다.

그리고, 고압 하우징(300)이 구비될 수 있다.

고압 하우징(300)은 저압 하우징(150)의 하부에서 연속하여 연통구를 통해 연통되고 저압 하우징(150)에 인가된 압력보다 높고 일정한 압력이 인가되며, 전자빔이 대기로 방출되는 방출구(156)가 형성할 수 있다.

구체적으로 상기 고압 하우징(300)은 상기 저압 하우징(150)에 비해 상대적으로 진공상태가 낮은 중진공 상태가 되어, 저압 하우징(150)에서 방출되는 전자빔이 대기로 방출될 때 발생하는 압력 차이를 줄이는 버퍼 역할을 한다.

여기서, 상기 고압 하우징(300)은 별도의 제1냉각플레이트(320) 및 제2냉각플레이트(340)를 구비하여 전자빔에 의해 고압 하우징(300)이 가열되는 것을 저감시킨다.

구체적으로 제1냉각플레이트(320)는 저압 하우징(150)과 고압 하우징(300) 사이에 배치되어 내부에 냉매가 유동하며, 캐소드(120)에서 방출된 전자빔이 저압 하우징(150)에서 고압 하우징(300)으로 이동 시 고열이 발생하는 것을 방지한다.

이때, 제1냉각플레이트(320)는 중앙에 홀이 형성되어 전자빔이 중앙을 통과함으로써 고압 하우징(300)으로 이동할 수 있다.

또한, 제1냉각플레이트(320)에는 도면에 도시되지는 않았지만, 별도의 보조어퍼쳐(미도시)가 구비될 수 있다. 여기서, 상기 보조어퍼쳐는 제1냉각플레이트(320)의 홀에 형성되어 전자빔이 방출구(156)를 향해 이동하도록 전자빔의 이동을 안내할 수 있다.

한편, 제2냉각플레이트(340)는 고압 하우징(300)의 하부에서 방출구 사이에 구비되며, 상술한 제1냉각플레이트(320)와 마찬가지로 중앙에 홀이 형성된다.

그리고 고압 하우징(300) 내부에서 이동하는 전자빔은 제2냉각플레이트(340)에 형성된 홀을 통과하여 방출구(156)를 통해 외부로 조사된다.

여기서 제2냉각플레이트(340)는 상술한 제1냉각플레이트(320)와 유사하게 내부에 냉매가 유동하여 전자빔에 의한 가열을 저감시키도록 구성될 수 있으며, 마찬가지로 보조어퍼쳐가 구비되어 통과하는 전자빔을 가이드하도록 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전자빔 방출장치는 진공펌프(미도시)가 더 구비될 수 있다.

상기 진공펌프는 저압 하우징(150) 또는 고압 하우징(300) 중 적어도 하나에 일정한 압력을 인가하는 구성요소로서, 저압 하우징(150) 및 고압 하우징(300)이 서로 다른 압력을 갖도록 조절할 수 있다.

이 때 저압 하우징(150)과 고압 하우징(300)의 압력은 대기압보다 낮은 압력이며, 저압 하우징(150)의 압력은 고압 하우징(300)의 압력보다 낮은 고진공상태가 된다.

여기서, 본 발명에 따른 상기 진공펌프는 고압 하우징(300)에 구비되는 것이 바람직하며, 이와 달리 저압 하우징(150)과 고압 하우징(300)각각에 구비될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 서로 압력이 다른 저압 하우징(150) 및 고압 하우징(300)을 구비하며 차압 구조를 형성할 수 있다.

이에 따라 본 발명에서 케소드(120)에서 방출되는 전자빔이 대기로 이동할 때 급격한 압력변화가 방생하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명은 별도의 가스조절유닛(400)이 더 포함될 수 있다.

상기 가스조절유닛은(400), 고압 하우징(300) 또는 저압 하우징(150)에 연결되어 내부로 질소가스 또는 헬륨가스를 투입하여 고압 하우징(300)과 저압 하우징(150)의 내부를 플라즈마(Plasma) 환경으로 형성할 수 있다.

구체적으로 본 실시예에서 가스조절유닛(400)은 유입부(410), 배출부(420) 및 기압측정부(430)를 포함한다.

상기 유입부(410)는 상기 고압 하우징(300)의 일측에서 연통 형성되며, 외부에 구비된 별도의 탱크로부터 질소가스 또는 헬륨가스를 고압 하우징(300) 내부로 주입한다.

이에 따라 상술한 케소드(120)에서 방출되는 전자빔이 고압 하우징(300)을 통과하며 플라즈마가 발생될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 유입부(410)는 하나로 구성되어 상기 고압 하우징(300)에 연결되어 있으나, 이와 달리 저압 하우징(150)에 구비되거나, 양측에 모두 구비될 수도 있다.

한편, 배출부(420)는 유입부(410)와 별도로 고압 하우징(300)에 연통되어 형성되며 유입부(410)를 통해 유입된 질소가스 또는 헬륨가스가 고압 하우징(300) 외부로 배출되도록 한다.

여기서, 배출부(420)는 별도의 개폐조절밸브(422)가 구비되어 외부로 배출되는 질소가스 또는 헬륨가스의 양을 조절한다.

그리고 이와 같이 개폐조절밸브(422)에 의해 외부로 배출되는 질소가스 또는 헬륨가스의 양이 조절됨에 따라 고압 하우징(300) 내부의 압력이 조절된다.

즉, 질소가스 또는 헬륨가스는 유입부(410)를 통해 고압 하우징(300) 내부로 공급되고 배출부(420)를 통해 외부로 배출되며, 개폐조절밸브(422)를 사용자가 조절하여 외부로 배출되는 양을 조절함으로써 고압 하우징(300) 내부의 압력을 조절할 수 있다.

한편, 기압측정부(430)는 저압 하우징(150) 또는 고압 하우징(300)상에 구비되어 내부의 기압을 감지하는 구성이다.

본 실시예에서는 상기 저압 하우징(150) 내부에 구비되며, 저압 하우징(150) 내부의 압력에 대응하여 개폐조절밸브(422)를 조절하여 배출부(420)를 통해 배출되는 질소가스 또는 헬륨가스의 양을 조절할 수 있다.

한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 배출부(420)에는 상술한 상기 진공펌프(미도시)가 연결될 수도 있다.

구체적으로 상기 진공펌프는 고압 하우징(300) 내부의 압력을 조절하기 위해 배출부(420)상에 구비되어 선택적으로 동작함으로써 고압 하우징(300) 내부에 수용된 공기나 질소가스 또는 헬륨가스를 외부로 배출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 집속부(600)와 편향부(700)를 더 포함할 수 있다.

집속부(600)는 고압 하우징(300) 내부에 구비되어 상기 애노드(130)를 통과한 전자빔을 집속시킬 수 있다. 이에 따라 집속부(600)에 의해 집속된 전자빔이 방출구(156)를 통해 방출될 수 있다.

고압 하우징(300)으로부터 방출되는 전자빔의 경로 상에 적층모듈이 구비되어, 방출된 전자빔에 의해 녹여진 대상물을 적층시킬 수 있다.

그리고 편향부(700)는 고압 하우징(300) 내부에 구비되어 전자빔을 편향시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 실드가스 투입부(520)를 더 포함할 수 있다.

실드가스 투입부(520)는 고압 하우징(300)의 방출구(156)에 구비되어 질소가스 또는 헬륨가스를 방출구(156)에 투입할 수 있다.

이 때 실드가스 투입부(520)는 전자빔의 이동경로와는 다른 경로의 유로와 연결되며, 이에 따라 실드가스 투입부(520)에 의해 투입된 질소가스 또는 헬륨가스는 전자빔과 대기 방출되기 직전에 합쳐질 수 있다. 여기서, 상기 실드가스 투입부(520)를 통해 투입되는 가스는 방출구(156)를 통해 대리고 이동하는 전자빔에 의해 방출구(156)가 가열되거나 파손되는 것을 방지하게 된다.

다만 실드가스 투입부(520)에 의해 질소가스 또는 헬륨가스의 투입경로 및 투입방법이 한정되는 것은 아니며, 다양한 투입경로 및 투입방법으로 구비될 수 있다.

이와 함께 본 발명에 따른 고압 하우징(300)에서 상술한 방출구(156)가 형성된 부근에 별도의 냉각수단(미도시)을 구비하여 방출구(156) 자체가 가열되는 것을 방지할 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 어퍼쳐(800)(Aperture)를 더 포함할 수 있다.

어퍼쳐(800)는 고압 하우징(300) 내부에 구비되어 전자빔이 방출구(156)를 통해 재기로 방출되는 경로 상에 구비되어, 방출구(156)로 방출되지 않는 전자빔의 이동을 제한할 수 있다.

이 때 어퍼쳐(800)는 전자빔의 이동경로 양측에 구비되어, 전자빔이 방출구(156)를 통해 대기로 방출되도록 전자빔의 이동을 안내할 수 있다.

한편 도 6은 도 2의 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)에서 전자빔이 방출되는 모습을 도시한 단면도 이다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 반사전자 차단구조체(200)가 구비될 수 있다.

상기 캐소드(120)에서 방출되는 전자빔 중 외곽의 일부는 산란 등에 의해 상기 애노드(130)의 후측에서 산란되어 고압 하우징(300)의 방출구(156)를 통과하지 못하고 방출구(156) 주위에서 반사되는 산란전자(7)가 발생할 수 있다.

또한, 상기 튜브(152) 내부 내에 잔류하는 질소 등의 원소가 가속된 전자와 충돌하여 발생하는 2차전자(9)가 발생할 수 있다.

이러한 산란전자(7) 및 2차전자(9)들은 상기 애노드(130)를 통과하는 전자빔에 비해 집속되지 못하여 방향성이 없거나 또는 산란될 수 있다.

이러한 산란전자(7) 및 2차전자(9)들은 상기 저압 하우징(150) 내에서 반사되어 튜브(152)를 가열시키거나 아크를 발생시킬 수 있는데, 상기 반사전자 차단구조체(200)는 이러한 반사되는 산란전자(7) 및 2차전자(9)들이 저압 하우징(150) 내측으로 향하는 것을 차단하는 구성요소이다.

한편 도 5는 도 3의 다른 일부분의 분해사시도이다.

상기 반사전자 차단 구조체는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 고압 하우징(300)의 방출구(156)가 형성된 면의 방출구(156) 주위로부터 상기 애노드(130) 측으로 연장되도록 형성될 수 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(200)는 애노드(130)와 상기 방출구(156)가 형성된 면 사이에 배치되며, 상기 방출구(156)가 형성된 면으로부터 상기 애노드(130)를 향하여 연장된 관의 형태로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 반사전자 차단구조체(200)는 상기 애노드(130)를 향하는 측 및 상기 방출구(156)를 향하는 측은 개구되며, 중공은 상기 애노드(130) 및 방출구(156)와 연통될 수 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(200)의 중공은 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통해 가속된 전자가 상기 방출구(156)로 방출되는 통로의 역할을 할 수 있다.

이 때, 한편, 상기 중공은 상기 방출구(156)와는 동축상에 상기 방출구(156)보다는 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있으며 상기 애노드(130)의 개구부(132)보다 작거나 같은 직경으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 방출구(156)는 상기 애노드(130)의 개구부(132)보다 작은 직경으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 반사전자 차단구조체(200)의 내주면에서 내측으로 연장된 플랜지부(210)가 형성될 수 있다. 상기 플랜지부(210)는 상기 반사전자 차단구조체(200)의 상측부에 형성될 수 있으며, 상기 플랜지부(210)가 돌출되는 길이는 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통과한 가속된 전자가 상기 반사전자 차단구조체(200)를 통과하는데 방해되지 않는 정도일 수 있다.

따라서, 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통과하는 가속된 전자는 상기 반사전자 차단구조체(200)의 중공을 통해 고압 하우징(300)의 방출구(156)로 방출될 수 있다.

한편, 상기 산란전자(7) 및 2차전자(9) 등 상기 고압 하우징(300)의 방출구(156)를 통과하지 못하고, 상기 고압 하우징(300)의 방출구(156)가 형성된 면에 반사될 수 있다.

이 때, 상기 반사된 전자는 상기 반사전자 차단구조체(200)의 내주면내에서 반사되어 튜브(152)측으로 재반사 되는 것이 차단될 될 수 있다.

상기 플랜지부(210)가 내주면 내측으로 연장되어 있으므로 상기 반사전자 차단구조체(200)의 중공 내부에서 반사되는 전자들이 반사전자 차단구조체(200)의 외측으로 탈출하는 것이 방지될 수 있다.

또한, 상기 반사전자 차단구조체(200)의 내주면에는 복수개의 흡수홈(220)이 형성되어 반사전자와 복수개의 홈간의 충돌확률을 높여 상기 반사전자 차단구조체(200)의 중공 내주면에서 반사되는 전자들을 흡수할 수 있다.

한편, 상기 반사전자 차단구조체(200)는 반사되는 산란전자(7) 또는 2차전자(9)들에 의해 가열될 수 있는데, 이러한 반사전자 차단구조체(200)의 과열을 방지하기 위해 상기 반사전자 차단구조체(200)의 외주면 둘레에 냉각매체가 흐르는 냉각파이프(230)가 구비될 수 있다.

상기 냉각매체는 물일수도 있고, 또는 여타 다른 냉각에 유리한 유체일 수도 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(200)가 냉각될 수 있으며, 상기 냉각파이프(230)가 반사전자 차단구조체(200)의 외주면 둘레에 구비되므로, 설혹 상기 냉각파이프(230)에서 누수가 발생한다고 하더라도 누출된 냉각매체가 상기 튜브(152)와 반사전자 차단구조체(200)의 사이로 누출되므로 상기 애노드(130) 및 방출구(156)를 통해 전자빔 적층장치의 외부로 세어나오는 것이 방지될 수 있다.

그리고, 상기 냉각파이프(230)의 외측에는 차단판(240)이 더 구비되어 상기 산란전자(7) 및 2차전자(9)가 냉각파이프(230)로 직접 조사되는 것을 차단하여 냉각파이프(230)의 손상을 미연에 방지할 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 진공 챔버 내부가 아닌 대기 중에서 공정이 이루어지기 때문에 대형 가공물을 작업할 수 있으며 이에 따라 공정의 효율성이 증가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 적층모듈 및 제어모듈을 더 포함할 수 있다.

적층모듈은 고압 하우징(300)으로부터 방출되는 전자빔의 이동경로 상에 대상물을 배치되는 배치영역을 형성하는 구성요소일 수 있다. 이 때 방출된 전자빔에 의해 녹여진 상기 대상물은 적층될 수 있다.

이 때 상기 대상물은 녹여질 수 있는 금속소재의 물질로서, 와이어 형태 또는 파우더 입자 형태로 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 대기용 전자빔 3차원 적층장치(100)는 대상물을 적층시켜 일정한 형상의 구조물을 제작할 수 있다.

본 발명에서 도시되지는 않았지만 상기 적층모듈은 상기 대상물이 녹여져 안착되는 스테이지(미도시) 형태로 형성될 수 있으며 상기 스테이지를 향해 전자빔이 조사되도록 배치된다.

그리고 전자빔이 조사되는 경로상에서 와이어 형태로 대상물이 공급되도록 하는 공급수단(미도시)이 구비된다.

이와 같이 상기 적층모듈은 상기 스테이지 및 상기 공급수단을 포함하며, 후술하는 상기 적층모듈에 의해 상기 스테이지의 위치가 조절된다.

이에 따라 상기 스테이지의 상면에 상기 공급수단을 통해 공급되는 상기 대상물이 용융되어 적층됨에 따라 구조물을 조성할 수 있다.

상기 제어모듈(미도시)은 기 설정된 값에 따라 상기 적층모듈을 이동시켜 적층되는 대상물의 크기 및 형상을 조절할 수 있다. 이 때 상기 제어모듈은 전자빔을 방출하는 고압 하우징(300)을 적층모듈과 함께 이동시킬 수 있다.

즉, 상기 제어모듈의 제어에 의해 상기 적층모듈이 이동됨에 따라 상기 적층모듈은 이동되며, 이에 따라 적층되는 대상물의 크기 및 형상이 달라질 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 대기용 전자빔 3차원 적층장치 120: 캐소드
122: 캐소드 테두리의 라운드진 부분
130: 애노드 132: 개구부
140: 절연홀더 150: 저압 하우징
152: 튜브 154: 절연체
156: 방출구 158: 접지
160: 구동부 170: 냉각부
200: 반사전자 차단구조체 210: 플랜지부
220: 흡수홈 230: 냉각파이프
240: 차단판 300: 고압 하우징
400: 가스조절유닛 410: 유입부
420: 배출부 430: 기압측정부
520: 실드가스 투입부 600: 집속부
700: 편향부 800: 어퍼쳐

Claims (11)

1. 전자빔이 가속되는 공간을 형성하고, 타측에 가속된 전자빔이 방출되는 방출구가 형성된 본체;
   상기 본체 내 일측에 배치되며, 전자를 방출하는 캐소드;
   상기 본체 내에서 상기 캐소드로부터 타측으로 이격되어 위치되며, 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 가속하는 애노드; 및
   상기 본체로부터 방출되는 전자빔의 이동경로 상에 구비되어, 방출된 전자빔에 의해 녹여진 대상물을 적층시키는 적층모듈;
   을 포함하며,
   상기 본체는,
   대기압보다 낮고 일정한 압력이 인가되며 가스가 내부에 투입되어 플라즈마 환경이 형성되고, 상기 캐소드와 상기 애노드가 내부에 구비되어 전자빔이 가속되는 공간을 형성하는 저압 하우징; 및
   상기 저압 하우징과 연통구를 통해 연통되고 상기 저압 하우징에 인가된 압력보다 높고 일정한 압력이 인가되며, 전자빔이 대기로 방출되는 상기 방출구가 상기 연통구로부터 일직선으로 연통되도록 형성된 고압 하우징;
   상기 저압 하우징 또는 상기 고압 하우징 중 적어도 하나에 일정한 압력을 인가하여, 상기 저압 하우징 및 상기 고압 하우징이 서로 다른 압력을 갖도록 조절하는 진공펌프;
   상기 방출구에 구비되는 실드가스 투입부;
   상기 저압 하우징 또는 상기 고압 하우징에 질소가스 또는 헬륨가스를 투입하여 상기 저압 하우징 또는 상기 고압 하우징의 내부를 플라즈마 환경으로 형성하는 가스조절유닛;
   을 더 포함하고,
   상기 가스조절유닛은,
   상기 고압 하우징 또는 상기 저압 하우징 중 적어도 어느 하나에 연결되어 내부로 질소가스 또는 헬륨가스를 공급하는 유입부; 및
   상기 고압 하우징에 구비되어 내부로 유입된 질소가스 또는 헬륨가스가 외부로 배출되도록 하며, 선택적으로 배출여부 및 배출량이 조절되는 배출부;
   를 포함하며,
   상기 실드가스 투입부는 상기 가스조절유닛보다 더 상기 방출구 측에 가깝게 형성된 플라즈마 방식의 대기용 전자빔 방출장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적층모듈을 기 설정된 값에 따라 이동시켜 적층되는 대상물의 크기 및 형상을 조절하는 제어모듈;
   을 더 포함하는 플라즈마 방식의 대기용 전자빔 방출장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 가스조절유닛은,
   상기 고압 하우징 또는 상기 저압 하우징에 구비되어 내부의 압력을 측정하는 기압측정부를 더 포함하는 플라즈마 방식의 대기용 전자빔 방출장치.
   
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 고압 하우징 내부에 구비되어 상기 애노드로부터 가속된 전자빔을 집속시키는 집속부; 및
   상기 고압 하우징 내부에 구비되어 상기 애노드로부터 가속된 전자빔의 방출방향을 편향시키는 편향부;
   를 더 포함하는 플라즈마 방식의 대기용 전자빔 방출장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 저압 하우징 내측에 배치되며, 상기 저압 하우징과 상기 고압 하우징의 연통지점의 주위로부터 상기 애노드 측으로 연장되도록 형성되고, 상기 연통지점 주위에서 반사된 2차전자 및 산란전자가 상기 저압 하우징 내측으로 반사되는 것을 차단하는 반사전자 차단구조체;
    를 더 포함하는 플라즈마 방식의 대기용 전자빔 방출장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 반사전자 차단구조체는,
    상기 애노드와 상기 연통지점 사이에 배치되며,
    상기 연통지점으로부터 상기 애노드를 향하여 연장되며, 내부 중공을 가지고 상기 애노드를 향하는 측 및 상기 연통지점을 향하는 측은 개구된 관의 형태로 형성되는 플라즈마 방식의 대기용 전자빔 방출장치.
    

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