KR101790154B1 - Cam 파일을 자동 생성하는 레이저 클래딩 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 레이저 클래딩 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상기 레이저 클래딩 시스템에 작업 대상물을 장착하고, (a) 상기 작업 대상물에 대한 작업영역을 2차원 평면으로 설정하는 작업영역 설정단계; (b) 설정된 작업영역의 높이를 소정 해상도로 취득할 수 있는 스캔 경로를 생성하는 스캔 경로 생성 단계; (c) 생성된 스캔 경로를 따라 이송부가 동작하며, 높이 측정 센서부를 통해 상기 작업영역의 높이를 측정하여 3차원 형상 데이터를 취득하는 표면 스캔 단계; (d) 상기 표면 스캔 단계를 통해 취득된 3차원 형상 데이터와 설정된 클래딩 두께를 이용하고, 클래딩 작업을 위한 공정 변수를 도출하여, CAM 파일을 생성하는 CAM 파일 생성 단계; 및 (e) 생성된 CAM 파일을 이용하여 레이저 빔 조사부와 이송부를 제어하여 상기 작업영역에 대해 레이저 클래딩을 수행하는 클래딩 단계를 포함할 수 있다.

Description

CAM 파일을 자동 생성하는 레이저 클래딩 방법 및 시스템{LASER CLADDING METHOD AND SYSTEM}

본 발명은 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도로 CAM 파일을 생성하지 않고 3D 프린팅에서 CAM 파일을 자동 생성하여 클래딩을 수행할 수 있는 레이저 클래딩 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 3D 프린팅은 3D 프린터를 이용하여 특정 제품을 3D 입체로 만들어 낼 수 있는 프린팅 기술로서 입체적으로 만들어진 설계도를 이용하여 종이에 인쇄하듯 3차원 공간 안에 실제 제품을 만들어 낼 수 있는 인쇄 방법을 말한다.

이러한 3D 프린팅은 1984년 최초로 개발된 이후로 현재는 수백만 원대의 보급형 제품이 나오고 있고, 부피도 줄어들면서 점차 일반 대중에까지 확산되고 있다. 게다가, 제품을 만들어 내는 재료에 있어서도 초기에는 광경화성 수지 등의 플라스틱 소재에 국한됐지만 최근에는 나일론, 금속 등으로 범위가 확대되고 있다.

또한, 3D 프린팅은 레이저를 이용하여 파우더 형태의 재료를 녹여 제작하게 되는데, 레이저는 집광된 선형 빔을 이용한다. 예를 들어, SLA(Stereo Lithography Apparatus), SLS(Selective Laser Sintering), 레이저 직접 금속 조형 기술(Laser-aided direct metal manufacturing or Direct Energy Deposition) 등이 대표적인 3D 프린팅 방식에 해당된다. 특히, 레이저 직접 금속 조형기술은 기능성 소재(금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 컴퓨터에 저장된 3차원 디지털 형상정보(digital data of 3D subjects)에 따라 정밀하게 레이저로 직접 용착시키는 방식이다. 이때, 3차원 디지털 형상 정보는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(Computer Tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상법) 데이터, 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털 데이터 등을 말한다.

이러한 레이저 직접 금속 조형기술은, CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공 기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공 방식과는 비교할 수 없는 빠른 시간 내에 금속 시작품, 양산 금형, 복잡한 형상의 최종 제품 및 각종 툴(tools)을 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능하다는 장점이 있다. 이때, 툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품 생산에 필요한 양산 금형을 말한다.

또한, 레이저 직접 금속 조형기술은 CAD 데이터로부터 그 물리적 형상을 구현하는 기본 개념은 일반 프린터와 유사하여, 프린터가 컴퓨터에 저장되어 있는 문서 데이터 파일을 이용하여 2차원 종이 평면 위의 정확한 위치에 잉크를 입혀 문서를 제작하듯이, 3차원 CAD 데이터를 이용하여 3차원 공간의 정확한 위치에 기능성 소재를 요구하는 양만큼 형성시킴으로써 3차원의 물리적 형상을 구현한다.

즉, 2차원의 평면은 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 이용하여 물리적으로 구현하는데, 클래딩이란 강(鋼)의 양면 또는 한 면에 다른 금속을 접합하는 용접을 통칭하는 것으로, 합재라고도 하며, 일반적으로 부식되거나 파손된 가공물을 보수하는 용접기술을 의미하기도 한다.

도 1은 일반적인 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 레이저 클래딩 공정은 기판(또는 시편)(10)의 표면(11)에 레이저빔(20)을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)(40)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹, 종이 등)(30)를 공급하여 기판(10)의 표면(11)에 새로운 클래딩 층(45)을 형성시키는 기술이다.

또한, 레이저 직접 금속 조형기술에서는 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.또한, 레이저 직접 금속 조형기술에서는 고정된 레이저빔을 중심으로 기판(10)(또는 시편)을 x, y축으로 이송하거나 또는 고정된 시편(10)을 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.

그러나, 레이저 클래딩은 두 개의 모재를 레이저로 가열하여 접합하는 기술로서 두 모재를 쉽게 접합할 수는 있으나 파손이나 부식 부위만을 복합하는 데는 어려움이 있다.

한국특허공개 10-2003-0039929(2003.05.22 공개)

본 발명은 전술한 요구 및 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 입력 없이 CAM 파일을 자동 생성하여 레이저 클래딩 공정을 수행할 수 있는 레이저 클래딩 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 3차원 형상 파일 없이, 제품의 형상으로부터 3차원 형상 데이터를 취득하여 복제품을 제조할 수 있는 레이저 클래딩 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 일부가 손상된 제품을 레이저 클래딩 방법으로 복원함에 있어서, 완성품의 일부 손상되지 않은 영역의 형상으로부터 3차원 형상 파일 취득하여 복원할 수 있도록 하는 레이저 클래딩 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 일부가 손상된 제품을 레이저 클래딩 방법으로 복원함에 있어서, 동일한 형태의 완성품으로부터 형상으로부터 3차원 형상 파일을 취득하고, 그로부터 손상된 부분을 복원할 수 있도록 하는 레이저 클래딩 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

이를 위해, 본 발명의 일 태양에 따르면, 작업 대상물 상에 레이저 빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 레이저 빔 조사부; 상기 레이저 빔 조사부에 인접하게 배치되어, 클래딩 소재를 상기 레이저 빔 조사부에 의하여 형성되는 용융 풀로 공급하는 소재 공급부; 상기 레이저 빔 조사부와 상기 작업 대상물 사이의 수직 높이를 측정하는 높이 측정 센서부; 상기 레이저 빔 조사부 또는 상기 작업 대상물을 이송시키는 이송부; 및 상기 높이 측정 센서부에서 측정되는 수직 높이를 통해 상기 작업 대상물의 표면을 스캔하여 3차원 형상 데이터를 취득하고, 취득된 3차원 형상 데이터로부터 CAM 파일을 자동 생성하고, 생성된 CAM 파일을 이용하여 상기 레이저 빔 조사부와 상기 소재 공급부와 상기 이송부를 제어하여, 레이저 클래딩을 수행하는 제어부를 포함하는 레이저 클래딩 시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 레이저 빔 조사부는, 레이저 빔 발생 장치와, 상기 작업 대상물의 특정 위치에 용융 풀을 형성하는 집광 수단과, 상기 레이저 빔 발생 장치에서 생성된 레이저 빔을 상기 집광 수단으로 전달하는 레이저 빔 이송수단을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 이송부는 상기 작업 대상물을 X-Y 평면상에서 이동시키고, 상기 레이저 빔 조사부를 Z축 방향으로 이송하도록 구성할 수 있다.

바람직하게, 상기 높이 측정 센서부가 상기 레이저 빔 조사부에 연결되고, 상기 이송부는 상기 높이 측정 센서부와 상기 레이저 빔 조사부를 일체로 이송시킬 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 제1항의 레이저 클래딩 시스템에 작업 대상물을 장착하고, (a) 상기 작업 대상물에 대한 작업영역을 2차원 평면으로 설정하는 작업영역 설정단계; (b) 설정된 작업영역의 높이를 소정 해상도로 취득할 수 있는 스캔 경로를 생성하는 스캔 경로 생성 단계; (c) 생성된 스캔 경로를 따라 이송부가 동작하며, 높이 측정 센서부를 통해 상기 작업영역의 높이를 측정하여 3차원 형상 데이터를 취득하는 표면 스캔 단계; (d) 상기 표면 스캔 단계를 통해 취득된 3차원 형상 데이터와 설정된 클래딩 두께를 이용하고, 클래딩 작업을 위한 공정 변수를 도출하여, CAM 파일을 생성하는 CAM 파일 생성 단계; 및 (e) 생성된 CAM 파일을 이용하여 레이저 빔 조사부와 이송부를 제어하여 상기 작업영역에 대해 레이저 클래딩을 수행하는 클래딩 단계를 포함하는 레이저 클래딩 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 작업영역은 4개의 꼭지점 입력을 통하여 2차원의 다각형으로 설정되거나 폐곡선 형태의 평면으로 설정될 수 있다.

바람직하게, 상기 작업영역은 복수 개 설정될 수 있다.

바람직하게, 상기 (b) 단계에서 상기 스캔 경로는 직교 좌표를 따라 일정 간격으로 이동하는 지그재그 형태 또는 상기 작업영역의 형상에 대응하는 모양의 나선 형태 중 어느 하나가 설정될 수 있다.

바람직하게, 상기 공정 변수는 레이저의 출력, 레이저 빔의 모드, 레이저 빔의 크기, 이송부의 이송속도, 클래딩 소재의 공급량, 클래딩 비드의 중첩도, 공급되는 보조 가스의 종류 및 유량 중의 선택된 어느 하나 또는 하나 이상의 조합으로 설정될 수 있다.

바람직하게, 상기 레이저 클래딩 시스템에 장착된 상기 작업 대상물에 추가하여 복제 대상물을 장착하고, 상기 (a) 단계에서 상기 작업영역을 상기 복제대상물의 2차원 평면으로 설정하고, 상기 복제 대상물에 대하여 상기 (b) 단계 내지 상기 (d) 단계를 수행하고, 상기 작업 대상물에 대하여 상기 (e) 단계를 수행할 수 있다.

바람직하게, 상기 레이저 클래딩 시스템에 장착된 상기 작업 대상물에서 손상된 영역인 복원대상영역과 손상되지 않은 영역인 복제대상영역을 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 복원대상영역 및 상기 복제대상영역에 대하여 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 모두 수행하고, 상기 (d) 단계에서 상기 복원대상영역과 상기 복제대상영역의 두께 차이만큼의 클래딩을 형성할 수 있는 CAM 파일을 생성하고, 상기 (e) 단계에서 클래딩 과정은 상기 복원대상영역에서만 수행될 수 있다.

바람직하게, 상기 레이저 클래딩 시스템에 장착된 동일한 형태를 갖는 작업 대상물로서 완성품인 제1 작업 대상물과 손상된 영역을 포함하는 제2 작업 대상물을 포함하고, 상기 (a) 단계에서 상기 제1 작업 대상물과 상기 제2 작업 대상물의 기준점을 일치시키고, 상기 기준점을 통해 상기 제2 작업 대상물의 손상된 영역에 대칭되는 상기 제1 작업 대상물의 대칭영역을 상기 작업영역의 2차원 평면으로 설정하고, 상기 제1 작업 대상물의 대칭영역에 대하여 상기 (b) 단계 내지 상기 (d) 단계를 수행하고, 상기 제2 작업 대상물의 손상된 영역에 대하여 상기 (e) 단계를 수행할 수 있다.

본 발명은, 레이저 클래딩 시스템에서 작업 대상물을 스캔하여 CAM 파일을 자동 생성하고, 자동 생성된 CAM 파일을 이용하여 레이저 클래딩 작업을 수행할 수 있도록 함으로써, 공정의 효율성을 도모하고 비용 절감의 효과를 가져올 수 있다.

또한, 손상되지 않은 부분의 형상으로부터 3차원 형상 데이터를 취득하고, 그로부터 레이저 클래딩 공정을 수행하여 3차원 형상 파일이 없는 제품의 손상 부분을 손쉽게 복원할 수 있게 한다.

도 1은 일반적인 레이저 클래딩 시스템을 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템을 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 방법을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 방법의 작업 영역 설정 단계를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 방법의 스캔 경로 생성 단계를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 클래딩 방법을 나타낸 순서도,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 클래딩 방법을 나타낸 순서도,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 클래딩 방법의 작업 영역 입력 단계를 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 레이저 클래딩 방법의 작업 영역 설정 단계를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

먼저, 본 발명에 따른 레이저 클래딩 방법이 적용될 수 있는 레이저 클래딩 시스템에 관하여 살펴본다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템(100)은 레이저 빔 조사부(110)와, 소재 공급부(120)와, 높이 측정 센서부(130)와, 이송부(140)와, 제어부(150)를 포함한다.

여기서, 레이저 빔 조사부(110)는 작업 대상물(W) 상에 레이저 빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 장치이며, 레이저 빔 발생 장치, 레이저 빔 이송수단, 집광 수단 등을 포함할 수 있다. 가령, 레이저 빔 발생 장치에서 생성된 레이저 빔이 레이저 빔 이송수단을 통해 집광 수단으로 전달되고, 집광 수단을 통해 작업 대상물(W)의 특정 위치에 용융 풀을 형성하게 된다.

또한, 소재 공급부(120)는 레이저 빔 조사부(110)에 인접하게 배치되어, 클래딩 소재를 레이저 빔 조사부(110)에 의하여 형성되는 용융 풀로 공급하는 역할을 수행한다. 가령, 소재 공급부(120)를 통해서 공급되는 소재는 분말 형태이거나 와이어 형태일 수 있다.

또한, 높이 측정 센서부(130)는 레이저 빔 조사부(110)와 작업 대상물(W) 사이의 수직 높이를 측정하는 역할을 수행한다. 이때, 높이 측정 센서부(130)는 접촉방식에 있어서 접촉 또는 비접촉 방식의 센서를 이용할 수 있고, 바람직하게는 비접촉 방식의 레이저 센서를 이용할 수 있다. 또한, 높이 측정 센서부(130)는 사용되는 센서의 개수에 있어서 단일의 센서를 이용하거나 복수개의 센서를 이용하여 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 높이 측정 센서부(130)는 레이저 빔 조사부(110)에 연결되어 일체로 형성하거나 레이저 빔 조사부(110)와 분리하여 별도로 형성할 수 있다.

또한, 이송부(140)는 레이저 빔 조사부(110) 또는 작업 대상물(W)을 이송시키는 역할을 수행한다. 이때, 이송부(140)는 레이저 빔 조사부(110)를 3축 방향으로 이송하는 형태이거나, 작업 대상물(W)을 3축 방향으로 이송하는 형태일 수 있다. 또한, 다른 형태로는 작업 대상물(W)을 X-Y 평면상에서 이동시키고, 레이저 빔 조사부(110)를 Z축 방향으로 이송하도록 구성할 수도 있다. 또한, 높이 측정 센서부(130)가 레이저 빔 조사부(110)에 연결된 경우에는 이송부(140)는 레이저 빔 조사부(110)와 일체로 이송할 수 있다.

또한, 제어부(150)는 상기 레이저 클래딩 시스템(100)의 레이저 빔 조사부(110), 소재 공급부(120), 높이 측정 센서부(130), 이송부(140)를 제어하고, 실시간으로 각 구성요소의 상태를 모니터링할 수 있다. 이때, 제어부(150)는 PC(퍼스널 컴퓨터), CNC(수치제어시스템) 등과 각종 입출력 장치로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 도 2의 레이저 클래딩 시스템(100)에 따르면, 상기 레이저 빔 조사부(110)를 통해 작업 대상물(W) 상에 레이저 빔을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)을 형성하고, 형성된 용융 풀에 소재 공급부(120)를 통해 클래딩 소재를 공급하여, 작업 대상물(W)의 표면에 새로운 클래딩 층(C)을 형성하게 된다. 이때, 클래딩 층(C)은 2차원의 평면에 형성되는 것이나, 2차원의 평면을 적층하는 형태로 3차원 형상을 구현할 수 있다.

특히, 기존의 레이저 클래딩 시스템에는 CAD/CAM 장치(160)가 더 포함될 수 있으나, 본 발명에 따른 레이저 클래딩 시스템(100)에서는 별도의 CAD/CAM(160) 장치 없이 CAM 파일을 자동 생성하여 레이저 클래딩 공정을 수행함에 특징이 있다. 즉, 본 발명에서는, 높이 측정 센서부(130)가 레이저 빔 조사부(110)와 작업 대상물(W) 사이의 수직 높이를 측정하고, 측정된 높이는 레이저 빔 조사부(110)와 작업 대상물(W) 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 용도로 활용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 높이 측정 센서부(130)에서 측정되는 수직 높이를 통해 작업 대상물의 표면을 스캔하여 3차원 형상을 취득하고, 이로부터 CAM 파일을 자동 생성하여 레이저 클래딩 공정을 수행할 수 있다.

이를 통해, 기존의 플라즈마 용사, 아크 용접 등의 기술에 비해 모재(작업 대상물)와 클래딩 층 사이의 접합이 우수하고, 모재의 용융을 최소화하고, 클래딩 층을 정밀하게 원하는 위치에 적층할 수 있어 후가공을 절감할 수 있는 장점이 있다.

이하에서, 도 2의 레이저 클래딩 시스템을 이용한 레이저 클래딩 방법에 대해 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 공정을 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 공정에서 작업 영역 설정 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 공정에서 스캔 경로 생성 단계를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 작업 대상물의 특정 영역에 일정 두께의 클래딩층을 형성하기 위한 방법이다.

종래에 작업 대상물의 표면에 일정 두께의 클래딩 층을 형성하기 위해서는, 작업 대상물의 3차원 형상 데이터와, 3차원 형상 데이터에 클래딩 층을 형성하기 위한 CAM 파일을 마련하여, 이들을 제어부에 입력하여 레이저 클래딩 공정을 수행하였다. 그러나, 본 발명은 작업 대상물을 장착하여, 3차원 형상 데이터를 취득하고, CAM 파일을 자동 생성하여 레이저 클래딩 공정을 수행할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 작업 영역 설정 단계(S210)와, 스캔 경로 생성 단계(S220)와, 표면 스캔 단계(S230)와, CAM 파일 생성 단계(S240)와, 클래딩 단계(S250)를 포함한다.

먼저, 작업 영역 설정 단계(S210)는 작업 대상물을 장착하고, 작업 대상물의 작업 영역(A)을 2차원 평면으로 설정하는 단계이다. 이때, 작업 영역(A)의 설정은 4개의 꼭지점 입력을 통하여 2차원의 다각형으로 설정되거나, 폐곡선 형태의 평면을 설정될 수 있다.

또한, 작업 영역(A)은 2차원 캐드 파일을 입력받거나, 이송부를 조절하며 작업 영역(A)를 2차원의 다각형 또는 폐곡선 형태의 평면으로 특정하여 정의하는 방법으로 이루어질 수도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 작업 대상물(W)에 작업 영역(A)을 설정하게 되며, 작업 영역(A)은 2차원의 다각형 또는 폐곡선 형태로 형성될 수 있다. 또한, 하나의 작업 대상물(W)에 대하여 복수의 작업 영역이 설정될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스캔 경로 생성 단계(S220)는 설정된 작업 영역(A)의 높이를 일정 해상도로 취득할 수 있는 스캔 경로(SP)를 생성하는 단계이다. 이때, 스캔 경로는 도시한 바와 같이 직교 좌표를 따라 일정 간격으로 이동하는 지그재그 형태 또는, 작업 영역의 형상에 대응하는 모양의 나선 형태 등으로 설정될 수 있다.

이어, 표면 스캔 단계(S230)는 생성된 스캔 경로를 따라 이송부가 동작하며, 높이 측정 센서부를 통해 작업 영역의 높이를 측정하여 3차원 형상 데이터를 취득하는 단계이다.

이어, CAM 파일 생성 단계(S240)는 표면 스캔 단계(S230)를 통해 취득된 3차원 형상 파일과 입력된 클래딩 두께를 이용하여, 클래딩 작업을 위한 공정 변수를 연산하여 도출하고, 이로부터 CAM 파일을 생성하는 단계이다. 이때, 공정 변수로는 레이저의 출력, 레이저 빔의 모드, 레이저 빔의 크기, 이송부의 이송속도, 클래딩 소재의 공급량, 클래딩 비드의 중첩도, 공급되는 각종 보조 가스의 종류 및 유량 등이 포함될 수 있다.

이어, 클래딩 단계(S250)는 생성된 CAM 파일을 이용하여 레이저 빔 조사부와, 이송부를 제어하여 레이저 클래딩을 수행하는 단계이다.

이와 같이, 제1 실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 작업 대상물을 장착하고, 작업 영역과 클래딩 높이만을 설정하는 것으로 3차원 형상 데이터와, CAM 파일을 자동 생성하여 레이저 클래딩 공정을 수행함으로써, 3차원 형상 데이터가 없는 제품에도 간편하게 레이저 클래딩 공정을 수행할 수 있으며, CAM 파일이 자동으로 생성되므로 CAM 프로그램 입력에 소요되는 시간과 노력을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 클래딩 방법을 나타낸 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 동일한 형상의 제품을 레이저 클래딩 방법으로 복제하기 위한 것이다. 가령, 동일한 형상의 제품, 즉 복제 대상물을 작업 대상물에 레이저 클래딩 방법으로 복제할 수 있게 된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은, 복제 대상물을 작업영역으로 설정하고 레이저 클래딩 시스템에 추가적으로 장착하게되고, 상기 복제대상물의 2차원 평면으로 설정한다(S610). 이어, 스캔 경로 생성 단계(S620)와, 표면 스캔 단계(S630)와, CAM 파일 생성 단계(S640)와, 클래딩 단계(S650)를 포함한다.

이를 위해, 스캔 경로 생성 단계(S620)와 표면 스캔 단계(S630)와, CAM 파일 생성 단계(S640)는 복제 대상물을 장착하고 이루어지며, 클래딩 단계(S650)는 작업 대상물을 장착하고 이루어지게 된다. 이때, 스캔 경로 생성 단계(S620)와 표면 스캔 단계(S630)와, CAM 파일 생성 단계(S640)는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.

일반적으로 제품을 제작하기 위해서는 제품의 3차원 형상 파일과, CAM 파일이 필요한데, 본 발명에 따른 레이저 클래딩 방법은 복제 대상물을 장착하고 3차원 형상을 스캔한 후, 작업 대상물을 장착한 후 클래딩 공정을 수행함으로써 별도의 파일 작업 없이 3차원 형상의 제품을 복제할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 클래딩 방법을 나타낸 순서도이고, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 클래딩 방법의 작업 영역 설정 단계를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 하나의 작업 대상물에서 손상된 부분을 손상되지 않은 다른 부분의 형상으로부터 복원할 수 있도록 하는 방법이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 작업 영역 설정 단계(S710)와, 스캔 경로 생성 단계(S720)와, 표면 스캔 단계(S730)와, CAM 파일 생성 단계(S740)와, 클래딩 단계(S750)를 포함한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 작업 영역 설정 단계(S710)는, 작업대상물(W)에서 손상된 영역인 복원 대상 영역(A1)과, 손상되지 않은 영역인 복제 대상 영역(A2)을 설정하는 단계이다. 이때, 하나의 작업대상물(W) 내에서 복원 대상 영역(A1)과 일치하는 동일한 형태의 복제 대상 영역(A2)이 구비될 필요가 있다.

이어, 스캔 경로 생성 단계(S720)와 표면 스캔 단계(S730)는 복원 대상 영역(A1)과 복제 대상 영역(A2)에 대하여 모두 수행된다. 이때, 스캔 경로 생성 단계(S720)와 표면 스캔 단계(S730)는 앞서 설명한 실시예들과 동일하므로 중복 설명은 생략한다.

이어, CAM 파일 생성 단계(S740)는 복원 대상 영역(A1)과 복제 대상 영역(A2)의 두께 차이만큼의 클래딩 층을 형성할 수 있는 CAM 파일을 생성하게 되며, 클래딩 단계(S750)는 복원 대상 영역에서 이루어지게 된다. 이를 통해, 손상된 영역(A1)이 손상되지 않은 영역인 복제 대상 영역(A2)에 의해 복원된다.

도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 레이저 클래딩 방법을 나타낸 순서도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은 완성품(또는 원제품)의 3차원 형상 파일을 이용하여, 손상된 작업 대상물의 손상 부분을 작업 영역으로 설정하여 손상된 부분을 복원할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 가령, 동일한 형태를 갖는 2개의 제품에 대하여 그 중 어느 하나가 손상된 경우에 적용될 수 있다.

본 발명의 제4실시예에 따른 레이저 클래딩 방법은, 전술한 제1 실시예에서의 작업영역 설정 단계(S910)와, 스캔 경로 생성 단계(S920)와, 표면 스캔 단계(S930)와, CAM 파일 생성 단계(S940)와, 클래딩 단계(S950)를 포함한다. 다만, 제1 실시예와의 차이점 위주로 설명한다.

먼저, 작업영역 설정 단계(S910)에서, 상기 레이저 클래딩 시스템에 장착된 동일한 형태를 갖는 작업 대상물로서 완성품인 제1 작업 대상물과 손상된 영역을 포함하는 제2 작업 대상물을 구비한다. 이때, 비록 제2 작업 대상물은 손상된 영역을 포함하지만 완성품 제1 작업 대상물과 동일한 형태이므로, 상기 제1 작업 대상물과 상기 제2 작업 대상물의 기준점을 일치시킬 필요가 있으며, 기준점을 통해 제2 작업 대상물의 손상된 영역과 대칭되는 상기 제1 작업 대상물의 대칭영역을 구할 수 있고, 대칭영역을 그대로 손상된 영역에 레이저 클래딩하여 복원할 수 있게 된다. 또한, 장착된 완성품(제1 작업 대상물)을 기준으로 할 수 있지만 완성품의 3차원 형상파일을 이용할 수도 있다.

이어, 스캔 경로 생성 단계(S920)에서는 제1 작업 대상물의 대칭영역이 작업영역으로, 제1 작업 대상물의 대칭영역의 2차원 평면에 대하여 상기 스캔 경로를 생성하고, 표면 스캔 단계(S930)을 수행한다. 이때, 스캔 경로 생성 단계(S920)와, 표면 스캔 단계(S930)는 앞서 설명한 실시예들과 동일하므로 중복 설명은 생략한다.

이어, CAM 파일 생성단계(S940)는, 완성품 또는 완성품의 3차원 형상 파일과 표면 스캔 단계(S930)를 통해서 취득된 3차원 형상 파일의 높이 차이를 클래딩 할 수 있도록 CAM 파일을 생성하게 된다.

이후, 상기 제2 작업 대상물의 손상된 영역에 대하여 클래딩 단계(S950)가 수행되어 손상된 부분이 완성품의 형상으로 복원된다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 레이저 클래딩 시스템
110 : 레이저 빔 조사부
120 : 소재 공급부
130 : 높이 측정 센서부
140 : 이송부
150 : 제어부
W : 작업대상물
A : 작업 대상 영역
A1 : 복원 대상 영역
A2 : 복제 대상 영역
SP : 스캔 경로

Claims (12)

1. 작업 대상물 상에 레이저 빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 레이저 빔 조사부; 상기 레이저 빔 조사부에 인접하게 배치되어, 클래딩 소재를 상기 레이저 빔 조사부에 의하여 형성되는 용융 풀로 공급하는 소재 공급부; 상기 레이저 빔 조사부와 상기 작업 대상물 사이의 수직 높이를 측정하는 높이 측정 센서부; 상기 레이저 빔 조사부 또는 상기 작업 대상물을 이송시키는 이송부; 및 상기 레이저 빔 조사부와 상기 소재 공급부와 상기 이송부를 제어하여 레이저 클래딩을 수행하는 제어부;를 포함하는 레이저 클래딩 시스템에서의 레이저 클래딩 방법에 있어서,
   (a) 상기 작업 대상물에서 손상된 영역인 복원대상영역과 손상되지 않은 영역인 복제대상영역을 2차원 평면으로 작업영역으로 설정하는 단계; (b) 상기 작업영역의 높이를 소정 해상도로 취득할 수 있는 스캔 경로를 생성하는 단계; (c) 생성된 스캔 경로를 따라 상기 이송부가 동작하며, 상기 높이 측정 센서부를 통해 상기 작업영역의 높이를 측정하여 상기 높이만큼 상기 2차원 평면을 적층하는 형태로 3차원 형상 데이터를 취득하는 단계; (d) 상기 3차원 형상 데이터에서 상기 복원대상영역과 상기 복제대상영역의 두께 차이만큼의 클래딩 층 높이를 설정하고, 설정된 클래딩 층의 높이와 클래딩 작업을 위한 공정 변수를 이용하여 CAM 파일을 생성하는 단계; 및 (e) 생성된 CAM 파일을 이용하여 상기 레이저 빔 조사부와 상기 이송부를 제어하여 상기 복원대상영역에 대해서만 레이저 클래딩을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 방법.
2. 작업 대상물 상에 레이저 빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 레이저 빔 조사부; 상기 레이저 빔 조사부에 인접하게 배치되어, 클래딩 소재를 상기 레이저 빔 조사부에 의하여 형성되는 용융 풀로 공급하는 소재 공급부; 상기 레이저 빔 조사부와 상기 작업 대상물 사이의 수직 높이를 측정하는 높이 측정 센서부; 상기 레이저 빔 조사부 또는 상기 작업 대상물을 이송시키는 이송부; 및 상기 레이저 빔 조사부와 상기 소재 공급부와 상기 이송부를 제어하여 레이저 클래딩을 수행하는 제어부;를 포함하는 레이저 클래딩 시스템에서의 레이저 클래딩 방법에 있어서,
   (a) 상기 작업 대상물로서 동일한 형태를 갖는 완성품인 제1 작업 대상물과 손상된 영역을 포함하는 제2 작업 대상물의 기준점을 일치시키고, 상기 기준점을 통해 상기 제2 작업 대상물의 손상된 영역에 대칭되는 상기 제1 작업 대상물의 대칭영역을 2차원 평면으로 작업영역으로 설정하는 단계; (b) 상기 작업영역의 높이를 소정 해상도로 취득할 수 있는 스캔 경로를 생성하는 스캔 경로 생성 단계; (c) 생성된 스캔 경로를 따라 이송부가 동작하며, 상기 높이 측정 센서부를 통해 상기 작업영역의 높이를 측정하여 상기 높이만큼 상기 2차원 평면을 적층하는 형태로 3차원 형상 데이터를 취득하는 단계; (d) 상기 3차원 형상 데이터에서 상기 제1 작업 대상물의 대칭영역과 상기 제2 작업 대상물의 손상된 영역의 두께 차이만큼의 클래딩 층 높이를 설정하고, 설정된 클래딩 층의 높이와 클래딩 작업을 위한 공정 변수를 이용하여 CAM 파일을 생성하는 단계; 및 (e) 생성된 CAM 파일을 이용하여 상기 레이저 빔 조사부와 상기 이송부를 제어하여 상기 제2 작업 대상물의 손상된 영역에 대해서만 레이저 클래딩을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 작업영역은 4개의 꼭지점 입력을 통하여 2차원의 다각형으로 설정되거나 폐곡선 형태의 평면으로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 작업영역은 복수 개 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 (b) 단계에서 상기 스캔 경로는 직교 좌표를 따라 일정 간격으로 이동하는 지그재그 형태 또는 상기 작업영역의 형상에 대응하는 모양의 나선 형태 중 어느 하나가 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 공정 변수는 레이저의 출력, 레이저 빔의 모드, 레이저 빔의 크기, 이송부의 이송속도, 클래딩 소재의 공급량, 클래딩 비드의 중첩도, 공급되는 보조 가스의 종류 및 유량 중의 선택된 어느 하나 또는 하나 이상의 조합으로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 방법.
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