KR102000922B1 - 금속 3d 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치 - Google Patents

금속 3d 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치 Download PDF

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Abstract

레이저 빔이 이송되는 광케이블의 끝단을 노즐유닛에 마련된 광학계와의 거리를 조절하여 레이저가 도달하는 포커스 지점에서의 레이저 빔 사이즈를 조절함과 아울러 레이저 빔이 도달하는 포커스 위치에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 정확한 포커싱(focusing)이 이루어질 수 있도록 광케이블의 끝단을 회전방식 또는 슬라이드 방식에 의해 노즐유닛 내에 구비된 광학계와의 거리를 조절함에 따라 포커스 지점에 도달하는 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 단계; 및 상기 조절된 레이저 빔의 사이즈에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 레이저 빔이 도달되는 포커스 지점을 포커싱 하는 단계;를 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절방법 및 조절장치를 제공한다.
그에 따라 간단한 구조로 인한 금속 3D 프린터에의 적용이 간단하게 이루어질 수 있는 효과는 물론 필요로 하는 레이저 빔의 사이즈를 간단하면서 편리하게 조절하여 제품 제작효율성을 극대화할 수 있는 효과도 가진다.

Description

금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치{Laser beam sizing device of metal 3D printer}
본 발명은 금속 3D 프린터를 이용하여 제품을 제작하는 과정에서 레이저 빔이 도달하는 포커스(focus) 지점에서의 레이저 빔 사이즈를 조절하는 것에 관한 것으로, 더 상세하게는 레이저 빔이 이송되는 광케이블의 끝단을 노즐유닛에 마련된 광학계와의 거리를 조절하여 레이저가 도달하는 포커스 지점에서의 레이저 빔 사이즈를 조절함과 아울러 레이저 빔이 도달하는 포커스 위치에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 정확한 포커싱(focusing)이 이루어질 수 있도록 한 금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속 3D 프린터는 금속 분말과 레이저를 이용하여 제품을 제작시 사용되는 것으로, DED(Direct Energy Deposition) 방식과 PBF(Powder Bed Fusion) 방식 및 ME(Material Extrusion) 방식 등 3가지 종류로 나뉜다.
DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력 레이저를 집광해 모제에 용융풀을 형성하고 금속 분말이나 와이어를 공급해 적층하는 방식을 말한다.
PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 금속 분말을 얇게 깔고 레이저 프린터와 동일한 원리로 고출력 레이저를 분말에 조사해 용융시키는 방식으로 형상을 만들어 낸다. DED 방식에 비해 강도는 떨어지지만 복잡한 형상제작에 유리하다.
ME(Material Extrusion) 방식은 금속 보다는 플라스틱 계열에 적용되는 방식으로 주로 액체 상태의 플라스틱을 밀어내어 적층하는 방식이다. 금속에 ME 방식을 적용하기 위해서는 고온에서 금속을 녹여야 하는 조건을 가진다.
이렇게, 금속 3D 프린터는 금속 분말을 이용하여 제품을 제작하는 것으로, 레이저 빔이 이송되는 광케이블은 안정성을 위해 노즐유닛에 유동 없이 고정된다. 즉, 광케이블 끝단에 마련되는 커넥터에 의해 노즐유닛에 복수의 스크류 등에 의해 유동성 없이 고정된다.
그에 따라 노즐유닛의 내부에 구비된 광학부를 거친 레이저 빔이 도달하는 포커스 지점 또한 항시 동일한 위치로 지정된다.
그로 인해 제품을 제작하는 과정에서 필요에 따라 레이저 빔이 도달하는 포커스 지점에서의 사이즈를 변화가 요구될 때, 노즐유닛 자체에서는 조절할 수 없었으며, 노즐유닛을 이동수단 등에 의해 이동시켜 레이저 빔이 도달하는 포커스 지점에서의 사이즈를 변화시키는 번거롭고 불편한 단점을 가진다.
상기와 같이 금속 3D 프린터에서의 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위한 종래의 선행기술에는 대한민국 등록특허공보 제10-1657700호(이하 '선행기술문헌 1'이라 한다)에 게시된 바와 같이 광의 광출사경로 상에 설치되어 광빔의 단면적 크기를 조절하는 빔사이즈 조정부와, 각 렌즈 간의 이격거리를 조정하여 평행빔의 단면 사이즈를 조정하는 이격거리 조정부를 포함하여 레이저 빔 사이즈를 조정하는 기술이 제안된 바 있다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1676738호(이하 '선행기술문헌 2'라 한다)에 게시된 바와 같이 소결될 분만 부분의 면적에 따란 각 렌즈의 폭을 조절하여 빔폭을 조절하는 빔폭 조절부와, 상기 빔폭 조절부의 빔폭 조절에 따라 빔세기를 동일하게 조절하는 빔세기 조절부를 포함하는 3D 프리터 빔 조절장치와 같은 기술도 제안된 바 있다.
또, 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0082044호(이하 '선행기술문헌 3'이라 한다)에 게시된 바와 같이 출력광의 광경로를 조정한는 갈바노미터 및 상기 갈바노미터를 거친 출력광의 초점을 보정하는 포커싱보정수단을 포함하는 3차원 프린터 광출력장치와 같은 기술도 제안된 바 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1657700호 대한민국 등록특허공보 제10-1676738호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0082044호
그러나 선행기술문헌 1 내지 3은 광학계인 각 렌즈의 거리를 조정함에 따라 빔 사이즈를 조정하는 것으로, 그 구조가 복잡함은 물론 각 렌즈의 거리 조정이 정밀하게 이루어지지 않을 경우, 원하는 빔 사이즈로의 조정이 용이하게 이루어지지 않은 단점을 가진다.
상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 구체적인 해결과제는 간단한 구조인 레이저 빔이 이송되는 광케이블의 끝단을 노즐유닛에 마련된 광학계와의 거리를 조절하여 레이저가 도달하는 포커스 지점에서의 레이저 빔 사이즈를 조절함과 아울러 레이저 빔이 도달하는 포커스 위치에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 정확한 포커싱(focusing)이 이루어질 수 있도록 한 금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절방법 및 조절장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 구체적인 해결과제는 레이저 빔 사이즈 조절을 간단한 회전방식에 의해 이루어질 수 있도록 하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 구체적인 해결수단은 금속 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛의 일면에 결합 고정되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛 내의 광학계를 거친 후 노즐 헤드를 통하여 포커스 지점으로 조사되는 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 조절방법으로, 상기 광케이블의 끝단을 회전방식 또는 슬라이드 방식에 의해 노즐유닛 내에 구비된 광학계와의 거리를 조절함에 따라 포커스 지점에 도달하는 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 단계; 및 상기 조절된 레이저 빔의 사이즈에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 레이저 빔이 도달되는 포커스 지점을 포커싱 하는 단계;를 포함한다.
금속 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛의 일면에 결합 고정되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛 내의 광학계를 거친 후 노즐 헤드를 통하여 포커스 지점으로 조사되는 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 조절장치로, 상기 광케이블의 끝단에 마련된 커넥터의 선단에 구비되는 제1 결합관; 상기 노즐유닛의 광학계가 위치한 하우징에 마련되는 제2 결합관; 상기 제1,2 결합관의 외주면에 결합되어 회전에 의해 상기 광케이블의 끝단을 노즐유닛 내의 광학계와의 거리를 조절할 수 있도록 구비되는 조절관; 및 상기 노즐유닛에 구비된 노즐 헤드를 회전 방식 또는 슬라이드 방식에 의해 승강하는 승강부;를 포함한다.
상기 조절관에 의한 거리 조절은 제1,2 결합관의 외측면에 서로 반대 반향으로 형성되는 각각의 제1 나선부, 상기 조절관의 내측면에 상기 제1,2 결합관에 형성된 각 제1 나선부와 대응되게 형성되는 제2 나선부에 의해 조절된다.
상기 조절관에 의한 거리 조절은 제2 결합관의 끝단과 조절관의 끝단에 형성되는 각각의 걸림턱에 의해 상기 조절관이 제2 결합관으로부터 회전 가능하게 마련되고, 상기 제1 결합관의 외주면에 형성되는 외측 나선 및 상기 조절관에 상기 외측 나선과 대응되게 형성되는 내측 나선에 의해 조절된다.
본 발명은 간단한 구조인 레이저 빔이 이송되는 광케이블의 끝단을 노즐유닛에 마련된 광학계와의 거리를 조절하여 레이저가 도달하는 포커스 지점에서의 레이저 빔 사이즈를 조절함과 아울러 레이저 빔이 도달하는 포커스 위치에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 정확한 포커싱(focusing)이 이루어질 수 있도록 함으로써, 간단한 구조로 인한 금속 3D 프린터에의 적용이 간단하게 이루어질 수 있는 효과는 물론 필요로 하는 레이저 빔의 사이즈를 간단하면서 편리하게 조절하여 제품 제작효율성을 극대화할 수 있는 효과도 가진다.
또한, 레이저 빔 사이즈 조절을 간단한 회전방식에 의해 이루어질 수 있도록 함으로써, 작업자 누구나가 번거롭거나 불편함 없이 간편하게 조절하여 사용할 수 있는 편리성도 제공한다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일부 분해 단면도,
도 2는 도 1에 따른 결합 된 상태의 단면도,
도 3은 도 2에 따른 거리가 조절되는 상태를 설명하기 위한 단면도,
도 4는 본 발명 광케이블의 거리 조절에 따른 포커스 지점의 변화된 상태를 설명하기 위한 시뮬레이션,
도 5는 본 발명에 의해 가공된 선폭을 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일부 분해 단면도이며, 도 2는 도 1에 따른 결합 된 상태의 단면도이고, 도 3은 도 2에 따른 거리가 조절되는 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도시된 바와 같이 레이저 빔의 사이즈는 금속 3D 프린터에 의해 제품을 제작하는 과정에서 그 레이저 빔이 도달하는 포커스 지점에서 정해지는 크기를 의미한다.
그에 따라 레이저 빔은 금속 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛(100)의 일면에 결합 고정되는 광케이블(112)을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛(100) 내의 광학계(102)를 거친 후 노즐 헤드(104)를 통하여 포커스 지점으로 조사된다.
특히, 종래 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위해서는 대부분이 광학계에 마련된 각각의 렌즈의 거리를 조정하는바, 이는 구조가 복잡할 뿐만 아니라 정밀조절이 이루어지지 않을 경우, 원하는 사이즈로의 조절이 원활하게 이루어지지 않는 단점을 가진다.
본 발명은 간단한 구조인 레이저 빔이 이송되는 광케이블의 끝단을 노즐유닛에 마련된 광학계와의 거리를 조절하여 레이저가 도달하는 포커스 지점에서의 레이저 빔 사이즈를 조절함과 아울러 레이저 빔이 도달하는 포커스 위치에 따라 노즐 헤드를 승강시켜 정확한 포커싱(focusing)이 이루어질 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명에 따른 레이저 빔의 사이즈 조절은 상기 광케이블(112)의 끝단에 마련된 커넥터(110)의 선단에 구비되는 제1 결합관(10)과; 상기 노즐유닛(100)의 광학계(102)가 위치한 하우징(100A)에 마련되는 제2 결합관(20); 상기 제1,2 결합관(10)(20)의 외주면에 결합되어 회전에 의해 상기 광케이블(112)의 끝단을 노즐유닛(100) 내의 광학계(102)와의 거리를 조절할 수 있도록 구비되는 조절관(30); 및 상기 노즐유닛(100)에 구비된 노즐 헤드(104)를 통상적인 나사 결합방식 등과 같은 회전 방식 또는 가이드 돌기와 가이드 홈 등에 의한 슬라이드 방식에 의해 승강하는 승강부(40);를 포함한다.
조절관(30)에 의한 거리 조절은 제1,2 결합관(10)(20)의 외측면에 서로 반대 반향으로, 즉 왼나사와 오른나사와 같은 형성되는 각각의 제1 나선부(12), 상기 조절관(30)의 내측면에 상기 제1,2 결합관(10)(20)에 형성된 각 제1 나선부(12)와 대응되게 형성되는 제2 나선부(32)에 의해 조절된다. 즉, 상기 조절관(30)과 제1,2 결합관(10)(20)은 통상 턴버클의 원리를 이용한 것으로, 상기 제1,2 결합관(10)(20)의 외주면에 결합된 조절관(30)을 회전시킴에 따라 커넥터(110)에 결합된 광케이블(112)의 끝단이 노즐유닛(100) 내의 광학계(102)와의 거리가 조절되는 것이다.
다시 말해서, 제1,2 결합관(10)(20)의 외주면에 결합된 조절관(30)을 회전시킴에 따라 커넥터(110)에 결합된 광케이블(112)의 끝단이 노즐유닛(100) 내의 광학계(102)와의 거리가 조절되는 것이고, 그로 인해 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔의 포커스 지점에서의 사이즈가 조절되어 진다.
이러한 레이저 빔의 포커스 지점에서의 사이즈가 조절되는 것은, 도 4의 시뮬레이션에 도시한 바와 같이 광케이블(112)의 끝단이 광학계(102)와 멀어질수록 포커스 지점을 짧아지고, 반대로 광케이블(112)의 끝단이 광학계(102)와 가까워질수록 포커스 지점은 길게 위치하는 것을 확인할 수 있다.
더욱이, 레이저 빔의 사이즈 조절은 결국, 도 5에서와같이 가공되는 선폭이 서로 다른 폭으로 형성되는 중요한 구성요소이다. 그에 따라 원하는 선폭을 번거롭거나 불편함 없이 자유자재로 조절할 수 있는 편리성도 가진다.
아울러, 상기와 같이 조절관(30)에 의해 광케이블(112)의 끝단을 광학계(102)와의 거리를 조절함에 따라 레이저 빔의 포커스 지점이 다르게 위치함에 따라 이때, 노즐 헤드(104)는 그 포커스 지점에 따라 승강부(40)에 의해 승강시켜 레이저 빔의 포커스 지점이 정확하게 포커싱 될 수 있도록 조절한다.
이로써, 본 발명은 복잡한 기술적 구성을 가지는 것이 아니라 간단한 구조를 가짐은 물론 종래와 같이 복잡한 구조를 가지는 광학계의 각 렌즈 거리를 조정하는 것이 아니라 광학계로 입사되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔의 거리를 조절함으로써, 광학계를 거쳐 포커스 되는 지점에서의 사이즈 조절이 용이하게 이루어질 수 있는 편리성과 높은 효율성을 제공한다.
또한, 조절방식에 있어, 복잡한 방식이 아닌 간단한 회전방식에 의해 필요로 하는 레이저 빔 사이즈로 정확하게 조절할 수 있는 사용의 편리성도 제공한다.
아울러, 레이저 빔 사이즈 조절에 따라 노즐 헤드의 승강에 따른 포커싱 또한 정확하게 이루어져, 정밀 가공에도 뛰어난 작업성 또한 제공할 수 있는 조건을 가진다.
한편, 조절관을 전술한 바와 같이 턴버클의 원리를 이용하여 회전시킬 수 있을 뿐만 아니라 도 6에 도시된 바와 같이 노즐유닛 측의 제2 결합관과 조절관은 회전만 이루어질 수 있도록 하면서 반대 측의 광케이블이 결합된 커넥터 측만이 조절이 이루어질 수 있는 기술적 구성도 제공한다.
조절관(30)의 거리 조절은 제2 결합관(20)의 끝단과 조절관(30)의 끝단에 형성되는 통상적인 환형 형태의 각각의 걸림턱(40)에 의해 상기 조절관(30)이 제2 결합관(20)으로부터 회전 가능하게 마련되고, 상기 제1 결합관(10)의 외주면에 형성되는 외측 나선(42) 및 상기 조절관(30)에 상기 외측 나선(42)과 대응되게 형성되는 내측 나선(44)에 의해 조절된다.
다시 말해서, 노즐유닛의 조절관 측은 회전만 이루어지면서 그 반대 측은 외측 나선과 내측 나선에 의해 커넥터에 고정된 광케이블을 이동시켜 광학계와의 거리를 조절할 수 있도록 함으로써, 더 간단한 구조를 가지면서 보다 편리하게 조절이 이루어질 수 있는 구조 또한 제공한다.
이러한 다른 실시 예 역시 전술한 바와 같이 광케이블의 끝단을 광학계와의 거리가 조절됨으로 인한 동일한 작용효과를 가지는 것이므로, 상세한 설명은 생략한다.
아울러, 본 발명에서는 제1,2 결합관과 조절관에 의해 광케이블의 끝단과 광학계와의 거리를 조절할 수 있도록 하는 것을 일 예로 설명하였으나, 이는 일 실시 예에 불과한 것이며, 광케이블의 끝단을 광학계와의 거리를 조절할 수 있는 통상적인 어떠한 방식을 적용하여도 무방하다 할 것이다. 예를 들어 광케이블이 고정된 커넥터 자체를 노즐유닛에 직접적으로 나사 결합방식 또는 슬라이드 방식에 의해 결합 고정되도록 함에 따라 실현 가능하다 할 것이다.
혹은 광케이블이 고정된 커넥터를 노즐유닛의 하우징으로부터 통상적인 전후진 수단인 실린더 혹은 기어 맞물림 방식에 의해 이동될 수 있는 구조 또한 적용 가능하다 할 것이다.
10 : 제1 결합관 12 : 제1 나선부
20 : 제2 결합관 30 : 조절관
32 : 제2 나선부 40 : 승강부
50 : 걸림턱 52 : 외측 나선
54 : 내측 나선
100 : 노즐유닛 100A : 하우징
102 : 광학계 104 : 노즐헤드
110 : 커넥터 112 : 광케이블

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  1. 삭제
  2. 금속 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛의 일면에 결합 고정되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛 내의 광학계를 거친 후 노즐 헤드를 통하여 포커스 지점으로 조사되는 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 조절장치로,
    상기 광케이블의 끝단에 마련된 커넥터의 선단에 구비되는 제1 결합관;
    상기 노즐유닛의 광학계가 위치한 하우징에 마련되는 제2 결합관;
    상기 제1,2 결합관의 외주면에 결합되어 회전에 의해 상기 광케이블의 끝단을 노즐유닛 내의 광학계와의 거리를 조절할 수 있도록 구비되는 조절관; 및
    상기 노즐유닛에 구비된 노즐 헤드를 회전 방식 또는 슬라이드 방식에 의해 승강하는 승강부;를 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조절관에 의한 거리 조절은 제1,2 결합관의 외측면에 서로 반대 반향으로 형성되는 각각의 제1 나선부, 상기 조절관의 내측면에 상기 제1,2 결합관에 형성된 각 제1 나선부와 대응되게 형성되는 제2 나선부에 의해 조절되는 금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 조절관에 의한 거리 조절은 제2 결합관의 끝단과 조절관의 끝단에 형성되는 각각의 걸림턱에 의해 상기 조절관이 제2 결합관으로부터 회전 가능하게 마련되고, 상기 제1 결합관의 외주면에 형성되는 외측 나선 및 상기 조절관에 상기 외측 나선과 대응되게 형성되는 내측 나선에 의해 조절되는 금속 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치.
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