KR102022652B1 - 비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 에스엘에스 3d 프린터 - Google Patents

비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 에스엘에스 3d 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 형태는 분말 소재의 소결을 반복하여 적층하여 3D 프린팅물을 제작하는 SLS 3D 프린터에 있어서, 분말 소재의 소결을 통한 적층이 이루어지는 내부 공간을 가지는 챔버; 챔버의 내부 공간에 마련되어, 소결될 분말 소재가 상부면에 위치하는 작업 테이블; 기준 광축을 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하여 레이저광을 조사하는 레이저 조사부; 레이저광의 도달 가능한 영역의 온도인 가공 영역 온도를 비접촉식으로 측정하는 비접촉식 온도 측정부; 상기 가공 영역 온도의 이상 여부를 알람 경고하는 알람부; 및 3D 가공값에 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하는 기준 광축을 결정하며, 상기 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도에 따라서 상기 레이저광의 세기를 제어하며, 상기 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도가 미리 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우 상기 알람부를 통해 알람 경고하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 에스엘에스 3D 프린터{SLS 3D printer for alerting using non-contact temperature measurement}
본 발명은 SLS 방식의 3D 프린터로서, 3D 프린팅시에 가공 오차가 발생하지 않도록 알람 경고하는 SLS 방식의 3D 프린터에 관한 것이다
3D 프린팅이란 입체로 디자인된 설계도를 이용하여 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌓아 제조하는 것을 말한다. 현재 실용화된 대부분의 3D 프린터는 가공이 용이한 합성수지 재질을 소재로 사용하고 있으나, 합성수지의 물성
의 한계로 인하여 적용분야가 제한되고 있는 실정이며, 상대적으로 물성이 뛰어난 세라믹이나 금속을 소재로 사용한 3D 프린터에 대한 요구가 높아지고 있다.
3D 프린팅은 소재를 출력하는 방식에 따라 구분되는데, 분말로 된 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 플라스틱 필라멘트를 용융하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 널리 사용되고 있다.
이 중 SLS 방식은 최근 금속 소재를 사용하여 3D 프린팅을 수행할 수 있는 방법으로서, 가공 작업 테이블인 작업 테이블에 분말 소재를 얇게 펼쳐서 배열한 뒤에 원하는 부분만을 레이저(또는 전자빔 등)를 사용하여 소결시킨 뒤에, 그 위에 다시 분말로 다음 층(layer)을 형성하고 원하는 부분을 레이저로 소결하는 과정을 반복하여 수행한다.
도 1은 SLS 방식의 3D 프린터를 도시한 그림으로서, 챔버 내에서 레이저광을 이용하여 분말 소재를 소결하기 위해서는 챔버 내부는 250℃ ~ 350℃ 범위의 고온 환경이 유지되어야 한다. 이를 위하여 히터는 챔버 내부의 온도를 250℃ ~ 350℃로 유지되도록 가열 제어된다. 챔버의 바닥에는 온도 센서가 구비되어 챔버 내부의 온도를 실시간으로 측정하고, 히터는 측정되는 챔버 내부의 온도를 참고하여 챔버 내부를 가열 제어하게 된다.
그런데 챔버의 바닥에 위치한 온도 센서는 챔버 내의 온도를 측정할 수 있을뿐이지 작업 테이블에 위치하여 레이저광에 의해 소결되는 분말의 온도를 직접 측정할 수 없는 문제가 있다. 이로 인하여 히터를 통하여 챔버 내부 온도에 따른 히팅 제어가 이루어질 뿐이지 작업 테이블에 위치한 분말 소재의 표면 온도에 따른 히팅 제어가 이루어지지 않게 된다. 따라서 작업 테이블에 위치한 분말 소재의 표면 온도가 아닌 챔버 내부의 온도를 기반으로 하는 히팅 제어가 이루어짐으로 인하여, 레이저광의 가열에 의한 분말 소재의 녹는점 온도가 달라지게 될 경우 미세한 3D 가공 시에 가공 오차가 발생하는 문제가 있다.
또한 챔버 내부의 대기 온도가, 분말 소재의 표면 온도가 미리 설정된 기분 범위를 초과하는 경우, 레이저를 이용한 3D 가공시에 가공 오차가 발생할 수 있는데, 이러한 온도 범위를 벗어나는 사실을 작업자가 알 수 없는 문제가 있다.
한국공개특허 10-2015-0050181
본 발명의 기술적 과제는 미세한 3D 가공 시에 오차가 발생하지 않고 정밀하게 3D 레이저 가공할 수 있는 SLS 방식의 3D 프린터를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 분말 소재의 소결을 반복하여 적층하여 3D 프린팅물을 제작하는 SLS 3D 프린터에 있어서, 분말 소재의 소결을 통한 적층이 이루어지는 내부 공간을 가지는 챔버; 챔버의 내부 공간에 마련되어, 소결될 분말 소재가 상부면에 위치하는 작업 테이블; 기준 광축을 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하여 레이저광을 조사하는 레이저 조사부; 온도 측정 방향을 시프트시켜 가면서, 레이저광의 도달 가능한 영역의 온도인 가공 영역 온도를 비접촉식으로 측정하는 비접촉식 온도 측정부; 상기 가공 영역 온도의 이상 여부를 알람 경고하는 알람부; 및 3D 가공값에 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하는 기준 광축을 결정하며, 상기 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도에 따라서 상기 레이저광의 세기를 제어하며, 상기 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도가 미리 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우 상기 알람부를 통해 알람 경고하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 가공 영역 온도는, 레이저광이 도달하는 지점과 동일한 지점의 온도, 레이저광이 도달하는 지점의 주변 온도를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사부는, 레이저광이 출력되는 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 출력되는 레이저광이 상기 기준 광축을 따라서 조사되도록 레이저광의 조사각을 조절하는 기준 광축 조절 유닛; 및 상기 기준 광축 조절 유닛을 통해 유입되는 레이저광을 집광하여 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 하는 집광 렌즈;를 포함할 수 있다.
상기 기준 광축 조절 유닛은, 레이저광의 파장을 통과시키는 편광 렌즈; 상기 편광 렌즈를 투과한 레이저광을 반사시키는 반사 제1미러; 상기 기준 광축을 따르도록 상기 반사 제1미러의 반사각을 조절하는 반사각 제1조절기; 상기 반사 제1미러를 통해 반사되는 레이저광을 집광 렌즈를 향해 재반사시키는 반사 제2미러; 및 상기 기준 광축을 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 상기 반사 제2미러의 반사각을 조절하는 반사각 제2조절기;를 포함하며, 상기 기준 광축은, 상기 레이저광원, 편광 렌즈, 반사 제1미러, 반사 제2미러, 및 집광렌즈를 거치는 광축임을 특징으로 할 수 있다.
상기 비접촉식 온도 측정부는, 분말 소재로부터 반사되는 방사 에너지의 세기를 열로 변환하여, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역의 온도인 가공 영역 온도를 측정하는 비접촉식 온도 센서; 레이저광이 도달하는 지점의 방사 에너지, 또는 레이저광이 도달하는 지점의 주변 영역의 방사 에너지가 상기 비접촉식 온도 센서로 향하도록 온도 측정 방향이 가변되는 반사 제3미러; 및 레이저광이 도달하는 분말 소재로부터 설정된 범위내의 영역의 온도인 가공 영역 온도를 측정하도록 상기 반사 제3미러의 반사각을 조절하여 온도 측정 방향을 시프트시키는 반사각 제3조절기;를 포함할 수 있다.
상기 기준 온도 범위는, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역 전체가 동일한 기준 온도 범위로 할당됨을 특징으로 할 수 있다.
상기 기준 온도 범위는, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역을 복수개의 섹터로 분할하여, 각 섹터별로 기준 온도 범위가 다르게 할당되어 있으며, 상기 SLS 3D 프린터는, 가공 영역의 각 섹터별로 기준 온도 범위가 할당되어 저장된 섹터별 기준 온도 범위 데이터베이스;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 반사각 제3조절기를 통해 결정되는 온도 측정 방향에 있는 섹터에 매칭되는 기준 온도 범위를 상기 섹터별 기준 온도 범위 데이터베이스에서 추출하여, 온도 측정 방향의 섹터의 가공 영역 온도가 섹터의 기준 온도 범위를 벗어난 경우 상기 알람부를 통해 알람 경고할 수 있다.
가공 영역의 가장자리에서 중심으로 갈수록 비례하여 섹터의 기준 온도 범위가 좁게 설정됨을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 챔버 내부의 대기 온도뿐만 아니라 가공되는 레이저광 조사 지점뿐만 아니라 주변 온도를 측정함으로써, 알람 발생을 통하여 3D 가공 시에 오차 발생을 최소화할 수 있다.
도 1은 기존의 SLS 방식의 3D 프린터의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SLS 방식의 3D 프린터의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SLS 방식의 3D 프린터의 주요 구성 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 레이저 조사부와 비접촉식 온도 측정부를 도시한 그림.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 편광 렌즈의 광 투과 및 광 반사 모습을 도시한 그림.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 동일축 상에서 레이저광 조사와 비접촉 온도 측정이 이루어지는 모습을 도시한 그림.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 축상에서 레이저광 조사와 비접촉 온도 측정이 이루어지는 모습을 도시한 그림.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역의 전체가 동일한 기준 온도 범위로 할당된 예시 그림.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역을 복수개의 섹터로 분할하여, 각 섹터별로 기준 온도 범위가 다르게 할당된 예시 그림.
이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SLS 방식의 3D 프린터의 단면도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SLS 방식의 3D 프린터의 주요 구성 블록도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 레이저 조사부와 비접촉식 온도 측정부를 도시한 그림이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 편광 렌즈의 광 투과 및 광 반사 모습을 도시한 그림이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 동일축 상에서 레이저광 조사와 비접촉 온도 측정이 이루어지는 모습을 도시한 그림이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 축상에서 레이저광 조사와 비접촉 온도 측정이 이루어지는 모습을 도시한 그림이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역의 전체가 동일한 기준 온도 범위로 할당된 예시 그림이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역을 복수개의 섹터로 분할하여, 각 섹터별로 기준 온도 범위가 다르게 할당된 예시 그림이다.
분말 소재의 소결을 반복하여 적층하여 3D 프린팅물을 제작하는 SLS 방식의 3D 프린터는, 챔버(10), 작업 테이블(410), 분말 소재 공급부(300), 평탄화부(500), 레이저 조사부(100), 단열부(미도시), 비접촉식 온도 측정부(200), 및 제어부(700)를 포함할 수 있다. 이밖에 히터(610), 및 열전대 센서(620)를 더 포함할 수 있다.
챔버(10)는, 분말 소재의 소결을 통한 적층이 이루어지는 내부 공간을 가진다. 챔버(10)는, 직육면체 또는 정육면체 형태를 가질 수 있으며, 이밖에 다른 다양한 형태를 가질 수 있음은 자명할 것이다.
작업 테이블(410)은, 챔버(10)의 내부 공간에 마련되어, 소결될 분말 소재가 상부면에 위치한다. 작업 테이블(410)의 하부에는 작업실린더유닛(420)이 마련되어, 작업 테이블(410)을 승하강하게 된다. 작업 테이블(410)은, 상부면에 위치된 분말 소재에서 레이저광에 의한 고결이 발생되면 작업실린더유닛(420)에서 하부로 고결된 소재층만큼 이동되는 것을 반복하면서 원하는 제품이 형성되도록 작용한다. 작업 테이블(410)의 상부면에 위치하게 되는 분말 소재는, 분말 소재 공급부(300)에 의해 분말 소재가 공급된다.
분말 소재 공급부(300)는, 분말 소재를 공급하기 위해 형성되는 공급 테이블(310)과, 공급 테이블(310)의 하부에 형성되어 승하강되는 공급실린더유닛(320)을 포함한다. 분말 소재 공급부(300)는, 작업실린더유닛(420)이 하부로 이동된 만큼, 공급실린더유닛(320)가 상승되도록 작동한다.
평탄화부(500)는, 작업 테이블(410)의 상방에서 이동되도록 형성되어 분말 소재를 균일하게 가압시키면서 평탄화시킨다.
단열부(미도시)는, 챔버(10)의 내부에 형성되어 챔버(10)의 내부온도가 외부로 발산되지 않도록 하는 단열재이다.
알람부(800)는, 가공 영역 온도의 이상 여부를 알람 경고하는 모듈이다. 스피커 및 디스플레이패널 등으로 구현될 수 있다.
레이저 조사부(100)는, 챔버(10)의 외측 상방에 마련되어, 기준 광축을 따라서 작업 테이블(410)의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하여 레이저광을 조사한다. 여기서 기준 광축이라 함은, 미리 설정된 3D 가공값에 따라서 상기 작업 테이블(410)의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하는 레이저의 광축을 말한다.
레이저 조사부(100)는, 도 4에 도시한 바와 같이 레이저광이 출력되는 레이저 광원과, 레이저 광원에서 출력되는 레이저광이 기준 광축을 따라서 조사되도록 레이저광의 조사각을 조절하는 기준 광축 조절 유닛(120)과, 기준 광축 조절 유닛(120)을 통해 유입되는 레이저광을 집광하여 상기 작업 테이블(410)의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 하는 집광 렌즈(130)를 포함한다.
기준 광축 조절 유닛(120)은, 편광 렌즈(121), 반사 제1미러(122), 반사각 제1조절기(122a), 반사 제2미러(123), 및 반사각 제2조절기(123a)를 포함한다.
편광 렌즈(121)는, 레이저광의 파장을 통과시킨다. 편광 렌즈(121)는, 자외선 또는 반사광의 빛들을 차단하는 렌즈이다. 일반적으로 광선은 직각을 이루는 선 위에서 사방으로 진동하는데, 광선으로 하여금 한 방향으로만 진동하게 하여 빛이 지나는 길목에 편광 렌즈(121)를 위치시키면 거의 모든 빛의 진동을 차단해 한 방향으로 광의 파동이 이루어진다. 따라서 본 발명의 편광 렌즈(121)는 물질 성분 조합을 통하여 레이저광의 파장만이 투과되도록 하고 다른 파장의 광은 차단되고 반사되도록 할 수 있다. 따라서 본 발명의 편광 렌즈(121)는 도 5에 도시한 바와 같이, 레이저광의 파장만을 통과시키며, 적외선 파장 등의 다른 파장들은 통과시키지 않고 반사시키게 된다.
반사 제1미러(122)는, 편광 렌즈(121)를 투과한 레이저광을 반사시키는 미러이다.
반사각 제1조절기(122a)는, 기준 광축을 따르도록 반사 제1미러의 반사각을 조절한다. 갈바노미터와 같은 조절기(122a)가 추가로 구비될 수 있다.
반사 제2미러(123)는, 반사 제1미러(122)를 통해 반사되는 레이저광을 집광 렌즈(130)를 향해 재반사시키는 미러이다.
반사각 제2조절기(123a)는 기준 광축을 따라서 상기 작업 테이블(410)의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 반사 제2미러(123)의 반사각을 조절한다. 이러한 반사각 제2조절기(123a)는 갈바노미터(Galvanometer) 등으로 구현될 수 있다. 갈바노미터(Galvanometer)는 알려진 바와 같이, 전류 변화로써 위치(회전 정도)를 제어할 수 있는 기기이다.
따라서 집광 렌즈(130)는, 반사 제2미러(123)를 통해 유입되는 레이저광을 집광하여 작업 테이블(410)의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 할 수 있게 된다.
여기서 레이저광이 조사되는 광축인 기준 광축은, 레이저광원, 편광 렌즈(121), 반사 제1미러(122), 반사 제2미러(123), 및 집광렌즈를 거치는 광축을 말하는 것으로서, 반사각 제2조절기(123a)의 조절에 의하여 반사 제2미러(123)의 반사각에 따라서 기준 광축의 방향이 변경될 수 있다.
비접촉식 온도 측정부(200)는, 챔버(10)의 외측 상방에 마련되어, 온도 측정 방향을 시프트시켜 가면서, 레이저광의 도달 가능한 영역의 온도인 가공 영역 온도를 비접촉식으로 측정한다. 레이저 광원의 레이저 출력 광축과 비접촉식 온도 센서(210)의 적외선 출력 광축이 서로 평행하게 되도록 레이저 광원과 비접촉식 온도 센서(210)가 설치된다.
온도 측정 방향을 시프트시켜 가며 온도 측정을 하기 위하여 비접촉식 온도 측정부(200)는, 비접촉식 온도 센서(210), 반사 제3미러(220), 반사각 제3조절기(220a)를 포함한다.
비접촉식 온도 센서(210;non-contact temperature measurement)는, 분말 소재로부터 반사되는 방사 에너지의 세기를 열로 변환하여, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역의 온도인 가공 영역 온도를 측정한다.
비접촉식 온도 센서(210)는, 센서를 측정 대상에 접촉시키지 않고 온도를 측정하는데, 비접촉식 온도 센서(210)의 예로서, 적외선 감지기가 있을 수 있다. 적외선은 가시광선과 원적외선 파장의 사이에 있는 전자기적 스펙트럼의 부분을 차지하고 있는 영역으로서, 적외선파장은 가시광선보다 긴 파장을 갖고 있습니다. 적외선 감지기는 적외선을 방사한 후 분말 소재의 표면에서 반사되어 들어오는 방사 에너지의 세기를 열로서 변환하여 측정된다. 따라서 적외선 감지기는 분말 소재에서 나오는 적외선 에너지를 빠른 속도로 측정할 수 있게 된다.
또한 비접촉식 온도 센서(210)로서, 물체가 방출하는 방사(복사) 에너지의 측정으로부터 물체의 온도를 검출하는 파이로미터(pyrometer)로 구현될 수 있으며, 물체의 온도에 따라 표면으로부터 방출되는 방사 에너지의 세기에 의해 물체의 온도(surface temperature)를 측정할 수 있게 된다.
반사 제3미러(220)는, 비접촉식 온도 센서(210)로부터 방사되는 적외선을 편광 렌즈(121)를 향해 반사한다. 또한 레이저광이 도달하는 지점의 방사 에너지, 또는 레이저광이 도달하는 지점의 주변 영역의 방사 에너지가 비접촉식 온도 센서로 향하도록 온도 측정 방향이 가변되는 미러이다.
반사각 제3조절기(220a)는, 레이저광이 도달하는 분말 소재로부터 설정된 범위내의 영역의 온도인 가공 영역 온도를 측정하도록 반사 제3미러의 반사각을 조절하여 온도 측정 방향을 시프트시키는 모듈로서, 갈바노미터 등으로 구현될 수 있다.
한편, 레이저광의 도달 가능한 영역의 온도인 가공 영역 온도를 비접촉식으로 측정함에 있어서, 가공 영역 온도는, 레이저광이 도달하는 지점의 온도일 수 있다. 따라서 레이저광의 조사 광축과 비접촉식 온도 측정의 광축이 서로 동일한 기준 광축을 통해 이루어지게 된다.
예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이, 반사각 제1조절기(122a) 및 반사각 제2조절기(123a)를 통해 반사 제2미러(122) 및 반사 제2미러(123)의 반사각을 조절하여 레이저광이 작업 테이블(410)의 상면에 수직으로 된 기준 광축을 따라 조사될 때, 반사각 제3조절기(220a)를 통해 반사 제3미러(220)의 기울기를 조절하여 비접촉 온도 센서(210)로 유입되는 방사 에너지가 레이저 도달 지점과 동일한 지점에 있는 분말 소재의 방사 에너지가 해당되도록 할 수 있다. 레이저 조사 지점과 비접촉 온도 측정 지점이 서로 동일한 지점이 됨으로써, 이를 활용하여 레이저광 세기 조절을 제1방식으로 할 수 있게 된다.
또한 레이저광의 도달 가능한 영역의 온도인 가공 영역 온도를 비접촉식으로 측정함에 있어서, 가공 영역 온도는, 레이저광이 도달하는 지점의 주변 온도일 수 있다. 따라서 레이저광의 조사 광축과 비접촉식 온도 측정의 광축이 서로 다르게 된다.
예를 들어, 도 7에 도시한 바와 같이 반사각 제1조절기(122a) 및 반사각 제2조절기(123a)를 통해 반사 제2미러(122) 및 반사 제2미러(123)의 반사각을 조절하여 레이저광이 작업 테이블(410)의 상면에 수직으로 된 기준 광축을 따라 조사될 때, 반사각 제3조절기(220a)를 통해 반사 제3미러(220)의 기울기를 조절하여 비접촉 온도 센서(210)로 유입되는 방사 에너지가 레이저 도달 지점의 주변 지점에 있는 분말 소재의 방사 에너지가 해당되도록 할 수 있다. 레이저 조사 지점과 비접촉 온도 측정 지점이 서로 다르게 됨으로써, 이를 활용하여 레이저광 세기 조절을 제1방식과 다른 제2방식으로 할 수 있게 된다.
히터(610)는, 챔버(10) 내부를 가열하는 열선으로서, 저항체, 발열체 등의 다양한 가열 수단으로 구현될 수 있다. 따라서 히터(610)의 가열로 인하여 챔버(10) 내부의 온도가 상승될 수 있다.
열전대 센서(620)는, 챔버(10) 내부의 대기 온도를 측정하는 모듈이다. 열전대(thermo couple, 熱電對)는, 제베크효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 장치로서, 금속 A, B를 접합하고, 한쪽 접촉점을 기준점으로 삼고 측정하고자 하는 부위에 다른 접촉점을 위치하면 기전력의 크기로 온도차를 알 수 있으므로 기준점의 온도와 비교하여 온도를 측정하게 된다.
제어부(700)는, 3D 가공값에 따라서 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하는 기준 광축을 결정하며, 레이저 조사부(100)와 비접촉식 온도 측정부(200)는, 제어부(700)로부터 제공받은 동일한 기준 광축을 따라서 레이저광의 조사와 온도 측정이 이루어지도록 할 수 있다.
또한 제어부(700)는, 열전대 센서(620)를 통해 측정되는 챔버(10) 내부의 대기 온도에 따라서 히터(610)의 세기를 제어할 수 있게 된다.
또한 제어부(700)는, 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도에 따라서 레이저광의 세기를 제어할 수 있다. 가공 영역 온도가 미리 설정된 임계온도보다 낮을 경우 레이저광의 세기를 높게 제어하며, 가공 영역 온도가 미리 설정된 임계온도보다 높을 경우 레이저광의 세기를 낮게 되도록 제어할 수 있다. 따라서 기존에는 챔버(10) 내부의 온도에 따라서 히터(610)의 세기만을 제어하였지만, 본 발명은 히터(610)의 세기뿐만 아니라, 가공되는 가공 영역의 온도를 비접촉으로 측정하여 이에 따라서 레이저광의 세기를 제어함으로써, 정밀한 가공 성형이 가능하게 된다.
또한 제어부(700)는 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도가 미리 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우 알람부(800)를 통해 알람 경고할 수 있다. 가공 영역의 온도가 기준 온도 범위를 벗어날 경우, 레이저광 조사에 의한 3D 성형을 통한 소결 시에 오차가 발생할 수 있기 때문에 알람 경고하는 것이다.
한편, 기준 온도 범위는, 도 8에 도시한 바와 같이 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역 전체가 동일한 기준 온도 범위로 할당될 수 있다.
반면에, 기준 온도 범위는, 도 9에 도시한 바와 같이 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역을 복수개의 섹터로 분할하여, 각 섹터별로 기준 온도 범위가 다르게 할당될 수 있다. 이를 위하여 SLS 3D 프린터는, 가공 영역의 각 섹터별로 기준 온도 범위가 할당되어 저장된 섹터별 기준 온도 범위 데이터베이스를 포함한다. 제어부(700)는, 반사각 제3조절기를 통해 결정되는 온도 측정 방향에 있는 섹터에 매칭되는 기준 온도 범위를 섹터별 기준 온도 범위 데이터베이스에서 추출하여, 온도 측정 방향의 섹터의 가공 영역 온도가 섹터의 기준 온도 범위를 벗어난 경우 상기 알람부(800)를 통해 알람 경고한다. 예를 들어, 제1섹터(A1)의 기준 온도 범위가 제1기준 온도 범위라 할 때, 중심점에 레이저광을 조사하는 동안 가공 영역의 제1섹터에서 비접촉으로 측정되는 온도가 제1기준 온도 범위를 벗어난 경우 알람 경고한다. 마찬가지로, 제2섹터(A2)의 기준 온도 범위가 제2기준 온도 범위라 할 때, 중심점에 레이저광을 조사하는 동안 가공 영역의 제2섹터에서 비접촉으로 측정되는 온도가 제2기준 온도 범위를 벗어난 경우 알람 경고한다.
한편, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역을 복수개의 섹터로 분할하여, 각 섹터별로 기준 온도 범위가 다르게 할당할 때, 가공 영역의 가장자리에서 중심으로 갈수록 비례하여 섹터의 기준 온도 범위가 좁게 설정되도록 할 수 있다. 이는, 가공 영역의 중심으로 갈수록 3D 성형 패턴이 미세하게 되는 경우가 많기 때문에, 가공 영역의 중심부로 갈수록 허용되는 기준 온도 범위를 좁게 설정함으로써, 3D 가공 오차를 최소로 하기 위함이다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
10:챔버
100:레이저 조사부
110:레이저 광원
120:기준 광축 조절 유닛
130:집광 렌즈
200:비접촉식 온도 측정부
700:제어부
800:알람부

Claims (6)

  1. 분말 소재의 소결을 반복하여 적층하여 3D 프린팅물을 제작하는 SLS 3D 프린터에 있어서,
    분말 소재의 소결을 통한 적층이 이루어지는 내부 공간을 가지는 챔버;
    챔버의 내부 공간에 마련되어, 소결될 분말 소재가 상부면에 위치하는 작업 테이블;
    기준 광축을 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하여 레이저광을 조사하는 레이저 조사부;
    온도 측정 방향을 시프트시켜 가면서, 레이저광의 도달 가능한 영역의 온도인 가공 영역 온도를 비접촉식으로 측정하는 비접촉식 온도 측정부;
    상기 가공 영역 온도의 이상 여부를 알람 경고하는 알람부; 및
    3D 가공값에 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하는 기준 광축을 결정하며, 상기 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도에 따라서 상기 레이저광의 세기를 제어하며, 상기 비접촉식 온도 측정부를 통해 측정되는 가공 영역 온도가 미리 설정된 기준 온도 범위를 벗어난 경우 상기 알람부를 통해 알람 경고하는 제어부;를 포함하며,
    상기 비접촉식 온도 측정부는,
    분말 소재로부터 반사되는 방사 에너지의 세기를 열로 변환하여, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역의 온도인 가공 영역 온도를 측정하는 비접촉식 온도 센서; 레이저광이 도달하는 지점의 방사 에너지, 또는 레이저광이 도달하는 지점의 주변 영역의 방사 에너지가 상기 비접촉식 온도 센서로 향하도록 온도 측정 방향이 가변되는 반사 제3미러; 및 레이저광이 도달하는 분말 소재로부터 설정된 범위내의 영역의 온도인 가공 영역 온도를 측정하도록 상기 반사 제3미러의 반사각을 조절하여 온도 측정 방향을 시프트시키는 반사각 제3조절기;를 포함하며,
    상기 기준 온도 범위는, 레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역을 복수개의 섹터로 분할하여, 각 섹터별로 기준 온도 범위가 다르게 할당되어 있으며,
    상기 SLS 3D 프린터는, 가공 영역의 각 섹터별로 기준 온도 범위가 할당되어 저장된 섹터별 기준 온도 범위 데이터베이스;를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 반사각 제3조절기를 통해 결정되는 온도 측정 방향에 있는 섹터에 매칭되는 기준 온도 범위를 상기 섹터별 기준 온도 범위 데이터베이스에서 추출하여, 온도 측정 방향의 섹터의 가공 영역 온도가 섹터의 기준 온도 범위를 벗어난 경우 상기 알람부를 통해 알람 경고하며,
    가공 영역의 가장자리에서 중심으로 갈수록 비례하여 섹터의 기준 온도 범위가 좁게 설정됨을 특징으로 하는 비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 SLS 3D 프린터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가공 영역 온도는,
    레이저광이 도달하는 지점과 동일한 지점의 온도, 레이저광이 도달하는 지점의 주변 온도를 포함하는 비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 SLS 3D 프린터.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 조사부는,
    레이저광이 출력되는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 출력되는 레이저광이 상기 기준 광축을 따라서 조사되도록 레이저광의 조사각을 조절하는 기준 광축 조절 유닛; 및
    상기 기준 광축 조절 유닛을 통해 유입되는 레이저광을 집광하여 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 하는 집광 렌즈;
    를 포함하는 비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 SLS 3D 프린터.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 기준 광축 조절 유닛은,
    레이저광의 파장을 통과시키는 편광 렌즈;
    상기 편광 렌즈를 투과한 레이저광을 반사시키는 반사 제1미러;
    상기 기준 광축을 따르도록 상기 반사 제1미러의 반사각을 조절하는 반사각 제1조절기;
    상기 반사 제1미러를 통해 반사되는 레이저광을 집광 렌즈를 향해 재반사시키는 반사 제2미러; 및
    상기 기준 광축을 따라서 상기 작업 테이블의 상부면에 위치한 분말 소재를 향하도록 상기 반사 제2미러의 반사각을 조절하는 반사각 제2조절기;를 포함하며,
    상기 기준 광축은, 상기 레이저광원, 편광 렌즈, 반사 제1미러, 반사 제2미러, 및 집광렌즈를 거치는 광축임을 특징으로 하는 비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 SLS 3D 프린터.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 기준 온도 범위는,
    레이저광의 도달 가능한 영역인 가공 영역 전체가 동일한 기준 온도 범위로 할당됨을 특징으로 하는 비접촉식 온도 측정을 통한 알람 경고하는 SLS 3D 프린터.
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