KR102137367B1 - 3d 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3d 프린팅 레이저빔 조사 시스템 - Google Patents

3d 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3d 프린팅 레이저빔 조사 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린팅에 있어서 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 형상을 실시간으로 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라 모니터링 결과를 기초로 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템을 제공한다.

Description

3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템{3D Printing Laser Beam Irradiation Apparatus and 3D Printing Laser Beam Irradiation System compring the same}
본 발명은 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅에 있어서 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 폭과 외곽심도를 비롯한 형상정보의 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라 모니터링 결과를 기초로 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기의 가변적 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템에 관한 것이다.
3D 프린팅은 밀링 또는 절삭이 아닌, 기존 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사하게 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 제조 기술로서 복잡하거나 제품의 내부에 형성된 형상의 구현을 용이하게 해주는 장점을 가지고 있다. 이와 같은 장점으로 인해 3D 프린팅 기술은 각종 산업용 부품과 의료용 재료 등 다양한 제품의 제작을 쉽게 할 수 있게 해주는 고부가가치 기술로 각광받고 있다.
3D 프린팅은 3차원 제품의 형상을 균일하거나 가변적인 두께를 가지는 수많은 2차원 단면으로 나누어 각 2차원 단면을 적층 형성하는 방식으로 진행된다. 구체적인 예로서, 도 1에는 3D 프린팅 방식 중 레이저 직접 금속 성형 방식(Laser-aided Direct Metal Tooling) 방식의 모식도가 도시되어 있는데, 이를 참조하면 집광부(100)에서 조사되는 레이저빔(L)이 기재(500)에 조사되면서 용융풀이 형성되고, 용융풀 상에 금속분말(300)이 공급되며 적층이 이루어지게 된다.
이와 같이 레이저빔을 이용한 3D 프린팅에 있어서, 고정된 광학 모듈을 통해 금속 파우더의 적층이 진행될 경우 일정한 레이저빔의 크기로 인하여 적층되는 크기가 항상 일정하게 되고, 작업 속도의 변화를 줄 수 없어 공정 시간의 단축이 어려운 문제가 있다. 따라서 하나의 제품을 3D 프린팅 기술을 통해 적층 형성하는 과정에서 제품의 부분별로 요구되는 정도가 달라지는 정밀도를 반영하여 사전에 제품의 부분별로 조형정보를 다르게 설정하여 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절하여 준다면 공정의 효율성을 높일 수 있다.
한편, 도 1의 촬영모듈(700)은 용융풀을 촬영하여 모니터링을 수행할 수 있게 해주는데, 이를 통해 알 수 있는 바와 같이 종래에는 상기 촬영모듈(700)을 클래딩 헤드의 옆에 일정한 각도로 경사진 형태로 설치하여 용융풀의 촬영을 실시하였다. 그 결과 도 2에 나타난 바와 같이 레이저빔의 광축(L)과 촬영모듈(700)의 광축(V)이 90-θ°각도를 이루고 있어, 도 2의 (a)에 나타난 것과 같은 형태를 가지는 용융풀(P)이 촬영모듈(700)의 카메라의 뷰 필드 플레인(View Field Plane) 상에 놓이게 되지 않아 촬영모듈(700)의 카메라의 이미지 플레인(Image Plane) 상에 맺히는 이미지는 도 2의 (b)와 같이 왜곡되어 나타나게 된다. 따라서 용융풀의 폭과 외곽심도를 비롯한 용융풀의 형상정보를 정확하게 모니터링 하기 어려운 한계가 있었으며, 설치 각도에 따라서는 작업대상물과 촬영모듈(700) 간의 물리적 간섭이 발생하는 문제도 있었다.
공개특허 특2003-0039929 "레이저 클래딩과 직접 금속 조형기술에서 이미지 촬영과이미지 프로세싱을 이용한 클래딩 층 높이의 실시간모니터링 및 제어 방법 및 그 시스템", 2003. 05. 22.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,
본 발명의 목적은, 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 효율적으로 변경할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 형상정보의 실시간 모니터링을 가능하게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 촬영을 통해 용융풀의 형상정보를 실시간 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 용융풀을 촬영하는 하나 이상의 추가 촬영부를 통해 용융풀에 대한 추가적인 형상정보도 함께 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 이용한 실시간 모니터링에 근거하여 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절하여 줌으로써 3D 프린팅의 적층속도 및 품질을 높여주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치에 있어서, 발산 진행하는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 레이저빔 정렬부와; 상기 레이저빔 정렬부를 통과하여 입사되는 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 레이저빔 집광부; 를 포함하고, 상기 레이저빔 정렬부에 의한 레이저빔의 폭 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부를 통해 상기 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 변경되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치에 있어서, 상기 용융풀에서 반사 또는 발산하여 상기 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 경로를 변경하여 주는 동축광선 우회부와; 상기 동축광선 우회부를 통해 경로가 변경된 동축광선을 촬영하는 동축광선 촬영부; 를 포함하고, 상기 동축광선 촬영부가 촬영한 이미지정보를 통한 용융풀의 실시간 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치에 있어서, 발산 진행하는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 레이저빔 정렬부와; 상기 레이저빔 정렬부를 통과하여 입사되는 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 레이저빔 집광부와; 상기 용융풀에서 반사 또는 발산하여 상기 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 경로를 변경하여 주는 동축광선 우회부와; 상기 동축광선 우회부를 통해 경로가 변경된 동축광선을 촬영하는 동축광선 촬영부; 를 포함하고, 상기 레이저빔 정렬부에 의한 레이저빔의 폭 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부를 통해 상기 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 변경되고 상기 동축광선 촬영부가 촬영한 이미지정보를 통한 용융풀의 실시간 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 레이저빔 정렬부는, 입사되는 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제1콜리메이션 렌즈와; 상기 제1콜리메이션 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴하도록 만들어주는 수렴 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 제1콜리메이션 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 수렴 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 상호 이격되며 동일한 광축을 공유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 레이저빔 정렬부는, 상기 수렴 렌즈를 통과한 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제2콜리메이션 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 레이저빔 정렬부는, 상기 수렴 렌즈를 통과한 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제2콜리메이션 렌즈를 더 포함하고, 상기 제2콜리메이션 렌즈는 상기 제1콜리메이션 렌즈 및 상기 수렴 렌즈와 동일한 광축을 공유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 평행하게 배치된 가이드 레일에 양측이 끼워져 구동 모터가 제공하는 구동력으로 거동되는 거동체에 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 동축광선 우회부는, 상기 용융풀에서 반사 또는 발산하여 상기 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 수직으로 반사하여 주는 제1반사 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 제1반사 거울은 상기 레이저빔의 조사경로 상에 일정 각도 경사지게 배치되어 상기 레이저빔은 후방에서 전방으로 통과시키고, 상기 동축광선은 전방에서 수직으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 동축광선 우회부는, 상기 제1반사 거울에서 반사된 동축광선을 반사하여 상기 동축광선 촬영부로 전달하여 주는 제2반사 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 상기 용융풀을 촬영하는 하나 이상의 추가 촬영부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는, 상기 추가 촬영부는 ND필터, 냉각수단, 렌즈 및 CCD 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템은, 상기 동축광선 촬영부가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 이미지 프로세싱 장치와; 상기 이미지 프로세싱 장치로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부를 제어하여 상기 레이저빔 집광부에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 제어 장치; 를 포함하여 용융풀 실시간 모니터링 및 제어가 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템은, 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치와; 상기 동축광선 촬영부 및 상기 추가 촬영부가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 이미지 프로세싱 장치와; 상기 이미지 프로세싱 장치로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부를 제어하여 상기 레이저빔 집광부에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 제어 장치; 를 포함하여 용융풀 실시간 모니터링 및 제어가 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전술한 구성을 통해 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명은 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 효율적으로 변경할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명은 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 형상정보의 실시간 모니터링을 가능하게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 효과가 있다.
본 발명은 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 촬영을 통해 용융풀의 형상정보를 실시간 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공함에 효과가 있다.
본 발명은 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 용융풀을 촬영하는 하나 이상의 추가 촬영부를 통해 용융풀에 대한 추가적인 형상정보도 함께 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것에 효과가 있다.
본 발명은 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 이용한 실시간 모니터링에 근거하여 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절하여 줌으로써 3D 프린팅의 적층속도 및 품질을 높여주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 효과를 가진다.
도 1은 3D 프린팅 방식 중 레이저 직접 금속 성형 방식(Laser-aided Direct Metal Tooling) 방식의 모식도.
도 2는 도 1의 용융풀 모니터링 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 정면도.
도 4 및 도 5는 도 3의 작동 실시예의 단면도.
도 6은 추가 촬영부의 구체적인 실시예.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템의 구성도.
이하에서는 본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 정면도가 도시되어 있고, 도 4 및 5에는 도 3의 작동 실시예의 단면도가 도시되어 있다.
도 3 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는 레이저빔 수신부(11), 레이저빔 정렬부(12), 레이저빔 집광부(13), 동축광선 우회부(14), 동축광선 촬영부(15) 및 추가 촬영부(16)를 포함하고 있다. 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 장치로서 상기 레이저빔 정렬부(12)에 의한 레이저빔의 경로 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부(13)를 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기의 가변적 변경이 가능하고, 상기 동축광선 촬영부(15)의 촬영 이미지정보를 통한 용융풀의 실시간 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 레이저빔 수신부(11)는 외부에서 공급되는 레이저빔을 전달받는 부분이다. 레이저빔은 레이저 발생장치에서 만들어지며, 산업용 CO2 레이저빔인 것이 일반적이나 Nd-YAG, 고출력 다이오드 레이저빔 등 3D 적층부위에 용융풀을 만들 수 있는 레이저빔은 어느 것이나 본 발명에 적용 가능하다. 상기 레이저 발생장치에서 만들어진 레이저빔은 빔전송 장치를 거쳐 상기 레이저빔 수신부(11)에 전달되며, 그 과정에서 광섬유(Optical Fiber)가 사용될 수 있다.
상기 레이저빔 정렬부(12)는 상기 레이저빔 수신부(11)로부터 발산 진행하는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 역할을 수행한다. 상기 레이저빔 정렬부(12)는 제1콜리메이션 렌즈(121), 수렴 렌즈(123), 제2콜리메이션 렌즈(125), 가이드 레일(127), 구동 모터(128) 및 거동체(129)를 포함하고 있다.
상기 제1콜리메이션 렌즈(121)는 상기 레이저빔 수신부(11)에서 입사되는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주는 역할을 수행한다. 상기 수렴 렌즈(123)는 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)를 통과하여 평행경로로 입사되는 레이저빔을 수렴하게 만들어주는 역할을 수행하며, 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)는 상기 수렴 렌즈(123)를 통과한 레이저빔을 다시 평행하게 만들어주는 역할을 수행한다.
상기 제1콜리메이션 렌즈(121), 상기 수렴 렌즈(123) 및 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)는 동일축 상에 나란히 이격되어 배치된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는 수직 하방향으로 레이저빔을 조사하게 설치되는 것이 일반적이므로, 상기 제1콜리메이션 렌즈(121), 상기 수렴 렌즈(123) 및 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)는 Z축 상에 나란히 이격되어 배치된다.
상기 레이저빔 정렬부(12)는 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)와 상기 수렴 렌즈(123)가 동일축 상에서 각각 독립적으로 거동하여 그 위치를 변경함으로써 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)로 입사하는 레이저빔의 수렴경로를 변경하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)로의 입사 경로에 따라 상기 레이저빔 집광부(13)에서 집광되어 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 달라지게 된다. 구체적으로, 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)와 상기 수렴 렌즈(123)는 평행하게 배치된 가이드 레일(127)에 양측이 끼워져 구동 모터(128)가 제공하는 구동력으로 거동되는 거동체(129)에 삽입되어 거동하게 되어 있다.
상기 레이저빔 정렬부(12)에 의한 레이저빔 크기 조절의 구체적인 실시예들을 도 4 및 5를 통해 확인할 수 있는데, 도 4에서 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)는 상기 레이저빔 수신부(11)에 인접하여 상대적으로 좁은 폭을 가지는 평행경로로 레이저빔의 경로를 변경하여 주고, 상기 수렴렌즈(123)는 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)로 부터 일정 간격 이격되어 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)를 통과하여 진행하는 레이저빔을 수렴하게 만들어 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)의 중심부에 입사하도록 만들어 준다. 그 결과 상기 레이저빔 집광부(13)를 통과하여 3D 적층부위에 입사하는 레이저빔의 크기는 500㎛가 된다.
한편, 도 5에서 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)는 상기 레이저빔 수신부(11) 하부에 일정 간격 이격되어 상대적으로 넓은 폭을 가지는 평행경로로 레이저빔의 경로를 변경하여 주고, 상기 수렴렌즈(123)는 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)와 인접 배치되어 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)를 통과한 레이저빔을 수렴하게 만들어주되 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)에 상대적으로 광범위한 면적을 가지고 입사하도록 만들어 준다. 그 결과 상기 레이저빔 집광부(13)를 통과하여 3D 적층부위에 입사하는 레이저빔의 크기는 2000㎛가 된다.
상기 레이저빔 집광부(13)는 상기 레이저빔 정렬부(12)를 통과하여 입사되는 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 역할을 수행한다. 상기 레이저빔 집광부(13)는 상기 레이저빔 정렬부(12)의 제2콜리메이션 렌즈(125)를 통과하여 진행하는 레이저빔을 수렴시켜주는 포커싱 렌즈(131)와 상기 포커싱 렌즈(131)를 통과한 레이저빔을 조사하는 노즐(133) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 포커싱 렌즈(131)는 상기 노즐(133)의 상단에서 이격되어 고정배치되며, 상기 노즐(133)은 적층소재를 공급하는 소재 공급 장치와 연결되어 이송된 소재를 용융풀에 공급하여 주는 공급노즐 등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치를 사용하여 3D 프린팅이 이루어지는 경우 레이저빔 크기의 가변적인 조절과 더불어 공급되는 적층소재의 양이나 크기 등의 조절도 동시에 이루어질 수 있는데, 예를 들면 상기 소재 공급 장치가 분말 공급 장치로 이루어지고, 상기 분말 공급 장치는 분말의 공급량이나 크기를 조절하는 분할수단 또는 분급수단을 구비함으로써 이를 실현할 수 있다.
상기 동축광선 우회부(14)는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 경로를 변경하여 주는 역할을 수행한다. 용융풀에서 반사 또는 발산하여 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 촬영할 경우 종래와 달리 용융풀 이미지의 왜곡이 발생하지 않고, 이를 통해 용융풀의 폭과 외곽심도 등을 포함하는 용융풀의 형상정보를 정확하게 모니터링 할 수 있게 된다. 그러나 상기 동축광선의 진행 경로는 레이저빔의 조사 경로와 동일하므로 동축광선의 입사축 상에 별도의 촬영수단을 배치하는 것이 어렵다. 이와 같은 상황에서 상기 동축광선 우회부(14)는 상기 동축광선을 우회시켜 촬영될 수 있게 해준다. 상기 동축광선 우회부(14)는 제1반사 거울(141) 및 제2반사 거울(143)을 포함할 수 있다.
상기 제1반사 거울(141)은 용융풀에서 반사 또는 발산하여 상기 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 수직으로 반사하여 주는 역할을 수행하는데, 상기 제1반사 거울(141)을 통해 상기 동축광선을 본 발명의 3D 레이저빔 조사 장치의 측면으로 우회시킬 수 있게 된다. 도 4 및 5를 살펴보면, 상기 제1반사 거울(141)은 레이저빔의 조사경로 상에 일정 각도 경사지게 배치되어 레이저빔은 후방에서 전방으로 통과시키고, 상기 동축광선은 전방에서 수직으로 반사시키는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 제2반사 거울(143)은 상기 제1반사 거울(141)에서 반사된 동축광선을 반사하여 상기 동축광선 촬영부(15)로 전달하여 주는 역할을 수행한다. 도 4 및 5에서 상기 동축광선 촬영부(15)는 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 좌측면 중단에 배치되어 있는데, 상기 제2반사 거울(143)은 상기 제1반사 거울(141)에 의해 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 좌측면으로 반사된 동축광선을 수직 상방향으로 반사시켜 준다.
상기 동축광선 촬영부(15)는 상기 동축광선 우회부(14)를 통해 경로가 변경된 동축광선을 촬영하는 역할을 수행한다. 상기 동축광선 촬영부(15)의 촬영 정보는 용융풀의 크기와 폭 및 외곽심도 등을 포함하는 형상정보를 알려주는 실시간 모니터링 자료로서 전술한 원리에 따라 레이저빔의 크기를 조절하는 데에 근거로 사용될 수 있다. 도 4 및 5를 참조하면, 상기 동축광선 촬영부(15)는 렌즈(151) 및 카메라(153)를 포함하고 있다.
상기 렌즈(151)는 상기 제2반사 거울(143)에서 반사되어 수직 상방향으로 진행하는 동축광선이 입사하는 부분으로 일반적인 카메라 렌즈로 구현될 수 있다. 필요에 따라 다양한 필터 등도 함께 사용될 수 있다.
상기 카메라(153)는 상기 렌즈(151)로 입사된 동축광선을 촬영하는 부분으로 CCD 카메라 등이 적용될 수 있으며, 촬영하여 생성한 이미지정보를 외부의 이미지 처리 장치로 전송하기 위한 전송부를 구비할 수 있다. 상기 카메라(153)로는 정확하고 효율적인 실시간 모니터링을 위해 1초당 150 프레임 이상을 촬영하는 고속 CCD 카메라가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 추가 촬영부(16)는 상기 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 상기 용융풀을 촬영하는 역할을 수행한다. 상기 추가 촬영부(16)는 하나 이상 포함될 수 있는데, 도 3 내지 5에 나타난 실시예에서는 좌·우 양측에 하나씩 2개가 구비되어 있다. 상기 추가 촬영부(16)에 의해 촬영된 용융풀의 이미지정보를 근거로 용융풀에 대한 위치 및 높이 등을 포함하는 추가적인 형상정보를 연산할 수 있으며, 도 6 상기 추가 촬영부(16)는 ND필터(161), 렌즈(163), CCD 카메라(165), 필터설치구(167) 및 냉각수단(169)을 구비하고 있다.
상기 렌즈(163) 및 상기 CCD 카메라(165)는 위에서 상기 동축광선 촬영부(15)와 관련하여 설명한 바와 같다. 한편, 상기 ND필터(161)는 용융풀로부터 반사되어 오는 빛의 양을 감쇠시키고 3D 프린팅 과정에서 발생하는 스퍼터(sputter)로부터 상기 렌즈(163)를 보호하는 역할을 수행한다. 상기 추가 촬영부(16)는 상기 동축광선 촬영부(15)와 달리 용융풀과 인접한 외부에 설치되므로 상기 ND필터(161)가 함께 사용되는 것이 바람직하며, 상기 ND필터(161)는 상기 필터설치구(167)에 의해 상기 렌즈(163)의 전방에 고정 설치되게 된다. 또한, 상기 냉각수단(169)은 용융풀에서 발생하는 복사열로부터 상기 ND필터(161), 상기 렌즈(163) 등을 보호하기 위한 것으로서 냉각수가 공급되는 냉각수공급관으로 구현될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템의 구성도가 도시되어 있는데, 이를 참조하면 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템은 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치(1), 이미지 프로세싱 장치(3) 및 제어 장치(5)를 포함한다.
상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치(1)는 상기 레이저빔 정렬부(12)에 의한 평행경로의 폭 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부(13)를 통해 기재(S) 상의 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 변경하고, 상기 동축광선 촬영부(15)의 촬영 정보를 통한 용융풀의 실시간 모니터링이 가능하게 해주는 것을 특징으로 하며, 그 상세한 구성은 위에서 설명한 바와 같다.
상기 이미지 프로세싱 장치(3)는 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치(1)의 동축광선 촬영부(15) 및 상기 추가 촬영부(16)가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 크기와 폭 및 외곽심도 등을 포함하는 기초적인 형상정보와, 위치 및 높이 등을 포함하는 추가적인 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 역할을 수행한다. 상기 이미지 프로세싱 장치(3)는 영상처리 프로그램 등이 설치된 컴퓨터 장치로 구현될 수 있다.
상기 제어 장치(5)는 상기 이미지 프로세싱 장치(3)로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부(12)를 제어하여 상기 레이저빔 집광부(13)에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 역할을 수행한다. 상기 조형정보는 각 적층단면의 형상과 폭, 높이 등과 관련된 정보를 포함하고 있으며, 이는 사전에 설정되어 저장된다. 3D 프린팅을 이용한 적층조형에서 2차원의 단면에 해당하는 금속층의 높이를 정밀하게 만드는 것이 매우 중요한데, 예를 들면 필요에 따라 100~1,000㎛의 범위에서 적층 높이가 조정될 수 있다. 상기 제어 장치(5)는 이러한 적층 높이와 관련된 조형정보를 상기 연산정보와 비교하여 상기 조형정보에 따라 형성될 것으로 예상 내지 예정되어있는 용융풀의 형상과 실제 용융풀의 형상이 차이가 있는 것으로 판단된 경우 상기 레이저빔 정렬부(12)를 제어한다.
상기 제어 장치(5)는 사전에 설정된 조형정보가 저장된 저장부와 비교 연산을 수행하는 연산부 및 제어 명령 등의 생성과 전송 등을 수행하는 제어부를 포함하는 컴퓨터 장치로 구현될 수 있다. 또한, 상기 연산부에 의한 비교 연산 결과를 현시하는 모니터부가 상기 제어 장치(5)와 함께 사용될 수도 있다. 또한, 상기 제어부에 의한 제어는 자동으로 이루어지도록 하는 것도 가능하고, 작업자의 제어정보를 추가로 입력받아 수행되도록 하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템에 의하면 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 크기와 폭 및 외곽심도를 포함하는 용융풀의 기초적인 형상정보, 위치 및 높이 등을 포함하는 용융풀의 추가적인 형상정보의 모니터링을 실시간으로 효율적으로 수행할 수 있으며, 이와 같은 모니터링 결과에 근거하여 용융풀에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있게 된다. 이를 통해 용융풀의 폭과 높이를 가변적으로 제어하며 적층속도 및 적층효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치
3: 이미지 프로세싱 장치
5: 제어 장치
11: 레이저빔 수신부
12: 레이저빔 정렬부
121: 제1콜리메이션 렌즈 123: 수렴 렌즈
125: 제2콜리메이션 렌즈 127: 가이드레일
128: 구동모터 129: 거동체
13: 레이저빔 집광부
14: 동축광선 우회부
141: 제1반사 거울 143: 제2반사 거울
15: 동축광선 촬영부
151: 렌즈 153: 카메라
16: 추가 촬영부

Claims (22)

  1. 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치에 있어서,
    외부에서 공급되는 레이저빔을 전달받는 레이저빔 수신부와,
    상기 레이저빔 수신부로부터 발산하는 레이저빔을 수용하여 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 레이저빔 정렬부와,
    상기 레이저빔 정렬부를 통과하여 평행하게 입사되는 레이저빔을 수렴시켜주는 포커싱 렌즈를 포함하여 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 레이저빔 집광부와,
    상기 레이저빔 정렬부와 레이저빔 집광부 사이에서 상기 레이저빔의 조사경로 상에 일정 각도 경사지게 배치되어 상기 레이저빔은 후방에서 전방으로 통과시키고 상기 용융풀에서 반사 또는 발산하는 광 중에 상기 레이저빔의 광축과 동일한 축을 가지고 입사되는 동축광선을 전방에서 반사시켜 우회시키는 제1반사거울을 포함하는 동축광선 우회부와,
    상기 동축광선 우회부를 통해 경로가 변경된 동축광선을 촬영하는 동축광선 촬영부를 포함하고,
    상기 레이저빔 정렬부는 상기 레이저빔 수신부로부터 전달받은 레이저빔을 평행경로로 만들되 가변적으로 조절하도록 상기 레이저빔 수신부에 대하여 이동가능하게 배치되며 레이저 빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제1콜리메이션 렌즈와, 이동가능 하도록 장착되며 상기 제1콜리메이션 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴하도록 만들어주는 수렴 렌즈 및 수렴 렌즈를 통과한 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제2콜리메이션 렌즈를 포함하며, 상기 제1콜리메이션 렌즈, 수렴 렌즈 및 제2콜리메이션 렌즈는 상호 이격되며 동일한 광축을 공유하고,
    상기 레이저빔 수신부와 제1콜리메이션렌즈간의 거리 및 상기 수렴 렌즈와 제2콜리메이션 렌즈간의 거리 조절에 따라 레이저빔의 폭이 조절되어 상기 레이저빔 집광부를 통해 상기 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 변경가능하게 되는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.
  2. 삭제
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  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 평행하게 배치된 가이드 레일에 양측이 끼워져 구동 모터가 제공하는 구동력으로 거동되는 거동체에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1반사거울은 입사되는 동축광선을 수직으로 반사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 동축광선 우회부는,
    상기 제1반사 거울에서 반사된 동축광선을 반사하여 상기 동축광선 촬영부로 전달하여 주는 제2반사 거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 상기 용융풀을 촬영하는 하나 이상의 추가 촬영부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 추가 촬영부는 ND필터, 냉각수단, 렌즈 및 CCD 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.
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  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제1항 또는 제9항의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치와;
    상기 동축광선 촬영부가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 이미지 프로세싱 장치와;
    상기 이미지 프로세싱 장치로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부를 제어하여 상기 레이저빔 집광부에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 제어 장치; 를 포함하여 용융풀 실시간 모니터링 및 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템.
  22. 삭제
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