KR102191352B1 - 공작 기계 - Google Patents

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KR102191352B1
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KR
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head
manifold
machine tool
medium
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제이슨 비. 존스
피터 코츠
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엑스 신틸라 리미티드
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Abstract

본 발명은 처리 헤드를 통해 에너지원을 작업물 상으로 전달하도록 되어 있는 공작 기계에 관한 것으로, 이 공작 기계는 작업물을 처리하는 처리 헤드 또는 다른 기계가공 또는 처리 헤드를 임시로 받도록 되어 있는 클램핑 기구를 가지며, 처리 헤드는 에너지원을 작업물 상으로 보내도록 되어 있는 하나 이상의 안내 기구 및 처리 헤드 결합 매니폴드를 가지며, 작업물의 처리를 용이하게 하기 위해 사용 중에 상기 처리 헤드에 공급되는 하나 이상의 매체가 상기 매니폴드에 연결되며, 처리 헤드가 클램핑 기구에 연결되면 처리 헤드 결합 매니폴드는 하나 이상의 매체가 처리 헤드에 공급될 수 있게 해주고, 공작 기계는, 공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드가 서로 연결되어 있을 때 매체가 처리 헤드에 공급되도록 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키고/연결시키거나 연결을 해제하도록 되어 있는 적어도 하나의 기구를 또한 포함한다.

Description

공작 기계{A MACHINE TOOL}
본 발명은 에너지원과 매체 중의 적어도 하나를 처리 헤드를 통해 작업물 상으로 전달하도록 되어 있는 공작 기계 또는 다른 종류의 기계에 관한 것이다. 공작 기계는 특히 하지만 비배타적으로 하이브리드 공작 기계라고 할 수 있다. 특히 하지만 비배타적으로, 본 발명은 증착되는 재료에 추가적으로 에너지원을 제공하거나 제공함이 없이 작업물의 표면 상에 재료를 증착하도록 되어 있는 증착 시스템에 관한 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 처리 헤드를 통해 재료를 작업물의 표면 상에 증착하도록 되어 있는 공작 기계에 관한 것이다.
과거부터 소위 기계 가공을 통해 작업물에서 재료를 제거하는 공작 기계가 사용되고 있는데, 이러한 공작 기계는, 종종 컴퓨터 제어되거나 컴퓨터로 수치 제어되는(CNC) 밀링 머신 등을 포함한다. 기술이 발전함에 따라, 이제는 그러한 기계를 사용하여 다른 형태의 재료 제거(초음파, 레이저 등), 용접 및 재료 증착(레이저 증착, 하드 페이싱, 방향성 에너지 증착, 부가 제조 등)과 같은 다른 기능들을 수행할 수 있다.
다축 CNC 밀링 머신과 같은 기존의 공작 기계에 부착될 수 있는 처리 헤드를 제공하는 것이 알려져 있다. 그러나, 그러한 종래 기술의 처리 헤드는 바라는 만큼 편리하지 않다.
또한 재료를 처리하기 위해 로봇 아암 등과 같은 로봇을 사용하는 것도 당업계에 알려져 있다. 이는 아마도, 로봇 아암 및 공작 기계의 분야가 수렴하고 있는 경우이지만, 현재로선 그들은 서로 다르다. 예컨대, 로봇 아암은 이것이 갖는 더 높은 운동도 및 가요성으로 인해 강성적이거나 정확하지 않은데, 이 때문에 로봇 아암은 중(heavy) 기계가공 작업을 위한 제 2 의 선택안이 된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 처리 헤드를 통해 에너지원을 작업물 상으로 전달하도록 되어 있는 공작 기계가 제공되는데, 이 공작 기계는 처리 헤드 또는 다른 기계가공 또는 처리 헤드를 임시로 받도록 되어 있는 클램핑 기구를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제 1 양태는 공작 기계 외의 로봇 아암 등에 관한 것일 수 있다.
공작 기계는 작업물을 처리할 수 있다.
일반적으로, 상기 클램핑 기구는 스핀들의 노즈에 수용된다. 또한, 공작 기계는 일반적으로, 클램핑 기구에 연결될 때 처리 헤드를 통과하는 축선을 가지며, 처리 헤드는 그 축선을 중심으로 움직이게 된다.
상기 처리 헤드는 에너지원을 작업물 상으로 보내도록 되어 있는 하나 이상의 안내 기구를 포함할 수 있다.
처리 헤드는 또한 결합 매니폴드를 포함할 수 있고, 작업물의 처리를 용이하게 하기 위해 사용 중에 상기 처리 헤드에 공급되는 하나 이상의 매체가 상기 매니폴드에 연결된다.
상기 처리 헤드가 상기 클램핑 기구에 연결되면 상기 결합 매니폴드는 하나 이상의 매체가 처리 헤드에 공급될 수 있게 해준다.
편리하게는, 상기 공작 기계는, 공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드가 서로 연결되어 있을 때 매체가 처리 헤드에 공급되도록 상기 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키고/연결시키거나 연결을 해제하도록 되어 있는 적어도 하나의 기구를 또한 포함한다.
상기 공급부 결합 매니폴드는 에너지원이 상기 처리 헤드에 전달될 수 있게 해준다.
일반적으로, 실시 형태는, 두 매니폴드가 서로 연결되면 에너지원이 처리 헤드 결합 매니폴드를 통해 전달될 수 있게 해준다. 이러한 실시 형태는, 매니폴드들이 함께 있을 때 에너지원이 연결될 수 있게 해주므로 편리하다.
다른 실시 형태에서, 에너지원은 공작 기계의 축선을 따라 전달될 수 있다. 이 축선은 클램핑 기구의 축선을 통해 정렬될 수 있다. 당업자라면 이는 공작 기계의 스핀들의 축선을 따르는 것임을 이해할 수 있을 것이며 또한 그를 중공 스핀들을 통해 안내하는 것을 포함할 수 있다.
실시 형태는, 처리 헤드 내의 각 안내 기구를 냉각하는 냉각 매체, 사용 중에 에너지원에 의해 처리되는 처리가능한 매체 및 차폐 매체 중의 적어도 하나를 공급하는 덕트를 결합 매니 폴드 내에서 가질 수 있다. 편리하게는, 냉각 매체, 차폐 매체 및 처리가능한 매체 각각은 간단히 매체라고 할 수 있다. 또한 그러한 실시 형태는, 매니폴드들이 서로 연결되면 각 매체가 사용시 편리하게 공급될 수 있게 해주므로 편리하다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 선택된 재료를 에너지 및/또는 온도에 노출시킬 때 불활성 환경을 제공하는 것이 바람직하다. 이는 국부적으로 처리 헤드를 통해 차폐 가스(즉, 차폐 매체)를 전달하여 행해질 수 있다. 대안적으로, 이 작용은, 진공 또는 대안적인 불활성 환경을 유지하는, 공작 기계 주위에 제공되어 있는 챔버 또는 공작 기계의 적어도 일 부분 안에서 수행될 수 있다.
많은 실시 형태는, 상기 공급부 결합 매니폴드는 매체 공급부와 에너지원 중의 적어도 하나를 처리 헤드 결합 매니폴드 내의 상기 덕트와 정렬시키는 정렬 기구를 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 에너지원은 사용시 정확하게 집중되도록 정확하게 정렬될 필요가 있으며, 정렬 기구의 제공애 의해, 두 매니폴드의 연결시 연결되는 에너지원이 정확하게 정렬된다.
일부 실시 형태에서, 정렬 기구는 적어도 부분적으로 실질적으로 평평한 표면에 의해 제공된다.
편리하게는, 공급부 결합 매니폴드에 연결되는 하우징이 있다. 이 하우징은 에너지원을 위한 안내 기구를 내장할 수 있다. 일 실시 형태에서, 하우징은 레이저 비임을 확장시시키는 비임 확장기를 내장한다. 안내 기구의 적어도 일부를 처리 헤드의 외부에 제공하면, 처리 헤드의 내부 환경과 비교하여 덜 가혹한 환경이 안내 기구에 제공되는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 당업자라면 일부 안내 기구는 비교적 취약하다는 것을 알 것이다.
일반적으로, 실시 형태는 사용시 처리 헤드의 길이 방향 축선과 정렬되어 있는 영역에 에너지원을 집중시키도록 되어 있다. 이러한 구성은, 다축 오프셋을 고려할 필요 없어 공작 기계를 프로그램하는 것이 더 쉽게 되며 또한 작업 영역이 오프셋을 없앨 필요가 없기 때문에 공작 기계가 더 작게 된다는 점에서 편리하다. 당업자라면 이해하는 바와 같이, 에너지원의 촛점이 축선에서 벗어나 있으면, 오프셋을 없애기 위해 추가 병진 운동이 필요하므로 작업물의 처리에 필요한 작업 영역이 상당히 증가 된다.
실시 형태는 레이저, 전자 비임, 아크, 플라즈마, 마이크로파, 분자 증폭기, 집중된 전자기 방사선, 또는 음파(초음파 포함) 등 중의 적어도 하나로서 에너지원을 제공할 수 있다. 전자기 방사선은 예컨대 x-선, 마이크로파, 자외선 광, 적외선 등 중의 어느 하나일 수 있다.
처리 헤드 및/또는 하우징 내에 제공되는 상기 안내 기구는, 하나 이상의 렌즈, 거울, 프리즘, 회절 격자, 비임 확장기, 공간적 광 모듈레이터, 광학 기구, 전기적 커플링 기구, 전도성 매체 경로, 유도 커플링 기구, 비임 조향 요소, 비임 조향 필드 제너레이터, 마이크로 전기기계적 시스템, 마이크로 거울 장치, 동축 케이블을 포함하며 전자기 간섭(EMI) 차폐물과 같은 차폐 요소 등 중의 어느 하나를 포함할 수 있다.
특히, 처리 헤드는 일부 실시 형태에서 렌즈 및 반사기를 포함한다.
공작 기계는 사용시 일반적으로 분말 또는 필라멘트 형태의 금속, 폴리머 또는 세라믹 재료; 냉각 또는 처리 유체들; 가스; 처리 유체 중의 어느 하나를 공급할 수 있다.
편리하게는, 공작 기계의 제어기에 의해, 그 공작 기계는 클램핑 기구 내의 처리 헤드를 자동적으로 또는 적어도 반자동적으로 변경하게 된다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 공작 기계의 제어기는, 공작 기계의 내부에 있는 제어기 및 공작 기계에 네트워크되어 있는 또는 다른 식으로 연결되어 있는 제어기도 포함하는 것이다.
일 구현예로서, 공작 기계는 2, 3, 4, 5 또는 6개 또는 그 이상의 축선을 중심으로 작동가능할 수 있다. 다른 구현예로서, 처리가능한 매체는, 금속, 비금속, 폴리머, 세라믹 재료, 처리 유체, 냉각 유체, 가스, 필라멘트, 로드, 테이프, 분말, 액체, 페이스트, 에멀젼, 현탁물, 접착제, 라미나(lamina), 시트, 포일 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다. 또 다른 구현예로서, 제어기가 처리 헤드의 운동, 위치 및 동작을 제어할 수 있는데, 이 제어기는 CNC 기계 제어기의 일 부분이며, 바람직한 실시 형태에서, 제어기는, 처리 경로; 처리가능한 매체의 증착; 처리가능한 매체의 퍼징(purging); 처리 헤드 또는 처리가능한 매체의 가열; 처리가능한 매체 레벨의 모니터링; 저장소 내 처리가능한 매체의 양의 모니터링; 처리될 작업물 또는 증착될 패턴에 관한 데이타; 작업물, 증착된 처리가능한 매체 또는 에너지의 모니터링; 헤드의 양호 상태 및 기능에 대한 모니터링; 공작 기계와의 통신; 공작 기계 운동과의 동작의 동기화 중의 일부 또는 모두를 더 제어할 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 용어 "공작 기계"는 기계 전체와 관련하여 사용되는 것이다. 교환가능한 헤드를 설명하였으며, 통상적인 밀링 및 기계가공 헤드(가끔 기계가공 커터 또는 공구라고 함)는 기계가공 헤드라고 하였다. 본 출원에 개시되어 있는 바와 같이, 대안적인 헤드("처리 헤드"라고 함)는, 작업물에 에너지가 보내지거나 또는 매체 또는 에너지가 작업물에 보내지거나 또는 매체가 작업물에 가해지고/증착되는 작업물을 처리하는데 사용된다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 공작 기계와 관련하여 설명되지만, 공구 교환 및/또는 결합 스테이션을 사용하기 위해 로봇 또는 다른 부가 제조 장비를 수정할 수 있다. 일단 공작 기계가 그렇게 수정되면 그러한 수정된 장비는 그 공작 기계와 유사하다고 생각할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 처리 헤드, 및 사용 중에 상기 처리 헤드가 공작 기계의 클램핑 기구에 연결되는 공급부 결합 매니 폴드를 포함하는 키트가 제공되는데, 이 키트는,
a) 에너지원을 작업물 상으로 집중시키도록 되어 있는 하나 이상의 안내 기구; 및
b) 작업물의 처리를 용이하게 하기 위해 사용 중에 상기 처리 헤드에 공급되는 하나 이상의 매체가 연결되는 처리 헤드 결합 매니폴드
중의 적어도 일부를 포함하고,
c) 공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드가 서로 연결되어 있을 때 매체가 사용시 처리 헤드에 공급되도록 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키고/연결시키거나 연결을 해제하도록 되어 있는 기구를 상기 공급부 결합 매니폴드가 포함한다.
실시 형태에 따르면, 상기 결합 매니폴드는 에너지원이 처리 헤드 안으로 전달될 수 있게 해준다. 편리하게는, 하우징이 공급부 결합 매니폴드에 연결된다.
일반적으로, 실시 형태에 따르면, 상기 처리 헤드 결합 매니폴드는, 처리 헤드 내의 각 안내 기구를 냉각하는 냉각 매체 및 사용 중에 에너지원에 의해 처리되는 에너지원 처리가능한 매체 중의 적어도 하나를 공급하는 덕트를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 처리 헤드 내의 안내 기구에 추가하여 다른 안내 기구가 제공될 수 있는데, 이는 공급부 결합 매니폴드와 관련될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 실시 형태에서, 상기 안내 기구(처리 헤드 내에 있는 안내 기구 및/또는 그에 추가적인 안내 기구)는 상기 에너지원 처리가능한 매체가 처리 헤드 내에서 또는 그 처리 헤드의 외부에서 선택적으로 용융될 수 있도록 되어 있다.
대안적인 또는 추가적인 실시 형태에서, 상기 키트는 각기 에너지원을 키트 내의 다른 처리 헤드에 다르게 집중시키도록 되어 있는 복수의 처리 헤드를 포함할 수 있다. 예컨대, 제 1 처리 헤드는 처리 헤드 내의 에너지원 처리가능한 매체를 용융시킬 수 있다. 제 2 처리 헤드는 처리 헤드 외부에 있는 에너지원 처리가능한 매체를 용융시킬 수 있다.
편리하게는, 상기 결합 매니폴드는, 공급부 결합 매니폴드 내의 매체 공급부를 처리 헤드 결합 매니폴드 내의 상기 덕트와 정렬시키는 정렬 기구를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 헤드를 클램핑 기구에 연결하는 결합 아암이 제공될 수 있다. 이 아암은 보관 위치로 물러날 수 있다.
일부 실시 형태에서, 다수의 결합 아암이 있을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다수의 공구 교환기가 있을 수 있다.
일반적으로, 에너지원을 처리 헤드에 전달하는 하우징이 사용 중에 상기 정렬 기구에 연결된다.
상기 하우징은 처리 헤드 내에 들어 있는 안내 기구에 추가하여 다른 안내 기구를 내장할 수 있다.
실시 형태에 따르면 일반적으로, 처리 헤드의 길이 방향 축선과 정렬되어 있는 지점 또는 영역에 에너지원이 집중된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 작업물 상에 에너지원을 집중시키도록 되어 있는 처리 헤드를 연결하는 방법이 제공되는데, 이 방법은,
a) 공작 기계가 보관 위치에서 처리 헤드를 선택해서 그 처리 헤드를 공작 기계의 클램핑 기구 안으로 삽입하는 단계; 및
b) 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키도록 되어 있는 기구를 활성화시키는 단계를 포함하고,
c) 상기 공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드의 연결에 의해, 사용 중에 각 매체가 공급될 수 있도록 하나 이상의 매체 공급부 중의 공급부가 처리 헤드에 제공된다.
상기 방법은 반대로 공작 기계의 보관 영역 내에 있는 처리 헤드를 교체하는 과정을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 부품을 수리하는 방법이 제공되는데, 이 방법은,
a) 공작 기계가 처리 헤드를 선택하는 단계,
b) 공작 기계가 매체 공급부를 처리 헤드에 연결하는 단계,
c) 공작 기계가 상기 부품에 재료가 부가되는 부가 처리 단계를 수행하는 단계,
d) 공작 기계가 보관 영역 내의 처리 헤드를 교체하는 단계,
e) 공작 기계가 보관 영역에서 기계가공 헤드를 선택하는 단계,
f) 공작 기계가 수리되는 부품에 부가된 재료에서 재료를 제거하는 단계, 및
g) 대안적인 기계가공, 처리 또는 검사 헤드(터치 프로브와 같은)를 선택적으로 선택하고 작업물을 검사하거나 처리하는 단계 중의 적어도 하나를 포함한다.
처리 헤드는 본 발명의 상기 양태들 중의 어느 하나의 처리 헤드일 수 있다.
상기 a)와 b)의 방법은 본 발명의 제 3 양태의 방법일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 처리 헤드와 공작 기계 사이의 전기적, 광학적 및 기계적 연결을 위한 연결부가 제공될 수 있다. 이러한 연결부는 공정 모니터링 센서 및 장비를 위한 연결부를 제공한다. 그러한 센서는 이미지 기록 장치, 라이팅, 터지 프로브, 3D 표면 및 체적 스캐너, 산소 센서 및 열 센서와 같은 센서 또는 카메라 등을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 온도 센서는 공정이 수행되고 있는 작업물의 온도를 모니터링하는데 사용된다. 공정 모니터링 센서 또는 측정 장비는 처리 헤드의 일 부분, 그에 연결되어 있는 그리고/또는 처리 헤드와 매니폴드 모두에 대해 추가적인 하나 이상의 매체를 갖는 매니폴드의 일 부분을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 실시 형태는, 처리 헤드 및 기계가공 헤드에 추가하여, 별도의 헤드로서 공정 모니터링 센서를 제공할 수 있는데, 이는 검사 헤드라고 생각할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 하나 이상의 용융물 풀(pool)의 온도가 모니터링될 수 있다. 재료가 증착되는 용융물 풀이 형성될 수 있다. 매체는 작업물에 또는 그 쪽으로 가해질 수 있고 에너지원으로부터 가해지는 에너지에 의해 용융된다. 따라서, 매체는 에너지원 처리가능한 매체라고 생각할 수 있다.
추가적인 또는 대안적인 실시 형태에서, 매체는 용융 상태에서 증착될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다축 공작 기계가 제공되는데, 이 공작 기계는 적어도 하나의 처리 헤드 및 편리하게는 적어도 하나의 기계가공 헤드를 가질 수 있다. 상기 공작 기계는, 적어도 하나의 처리 헤드 및/또는 적어도 하나의 기계가공 헤드 중의 하나를 임시로 받도록 되어 있는 클램핑 기구를 포함할 수 있고, 상기 공작 기계는 사용 중에, ⅰ) 처리 헤드 또는 기계가공 헤드를 작동가능한 위치로부터 헤드 교환 위치로 이동시키는 단계, ⅱ) 처리 헤드 또는 기계가공 헤드를 클램핑 또는 유지 기구로부터 분리시키는 단계, ⅲ) 대안적인 처리 헤드 또는 기계가공 헤드를 선택하는 단계, ⅳ) 대안적인 처리 헤드를 클램핑 또는 유지 기구에서 받는 단계, 및 ⅴ) 상기 작동가능한 위치로 복귀하는 단계 중의 적어도 일부를 수행할 수 있고,
상기 처리 헤드는 처리되는 작업물 상에 재료를 증착하도록 되어 있고,
상기 처리 헤드는 일반적으로 매체 공급부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 에너지원은 처리 헤드에 제공될 수 있다. 대안적으로, 에너지원은 처리 헤드의 외부에 있을 수 있고 처리 헤드는 에너지원을 전달할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 에너지원은 배터리, 또는 연료 전지 등과 같은 다른 고립형 에너지원으로 제공된다. 다른 추가적인 또는 대안적인 실시 형태에서, 에너지는 헤드에서 제너레이터, 얼터네이터(alternator) 등을 통해 스핀들의 운동으로 발생될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 에너지원은 처리 헤드에 공급된다.
공작 기계는 작업물을 처리할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 공작 기계는 작업물에 재료를 증착할 수 있고 또는 작업물을 만들 수 있는데, 이는 스크랫치로부터 작업물을 재건하는 것일 수 있다. 이러한 작업은 부가 제조, 3D 프린팅, 또는 디지털 제조 등을 포함한 부가 증착일 수 있다. 바람직하게는, 공작 기계는 공작 기계에 있는 헤드를 교환하는 공구 교환기를 또한 포함한다. 이 공구 교환기는 기계가공 헤드를 위한 처리 헤드를 교환할 수 있고 그 반대도 가능하다. 대안적으로, 공작 기계에는 둘 이상의 처리 헤드가 제공될 수 있다. 공구 교환기는 작업물에서 떨어져 있는 보관 영역을 포함할 수 있다.
일반적으로, 클램핑 기구는 스핀들의 노즈에 수용된다. 또한, 공작 기계는 일반적으로 클램핑 기구에 연결될 때 처리 헤드를 통과하는 축선을 가지며, 처리 헤드는 그 축선을 중심으로 움직이게 된다.
상기 처리 헤드는 에너지원을 작업물 상으로 보내도록 되어 있는 하나 이상의 안내 기구를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 처리 헤드는 에너지원으로부터 에너지를 매체 및/또는 매체 증착 기구에 보내는 하나 이상의 안내 기구를 포함할 수 있다. 에너지는 처리 헤드 안에 있는 또는 작업물의 표면과 같은 처리 헤드의 외부에 있는 매체에 가해질 수 있고 또는 적어도 매체가 작업물 쪽으로 움직일 때 가해질 수 있다.
처리 헤드는 이전과 같이, 결합 매니폴드를 포함할 수 있고, 작업물의 처리를 용이하게 하기 위해 사용 중에 상기 처리 헤드에 공급되는 하나 이상의 매체가 상기 매니폴드에 연결된다. 에너지원은 처리 헤드 내의 매체에 공급될 수 있고 또는 전술한 바와 같이, 매체가 작업물 쪽으로 이동하고/이동하거나 그에 도달할 때 그 매체에 공급될 수 있다. 일 대안예에서, 에너지원은 처리 헤드 내의 매체에 공급되고 매체는 작업물 상에 증착된다. 에너지원은 처리 헤드를 떠나기 전에 매체에 공급될 수 있고 또는 매체가 처리 헤드를 떠날 때 그 매체에 공급될 수 있다.
처리 헤드는 공작 기계, 클램핑 기구 또는 그 공작 기계에 연결되어 있거나 그에 편리한 보조 장비로부터 매체를 헤드에 공급하는 매체 공급부를 포함할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 매체 공급부는 처리 헤드에 제공되어 있는 매체 저장부를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 매체 저장부는 매니폴드를 통해 매체를 공급하는 공급부를 통해 연속적으로 다시 채워질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 매체는 매체 공급부를 형성하는 교체가능한 카트리지의 형태로 제공될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 매체 저장부는 처리 헤드가 공구 교환기에 위치되어 있는 중에 다시 채워질 수 있다. 공급부 매니폴드가 공구 교환기에 제공될 수 있고 공구 교환기에 있는 처리 헤드에 연결될 수 있고 또한 매체 저장부를 자동적으로 다시 채울 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 처리 헤드가 공작 기계에서 작용 위치에 있을 때 또는 처리 헤드가 공구 교환기 또는 다른 보관 위치에 있을 때 공급부 매니폴드를 매체 공급부에 연결시키고/연결시키거나 연결 해제하는 적어도 하나의 기구가 제공될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 하나의 매체가 처리 헤드에 공급된다. 다른 실시 형태에서, 둘 이상의 매체가 처리 헤드에 공급될 수 있다. 매체는 예컨대 대안적인 색 또는 대안적인 매체를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제 1 매체는 빌딩 재료를 포함할 수 있고 제 2 매체는 지지 재료를 포함할 수 있다. 작업물이 완성되면 지지 재료는 제거될 수 있다. 복수의 매체가 제공되어 있는 경우, 공구는 그들 매체를 선택적으로 사용할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 매체는 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 매체는 금속, 비금속, 폴리머, 세라믹, 점토 또는 유전성 재료 중에서 선택될 수 있다. 매체는 분말 형태, 필라멘트 형태, 로드 형태, 와이어 형태, 반액체 형태 또는 완전 액체 형태 중의 어느 하나의 형태로 제공될 수 있다. 대안적으로, 매체는 액체, 에멀젼, 가스, 에어로졸, 슬러리 또는 페이스트 상태로 제공되거나 그에 현탁되어 제공될 수 있다.
일 특정 실시 형태에서, 매체는 폴리머 필라멘트를 포함할 수 있다. 일반적으로, 그러한 필라멘트는, 매체가 제어가능한 방식으로 공급되거나, 보내지거나 압출되거나 분출되거나 또는 증착될 수 있는 온도로 에너지원에 의해 가열될 수 있다. 대안적으로, 유체 매체가 매체 저장부로부터 처리 헤드에 공급될 수 있다. 매체는, 저장부 내의 모든 매체가 유체로 되어 제어가능한 방식으로 분배되거나 방출될 수 있을 때까지 에너지원으로 가열될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 매체는, 작업물의 형성 중에 전기 회로가 생길 수 있도록 전도체, 반도체 및 유전성 재료를 포함할 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 매체는 저장부에서 처리 헤드의 증착 팁으로 갈 수 있고, 매체가 증착 팁을 떠나기 전에 에너지가 그 매체에 가해질 수 있다. 이는, 매체가 필라멘트 또는 와이어의 형태로 있는 실시 형태에 특히 적합하고, 매체는 롤러와 같은 기계적 이송 기구에 의해 처리 헤드를 통해 이송될 수 있다. 매체는 증착되려고 할 때까지 비교적 강성적인 것이 바람직할 수 있다. 매체가 증착 팁을 떠나기 바로 전에 또는 매체가 증착 팁을 떠난 후에 에너지가 가해질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 재료는 작업물의 표면 상에 증착되어 에너지에 노출될 수 있다.
매체 이송부는 공구 교환기에 연결되어 제공될 수 있다. 매체 이송부는 처리 헤드가 사용되고 있지 않을 때 매체를 그 처리 헤드 또는 처리 헤드 내의 저장부에 공급할 수 있다. 상기 이송부는 처리 헤드 또는 기계가공 헤드가 사용되지 않을 때 그 처리 헤드 또는 기계가공 헤드와 결합되는 추가적인 결합 기구의 일 부분일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 처리 헤드, 매체 저장부, 매체 공급부, 및 에너지원 중의 적어도 하나를 포함하는 키트가 제공된다.
일 실시 형태에서, 매체 저장부와 조합되는 처리 헤드를 포함하는 키트가 제공되고, 처리 헤드는 사용시 공작 기계의 클램핑 기구에 연결되고 매체 저장부는 처리 헤드에 제공된다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 본 발명의 일 양태에 따른 공작 기계에 연결될 수 있는 처리 헤드가 제공되며, 이 처리 헤드는 재료를 작업물 상에 증착하는데 적합하고 처리 헤드는 바람직하게는 저장부의 형태로 된 매체 공급부를 더 포함한다.
바람직한 실시 형태에서, 처리 헤드는 매체 및/또는 매체 증착 기구에 에너지를 공급하는 에너지원 또는 적어도 에너지원 발생 기구를 더 포함한다.
일 대안적인 실시 형태에서, 상기 키트는 매체 공급부에 연결될 수 있는 처리 헤드를 포함한다. 이 매체 공급부는, 공구 교환기에 연결되고 처리 헤드가 공구 교환기에 있을 때 매체 저장부를 보충시킬 수 있는 매체 이송부 또는 매니폴드를 포함할 수 있고, 이는 공작 기계에 연결되어 제공될 수 있고 처리 헤드가 스핀들 상에 있거나 다른 사용가능한 위치에 있을 때 매체를 처리 헤드에 공급할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 매체 이송부는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있고, 매체 이송부는 매체를 작업물에 이송할 수 있고 또는 상기 채널은 역방향의 매체 흐름을 제공할 수 있거나 매체를 복귀시키거나 재순환시킬 수 있다. 일부 실시 형태에서, 사용되지 않은 매체를 다시 잡거나 폐 매체 또는 부산물 또는 배기를 제거하는 기구가 제공될 수 있다. 이러한 기구는 각 채널에서 매체의 흐름에 추가하여 제공될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 에너지원을 제공하는 기구는 처리 헤드에 내장된다. 다른 실시 형태에서, 에너지원은 처리 헤드에 연결된다. 에너지원은 예컨대 전술한 바와 같은 UV, IR, 레이저 또는 에너지원을 포함할 수 있고 일부 실시 형태에서 에너지 비임을 작업물 상으로 보낼 수 있다.
대안적인 또는 추가적인 실시 형태에서 상기 키트는 대안적인 매체 공급부를 안에 내장하는 복수의 처리 헤드를 포함할 수 있다. 다른 대안예에서, 처리 헤드는 매체 공급부를 포함하는 교체가능한 카트리지를 포함할 수 있다. 이 카트리지는 자동적으로 교체될 수 있고 또는 수동으로 교체될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 상기 키트는 처리 헤드에 매체를 공급하는 결합 매니폴드를 더 포함할 수 있다. 이 결합 매니폴드는 적어도 하나의 매체원을 처리 헤드에 공급하도록 되어 있는 하나 이상의 덕트를 매니폴드 내에서 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 키트는 처리 헤드에 매체를 공급하는 매체 공급 기구를 포함할 수 있다. 이 매체 공급 기구는, 처리 헤드가 공작 기계의 스핀들 상에서 작동 위치에 있을 때 그 처리 헤드에 매체를 공급할 수 있으며 또는 대안적으로 매체 공급 기구는 처리 헤드가 공구 교환기에 있을 때 매체를 그 처리 헤드에 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 작업물을 형성하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
a) 공작 기계가 보관 위치에서 처리 헤드를 선택해서 그 처리 헤드를 공작 기계의 클램핑 기구 안으로 삽입하는 단계;
b) 처리 헤드에 있는 매체 및/또는 매체 증착 기구에 에너지를 공급하는 기구를 활성화시키는 단계; 및
c) 작업물이 형성되도록 처리 헤드로부터 매체의 증착을 제어하는 단계.
상기 방법의 일부 실시 형태에서, 작업물 상에 매체가 증착되거나 통합될 때 생기는 열 또는 다른 에너지가 작업물의 표면을 가열하는데도 사용되는 다른 단계가 수행될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 증착시에 생긴 열은 증착된 재료의 경화, 용융, 소결, 가교결합, 반응 또는 변화의 촉진에 사용될 수 있다. 예컨대, 전자 장비를 직접 인쇄하기 위한 잉크 또는 페이스트는 설계된 전도성, 저항 또는 다른 특성을 얻는데 가열을 필요로 할 수 있고, 추가적인 가열 단계를 요구하기 보다는 증착 작업의 열로부터 부차적인 이득을 얻을 수 있다. 재료 처리에 대해 부차적인 이득을 얻을 수 없을 때는, 아래에서 설명하는 바와 같이 명시적인 처리 단계가 행해질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 재료 처리기를 포함하는 재료 처리 시스템이 제공되는데, 그 재료 처리기는 공작 기계 또는 로봇 아암 등일 수 있고 이는 처리 헤드를 가지며, 상기 재료 처리 시스템은 처리 헤드를 작업물에 대해 움직이며, 상기 재료 처리 시스템은 처리 헤드의 운동을 제어하는 제어기를 또한 포함하고, 일반적으로, 처리 헤드는 제어기의 제어하에서 에너지원을 작업물에 보내는 하나 이상의 안내 기구를 포함하며, 제어기는 일반적으로 작업물의 주어진 영역에 전달되는 파워의 양을 제어할 수 있다.
여기서 파워의 정확한 의미는 시간의 경과에 따라 축적되는 총 에너지이다. 따라서, 파워를 제어하기 위해, 에너지가 공급되는 비율(즉, 그의 파워)을 제어하거나 에너지원이 작업물을 가로질러 이동하는 속도를 제어할 수 있다.
그러한 실시 형태는 에너지원이 작업물에 미치는 영향을 제어할 수 있어 편리다. 당업자라면 전달되는 파워는 작업물에서 일어나는 일에 상당한 영향을 줄 수 있음을 알 것이다.
제어기는 파워의 양을 제어하기 위해 처리 헤드의 운동을 이용할 수 있다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 처리 헤드가 비교적 높은 속도로 작업물을 가로질러 이동하면, 그 처리 헤드가 비교적 낮은 속도로 이동하는 경우 보다 더 적은 파워가 작업물에 제공될 것이다.
에너지원은 본 발명의 전술한 양태와 관려하여 설명한 에너지원들 중 어떤 것이라도 될 수 있다.
따라서, 일부 실시 형태에서, 안내 기구는 에너지원을 작업물 상에 집중시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 안내 기구는 다른 곳에서 언급한 안내 기구들 중의 어떤 것이라도 포함할 수 있다.
전술한 양태의 경우 처럼, 본 발명의 실시 형태에는, 처리 헤드의 내부에서 에너지원을 발생시키는 기구가 제공될 수 있다. 추가적인 또는 대안적인 실시 형태는 처리 헤드의 외부에서 발생되는 에너지원을 보낼 수 있다.
처리 헤드는 에너지원을 선택적으로 활성화시키거나 비활성화시키는 기구를를 포함할 수 있다. 예컨대, 제어기는 에너지원의 발생을 선택적으로 활성화시키고/활성화시키거나 비활성화시킬 수 있다. 따라서, 레이저 비임의 예를 들면, 제어기는 그 레이저 빔의 발생을 활성화시키고/활성화시키거나 비활성화시킬 수 있고 또는 대안적으로 제어기는 레이저 비임의 포커싱 또는 디포커싱 등을 제어할 수 있다.
제어기는 재료 처리기의 외부에 있는 처리 회로에 의해 제공될 수 있으며, 그 재료 처리기는 공작 기계 및 로봇 아암 등 중의 하나이다. 예컨대, 처리 회로는 재료 처리기의 외부에서 그에 연결되어 있는 컴퓨터에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 제어기는 재료 처리기 내부의 처리 회로에 의해 제공될 수 있다.
재료 처리기는 작업물의 재료 특성을 변화시킬 수 있다. 예컨대, 재료 처리기는 작업물의 적어도 일 부분이 가열되거나, 예열되거나, 경화되거나, 연화되거나, 의도적으로 응력을 받거나, 응력 완화되도록 또는 세공/공극 관련 결함이 감소/폐쇄되도록 파워를 제어할 수 있다. 이들 작업은 균열, 뒤틀림 및 다른 결함을 피하기 위해 수행될 수 있다. 대안적으로, 작업물의 표면은, 마킹, 조직(texture) 패터닝, 조직 향상, 선택적 산화에 의해 개질될 수 있고 또는 그의 표면 조도는 재용융 또는, 삭마 등에 의해 감소될 수 있다. 대안적으로, 강 입자를 마르텐사이트로 전환시키거나 추가적인 재료에 의한 국부적 합금 또는 침탄을 일으켜 입자 구조 또는 화학적 조성을 수정할 수 있다.
상기 재료 처리 시스템은 유체 공급부를 또한 포함하는데, 이는 일반적으로 제어기의 제어를 받게 된다. 이 제어기는, 처리되는 작업물의 적어도 일 부분을 담금질하거나, 정화하거나, 쇼트피닝(shot peening)하거나, 샌드블라스팅하거나 또는 처리하기 위해 상기 유체 공급부로부터의 유체 공급을 제어할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 제어기는 작업물의 적어도 일 부분을 담금질하거나 윤활하기 위해 불활성 환경을 또는 원소 풍부 환경(침탄에서 처럼)을 제공하기 위해 유체의 공급을 제어할 수 있다. 그러나 유체, 가스 및 액체도 매체라고 생각할 수 있다.
하나 이상의 유체 공급부가 있을 수 있는데, 이 경우 각 유체 공급부는 다른 유체를 공급할 수 있다.
각각의 유체 공급부에 의해 공급되는 유체는, 물, 오일, 희가스(noble gas)와 같은 불활성 가스, 공기, 기계 냉각제, 에칭액, 정화 유체, 파티나(patina), 착색제 등 중의 어떤 것이라 될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 제어기는 작업물을 처리하는 에너지원을 제어할 수 있다. 여기서 작업물의 처리는 적어도, 응력 부여, 응력 완화, 미세 구조 수정, 화학적 조성 수정, 세공 감소/제거, 용접, 경납땜, 결합, 절단, 구멍 뚫기, 밀링, 마킹, 플라즈마 분사, 용사(thermal spraying), 표면 재용융; 열처리 등을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 재료 처리 시스템은 매체 공급부를 포함할 수 있다. 이 매체 공급부는 본 발명의 상기 양태와 관련하여 설명한 것과 같은 것일 수 있다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 매체 공급부는 매니폴드를 통해 처리 헤드 안으로 전달될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 매체 공급부는 편리하게는 카트리지 등에 의해 처리 헤드 내에 제공될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 재료 처리 시스템은, 미리 에너지원에 의해 처리된 작업물에 매체를 공급할 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 매체는 분말 등을 포함할 수 있다. 그러한 분말 및 유사한 재료는, 처리 헤드에 의해 작업물에 가해지는 파워에 의해 작업물 상에서 용융되거나, 소결되며 그리고/또는 화학적으로 반응하게 되며 또는 그 파워에 의해 촉진된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 작업물의 재료 특성이 변하도록 제어기의 제어 하에서 작업물에 대해 에너지원을 안내하여 작업물에 전달되는 파워를 제어하여 작업물을 처리하는 방법이 제공된다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 양태는 여기서 설명하는 공작 기계를 제공하기 위해 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어 요소를 포함할 수 있다.
증착을 포함한 부가 공정 및 필요한 경우 밀링을 포함한 제거 공정의 조합을 사용하여 작업물을 제조하는 것은 당업계에 알려져 있는 바와 같이 하이브리드 제조 형태이며, 이들(및 프로빙(probing)과 같은 다른 작업) 사이의 변경은 여기서 설명한 실시 형태 및 양태에 의해 편리하게 된다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 상기 양태는 다양한 특징을 가지며 본 발명의 일 양태의 특징은 필요한 변경을 가하여 다른 양태에 적용될 수 있다 .
이제 본 발명의 일 실시 형태에 대한 상세한 설명이 예시적으로 주어질 것이다.
도 1 은 공작 기계를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 형태의 일 부분을 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 일 실시 형태에 사용되는 매니폴드의 다른 상세도이다.
도 4a 는 비결합 상태에 있는 본 발명의 실시 형태를 나타낸다.
도 4b 는 부분 결합 상태에 있는 도 4a의 실시 형태를 나타낸다.
도 4c 는 완전 결합 상태에 있는 도 4a 및 4b의 실시 형태를 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 일 실시 형태를 제 1 각도에서 본 것이다.
도 6 은 도 5 의 실시 형태를 제 2 각도에서 본 것이다.
도 7 은 도 5 의 실시 형태를 제 3 각도에서 본 것으로, 전달 기구가 강조되어 나타나 있다.
도 8 은 도 5 의 실시 형태의 사시도로, 그의 매체 공급부를 도시한다.
도 9 는 도 1 ∼ 5 와 관련하여 설명한 실시 형태를 사용하는 방법을 도시하는 흐름도다.
도 10 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공작 기계로 처리된 작업물의 일 예를 나타낸다.
도 11 은 본 발명의 다른 양태에 따른 대안적인 처리 헤드를 개략적으로 도시한다.
도 12 는 다른 대안적인 처리 헤드를 도시한다.
도 13 은 가열된 폴리머를 가하기 위한 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 14 는 액상 매체를 작업물에 가하기 위한 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 15 는 가열된 폴리머를 가하기 위한 실시 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 16 은 플라즈마 전달 아크 기반 에너지원을 사용하는 다른 실시 형태를 나타낸다.
도 17a 는 비결합 상태에 있는 도 16의 실시 형태를 나타낸다.
도 17b 는 부분 결합 상태에 있는 도 17a의 실시 형태를 나타낸다.
도 17c 는 완전 결합 상태에 있는 도 17a 및 17b의 실시 형태를 나타낸다.
도 18 은 에너지원을 작업물 상에 전달하는 처리 헤드가 배치되어 있는 다른 실시 형태를 나타낸다.
도 1 은 공작 기계(100)를 개략적으로 나타낸 것으로, 이 공작 기계는 일반적으로 공작 기계(100)의 클램핑 기구에 유지되어 작업물(104)을 기계가공하는 기계가공 헤드(102)를 포함한다. 또한 공작 기계(100)는 보통 제어기(106)로 제어되는데, 이 제어기는, 기계가공 헤드(102)가 작업물(104)을 가공할 때 그 헤드의 위치를 제어하게 된다.
대부분의 공작 기계(100)는, 정확한 기계가공 헤드(102)가 작업을 위해 언제든지 제공되도록 기계가공 헤드(102)가 다른 기계가공 헤드(102)와 교환될 수 있도록 되어 있다. 밀링 머신의 예를 들면, 대략적인 재료 제거를 위해 제 1 기계가공 헤드가 제공될 수 있고, 미세한 재료 제거를 위해 제 2 기계가공 헤드가 제공될 수 있다.
따라서, 공작 기계(100)는, 일반적으로 제어기(106)의 제어하에서, 작업물(104)을 가공하기 위해 공작 기계(100)에 의해 사용되는 기계가공 헤드(102)를 교환할 수 있는 공구 교환기를 갖는다.
도 2 는 공작 기계(100)의 클램핑 기구(202)를 사용하여 공작 기계(100)에 연결되는 처리 헤드(200)를 도시하는데, 이 처리 헤드는 기계가공 헤드의 보관부에 보관될 수 있고 공구 교환기로 공작 기계(100)에 자동적으로 연결될 수 있다. 여기서, 공구 교환기는 현재 공작 기계에 의해 사용되고 있지 않는 처리 헤드, 기계가공 헤드 등을 위한 보관 위치를 제공할 수 있다. 여기서의 논의는 클램핑 기구(202)에 대한 것이며, 이 클램핑 기구(202)가 연결되는 스핀들은 공작 기계(100)의 일 부분인 것으로 가정한다.
설명하는 실시 형태에서, 처리 헤드(200)는 레이저 비임(206)을 작업물(104)상에 집중시키도록 되어 있다. 다른 실시 형태에서, 레이저 대신에 다른 에너지원도 사용될 수 있다. 따라서, 처리 헤드는 제어기(106)의 제어하에서 상기 집중된 레이저 비임(206)(또는 다른 에너지원)으로 작업물(104)을 처리하도록 되어 있다.
도 2 에는 처리 헤드(200)의 단면이 나타나 있는데, 들어오는 레이저 비임(210)을 90도로 방향 전화시켜 집중된 레이저 비임(206)을 생성하기 위한 집중 렌즈(212) 상에 입사하도록 해주는 거울(208)과 같은 반사기가 배치되어 있음을 알 수 있다. 집중 렌즈(212)는 안내 기구로 생각할 수 있다. 다른 처리 헤드(200)가 반사기 및 집중 렌즈와 같은 광학 부품의 다른 배치를 가질 수 있고 또는 사실 추가적인 광학 부품을 가질 수도 있다.
레이저 비임 및 광학 요소에 추가하여, 처리 헤드(200)는 매체를 전달하는 하나 이상의 덕트를 또한 포함할 수 있다. 예컨대, 그 매체는 전달 유체내의 폴리머 및/또는 금속 분말을 포함할 수 있는데, 이는 에너지원에 의해 용융된다. 가공시, 매체는 처리 헤드를 통해 전달되어 에너지원에 들어가 작업물(104)에 도달하기 전에 용융되거나 적어도 반용융된다. 따라서, 처리 헤드는 재료를 작업물 상에 증착하는데 사용될 수 있고 증착 시스템을 제공하는데, 이는 예컨대 부품을 수리하는데 사용될 수 있다.
공작 기계(스핀들을 포함하는) 및 클램핑 기구(202)는 길이 방향 축선(도 2 에서 점선 XX 으로 표시되어 있음)을 갖는다. 기계가공 헤드(예컨대 밀링 커터)가 클램핑 기구(202) 내에 존재하면, 그 헤드는 상기 축선(XX)을 중심으로 회전할 수 것이다. 편리하게는, 에너지원(설명하는 실시 형태에서는 레이저 비임(206)임)은, 작업물(106)의 표면 상에서 실질적으로 축선(XX) 상에 있는 지점, 영역 등(213)에 집중된다.
다른 실시 형태에서, 집중 렌즈(212)는 사실, 기재를 예열하거나 작업물을 열처리하거나 또는 용사(thermal spraying) 등과 같은 경우에서 처럼 발산형 비임을 만들 수도 있다.
도면에는 나타나 있지 않지만, 본 발명의 일부 실시 형태는, 도 2 에 나타나 있는 지점(207)의 영역으로부터 축선(XX)을 따라 에너지원을 공작 기계의 스핀들을 통해 전달할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 공급부가 매체를 처리 헤드(200)에 공급하게 된다.
공급 유닛(214)이 처리 헤드(200)와 클램핑 기구(202)에 인접하여 제공되어 있는데, 이 공급 유닛은 다양한 요소들이 수용되는 하우징을 제공한다. 처리 헤드(200)는 가공헤드 결합 매니폴드(201)를 포함하고, 공급 유닛(214)은 뒤에서 설명할 공급부 결합 매니폴드(300)를 포함하며, 이들 결합 매니폴드는 서로 결합하여 도 2 에 나타나 있는 조건에서 공급 유닛(214)과 처리 헤드(200)를 서로 연결시키게 된다.
공급 유닛(214) 위에는 에너지원(216)이 있는데, 설명하는 실시 형태에서 그 에너지원은 레이저이다. 레이저(216)는 비임을 발생시키는데, 이 비임은 공급 유닛(214) 안으로 전달되어 비임 확장기(217)를 통과하게 되며, 이 비임 확장기는 제 1 렌즈(218) 및 제 2 렌즈(220)를 각각 포함한다. 비임 확장기(217)는, 작업물(104) 상에의 더 양호한 최종 집중을 이루고 또한 광학 기기에 대한 열부하를 줄기 위해 레이저 비임의 직경을 증가시키는데 이용된다.
공급 유닛(214)은 다른 반사기(222)를 또한 포함하는데, 이 반사기는 레이저에서 온 광 비임을 처리 헤드(200) 및 그 내부의 반사기(208) 쪽으로 90°반사시키도록 되어 있다. 렌즈(218, 220) 및 반사기(222) 각각은 공급 유닛(214) 내부에 제공되는 안내 기구로 생각할 수 있다.
공급 유닛(214)은 다양한 매체의 공급부(224)를 또한 포함하는데, 공급 유닛(214)이 처리 헤드에 연결될 될 때 그 공급부는 상기 매니폴드를 통해 처리 헤드(200)에 연결된다.
당업자라면, 작업물(104) 주위의 영역(226)을 일반적으로 공작 기계의 작업 영역(또는 공간)이라고 함을 알 것이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공급 유닛(214)의 공급부 결합 매니폴드(300)를 나타낸다. 이 공급부 결합 매니폴드(300)의 중심부에는 덕트(302)가 있는데, 이 덕트는 에너지원(여기서 설명하는 실시 형태에서는 레이저)이 공급 유닛(214)과 처리 헤드(200) 사이를 지날 수 있도록 해준다.
상기 공급부 결합 매니폴드(300)에서 덕트(304, 306, 308, 310)를 또한 볼 수 있는데, 이들 덕트는 냉각 매체, 차폐 가스 및 처리 헤드(200)에 의해 처리될 재료를 공급 유닛(214)으로부터 처리 헤드(200)에 전달하도록 되어 있다. 일반적으로, 덕트(304 - 310)를 시일링하고 또한 그들 덕트를 통과하는 매체의 누출을 방지하기 위해, 공급 유닛(214)에 있는 매니폴드 및 처리 헤드(200)에 있는 매니폴드 중의 적어도 하나에 시일이 제공될 수 있다.
당업자라면 아는 바와 같이, 일반적으로 차폐 가스는 작업물(104)이 처리되는 중에 이 작업물에서 산화 등과 화학 반응이 일어나는 것을 방지하는 아르곤 등과 같은 불활성 가스이다.
어떤 실시 형태에서, 비임 확장기(217)는 최종 포커스의 촛점을 조정하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 구성은, 처리 대상 재료가 처리 헤드 내에서 또는 처리 헤드 뒤에서 에너지원에 의해 용융되는지 판단하는데 도움을 줄 수 있다. 당업자라면, 처리가능한 재료가 용융되는 지점을 변화시켜 처리되는 작업물에 대한 결합, 마무리 및 잔류 응력을 결정할 수 있다.
일 실시 형태에서, 두 매니폴드의 결합 표면(즉, 공급부 결합 매니폴드(300)에 있는 면(312) 및 가공 해드 결합 매니폴드에 있는 대응하는 면)은 실질적으로 평평하여, 뒤에서 설명하는 바와 같이, 공급 유닛(214)은 오물이 특히 덕트(302) 안으로 유입하는 것을 방지하도록 처리 헤드(200)로부터 떨어져 있을 때 결합될 수 있다. 따라서, 실질적으로 평평한 표면은 평평한 표면으로 생각할 수 있고 정렬 기구를 제공하는 것으로 생각할 수 있다.
또한 공급부 결합 매니폴드(300)에는 위치잡기 기구(이 경우에는 위치잡기 핀(314, 316))이 제공되어 있는데, 이 핀은 처리 헤드 결합 매니폴드에 있는 상보적인 요소와 결합하도록 되어 있다. 당업자라면 아는 바와 같이, 핀(314, 316)은 처리 헤드 결합 매니폴드에 제공될 수 있고 공급부 결합 매니폴드(300)에 있는 오목부 또는 하나 이상의 핀은 각 매니폴드에 제공될 수 있다. 사실 위치잡기 핀 외의 다른 위치잡기 수단이 사용될 수 있다. 실질적으로 평평한 표면에 추가하여 위치잡기 기구는 정렬 기구라고 생각될 수 있다.
도 4 는 이제 설명하는 바와 같이 서로에 대해 다양한 조건으로 배치되어 있는 공급 유닛(214), 처리 헤드(200) 및 클램핑 기구(202)를 나타낸다.
도 4a 에는 비결합 조건이 나타나 있는데, 여기서 공급 유닛(214)은 제 1 조건에 있고, 이 조건은 보관 조건이라고 생각할 수 있다. 공급부 결합 매니폴드(300)는 덕트(302 - 310)가 폐쇄되도록 실질적으로 평평한 결합 표면(400)에 접해 위치되어 있다. 처리 헤드(200)는 클램핑 기구(202)로부터 떨어져 보관된다. 종종 처리 헤드(200)는 공작 기계(100)의 공구 교환기에 보관되지만, 이는 꼭 그럴 필요는 없다.
도 4b 는, 처리 헤드(200)가 클램핑 기구(202) 내에 위치되어 있고 공급 유닛(214)은 도 4a 에 나타나 있는 바와 같은 제 1 조건으로 유지되는 조건에 있는 시스템을 나타낸다. 처리 헤드(200)는 일반적으로 기계가공 헤드 교환 루틴을 사용하여 선택되어서 클램핑 기구(202) 안으로 삽입된다. 당업자라면 이해하는 바와 같이, 많은 실시 형태에서 이 교환 루틴은 자동적이거나 또는 적어도 반자동적이고 종종 제어기(106)의 제어를 받게 된다.
도 4c 는 결합 조건에 있는 시스템을 나타내는데, 여기서 공급 유닛(214)은 제 2 조건에 있고 이때 공급부 결합 매니폴드(300)는 처리 헤드에 결합되어 있다. 결합 조건에서, 공급부 결합 매니폴드(300)에 있는 덕트(302 - 310)는 처리 헤드(200) 내부의 상호 작용 덕트와 정렬된다.
어떤 실시 형태에서, 공기 블래스트(blast) 시스템이 공급부 결합 매니폴드(300)와 관련되어 있어, 공급부 결합 매니폴드(300)가 처리 헤드 결합 매니폴드로부터 분리될 때 공기(또는 사실 임의의 적절한 유체)의 블래스트가 덕트(302 - 310) 위를 지나거나 또는 그를 통과하여 오물이 그들 덕트에 들어가는 것을 방지하는데 도움을 준다.
당업자라면 아는 바와 같이, 도 4a - 4c 에 있는 세가지 단계는 공급 유닛(214)이 처리 헤드(200)에 연결되기 전에 처리 헤드(200)를 클램핑 기구(202)에 연결하는 것을 개략적으로 보여준다. 다른 실시 형태에서, 연결의 순서는 다를 수 있고 예컨대 처리 헤드(200)가 클램핑 기구(202)에 결합되기 전에 공급 유닛(214)이 처리 헤드(200)에 연결될 수 있다.
도 5 는 다른 실시 형태를 나타내는데, 유사한 부분에는 동일한 참조 번호를 부여했다. 도 5 는 공급 유닛을 제 1 비결합 조건(도 4a 에 나타나 있음)에서 제 2 결합 조건(도 4c 에 나타나 있음)으로 이동시키는데 사용되는 기구를 도시한다.
도 6 은 도 5 의 실시 형태의 다른 입면도를 나타내는데, 이는 공급부 결합 매니폴드(300)를 내려다 본 것인데, 즉 도 5 의 우측에서 본 것이다.
공급 유닛(214)을 수직 방향으로 이동시키는 제 1 운동 기구가 제공되어 있고, 설명하는 실시 형태는 공급 유닛(214)의 외부 표면의 일 부분을 따라 제공되는 랙(500)을 포함한다. 당업자라면 이해는 바와 같이, 도에 도시되어 있더라도, 공급 유닛(214)의 일 측에 있는 랙은 그 공급 유닛(214)의 원주 주위의 어느 위치에도 제공될 수 있고 사실 하나 이상의 그러한 랙이 있을 수 있다. 사실, 도 7 에서 알 수 있는 바와 같이, 설명하는 실시 형태는 공급 유닛(214)의 일 측에서 2개의 랙(500a, 500b)을 포함한다.
도 7 은 프레임(502)에 장착되어 있는 피니언 기구(700)를 보다 명확히 나타낸다. 피니언 기구(700)가 작동되면, 그에 있는 기어가 랙(500a, 500b)과 상호 작용하게 되며 그 기어가 구동되는 방향에 따라 공급 유닛(214)이 위쪽 또는 아래쪽으로 움직이게 된다.
도 7 에서 알 수 있는 바와 같이, 설명하는 실시 형태에서 피니언 기구(700)의 하우징은 공급 유닛(214)을 위한 가이드로서 작용하기 위해 랙(500a, 500b)과 결합한다. 다른 실시 형태에서, 다른 안내 기구가 제공될 수 있다.
공급 유닛(214)을 수평 방향으로 이동시키기 위해 제 2 운동 기구가 제공되어 있다. 설명하는 실시 형태에서, 제 2 운동 기구는 2개의 웜 기어(504, 506)를 포함하는데, 한 웜 기어는 정상부 쪽에 있고 다른 웜 기어는 프레임(502)의 바닥부 쪽에 있다.
이해하는 바와 같이, 상기 제 1 및 2 운동 기구 각각은, 두 매니폴드가 연결될 때 각각의 매체가 처리 헤드에 공급되도록(즉, 각 매니폴드 내의 덕트(302 - 310)가 서로 연결되도록) 공급부 결합 매니폴드(300)를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키고/연결시키거나 그 연결을 해제하는 적어도 하나의 기구를 제공한다.
피니언 기구(700)에 인접하여 피동 기어가 하우징(702) 내부에 제공되는데, 이 피동 기어는 공급 유닛(214)을 웜 기어(504, 506)에 대해 구동시켜 공급 유닛(214)을 수평 방향으로 이동시키게 된다.
다른 실시 형태에서, 상기 제 1 및 2 운동 기구는 기어 외의 다른 기구로 제공될 수 있다. 예컨대, 공압식 및/또는 유압식 액츄에이터가 사용될 수 있다. 설명하는 실시 형태에서는 2개의 운동 기구가 있지만, 당업자라면 이해하는 바와 같이, 다른 실시 형태에서는 그 보다 더 적거나 더 많은 운동 기구가 있을 수 있다.
도 8 은 도 5 의 실시 형태에 따른 공급부 결합 매니폴드(300)를 더 자세히 나타낸 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 이 실시 형태에서 덕트(304 - 310)는 그의 단부 영역에서 커넥터를 포함하는데, 이 커넥터는 처리 헤드 결합 매니폴드 내에 있는 상보적인 커넥터와 연결된다.
요컨대, 그리고 도 9 를 참조하면 공작 기계(100)에 있는 처리 헤드를 교환하기 위해, 그 공작 기계의 제어기(106)는 그의 공구 교환 루틴을 시작하며, 처리 헤드(200)를 픽업한다(사전에 지니고 있었던 기존의 헤드와 결합한 후에)(단계 900).
필요한 경우 처리 헤드(200)가 공작 기계(100)의 클램핑 기구(202) 내에 결합하면, 두 매니폴드가 연결될 수 있도록 처리 헤드(200)가 알려져 있는 배향으로 있을 때까지 처리 헤드(200)는 공작 기계(100)에 의해 회전된다(단계 902).
일단 처리 헤드(200)가 공급 유닛(214)을 받을 수 있는 준비가 되도록 배향되면, 공급부 결합 매니폴드(300)가 결합 표면(400)에서 멀어지게 움직이도록 제 2 운동 기구가 작동된다(단계 904).
그후, 공급 유닛(214)을 하강시키기 위해 제 1 운동 기구가 작동된다(단계 906).
일단 공급 유닛이 정확한 수직 높이에 있으면, 제 2 운동 기구가 다시 작동되어, 공급 유닛(214)에 있는 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 결합시킨다(단계 908).
두 매니폴드는 그의 평평한 표면과 결합하고 위치잡기 기구(314, 316)는, 공급 유닛(214)이 처리 헤드에 대해 정확히 배향되도록 해준다. 당업자라면 이해하는 바와 같이, 처리 헤드(200)에 대한 공급 유닛(214)의 정확한 정렬은 에너지원(예컨대, 레이저 비임)을 전달하는 요소들의 정렬을 보장하는데 도움을 준다. 이 경우, 서로에 대한 반사기(208, 222)는 레이저 비임이 정확하게 집중되는 것을 보장하는데 도움을 준다.
본 발명의 실시 형태는 많은 분야에 적용될 수 있고 특히 실시 형태는 일반적으로 에너지원 및 관련된 매체가 공작 기계(100)에 연결되어 공작 기계(100)가 에너지원으로 작업물(106)을 가공하는 것을 가능하게 해준다.
일 특별한 적용예는 레이저 증착(레이저 클래딩(cladding)이라고도 함)이다. 레이저 증착은 손상된 터빈 블레이드, 펌프 임펠러 등을 포함한 부품들을 수리하는데 이용될 수 있다. 레이저 증착 공정은 재료를 부품에 추가할 수 있고, 그 부품은 다음에 기계 가공되어 부품의 수리를 마무리 짓게 된다.
도 10 은 수리된 터빈 블레이드를 나타내는데, 여기서 새로운 재료가 팁 영역(1000)(점선으로 포시되어 있음)에 추가되어 있다.
다른 실시 형태에서, 처리 헤드는, 용접, 증착(부가 제조, 3D 프린팅, 및 방향성 에너지 증착), 용사(어떤 경우에는 발산형 에너지 비임을 이용함), 클래딩, 절단, 공정내 열 관리; 열처리, 에너지(예컨대, 레이저) 기계 가공 등 중에서 임의의 것을 포함하는 다른 공정을 제공하는데 이용될 수 있다.
도 11 은 매체 저장부가 처리 헤드에 제공되어 있는 본 발명의 다른 양태의 실시 형태를 개략적으로 도시한 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 처리 헤드(1100)는 공작 기계(1106)의 일 부분인 스핀들(1104)에 부착되는 클램핑 기구(1102)에 제공되어 있다. 처리 헤드는 에너지원(1110)과 함께 처리 헤드에 위치되는 매체 저장부(1108)를 포함한다.
에너지원에서 나온 에너지는 매체 저장부(1108)에 있는 매체에 가해진다. 그리고 매체는 통로(1112)를 따라 어플리케이션 지점(1114)으로 전달되어, 여기서 매체가 작업물에 가해지게 된다. 처리 헤드의 운동 및 어플리케이션 지점(1114)의 위치는 전과 같이 주로 공작 기계 또는 제어기로 제어된다. 회전 또는 미세 위치결정과 같은 추가 운동이 일반적으로 처리 헤드에 포함될 수 있다. 에너지원(1110)은 열원을 포함하고, 스핀들(1104) 또는 도 2 에 도시되어 있는 바와 같은 본 발명의 실시 형태에서와 같은 하나 이상의 결합 시스템을 통해 공작 기계의 전기 공급부에 연결된다. 매체 저장부는 폴리머 필라멘트와 같은 매체의 공급부를 포함한다. 처리 헤드가 도 2 의 실시 형태에서 처럼 결합 시스템을 통해 사용되고 있을 때 또는 대안적으로 공구 교환기에 위치되어 있을 때, 챔버는 추가적인 매체 재료로 보충될 수 있다.
도 12 는 2개의 매체 공급부를 포함하는 다른 처리 헤드의 예시적인 실시 형태이다. 간단히 하기 위해 처리 헤드(1100)만 도 12 에 나타나 있다. 이 실시 형태에서, 처리 헤드는 제 1 매체 공급부(1116) 및 제 2 매체 공급부(1118)과 함께 에너지원(1110)을 포함하며, 각 매체 공급부는 각각의 제 1 및 2 어플리케이션 지점(1124, 1126)까지 이르는 각각의 통로(1120, 1122)에 연결되어 있다. 제 1 매체 공급부는 빌딩 재료를 포함할 수 있고 제 2 매체 공급부는 지지 재료를 포함할 수 있으며, 또는 제 1 및 2 매체는 더 복잡한 작업물을 만드는데 사용되는 다른 색이나 대안적인 매체를 포함할 수 있다. 제 1 매체는 빌드 재료 또는 지지 매체 중의 하나일 수 있다. 제어기 또는 공작 기계는 처리 헤드의 위치 결정 및 매체 증착의 제어로 매체의 어플리케이션을 제어할 수 있다. 추가로, 하나 또는 다른 하나에 유리하게 어플리케이션 지점의 전진 및 후퇴와 같은 미세 위치 결정이 처리 헤드에 포함될 수 있다. 작용 위치에 있을 때 또는 처리 헤드가 공구 교환기에서 오프 사이클에서 있을 때 처리 헤드가 사용 중일 때 매체 저장부(1116, 1118)는 매체 공급부를 통해 보충될 수 있다. 에너지원은 배터리 동력식 에너지원일 수 있고 처리 헤드가 공구 교환기에 있을 때 재충전될 수 있다.
이제 도 13 을 참조하면, 이 도는 아마 전술한 바와 같은 매니폴드를 통해 처리 헤드의 외부에서 공급되는 매체 및 파워로 가열된 폴리머를 압출하는 재료 처리 헤드를 나타낸다. 이 실시 형태에서, 처리 헤드(1150)는 클램핑 기구(1152), 제 1 증착 헤드(1154)및 제 2 증착 헤드(1156)를 포함한다. 클램핑 기구(가끔 공구 홀더라고도 함)는 ISO 40 테이퍼 또는 HSK 63a 일 수 있다.
처리 헤드는 ASTM F2792 에 규정되어 있는 바와 같은 "재료 압출" 장치를 나타내는 일 예이다. 따라서, 증착 헤드(1154, 1156)는 작업물에 재료를 압출하도록 되어 있다. 처리 헤드는 또한 제 1 및 2 매체 공급부(1158, 1160)를 포함한다. 이 실시 형태에서, 매체 공급부는 제 1 채널(1162) 및 제 2 채널(1164)을 포함하고, 이들 각 채널은, 매체 공급부(1158, 1160)를 제공하는 매체를 형성하는 폴리머의 제 1 및 2 필라멘트를 안내하다. 매체는 매체 공급 기구로부터 제 1 및 2 채널에 공급된다. 매체 공급 기구는 매니폴드에 연결된다. 파워 공급이 또한 앞 도에서 설명한 매니폴드와 유사한(필요한 변경을 가한) 매니폴드로부터 처리 헤드에 제공된다. 필라멘트 이송 기구(1166)가 처리 헤드에 위치되어 있고 제 1 및 2 필라멘트를 각각의 가열된 챔버(1168, 1170)에 이송한다. 파워 공급부(일반적으로 매니폴드에 연결되며 연결부는 여기서 "1172" 로 나타나 있다)는 에너지를 제 1 및 2 가열 챔버에 공급하고 각각의 챔버 안에서 제 1 및 2 필라멘트가 가열되고 반액상 매채가 제 1 증착 헤드(1154) 및 제 2 증착 헤드(1156)에 공급된다.
대안적인 실시 형태가 도 14 에 나타나 있는데, 여기서 헤드는 ASTM F2792 표준에 의해 인정된 것과 같은 재료 분출(jetting)을 위해 설계되어 있다. 따라서, 도 14 의 헤드는 잉크젯, 에어로졸 젯 등과 유사하다. 이 실시 형태에서, 제 1 액상 매체(1200) 및 제 2 액상 매체(1202)가 처리 헤드에서 제공된다. 이 실시 형태에서, 각 증착 헤드(1204, 1206)는 액적을 작업물에 또는 적어도 그 작업물 쪽으로 증착시키는 다수의 액체 제트를 포함한다. 매체는 액체일 수 있고 또는 당업계에 알려져 있는 바와 같이 현탁된 입자들로 충전되어 있는 액체와 같은 다른 분출가능한 유체에서 선택될 수 있다. 제 1 매체 챔버(1208) 및 제 2 매체 챔버(1210)가 처리 헤드에 각각 제공되어 있고 매체 공급부가 각 챔버 안에 있다. 매체는 선택적으로 온도 제어가능한데, 특히 이 경우 분출가능한 속도를 유지하는 것이 중요하다. 처리 헤드로부터 작업물 상으로의 매체 증착을 제어하는 제어기가 제공된다. 이 실시 형태에서 그 제어기는 압력 관리 밸브(1212)를 포함한다. 에너지원이 제공되고 파워를 발생시키는 배터리(1214) 또는 유사한 기구를 포함한다. 배터리(1214)는 작업물에의 매체의 어플리케이션을 제어하기 위한 에너지를 제공하고 열 형태의 에너지를 매체에 제공할 수 있다. 각각의 제 1 및 2 챔버는 제 1 및 2 덕트(1216, 1218)에 연결되어 있는데, 이들 덕트는 매체 챔버(1208, 1210) 내의 매체가 보충될 수 있게 해준다. 상기 제 1 및 2 덕트는 공구 교환기에 있는 재료 이송부 또는 매니폴드에 연결될 수 있다. 다른 실시 형태는 이렇게 보충형이 아닐 수 있다.
헤드가 공작 기계에 고정된 상태에서 매니폴드가 처리 헤드에 연결될 수 있다. 배터리가 또한 매니폴드를 통해(즉, 연결부(1219)를 통해) 주 전기 공급부에 연결될 수 있고 매니폴드가 처리 헤드에 연결되어 있는 중에 배터리는 재충전될 수 있다.
또한 도 14 에는, 처리 헤드의 운동, 분출 펄스 및 매체 챔버(1208, 1210) 내의 압력을 제어하는 제어 보드(1220)가 제공되어 있다.
이미지를 인쇄하고 CNC 위치 제어기의 기구로 헤드의 위치를 제어하고 조절하기 위한 데이타를 위한 데이타원에의 접속을 위한 무선 통신 기구가 또한 제공되어 있다. 이러한 무선 통신 기구는 통상적인 것이어서 더 설명하지는 않겠다. 대안적으로, 메모리 카드와 같은 저장 메모리를 처리 헤드에 포함시켜서 또는 더 통상적인 기구에 의해 데이타는 매니폴드 또는 결합 시스템으로부터 헤드에 주어지는 유선 연결부를 통해 장치에 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태가, 가열된 폴리머를 압출하도록 되어 있는 실시 형태를 나타내는 도 15 에 도시되어 있다. 이 도 13 의 실시 형태에서 처럼 이 실시 형태에서, 매체는 폴리머 필라멘트의 형태로 제공된다. 대응하는 요소에는 동일한 참조 번호가 사용된다. 이 실시 형태에서, 제 1 및 2 필라멘트(1158, 1160) 각각은 제 1 및 2 스풀(1300, 1302)에 감겨 있는 팔라멘트로서 제공된다. 제 1 및 2 필라멘트는 각각의 필라멘트 이송 기구(1166)에 의해 각각의 제 1 및 2 스풀(1300, 1302)로부터 이동된다. 필라멘트가 제 1 및 2 챔버(1168, 1170)를 통과할 때 그 필라멘트를 가열하기 위해 에너지원(미도시)이 제 1 및 2 챔버에 에너지를 제공하게 된다. 처리 헤드에 연결될 수 있는 매니폴드를 통해 파워 공급부(1304)가 처리 헤드에 연결된다. 이 실시 형태에서, 매체가 다 사용되면, 전체 처리 헤드는 자동적으로 교환될 수 있다. 이렇게 해서, 처리는 지연되지 않으며, 처리 헤드가 비사용 상태에 있고 공구 교환기 또는 다른 보관 위치에 있을 때, 스플이 고갈된 헤드는 보충을 받을 수 있다.
도 16 은 클램핑 기구(202)에 선택적으로 유지되는 처리 헤드(200)를 갖는 다른 실시 형태를 나타낸다. 이 실시 형태는 아마도 도 2 ∼ 4 에 나타나 있는 실시 형태와 유사하며, 유사한 부분에는 유사한 참조 번호가 사용된다.
도 16 과 관련하여 설명하는 실시 형태에서, 에너지원은 고압 전기 공급부(516)에 의해 제공되며, 에너지원을 작업물(104)에 전달하는 안내 기구는 전도성 경로(520) 및 전극(508)에 의해 제공된다. 일반적으로, 전도성 경로(520)는 구리선, 케이블 등과 같은 와이어에 의해 제공될 수 있다.
유체(여기서 설명하는 다른 유체들 중의 하나 이상임)를 작업물(104)에 공급하는 매체 공급부(224)가 또한 제공되어 있다.
펀리성과 보호를 위해, 전도성 경로(520) 및 매체 공급부(224)는 가요성 공급 유닛(514) 안에 들어 있다.
도 16 의 실시 형태에서 알 수 있는 바와 같이, 작업물은 땅(1600)에 연결되며 그래서 작업물에 아크(513)가 발생되어 플라즈마 기반 에너지원이 제공된다.
앞의 실시 형태에서 처럼, 공급부 결합 매니폴드(600)가 제공되며 여기서 가요성 공급 유닛(514)의 단부 영역에 제공되고 또한 처리 헤드(200)에 있는 처리 헤드 매니폴드(1602)에 연결된다.
실질적으로 평평한 결합 표면(700)이 제공될 수 있는데, 공급부 결합 매니폴드(600)는 사용되지 않을 때 그 결합 표면에 접해 보관될 수 있다. 여기서 상기 평평한 표면은 전기 공급부(516)에 나타나 있다.
도 17a ∼ 17b 는 도 16 의 실시 형태를 다양한 결합 단계에서 나타낸 것이다.
따라서, 도 17a 에서 알 수 있는 바와 같이, 처리 헤드(200)는, 사용되지 않을 때는, 클램핑 기구(202)에서 떨어져 공구 스테이션 등에 유지된다. 이 상태에서, 클램핑 기구는 다른 처리 헤드 또는 기계가공 헤드를 자유롭게 잡아, 처리 헤드(200)가 할 수 없는 처리를 작업물(104)에 할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 공급부 결합 매니폴드(600)는 실질적으로 평평한 결합 표면(700) 상에 배치된다.
그리고 로봇 아암, 공구 교환 기구 등과 같은 기구(미도시)를 사용하여, 처리 헤드(200)를 클램핑 기구(202) 안으로 이동시킨다. 구성 요소들의 이러한 배치는 도 17b 에 나타나 있고, 따라서 로봇 아암은 공급부 결합 매니폴드를 이동시키는 기구(즉, 운동 기구)라고 생각될 수 있다.
공급부 결합 매니폴드(600)가 처리 헤드 결합 매니폴드(1602)에 연결되도록, 로봇 아암 등과 같은 운동 기구(미도시)(처리 헤드를 이동시키는데 사용되는 동일한 운동 기구이거나 아닐 수 있음)를 사용하여, 안내 기구(520) 및 공급부 결합 매니폴드(600)를 포함한 가요성 공급 유닛(514)을 제 위치로 이동시킨다. 이러한 구성 요소들의 배치는 도 17c 에 나타나 있고, 따라서 유체가 공급부 결합 매니폴드(600), 처리 헤드 결합 매니폴드(1602)를 통해 매체 공급부(224)를 따라 아래로 이동하여 처리 헤드(200) 안으로 들어갈 수 있다. 또한, 안내 기구(520)의 안내부에 의해, 전기 공급부(516)로부터 전기가 전극(508)을 통해 처리 헤드(200)에 전달되고 간격을 가로질러 작업물(104)에 전달되며 그리고 최종적으로 땅(1600)에 전달된다.
도 18 은, 처리 헤드에 인접해 있는 작업물 상으로 향하는 에너지원을 제공하는 처리 헤드가 배치되어 있는 다른 예시적인 실시 형태를 나타낸다.
상기 도는 도 2 와 유사하며, 유사한 부분에는 유사한 참조 번호가 사용된다. 그러나, 도 18 과 관련하여 설명하는 실시 형태에서, 처리 헤드는 매체를 공급하지 않고 단순히 에너지를 작업물을 공급하도록 되어 있다. 결합 기구는 필요한 변경을 가하여 도 3, 4a, 4b 및 4c 또는 도 16a, 16c 및 17 과 관련하여 설명한 것과 유사한 방식으로 기능할 수 있고 다시 설명하지 않을 것이다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 매체 없이 에너지를 작업물에 공급하는 실시 형태에서는 "304", "306", "308" 및 "310"은 생략될 수 있다. 그러나, 그러한 실시 형태는 냉각제, 차폐 가스 등과 같은 유체를 공급하게 됨을 생각할 수 있다. 그러한 유체는 도 3 에 나타나 있는 것과 같은 매니폴드에 있는 덕트를 통과할 수 있다. 또 다른 대안적인 실시 형태에서, 유체는 매니폴드를 통과하지 않고 직접 작업물 상으로 전달될 수 있고 이어서 처리 헤드를 통해 처리될 수 있다.
도 18 에서 매체 공급부는 제거되어 있음을 알 것이다.
따라서, 도 18 의 실시 형태에서, 제어기(106)는 레이저 비임(206)이 작업물(104)을 가로지르도록 그 레이저 비임의 운동을 제어한다. 제어기가 레이저 지임(206)을 작업물을 가로지르게 하는 속도는 작업물의 주어진 영역(즉, 부분)에 전달되는 파워에 영향을 줄 것이다. 추가로, 제어기(106)는 레이저를 온/오프시켜 파워를 제어하게 된다.
당업자라면 처리 헤드의 특정 실시 형태에서 제공되는 특징들의 조합을 변경할 수 있을 것이다. 예컨대, 더 적거나 더 많은 증착 지점이 동일한 헤드에 포함될 수 있다. 추가적으로, 당업계에 알려져 있는 바와 같이 증착되는 매체를 경화시키거나 용해시키기 위해 UV, IR, 광원 등과 같은 처리 에너지원이 헤드에 포함될 수 있다.

Claims (45)

  1. 처리 헤드를 통해 에너지원을 작업물 또는 처리가능한 매체 상으로 전달하고 적어도 하나의 처리가능한 매체를 전달하도록 되어 있는 다축 공작 기계로서,
    상기 다축 공작 기계는 작업물을 처리하는 처리 헤드 또는 다른 기계가공 또는 처리 헤드를 임시로 받도록 되어 있는 클램핑 기구를 가지며,
    상기 처리 헤드는 에너지원을 작업물 상으로 또는 처리가능한 매체로 보내도록 되어 있는 하나 이상의 안내 기구 및 처리 헤드 결합 매니폴드를 가지며, 상기 작업물 상에서의 상기 처리가능한 매체의 증착에 의한 작업물의 처리를 용이하게 하기 위해 사용 중에 상기 처리 헤드에 공급되고 상기 에너지원에 의해 처리되도록 되어 있는 하나 이상의 처리가능한 매체의 공급부가 상기 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결되며,
    상기 처리 헤드가 상기 클램핑 기구에 연결되면 상기 처리 헤드 결합 매니폴드는 하나 이상의 처리가능한 매체가 처리 헤드에 공급될 수 있게 해주고,
    상기 다축 공작 기계는, 공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드가 서로 연결되어 있을 때 상기 처리가능한 매체 또는 각각의 처리가능한 매체가 처리 헤드에 공급되도록 상기 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키고/연결시키거나 연결을 해제하도록 되어 있는 적어도 하나의 기구를 또한 포함하는, 다축 공작 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    공급부 결합 매니폴드는 에너지원이 일반적으로 상기 처리 헤드 결합 매니폴드를 통해 상기 처리 헤드에 전달될 수 있게 해주는, 다축 공작 기계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 헤드 결합 매니폴드는 적어도 상기 처리가능한 매체를 공급하도록 되어 있는 덕트를 갖는, 다축 공작 기계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 처리 헤드 결합 매니폴드는, 처리 헤드 내의 상기 안내 기구 또는 각각의 안내 기구, 상기 처리가능한 매체, 및/또는 차폐 매체 중 적어도 하나를 냉각하도록 되어 있는 냉각 매체를 공급하도록 되어 있는 덕트를 갖는, 다축 공작 기계.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 공급부 결합 매니폴드는 처리가능한 매체 공급부와 에너지원을 처리 헤드 결합 매니폴드 내의 상기 덕트와 정렬시키는 정렬 기구를 포함하는, 다축 공작 기계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    에너지원을 처리 헤드에 전달하는 공급 유닛이 사용 중에 상기 정렬 기구에 연결되도록 되어 있는, 다축 공작 기계.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정렬 기구는 냉각 매체 공급부 및/또는 차폐 매체 공급부를 처리 헤드 결합 매니폴드 내의 상기 덕트와 정렬시키도록 되어 있는, 다축 공작 기계.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 헤드는 사용 중에 처리 헤드의 길이 방향 축선과 정렬되어 있는 영역에 에너지원을 집중시키도록 되어 있고, 그 에너지원은 레이저, 전자 비임, 아크, 플라즈마, 집중된 전자기 방사선, 발산형 전자기 방사선 중의 어느 하나 또는 그들의 조합인 다축 공작 기계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 안내 기구는, 하나 이상의 렌즈, 거울, 프리즘, 회절 격자, 비임 확장기, 공간적 광 모듈레이터, 광학 기구, 전기적 커플링 기구, 전도성 매체 경로, 유도 커플링 기구, 차폐된 채널, 비임 조향 요소, 비임 조향 필드 제너레이터, 마이크로 전기기계적 시스템, 마이크로 거울 장치 중의 적어도 하나를 포함하는 다축 공작 기계.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리가능한 매체는, 분말 또는 필라멘트 형태의 금속, 폴리머 또는 세라믹 재료; 냉각 또는 처리 유체들; 가스; 처리 유체 중의 어느 하나를 포함하는 다축 공작 기계.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리가능한 매체 중의 적어도 일부는 상기 다축 공작 기계에 대한 매체 공급부로부터 얻어지는 다축 공작 기계.
  12. 제 1 항에 따른 다축 공작 기계에 연결되기에 적합하고 사용 중에 다축 공작 기계의 클램핑 기구에 연결되도록 되어 있는 처리 헤드;
    공급부 결합 매니폴드;
    에너지원을 작업물 상으로 집중시키도록 되어 있는 하나 이상의 안내 기구; 및
    다축 공작 기계에 제공되는 하나 이상의 처리가능한 매체가 연결되는 처리 헤드 결합 매니폴드로서, 상기 처리가능한 매체는, 상기 작업물 상에서의 처리가능한 매체의 증착에 의한 작업물의 처리를 용이하게 하기 위해 사용 중에 상기 처리 헤드에 공급되고 상기 에너지원에 의해 처리되도록 되어 있는, 처리 헤드 결합 매니폴드
    를 포함하고,
    공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드가 서로 연결되어 있을 때 처리가능한 매체가 사용시 처리 헤드에 공급되도록 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키고/연결시키거나 연결을 해제하도록 되어 있는 기구를 상기 공급부 결합 매니폴드가 또한 포함하는 키트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 처리 헤드 결합 매니폴드는 에너지원이 공급부 결합 매니폴드로부터 처리 헤드 안으로 전달될 수 있게 해주는 키트.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 처리 헤드 결합 매니폴드는 에너지원 처리가능한 매체를 공급하도록 되어 있는 덕트를 갖는 키트.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 안내 기구는 상기 에너지원 처리가능한 매체가 처리 헤드 내에서 또는 그 처리 헤드의 외부에서 선택적으로 용융될 수 있도록 되어 있는 키트.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리 헤드 결합 매니폴드는, 처리 헤드 내의 상기 안내 기구 또는 각각의 안내 기구, 상기 처리가능한 매체, 및/또는 차폐 매체 중 적어도 하나를 냉각하도록 되어 있는 냉각 매체를 공급하도록 되어 있는 덕트를 갖는 키트
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리 헤드 결합 매니폴드는, 공급부 결합 매니폴드 내의 처리가능한 매체 공급부를 처리 헤드 결합 매니폴드 내의 상기 덕트와 정렬시키는 정렬 기구를 포함하는 키트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    에너지원을 처리 헤드에 전달하는 공급 유닛이 사용 중에 상기 정렬 기구에 연결되는 키트.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 정렬 기구는 냉각 매체 공급부 및/또는 차폐 매체 공급부를 처리 헤드 결합 매니폴드 내의 상기 덕트와 정렬시키도록 되어 있는 키트.
  20. 제 12 항에 있어서,
    처리 헤드의 길이 방향 축선과 정렬되어 있는 지점 또는 영역에 에너지원을 집중시키도록 되어 있는 키트.
  21. 제 1 항에 따른 다축 공작 기계에서 사용되도록 되어 있는 처리 헤드.
  22. 작업물 또는 처리가능한 매체 상에 에너지원을 집중시키고 적어도 하나의 처리가능한 매체를 전달하도록 되어 있는 처리 헤드를 공작 기계에 연결하는 방법으로서,
    a) 다축 공작 기계가 보관 위치에서 처리 헤드를 선택하도록 하여 처리 헤드를 다축 공작 기계의 클램핑 기구 안으로 삽입하도록 하는 단계; 및
    b) 공급부 결합 매니폴드를 처리 헤드 결합 매니폴드에 연결시키도록 되어 있는 기구를 활성화시키는 단계를 포함하고,
    c) 상기 공급부 결합 매니폴드와 처리 헤드 결합 매니폴드의 연결에 의해, 사용 중에 각각의 처리가능한 매체가 작업물 상에 증착될 수 있고 각각의 처리가능한 매체가 에너지원에 의해 처리될 수 있도록 하나 이상의 처리가능한 매체 공급부 중의 일 공급부가 처리 헤드에 제공되는, 작업물 상에 에너지원을 집중시키도록 되어 있는 처리 헤드를 연결하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 공급부 결합 매니폴드는, 상기 처리 헤드가 상기 다축 공작 기계의 클램핑 기구에 결합되기 전에 또는 결합되는 동안 처리 헤드 결합 매니폴드와 연결되도록 이동되는, 작업물 상에 에너지원을 집중시키도록 되어 있는 처리 헤드를 연결하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 공작 기계는 2, 3, 4, 5 또는 6개 또는 그 이상의 축선을 중심으로 작동가능한, 다축 공작 기계.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리가능한 매체는, 금속, 비금속, 폴리머, 세라믹 재료, 처리 유체, 냉각 유체, 가스, 필라멘트, 로드, 테이프, 분말, 액체, 페이스트, 에멀젼, 현탁물, 접착제, 라미나(lamina), 시트, 포일 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는, 다축 공작 기계.
  26. 제 1 항에 있어서,
    제어기가 상기 처리 헤드의 운동, 위치 및 동작을 제어하고, 이 제어기는 CNC 기계 제어기의 일 부분이며, 바람직한 실시 형태에서, 상기 제어기는, 처리 경로; 처리가능한 매체의 증착; 처리가능한 매체의 퍼징(purging); 처리 헤드 또는 처리가능한 매체의 가열; 처리가능한 매체 레벨의 모니터링; 저장소 내 처리가능한 매체의 양의 모니터링; 처리될 작업물 또는 증착될 패턴에 관한 데이타; 작업물, 증착된 처리가능한 매체 또는 에너지의 모니터링; 헤드의 양호 상태 및 기능에 대한 모니터링; 공작 기계와의 통신; 공작 기계 운동과의 동작의 동기화 중의 일부 또는 모두를 더 제어하는, 다축 공작 기계.
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