KR102262247B1 - 3d 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템 - Google Patents

3d 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 시스템 Download PDF

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Abstract

3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치는 3D 프린팅용 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔에 의해 모재를 녹임으로써 형성되는 프린팅 대상물의 상태를 검사하기 위해 조사되는 레이저 빔을 생성하는 펨토초 레이저 소스, 펨토초 레이저 소스에서 생성된 레이저 빔을 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔으로 분리하는 빔 스플리터, 펌프 레이저 빔을 변조하는 전기/음향 광학변조기, 프로브 레이저 빔을 지연시키는 시간 지연부, 프린팅 대상물에 의해 반사된 프로브 레이저 빔을 검출하는 광 검출기, 및 광 검출기의 출력신호의 진폭과 위상을 검출하는 락인 증폭기를 포함한다. 여기서, 펨토초 레이저 소스는 3D 프린팅용 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치가 제공된다.

Description

3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템{Apparatus for measuring ultrasonic based on femtosecond laser in 3D printing process and 3D printing system having the same}
본 발명은 3D 프린팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 3D 프린팅 공정 동안의 물성치 추정 및 결함 검출을 위한 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
3D 프린팅은 3차원 물체를 만들어 내는 제조 기술로서, 3D모델 데이터로부터 정보를 받아 한 층씩 쌓아가는 방식으로 대상물을 가공하는 기술이다. 3D 프린팅은 복잡하거나 제품의 내부에 형성된 형상의 구현을 용이하게 해주는 장점을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 3D 프린팅 기술은 각종 산업용 부품과 의료용 재료 등 다양한 제품의 제작을 쉽게 해 줄 수 있는 고부가 가치 기술로 각광받고 있다.
3D 프린팅은 3차원 제품의 형상을 균일하거나 가변적인 두께를 가지는 수많은 2차원 단면으로 나누어 각 2차원 단면을 적층하여 형성하는 방식으로 진행될 수 있다. 3D 프린팅에는 1) Material extrusion 방식, 2) Material jetting 방식, 3) Binder jetting 방식, 4) Sheet lamination 방식, 5) Vat photopolymerization 방식, 6) Powder bed fusion 방식, 7) Directed energy deposition(DED) 방식 등이 있다. 그 중 DED 방식은 금속 파우더, 혹은 와이어의 소재를 레이저 등의 에너지를 집중시켜 녹여 붙이는 방식이다. DED 방식은 타 방식에 비해 저렴한 상용소재를 쓸 수 있다는 점, 기존에 존재하는 3D형상에 적층할 수 있다는 점, 그리고 타 방식에 비해 기계 물성이 우수하다는 장점 때문에 널리 이용되고 있는 추세이다.
DED 방식의 3D 프린팅에서는 집광부에서 조사되는 레이저 빔이 기재에 조사되면서 용융풀이 형성되고, 용융풀 상에 금속 분말이 공급되면서 적층이 이루어지게 된다.
이때, 3D 프린팅 공정에 적용할 수 있는 계측 기술이 제한적이다. 빌드 챔버 내부의 열악한 환경과 데이터 수집 및 처리 속도의 제한 때문에, 현재까지 3D 프린팅 공정에서 원초적인 감지 기술만 적용되고 있다. 따라서 고 충실도 온라인 모니터링 및 NDE(NonDestructive Evaluation)을 위해 고속 및 고해상도 계측 기술의 개발이 요구되고 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 3D 프린팅 공정 동안 제품의 결함 검출 및 물성치 추정을 위해 높은 공간 계측 분해능으로 실시간 계측할 수 있는 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 3D 프린팅용 레이저 소스로부터 조사된 레이저 빔에 의해 모재를 녹임으로써 형성되는 프린팅 대상물의 상태를 검사하기 위해 조사되는 레이저 빔을 생성하는 펨토초 레이저 소스; 상기 펨토초 레이저 소스에서 생성된 레이저 빔을 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔으로 분리하는 빔 스플리터; 상기 펌프 레이저 빔을 변조하는 전기/음향 광학변조기; 상기 프로브 레이저 빔을 지연시키는 시간 지연부; 상기 프린팅 대상물에 의해 반사된 상기 프로브 레이저 빔을 검출하는 광 검출기; 및 상기 광 검출기의 출력신호의 진폭과 위상을 검출하는 락인 증폭기;를 포함하고, 상기 펨토초 레이저 소스는 상기 3D 프린팅용 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 펌프 레이저 빔 및 상기 프로브 레이저 빔은 프린팅용 레이저 빔으로부터 일정거리 이격된 응고 영역 내에 조사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로브 레이저 빔 및 상기 펌프 레이저 빔은 상기 프린팅 대상물의 동일 지점에 조사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펌프 레이저 빔은 프린팅용 레이저 빔과 동일한 위치에 조사되고, 상기 프로브 레이저 빔은 상기 프린팅용 레이저 빔으로부터 일정거리 이격된 응고 영역 내에 조사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로브 레이저 빔은 프린팅용 레이저 빔으로부터 일정거리 이격된 응고 영역 내에 조사되고, 상기 프린팅용 레이저 빔은 상기 펌프 레이저 빔으로 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시간 지연부는 상기 프로브 레이저 빔의 광로의 길이를 조정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 길이의 최소 변위는 0.1㎛일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펨토초 레이저 소스는 40㎒의 반복 주파수로 상기 레이저 빔을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 검출된 진폭과 위상은 상기 프린팅 대상물의 물성치 추정 및 결함 여부 검출에 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물성치는 탄성계수(Young's modulus) 및 잔류 응력을 포함하고, 상기 결함은 균열(crack), 공극(void) 및 다공성(porosity)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전기/음향 광학변조기는 상기 펨토초 레이저 소스의 레이저 빔을 변조 주파수로 펄스 피킹할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 락인 증폭기는 상기 출력신호를 변조주파수로 복조하는 복조기; 및 상기 복조된 신호의 저주파 대역을 통과시키는 저역통과필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펌프 레이저 빔, 상기 프로브 레이저 빔 및 상기 프린팅용 레이저 빔은 서로 상이한 파장을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프린팅용 레이저 빔은 1.07㎛ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로브 레이저 빔은 515㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펌프 레이저 빔은 257㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 빔을 조사하여 프린팅 대상물에 공급되는 모재를 녹임으로써 상기 프린팅 대상물에 용융풀이 형성되도록 하는 레이저 소스; 상기 프린팅 대상물로 모재를 공급하는 모재 공급원; 상기 프린팅 대상물의 상태를 검사하기 위해 조사되는 레이저 빔을 생성하는 펨토초 레이저 소스; 상기 펨토초 레이저 소스에서 생성된 레이저 빔을 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔으로 분리하는 빔 스플리터; 상기 펌프 레이저 빔을 변조하는 전기/음향 광학변조기; 상기 프로브 레이저 빔을 지연시키는 시간 지연부; 상기 프린팅 대상물에 의해 반사된 상기 프로브 레이저 빔을 검출하는 광 검출기; 및 상기 광 검출기의 출력신호의 진폭과 위상을 검출하는 락인 증폭기;를 포함하는 3D 프린팅 시스템이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 펨토초 레이저 소스는 상기 레이저 소스와 동축 상으로 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 모재는 금속 분말 또는 금속 와이어일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 시스템은 상기 레이저 소스의 프린팅 레이저 빔을 상기 펨토초 레이저 소스 측으로 반사시키는 제1반사 미러; 및 상기 반사된 프린팅용 레이저 빔을 상기 대상물 측으로 반사시키는 제2반사 미러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템은 펨토초 레이저를 이용하여 제품의 물성치 추정 및 결함 검출을 위한 계측을 수행함으로써 높은 공간 계측 분해능으로 실시간 계측할 수 있으므로 3D 프린팅 공정의 제어 정밀성 및 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 펨토초 레이저를 이용한 높은 공간 계측 분해능으로 계측함으로써 3D 프린팅 공정중 온라인 결함 검출 및 물성치 추정을 수행할 수 있으므로 3D 프린팅 공정 중 조기 폐기 또는 제품의 품질을 향상시키기 위한 실시간 피드백 제어를 제공할 수 있고 따라서 3D 프린팅 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에서 A 부분의 확대도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 펄스-에코 기법을 이용하는 경우, 프린팅용 레이저 빔과 펨토초 레이저 빔의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 피치-캐치 기법을 이용하는 경우, 프린팅용 레이저 빔과 펨토초 레이저 빔의 일례의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 피치-캐치 기법을 이용하는 경우, 프린팅용 레이저 빔과 펨토초 레이저 빔의 다른 예의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 이동 프린팅 대상물의 계측을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 펨토초 레이저 빔의 변조를 설명하기 위한 도면,
도 8은 도 7에서 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔을 나타내는 도면, 그리고,
도 9는 도 1의 락인 증폭기의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 A 부분의 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템(1)은 레이저를 이용하여 모재를 녹여 3차원의 물체를 형성하는 시스템이다. 3D 프린팅 시스템(1)은 3D 프린팅 공정 동안에 높은 공간 계측 분해능을 갖는 펨토초 레이저 빔을 이용하여 프린팅 대상물(4)의 적층 품질을 검사하는 장치를 포함하는 시스템이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템(1)은 레이저 소스(20), 모재 공급원(30), 초점렌즈(40), 노즐(50), 펨토초 레이저 소스(60), 제1빔 스플리터(71), 시간 지연부(76), 전기/음향 광학변조기(80), 제2빔 스플리터(94), 광 검출기(92) 및 락인 증폭기(90)를 포함한다.
여기서, 일예로 3D 프린팅 시스템(1)은 금속 분말을 레이저로 용융시켜 3차원 물체를 형성할 수 있는 DED 방식의 3D 프린팅 시스템일 수 있다. 레이저 소스(20), 모재 공급원(30), 초점렌즈(40) 및 노즐(50)은 일반적인 DED 방식의 3D 프린터(10)일 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에 적용될 수 있는 3D 프린터(10)가 DED 방식에 제한되는 것은 아니며, 용융풀을 금속으로 형성할 수 있는 3D 프린터라면 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템으로 구현할 수 있다.
또한, 3D 프린팅 시스템(1)은 DED 3D 프린터(10)에 동축으로 제공된 펨토초 레이저 소스(60)를 포함할 수 있다. 즉, 펨토초 레이저 소스(60)는 레이저 소스(20)와 동축 상에 배치된다. 여기서, 동축 배치는 복수의 레이저 빔이 동일한 광로를 공유하도록 관련 구성요소들이 배치되어, 빔 스플리터, 다이크로익 미러(dichroic mirror), 또는 필터 등에 의해 레이저 빔을 분리 및 투과시켜 광로를 공유하는 것을 의미한다. 이에 의해, 레이저 소스(20) 및 펨토초 레이저 소스(60)의 위치를 제어하지 않아도 연속적으로 프린팅 대상물(4)에 대한 초음파 계측이 가능하다.
이에 의해, 레이저 소스(20) 및 펨토초 레이저 소스(60)의 위치를 제어하지 않아도 연속적으로 프린팅 대상물(4)에 대한 초음파 계측이 가능하다.
또한, 펨토초 레이저 소스(60), 제1빔 스플리터(71), 시간 지연부(76), 전기/음향 광학변조기(80), 광 검출기(92) 및 증폭기(90)는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 공정이 수행되는 동안에 펨토초 레이저 빔을 이용하여 프린팅 대상물을 계측할 수 있는 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치일 수 있다. 이때, 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치는 광로를 형성하기 위한 광학 수단을 포함할 수 있다. 따라서 3D 프린팅 시스템(1)은 3D 프린터(10)와 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치를 포함한다.
레이저 소스(20)는 프린팅 대상물(4)로 프린팅용 레이저 빔(22)을 조사한다. 레이저 소스(20)로부터 조사된 프린팅용 레이저 빔(22)은 제1반사 미러(24) 및 제2반사 미러(26)를 경유하여 초점렌즈(40)를 지나 프린팅 대상물(4)로 조사된다. 이때, 레이저 소스(20)로부터 조사된 레이저 빔(22)은 용융풀(2)까지 조사되는 동안 모재를 공급하기 위한 노즐(50)을 통과하여 지나도록 형성될 수 있다. 여기서, 레이저 소스(20)는 1.07㎛ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
도 1에서 레이저 소스(20)는 펨토초 레이저 소스(60)와 공간적으로 이격되게 배치되며, 노즐(50)과 일직선 상에 배치되지 않기 때문에, 레이저 소스(20)와 펨토초 레이저 소스(60)를 동축으로 구성하기 위해 제1반사 미러(24) 및 제2반사 미러(26)와 같은 광학 수단을 구비할 수 있다.
이때, 제1반사 미러(24)는 레이저 소스(20)의 프린팅용 레이저 빔(22)을 펨토초 레이저 소스(60) 측으로 반사시킬 수 있다. 또한, 제2반사 미러(26)는 제1반사 미러(24)에 의해 반사된 프린팅용 레이저 빔(22)을 프린팅 대상물 측으로 반사시킬 수 있다.
그러나 프린팅용 레이저 빔(22)의 광로를 형성하기 위한 광학 수단은 이에 한정되지 않고, 레이저 소스(20)와 펨토초 레이저 소스(60)의 위치 또는 그 광로에 따라 변경될 수 있다.
모재 공급원(30)으로부터 공급된 모재는 별도의 공급관(32)을 통하여 예를 들어, 금속 분말 혹은 금속 와이어 형태로 노즐(50)로 공급된다. 모재를 프린팅 대상물(4)로 공급하기 위하여 노즐(50)에 형성되는 모재의 이동 경로는 프린팅용 레이저 빔(22)이 지나는 경로와 나란하게 혹은 비스듬하게 형성될 수 있다. 프린팅 대상물(4)로 공급된 모재는 레이저 소스(20)에 의하여 용융되어 프린팅 대상물(4)에서 용융풀(2)을 형성한다.
펨토초 레이저 소스(60)는 프린팅 대상물(4)의 상태를 검사하기 위해 펨토초 레이저 빔(62)을 생성한다. 일례로, 펨토초 레이저 소스(60)는 40㎒의 반복 주파수로 펨토초 레이저 빔(62)을 생성할 수 있다. 이때, 펨토초 레이저 빔(62)은 프린팅용 레이저 빔(22)과 상이한 파장을 가질 수 있다. 일례로, 펨토초 레이저 빔(62)은 515㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
여기서, 펨토초 레이저 빔(62)은 프린팅 대상물(4)의 물성치 추정 및 결함 여부 검출에 이용될 수 있다. 프린팅 대상물(4)의 물성치는 탄성계수(Young's modules) 및 잔류 응력을 포함할 수 있다. 또한, 프린팅 대상물(4)의 결함은 균열(crack), 공극(void) 및 다공성(porosity)을 포함할 수 있다. 이때, 물성치 추정 및 결함 검출은 후술하는 바와 같이 펄스-에코(pulse-echo) 기법 또는 피치-캐치(Pitch Catch) 기법을 기반으로 수행될 수 있다.
또한, 펨토초 레이저 빔(62)은 펌프-프로브 기법으로 초음파 계측을 수행할 수 있다. 이를 위해, 펨토초 레이저 빔(62)은 펌프 레이저 빔(62a)과 프로브 레이저 빔(62b)으로 분리할 수 있다. 실질적으로, 펌프 레이저 빔(62a)은 전기/음향 광학변조기(80)의 출력으로 정의되고, 프로브 레이저 빔(62b)은 시간 지연부(76)의 출력으로 정의될 수 있다. 이때, 펌프 레이저 빔(62a)은 프린팅 대상물(4)을 여기시키고, 프로브 레이저 빔(62b)은 펌프 레이저 빔(62a)과의 시간 지연을 이용하여 프린팅 대상물(4)의 상태를 검사하도록 초음파 계측에 이용될 수 있다.
여기서, 펌프 레이저 빔(62a)은 가진 지점에서 ㎔ 수준의 초음파를 발생시킬 수 있으며 이를 통해 ㎚ 수준의 미세 결함을 검사할 수 있다. 일례로, 프린팅 대상물(4)이 강재(steel material)인 경우, 강재에서 발생하는 탄성파의 파장은 하기의 수학식에 따라 10㎚일 수 있다.
Figure 112021036856139-pat00001
제1빔 스플리터(71)는 펨토초 레이저 소스(60)로부터 조사된 펨토초 레이저 빔(62) 경로 상에 배치될 수 있다. 제1빔 스플리터(71)는 펨토초 레이저 소스(60)에서 생성된 펨토초 레이저 빔(62)을 펌프 레이저 빔(62a)과 프로브 레이저 빔(62b)으로 분리시킬 수 있다. 이때, 제1빔 스플리터(71)를 투과한 펨토초 레이저 빔(62)은 프로브 레이저 빔(62b)이고, 제1빔 스플리터(71)에 의해 분리된 빔은 펌프 레이저 빔(62a)일 수 있다.
그러나 펌프 레이저 빔(62a)과 프로브 레이저 빔(62b)의 광로 구성은 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 일례로, 펌프 레이저 빔(62a)과 프로브 레이저 빔(62b)의 광로를 도 1과 반대로 구성할 수도 있다.
이때, 펌프 레이저 빔(62a)의 광로를 구성하기 위해, 제3반사 미러(72), 제4반사 미러(73), 및 제5반사 미러(74)가 구비될 수 있다. 여기서, 제3반사 미러(72)는 제1빔 스플리터(71)와 전기/음향 광학변조기(80) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제3반사 미러(72)는 제1빔 스플리터(71)에서 분리된 펨토초 레이저 빔(62)을 전기/음향 광학변조기(80) 측으로 반사시킬 수 있다.
제4반사 미러(73)는 전기/음향 광학변조기(80)와 제5반사 미러(74) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제4반사 미러(73)는 전기/음향 광학변조기(80)에서 출력된 펌프 레이저 빔(62a)을 제5반사 미러(74) 측으로 반사시킬 수 있다.
제5반사 미러(74)는 제4반사 미러(73)와 제2빔 스플리터(94) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제5반사 미러(74)는 반사된 펌프 레이저 빔(62a)을 제2빔 스플리터(94) 또는 노즐(50) 측으로 반사시킬 수 있다. 이와 함께, 제2반사 미러(26)는 펌프 레이저 빔(62a)을 투과시킬 수 있다.
이에 의해, 제1빔 스플리터(71)에 의해 분리된 펌프 레이저 빔(62a)은 프로브 레이저 빔(62b) 및 프린팅용 레이저 빔(22)과 동축으로 구성될 수 있다.
그러나 펌프 레이저 빔(62a)의 광로를 형성하기 위한 광학 수단은 이에 한정되지 않고, 레이저 소스(20)와 펨토초 레이저 소스(60)의 위치 또는 그 광로에 따라 변경될 수 있다.
시간 지연부(76)는 제1빔 스플리터(71)를 통과한 프로브 레이저 빔(62b)을 지연시킨다. 이때, 시간 지연부(76)는 프로브 레이저 빔(62b)의 광로의 길이를 조정할 수 있다. 즉, 시간 지연부(76)는 광로의 길이를 조정하도록 복수의 반사 미러를 포함할 수 있다.
이때, 펌프 레이저 빔(62a)과 프로브 레이저 빔(62b) 사이의 시간 지연을 제어하여 높은 샘플주파수를 얻을 수 있다. 일례로, 광로 길이의 최소 변위가 0.1㎛일 수 있다. 이와 같은 지연은 하기의 수학식에 따라 3P㎐의 샘플주파수에 해당한다. 이에 의해, 고해상도로 실시간 계측할 수 있으므로 3D 프린팅 공정의 제어 정밀성 및 품질을 향상시킬 수 있다.
Figure 112021036856139-pat00002
시간 지연부(76)는 펨토초 레이저 빔(62)을 지연시켜 실질적인 프로브 레이저 빔(62b)을 형성할 수 있다. 여기서, 프로브 레이저 빔(62b)은 펨토초 레이저 빔(62)과 동일한 파장을 가질 수 있다. 일례로, 프로브 레이저 빔(62b)은 515㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다.
이때, 프로브 레이저 빔(62b)의 광로를 구성하기 위해 또한 시간 지연부(76)의 광로 길이를 조정하기 위해, 제6반사 미러(75) 및 제7반사 미러(77)가 구비될 수 있다. 여기서, 제6반사 미러(75)는 제1빔 스플리터(71)와 시간 지연부(76) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제6반사 미러(75)는 제1빔 스플리터(71)에서 분리된 펨토초 레이저 빔(62)을 시간 지연부(76) 측으로 반사시킬 수 있다.
제7반사 미러(77)는 시간 지연부(76)와 노즐(50) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제7반사 미러(77)는 시간 지연부(76)에서 출력된 프로브 레이저 빔(62b)을 제2빔 스플리터(94) 또는 노즐(50) 측으로 반사시킬 수 있다. 이와 함께, 제2반사 미러(26) 및 제5반사 미러(74)는 프로브 레이저 빔(62b)을 투과시킬 수 있다.
이에 의해, 제1빔 스플리터(71)에 의해 분리된 프로브 레이저 빔(62b)은 펌프 레이저 빔(62a) 및 프린팅용 레이저 빔(22)과 동축으로 구성될 수 있다.
그러나 프로브 레이저 빔(62b)의 광로를 형성하기 위한 광학 수단은 이에 한정되지 않고, 레이저 소스(20)와 펨토초 레이저 소스(60)의 위치 또는 그 광로에 따라 변경될 수 있다.
전기/음향 광학변조기(80)는 제1빔 스플리터(71)로부터 분리된 펌프 레이저 빔(62a)을 변조한다. 여기서, 전기/음향 광학변조기(80)는 AOM(Acousto-optic modulator) 또는 EOM(Electro-optic modulator)일 수 있다.
일례로, 전기/음향 광학변조기(80)는 펨토초 레이저 소스(60)의 펨토초 레이저 빔(62)을 변조주파수(f0)로 펄스 피킹(pulse picking)할 수 있다.
전기/음향 광학변조기(80)는 펨토초 레이저 빔(62)을 실질적인 펌프 레이저 빔(62a)으로 변조할 수 있다. 여기서, 펌프 레이저 빔(62a)은 프린팅용 레이저 빔(22)과 상이한 파장을 가질 수 있다. 일례로, 펌프 레이저 빔(62a)은 257㎚ 이하의 파장 대역을 가질 수 있다 .
제2빔 스플리터(94)는 프린팅용 레이저 빔(22), 펌프 레이저 빔(62a) 및 프로브 레이저 빔(62b)의 동축 경로 상에 배치될 수 있다. 제2빔 스플리터(94)는 프린팅용 레이저 빔(22), 펌프 레이저 빔(62a) 및 프로브 레이저 빔(62b)을 노즐(50) 측으로 통과시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프린팅용 레이저 빔(22)과 펨토초 레이저 빔(62)은 일정한 거리(L2)만큼 이격되어 프린팅 대상물(4)에 조사될 수 있다. 여기서, 펨토초 레이저 빔(62)은 펌프 레이저 빔(62a) 및 프로브 레이저 빔(62b)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 펨토초 레이저 빔(62)은 도 4 및 도 5를 참조하여 후술하는 바와 같이, 프로브 레이저 빔(62b)만을 포함할 수도 있다.
이때, 프린팅용 레이저 빔(22)에 의해 프린팅 대상물(4)에 용융풀(2)이 형성될 수 있다. 용융풀(2)은 프린팅용 레이저 빔(22)의 에너지에 따라 일정한 폭(L1)으로 형성될 수 있다. 일례로, 용융풀(2)의 폭(L1)은 500㎛일 수 있다.
또한, 펨토초 레이저 빔(62)은 프린팅용 레이저 빔(22)에 의해 용융된 프린팅 대상물(4)의 응고 영역에 조사될 수 있다. 즉, 프린팅용 레이저 빔(22)과 펨토초 레이저 빔(62) 사이의 거리(L2)는 프린팅용 레이저 빔(22)에 의해 형성된 용융풀(2)로부터 응고 영역까지의 거리일 수 있다. 일례로, 거리(L2)는 1.5~2.5㎜일 수 있다.
이때, 프린팅 대상물(4)은 복수의 층이 적층되어 3차원 물체로 형성될 수 있다. 본 실시예를 설명하기 위한 도 2에서, 프린팅 대상물(4)은 제1층(6), 제2층(7) 및 제3층(8)으로 형성되고, 제1층(6) 및 제2층(7)에 용융풀(2)이 형성된 상태가 도시되어 있다.
또한, 제2빔 스플리터(94)는 프린팅 대상물(4)의 상태를 검사하기 위해 프린팅 대상물(4)로부터 반사된 프로브 레이저 빔(62b)을 광 검출기(92) 측으로 반사시킬 수 있다.
광 검출기(92)는 프린팅 대상물(4)에 의해 반사된 프로브 레이저 빔(62b)을 검출한다. 광 검출기(92)는 광 신호를 전기신호로 변환할 수 있다. 일례로, 광 검출기(92)는 포토다이오드일 수 있다.
락인 증폭기(90)는 광 검출기(92)의 출력신호의 진폭과 위상을 검출한다. 이때, 락인 증폭기(90)는 출력신호에 포함된 잡음을 제거할 수 있다. 여기서, 검출된 진폭과 위상은 프린팅 대상물(4)의 물성치 추정 및 결함 여부 검출에 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 펄스-에코 기법을 이용하는 경우, 프린팅용 레이저 빔과 펨토초 레이저 빔의 구성을 나타낸 도면이다.
3D 프린팅 시스템(1)은 프린팅 대상물(4)의 물성치 추정 및 결함 검출을 위해 펄스-에코 기법을 이용할 수 있다. 이때, 펌프 레이저 빔(62a) 및 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅용 레이저 빔(22)으로부터 일정거리(L2) 이격되게 프린팅 대상물(4)에 조사될 수 있다. 즉, 펌프 레이저 빔(62a) 및 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 동일 지점에 조사될 수 있다. 일례로, 펌프 레이저 빔(62a) 및 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 응고 영역 내에 조사될 수 있다.
이때, 펌프 레이저 빔(62a)은 프린팅 대상물(4)을 여기시켜 초음파를 생성하기 위한 것일 수 있다. 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 상태를 검사할 수 있도록 초음파를 계측하기 위한 것일 수 있다. 일례로, 프로브 레이저 빔(62b)의 응답시간의 차이에 의해 프린팅 대상물(4)의 내부에 존재하는 공극(4')과 같은 결함을 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 피치-캐치 기법을 이용하는 경우, 프린팅용 레이저 빔과 펨토초 레이저 빔의 일례의 구성을 나타낸 도면이다.
3D 프린팅 시스템(1)은 프린팅 대상물(4)의 물성치 추정 및 결함 검출을 위해 피치-캐치 기법을 이용할 수 있다. 이때, 펌프 레이저 빔(62a)은 프린팅용 레이저 빔(22)과 동일한 위치에 조사될 수 있다. 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅용 레이저 빔(22) 또는 펌프 레이저 빔(62a)으로부터 일정거리(L2) 이격되게 프린팅 대상물(4)에 조사될 수 있다. 일례로, 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 응고 영역 내에 조사될 수 있다.
이때, 펌프 레이저 빔(62a)은 프린팅 대상물(4)을 여기시켜 초음파를 생성하기 위한 것일 수 있다. 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 상태를 검사할 수 있도록 초음파를 계측하기 위한 것일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 피치-캐치 기법을 이용하는 경우, 프린팅용 레이저 빔과 펨토초 레이저 빔의 다른 예의 구성을 나타낸 도면이다.
피치-캐치(Pitch Catch) 기법의 다른 예로서, 3D 프린팅 시스템(1)은 펌프 레이저 빔(62a)을 생략할 수 있다. 즉, 펌프 레이저 빔(62a) 대신 프린팅용 레이저 빔(22)을 이용하여 프린팅 대상물(4)을 여기시켜 초음파를 생성할 수 있다.
이때, 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅용 레이저 빔(22)으로부터 일정거리(L2) 이격되게 프린팅 대상물(4)에 조사될 수 있다. 일례로, 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 응고 영역 내에 조사될 수 있다. 여기서, 프로브 레이저 빔(62b)은 프린팅 대상물(4)의 상태를 검사할 수 있도록 초음파를 계측하기 위한 것일 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 3D 프린팅 공정 중에 결함 검출 및 물성치 추정을 위한 계측을 고해상도로 수행할 수 있으므로 제품을 공정 중에 조기 폐기함으로써 3D 프린팅 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시간 피드백 제어를 제어할 수 있으므로 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 이동 프린팅 대상물의 계측을 설명하기 위한 도면이다.
펨토초 레이저 빔(62)의 펄스 지속 시간은 매우 짧다. 일례로, 펨토초 레이저 빔(62)의 최대 반복율이 40㎒이고, 3D 프린팅 시스템(1)의 스캔 속도가 10㎜/s인 경우, 펄스 간격은 하기의 수학식과 같이 0.25㎚이다.
Figure 112021036856139-pat00003
여기서, 3D 프린팅 시스템(1)에서 압전 기반 지연라인의 경우, 다음 지연 라인 위치까지 이동에 걸리는 시간은 대략 1㎲이다.
이때, 3D 프린팅 시스템(1)의 시간 윈도우에서 100개의 샘플을 계측하는데 소요되는 시간은 하기의 수학식과 같이 102.5㎲이다.
Figure 112021036856139-pat00004
따라서 3D 프린팅 시스템(1)은 계측 소요 시간 동안, 펨토초 레이저 빔(62)은 하기의 수학식과 같이 1.025㎛ 이동한다.
Figure 112021036856139-pat00005
도 6에 도시된 바와 같이, 1.025㎛ 구간에서, 평균 물성치 및 특성치를 추정한다는 가정하에, 계측 신호는 대상 구간의 평균 탄성계수, 프린팅 대상물(4)의 계측 두께 등 물성치를 추정하는데 활용될 수 있다.
이에 의해, 펨토초 레이저 빔(62)을 이용한 초음파 계측은 종래의 레이저 기반 계측 기법에 비해 이동하는 프린팅 대상물(4)의 영향을 무시할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 펨토초 레이저 빔의 변조를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7에서 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔을 나타내는 도면이며, 도 9는 도 1의 락인 증폭기의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
펨토초 레이저 빔을 이용하는 경우, 계측한 유효 신호는 상대적으로 신호의 세기가 작기 때문에 환경 잡음에 의해 큰 영항을 받는다. 이를 방지하기 위해, 본 발명은 AOM 또는 EOM에 의해 펌프 레이저 빔(62a)을 변조함으로써, 신호를 소정의 주파수로 전달할 수 있다. 이때, 락인 증폭기(90)에 의해 효과적으로 신호를 계측할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, AOM 또는 EOM에 의해, 레이저 펄스는 (a) 펄스 피킹 또는 (b)펄스 변조될 수 있다. 이와 같이 변조된 펌프 레이저 빔(62a)은 유용한 초음파 정보가 캐리어 주파수를 통해 전달되도록 할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 펌프 레이저 빔(62a)은 펄스 피킹될 수 있다. 여기서, 펄스 피킹율은 변조주파수(f0)일 수 있다. 프린팅 대상물(4)에 의해 반사된 프로브 레이저 빔(62b)은 펌프 레이저 빔(62a)보다 짧은 펄스 간격을 갖는다.
락인 증폭기(90)는 잡음이 극심한 환경에서도 응답신호로부터 진폭과 위상 정보를 복조할 수 있다. 도 9를 참조하면, 락인 증폭기(90)는 복조기(96) 및 저역통과필터(98)를 포함할 수 있다.
여기서, 락인 증폭기(90)는 광 검출기(92)의 출력신호, 즉, PD 신호가 입력되고, 기준신호로서 변조주파수(f0)가 입력될 수 있다. 이때, 기준신호는 PD 신호에 대하여 펌프 레이저 빔(62a)과 프로브 레이저 빔(62b) 사이의 시간 지연에 대응하는 위상차를 가질 수 있다.
복조기(96)는 광 검출기(92)의 출력신호(PD 신호)를 기준신호(f0)로 복조할 수 있다.
저역통과필터(98)는 복조기(96)에서 복조된 신호의 저주파 대역을 통과시킬 수 있다. 이때, 저역통과필터(98)는 고주파 대역의 잡음을 제거할 수 있다. 따라서 락인 증폭기(90)는 검출된 신호의 진폭 및 위상 정보를 추출할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 공정의 펨토초 레이저 기반 초음파 계측 장치 및 이를 구비한 3D 프린팅 시스템은 높은 공간 계측 분해능으로 실시간 계측할 수 있으므로 3D 프린팅 공정의 제어 정밀성 및 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 3D 프린팅 공정중 온라인 결함 검출 및 물성치 추정을 수행할 수 있으므로 3D 프린팅 공정 중 조기 폐기 또는 제품의 품질을 향상시키기 위한 실시간 피드백 제어를 제공할 수 있고 따라서 3D 프린팅 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 3D 프린팅 시스템 2 용융풀
4 : 프린팅 대상물 10 : 3D 프린터
20 : 레이저 소스 30 : 모재 공급원
40 : 초점렌즈 50 : 노즐
60 : 펨토초 레이저 소스 71 : 제1빔 스플리터
76 : 시간 지연부 80 : 전기/음향 광학변조기
90 : 락인 증폭기 92 : 광 검출기
94 : 제2빔 스플리터

Claims (4)

  1. 레이저 빔을 조사하여 프린팅 대상물에 공급되는 모재를 녹임으로써 상기 프린팅 대상물에 용융풀이 형성되도록 하는 레이저 소스;
    상기 프린팅 대상물로 모재를 공급하는 모재 공급원;
    상기 프린팅 대상물의 상태를 검사하기 위해 조사되는 레이저 빔을 생성하는 펨토초 레이저 소스;
    상기 펨토초 레이저 소스에서 생성된 레이저 빔을 펌프 레이저 빔과 프로브 레이저 빔으로 분리하는 빔 스플리터;
    상기 펌프 레이저 빔을 변조하는 전기/음향 광학변조기;
    상기 프로브 레이저 빔을 지연시키는 시간 지연부;
    상기 프린팅 대상물에 의해 반사된 상기 프로브 레이저 빔을 검출하는 광 검출기; 및
    상기 광 검출기의 출력신호를 변조주파수로 복조하는 복조기와, 복조된 신호의 저주파 대역을 통과시키는 저역통과필터를 포함하여, 상기 광 검출기의 출력신호의 진폭과 위상을 검출하는 락인 증폭기를 포함하고,
    상기 펨토초 레이저 소스는 상기 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펨토초 레이저 소스는 상기 레이저 소스와 동축 상으로 배치되는 것을 특징으로 3D 프린팅 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모재는 금속 분말 또는 금속 와이어인 것을 특징으로 3D 프린팅 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 소스의 프린팅 레이저 빔을 상기 펨토초 레이저 소스 측으로 반사시키는 제1반사 미러; 및 상기 반사된 프린팅용 레이저 빔을 상기 대상물 측으로 반사시키는 제2반사 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 3D 프린팅 시스템.
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