KR102480139B1 - 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정 중 경사진 면을 갖는 기재(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속층에 적층된 분말을 균일하게 용융시킬 수 있는 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구에 관한 것이다.
본 발명의 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구는 경사면을 지날 때, 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향측에서 공급되는 금속분말이 고에너지빔의 폭의 가장자리 측보다 안측으로 공급되도록 가이드부재가 상승되어 분말층의 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향 측으로 고 에너지빔의 조사 시간을 보다 길게 확보할 수 있어 분말층이 균일하게 용융될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구는 경사면을 지날 때, 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향측에서 공급되는 금속분말이 고에너지빔의 폭의 가장자리 측보다 안측으로 공급되도록 가이드부재가 상승되어 분말층의 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향 측으로 고 에너지빔의 조사 시간을 보다 길게 확보할 수 있어 분말층이 균일하게 용융될 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정 중 경사진 면을 갖는 기재(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속층에 적층된 분말을 균일하게 용융시킬 수 있는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구에 관한 것이다.
적층 제조(Additive Manufacturing) 공정은 금형 산업, 건축 산업 및 항공 산업 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 이를 이용한 공학 교육 또한 이루어져 기술에 대한 수요가 나날이 증가하고 있다. 적층 제조 공정은 대표적으로 재료 압출(Material Extrusion) 공정, 재료 분사 (Material Jetting) 공정, 접착제 분사(Binder Jetting) 공정, 박판 적층(Sheet Lamination) 공정, 컨테이너 광경화(Vat Photopolymerization) 공정, 분말 베드 융해(Power Bed Fusion) 공정 및 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정 등을 들 수 있다.
적층제조 공정 중 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition)공정은 3차원 CAD(Computer-Aided Design) 데이터 혹은 3차원 프로그램 모델로부터 직접 금속제품을 신속하게 제작할 수 있는 레이저 금속 성형 기술이다.(이하 DED 방식 이라 함.)
DED 방식은 1kW 이상의 고출력 레이저빔을 국부적으로 조사하여 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 표면에 용융풀(melt pool)을 형성하고, 고출력 레이저빔 조사 시 동시에 분사된 금속분말도 함께 용융시켜 적층하는 방식으로, 3차원 CAD 모델 혹은 3차원 프로그램 모델을 일정한 두께로 슬라이싱(slicing)하여 산출된 2차원의 단면을 한층 씩 쌓아 올림으로써 2차원 단면들이 적층된 3차원 형상을 만든다.
고출력 레이저빔 조사 시, 동축 분말 공급장치(Coaxial powder feeder)를 통해 실시간으로 공급되는 금속분말은 용융과 급속응고 과정을 거쳐 치밀한 조직을 가진 2차원 단면에 해당하는 단위금속층을 형성 하게 된다. 이 때 금속분말의 이송 및 산화방지를 위하여 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등과 같은 비활성 가스를 공급하게 된다. 이때 레이저빔은 3차원 CAD 모델 혹은 3차원 프로그램 모델로부터 산출된 경로에 따라 자유 이동한다. 그러므로, 3D CAD 모델과 동일한 3차원 형상을 제조하기 위해서는 3차원 프린팅에서 2차원의 단면에 해당하는 금속 단일층의 높이를 정밀하게 하는 것이 중요하다.
한편, 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속 단일층이 지면에 나란한 수평면으로만 이루어진 경우에는 금속 단일층 형성 시 성질의 변화가 발생되는 열영향부(HAZ)와 단일층 두께가 균일하게 형성되기 용이하다. 하지만, 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속 단일층에 경사면이 형성된 경우, 경사면에서는 공급된 분말들이 접촉되는 면적이 지면에 나란한 수평면에 공급된 분말들이 접촉되는 면적보다 넓어 열손실이 크며 용융시킬 분말량이 증가하게 되어, 수평한 면과 경사진 면에 동일한 조건으로 고에너지빔 조사 시 균일한 두께의 용융층, 즉 균일한 단위금속층을 형성하기 어려운 문제점이 있다. 이에 따라, 공급된 분말 용융 시 수평면에서부터 경사면까지 균일한 용융층을 형성할 수 있는 방안이 요구된다.
한편, 고출력 레이저빔 조사하는 노즐유닛의 레이저 헤드는 일반적으로 중심측에 집광된 고출력레이저 빔이 조사되도록 기재 방향으로 조사되도록 관통형성된 빔관통부와, 분말공급장치와 연결되고 빔관통부 둘레에서 기재 방향으로 분말이 공급되도록 개방된 분말공급부와, 금속 산화방지와 레이저 광학계 손상을 방지하기 위하여 불활성 가스 분위기를 조성하기 위하여 분발공급부 둘레에서 기재 방향으로 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 토출하는 가스공급부가 형성된다.
그런데, 노즐유닛은 일방향으로 이동하면서 레이저빔과 분말이 공급되는데, 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속 단일층에 분말이 공급된 영역 중, 노즐유닛이 이동되는 방향 측에 위치하는 분말들보다 노즐이 이동되는 방향에 반대 방향 측에 위치한 분말들에 레이저빔이 조사되는 시간이 상대적으로 짧아 균일한 용융층을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 노즐유닛의 이동에 의해 레이저빔에 의한 열이 레이저빔이 조사되는 분말층 중심에 집중되지 않고, 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향측으로 편심되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 수평면에서보다 경사면에서 분말층의 접촉면적이 커 열손실과 분말량이 증가되는 점을 고려하여, 수평면과 경사면들 사이에 고에너지빔의 조사 조건이나 분말공급량을 조절하여 금속분말들의 용융량을 조절하여 비교적 균일한 두께로 용융된 단위금속층을 형성 할 수 있는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 노즐이 이동하면서 고출력 레이저빔을 조사 시 공급된 분말이 균일하게 용융될 수 있도록, 노즐의 이동방향의 반대 방향측에서 공급되는 분말이 고출력 레이저빔의 폭의 가장자리보다 안쪽으로 공급되도록 하여 고출력 레이저빔의 조사 시간을 확보할 수 있는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구를 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달설하기 위한 본 발명의 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법은 기재 또는 단위금속층 적층체에 용융된 용융풀을 형성하고 상기 용융풀로 공급되는 금속분말들이 형성한 분말층을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔을 조사하되 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체의 경사면에서 지면에 나란한 수평면 방향으로 상기 고에너지 빔을 이동시키면서 조사하는 빔 조사단계와; 동일 직경의 상기 고에너지 빔에서, 상기 수평면 대비 상기 분말층이 접촉되는 면적이 커 열손실율이 증가하는 상기 경사면에 적층된 상기 분말층이 상기 수평면에 적층된 상기 분말층과 균일하게 용융될 수 있도록, 상기 분말층을 용융시켜 비드를 생성시키기 위한 상기 고에너지 빔의 이송속도, 파워 또는 분말공급량을 조절하는 적층 조절단계;를 포함하며, 상기 빔조사단계 또는 상기 적층조절단계는 상기 경사면에 상기 고에너지빔 조사 시, 상기 고에너지빔을 조사하면서 상기 금속분말을 공급하는 노즐유닛의 이동방향의 반대방향 측에서 공급되는 상기 금속분말을 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경의 가장자리보다 안측으로 공급되거나, 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경의 중심보다 상기 분말층의 중심이 후방측에 형성되도록 분말공급 위치를 조절하는 금속분말 공급위치 조절단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 적층 조절단계는 상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서보다 상기 분말층 내의 잔류응력이 감소될 수 있도록, 상기 고에너지 빔의 파워를 감소시키는 빔 파워감소단계; 상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서 보다 상기 고에너지 빔의 이송속도를 높여 상기 수평면에서보다 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 용융량 확대를 유도하는 빔 가속단계, 또는 상기 경사면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면으로 상기 고에너지 빔의 열전달이 용이하도록, 상기 수평면에서보다 상기 금속분말의 공급량을 줄여 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 두께를 낮추는 분말공급감소단계를 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 등가 체적 적층 방법을 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구는 고에너지 빔을 집광하는 고에너지 빔 집광부와, 집광된 상기 고에너지 빔을 하방에 위치한 기재 또는 단위금속층 적층체로 조사하는 고에너지 빔 조사부를 포함하고, 상기 고에너지 빔 조사부는 상기 고에너지 빔을 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체로 조사하면서 금속분말의 공급위치를 조절할 수 있는 노즐유닛을 포함하며, 상기 노즐유닛은 일반적으로 중심측에 상기 고에너지 빔이 조사되도록 기재 방향으로 조사되도록 관통형성된 제1빔관통부와, 분말공급장치와 연결되고 제1빔관통부 둘레에서 기재 방향으로 분말이 공급되도록 개방된 분말공급부와, 상기 고에너지 빔 주변으로 불활성 가스 분위기를 조성하기 위하여 상기 분말공급부 둘레에서 상기 기재 방향으로 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 토출하는 가스공급부가 형성된 빔 조사 헤드와; 상기 노즐유닛이 이동되는 방향의 상기 빔 조사 헤드의 전단측에 위치되어 상기 경사면을 감지하는 감지센서와; 상기 분말공급부 내에서 승강가능하게 장착되어 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체로 상기 금속분말을 공급하는 다수의 분말공급관과, 상기 분말공급관의 하단에 연결되어 상기 분말공급관 상승 시 상기 고에너지 빔 조사헤드 내로 수용되어 상기 분말공급관에서 낙하하는 상기 금속분말이 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경 안쪽으로 낙하할 수 있도록 상기 금속분말을 가이드하는 복수의 가이드부재를 포함하는 분말공급가이드유닛과; 상기 감지센서와 연결되어 상기 고에너지 빔 조사헤드가 상기 경사면을 지날 때, 상기 고에너지 빔 조사헤드가 이동되는 방향의 반대측에 위치하는 상기 분말공급관과 상기 가이드부재가 상승되도록 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 분말공급부는 각 상기 분말공급관이 수용되게 하방으로 갈수록 상기 제1빔관통부에 인접하게 관형상으로 연장된 다수의 관 승강공과, 상기 고에너지 빔 조사헤드의 하단에서 상기 제1빔관통부의 둘레로 링 형상으로 인입형성되며 인입된 상단이 상기 관 승강공과 연통되는 분말 토출홈을 구비하며, 복수의 상기 가이드부재는 상호 원주방향으로 배열되어 상광하협 형태의 링 형상을 이루도록 각각 형성되며, 개별적으로 승강 시 상호 간섭되지 않도록 하단에서 상단으로 갈수록 원주방향 길이가 짧아지는 테이퍼진 형상을 가지며, 상기 분말토출홈에 수용시 상기 제1빔관통부에 멀어지는 측의 상기 분말토출홈의 내측면에 밀착되는 것이 바람직하다.
상기 빔 조사헤드는 상기 분말공급부와 상기 가스공급부 사이의 위치에서, 상기 제1빔관통부를 통해 상기 고에너지빔이 조사되는 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체 방향으로 개방되어 상기 제1빔관통부에서 조사된 상기 고에너지빔의 가장자리 측에 위치하는 상기 금속분말로 다른 상기 고에너지빔이 관통되며 원주방향으로 상호 이격된 다수의 제2빔관통부를 더 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명의 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법의 상기 빔조사단계 또는 상기 적층조절단계는 상기 제1빔관통부에서 조사된 상기 고에너지 빔의 조사 방향을 상기 고에너지 빔 조사헤드의 이동방향의 반대방향으로 기울어지도록, 상기 제1빔관통부의 하방에 위치되게 상기 고에너지 빔 조사헤드의 하단에 수평하게 장착되는 빔 조사 방향 조절렌즈를 상기 고에너지 빔 조사헤드의 이동방향에 인접한 일측이 타측보다 하방에 위치되게 기울어지도록 조절하는 빔조사방향 조절단계를 더 포함할 수 있다.
상기 노즐유닛은 상기 제1빔관통부의 둘레에 위치되는 상기 고에너지 빔 조사헤드 하단에서 상기 빔 조사방향 조절렌즈의 일측 또는 타측에 각각 축 결합되며 하방으로 개별적으로 길이신축되어 상기 빔 조사방향 조절렌즈의 기울기를 조절하는 복수의 액츄에이터를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 고에너지 빔 조사헤드가 상기 경사면을 지날 때, 상기 빔 조사방향 조절렌즈가 상기 고에너지 빔 조사헤드의 이동방향 측으로 하향경사지도록 상기 고에너지 빔 조사헤드의 이동방향 측에 인접한 상기 액츄에이터가 하방으로 길이신장되게 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구는 기재 또는 선 공정에서 형성된 단위금속층 적층체에 적층된 분말층 용융 시, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면에 적층된 분말층에 조사되는 고에너지 빔의 이동속도를 낮추거나 파워를 높이고, 또는 분말층의 두께를 조절함으로써, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면에서부터 수평면 까지 균일한 열영향부와 비교적 일정한 비드를 갖는 단위금속층을 형성할 수 있으며, 나아가서는 안정적인 3차원 제품이 생성될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구는 경사면을 지날 때, 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향측에서 공급되는 금속분말이 고에너지빔의 폭의 가장자리 측보다 안측으로 공급되도록 가이드부재가 상승되어 분말층의 노즐유닛의 이동방향의 반대 방향 측으로 고 에너지빔의 조사 시간을 보다 길게 확보할 수 있어 분말층이 균일하게 용융될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법이 적용된 에너지 제어형 적층 공정을 위한 고에너지빔을 이용한 적층 기구가 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면으로 고에너지빔을 조사하는 상태를 도시한 일부 단면도이고,
도 2는 도 1의 고에너지 빔을 이용한 적층 기구에서 조사된 고에너 지빔 내로 공급된 분말을 개략적으로 표시한 도면이고,
도 3은 고에너지빔을 이용한 적층기구가 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면으로 고에너지빔을 조사하는 상태를 도시한 일부 단면도이고,
도 4는 도 1의 고에너지 빔을 이용한 적층기구의 분말공급유닛에 대한 일부 사시도이고,
도 5는 경사면을 갖는 기재 또는 단위금속층 적층체에 대한 일부 측단면도이고,
도 6은 도5의 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면과 경사면에 고에너지 빔이 조사되는 영역을 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법의 고에너지 빔을 이용한 적층기구에 대한 일부 단면도이고,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법의 고에너지 빔을 이용한 적층기구에 대한 일부 단면도이고,
도 9는 도 6의 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법에 적용된 고에너지빔을 이용한 적층기구에 대한 블록도이다.
도 2는 도 1의 고에너지 빔을 이용한 적층 기구에서 조사된 고에너 지빔 내로 공급된 분말을 개략적으로 표시한 도면이고,
도 3은 고에너지빔을 이용한 적층기구가 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면으로 고에너지빔을 조사하는 상태를 도시한 일부 단면도이고,
도 4는 도 1의 고에너지 빔을 이용한 적층기구의 분말공급유닛에 대한 일부 사시도이고,
도 5는 경사면을 갖는 기재 또는 단위금속층 적층체에 대한 일부 측단면도이고,
도 6은 도5의 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면과 경사면에 고에너지 빔이 조사되는 영역을 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법의 고에너지 빔을 이용한 적층기구에 대한 일부 단면도이고,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법의 고에너지 빔을 이용한 적층기구에 대한 일부 단면도이고,
도 9는 도 6의 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법에 적용된 고에너지빔을 이용한 적층기구에 대한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변형 분말 공급 영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층 방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 6에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법을 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구와 그에 관련된 도면이 도시되어 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법을 구체적으로 설명하기에 앞서, 일반적인 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정을 위한 시스템의 구성을 간략히 설명한다.
구체적으로 도시되지는 않았으나, 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정을 위한 시스템은 챔버(미도시)와, 챔버 내에 기재(31) 또는 선공정에서 형성된 단위금속층 적층체(32)에 용융풀 형성 및 용융풀로 공급된 금속 분말을 함께 용융시키기 위한 레이저 빔과 같은 고에너지 빔을 조사하는 고에너지 빔을 이용한 적층기구(10)를 포함한다.
고에너지 빔을 이용한 적층기구는 고출력 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진부(미도시)와, 렌즈나 미러 등의 광학부품을 조합하여 레이저 빔을 집광하는 역할을 수행하는 고에너지 빔 집광부(미도시)와, 고에너지 빔 집광부로부터 집광되어 에너지 수치가 상승된 고에너지 빔을 하방에 위치한 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)로 조사하는 고에너지 빔 조사부(13)와, 고에너지 빔 조사부 주위에 금속분말을 공급하기 위한 분말공급장치(미도시)를 포함할 수 있다.
고에너지 빔 집광부는 고에너지 빔(L)의 경로의 폭을 가변적으로 조절하거나 집광하는 역할을 수행하는 것으로서, 적어도 하나 이상의 콜리메이션 렌즈와 포커싱 렌즈를 포함할 수 있다.
고에너지 빔 조사부(13)는 고에너지 빔 집광부를 통과한 고 에너지빔(L)을 조사하는 노즐유닛(20) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 고에너지 빔 조사부(13)는 공구 경로(Tool Path)를 따라 이동하면서 고에너지 빔을 조사할 수 있으며, 고에너지 빔 조사부와 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32) 사이의 거리는 고에너지 빔(L)의 초점 거리에 대응하여 조절될 수 있다. 여기서, 공구 경로는 제조하고자 하는 금속의 조형 정보를 포함하는 3차원 CAD 데이터로부터 산출될 수 있다.
노즐유닛(20)은 빔 조사 헤드(21)와, 감지센서(46)와, 분말공급가이드유닛(61)과, 제어부(81)를 구비한다.
빔 조사헤드(21)는 고에너지 빔 집광부와 연결되며, 중심측에 고에너지 빔(L)이 조사되도록 기재(31) 방향으로 조사되도록 관통형성된 제1빔관통부(22)와, 분말공급장치와 연결되고 제1빔관통부(22) 둘레에서 용융풀(미도시)측 즉, 기재(31) 방향으로 금속분말(40a)이 공급되도록 개방된 분말공급부(24)와, 금속 산화방지와 레이저 광학계 손상을 방지하기 위하여 불활성 가스 분위기에서 용융풀이 형성되고 금속분말(40a)이 용융되어 단위금속층(40)이 형성되도록 분말공급부(24) 둘레에서 기재 방향으로 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 토출하는 가스공급부(28)가 형성된다.
분말공급부(24)는 하방으로 갈수록 제1빔관통부(22)에 인접하게 관형상으로 연장되며 원주방향으로 일정간격 상호 이격되는 다수의 관 승강공(25)과, 빔 조사헤드(21)의 하단에서 제1빔관통부(22)의 둘레로 링 형상으로 인입형성되며 인입된 상단이 관 승강공(25)과 연통되는 분말 토출홈(26)과, 관 승강공(25)의 상단과 연통되며 관 승강공(25) 보다 큰 직경을 가지며 상단이 후술되는 솔레노이드부에 덮이는 플랜지 구속홈(27)을 구비한다.
감지센서(46)는 노즐유닛(20)이 이동되는 방향의 빔 조사헤드(21)의 전단측에 위치되어 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)을 감지한다.
감지센서(46)는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면에 광을 조사하고 반사된 광을 수광하여 이격된 거리를 감지할 수 있는 일반적인 광거리센서나 초음파 센서 또는 소형 라이다가 적용될 수 있다.
즉, 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면에 일정한 거리를 유지하면서 공구 경로(Tool Path)를 따라 이동되게 되는데, 빔 조사 헤드의 전단 측이 경사면에 진입 시 감지센서(46)를 통해 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면과의 거리가 짧아지는 것을 감지할 수 있다. 후술되는 제어부(81)는 감지센서(46)에서 감지된 거리가 짧아지면 경사면으로 이동되는 것으로 판단하고, 분말공급가이드유닛(61)의 구동을 제어할 수 있다.
분말공급가이드유닛(61)은 분말공급부(24) 내에서 승강가능하게 장착되어 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)로 금속분말(40a)을 공급하는 다수의 분말공급관(62)과, 분말공급관(62)의 하단에 연결되어 분말공급관(62) 상승 시 빔 조사헤드(21) 내로 수용되어 분말공급관(62)에서 낙하하는 금속분말(40a)이 고에너지 빔(L)의 폭 또는 직경 안쪽으로 낙하할 수 있도록 금속분말(40a)을 가이드하는 복수의 가이드부재(71)와, 분말공급관(62)을 상승 및 상승 해제되게 승강시키는 솔레노이드부(65)를 구비한다. 분말공급관(62)은 외주면에 일측에 플랜지 구속홈(27)에 수용되는 플랜지(63)가 형성된다.
복수의 솔레노이드부(65,65')는 일반적인 솔레노이드 구조로서, 금속소재로 된 분말공급관(62)이 진퇴가능하게 양측이 개방되어 있으며, 내부로 수용된 분말공급관(62) 둘레에 위치되게 권선되어 통전 시 분말공급관(62)이 당겨져 상승될 수 있는 자기장을 발생시키는 코일(67)이 수용되는 하우징부(66)와, 플랜지 구속홈(27)에 수용되어 일측이 분말공급관(62)의 플랜지(63)와 접하고 타측이 하우징부(66)에 접하여 통전 해제 시, 분말공급관(62)이 하강되게 복귀시키는 리턴 스프링(68)을 각가 구비한다. 복수의 솔레노이드부(65,65')는 빔 조사헤드(20)에서 노즐유닛(20)이 이동되는 방향 측에 위치되는 제1솔레노이드부(65)와, 노즐유닛(20)이 이동되는 방향에 반대방향 측에 위치되는 제2솔레노이드부(65')로 구분될 수 있다.
복수의 가이드부재(71)는 분말토출홈(26)에 수용되거나 빔 조사 헤드(21)에 대해 하방으로 돌출되는 가이드본체(72)와, 가이드본체(72)의 상단 중심측에 일체로 연결되고 관형상으로 형성되어 분말공급관(62) 하단의 외경이 축소부가 삽입결합되는 관 결합부(73)를 각각 구비한다.
관결합부(73)는 관 승강공(25)의 내경에 대응되거나 작은 직경을 갖는다.
가이드본체(72)는 원주방향으로 배열되는 다른 가이드부재(71)의 가이드본체(72)들과 함께 상광하협 형태의 링 형상을 이루도록 각각 형성되되, 개별적으로 승강 시 상호 간섭되지 않도록 하단에서 상단으로 갈수록 원주방향 길이가 짧아지는 테이퍼진 형상을 갖는다. 가이드본체(72)는 분말토출홈(26)에 수용시 제1빔관통부(22)에 멀어지는 측의 분말토출홈(26)의 내측면에 밀착된다.
제어부(81)는 감지센서(46)와 연결되어 빔 조사헤드(21)가 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)을 지날 때, 빔 조사헤드(21)가 이동되는 방향의 반대측에 위치하는 분말공급관(62)과 가이드부재(71)가 상승되도록 제2솔레노이드부(65')에 전기가 인가되게 제어한다.
복수의 가이드부재(71)는 제1 및 제2솔레노이드부(65,65')에 통전 해제 시 리턴스프링(68)에 의해 분말공급관(63)이 하강되면서, 각 가이드본체(72)가 빔 조사헤드(21)의 하단에 대해 돌출된 상태가 유지된다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 가이드본체(72)는 분말공급관(63)에서 토출되는 금속분말이 제1빔관통부(22)에서 조사되는 고에너지 빔의 가장자리 측보다 내측으로 하강 유도되게, 분말토출홈(26)의 내측면에 접하지 않는 일측면이 하방으로 갈수록 제1빔관통부(22)에 인접하도록 두께가 두꺼워지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 노즐유닛(20)을 갖는 고에너지 빔을 이용한 적층기구를 이용한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법에 대해 설명한다.
이하에서 언급되는 "분말층(41)"은 분말공급부(24)을 통해서 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면에 적층된 다수의 분말의 한 더미를 의미하며, 고에너지 빔(L)이 조사되면서 용융되어 형성된 비드로 생성된다.
단위금속층(40)은 다수의 분말층(41)이 고에너지 빔의 이동방향을 따라 공급되면서 용융풀에 용융되면서 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면에 다수의 비드가 연속형성된 2차원적 패턴을 의미하며, 기본공정의 단위를 이룬다. 이러한 단위금속층(40)이 복수로 적층됨으로써 단위금속층 적층체(32)를 형성하며 최종적으로 기설정된 3차원적 대상 제품을 형성할 수 있는 것이다.
일반적인 에너지 제어형 적층공정은 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상부에 고에너지빔(L)을 조사하면서 상기 고에너지빔(L)이 조사되는 측으로 금속분말(40a)을 공급하여 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 용융풀을 형성하고, 상기 용융풀에 상기 금속분말을 상기 고에너지빔(L)의 이동경로를 따라 용융시키는 단위금속층 형성단계와; 금속분말 공급 및 용융시키는 과정을 반복하여 다수의 단위금속층을 적층하여 단위금속층 적층체(32)를 형성하는 다층적층단계;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법은 에너지 제어형 적층 공정 중 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층(41)을 용융시키기 위해 고에너지 빔을 분말층(41)에 조사하면서 금속분말을 공급하여 분말층(41)을 용융시키는 단계에서, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사진 면에서도 균일한 단일금속층을 형성할 수 있도록 고에너지 빔의 조사조건 제어 또는 분말층의 두께를 조절 또는 분말층 형성 위치를 조절하는 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법은 단위금속층 형성단계에 포함될 수 있다.
한편, 도 5를 참고하면, 동일 직경(l1) 비교 시, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에 접촉되는 부분(b)의 분말층(41)의 면적(S2)은 수평면(33)에 분말층(41)이 접촉되는 부분(a)의 면적(S1) 보다 크다. (S1 < S2)
그리고, 도 6을 참고하면, 집속되어 분말층(41)에 인접할 수록 폭이 좁아지는 고에너지 빔(L)의 동일 직경(l2) 조건 비교 시, 수평면(33)에 접촉하는 부분(a')의 분말층(41)의 면적(S'1)은 경사면(34)에 접촉하는 부분(b')의 분말층(41)의 면적(S'2)보다 적다.(S'1 < S'2)
이에 따라, 경사면(34)에서 분말층(41)이 접촉되는 부분(b,b')의 열손실율은 수평면에서 분말층(41)이 접촉되는 부분(a,a')보다 크고, 경사면(34)에 적층시킬 분말량이 수평면(33)보다 증가된다. 그리고, 기울기가 클수록 경사면에 접촉되는 분말층(41)의 면적은 커지므로 더 큰 열손실율이 발생된다.
그러므로, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층(41)에 동일조건으로 고에너지 빔 조사 시, 수평면(33) 대비 경사면(34)에서의 열영향부(HAZ)가 균일하게 형성되지 못하면서 단위금속층(40)의 두께가 일정하지 못하게 형성되는 문제점이 발생된다.
도시되지는 않았으나, 수평면과 경사면의 열손실율과 필요한 금속분말의 차이로 인해, 일정한 고에너지 빔 조사조건으로 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32) 용융 시, 수평면과 경사면의 경계가 과용융이 발생될 수 있다. 또한, 일정한 고에너지 빔 조사 조건으로 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면과 수평면을 용융 시 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 형성되는 열영향부(HAZ)에 크랙이 발생되거나, 경사면에서의 열영향부(HAZ)의 두께가 좁게 형성되거나, 열영항부(HAZ)의 두께가 균일하게 형성되지 않을 수 있다
본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법은 앞에서 언급된 문제점을 해결하여, 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면과 경사면에 균일한 단위금속층(40)을 형성하기 위한 것으로서, 빔조사단계와, 적층조절단계를 포함할 수 있다.
빔 조사단계는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)가 용융된 용융풀을 형성하고 상기 용융풀로 공급된 분말층(41)을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔(L)을 조사하되 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에서 지면에 나란한 수평면(33) 방향으로 고에너지 빔(L)을 이동시키면서 조사하는 단계이다.
빔 조사단계는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)가 용융된 용융풀(미도시)을 형성하고 용융풀로 공급된 분말층(41)을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔(L)을 조사하되 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에서 지면에 나란한 수평면(33) 방향으로 고에너지 빔을 이동시키면서 조사하는 단계이다.
적층조절단계는 동일 직경의 고에너지 빔(L)에서, 수평면(33) 대비 분말층(41)이 접촉되는 면적이 커 열손실율이 증가하는 경사면(34)에 적층된 분말층(41)이 수평면(33)에 적층된 분말층(41)과 함께 균일하게 용융될 수 있도록 분말층(41)을 용융시켜 형성된 비드를 생성시키기 위한 고에너지 빔(L)의 이송속도, 파워감소 또는 분말공급량을 조절하는 단계이다.
적층조절단계는 빔 파워감소단계, 빔 가속단계 및 분말공급감소단계 중 어느 하나 이상이 단계를 포함할 수 있다.
빔 파워감소단계는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)이 형성된 일측에서 수평면(33)이 형성된 타측으로 고에너지빔(L)의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 수평면(33)과 경사면(34)의 경계선상(3)을 지나갈 때 쯤, 고에너지 빔(L)의 파워를 감소시키는 단계이다.
빔 파워감소단계는 경사면(34)에서보다 열손실율이 적어 분말층(41)의 용융이 용이한 수평면(33)에 고에너지 빔(L) 조사 시, 경사면(34)에서보다 용융이 용이한 수평면(41)에 공급된 분말층(41) 내의 잔류응력이 감소될 수 있도록, 고에너지 빔(L)의 파워출력을 감소시키는 단계이다.
일 예로, 빔 파워감소단계에서 경사면(34)에 가속전압 15KeV, 방출전류 15mA 인 고에너지빔을 출력하다가, 수평면(33)에서 가속전압 10KeV, 방출전류 10mA 인 고에너지빔이 조사되도록 적층기구의 빔 조사조건을 조절할 수 있다.
한편, 분말공급감소단계는 경사면(34)에 적층된 분말층(41)에 고에너지 빔(L) 조사 시, 경사면(34)으로 고에너지 빔(L)의 열전달이 용이하도록, 금속분말(40a)의 공급량을 조절하여 수평면(33)에서보다 경사면(34)에 적층된 분말층(41)의 두께를 감소시켜 용융되어 형성되는 비드의 두께를 조절하는 단계이다.
분말공급감소단계에서는 고에너지빔(L)이 경사면(34) 조사 시 분말공급부를 통해 경사면(34)으로 공급되는 금속분말(40a)의 양을 수평면(33)으로 공급되는 금속분말(40a)의 양 보다 적게 공급한다. 즉, 고에너지빔(L)의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 수평면(33)과 경사면(34)의 경계선상(3)을 지나갈 때 쯤, 금속분말(40a)의 공급량을 증가시킨다.
한편, 빔 가속단계는 경사면(34) 보다 열손실율이 작은 수평면(33)에 적층된 분말층(41)으로 고에너지 빔(L) 조사 시, 고에너지 빔(L)의 에너지 전달시간이 경사면(33)에서보다 축소될 수 있도록, 고에너지 빔(L)의 이동속도를 높여 수평면(34)에 적층된 분말층(41)의 용융량과 열영향부의 축소를 유도한다. 반대로 말하면, 빔 가속단계는 경사면(34)에서 고에너지빔의 이동속도를 수평면(33)에서보다 낮게 하여 경사면(34)에 적층된 분말층(41)의 용융량 확대를 유도하는 것이다.
빔 가속단계에서, 경사면(34)에서는 동일한 조건의 고에너지 빔(L)이 조사될 수 있도록, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 일측에서 타측으로 고에너지빔(L)의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 수평면(33)과 경사면(34)의 경계를 지나갈 때 쯤, 고에너지 빔(L)의 이동속도를 높이는 것이 바람직하다.
빔 파워감소단계, 빔 가속단계 및 분말공급감소단계는 병행해서 이루어질 수 있는데, 빔 가속단계는 빔 파워감소단계와 동시에 이루어질 수 있으며, 분말공급감소단계는 빔가속단계와 빔 파워감소단계 전에 이루어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법은 기재(31) 또는 선공정에서 형성된 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층 용융시, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에 적층된 분말층(41)으로 조사되는 고에너지 빔의 이동속도를 낮추거나 파워를 높이고, 또는 경사면(34)에 적층된 분말층(41)의 두께를 조절함으로써, 적층판(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 수평면(33)에서부터 경사면(34) 까지 균일한 열영향부와 비교적 일정한 비드를 갖는 용융층 즉, 단위금속층을 형성할 수 있으며, 나아가서는 안정적인 3차원 제품이 생성될 수 있도록 한다.
그리고, 빔조사단계 또는 적층조절단계는 금속분말 공급위치 조절단계를 더 포함할 수 있다.
금속분말 공급위치 조절단계는 경사면(34)에 고에너지빔(L) 조사 시, 고에너지빔(L)을 조사하면서 금속분말(40a)을 공급하는 노즐유닛(20)의 이동방향의 반대방향 측에서 공급되는 금속분말(40a)을 고에너지빔(L)의 폭 또는 직경의 가장자리 측 보다 안측으로 공급되도록 금속분말 공급위치를 조절하는 단계이다.
금속분말 공급위치 조절단계에서는, 감지센서(46)를 통해 노즐유닛(20)이 경사면에 진입된 것으로 감지되면 제어부(81)가 노즐유닛(20)의 이동방향 측에 인접하지 않은 제1솔레노이드부(65) 또는 제2솔레노이드부(65')를 통전시켜, 노즐유닛(20)의 이동방향 측에 인접하지 않은 분말공급관(62)과 가이드부재(71)를 상승된다.
가이드부재(71)가 상승되면서, 기재(31) 또는 단위금속층(32)으로 낙하된 금속분말의 낙하 위치가 가이드본체(72)가 빔 조사 헤드(21)에 대해 돌출된 상태일 때 보다 고에너지 빔의 중심측에 인접하게 낙하 유도된다. 이에 따라, 분말층(41)에서 노즐유닛(20)의 이동방향에 인접하지 않은 측(b)으로 고에너지 빔의 조사 시간을 보다 빔 조사 헤드(21)에 대해 돌출된 상태일 때 보다 길게 확보될 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 기재 또는 단위금속층(32)의 수평면(33)을 지날 때 복수의 가이드부재(71)가 모두 빔 조사 헤드(21)에 대해 돌출되어 있고, 경사면을 지날 때 빔 조사 헤드(21)의 이동방향에 인접하지 않은 제2솔레노이드부(65')와 연결된 분말공급관(62)과 가이드부재(71)가 빔 조사 헤드(21) 내로 수용되는 것을 예로 들고 있다.
하지만, 도시된 바와 다르게, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 기재 또는 단위금속층(32)의 수평면(33)을 지날 때 복수의 가이드부재(71)가 모두 빔 조사 헤드(21)에 수용되고, 경사면을 지날 때 빔 조사 헤드(21)의 이동방향에 인접하지 않은 제2솔레노이드부(65')와 연결된 분말공급관(62)과 가이드부재(71)가 분말공급부(24) 내에서 더 상승되도록 적용된 노즐유닛(20)이 적용될 수도 있을 것이다.
한편, 노즐유닛(20)의 이동에 따라, 고에너지 빔(L)의 폭 중심보다 후방측에 가장 높은 열이 형성될 수 있다. 노즐유닛(20)의 이동속도가 높을 수록 고에너지 빔(L)의 폭 중심보다 후방측에 열이 집중된다.
이러한 경우, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 다르게, 분말공급가이드유닛(61)의 복수의 분말공급관(62) 중, 노즐유닛(20)의 이동되는 방향 측에 위치하는 분말공급관(62)과 가이드부재(71)가 빔 조사 헤드(21)에 인입되고, 노즐유닛(20)의 이동되는 방향의 반대방향 측에 위치하는 향하는 분말공급관(62)과 가이드부재(71)가 빔 조사 헤드(21)에 대해 돌출되어; 고에너지빔(L)의 폭 또는 직경의 중심보다 분말층의 중심이 후방 측에 형성되도록, 제어부(81)는 노즐유닛(20)가 설정된 속도이상으로 이동 시, 제1솔레노이드부(65)와 제2솔레노이드부(65')의 구동을 제어할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 기재(31) 또는 선 공정에서 형성된 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층(41) 용융 시, 기재 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에 적층된 분말층에 조사되는 고에너지 빔의 이동속도를 낮추거나 파워를 높이고, 또는 분말층의 두께를 조절함으로써, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면(34)에서부터 수평면 까지 균일한 열영향부와 비교적 일정한 비드를 갖는 단위금속층을 형성할 수 있으며, 나아가서는 안정적인 3차원 제품이 생성될 수 있도록 한다
또한, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 경사면을 지날 때, 노즐유닛(20)의 이동방향의 반대 방향측에서 공급되는 금속분말이 고에너지빔의 폭의 가장자리 측보다 안측으로 공급되도록 가이드부재가 상승되어 분말층(41)의 노즐유닛(20)의 이동방향의 반대 방향 측(b)으로 고 에너지빔의 조사 시간을 보다 길게 확보할 수 있어 분말층이 균일하게 용융될 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 7에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법을 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구의 노즐유닛이 도시되어 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 노즐유닛(20)은 빔 조사헤드(21)에 분말공급부(24)와 가스공급부(28) 사이의 위치에서, 제1빔관통부(22)를 통해 고에너지빔(L)이 조사되는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32) 방향으로 개방되어 제1빔관통부(22)에서 조사된 고에너지빔(L)의 가장자리 측에 위치하는 금속분말로 다른 고에너지빔(L')이 관통되며 원주방향으로 상호 이격되는 다수의 제2빔관통부(29)가 더 형성된다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 도시되지는 않았으나, 제2빔관통부(29)의 개수에 대응되게 레이저 발진부와 빔 집광부가 더 마련된다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법은 분말층(41) 가장자리 측에 제2빔관통부(29)를 통해서 관통되는 고에너지 빔(L')이 조사되므로 분말층(41) 전체가 균일하게 용융될 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 다수의 제2빔관통부(29) 중 노즐유닛(20)의 이동방향에 반대방향에 측에 위치하는 제2빔관통부(29)로만 고에너지 빔(L')이 조사되도록 적용될 수도 있다.
한편, 도 8 및 9에는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법을 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구의 노즐유닛이 도시되어 있다. 앞서 도시한 도면에서와 동일 기능을 갖는 구성요소는 동일 참조부호로 표기한다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법에 적용되는 고에너지 빔을 이용한 적층기구의 노즐유닛(20)은 제1빔관통부(22)의 수지기하방에 배치되는 빔조사방향 조절렌즈(101)와, 제1빔관통부(22)의 둘레에 위치되는 빔 조사헤드(21)의 하단 에서 빔 조사방향 조절렌즈(101)의 일단 또는 타단이 회동가능하게 각각 축 결합되며 하방으로 개별적으로 길이신축되어 빔 조사방향 조절렌즈(101)의 기울기를 조절하는 복수의 액츄에이터(106,111)를 더 구비한다.
복수의 액츄에이터는 빔 조사헤드(21)의 이동방향 측에 인접한 제1액츄에이터(106)와, 제1액츄에이터(106)에 대해 빔 조사헤드(21)의 이동방향에 반대방향으로 이격된 제2액츄에이터(111)로 구분될 수 있다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법은 빔조사단계 또는 상기 적층조절단계에서, 제1빔관통부(22)에서 조사된 고에너지 빔의 조사 방향을 빔 조사헤드(21)의 이동방향의 반대방향으로 기울어지도록, 빔 조사 방향 조절렌즈(101)를 빔 조사헤드(21)의 이동방향에 인접한 일측이 타측보다 하방에 위치되게 기울어지도록 조절하는 빔조사방향 조절단계를 더 포함한다.
빔 조사방향 조절렌즈(101)는 콜리메이트 렌즈가 적용될 수 있다.
제어부(81)는 복수의 액츄에이터(106,111)와 연결되어 빔 조사헤드(21)가 경사면(34)을 지날 때, 빔 조사방향 조절렌즈(101)가 빔 조사헤드(21)의 이동방향 측으로 하향 경사지도록 제1액츄에이터(106)가 하방으로 길이신장되게 제어한다.
복수의 액츄에이터는 유체에 의해 길이신장 및 신축가능한 유압실린더가 적용될 수 있다. 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 도시되지는 않았으나, 노즐유닛(20)의 일측에 액츄에이터 길이 신장 및 신축을 위해 유체가 저장되는 유체저장탱크, 유체저장탱크에서 액츄에이터로 유체를 펌핑하는 유체공급펌프, 유체저장탱크에서 액유체이터로 연결된 유체공급관와, 제1액츄에이터 또는 제2액츄에이터로 유체 공급을 조절하는 개폐밸브를 포함하는 유압공급부가 마련된다. 즉, 제어부(81)는 유체공급펌프와 개폐밸브의 구동을 제어하여 제1액츄에이터 또는 제2액츄에이터의 길이를 조절한다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 가변형 분말공급영역 제어기법을 이용한 등가 체적 적층방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층기구는 노즐유닛(20)이 경사면을 지날 때, 빔 조사 방향 조절렌즈(101)가 빔 조사헤드(21)의 이동방향에 인접한 일측이 타측보다 하방에 위치되게 기울어지도록 조절하여 분말측의 타측(b)에 고에너지 빔이 조사되는 시간을 보다 길게 확보할 수 있어 분말층이 균일하게 용융될 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
20 : 노즐유닛 21 : 빔 조사 헤드
61 : 분말공급가이드유닛 62 : 분말공급관
71 : 가이드부재 31 : 기재
32 : 단위금속층 적층체 33 : 수평면
34 : 경사면 40 : 단위금속층
41 : 분말층 L : 고에너지 빔
61 : 분말공급가이드유닛 62 : 분말공급관
71 : 가이드부재 31 : 기재
32 : 단위금속층 적층체 33 : 수평면
34 : 경사면 40 : 단위금속층
41 : 분말층 L : 고에너지 빔
Claims (9)
- 기재 또는 단위금속층 적층체에 용융된 용융풀을 형성하고 상기 용융풀로 공급되는 금속분말들이 형성한 분말층을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔을 조사하되 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체의 경사면에서 지면에 나란한 수평면 방향으로 상기 고에너지 빔을 이동시키면서 조사하는 빔 조사단계와;
동일 직경의 상기 고에너지 빔에서, 상기 수평면 대비 상기 분말층이 접촉되는 면적이 커 열손실율이 증가하는 상기 경사면에 적층된 상기 분말층이 상기 수평면에 적층된 상기 분말층과 균일하게 용융될 수 있도록, 상기 분말층을 용융시켜 비드를 생성시키기 위한 상기 고에너지 빔의 이송속도, 파워 또는 분말공급량을 조절하는 적층 조절단계;를 포함하며,
상기 빔조사단계 또는 상기 적층조절단계는 상기 경사면에 상기 고에너지빔 조사 시, 상기 고에너지빔을 조사하면서 상기 금속분말을 공급하는 노즐유닛의 이동방향의 반대방향 측에서 공급되는 상기 금속분말을 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경의 가장자리보다 안측으로 공급되거나, 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경의 중심보다 상기 분말층의 중심이 후방측에 형성되도록 분말공급 위치를 조절하는 금속분말 공급위치 조절단계를 포함하고,
상기 노즐유닛은
중심측에 상기 고에너지 빔이 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체 방향으로 조사되도록 관통형성된 제1빔관통부와, 분말공급장치와 연결되고 상기 제1빔관통부 둘레에서 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체 방향으로 분말이 공급되도록 개방된 분말공급부와, 상기 고에너지 빔 주변으로 불활성 가스 분위기를 조성하기 위하여 상기 분말공급부 둘레에서 상기 기재 방향으로 불활성 가스를 토출하는 가스공급부가 형성된 빔 조사 헤드와;
상기 노즐유닛이 이동되는 방향의 상기 빔 조사 헤드의 전단측에 위치되어 상기 경사면을 감지하는 감지센서와;
상기 분말공급부 내에서 승강가능하게 장착되어 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체로 상기 금속분말을 공급하는 다수의 분말공급관과, 상기 분말공급관의 하단에 연결되어 상기 분말공급관 상승 시 상기 빔 조사헤드 내로 수용되어 상기 분말공급관에서 낙하하는 상기 금속분말이 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경 안쪽으로 낙하할 수 있도록 상기 금속분말을 가이드하는 복수의 가이드부재와, 상기 분말공급관을 상승 및 상승해제되게 승강시키는 솔레노이드부를 포함하는 분말공급가이드유닛과;
상기 감지센서와 연결되어 상기 빔 조사헤드가 상기 경사면을 지날 때, 상기 빔 조사헤드가 이동되는 방향의 반대측에 위치하는 상기 분말공급관과 상기 가이드부재가 상승되도록 제어하는 제어부;를 구비하고,
복수의 솔레노이드부는 상기 빔 조사헤드에서 상기 노즐유닛이 이동되는 방향 측에 위치되는 제1솔레노이드부와, 상기 노즐유닛이 이동되는 방향에 반대방향 측에 위치되는 제2솔레노이드부를 구비하고,
상기 금속분말 공급위치 조절단계에서는 상기 감지센서를 통해 상기 노즐유닛이 상기 경사면에 진입된 것으로 감지되면 상기 제어부가 상기 노즐유닛의 이동방향 측에 인접하지 않은 상기 제1솔레노이드부 또는 상기 제2솔레노이드부를 통전시켜, 상기 노즐유닛의 이동방향 측에 인접하지 않은 상기 분말공급관과 상기 가이드부재를 상승시키는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 적층 조절단계는
상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서보다 상기 분말층 내의 잔류응력이 감소될 수 있도록, 상기 고에너지 빔의 파워를 감소시키는 빔 파워감소단계;
상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서 보다 상기 고에너지 빔의 이송속도를 높여 상기 수평면에서보다 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 용융량 확대를 유도하는 빔 가속단계와;
상기 경사면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면으로 상기 고에너지 빔의 열전달이 용이하도록, 상기 빔파워감소단계와 상기 빔 가속단계 전에 상기 수평면에서보다 상기 금속분말의 공급량을 줄여 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 두께를 낮추는 분말공급감소단계;를 포함하며,
상기 빔 파워감소단계는 상기 경사면에서 상기 수평면으로 이동되는 상기 고에너지빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측이 가장자리가 상기 경사면과 상기 수평면의 경계선상을 지나갈 때, 상기 경사면에서보다 상기 고에너지빔의 파워 출력을 감소시키며,
상기 빔 가속단계는 상기 경사면에서 상기 수평면으로 이동되는 상기 고에너지 빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측 가장자리가 상기 경계선상을 지나갈 때, 상기 경사면에서보다 상기 고에너지 빔의 이동속도를 높이며,
상기 분말공급감소단계 이후, 상기 경사면에서 상기 수평면으로 이동되는 상기 고에너지 빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측 가장자리가 상기 경계선상을 지나갈 때, 상기 금속분말 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법. - 제1항에 있어서, 상기 분말공급부는
각 상기 분말공급관이 수용되게 하방으로 갈수록 상기 제1빔관통부에 인접하게 관형상으로 연장되며 원주방향으로 일정간격 상호 이격되는 다수의 관 승강공과, 상기 빔 조사헤드의 하단에서 상기 제1빔관통부의 둘레로 링 형상으로 인입형성되며 인입된 상단이 상기 관 승강공과 연통되는 분말 토출홈과, 상기 관 승강공의 상단과 연통되며 상기 관 승강공 보다 큰 직경을 가지며 상단이 상기 솔레노이드부에 덮이며 상기 분말공급관의 외주면 일측에 형성된 플랜지가 수용되는 플랜지 구속홈을 구비하고,
복수의 상기 솔레노이드부는
상기 분말공급관이 진퇴가능하게 양측이 개방되어 있으며, 내부로 수용된 상기 분말공급관 둘레에 위치되게 권선되어 통전 시 상기 분말공급관이 당겨져 상승될 수 있는 자기장을 발생시키는 코일이 수용되는 하우징부와, 상기 플랜지 구속홈에 수용되어 일측이 상기 플랜지와 접하고 타측이 상기 하우징부에 접하여 통전 해제 시, 상기 분말공급관이 하강되게 복귀시키는 리턴 스프링을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법. - 제 3항에 있어서, 복수의 상기 가이드부재는
상호 원주방향으로 배열되어 상광하협 형태의 링 형상을 이루도록 각각 형성되며, 개별적으로 승강 시 상호 간섭되지 않도록 하단에서 상단으로 갈수록 원주방향 길이가 짧아지는 테이퍼진 형상을 가지며, 상기 분말토출홈에 수용시 상기 제1빔관통부에 멀어지는 측의 상기 분말토출홈의 내측면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법. - 제 3항에 있어서, 상기 빔 조사헤드는
상기 분말공급부와 상기 가스공급부 사이의 위치에서, 상기 제1빔관통부를 통해 상기 고에너지빔이 조사되는 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체 방향으로 개방되어 상기 제1빔관통부에서 조사된 상기 고에너지빔의 가장자리 측에 위치하는 상기 금속분말로 다른 상기 고에너지빔이 관통되며 원주방향으로 상호 이격된 다수의 제2빔관통부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법. - 제 3항에 있어서, 상기 빔조사단계 또는 상기 적층조절단계는
상기 제1빔관통부에서 조사된 상기 고에너지 빔의 조사 방향을 상기 빔 조사헤드의 이동방향의 반대방향으로 기울어지도록, 상기 제1빔관통부의 하방에 위치되게 상기 빔 조사헤드의 하단에 수평하게 장착되는 빔 조사 방향 조절렌즈를 상기 빔 조사헤드의 이동방향에 인접한 일측이 타측보다 하방에 위치되게 기울어지도록 조절하는 빔조사방향 조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층방법. - 제6항에 있어서, 상기 노즐유닛은
상기 제1빔관통부의 둘레에 위치되는 상기 빔 조사헤드 하단에서 상기 빔 조사방향 조절렌즈의 일측 또는 타측에 각각 축 결합되며 하방으로 개별적으로 길이신축되어 상기 빔 조사방향 조절렌즈의 기울기를 조절하는 복수의 액츄에이터를 더 구비하고,
상기 제어부는
상기 빔 조사헤드가 상기 경사면을 지날 때, 상기 빔 조사방향 조절렌즈가 상기 빔 조사헤드의 이동방향 측으로 하향경사지도록 상기 고에너지 빔 조사헤드의 이동방향 측에 인접한 상기 액츄에이터가 하방으로 길이신장되게 제어하는 것을 특징으로 하는 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법. - 고에너지 빔을 집광하는 고에너지 빔 집광부와, 집광된 상기 고에너지 빔을 하방에 위치한 기재 또는 단위금속층 적층체로 조사하는 고에너지 빔 조사부를 포함하는 고에너지 빔을 이용한 적층기구에 있어서,
상기 고에너지 빔 조사부는 상기 고에너지 빔을 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체로 조사하면서 금속분말의 공급위치를 조절할 수 있는 노즐유닛을 포함하며,
상기 노즐유닛은
일반적으로 중심측에 상기 고에너지 빔이 조사되도록 기재 방향으로 조사되도록 관통형성된 제1빔관통부와, 분말공급장치와 연결되고 제1빔관통부 둘레에서 기재 방향으로 분말이 공급되도록 개방된 분말공급부와, 상기 고에너지 빔 주변으로 불활성 가스 분위기를 조성하기 위하여 상기 분말공급부 둘레에서 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체 방향으로 불활성 가스를 토출하는 가스공급부가 형성된 빔조사 헤드와;
상기 노즐유닛이 이동되는 방향의 상기 빔 조사 헤드의 전단측에 위치되어 경사면을 감지하는 감지센서와;
상기 분말공급부 내에서 승강가능하게 장착되어 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체로 상기 금속분말을 공급하는 다수의 분말공급관과, 상기 분말공급관의 하단에 연결되어 상기 분말공급관 상승 시 상기 빔 조사헤드 내로 수용되어 상기 분말공급관에서 낙하하는 상기 금속분말이 상기 고에너지빔의 폭 또는 직경 안쪽으로 낙하할 수 있도록 상기 금속분말을 가이드하는 복수의 가이드부재와, 상기 분말공급관을 상승 및 상승해제되게 승강시키는 솔레노이드부를 포함하는 분말공급가이드유닛과;
상기 감지센서와 연결되어 상기 빔 조사헤드가 상기 경사면을 지날 때, 상기 빔 조사헤드가 이동되는 방향의 반대측에 위치하는 상기 분말공급관과 상기 가이드부재가 상승되도록 제어하는 제어부;를 구비하고,
상기 분말공급부는 하방으로 갈수록 상기 제1빔관통부에 인접하게 관형상으로 연장되며 원주방향으로 일정간격 상호 이격되는 다수의 관 승강공과, 상기 빔 조사헤드의 하단에서 상기 제1빔관통부의 둘레로 링 형상으로 인입형성되며 인입된 상단이 상기 관 승강공과 연통되는 분말 토출홈과, 상기 관 승강공의 상단과 연통되며 상기 관 승강공 보다 큰 직경을 가지며 상단이 상기 솔레노이드부에 덮이며 상기 분말공급관의 외주면 일측에 형성된 플랜지가 수용되는 플랜지 구속홈을 구비하고,
복수의 상기 솔레노이드부는 상기 분말공급관이 진퇴가능하게 양측이 개방되어 있으며, 내부로 수용된 상기 분말공급관 둘레에 위치되게 권선되어 통전 시 상기 분말공급관이 당겨져 상승될 수 있는 자기장을 발생시키는 코일이 수용되는 하우징부와, 상기 플랜지 구속홈에 수용되어 일측이 상기 플랜지와 접하고 타측이 상기 하우징부에 접하여 통전 해제 시, 상기 분말공급관이 하강되게 복귀시키는 리턴 스프링을 각각 구비하고,
복수의 솔레노이드부는 상기 빔 조사헤드에서 상기 노즐유닛이 이동되는 방향 측에 위치되는 제1솔레노이드부와, 상기 노즐유닛이 이동되는 방향에 반대방향 측에 위치되는 제2솔레노이드부를 구비하고,
상기 제어부는 상기 감지센서를 통해 상기 노즐유닛이 상기 경사면에 진입된 것으로 감지되면 상기 노즐유닛의 이동방향 측에 인접하지 않은 상기 제1솔레노이드부 또는 상기 제2솔레노이드부를 통전시켜, 상기 노즐유닛의 이동방향 측에 인접하지 않은 상기 분말공급관과 상기 가이드부재를 상승시키는 것을 특징으로 하는 등가 체적 적층 방법을 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구. - 제8항에 있어서, 복수의 상기 가이드부재는
상호 원주방향으로 배열되어 상광하협 형태의 링 형상을 이루도록 각각 형성되며, 개별적으로 승강 시 상호 간섭되지 않도록 하단에서 상단으로 갈수록 원주방향 길이가 짧아지는 테이퍼진 형상을 가지며, 상기 분말토출홈에 수용시 상기 제1빔관통부에 멀어지는 측의 상기 분말토출홈의 내측면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 등가 체적 적층 방법을 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210082951A KR102480139B1 (ko) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 가변형 분말 공급 영역 제어 기법을 이용한 등가 체적 적층 방법과 이를 위한 고에너지 빔을 이용한 적층 기구 |
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ID=84536903
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| KR (1) | KR102480139B1 (ko) |
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-
2021
- 2021-06-25 KR KR1020210082951A patent/KR102480139B1/ko active IP Right Grant
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