KR102485713B1 - 흡입 시스템을 가지는 레이저 머신 툴 - Google Patents

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디엠지 모리 울트라소닉 레이저테크 게엠베하
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Abstract

본 발명은 집속된 레이저 빔(L)에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말(P)의 위치-선택적 응고에 의해 워크피스를 기계 가공하기 위한 및/또는 성형체를 제조하기 위한 머신(1)에 관한 것이다. 머신(1)은 프로세스 챔버 도어(11)에 의해 폐쇄될 수 있고 프로세스 공간(12)을 둘러싸는 프로세스 챔버(10), 재료 분말(P)을 저장하기 위한, 도어에 의해 폐쇄될 수 있는 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 및 흡입 시스템을 포함한다. 흡입 시스템은 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬(2), 프로세스 공간(12) 밖으로 입자를 흡입하기 위해 제 1 폐기물 공기 덕트(3a)에 의해 팬(2)에 유동적으로 연결되는 제 1 흡입 장치, 및 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 밖으로 입자를 흡입하기 위해 제 2 폐기물 공기 덕트(3b)에 의해 팬(2)에 유동적으로 연결되는 제 2 흡입 장치를 가진다. 본 발명에 따르면, 제 1 흡입 장치는 제 1 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단(4a)을 가지고 및/또는 제 2 흡입 장치는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단(4b)을 가진다.

Description

흡입 시스템을 가지는 레이저 머신 툴
본 발명은 집속된 레이저 빔에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고(solidification)에 의해 워크피스를 기계 가공하기 위한, 및/또는 성형체(molded body)를 제조하기 위한 머신에 관한 것이다.
본 발명은 추가로 집속된 레이저 빔에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고에 의해 워크피스를 처리 가공하기 위한, 및/또는 성형체를 제조하기 위한 머신의 프로세스 챔버 도어에 의해 폐쇄될 수 있는 프로세스 챔버에서의 프로세스 공간 밖으로 입자를 흡입(suctioning)하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적 머신은 특히, 선택적 레이저 용융, 선택적 레이저 신터링(sintering) 또는 레이저 증착 용접의 원리에 따라 성형체를 제조하기 위한 머신이다. 특히, 금속, 플라스틱 또는 세라믹으로 제조된 재료 분말이 사용될 수 있다. 그 다음에, 용어 레이저 머신 툴 또는 간단하게 머신은 레이저 빔을 사용하여 워크피스 또는 성형체를 기계 가공/제조/생성하기 위한 서로 다른 타입의 머신을 요약하도록 사용될 것이다.
선택적 레이저 용융, 레이저 신터링 또는 레이저 증착 용접 방법을 사용하여, 예를 들어, 금속 또는 세라믹 재료 분말로부터 또는 플라스틱 분말로부터의 층상 구성에 의한 대응하는 성형체의 기하학 설명 데이터(geometry description data)에 따라, 머신 파트, 툴, 보형물(prosthesis), 보석 조각 등과 같은 성형체가 제조되거나 가공 처리될 수 있다. 제조 프로세스에서, 재료 분말은 분말 노즐에 의해 집속된 레이저 빔의 초점에 가이드되고, 집속된 레이저 빔에 의해 가열되어, 조사 영역에서 재료 분말이 재용융되어서 연결된 응고 영역을 형성한다. 냉각 후에, 기계적으로 가공 처리될 수 있는 재료의 층이 형성된다.
선택적 레이저 용융 분야에서의 최신 기술에 대해서는, 예를 들어 DE 10 2015 522 689 A1을 참조한다. 더욱이, 상기 언급된 타입의 레이저 머신 툴은 예를 들어, EP 2 052 845 A2로부터 알려져 있다. 클래딩(cladding)용 머신 툴은 예를 들어, 특허 출원 DE 10 2013 224 649 A1에 설명된다.
"MM Das Industriemagazin" 잡지 17/2009 Nowotny 등에 의한 기사 "Laser-Einheit macht Auftragsschweißen auf Bearbeitungszentrum moeglich(레이저 유닛이 기계 가공 센터 상의 클래딩을 가능하게 한다)", 42 페이지에는 스팁 테이퍼(steep taper)를 통해 CNC 머신의 밀링 스핀들(milling spindle) 내로 삽입되는 레이저 가공 처리 광학부를 설명한다. 분말 노즐을 통해 레이저 초점으로 용융 금속(금속 분말)이 주입된다. 워크피스는 동일한 머신에서 밀링될 수 있다.
본질적으로, 레이저 빔, 특히 선택적 레이저 용융 또는 선택적 레이저 신터링 또는 레이저 증착 용접에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고에 의한 워크피스의 기계 가공 및/또는 성형체의 제조을 위해 알려진 2가지 타입의 머신이 있다. 머신 타입은 그 중에서도, 재료 분말이 제공되는 방식에 있어서 서로 다르다. 제 1 타입의 머신에서, 분말 베드(powder bed)가 층으로 빌드 업(built up)된다. 제 2 타입의 머신에서, 재료 분말은 가공 처리 위치에서 분말 노즐에 의해 제공된다. 본 발명은 특히 재료 분말이 레이저의 초점에서 분말 노즐에 의해 제공되는 머신에 관한 것이다. 레이저 가공 처리 헤드 및/또는 워크피스를 이동시키기 위한 기계적 셋업은 예를 들어, 알려진 5-축 기계 가공 센터에서 이루어질 수 있고, 기계적 툴 대신에 레이저 가공 처리 헤드가 제공된다. 최근 몇 년 동안, 예를 들어 밀링 툴을 사용하는 레이저 기계 가공 및 금속 컷팅 둘 다를 허용하는 머신 툴이 시장에서 이용가능하였다. 그와 같은 하이브리드 기계 가공 센터에서, 레이저 가공 처리 헤드는 툴 스핀들 홀더에 부착될 수 있다.
상기 언급된 프로세스 동안, 발암성일 수 있는 호흡 가능 입자(respirable particle)를 함유할 수 있어서 그와 같은 입자로부터 상당한 건강 위험이 발생할 수 있기 때문에 특히 인간의 건강에 유해할 수 있는 레이저 증착 용접 동안의 용접 가스(welding fumes)가 제조될 수 있다. 용접 가스 입자는 예를 들어, 수 마이크로미터 또는 심지어 수십 분의 일 마이크로미터 크기일 수 있다. 이 입자는 따라서 또한 미세 먼지 입자로 불린다. 사람들에 대한 건강 유해 가능성으로 인해, 그와 같은 머신의 운영자는 입자의 흡입에 대해 보호되어야 한다. 제 1 보호 조치로서, 머신의 운영자가 방진 마스크를 착용할 수 있다. 그러나, 마스크에 의해 제공되는 보호는 불충분할 수 있다. 추가로, 머신 주변의 다른 사람은 보호되지 않는다. 가능한 한 건강 유해성 입자로 인한 머신 주변 공기의 오염을 회피하기 위해, 레이저 머신 툴은 통상적으로 프로세스 공간으로부터 입자를 흡입하기 위한 흡입 장치를 가진다.
통상적으로, 레이저 머신 툴은 프로세스 챔버 도어에 의해 폐쇄될 수 있고 프로세스 공간을 둘러싸는 프로세스 챔버를 가진다. 흡입 장치에 의해 프로세스 챔버에 진공이 빌드 업될 수 있어서, 적어도 프로세스 챔버가 폐쇄될 때에는 환경 내로 어떠한 입자도 방출되지 않는다. 흡입 장치를 동작시킬 때, 한편으로, 입자의 가장 효율적인 흡입이 보증되도록 공기 흐름이 조정되어야 한다. 다른 한편으로, 프로세스 공간에 발생된 공기 흐름이 프로세스 자체를 방해하지 않아야 한다. 예를 들어, 너무 강한 공기 흐름은 분말 노즐을 통해 흐르는 캐리어 가스에 의해 발생된 재료 분말 흐름을 방해할 수 있어서, 충분한 양의 재료 분말 또는 재료 분말의 불균일한 분포가 레이저 빔의 초점에 도달하지 않는다. 재료 분말 흐름의 방해를 회피하기 위해, 흡입 장치는 통상적으로 흡입력을 조정하도록 수동으로 조정가능한 스로틀 밸브를 가진다. 머신의 설치 또는 유지보수 동안 스로틀 조정은 통상적으로 한번 수행된다.
그러나, 흡입력의 규정된 감소로 인해, 프로세스가 종료한 후에 프로세스 공간 바깥으로 입자를 흡입하기 위해 전체 흡입력이 더 이상 사용될 수 없다. 따라서, 프로세스 챔버 도어를 개방하기 전에, 환경 또는 머신 운영자의 입자로 인한 오염이 가능한 한 배제될 수 있도록 프로세스 챔버에서의 모든 공기가 적어도 한번 완전히 교환될 때까지 불필요하게 오래 대기해야 한다.
상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 흡입력이 조정 가능한 흡입 시스템을 머신에 제공하는 것이다.
본 과제는 청구범위 제1항의 일반 항에 따른 머신에 의해 해결된다. 본 발명에 따르면, 제 1 흡입 장치는 제 1 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단을 가지고 및/또는 제 2 흡입 장치는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단을 가진다.
본 과제는 집속된 레이저 빔에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고에 의해 워크피스를 가공 처리하기 위한 및/또는 성형체를 제조하기 위한 머신의 프로세스 챔버 도어에 의해 폐쇄될 수 있는 프로세스 챔버에서의 프로세스 공간으로부터 입자를 흡입기 위한 방법에 의해 추가로 해결된다. 제 1 방법 단계에서, 프로세스 챔버 도어는 머신이 기계 가공 프로세스를 시작하기 전에 잠긴다. 이것은 프로세스 챔버 도어가 기계 가공 프로세스 동안 개방될 수 없음을 보증한다. 추가 방법 단계에서, 제 1 흡입 장치는 머신이 기계 가공 프로세스를 실행하는 동안 감소된 전력에서 프로세스 공간 바깥으로 입자를 흡입하도록 동작된다. 전력의 스로틀링은 예를 들어, 사용된 재료 분말에 따라 또는 재료 분말 스트림(stream)에 따라 영향을 받는다. 이것은 흡입에 의해 발생된 공기 흐름이 재료 분말 흐름에 영향을 미치는 것을 방지한다. 추가적인 방법 단계에서, 프로세스 공간 바깥으로 입자를 흡입하기 위한 제 1 흡입 장치는 기계 가공 프로세스가 중단되거나 종료된 후에 규정된 시간 주기 동안 최대 전력에서 동작된다. 이것은 유용하게도 프로세스 챔버 도어가 개방될 수 있기 전에 모든 해로운 입자 또는 적어도 큰 비중의 해로운 입자가 프로세스 챔버로부터 흡입될 수 있게 허용한다. 시간 주기는 프로세스 공간에서의 모든 공기가 그 주기 내에서 적어도 한번 완전히 교환되도록 결정된다. 최종 방법 단계에서, 프로세스 챔버 도어는 특정된 시간 주기가 경과한 후에 잠금해제된다. 모든 입자가 프로세스 공간 밖으로 흡입되자마자, 프로세스 챔버 도어가 다시 개방될 수 있다. 더 이상은 머신의 운영자 또는 머신의 주변 공기가 해로운 입자로 오염될 위험이 존재하지 않는다.
용어 스로틀 전력은 최대 흡입력보다 더 낮은 흡입력을 지칭한다. 흡입을 위한 공기 흐름은 바람직하게는 일정한 전력에서 동작되는 팬(fan)에 의해 발생된다. 흡입 장치의 흡입력은 그 후에 바람직하게는 예를 들어, 스로틀 밸브에 의해 공기 흐름을 제한함으로써 스로틀링된다. 스로틀 밸브는 예를 들어, 블로어(blower)에 유동적으로 연결되는 흡입 장치의 폐기물 공기 덕트(waste air duct)에 배치될 수 있다.
개개로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있는 바람직한 구성 및 추가적인 개발은 종속 청구항의 과제이다.
바람직하게는, 제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단은 각각 액츄에이터를 가진다. 액츄에이터는 바람직하게는 머신 제어부에 의해 별개로 제어될 수 있다. 따라서, 제 1 흡입 장치의 흡입력 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력은 완전히 자동으로 조정될 수 있고 프로세스 시퀀스 내로 통합될 수 있다. 추가로, 흡입력은 머신의 상태에 따라 조정될 수 있다.
머신의 바람직한 구성에서, 제 1 폐기물 공기 덕트에 연결되는 공기 유입구 및 공기 유출구가 프로세스 공간에 배치된다. 공기 유입구 및 공기 유출구는 바람직하게는 공기 흐름이 집속된 레이저 빔의 초점 위로 발생되도록 배치된다. 발생된 공기 흐름이 레이저 빔의 초점 위로 통과한다면, 용접 가스가 레이저 빔의 초점에 또는 그 근처에 발생되기 때문에, 발생된 용접 가스가 매우 효율적으로 흡입될 수 있다. 더욱이, 용접 가스가 발생되는 곳에 공기 흐름이 통과한다면 제 1 흡입 장치는 더 낮은 흡입력으로 동작될 수 있다.
특히, 공기 유입구 및 공기 유출구는 공기 흐름이 수평 방향으로 발생되도록 배치된다. 그와 같은 배치는 레이저 가공 처리 헤드가 워크피스 상에 수직으로 집속된 레이저 빔을 방출하는 경우에 특히 유용하다. 수평 방향으로 발생되는 공기 흐름은 지나간 워크피스를 방해하지 않고 흐르게 할 수 있다.
제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단은 프로세스 챔버 도어의 개방 상태 및/또는 재료 분말 컨테이너의 도어의 개방 상태에 따라 제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 조정하도록 배치되는 것이 바람직하다. 프로세스 제어 챔버 도어가 개방될 때 또는 재료 분말 컨테이너의 도어가 개방될 때, 입자에 의한 환경의 오염을 방지하기 위해 더 높은 흡입력이 요구된다. 다시 말해, 프로세스 공간 또는 재료 분말 컨테이너에서의 진공을 유지하기 위해, 도어가 각 경우에 폐쇄될 때보다 더 높은 흡입력이 요구된다. 특히, 프로세스 챔버 도어는 머신의 기계 가공 프로세스가 완료되거나 중단될 때만 개방될 수 있다. 이것은 분말 흐름에 부정적으로 영향을 미칠 어떠한 위험도 없이, 프로세스 챔버 도어가 개방된 상태로 제 1 흡입 장치가 풀 전력에서 동작될 수 있음을 의미한다. 머신 제어부는 기계 가공 프로세스가 진행 중인 동안 프로세스 챔버 도어를 잠그도록 설정될 수 있다. 프로세스를 완료하거나 중단한 후에, 발생된 용접 가스의 흡입이 실행되는 동안, 프로세스 챔버 도어는 안전성 이유로 규정된 시간 주기 동안 잠금 상태로 남아있을 수 있다. 흡입력이 증가한다면, 이러한 규정된 주기는 단축될 수 있다.
제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단은 머신의 기계 가공 및/또는 제조 프로세스에 의존하여 제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 조정하도록 배치될 수 있다. 특히, 제 1 흡입 장치의 흡입력은 분말 노즐로부터 재료 분말 흐름 상의 영향을 회피하기 위해 기계 가공 및/또는 제조 프로세스 동안 스로틀링된다. 기계 가공 및/또는 제조 프로세스가 중단되거나 완료되면, 제 1 흡입 장치의 흡입력이 최대 값으로 설정될 수 있다.
제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 제어하기 위한 수단은 재료 분말의 재료 및/또는 재료 조성(material composition)에 따라 제 1 흡입 장치 및/또는 제 2 흡입 장치의 흡입력을 조정하도록 배치될 수 있다. 서로 다른 재료를 사용할 때, 함유된 오염물질의 조성, 오염 입자, 오염 또는 연기 농도 및 유독성에서 서로 다르게 형성될 수 있는 재료 조성에 따라 서로 다른 용접 가스가 제조될 수 있다. 이러한 예시적인 구성은 따라서 제조된 용접 가스에 따라 흡입력이 조정될 수 있는 장점을 가지며, 용접 가스에서의 비교적 더 높은 오염 농도 및/또는 함유된 오염물질의 더 높은 유독성을 가지는 재료에 대해 더 높은 흡입력이 조정될 수 있고 용접 가스에서의 비교적 더 낮은 오염 농도 및/또는 함유된 오염물질의 더 낮은 유독성을 가지는 재료에 대해 더 낮은 흡입력이 조정될 수 있다.
흡입 방법은 재료 분말 컨테이너에 대해 하우징(예를 들어, 재료 분말 캐비넷 또는 재료 분말 컨테이너 캐비넷) 바깥으로 입자를 흡입하기 위한 제 2 흡입 장치를 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 하우징 또는 재료 분말 캐비넷의 도어가 개방되거나 폐쇄되는지 여부에 따라 제 2 흡입 장치의 흡입력이 조정될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 재료 분말 컨테이너가 배치될 수 있는 재료 분말 캐비넷(또는 재료 분말 컨테이너 캐비넷)의 도어가 개방될 때, 제 2 흡입 장치는 풀 흡입력에서 동작될 수 있어서, 재료 분말 컨테이너로부터 환경으로의 재료 분말의 임의의 탈출이 방지되거나 또는 적어도 감소된다. 재료 분말 캐비넷의 도어가 폐쇄될 때, 재료 분말 캐비넷에서 충분히 높은 진공을 발생시키기 위해 풀 전력이 요구되지 않기 때문에, 제 2 흡입 장치가 감소된 흡입력으로 동작될 수 있다.
추가적인 바람직한 구성은 본 발명이 제한되지 않는 도면에 도시된 실시예에 기초하여 이하에 더 상세하게 설명된다.
도 1은 집속된 레이저 방사선에 의해 성형체 또는 워크피스를 제조하거나 기계 가공하기 위한 머신 툴의 구조이다.
도 2는 흡입 시스템을 가지는 레이저 머신 툴의 일 예의 투시도이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 레이저 머신 툴의 폐기물 공기 덕트 및 스로틀 밸브의 상세도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 머신 툴의 프로세스 공간의 투시도이다.
도 5는 흡입의 예시적인 타임 시퀀스이다.
도 6은 레이저 증착 용접의 동작 원리의 예시이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 다음 설명에서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 컴포넌트를 지시한다.
도 1은 레이저 방사선에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고에 의해 워크피스를 기계 가공하기 위한 및/또는 성형체를 제조하기 위한 머신(1)의 개략도를 도시한다. 머신(1)은 한편으로 워크피스 테이블(20) 및 다른 한편으로 분말 노즐(15)을 가지는 레이저 가공 처리 헤드(23)가 중간 조정 축(22)을 통해 간접으로 설치되는 머신 프레임(21)을 포함한다. 조정 축(22)은 각각 머신 제어부에 따라 조정될 수 있는 여러 병진 운동(X, Y, Z) 또는 회전(ψ, λ, θ) 축을 가질 수 있다. 그 구성은 예를 들어, 워크피스 테이블(20)이 1, 2 또는 3개의 회전 조정 축(22)을 통해 머신 프레임(21)에 부착되는 동안, 레이저 가공 처리 헤드(23)가 1, 2, 또는 3개의 병진 운동 조정 축(22)(X 및/또는 Y 및/또는 Z)을 통해 머신 프레임(21)에 고정되도록 이루어질 수 있다.
예를 들어, 머신(1)은 레이저 방사선에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고에 의해 성형체의 제조을 위한 5-축 레이저 머신 툴일 수 있다. 워크피스는 기계 가공을 위해 워크피스 테이블(20)에 탈착가능하게 부착될 수 있다. 대안적으로, 성형체는 재료 분말의 위치-선택적 경화에 의해 워크피스 테이블(20) 상에 켜켜이 빌드 업될 수 있다.
그와 같은 레이저 머신 툴(1)은 통상적으로 용접 가스 또는 다른 입자, 예를 들어 재료 분말에 의한 오염으로부터 머신(1)의 환경을 보호하기 위해 흡입 시스템에 의해 진공이 발생될 수 있는 폐쇄된 프로세스 챔버(10)를 가진다. 프로세스 챔버(10)는 프로세스 챔버 도어(11)를 통해 액세스가능한 프로세스 공간(12)을 둘러싼다. 프로세스 챔버 도어(11)는 기계 가공 프로세스에 따라 액튜에이팅될 수 있는 잠금 메커니즘(locking mechanism)을 포함할 수 있다. 이것은 진행중인 기계 가공 프로세스 동안 프로세스 챔버 도어(11)가 개방되는 것을 방지할 수 있다.
흡입 시스템은 공기 유출구(5a)를 통해 프로세스 공간(12)으로부터 공기를 흡입할 수 있다. 공기 유출구(5a)는 제 1 폐기물 공기 덕트(3a)를 통해 팬(2)에 유동적으로 연결된다. 공급 공기 덕트(3d)에 유동적으로 연결되는 공기 유입구(5b)를 통해, 신선한 공기가 프로세스 공간(12)에 공급될 수 있다. 프로세스 공간(12)에서의 공기 유입구(5b) 및 공기 유출구(5a)의 적합한 포지셔닝에 의해, 프로세스 챔버(12)에서의 공기 흐름(F)의 방향은 집속된 레이저 빔(L)이 분말 노즐(15)을 통해 워크피스에 공급되는 재료 분말(P)을 융합시키는 경우에, 공기 흐름(F)이 레이저 머신 툴(1)의 동작 포인트를 본질적으로 수평으로 통과하도록 조정될 수 있다. 레이저 증착 용접의 동작 원리는 도 6을 참조하여 이하에 상세하게 설명된다. 공기 흐름(F)은 도 1에서 점선으로 도시된다. 추가적인 점선 화살표는 공급 공기 덕트(3d)를 통한 공급 공기 흐름 및 제 1 폐기물 공기 덕트(3a)를 통한 배기가스 공기 흐름을 도시한다.
본 발명의 대안적인 구성에서, 공기 유입구(5b)가 또한 생략될 수 있다. 그 후에 프로세스 챔버(10)에서의 슬롯 및/또는 조인트(joint)를 통해 또는 프로세스 챔버(10)와 프로세스 챔버 도어(11) 사이에 환경으로부터의 신선한 공기가 공급될 수 있다. 그러나, 공기 유입구(5b)의 공급은 공기 흐름(F)의 방향이 더 정밀하게 규정될 수 있어서 본질적으로 라미나형(laminar) 수평 흐름이 머신(1)의 동작 포인트를 통해 발생될 수 있다는 장점을 가진다. 대안적인 구성에서, 하나 이상의 공기 유입구(5b) 및/또는 하나 이상의 공기 유출구(5a)가 제공될 수 있다. 추가로, 공기 흐름(F)은 또한 임의의 다른 흐름 방향, 예를 들어 수평 대신 수직 방향으로 발생될 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 방사선에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말의 위치-선택적 응고에 의해 성형체를 제조하기 위한 본 발명에 따른 5-축 레이저 머신 툴(1)의 투시도가 도 4에 도시된다. 도시된 실시예는 본질적으로 도 1에 개략적으로 도시된 머신(1)에 대응한다. 그러나, 도 4는 조정 축(22)에 고정된 레이저 가공 처리 헤드(23)를 도시하지 않는다.
워크피스 테이블(20)은 프로세스 챔버 도어(11)에 의해 폐쇄될 수 있고 프로세스 공간(12)을 둘러싸는 프로세스 챔버(10)(프로세스 캐빈)에 배치된다. 프로세스 챔버(10) 밖에 위치된 제어 유닛(13)은 운영자와 머신 제어부 사이의 인터페이스로서 기능한다. 예를 들어, 측정 값 및/또는 경고 메시지 및/또는 제어 애플리케이션은 제어 유닛(13)의 디스플레이 상에 도시될 수 있다. 프로세스 공간(12)에서, 공기 유출구(5a)는 왼쪽에 배치된다. 점선 화살표는 흡입 시스템에 의해 발생된 공기 흐름(F)을 예시한다. 공기 유입구(5b)는 도 4에 도시되지 않는데 그 이유는 공기 유입구(5b)가 프로세스 챔버 도어(11)에 의해 커버되기 때문이다.
도 2는 본 발명의 5-축 레이저 머신 툴(1)의 후면 투시도를 도시한다. 도 2는 도 4에 도시되지 않는 흡입 시스템의 추가적인 상세를 예시한다. 머신(1)은 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)에서의 하나 또는 그 이상의 재료 분말 컨테이너에 재료 분말을 저장하기 위한 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)을 포함한다. 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)은 운영자가 도시되지 않은 재료 분말 컨테이너를 재료 분말로 채울 수 있는 도어(도시되지 않음)를 가진다. 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)으로부터, 라인은 재료 분말을 분말 노즐(15)로 유도한다. 캐리어 가스, 예를 들어 아르곤은 재료 분말을 운송하기 위해 사용된다.
흡입 시스템은 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬(2), 프로세스 공간(12) 밖으로 입자를 흡입하기 위한 제 1 흡입 장치 및 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 밖으로 입자를 흡입하기 위한 제 2 흡입 장치를 포함한다. 제 1 흡입 장치는 제 1 폐기물 공기 덕트(3a)를 포함하고, 제 1 폐기물 공기 덕트(3a)를 통해 프로세스 공간(12)에 위치된 공기 유출구(5a)가 팬(2)에 연결된다. 제 2 흡입 장치는 제 2 폐기물 공기 덕트(3b)를 포함하고, 제 2 폐기물 공기 덕트(3b)를 통해 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)에 배치된 공기 유출구(도시되지 않음)가 팬(2)과 유동적으로 연결된다. 제 1 폐기물 공기 덕트(3a) 및 제 2 폐기물 공기 덕트(3b)는 팬(2)에 유동적으로 연결되는 제 3 폐기물 공기 덕트(3c)에 T-피스(T-piece)를 통해 연결된다.
제 1 흡입 장치 및 제 2 흡입 장치는 각각 흡입력을 조정하기 위한 수단(4a, 4b)을 가진다. 도 3에서의 상세도는 제 1 폐기물 공기 덕트(3a) 및 제 2 폐기물 공기 덕트(3b)를 제 3 폐기물 공기 덕트(3c)와 연결하는 T-피스를 도시한다. 도 3은 제 1 폐기물 공기 덕트(3a) 및 제 2 폐기물 공기 덕트(3b) 각각에서의 스로틀 밸브(4a 및 4b)로서 흡입력을 조정하기 위한 수단을 도시한다. 스로틀 밸브(4a, 4b)는 액튜에이터(6a, 6b)를 통해 제어될 수 있다. 특히, 액튜에이터(6a, 6b)는 머신 제어부에 의해 제어된다. 스로틀 밸브의 개방 정도를 조정함으로써, 제 1 및/또는 제 2 흡입 장치를 통한 공기 흐름이 조정될 수 있다. 특히, 제 1 및/또는 제 2 흡입 장치를 통한 공기 흐름은 프로세스의 기능 및/또는 프로세서 챔버 도어(11) 및/또는 재료 분말 컨테이너(7)의 도어 상태의 기능으로서 조정될 수 있다. 스로틀 밸브(4a, 4b)가 액튜에이터(6a, 6b)에 의해 제어된다는 사실로 인해, 흡입력의 조정은 머신 제어부에 의해 완전히 자동으로 제어되는 프로세스 시퀀스 내로 통합될 수 있다.
팬(2)은 공기 흐름으로부터 추출된 입자를 필터링하기 위해 하나 또는 그 이상의 필터를 가질 수 있다. 예를 들어, 팬은 탈진(dedusting) 기능을 가지는 카테고리 C 필터를 가질 수 있다. 공기로부터 필터링된 입자는 별개의 컨테이너에 수집될 수 있고 폐기(displosal)를 위해 제거된다. 필터링된 공기 흐름은 외부 폐기물 공기 덕트를 통해 통과될 수 있거나 머신(1)의 환경으로 향해진다. 특히, 필터링된 공기 흐름이 머신(1)의 환경으로 향해지면, 공기에는 가능한 한 건강에 해로운 입자가 없는 것이 보증되어야 한다. 이러한 목적으로, 팬은 매달린 입자를 위한 하나 또는 그 이상의 필터, 특히 HEPA 필터, 예를 들어 카테고리 H13 및/또는 H14를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 것과 달리, 떨어져 위치된 팬(2)이 또한 폐기물 공기 흐름을 발생시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 팬(2)은 머신(1)이 설치되는 빌딩 밖에 위치될 수 있다. 따라서, 폐기물 공기는 바깥으로 직접 방출될 수 있어서 폐기물 공기가 실내 공기 내로 방출되는 경우보다 폐기물 공기의 필터링에 관한 요구가 더 낮아질 수 있다.
흡입을 위한 예시적인 타임 시퀀스가 이제 도 5에 의해 설명된다. 도 5에서의 최상부 라인은 프로세스가 "온(on)" 또는 "오프(off)" 상태에 있는지 여부, 즉 레이저 증착 용접 프로세스가 현재 실행되는지 아닌지 여부를 표시한다. 제 2 라인은 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)에 대한 도어의 상태, 즉 도어가 현재 개방인지 폐쇄인지 여부를 도시한다. 제 3 라인은 풀 전력에서, 스로틀 전력에서 또는 전력이 없을 때 프로세스 공간(12)의 흡입이 동작 중인지 여부를 표시한다. 바닥 라인은 풀 전력, 감소된 전력 또는 전력이 없을 때 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)의 흡입이 동작 중인지 여부를 표시한다. 프로세스 챔버 도어(11)의 상태는 도 5에 도시되지 않는다. 도 5의 하부 에지에서, 시간(T1 내지 T5)에서의 5개 포인트가 도시되고, 이하에 설명되는 시간 축이 도시된다.
시간(T1)에서, 레이저 증착 용접 프로세스는 머신(1)에서 시작한다. 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)에 대한 도어 및 프로세스 챔버 도어(11)가 폐쇄된다. 시간(T1)에서의 프로세스의 시작과 함께, 프로세스 공간(12)의 흡입 및 재료 컨테이너 캐비넷(7)의 흡입이 각각 시작된다. 프로세스 공간(12)의 흡입 및 재료 분말 컨테이너(7)의 흡입 둘 다가 스로틀 전력에서 동작된다. 프로세스 공간(12)의 흡입력이 스로틀링되어 프로세스는 분말 노즐(15)로부터 재료 분말의 비의도적 흡입에 의해 프로세스가 방해되지 않는다. 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)의 흡입 시스템의 전력은 도어가 폐쇄될 때 스로틀링 전력에서 동작될 수 있는데, 그 이유는 재료 분말이 머신(1)의 환경 내로 탈출하는 것을 방지하는데 충분한 진공이 유지될 것만을 요구하기 때문이다.
시간(T2)에서, 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)에 대한 도어는 재료 분말을 리필(refill)하기 위해 머신(1)의 운영자에 의해 개방된다. 심지어 도어가 개방될 때에도 가능한 한 환경 내로 재료 분말이 탈출하는 것을 방지하기 위해, 재료 분말 컨테이너(7) 밖으로의 흡입력이 이제 최대 전력으로 증가한다. 운영자가 재료 분말 컨테이너(7)를 리필한 후에, 운영자는 시간(T3)에서 다시 도어를 폐쇄한다. 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 밖으로의 흡입은 이제 스로틀 전력에서 계속될 수 있다.
시간(T4)에서, 레이저 증착 용접 프로세스는 머신(1)에서 완료된다. 이러한 시간(T4)에서, 프로세스 공간(12) 밖으로의 흡입력은 용접 가스 및 다른 입자로부터 가능한 한 완벽하게 프로세스 공간(12)을 클리닝(clean)하기 위해 최대 값으로 증가된다. 이것은 프로세스 챔버 도어(11)가 개방될 때 유해한 입자가 환경 내로 탈출하는 것을 방지한다. 프로세스 공간(12) 및 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 밖으로의 흡입이 스위치 오프될 때, 시간(T4)까지 규정된 기간(ΔT) 동안 최대 전력에서의 흡입이 실행된다. 규정된 시간 주기(ΔT)는 규정된 시간 주기(ΔT)의 종료시에 가능한 많은 유해한 입자가 프로세스 공간(12) 밖으로 흡입되도록 선택된다. 프로세스 챔버 도어(11)는 많은 부분이 또는, 가능하다면, 모든 유해한 입자가 프로세스 공간(12) 밖으로 흡입되었음이 보증되었을 때 머신(1)의 운영자가 프로세스 챔버 도어(11)만을 개방할 수 있도록 시간(T5)까지 잠금될 수 있다.
상술한 방법은 예를 들어, 제어 유닛(13)을 통해 바람직하게 동작될 수 있는 머신(1)의 머신 제어부에 의해 제어될 수 있다. 도시된 시퀀스에 대한 대안으로서, 흡입이 또한 시간(T5) 후에 계속될 수 있다. 그러나, 잡음을 감소시키고 에너지를 절감하기 위해, 규정된 주기(ΔT) 후에 완전히 흡입을 스로틀 다운하거나 완전히 스위치 오프하는 것이 유용하다.
레이저 증착 용접의 동작 원리는 도 6에 의해 예시된다. 도 6은 기계 가공되는 워크피스(W) 근처의 분말 노즐(15)을 도시한다. 레이저 가공 처리 헤드로부터 기인하는 집속된 레이저 빔(L)은 분말 노즐(15)에 동축으로 진행하고 워크피스(W) 상에 또는 바로 위의 동작 포인트에 집속된다. 재료 분말(P)은 워크피스(W) 상의 레이저 빔(L)의 초점에 분말 노즐(15)을 통해 레이저 빔(L)에 동축으로 가이드된다. 아르곤과 같은 보호 또는 캐리어 가스(G)는 분말 노즐(15)을 통해 흐르고 재료 분말(P)을 운송한다. 보호 가스(G)는 또한 대기중 산소와 가열된 재료 분말(P) 또는 워크피스(W)의 원하지 않는 반응을 방지하도록 기능한다. 용접 프로세스 동안, 용접 가스(S)가 발생될 수 있다. 상기 용접 가스는 상술한 흡입 시스템에 의해 머신(1)의 동작 공간(12)으로부터 제거될 것이다. 이러한 목적으로, 흡입 시스템은 바람직하게는 수평의 라미나형 흐름으로서 워크피스(W)를 통과하는 점선 화살표에 의해 예시된 공기 흐름(F)을 발생시켜, 용접 가스(S)를 그 공기 흐름(F)과 함께 운반한다. 공기 흐름(F)이 캐리어 가스(G)를 가지는 재료 분말(P)의 흐름을 방해하지 않도록 공기 흐름(F)의 강도가 조정되어야 한다. 공기 흐름(F)이 너무 강하게 설정되면, 프로세스를 방해하는 재료 분말(P)은 분말 노즐(15)에 의해 흡입 아웃될 수 있다.
프로세스 공간 밖으로의 최대 흡입력의 전형적인 값은 대략 시간당 1000 m3이다. 스로틀 동작에서, 대략 시간당 200 내지 600 m3가 흡입 아웃된다. 비교해보면, 레이저 용접 프로세스 동안, 재료 분말을 가지는 캐리어 가스, 예를 들어 아르곤의 분당 약 3 내지 6 리터의 흐름이 전형적으로 분말 노즐(15)을 통해 흐른다. 2개의 값을 비교할 때, 분말 흐름(재료 분말을 가지는 캐리어 가스)의 흐름 속도가 통상적으로 공기 흐름(F)의 흐름 속도보다 적어도 하나의 더 큰 자릿수이도록 폐기물 공기 흐름(F)은 훨씬 더 큰 직경을 가지는 것이 주목되어야 한다.
상기 설명에 개시된 피처, 청구범위 및 도면은 개개로 또는 임의의 조합인 다양한 구성으로 본 발명의 실현에 관련될 수 있다.
참조 부호의 목록
1: 레이저 머신 툴
2: 팬
3a: 제 1 폐기물 공기 덕트
3b: 제 2 폐기물 공기 덕트
3c: 제 3 폐기물 공기 덕트
3d: 공급 공기 덕트
4a: 제 1 스로틀 밸브
4b: 제 2 스로틀 밸브
5a: 공기 유출구
5b: 공기 유입구
6a: 제 1 액튜에이터
6: 제 2 액튜에이터
7: 재료 분말 컨테이너 캐비넷
10: 프로세스 챔버
11: 프로세스 챔버 도어
12: 프로세스 공간
13: 제어 유닛
15: 분말 노즐
20: 워크피스 테이블
21: 머신 프레임
22: 조정 축
23: 레이저 가공 처리 헤드
L: 레이저 빔
W: 워크피스
P: 워크피스 분말
G: 보호 및/또는 캐리어 가스
S: 용접 가스

Claims (9)

  1. 집속된 레이저 빔(L)에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말(P)의 위치-선택적 응고(solidification)에 의해 워크피스를 기계 가공하거나 성형체를 제조하기 위한 머신(1)에 있어서,
    프로세스 챔버 도어(11)에 의해 폐쇄될 수 있고 프로세스 공간(12)을 둘러싸는 프로세스 챔버(10);
    재료 분말(P)을 저장하기 위해 도어에 의해 폐쇄될 수 있는 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7); 및
    흡입 시스템을 포함하고,
    상기 흡입 시스템은:
    공기 흐름을 발생시키기 위한 팬(2);
    상기 프로세스 공간(12) 밖으로 입자를 흡입하기 위한, 제 1 폐기물 공기 덕트(waste air duct)(3a)를 통해 상기 팬(2)에 유동적으로 연결되는 제 1 흡입 장치; 및
    상기 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 밖으로 입자를 흡입하기 위한, 제 2 폐기물 공기 덕트(3b)를 통해 상기 팬(2)에 유동적으로 연결되는 제 2 흡입 장치를 포함하고,
    상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 중 하나 또는 모두는 이의 흡입력을 제어하기 위한 수단(4a, 4b)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 머신.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 중 하나 또는 모두의 상기 흡입력을 제어하기 위한 수단(4a, 4b)은 각각 액튜에이터를 포함하는, 머신.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제 1 폐기물 공기 덕트(3a)에 유동적으로 연결되는 공기 유입구(5b) 및 공기 유출구(5a)는 상기 프로세스 공간(12)에 배치되어, 공기 흐름(F)이 상기 집속된 레이저 빔(L)의 초점 위에 발생되는, 머신.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기 유입구(5b) 및 상기 공기 유출구(5a)는 상기 공기 흐름(F)이 수평 방향으로 발생되도록 배치되는, 머신.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 중 하나 또는 모두의 상기 흡입력을 제어하기 위한 수단(4a, 4b)은 상기 프로세스 챔버 도어(11)의 개방 상태 및 상기 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)의 도어의 개방 상태 중 하나 또는 모두에 따라 상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 각각의 상기 흡입력을 조정하도록 배치되는, 머신.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 중 하나 또는 모두의 상기 흡입력을 제어하기 위한 수단(4a, 4b)은 상기 머신(1)의 기계 가공 또는 제조 프로세스에 따라 상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 각각의 상기 흡입력을 조정하도록 배치되는, 머신.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 중 하나 또는 모두의 상기 흡입력을 제어하기 위한 수단(4a, 4b)은 상기 재료 또는 사용된 재료 분말(P)의 재료 조성에 따라 상기 제 1 흡입 장치 및 상기 제 2 흡입 장치 각각의 상기 흡입력을 조정하도록 배치되는, 머신.
  8. 집속된 레이저 빔(L)에 의한 연결된 영역을 형성하기 위해 재료 분말(P)의 위치-선택적 응고(solidification)에 의해 워크피스를 기계 가공하거나 성형체를 제조하기 위한 머신(1)의 프로세스 챔버(10)에서 프로세스 공간(12) 밖으로 입자를 흡입하기 위한 방법에 있어서,
    상기 머신(1)이 기계 가공 프로세스를 시작하기 전에 상기 프로세스 챔버 도어(11)의 잠금(locking) 단계;
    상기 머신(1)이 상기 기계 가공 프로세스를 실행하는 동안 스로틀 전력(throttled power)에서 상기 프로세스 공간 밖으로 입자를 흡입하기 위한 제 1 흡입 장치의 동작 단계;
    기계 가공 프로세스가 중단되거나 종료된 후에 규정된 시간 주기(ΔT) 동안 최대 전력에서 상기 프로세스 공간(12) 밖으로 입자를 흡입하기 위해 상기 제 1 흡입 장치를 동작시키는 단계; 및
    상기 규정된 시간 주기(ΔT)가 경과한 후에 상기 프로세스 챔버 도어(11)를 잠금해제(unlocking)하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    재료 분말 컨테이너 캐비넷(7) 밖으로 입자를 흡입하기 위한 제 2 흡입 장치를 동작시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 2 흡입 장치의 흡입력은 상기 재료 분말 컨테이너 캐비넷(7)의 도어가 개방되거나 폐쇄되는지 여부에 따라 조정되는, 방법.
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