KR102530974B1 - 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치 및, 이를 이용한 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 방법 - Google Patents
분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치 및, 이를 이용한 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시 예는 분말베드에서 발생하는 흄이 흡기되지 못하고 설계된 유동층 높이 이상으로 상승하는 비정상 흄의 발생을 실시간으로 감지하고, 이와 같은 비정상 흄의 농도를 측정하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치는, 분말의 도포로 형성되는 분말층에 선택적으로 레이저빔이 조사되어 형성되는 조형레이어가 적층되어 형성되는 3차원의 조형물을 지지하는 파우더베드플레이트; 분말층 표면을 향해 레이저빔을 조사하는 레이저부; 조형물의 상부를 통과하는 광인 조명광을 조사하는 조명부; 조명부의 위치에 대응되는 위치에 형성되고, 조명광을 중간 차단하는 빔덤프; 파우더베드플레이트에 인접하게 형성되고, 분말층에 대한 레이저빔의 조사로 발생하는 흄(fume)을 흡입하여 제거하는 흡기부; 및 레이저부를 향해 유동하는 흄인 비정상흄이 조명광 통과 시 발생하는 산란광을 수집하는 수광부;를 포함한다.
Description
본 발명은 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치 이를 이용한 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 분말베드에서 발생하는 흄이 흡기되지 못하고 설계된 유동층 높이 이상으로 상승하는 비정상 흄의 발생을 실시간으로 감지하고, 이와 같은 비정상 흄의 농도를 측정하는 기술에 관한 것이다.
분말베드융해(Powder bed fusion, PBF) 공정은 얇게 도포된 분말 베드에 입사되는 레이저 빔을 고속 스캐닝 함으로써 선택적으로 분말들을 융착시키는 작업을 층층이 반복하여 원하는 3차원 형상을 제작하는 적층제조공정 중 하나이다.
PBF 공정에서는 금속 분말에 고출력 레이저 빔을 집광하여 순간적으로 용융점 이상의 높은 온도로 가열하기 때문에 흄(Fume)이 발생하게 되는데, 이 흄이 공정 도중 챔버 내의 공기 중에 부유할 경우 레이저 빔 경로를 가려 조형면에 에너지가 완전하게 도달하지 못하게 함으로써 불량을 유발하며, 조형면이나 광학계 표면 등에 점착되기도 해서 적층공정 장비의 품질을 저하시키기도 한다.
이 때문에 대다수 PBF 장비에서는 흡기 장치를 사용하여 조형면 표면에 공기 유동을 만들어 냄으로써 공정 중 발생된 흄이 즉각적으로 흡기부로 빨려 들어가도록 장치를 설계한다.
하지만, 분말 소재 종류에 따라 흄이 과도하게 발생하거나 흡기장치에 이상이 생기면 공정 중 발생한 흄이 조형면 표면 위 공기 유동에 의해 완전히 제거되지 못하여 앞서 언급한 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 흄 제거 여부는 공정 도중 지속적으로 모니터링 함으로써 불량을 미연에 방지해야만 한다.
현재의 기술 수준에서는 작업자가 흄 제거 유동의 안정성을 육안으로 관찰하여 이상 여부를 판단하는 것이 보편적이다. 직접적으로 흄 발생 영역을 카메라 등으로 이미지화 하여 비정상 여부를 판단하는 것은 비정상 흄 발생 패턴이 일관적이지 않고 주변 환경 조건 등에 따라 이미지가 상이하기 때문에 자동으로 분류하는 이미지 처리 알고리즘 개발이 매우 어렵다.
최근에는 챔버 내부 흄 누적여부를 판단하기 위해 챔버 내부에 설치된 산소 농도 센서 검출값이나 흡기장치에 설치된 압력센서 검출값의 이상 여부를 통해 간접적인 모니터링 기술이 적용되고 있으나, 이 방법들의 경우 반응속도가 느려 즉각적인 검출이 어려우며, 직접적인 측정이 아니기 때문에 다른 장비 고장에 영향을 받을 수 있다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0717553호(발명의 명칭: 입자 모니터링 장치 및 진공 처리 장치)에서는, 소정의 강도를 가지는 광을 방출하도록 구성되는 광원, 상기 광원으로부터 방출된 광을 밴드형 광속 (light flux) 으로 변환하고 소정의 가스 스트림이 상기 밴드형 광속을 통과할 수 있도록 상기 광속을 상기 소정의 가스 스트림의 유로 (flow passage) 상으로 도광하도록 구성되는 투사 광학 시스템, 광 강도를 검출하도록 구성되는 광 검출기, 상기 가스 스트림에 포함되며 상기 광속을 통과하는 입자에 의해 산란된 광을 상기 광 검출기로 도광하도록 구성되는 검출 광학 시스템, 및 상기 광 검출기에 의해 검출된 산란광의 강도에 기초하여 상기 광속을 통과하는 입자의 크기를 결정하고, 소정의 주기동안 상기 광속을 통과하는 입자의 수를 카운팅하도록 구성되는 입자 검출기를 구비하며, 상기 밴드형 광속의 광 강도는 수평 방향에서 균일한 분포를 가지도록 설정되는, 입자 모니터링 장치가 개시되어 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 분말베드에서 발생하는 흄이 흡기되지 못하고 설계된 유동층 높이 이상으로 상승하는 비정상흄의 발생을 실시간으로 감지하고, 이와 같은 비정상 흄의 농도를 측정하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 분말의 도포로 형성되는 분말층에 선택적으로 레이저빔이 조사되어 형성되는 조형레이어가 적층되어 형성되는 3차원의 조형물을 지지하는 파우더베드플레이트; 상기 분말층 표면을 향해 상기 레이저빔을 조사하는 레이저부; 상기 조형물의 상부를 통과하는 광인 조명광을 조사하는 조명부; 상기 조명부의 위치에 대응되는 위치에 형성되고, 상기 조명광을 중간 차단하는 빔덤프; 상기 파우더베드플레이트에 인접하게 형성되고, 상기 분말층에 대한 상기 레이저빔의 조사로 발생하는 흄(fume)을 흡입하여 제거하는 흡기부; 및 상기 레이저부를 향해 유동하는 흄인 비정상흄이 상기 조명광 통과 시 발생하는 산란광을 수집하는 수광부;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조명부는, 상기 흡기부로 흡입되는 흄인 정상흄의 유동 영역의 상부에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조명부는, 상기 조명광을 생성하는 광원; 및 상기 광원에서 생성된 상기 조명광의 조사 방향을 가변시키는 광조절기를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 광원은, 레이저 또는 LED일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 수광부는, 카메라 또는 포토다이오드를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 수광부는, 잡광의 수광을 방지하기 위한 경통 또는 배플을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 수광부는, 상기 산란광 파장 대역의 광을 수집하기 위한 광학필터를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 수광부로부터 전달 받은 이미지를 분석하여 상기 비정상흄에 유동 감지 및 농도 측정을 수행하는 분석부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 분석부는, 상기 이미지에서 상기 산란광의 밀도를 측정하여 상기 비정상흄의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 레이저부로 제어신호를 전달하여 상기 레이저빔의 작동을 제어하고, 상기 흡기부로 제어신호를 전달하여 상기 흡기부의 흡기력을 제어하며, 상기 분석부로부터 산란광의 밀도 정보를 전달받는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 레이저부로부터 상기 분말층으로 상기 레이저빔이 조사되어 상기 조형레이어가 형성되면서 흄이 발생하는 제1단계; 상기 조명부가 상기 레이저빔 또는 상기 레이저빔의 주위를 향해 상기 조명광을 조사하는 제2단계; 상기 수광부에 의해 상기 조명광과 상기 비정상흄의 충돌에 의한 상기 산란광이 수집되어 이미지가 생성되는 제3단계; 상기 분석부로 상기 이미지가 전달되고, 상기 분석부가 이미지를 분석하여 상기 산란광의 밀도를 연산하고, 상기 산란광의 밀도가 임계 값을 초과하는지 여부를 판단하는 제4단계; 및 상기 분석부로부터 상기 제어부로 상기 산란광의 밀도 정보가 전달되고, 상기 제어부가 상기 레이저부 또는 상기 흡기부를 제어하는 제5단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 비정상 흄의 발생을 자동으로 측정하고, 비정상 흄의 발생에 따라 장치를 제어하여 비정삼 흄을 감소시킴으로써, 레이저빔을 이용한 3D 프린팅의 품질 및 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수광부에서 수집된 산란광에 대한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학필터를 구비한 수광부에서 수집된 산란광에 대한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수광부에서 수집된 산란광에 대한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학필터를 구비한 수광부에서 수집된 산란광에 대한 이미지이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정 장치의 개략도이다. 여기서, 도 1은 본 발명의 측정 장치에 대한 사시도 방향 개략도이고, 도 2는 본 발명의 측정 장치에 대한 측면도 방향 개략도이며, 도 3은 본 발명의 측정 장치에 대한 평면도 방향 개략도이다. 도 2에서 조형물은 생략되어 있다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 측정 장치는, 분말의 도포로 형성되는 분말층에 선택적으로 레이저빔(410)이 조사되어 형성되는 조형레이어가 적층되어 형성되는 3차원의 조형물을 지지하는 파우더베드플레이트(430); 분말층 표면을 향해 레이저빔(410)을 조사하는 레이저부; 조형물의 상부를 통과하는 광인 조명광(111)을 조사하는 조명부; 조명부의 위치에 대응되는 위치에 형성되고, 조명광(111)을 중간 차단하는 빔덤프(300); 파우더베드플레이트(430)에 인접하게 형성되고, 분말층에 대한 레이저빔(410)의 조사로 발생하는 흄(fume)을 흡입하여 제거하는 흡기부(420); 및 레이저부를 향해 유동하는 흄인 비정상흄(10)이 조명광(111) 통과 시 발생하는 산란광을 수집하는 수광부(200);를 포함한다.
본 발명의 측정 장치는, 분말베드융해(Powder bed fusion, PBF) 공정을 이용한 3D 프린팅이 수행되는 내부 공간을 구비하는 챔버를 포함할 수 있으며, 상기와 같이 본 발명의 측정 장치를 구성하는 파우더베드플레이트(430), 레이저부, 조명부, 빔덤프(300), 흡기부(420) 및 수광부(200)는 챔버의 내부 공간에 설치될 수 있다.
구체적으로, 챔버의 중심을 기준으로 하여, 파우더베드플레이트(430)는 챔버의 하부 벽체와 인접한 위치에 형성될 수 있고, 레이저부는 챔버의 상부 벽체와 인접한 위치에 형성될 수 있다. 여기서, 파우더베드플레이트(430)로 분말을 공급하는 파우더공급부 등이 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 챔버의 중심을 기준으로 하여, 조명부는 챔버의 일 측부 벽체와 인접한 위치에 형성될 수 있고, 빔덤프(Beam dump)(300)는 챔버의 일 측부 벽체에 대응되는 위치에 형성된 타 측부 벽체와 인접한 위치에 형성될 수 있다.
그리고, 흡기부(fume extractor) (420)는 조명부와 파우더베드플레이트(430)의 일 부위 사이의 공간에 형성될 수 있고, 수광부(200)는 조명부가 설치된 챔버의 일 측부 벽체의 좌측 또는 우측 벽체에 형성될 수 있다. 여기서, 수광부(200)와 조명부 및 빔덤프(300)는 하나의 평면 상에 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
조명광(111)의 경로는 조명부로부터 빔덤프(300)로 형성되고, 비정상흄(10)은 조명광(111)의 경로를 통과하게 되며, 조명광(111)의 경로의 측부에 위치한 수광부(200)가 비정상흄(10)에 대한 조명광(111) 통과에 의하여 발생하는 산란광을 수집할 수 있다.
또한, 챔버의 바닥면을 기준으로 하여, 조명부에서 조사되는 조명광(111)의 경로는, 흡기부(420)로 흡기되는 정상흄(20)의 유동 높이보다 높은 위치에서 높은 광밀도로 조사될 수 있다. 이에 따라, 조명광(111)이 정상흄(20)을 통과하지 않으며, 조명광(111)과 정상흄(20)의 충돌에 의한 산란광도 형성되지 않을 수 있다.
조명부는, 흡기부(420)로 흡입되는 흄인 정상흄(20)의 유동 영역의 상부에 위치할 수 있다. 그리고, 조명부는, 조명광(111)을 생성하는 광원(110); 및 광원(110)에서 생성된 조명광(111)의 조사 방향을 가변시키는 광조절기(120)를 구비할 수 있다.
여기서, 광원(110)은, 레이저 또는 LED일 수 있다. 본 발명에서는 광원(110)이 상기와 같이 형성될 수 있다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 직선형의 광로를 형성할 수 있는 조명광(111)을 조사할 수 있는 광원(110)은 모두 이용될 수 있다.
광조절기(120)는, 빔정형(Beam-shaping) 장비 또는 전달(delivery) 광학계를 포함할 수 있으며, 빔정형(Beam-shaping) 장비는 렌즈 또는 미러를 이용하여 조명광(111)의 형상이 원형 또는 선형 등이 되도록 조명광(111)의 형상을 변화시킬 수 있고, 전달(delivery) 광학계는 렌즈 또는 미러를 이용하여 조명광(111)의 조사 각도, 광조절기(120)에서 조명광이 발사되는 위치 등을 변화시킬 수 있다.
상기와 같은 광조절기(120)의 제어에 의하여 조명광(111)의 경로는 변화될 수 있으며, 이와 같이 가변되는 조명광(111)의 경로를 따라가면서 조명광(111)을 중간 차단하기 위하여 빔덤프(300)도 챔버의 내부 공간에서 3차원 이동할 수 있다. 빔덤프(300)는 레이저 또는 LED로부터 발사된 조명광(111)을 흡수함으로써 조명광(111)을 차단할 수 있다.
수광부(200)는, 카메라 또는 포토다이오드를 구비할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 수광부(200)의 촬상 장비로 카메라 또는 포토다이오드를 개시하고 있으나, 촬상 장비가 이에 한정되는 것은 아니고, 이미지를 수집하거나 광을 측정할 수 있는 모든 장비가 이용될 수 있다.
그리고, 수광부(200)는, 산란광 파장 대역의 광을 수집하기 위한 광학필터를 구비할 수 있다. 이와 같이, 광학필터가 형성됨으로써 산란광만 광학필터를 통과하게 되고, 상기와 같은 카메라 또는 포토다이오드에는 산란광만 수집될 수 있다. 그리고, 산란광만 수집되어 형성된 이미지가 획득되고, 이와 같은 이미지가 분석부로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수광부(200)에서 수집된 산란광에 대한 이미지이다. 도 4에서는, 수광부(200)에 카메라가 구비된 경우일 수 있다.
여기서, 도 4의 (a)는, 광학필터가 설치되지 않은 경우 수광부(200)에 의해 수집된 산란광의 이미지이고, 도 4의 (b)는, 광학필터가 설치된 경우 수광부(200)에 의해 수집된 산란광의 이미지이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 이미지에서 산란광은 점의 형상으로 표시될 수 있으며, 도 4의 (a)와 도 4의 (b)의 비교에서 보는 바와 같이, 광학필터를 이용하는 경우, 이미지에서 산란광의 선명도를 향상시킬 수 있다.
수광부(200)는, 잡광의 수광을 방지하기 위한 경통(210) 또는 배플을 구비할 수 있다. 여기서, 잡광이란, 수광부(200)가 산란광을 수집하고자 하는 위치가 아닌 다른 위치에서 생성된 광일 수 있으며, 조명광(111)에 의한 반사광 등과 같이 산란광 외 챔버 내에서 생성된 광일 수 있다.
경통(210) 또는 배플은, 산란광이 입사되는 수광부(200)의 일 부위에 인접한 공간에 형성되어, 산란광이 입사되는 수광부(200)의 일 부위로 향하는 잡광의 경로를 차단할 수 있다. 이에 따라, 수광부(200)에서의 산란광 수집 효율이 증대되어 비정상흄(10)에 대한 측정 효율이 증대될 수 있다. 그리고, 광학필터도 파장 밴드패스 광학필터로 형성됨으로써, 잡광을 차단시킬 수 있다.
조명광(111)의 파장이 조형레이어의 적층 공정에 이용되는 레이저빔(410)의 파장과는 대비되도록 조명광(111)을 선정하며, 상기와 같은 광학필터, 경통(210) 또는 배플 등을 이용하여 잡광 등을 차단시킴으로써, 산란광의 검출 민감도를 향상시킬 있다.
빔덤프(300)는, 빔덤프(300)로 입사되는 광(조명광(111) 등)을 흡수하거나 해당 광의 경로를 트는 방식으로 작용하여 외부로 광이 반사되지 않도록 하는 구성으로써, 상기와 같이 조명광(111)의 이동에 대응하여 이동할 수 있다.
이를 위해, 챔버 내부에는 빔덤프(300)와 결합하여 빔덤프(300)를 이동시키는 구동부가 형성될 수 있다. 또한, 구동부는 조명부와도 결합할 수 있으며, 구동부에 의해 조명부의 위치가 제어될 수도 있다. 이에 따라, 대형으로 형성되는 챔버 내부에서도 조명광(111)이 레이저빔(410)을 좇아 가면서 레이저빔(410) 주위에 존재하는 비정상흄(10)에 대한 광 조사를 수행할 수 있다.
이와 같은 구동부의 제어는 하기의 제어부에 의해 수행될 수 있으며, 사전에 제어부에 저장된 프로그램에 의해, 레이저빔(420)의 위치를 따라 조명광(111)의 조사 위치 또는 경로가 가변될 수 있다.
본 발명의 측정 장치는, 수광부(200)로부터 전달 받은 이미지를 분석하여 비정상흄(10)에 유동 감지 및 농도 측정을 수행하는 분석부를 더 포함할 수 있다. 그리고, 분석부는, 이미지에서 산란광의 밀도를 측정하여 비정상흄(10)의 농도를 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학필터를 구비한 수광부(200)에서 수집된 산란광에 대한 이미지이다. 도 5에서는, 수광부(200)에 카메라가 구비된 경우일 수 있다.
여기서, 도 5의 (a)는, 상대적으로 산란광의 농도가 낮은 상태에서의 이미지이고, 도 5의 (b)는, 상대적으로 산란광의 농도가 높은 상태에서의 이미지이다. 도 5의 (a)와 (b)에서, 바의 이미지는 산란광의 밀도에 대한 그래프이고, 하부의 a부분이 전체 밀도 범위에서 산란광의 밀도 값을 나타내며, Threshold의 점선 라인은 임계 값을 나타낼 수 있다.
도 4와 도 5에서 보는 바와 같이, 수광부(200)에 의해 수집된 이미지에서 산란광은 점의 형상으로 표시될 수 있으며, 분석부는, 이미지 내 소정의 영역 내 분포하는 산란광에 의한 점의 수, 즉, 광 밀도에 따라 산란광의 밀도를 연산할 수 있다.
그리고, 분석부는, 이와 같이 연산된 산란광의 밀도가 소정의 임계 값 이하인 경우, 비정상흄(10)의 발생이 과도하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 또한, 분석부는, 연산된 산란광의 밀도가 소정의 임계 값을 초과하는 경우, 비정상흄(10)의 발생이 과도한 것으로 판단할 수 있다.
구체적으로, 도 5의 (a)와 같이 산란광에 의한 점의 수가 상대적으로 적게 분석되는 경우, 분석부는 산란광의 밀도가 임계 값 이하인 것으로 분석할 수 있으며, 도 5의 (b)와 같이 산란광에 의한 점의 수가 상대적으로 많게 분석되는 경우, 분석부는 산란광의 밀도가 임계 값 초과인 것으로 분석할 수 있다.
다만, 수광부(200)에 포토다이오드가 구비된 경우에는, 상기와 같이 촬상된 이미지가 아닌 광밀도만 측정될 수 있으며, 분석부는, 광밀도를 이용한 연산으로 산란광의 밀도를 도출할 수 있다. 나머지 사항은, 수광부(200)에 카메라가 구비된 경우와 동일하다.
상기와 같이, 산란광의 밀도가 임계 값을 초과하는 경우에는, 흄의 유동 불량, 흄의 과도한 발생 등에 의해 생성된 비정상흄(10)에 의한 조형레이어의 적층 불량 또는 챔버 내 각각의 구성과 장비에 대한 오염의 위험이 있을 수 있다.
이를 방지하기 위해, 분석부에서 산란광의 밀도가 임계 값을 초과하는 것으로 분석되어, 비정상흄(10)의 발생이 과도한 것으로 판단되는 경우, 레이저부의 작동을 정지시키거나 흡기부(420)의 흡기력을 증가시켜 비정상흄(10)을 감소시킴으로써, 상기와 같은 불량 또는 오염을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 측정 장치는, 레이저부로 제어신호를 전달하여 레이저빔(410)의 작동을 제어하고, 흡기부(420)로 제어신호를 전달하여 흡기부(420)의 흡기력을 제어하며, 분석부로부터 산란광의 밀도 정보를 전달받는 제어부를 더 포함할 수 있다.
분석부로부터 산란광의 밀도가 소정의 임계 값을 초과한다는 정보를 전달받은 제어부는, 레이저부 또는 흡기부(420)로 제어신호를 전달할 수 있다. 이에 따라, 레이저부의 작동이 정지되어 조형레이어의 적층 공정이 정지됨으로써 비정상흄(10)의 발생이 정지될 수 있다. 또는, 흡기부(420)에 의한 흡기력이 증대됨으로써 흡기부(420)에 의한 흄의 흡입이 증가하여 비정상흄(10)의 발생이 감소할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 측정 장치를 포함하는 3D 프린팅 시스템을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 측정 장치와 분말베드융해(Powder bed fusion, PBF)의 3D 프린팅 장비를 이용하여 3D 프린팅 시스템을 구축할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여, 비정상흄(10)의 발생과 유동 경로 및 농도 등을 측정할 수 있으며, 이에 따라, 비정상흄(10)의 발생뿐만 아니라, 비정상흄(10)의 농도 및 유동 경로를 분석할 수 있다. 그리고, 이를 이용하여, 비정상흄(10)의 발생에 따라 흡기부(420)를 제어하거나 레이저빔(410)의 동작을 제어하여 비정상흄(10)의 발생을 저지함으로써, 레이저빔(410)을 이용한 3D 프린팅의 품질 및 효율을 증대시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 측정 장치를 이용한 본 발명의 측정 방법에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 레이저부로부터 분말층으로 레이저빔(410)이 조사되어 조형레이어가 형성되면서 흄이 발생할 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 조명부가 레이저빔(410) 자체 또는 레이저빔(410)의 주위를 향해 조명광(111)을 조사할 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 수광부(200)에 의해 조명광(111)과 비정상흄(10)의 충돌에 의한 산란광이 수집되어 이미지가 생성될 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 분석부로 이미지가 전달되고, 분석부가 이미지를 분석하여 산란광의 밀도를 연산하고, 산란광의 밀도가 임계 값을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 제5단계에서, 분석부로부터 제어부로 산란광의 밀도 정보가 전달되고, 제어부가 레이저부 또는 흡기부(420)를 제어할 수 있다.
본 발명의 측정 방법에 대한 나머지 상세한 사항은, 상기된 본 발명의 측정 장치에 기재된 사항과 동일하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 비정상흄 20 : 정상흄
110 : 광원 111 : 조명광
120 : 광조절기 200 : 수광부
210 : 경통 300 : 빔덤프
410 : 레이저빔 420 : 흡기부
430 : 파우더베드플레이트
110 : 광원 111 : 조명광
120 : 광조절기 200 : 수광부
210 : 경통 300 : 빔덤프
410 : 레이저빔 420 : 흡기부
430 : 파우더베드플레이트
Claims (12)
- 분말의 도포로 형성되는 분말층에 선택적으로 레이저빔이 조사되어 형성되는 조형레이어가 적층되어 형성되는 3차원의 조형물을 지지하는 파우더베드플레이트;
상기 분말층 표면을 향해 상기 레이저빔을 조사하는 레이저부;
상기 조형물의 상부를 통과하는 광인 조명광을 조사하는 조명부;
상기 조명부의 위치에 대응되는 위치에 형성되고, 상기 조명광을 중간 차단하는 빔덤프;
상기 파우더베드플레이트에 인접하게 형성되고, 상기 분말층에 대한 상기 레이저빔의 조사로 발생하는 흄(fume)을 흡입하여 제거하는 흡기부;
상기 레이저부를 향해 유동하는 흄인 비정상흄이 상기 조명광 통과 시 발생하는 산란광을 수집하는 수광부;
상기 수광부로부터 전달받은 이미지를 분석하여 상기 비정상흄에 유동 감지 및 농도 측정을 수행하는 분석부; 및
상기 레이저부로 제어신호를 전달하여 상기 레이저빔의 작동을 제어하고, 상기 흡기부로 제어신호를 전달하여 상기 흡기부의 흡기력을 제어하며, 상기 분석부로부터 산란광의 밀도 정보를 전달받는 제어부를 포함하고,
상기 분석부는, 상기 이미지에서 상기 산란광의 밀도를 측정하여 상기 비정상흄의 농도를 측정하며,
상기 분석부에서 상기 산란광의 밀도가 소정의 임계 값을 초과하는 것으로 분석되는 경우, 상기 제어부로부터 상기 레이저부 또는 상기 흡기부로 제어신호가 전달되어, 상기 레이저부의 작동 정지 또는 상기 흡기부의 흡기력 증가가 수행됨으로써, 상기 비정상흄의 농도가 감소되는 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 조명부는, 상기 흡기부로 흡입되는 흄인 정상흄의 유동 영역의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 조명부는,
상기 조명광을 생성하는 광원; 및
상기 광원에서 생성된 상기 조명광의 조사 방향을 가변시키는 광조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 광원은, 레이저 또는 LED인 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 수광부는, 카메라 또는 포토다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 수광부는, 잡광의 수광을 방지하기 위한 경통 또는 배플을 구비하는 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 수광부는, 상기 산란광 파장 대역의 광을 수집하기 위한 광학필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 시스템.
- 청구항 1의 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치를 이용한 비정상 흄의 실시간 유동 감지와 농도 측정 방법에 있어서,
상기 레이저부로부터 상기 분말층으로 상기 레이저빔이 조사되어 상기 조형레이어가 형성되면서 흄이 발생하는 제1단계;
상기 조명부가 상기 레이저빔 자체 또는 상기 레이저빔의 주위를 향해 상기 조명광을 조사하는 제2단계;
상기 수광부에 의해 상기 조명광과 상기 비정상흄의 충돌에 의한 상기 산란광이 수집되어 이미지가 생성되는 제3단계;
상기 분석부로 상기 이미지가 전달되고, 상기 분석부가 이미지를 분석하여 상기 산란광의 밀도를 연산하고, 상기 산란광의 밀도가 임계 값을 초과하는지 여부를 판단하는 제4단계; 및
상기 분석부로부터 상기 제어부로 상기 산란광의 밀도 정보가 전달되고, 상기 제어부가 상기 레이저부 또는 상기 흡기부를 제어하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210098456A KR102530974B1 (ko) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치 및, 이를 이용한 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 방법 |
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| KR1020210098456A KR102530974B1 (ko) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | 분말베드융해 공정 중 발생되는 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 장치 및, 이를 이용한 비정상 흄의 실시간 유동과 농도 측정 방법 |
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