KR102574782B1 - 액체 제트 가이드 레이저 빔에 의한 공작물의 3d 성형을 위한 장치 - Google Patents

액체 제트 가이드 레이저 빔에 의한 공작물의 3d 성형을 위한 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102574782B1
KR102574782B1 KR1020207015417A KR20207015417A KR102574782B1 KR 102574782 B1 KR102574782 B1 KR 102574782B1 KR 1020207015417 A KR1020207015417 A KR 1020207015417A KR 20207015417 A KR20207015417 A KR 20207015417A KR 102574782 B1 KR102574782 B1 KR 102574782B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
workpiece
laser
fluid jet
laser beam
incidence
Prior art date
Application number
KR1020207015417A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200091412A (ko
Inventor
베르놀드 리체르하겐
다비드 히퍼
헬기 딜
Original Assignee
시노바 에스.에이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 시노바 에스.에이 filed Critical 시노바 에스.에이
Publication of KR20200091412A publication Critical patent/KR20200091412A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102574782B1 publication Critical patent/KR102574782B1/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • B23K26/0861—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane in at least in three axial directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 레이저 빔(102)을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물(101)을 3D 성형하기 위한 장치(100)에 관한 것이다. 상기 장치(100)는 공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)를 제공하고 상기 공작물(101)을 향해 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된 기계 가공 유닛(103)을 포함한다. 또한, 상기 장치(100)는 상기 가공 유닛(103)에 대한 공작물(101)의 x-y-z 위치를 설정하도록 구성된 모션 컨트롤러(105)를 포함한다. 상기 장치는 또한 z-방향으로 공작물(101)상에 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성된 측정 유닛(107)을 포함한다.

Description

액체 제트 가이드 레이저 빔에 의한 공작물의 3D 성형을 위한 장치
본 발명은 재료 절삭에 의해 공작물을 최종 부품으로 3차원(3D) 성형하는 장치에 관한 것이다. 재료 절삭은 레이저 빔, 바람직하게는 펄스 레이저 빔으로 수행되며, 이는 공작물 상으로 유체 제트내에 가이드된다. 본 발명은 또한 유체 제트에 결합된 레이저 빔을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물을 3D 성형하는 방법에 관한 것이다.
가압 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 가공하는 종래의 장치가 일반적으로 공지되어 있다. 그러나, 이러한 종래의 장치를 이용한 공작물의 "가공"은 관통-절삭 및 천공으로 제한된다. 장치의 가공 공정 제어는 최종 부품으로 공작물의 완전한 3D 성형을 허용하기에 충분하지 않다. 이는 주로 종래의 장치가 기껏해야 레이저 빔이 재료를 절삭하는 공작물의 x-y 위치를 알고 있지만 재료 절삭이 발생하는 z-위치를 모른다는 사실에 기인한다. 결과적으로, 장치는 또한 레이저 빔이 실제로 공작물의 z-방향(깊이)으로 얼마나 많은 재료를 제거하는지 결정할 수 없다. 따라서, 종래의 장치는 예를 들어 공작물 내로의 컷팅 깊이 또는 천공 깊이를 정밀하게 제어할 수 없다.
공작물의 일반적인 3D 성형은 AM(Additive Manufacturing) 또는 SM(Subtractive Manufacturing)에 의해 수행된다. "AM"은 재료 증착, 전형적으로 층별 증착에 의해 최종 부품의 원하는 3D 형상을 형성하는 프로세스를 지칭하나, "SM"은 최종 부품의 원하는 3D 형상을 얻기 위해 공작물(고체)로부터 재료를 제거하는 프로세스를 지칭한다. 많은 실제 응용에서 SM보다 AM이 선호된다. 이는 SM을 사용하면 더 빠르고 효율적이며 더 경제적으로 많은 부품을 생산할 수 있기 때문이다.
또한, 레이저 SM, 즉 레이저 빔을 사용하여 공작물로부터 재료를 제거하는 것은 보다 효율적인 전체 성형 공정을 달성하기 위해 종래의 가공 기술, 가령 밀링과 결합될 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 종래의 레이저 SM은 비교적 느리고 다소 부정확한 프로세스이다.
상기 관점에서, 본 발명은 원하는 3D 형상을 갖는 부품을 제조하기 위해 종래의 SM을 개선하고, 특히 공정 속도 및 정밀도를 개선시키는 것을 목표로 한다. 이를 위해, 본 발명은 SM을 이용해 유체 제트에 결합된 레이저 빔을 갖는 공작물을 기계 가공하기 위한 장치의 장점을 사용하고자 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 유체 제트에 의해 가이드되는 레이저 빔을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물의 3D 성형을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 특히, 장치 및 방법은 임의의 원하는 3D 형상을 갖는 최종 부품으로 공작물을 성형 할 수 있어야 한다. 성형 과정은 빠르고 정확해야 한다. 이에 의해, 본 발명의 장치 및 방법은 또한 SM 프로세스를 종래의 SM보다 더 효율적이고 경제적이게 한다.
본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 제공된 해결책에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구현은 종속항에 정의되어 있다.
특히, 본 발명은 재료 절삭에 의한 공작물의 3D 성형을 위해 유체 제트에 결합된 레이저 빔의 사용을 제안한다. 공작물은 레이저 빔을 이용해 상기 공작물에서 재료를 제거하여 최종 부품으로 성형된다. 즉, 최종 부품은 SM에 의해 획득된다.
본 발명의 제 1 태양은 레이저 빔을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물을 3D 성형하기 위한 장치로서, 공작물 상에 가압 유체 제트를 제공하고 상기 공작물을 향해 레이저 빔을 유체 제트에 결합시키도록 구성된 기계 가공 유닛; 상기 가공 유닛에 대한 공작물의 x-y-z 위치를 설정하도록 구성된 모션 컨트롤러; 및 z-방향으로 공작물상에 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치를 측정하도록 구성된 측정 유닛을 포함하는 장치를 제공한다.
모션 컨트롤러는 공작물을 3차원으로 움직여 레이저 빔으로 3D 윤곽을 성형하게 할 수 있. 설정된 x-y-z-위치는 원래 위치(o-o-o-위치)와 관련하여 사전 정의된 축(좌표) 시스템에서 공작물의 위치와 관련된다. 이에 따라 모션 컨트롤러에 의해 설정된 공작물의 x-y-z 위치는 공작물이 제공되는 이동 가능한 가공 표면의 위치에 의해 결정될 수 있다. 모션 컨트롤러는 회전 방향을 따라 공작물을 이동(예를 들어, 패닝, 틸팅 및 롤링 효과)시킬 수 있다. 모션 컨트롤러는 바람직하게는 고속 및 고정확도로 공작물의 위치를 변경할 수 있다. 따라서, 재료 절삭에 의한 공작물의 3D 성형은 현재 있지 않는 속도와 정밀도로 가능해진다. 대안으로, 축 시스템은 모든 선형 및 회전 축 또는 이러한 축 중 일부에 가공 유닛을 이동시킨다.
3D 성형 과정 동안, 측정 장치는 깊이 센서의 기능을 하며, 언제 어디서나, 즉, 유체 제트 및 레이저 빔이 공작물에 영향을 미치는 곳에서, 재료 절삭의 z-포지션에 대한 지식을 제공한다. 이 z 위치는 일반적으로 모션 컨트롤러가 설정한 재료 표면의 z 위치와 다르다. 이 z 위치는 예를 들어 유체 제트가 공작물 표면을 따라 이동하거나 레이저 빔이 공작물 표면에서 재료를 절삭하는 경우, 즉, 공작물을 기계 가공하는 경우 변경될 수 있다. 재료를 절삭하는 경우는 입사지점을 공작물 내로 더 깊게 이동시킨다. 모션 컨트롤러에 의해 z 위치를 설정하는 한 가지 이유는 제어된 성형 프로세스를 보장하기 위한 것이다. 바람직하게는, 공작물은 계속 결정된 범위 내에 있는 유체 제트 생성점으로부터의 떨어져 유체 제트에 의해 충돌하도록 배치된다. 따라서, 공작물은 z-방향으로 공작물로부터 점점 더 많은 공작물 재료가 절삭되더라도 유체 제트의 일부와 항상 상호작용할 수 있으며, 이는 레이저 빔을 가장 효율적으로 안내한다. 특히, 본 문헌에서, "유체 제트"라는 용어는 섬유와 같이 레이저 빔을 가이드할 수 있는 층류 유체 제트를 의미한다. 장치에 의해 출력된 유체는 특정 길이에 대해서만 층류 유체 제트를 형성하고, 그 길이를 넘어서는 유체 제트는 불안정한 유체 흐름이 되어 최종적으로 액적으로 분산된다.
본 문헌에서, 공작물상의 유체 제트의 발생지점의 z-위치의 "측정"은 물리량의 적어도 하나의 능동 측정을 포함한다. 예를 들어, 측정 유닛으로부터의 파 방출 시점과 측정 유닛에 의해 공작물로부터 반사된 파 수신 시점 간의 시간차의 측정을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 간섭 원리가 사용되는 경우, 상이한 파의 위상차의 측정을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 유체 제트의 특성 길이의 광학적, 전기적 또는 용량성 측정을 포함할 수 있다. z-위치를 "측정하는 것"은 예를 들어 일부 알려진 장치, 공작물 및/또는 최종 부품의 치수에 기초하여 z-위치를 추정하는 것을 의미하는 것은 아니다. 공작물상의 유체 제트의 입사지점의 측정된 z-위치는 레이저 빔이 주어진 x-y-위치에서 공작물로부터 z-방향으로 얼마나 많은 물질을 제거하는지를 결정하게 한다. 이 정보는 완전한 3D 서형 능력을 얻는 데 중요한다. 재료 절삭이 발생하는 x-y-위치는 모션 컨트롤러에 의해 설정된 x-y-z-위치의 x-y-좌표로부터 도출될 수 있다. 따라서, 제 1 태양의 장치는 공작물의 3D 성형 프로세스에 대한 완전한 제어 및 위치 정보를 갖는다.
따라서, 장치는 유리하게는 공작물상의 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치에 기초하여 재료 절삭에 의해 공작물의 3D 성형을 제어하도록 구성된다.
제 1 태양의 바람직한 구현 형태에서, 레이저 컨트롤러는 모션 컨트롤러에 의해 설정된 x-y-z-위치 및 측정 유닛에 의해 측정된 공작물상의 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치에 기초하여 레이저 빔의 출력 또는 에너지를 조정하도록 구성된다.
따라서, 공작물의 빠르고 정확하며 완벽하게 제어되는 3D 성형 프로세스가 가능하다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 레이저 빔은 펄스식이고, 상기 장치는 레이저 펄스에 대해 모션 컨트롤러에 의해 설정된 x-y-z-위치 및 레이저 펄스 이전에 측정 유닛에 의해 측정된 공작물상의 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치에 기초하여 각각의 레이저 펄스의 에너지를 개별적으로 조정하도록 구성된 레이저 컨트롤러를 더 포함한다.
이는 각 레이저 펄스의 에너지가 장치에 의해 개별적으로 조정되어 (레이저 절삭의 주어진 x-y 위치에서) 공작물의 z-방향(깊이)으로 소정량의 재료 절삭을 달성할 수 있다. 특히, 각각의 레이저 펄스의 절삭 결과는 빠르고 직접적인 방식으로 제어될 수 있다. 결과적으로, 공작물의 빠르고 정확한 3D 성형 공정이 가능하다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 레이저 펄스 후 측정 유닛에 의해 측정된 공작물 상에 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치에서 각각의 레이저 펄스의 절삭 결과를 결정하도록 구성되고, 레이저 컨트롤러는 결정된 절삭 결과에 기초하여 다음 레이저 펄스의 에너지를 조정하도록 구성된다.
따라서, 장치는 마지막 레이저 펄스를 이용해 z-방향으로 절삭된 재료의 양에 대한 지식을 얻고, 다음 레이저 펄스에 대한 에너지를 설정할 때 이 정보를 고려할 수 있다. 공작물 표면으로부터 층을 절삭하기 위해 공작물의 상이한 x-y 위치에서 2개의 레이저 펄스가 발생할 수 있다. 그러나, 소정량의 재료 절삭을 달성하거나 절삭 결과를 정정하기 위해, 공작물의 동일한 x-y-위치에 2개의 레이저 펄스가 또한 발생할 수 있다. 결과적으로, 장치는 공작물의 각 지점에서 절삭을 제어하여 공작물의 3D 성형이 매우 정확하게 수행될 수 있도록 구성된다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 레이저 컨트롤러는 폭 및/또는 진폭을 설정함으로써 및/또는 펄스 속도와 이에 따른 연속적인 펄스들 간에 시간 지연을 설정함으로써 및/또는 펄스 버스트를 실행함으로써 각각의 레이저 펄스의 에너지를 제어하도록 구성된다.
따라서, 장치에는 레이저 빔 절삭을 제어하는 몇 가지 수단이 제공되며, 이는 3D 성형 공정의 정확도 및 효율을 더욱 향상시킨다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 레이저 컨트롤러는 레이저 펄스에 대해 모션 컨트롤러에 의해 설정된 공작물의 x-y-z-위치에서 공작물 재료를 z-방향으로 1 내지 1000㎛ 깊이로 절삭하도록 각각의 레이저 펄스의 에너지를 제어하도록 구성된다.
따라서, 장치는 각각의 x-y-위치에서 개별적으로 z-방향으로 절삭 깊이를 설정하도록 구성된다. 따라서, 장치는 공작물 표면으로부터 공작물 재료의 하나 이상의 층을 절삭하도록 구성된다. 이에 의해, 절삭된 층은 1 내지 1000㎛ 사이, 바람직하게는 1 내지 200㎛ 사이의 균일하거나 불균일한 두께를 가질 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 장치는 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 소스를 더 포함하고, 상기 레이저 소스는 레이저 펄스를 변조하기 위한 레이저 컨트롤러 및 고속 스위치, 바람직하게는 Q-스위치를 포함한다.
레이저 소스는 장치에 포함되어 있다. 이 스위치는 장치가 레이저 펄스의 빠른 변조에 영향을 미치게 하므로 에너지를 0에서 100%까지 정확하고 개별적으로 제어 할 수 있다. 따라서, 빠르고 정확한 3D 성형 공정이 지원된다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 2개의 후속 레이저 펄스 사이의 시간 주기내에 공작물상의 유체 제트의 입사지점의 z-위치를 측정하도록 구성된다.
이러한 방식으로, 장치에 의해 수행된 z-위치의 측정은 레이저 빔 펄스에 의해 유발된 재료 절삭을 방해하지 않는다. 결과적으로 z-위치의 측정 정밀도가 증가 될 수 있다. 3D 상형 프로세스 제어도 또한 쉬워진다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 모션 컨트롤러는 각 레이저 펄스 후 가공 유닛에 대하여 상기 공작물의 x-y-z-위치를 단계적으로 또는 연속적으로 변경시키도록 구성된다.
따라서, 장치는 공작물의 결정된 x-y 위치에서 재료를 펄스 방식으로 절삭할 수 있다. 결과적으로 완전한 디지털 재료 절삭 프로세스가 가능해진다. 재료의 층 또는 구조가 공작물 표면에서 절삭될 수 있다. 절삭된 층은 완전한 표면 또는 표면의 일부만을 덮을 수 있다. 따라서, 공작물 표면의 상이한 영역이 z-방향으로 다르게 절삭될 수 있어서, 공작물을 3D로 성형하는 능력을 제공한다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 모션 컨트롤러는 궤도를 따라 공작물을 이동시킬 때 공작물의 x-y-z-위치의 변화를 가속 또는 감속시키도록 구성되고, 레이저 컨트롤러는 거리 당 다수의 레이저 펄스가 궤적을 따라 일정하도록 레이저 펄스 주파수를 각각 증가 또는 감소시키도록 구성된다.
따라서, 절삭 공정의 정밀도가 더 개선될 수 있다. 특히, 예를 들어, 더 많거나 적은 레이저 펄스로 달성 할 수 있는 더 높거나 낮은 정밀도(또는 더 많거나 적은 재료 절삭이 필요한 경우)만이 국소적으로 필요할 경우에, 레이저 컨트롤러는 특정 이동 단계 동안 또는 공작물의 특정 영역에서 더 많거나 더 적은 수의 레이저 펄스를 적용하는 것이 가능하다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 모션 컨트롤러는 레이저 빔이 x-y 평면에서 공작물 표면을 스캔하도록 공작물의 x-y-z 위치를 반복적으로 변경하도록 구성된다.
예를 들어, x-y-z-위치는 각각의 레이저 펄스 후에 변경될 수 있다. 따라서, 완전한 공작물 표면(또는 공작물 표면의 일부)을 덮는 층이 절삭될 수 있다. 이를 통해 최종 부품에 공작물의 정밀하고 유연한 3D 성형이 가능하다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 장치는 모션 컨트롤러에 의해 주어진 x-y-z-위치에 따라 공작물 표면의 스캔 동안 레이저 빔을 선택적으로 활성화시키거나 비활성화시키도록 구성된다.
레이저 빔은 연속 동작 동안("온 더 플라이(on the fly)") 레이저 소스의 빠른 스위치, 예를 들어 Q 스위치에 의해 선택적으로 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 모션 컨트롤러는 움직임 동안 레이저 컨트롤러에 다양한 x-y-z-위치에서 신호를 제공할 수 있고, 이에 따라 스위치를 제어할 수 있다. 결과적으로, 레이저 빔은 ON될 수 있고 따라서 모션 컨트롤러에 의해 설정된 일부 x-y-z-위치에서 재료를 절삭할 수 있으며, OFF될 수 있고 따라서 모션 컨트롤러에 의해 설정된 다른 x-y-z-위치에서 재료를 절삭하지 않을 수 있다. 이러한 방식으로, 재료 절삭은 가공 유닛에 대한 공작물의 위치에 따라 공작물 표면의 일부 위치 또는 일부 영역에서만 발생하며 속도는 일정하며, 이는 절삭 깊이가 일정하다는 것을 의미한다. 따라서 장치는 더 빠른 처리의 이점을 갖는다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 장치는 레이저 빔으로 공작물 재료의 복수의 층을 층별로 절삭함으로써 공작물을 성형하도록 더 구성된다.
상술한 바와 같이, 층은 두께가 1-1000㎛일 수 있고 또한 불균일한 두께를 가질 수 있다. 또한, 각 층은 공작물 표면의 상이한 부분을 덮을 수 있다. 따라서, 원하는 3D 형상으로 공작물을 층별로 정밀하게 성형할 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 복수의 층 각각은 x-y 평면에서 개별적으로 미리 결정된 영역을 취하고 z-방향을 따라 개별적으로 미리 결정된 균일하거나 불균일한 두께를 갖는다.
각 층의 면적 및 두께는 개별적으로 결정될 수 있다. 이러한 방식으로 개별적으로 절삭된 복수의 층은 전체적으로 절삭된 양의 공작물 재료를 초래하여, 나머지 공작물 재료로 만들어진 최종 3D 부품을 생성한다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 장치는 상기 공작물의 절삭될 체적의 레이어 표현을 계산하도록 구성된 처리 유닛을 더 포함하고, 상기 장치는 계산된 레이어 표현에 기초하여 공작물 재료의 복수의 층을 절삭함으로써 공작물을 성형하도록 구성된다.
레이어 표현은 3D 성형 공정 전 또는 도중에 계산되며 절삭된 공작물 재료의 전체 부피와 모양을 결정하는 디지털 입력으로서 기능한다. 따라서, 절삭 공정에 대한 완전하고 정확한 제어가 이루어진다. 또한 레이어 표현은 재료 절삭 프로세스 동안 조정을 가능하게 한다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 레이저 컨트롤러는 처리 유닛으로부터 수신된 레이어 표현에 더 기초하여 상기 레이저 빔의 출력 또는 에너지를 제어하도록 구성된다.
특히, 레이저 컨트롤러는 레이어 표현에 기초하여 각각의 레이저 펄스의 에너지를 제어할 수 있다. 레이어 표현은 장치의 디지털 입력 또는 프로그래밍의 기능을 하므로 정밀하고 완전한 3D 재료 절삭 프로세스를 수행할 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 공작물상의 유체 제트의 입사지점의 측정된 z-위치를 처리 유닛으로 피드백하도록 구성되고, 상기 처리 유닛은 상기 측정 유닛으로부터의 피드백에 기초하여 레이어 표현, 특히 레이어 표현의 다수의 층을 재계산하도록 구성된다.
이러한 방식으로, 절삭 공정은 그 정밀도를 증가시키도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 소정 위치 또는 특정 레이저 펄스로 의도된 재료 절삭이 재료 절삭 결과와 동일하지 않은 경우, 이 편차는 3D 성형 프로세스의 정확성을 보상하고 보장하기 위해 고려될 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 처리 유닛은 공작물로부터 절삭된 각각의 공작물 재료층 후에 레이어 표현을 재계산하도록 구성된다.
이러한 방식으로, 성형 프로세스 동안 발생하는 불규칙성과 같은 의도된 절삭 결과로부터의 오차 및 편차가 적시에 정정될 수 있다. 결과적으로, 최종 부품으로의 공작물의 3D 성형 정확도가 향상된다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 x-y 평면으로 공작물 표면을 스캔하고 상기 공작물상에 유체 제트의 복수의 입사지점의 z-위치를 측정함으로써 마지막으로 절삭된 공작물 재료층의 제 1 경사 및/또는 표면 불규칙성과 공작물의 표면에서 제 2 경사 및/또는 표면 불규칙성을 결정하도록 더 구성된다.
따라서, 절삭 공정 동안 발생하는 임의의 바람직하지 않은 경사 또는 불규칙성은 다음 층으로 정정되거나 다음 층에서 시작될 수 있다. 경사 및/또는 불규칙성을 완전히 보상하기 위해 하나 이상의 층이 필요할 수 있다. 결과적으로, 의도된 절삭 결과로부터의 편차가 프로세스 지속 기간 동안 악화되고, 최악의 경우, 어느 시점에서 수정할 수 없게 되는 것을 피할 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 레이저 컨트롤러는 적어도 다음 층에 대해 각각의 레이저 펄스의 에너지 및/또는 측정 유닛에 의해 결정된 제 1 경사 및/또는 표면 불규칙성에 기초하여 각각의 레이저 펄스 후에 x-y-z-위치를 변경함으로써 공작물을 이동시키는 궤적을 개별적으로 적응시키도록 구성된다.
공작물과 유체 제트 사이의 상대 이동으로 인해, 공작물의 이동 궤적의 변화는 또한 공작물 표면 위로 이동할 때 유체 제트의 궤적의 변화를 의미한다. 공작물 이동의 궤적을 변경하는 것은 특히 이동 방향, 이동 속도, 가속도 및/또는 곡선 이동의 반경을 변경하는 것을 포함할 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 전자기 복사 또는 음파를 사용하여 공작물상의 유체 제트의 발생 지점의 z-위치를 측정하도록 구성된다.
전자기 복사 또는 음파는 바람직하게는 이들이 공작물로부터 재료를 절제하지 않도록 선택된다. 이러한 방식으로, 공작물상의 유체 제트의 입사 지점의 z-위치의 정확한 결정은 절제 공정을 방해하지 않고 가능하다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 전자기파 또는 음파를 사용하여 공작물상의 유체 제트의 입사지점의 z-위치를 측정하도록 구성된다.
예를 들어, 측정 유닛은 유체 제트로 가이드된 레이저 광과 유체 제트의 특성 길이를 간섭측정으로 측정할 수 있다. 특성 길이는 특정 측정 범위에 의해 정의 될 수 있다. 측정된 특성 길이의 변화는 예를 들어 가공 유닛과 공작물 사이의 유체 제트의 전체 길이에 대해, 따라서 공작물상의 유체 제트의 발생 지점의 z-위치에 대해 정확한 표시를 제공할 수 있다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 유체 제트를 통해 공작물상의 유체 제트의 발생 지점의 z-위치를 측정하도록 구성된다.
특히, 측정 유닛은 예를 들어 유체 제트를 통해 공작물 상으로 전자기 복사 또는 음파를 전송할 수 있다. 이에 따라 전자기 복사 또는 음파는 유체 제트에 의해 z-위치가 측정될 공작물 x-y-위치로 정확하게 가이드된다. 반사된 전자기 복사 또는 음파도 또한 유체 제트에서 측정 유닛으로 다시 가이드될 수 있다. 예를 들어, 전자기 복사 또는 음파를 송수신하는 시간 간격에 기초하여, 공작물상의 유체 제트의 입사 지점의 z-위치가 고정밀도로 결정될 수 있다. 따라서, 매우 정확한 절삭 프로세스가 가능해진다.
제 1 태양의 다른 바람직한 구현 형태에서, 측정 유닛은 가공 유닛에 통합된다.
따라서, 장치는 매우 소형화되고 공작물의 임의의 부분상의 유체 제트의 발생 지점의 z-위치를 측정하는 고유 능력을 갖는다.
본 발명의 제 2 태양은 레이저 빔을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물을 3D 성형하는 방법으로서, 상기 방법은 공작물 상에 가압 유체 제트를 제공하는 단계와 공작물를 향해 레이저 빔을 유체 제트에 결합시키는 단계; 유체 제트에 대한 공작물의 x-y-z-위치를 설정하는 단계; 및 상기 공작물 상에 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치를 측정하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
이점적으로, 상기 방법은 공작물 상의 가압 유체 제트의 발생 지점의 설정된 x-y-z-위치 및 측정된 z-위치에 기초하여 레이저 빔의 에너지를 조정하는 단계를 더 포함한다.
제 2 태양의 바람직한 구현에서, 상기 방법은 유체 제트 내에 펄스된 레이저 빔을 결합하는 단계; 각각의 레이저 펄스에 대한 공작물의 x-y-z-위치를 설정하는 단계; 각각의 레이저 펄스 전에 유체 제트의 입사지점의 z-위치를 측정하는 단계; 및 상기 레이저 펄스에 대해 설정된 x-y-z-위치 및 레이저 펄스에 앞서 측정된 공작물상의 가압 유체 제트의 입사지점의 z-위치에 기초하여 각각의 레이저 펄스의 에너지를 개별적으로 조정하는 단계를 포함한다.
제 2 태양의 다른 바람직한 실시 형태에서, 상기 방법은 x-y 평면에서 공작물의 표면을 스캐닝하는 단계; 공작물 상의 유체 제트의 복수의 입사지점의 z-위치를 측정함으로써 표면의 프로파일을 결정하는 단계; 및 표면의 결정된 프로파일에 기초하여 각각의 레이저 펄스 후에 x-y-z-위치를 변경함으로써 각각의 레이저 펄스의 에너지 및/또는 공작물를 이동시키는 궤적을 개별적으로 설정하는 단계를 포함한다.
제 2 태양의 방법은 제 1 태양의 장치에 대해 상술한 바와 동일한 효과 및 장점을 제공한다. 특히, 제 2 태양의 방법은 제 1 태양의 장치에 대해 상술한 구현 형태에 따른 구현 형태로 발전될 수 있다. 상기 방법은 제 1 태양의 장치에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명의 상술한 태양 및 바람직한 구현 형태는 첨부도면과 관련하여 하기의 특정 실시예에 설명되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 장치에 의해 레이저 펄스의 에너지를 제어하는 가능성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 의한 공작물의 이동 속도에 대한 레이저 주파수 및 레이저 펄스 수의 적응을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
도 5는 (a) 본 발명의 실시예에 따른 장치, 및 (b) 2개의 레이저 펄스 사이에서 z-위치의 측정 방식을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 장치에서 계산될 절삭된 체적의 레이어 표현을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 장치에서 수행되는 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물 표면의 스캐닝을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 의한 공작물 재료의 층별 절삭을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 의해 수행되는 표면 경사 및/또는 불규칙성의 보정을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(100)를 도시한 것이다. 특히, 도 1은 3차원(전체 3D 성형)까지 레이저 빔(102)을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물(101)을 성형하도록 구성된 장치(100)를 도시한 것이다. 이를 위해, 장치(100)는 적어도 가공 유닛(103), 모션 컨트롤러(105) 및 측정 유닛(107)을 포함한다. 바람직하게는, 장치(100)는 레이저 빔(102)을 발생시키는 레이저 소스(110)를 제어하는 레이저 컨트롤러(106)를 더 포함한다. 이에 의해, 레이저 소스(110)는 장치(100)의 일부이다. 레이저 컨트롤러(106) 및 레이저 소스(110)는 도 1에 점선으로 도시되어 있다.
가공 유닛(103)은 가압 유체 제트(104)를 공작물(101) 상에 제공하고, 레이저 빔(102)을 유체 제트(104) 내로 공작물(101)을 향해 결합시키도록 구성되며, 상기 유체는 바람직하게는 물이다. 레이저 빔(102)은 특히 금속, 세라믹, 다이아몬드, 반도체, 합금, 초합금 또는 초경질 재료를 포함하나 이에 국한되지 않는 재료의 컷팅 및 성형에 적합한 고강도 레이저 빔이다. 레이저 빔(102)은 예시적으로 1-2000 W의 레이저 출력을 가질 수 있다.
모션 컨트롤러(105)는 가공 유닛(103)에 대해 공작물(101)의 x-y-z 위치를 설정하도록, 즉 공작물(101)의 움직임을 3차원으로 제어하도록 구성된다. 이를 위해, 모션 컨트롤러(105)는 공작물(101) 또는 가공 유닛(103)을 이동시키거나 공작물(101) 및 가공 유닛(103)을 이동시키는 조합을 수행할 수 있다. 공작물(101)은 가공 표면 상에 위치될 수 있으며, 상기 가공 표면은 장치의 일부 일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 어느 경우에나, 장치(100)는 가공 표면 상에 배치된 공작물(101)을 기계 가공할 수 있도록 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모션 컨트롤러(105)는 공작물(101)이 배치되는 이동 가능한 가공 표면으로 설정될 x-y-z-위치를 제공할 수 있고, 가공 표면은 사전-교정된 축(좌표) 시스템 내에서 이 위치를 취할 수 있다.
측정 유닛(107)은 z-방향으로 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)(및 따라서 레이저 빔(102))의 입사지점(108)의 z-위치(zP)를 측정하도록 구성된다. 입사 지점(108)은 공작물 표면(109) 상에 있을 수 있거나 가령, 레이저 빔(102)이 이 x-y-위치에서 공작물 재료를 이미 절삭한 경우에, 공작물 표면(109) 아래에 놓일 수 있다. 즉, 입사지점(108)은 도 1에 도시된 바와 같이 공작물 표면(109)에서 트렌치 또는 만입부(111)에 있을 수 있다. 측정 위치(zP)는 재료 절삭의 z 위치, 즉 공작물이 레이저 빔(102)에 의해 기계 가공되는 깊이를 나타내기 때문에, 측정 유닛(107)을 깊이 센서라고 할 수 있다. 측정 유닛(107)은 바람직하게 특히 유체 제트(104)가 공작물 표면(109)을 따라 이동되는 경우 z-방향으로 입사지점(108)의 다수의 위치(zP)를 측정할 수 있다. 이러한 방식으로 측정 유닛(107)은 공작물의 정밀한 표면 프로파일을 측정할 수 있다. 특히, 유체 제트(104)의 전파 방향은 바람직하게는 수직 방향을 따르지만, 또한 수직 방향에 대해 비스듬할 수 있다. 유체 제트(104)는 가압되기 때문에, 유체 제트(104)는 항상 선형으로 전파될 것이다. z-방향은 유체 제트(104)의 수직 방향 및/또는 전파 방향에 평행할 수 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. x-y 평면은 일반적으로 z-방향에 수직이다.
선택적이지만 바람직한 레이저 컨트롤러(106)는 레이저 빔(102)을 가공 유닛(103)에 제공하도록 구성된다. 레이저 컨트롤러(106)에는 바람직하게는 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 공작물(101)의 x-y-z-위치가 제공된다. 더욱이, 레이저 컨트롤러(106)에는 공작물(101) 상에 가장 최근에 측정된 입사지점의 z-위치가 제공될 수 있다. 바람직하게는, 레이저 컨트롤러(106)는 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 x-y-z-위치에 기초한 및/또는 측정 유닛(107)에 의해 측정된 하나 이상의 z-위치(zP)에 기초한 레이저 빔(102)의 레이저 출력을 조정할 수 있다.
유리하게는, 장치에 의해 사용되는 레이저 빔(102)도 역시 펄스식일 수 있다. 이를 위해, 레이저 소스(110)는 펄스 레이저 빔(102)을 제공하도록 구성될 수 있고, 바람직하게는 레이저 컨트롤러(106)는 펄스 폭, 진폭, 속도 등을 제어하도록 구성된다. 이 경우, 레이저 컨트롤러(106)는 바람직하게는 상기 레이저 펄스(200)에 대한 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 x-y-z-위치에 기초하여 그리고 상기 레이저 펄스(200)에 앞서 측정 유닛(107)에 의해 측정된 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치(zP)에 기초하여 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지를 조정하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 공작물 재료의 레이저-유도 절삭은 각각의 레이저 펄스(200)에 대해, 특히 빠르고 직접적인 방식으로 개별적으로 조정될 수 있다. 따라서, 공작물(101)의 정확한 3D 형상이 가능하다. 특히, 레이저 컨트롤러(106) 및 모션 컨트롤러(105)가 모두 고속 동작을 허용하는 경우, 임의의 공지된 기술보다 우수한 속도 및 정밀도로 매우 정밀한 3D 윤곽이 생성될 수 있다.
도 2는 하나 이상의 레이저 펄스(200)의 에너지가 장치(100)에 의해, 특히 레이저 컨트롤러(106)에 의해 어떻게 제어될 수 있는지를 도시한 것이다. 도 2의 (a)는 레이저 컨트롤러(106)가 레이저 펄스 폭을 설정하도록 구성될 수 있음을 도시한 것이다. 도 2의 (a)에서, 모든 레이저 펄스(200)는 100%의 진폭을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 레이저 펄스(200)는 서로 다른 폭(즉, 지속 시간)을 가지며, 이는 τ1, τ2 및 τ3으로 표시되어 있다. 따라서, 각각의 레이저 펄스(200)에 의해 제공되는 에너지가 다르다.
도 2의 (b)는 레이저 컨트롤러(106)가 또한 각각의 레이저 펄스(200)의 진폭을 설정하도록 구성될 수 있음을 도시한 것이다. 다시, 3개의 레이저 펄스(200)가 도시되어있다. 그러나, 제 1 레이저 펄스(200)만이 100%의 진폭(A1)을 갖는다. 다른 레이저 펄스(200)는 각각 더 낮은 진폭(A2 또는 A3)을 갖는다. 따라서, 각 레이저 펄스(200)의 레이저 펄스 에너지가 다르다.
도 2의 (c)는 레이저 컨트롤러(106)가 펄스 속도 및 이에 따라 연속 펄스(200) 사이의 시간 지연을 제어할 수 있음을 도시한 것이다. 또한, 레이저 컨트롤러(106)는 펄스 버스트(201)를 실행하도록 구성될 수도 있다. 첫 번째 3개의 펄스(도 2의 (c)의 좌측)는 펄스 버스트(201)를 구성하고 따라서 연속 펄스(200) 사이에서 더 짧은 시간 지연(At)을 갖는다. 펄스(200)는 모두 m의 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다. 대조적으로, 두 번째 3개의 레이저 펄스(200)(도 2의 (c)의 우측)는 연속 펄스(200) 사이에서 더 큰 시간 지연(D2)을 갖는다. 즉, 이들 3개의 레이저 펄스(200)에 대한 펄스 속도가 더 낮다. 따라서, 펄스 버스트(201) 및 다른 펄스(200)를 각각 갖는 레이저 빔(102)에 의해 시간당 상이한 에너지가 제공된다.
바람직하게는, 모션 컨트롤러(105)는 가공 유닛(103)에 대해 공작물(101)의 x-y-z-위치를 변경하도록 추가로 구성된다. 특히, 레이저 빔이 펄스되면, 모션 컨트롤러(105)는 각각 레이저 펄스(200) 이후에 공작물(101)의 위치를 변경할 수 있다. 이에 의해, 공작물 위치는 단계적으로 또는 연속적으로 변경될 수 있다. 모션 컨트롤러(105)는 궤적을 따라 공작물(101)를 이동시키면서 공작물(101)의 x-y-z-위치의 변화를 가속 또는 감속시키는 것이 가능하다. 이것이 도 3의 ①에 도시되어 있으며, 공작물(101)의 이동 속도는 시간에 따라 변한다. 공작물은 구체적으로 x축, y축, z축 또는 회전 방향(A, B, C)을 따라 이동될 수 있다.
(도 3의 ②에 도시된 바와 같이) 레이저 컨트롤러(106)는 거리 당 다수의 레이저 펄스(200)가 이동 궤적을 따라 일정하도록 레이저 펄스 주파수를 증가 또는 감소시키도록 구성될 수 있다(도 3의 ③). 따라서, 모션 컨트롤러(105)는 궤적을 따르는 펄스의 수(200)가 축 시스템의 임의의 가속 및 감속 단계에서 일정하게 유지되어야 한다는 정보를 레이저 컨트롤러(106)에 제공할 수 있다. 그러나, 모션 컨트롤러(105)는, 예를 들어, 가령 1mm 미만의 반경을 갖는 회전 운동이 수행될 때 더 많은 펄스(200)를 제공하기 위해, 속도에 따라 펄스의 수(200)를 적응시키도록 레이저 컨트롤러(106)에 알리거나 지시할 수 있다. 도 3의 구성은 레이저 주파수(펄스 레이트)뿐만 아니라 도 2에 도시된 레이저 에너지를 적응시키는 다른 옵션에 대해서도 적용 가능하다.
장치(100)는 또한 도 7과 관련하여 아래에 도시되고 설명된 바와 같이 축 시스템이 공작물(101)의 표면 스캔을 결정하고 절삭용 레이저 빔(102)이 연속 운동 동안 공작물(101) 대 가공 유닛(103)의 실제 위치에 따른 함수로 표면 스캔의 일부 영역에서만 활성화되도록 빠른 레이저 스위치 제어와 같은 방식으로 구성될 수 있다. 이는 모션 컨트롤러(105)에 의한 x-y-z-위치의 빠른 출력 덕분에 가능하다. 상기 방식에서, 장치도 역시 레이저의 주파수를 보상할 필요가 없으며, (일정한 깊이를 의미하는) 일정한 속도로 재료를 절삭하고 더 빨리 처리할 수 있는 이점이 있다.
도 4는 도 1에 도시된 장치를 기반으로 하는 본 발명의 실시예에 따른 장치를 역시 도시한 것이다. 도 1 및 도 4에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 가지며 동일하게 기능한다. 도 4의 장치(100)도 또한 가공 유닛(103)을 가지며, 레이저 빔(102)을 가공 유닛(103)에 제공하는 레이저 소스(110)를 갖는다. 이에 의해, 레이저 빔(102)은 레이저 소스(110)로부터 가공 유닛(103)으로 광섬유(401)에 의해 제공될 수 있다. 가공 유닛(103)에서, 레이저 빔(102)은 하나 이상의 광학소자(402)에 의해 직접 또는 우선적으로 유체 제트(104)에 결합될 수 있다. 이 광학소자(402)는 유체 제트에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 렌즈 또는 렌즈 어셈블리 또는 다른 적절한 소자일 수 있다. 가공 유닛(103)은 또한 레이저 빔(102)을 가공 유닛(103)의 에지로부터 적어도 하나의 광학소자(402)로 가이드하기 위해 다른 광학소자, 예를 들어, 빔 스플리터, 미러, 격자, 필터 등을 포함할 수 있다. 가공 유닛(103)은 유체 제트(104)가 생성되는 가공 유닛(103)의 유체 회로 및 영역으로부터 광학장치(여기서는 광학소자(402))를 분리하기 위해 광학적으로 투명한 보호 윈도우(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일반적으로, 유체 제트(104)는 유체 노즐 개구를 갖는 유체 제트 발생 노즐에 의해 생성되고, 생성된 유체 제트(104)는 노즐을 통해 가공 유닛(103)으로부터 출력된다.
레이저 소스(110)는 레이저 컨트롤러(106) 및 레이저 공진기(403)를 포함한다. 레이저 빔(102)이 펄스 레이저 빔인 경우, 레이저 소스(110)는 레이저 펄스(200)를 변조하기 위한 스위치(400)를 포함할 수 있다. 바람직한 구현에서, 이 스위치(400) 특히 빠른 0-100% 변조 기능을 제공하기 위한 Q 스위치이다. 스위치(400)는 레이저 컨트롤러(106)에 의해 제어된다.
도 5의 (a)는 도 1에 도시된 장치(100)를 기반으로하는 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)를 도시한 것이다. 도 1 및 도 5의 (a)에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 가지며 기능도 동일하다. 특히, 도 5의 (a)는 장치(100)의 가공 유닛(103) 및 공작물(101) 상으로 레이저 빔(102)을 가이드하는 유체 제트(104)를 도시한 것이다. 도 5의 (a)의 장치(100)는 가공 유닛(103)에 이점적으로 통합된 측정 유닛(107)을 갖는다. 이러한 방식으로, 측정 유닛(107)은 유체 제트(104)를 통해 공작물(101)상에 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성될 수 있다. 이는 컴팩트한 장치(100)와 동시에 공작물(101)의 특정 x-y 위치에서 z-위치의 정확하고 빠른 측정을 가능하게 한다. 도 5의 (a)는 현재 측정된 z-위치가 공작물 표면(109)에서 만입부(111)에 있는, 즉 z-방향으로 공작물 표면(109) 아래에 있음을 나타낸다. 그러나, 측정 유닛(107)은 마찬가지로 공작물 표면(109)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정할 수 있다.
측정 유닛(107)은 전자기파 또는 음파를 이용하여 z-위치를 측정하도록 구성 될 수 있다. 측정 유닛(107)은 공작물(101) 상에 전반사에 의해 유체 제트(104) 내로 가이드되도록 전자기 복사 또는 음파를 방출할 수 있다. 마찬가지로, 측정 유닛(107)은 전자기 복사 또는 음파의 반사를 각각 수신할 수 있다. 이러한 반사된 신호는 또한 유체 제트(104) 내에서 측정 유닛(107)을 향해 운반될 수 있다. 예를 들어, 대응하는 신호의 송신 및 수신 사이의 시간차를 평가함으로써, 측정 유닛(107)은 입사지점(108)의 z-위치를 계산할 수 있다. 측정 유닛(107)은 이 z-위치로부터 유체 제트(104)의 길이, 예를 들어, 가공 유닛(103)과 공작물 표면(109) 사이의 완전한 길이(1) 또는 공작물 표면(109) 내의 만입부(111)를 도면에 도시된 바와 같이 도출할 수 있다.
도 5의 (b)는 측정 유닛(107)이 공작물(101)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치, 즉 2개의 후속 레이저 펄스(200) 사이의 시간 간격 내에서 z-위치를 측정하도록 구성되는 시점을 도시한 것이다(점선 참조). 다시 말해, 측정 유닛(107)는 각각의 레이저 펄스(200) 이후 및 이전의 z-위치를 각각 측정할 수 있다. 레이저 펄스(200)를 제공하는 동안, 바람직하게는 측정이 수행되지 않는다. 이러한 방식으로, 측정 유닛(107)에 의해 수행된 측정은 레이저 펄스(200)에 의해 야기된 재료 절삭을 방해하지 않는다.
특히, 측정 유닛(107)이 장치가 재료를 절삭하기 위해 공작물(101) 상에 레이저 빔(102) 또는 레이저 펄스(200)를 제공하기 시작하기 전에 완전한 공작물 표면(109)을 스캔하고 측정하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 장치는 레이저 빔(102)으로 복수의 공작물 재료층을 층별로 절삭함으로써 공작물(101)을 성형하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 측정 유닛(107)은 각 층 이전에 전자기 복사 또는 음파를 이용하여 공작물 표면(109)을 스캔하고 이로써 표면 프로파일을 결정하도록 구성될 수 있다. 결정된 표면 프로파일에 기초하여, 레이저 컨트롤러(106)는 다음 층의 제어된 절삭을 위해 레이저 빔(102)의 에너지 또는 개별 레이저 펄스(200)를 각각 조정할 수 있다.
도 6은 도 1, 4 또는 5의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 장치(100)에 포함될 수 있는 다른 유리한 유닛을 도시한 것이다. 특히, 장치(100)는 공작물(101)의 절삭될 체적, 즉 초기 공작물로부터 최종 부품의 형상에 도달하도록제거될 다수의 층들로 표현되는 재료의 체적의 레이어 표현(601)을 계산하도록 구성된 처리 유닛(600)을 더 포함 할 수 있다. 장치(100)는 일반적으로 계산된 레이어 표현(601)에 기초하여 공작물(101)을 성형하도록 구성될 수 있다. 레이어 표현(601)을 생성하기 위해, CAD(Computer-Aided Design) 접근법이 이용될 수 있다. 레이어 표현(601)은 복수의 층 및 상기 층의 정의된 두께를 포함하며, 이들 층의 합이 공작물(101)로부터 제거되어야 하는 체적을 생성한다. 층은 각각으로 공작물(101)의 각각 완전한 표면 스캔을 이용해 절삭될 재료의 양을 나타낼 수 있다. 레이어 표현(601)은 처리 유닛(600)에 의해 레이저 컨트롤러(106)에 제공될 수 있고, 레이저 컨트롤러(106)는 각각의 층의 정의된 두께를 달성하기 위해 레이어 표현(601)에 기초한 레이저 빔(102) 또는 각각의 개별 레이저 펄스(200)의 에너지를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 7은 장치가 레이저 빔(102)을 가이드하는 유체 제트(104)를 사용하여(또는 아니면, 재료를 절삭하지 않으면서 표면(109)이 측정되지 경우) 공작물(101)의 표면 스캔을 어떻게 구현하는지를 도시한 것이다. 이를 위해, 모션 컨트롤러(105)는 유체 제트(104) 및/또는 레이저 빔(102)이 수평면일 수 있는 x-y 평면에서 공작물 표면(109)을 스캔하도록 공작물(101)의 x-y 위치를 변경하도록 구성될 수 있다. 표면 스캔은 라인별로, 칼럼별로 또는 임의의 다른 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 특히, 모션 컨트롤러(105)는 (레이저 빔(102)이 펄스되는 경우) 각각의 레이저 펄스(200) 후에 공작물(101)의 위치를 변경하도록 구성될 수 있다. 각각의 표면 스캔으로, 레이저 빔 에너지가 올바르게 설정되면 공작물(101)로부터 재료가 절삭될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(102) 또는 각각의 레이저 펄스(200)에는 공작물(101)의 주어진 x-y-z-위치에서 공작물 재료의 1-1000㎛ 깊이가 z-방향으로 절삭되도록 에너지가 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 공작물 표면(109)의 완전한 스캔은 두께가 1-1000 ㎛인 층을 절삭할 수 있다. 절삭된 층은 z-방향을 따라 그 두께가 균일하거나 불균일할 수 있다. 레이저 빔 에너지가 충분히 낮게 설정되거나 레이저 빔(102)이 꺼진 경우, 재료를 절삭하지 않고 표면 스캔을 수행할 수 있다. 이러한 스캔으로, 측정 유닛(107)은 공작물 표면(109)의 프로파일을 측정할 수 있다.
도 8은 장치(100)가 공작물 재료의 복수의 층(800)을 특히 층별로 절삭함으로써 공작물(101)을 성형하도록 구성되는 방법을 도시한 것이다. 복수의 층(800)은도 6에 도시된 계산된 레이어 표현(601)과 동일할 수 있다. 복수의 층들(800) 각각은 모션 컨트롤러(105)가 설정한 x-y 위치들에 의존하여 x-y 평면에서 미리 결정된 영역을 가질 수 있다. 바람직하게는, 모션 컨트롤러(105)는 레이어 표현(601)에 기초하여 공작물의 x-y-z-위치를 설정한다. 각각의 층(800)은 z-방향을 따라 개별적인 균일하거나 불균일한 두께를 가질 수 있으며, 여기서 두께는 레이저 컨트롤러(106)가 가공 유닛(103)에 대한 공작물(101)의 각각의 x-y-z-위치에 대해 설정된 레이저 에너지에 의존한다. 공작물(101)의 각각의 x-y-z-위치에 대해, 장치는 또한 공작물(101) 상에 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 결정하고 이에 따라 레이저 출력을 조정하여, 각각의 공작물 위치에서 특정 깊이의 공작물 재료가 z-방향으로 절삭되도록 구성된다.
도 9는 도 1, 4 또는 5의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 장치가 또한 공작물 재료를 절삭하는 동안 의도치 않게 발생하는 경사 및/또는 불규칙성을 교정할 수 있는 것을 도시한 것이다. 그러한 경사 및/또는 불규칙성이 시간상 정정되지 않으면, 에러가 각 층(800)과 합산될 수 있고, 최종 부품의 부정확한 3D 형상을 초래할 수 있다. 특히, 측정 유닛(107)은 따라서 최종적으로 절삭된 공작물 재료층(900)의 경사 및/또는 불규칙성을 결정하도록 구성된다. 예를 들어, 이는 각각의 레이저 펄스 후 깊이를 측정하거나 (예를 들어 재료 절삭없이) x-y 평면에서 공작물 표면(109)을 스캔함으로써 그리고 이에 의해 공작물(101)상의 유체 제트(104)의 복수의 입사지점(108)의 z-위치를 결정함으로써 수행될 수 있다. 이에 의해, 공작물(10)의 표면(109) 상의 경사 및/또는 표면 불규칙성(902)이 결정될 수 있고, 이로부터 경사/불규칙성(901)이 계산될 수 있다. 이는 도 9의 (a)에 도시되어 있다.
그런 후, 장치(100)는 최종 절삭된 층(900)의 결정된 경사 및/또는 불규칙성(901)에 기초하여 적어도 다음 층(800)을 절삭하도록 구성될 수 있다. 따라서, 표면 불규칙성 및/또는 경사(902)는 적어도 다음 층(800)을 절삭함으로써 제거될 수 있다. 이를 위해, 장치(100)는 공작물(101)를 이동시키는 레이저 에너지 또는 궤적을 적응시키도록 구성되고, 공작물(101)의 이동은 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 x-y-z-위치를 반복적으로 변경함으로써 야기된다. 이는 또한 적어도 다음 층(800)의 절삭을 위해 유체 제트(102)가 공작물(101) 위로 이동하는 궤적의 적응을 야기한다. 다시 말하면, 레이저 컨트롤러(106)는 상이한 x-y 위치에 대해 레이저 빔(102) 에너지를 적응시키거나 각 레이저 펄스(200)의 에너지를 개별적으로 적응시키도록 구성될 수 있다. 추가로(또는 선택적으로), 모션 컨트롤러(105)는 또한 예를 들어 표면 불규칙성(902)이 있는 경우, 공작물 표면(109)상의 특정 위치에서만 또는 주로 그 위치에 재료를 제거하기 위해 가압 유체 제트(104)의 궤적을 조정할 수 있다. 레이저 에너지 및/또는 공작물(101)을 이동시키는 궤적 및/또는 공작물(101)상의 유체 제트(102)의 입사각의 조정은 바람직하게는 결정된 경사 및/또는 불규칙성(901)에 기초하여 (또는 공작물 표면(109)상의 표면 경사 및/또는 불규칙성(902)에 기초하여) 수행된다. 장치는 이러한 방식으로 다음 절삭된 층(800)으로 시작하여 경사 및/또는 불규칙성(902)을 역시 제거할 수 있다. 불규칙성 및/또는 경사를 제거하기 위해 여러 층(800)을 취할 수 있다. 성공적인 제거 후에는, 정상적인 레이어별 절삭이 계속될 수 있다.
도 10은 레이저 빔(102)을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물(101)의 3D 성형을 위한 방법(1000)을 도시한 것이다. 이 방법(1000)은 가압 유체 제트(104)를 공작물(101) 상에 제공하고, 레이저 빔(102)을 공작물(101)을 향해 유체 제트(104)에 결합시키는 제 1 단계(1001)를 포함한다. 또한, 이 방법(1000)은 유체 제트(104)에 대한 공작물(101)의 x-y-z-위치를 설정하는 제 2 단계(1002)를 포함한다. 마지막으로, 이 방법(1000)은 적어도 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하는 제 3 단계(1003)를 포함한다.
상기 방법(1000)은 또한 상술한 장치의 기능에 따른 추가 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법(1000)은 특히 장치에 의해 역시 수행될 수도 있다. 바람직하게는, 상기 방법(1000)은 펄스 레이저 빔(102)을 제공하는 단계 및 상기 레이저 펄스(200)에 대한 x-y-z-위치 세트 및 상기 레이저 펄스(200)에 앞서 측정된 공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치에 기초하여 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지를 개별적으로 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 구현 형태뿐만 아니라 다양한 실시예와 함께 설명되었다. 그러나, 다른 변형도 도면, 명세서 및 독립 청구항의 연구로부터 당업자에 의해 이해되고 청구된 발명을 실시할 수 있다. 청구범위 및 명세서에서, "포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 다른 유닛은 청구범위에 인용된 여러 엔티티 또는 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단들이 서로 다른 종속항들에서 인용된다는 사실은 이러한 수단들의 조합이 유리한 구현에 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.

Claims (27)

  1. 레이저 빔(102)을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물(101)을 3D 성형하기 위한 장치(100)로서,
    공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)를 제공하고 상기 공작물(101)을 향해 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된 기계 가공 유닛(103);
    상기 가공 유닛(103)에 대한 공작물(101)의 x-y-z 위치를 설정하도록 구성된 모션 컨트롤러(105);
    z-방향으로 공작물(101)상에 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성된 측정 유닛(107); 및
    레이저 컨트롤러(106); 를 포함하고,
    상기 측정 유닛(107)은 x-y 평면에서 상기 공작물(101)의 표면(109)을 스캔하도록 구성되고, 상기 공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)의 복수의 입사지점(108)의 z-위치를 측정한 것에 의하여 상기 표면(109)의 프로파일을 결정하도록 구성되고,
    상기 레이저 컨트롤러(106)는 상기 표면(109)의 결정된 프로파일에 기초하여 다른 x-y 위치들에 대해 상기 레이저 빔(102)의 에너지를 조정하도록 구성되거나, 상기 모션 컨트롤러(105)는 상기 표면(109)의 결정된 프로파일에 기초하여, 상기 가압 유체 제트(104)가 상기 공작물(101) 위에서 이동하는 경로를 따라 궤적을 적응시키도록 구성되는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 컨트롤러(106)는 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 x-y-z-위치 및 측정 유닛(107)에 의해 측정된 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치에 기초하여, 레이저 빔(102)의 에너지를 조정하도록 구성되는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    레이저 빔(102)은 펄스식이고, 상기 레이저 컨트롤러(106)는 레이저 펄스(200)에 대해 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 x-y-z-위치 및 레이저 펄스(200) 이전에 측정 유닛(107)에 의해 측정된 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치에 기초하여, 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지를 개별적으로 조정하도록 구성되는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 레이저 펄스(200) 후 측정 유닛(107)에 의해 측정된 공작물(101) 상에 가압 유체 제트의 입사지점(108)의 z-위치에서 각각의 레이저 펄스(200)의 절삭 결과를 결정하도록 구성되고, 레이저 컨트롤러(106)는 결정된 절삭 결과에 기초하여 다음 레이저 펄스(200)의 에너지를 조정하도록 구성되는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    레이저 컨트롤러(106)는 레이저 펄스의 폭 및/또는 진폭을 설정함으로써 및/또는 연속 펄스들(200) 사이 펄스(200) 속도 및 그 결과 시간 지연을 설정함으로써및/또는 펄스 버스트(201)를 실행함으로써 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지를 제어하도록 구성되는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    레이저 컨트롤러(106)는 레이저 펄스(200)에 대해 모션 컨트롤러(105)에 의해 설정된 공작물(101)의 x-y-z-위치에서 공작물 재료를 z-방향으로 1 내지 1000㎛ 깊이로 절삭하도록 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지를 제어하도록 구성되는 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    레이저 빔(102)을 생성하기 위한 레이저 소스(110)를 더 포함하고, 상기 레이저 소스(110)는 레이저 펄스(200)를 변조하기 위한 레이저 컨트롤러(106) 및 고속 스위치를 포함하는 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 2개의 후속 레이저 펄스(200) 사이의 시간 주기내에 공작물(102)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성되는 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    모션 컨트롤러(105)는 각 레이저 펄스(200) 후 가공 유닛(103)에 대하여 상기 공작물(101)의 x-y-z-위치를 단계적으로 또는 연속적으로 변경시키도록 구성되는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    모션 컨트롤러(105)는 궤도를 따라 공작물(101)을 이동시킬 때 공작물(101)의 x-y-z-위치의 변화를 가속 또는 감속시키도록 구성되고,
    레이저 컨트롤러(106)는 거리 당 다수의 레이저 펄스(200)가 궤적을 따라 일정하도록 레이저 펄스 주파수를 각각 증가 또는 감소시키도록 구성되는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    모션 컨트롤러(105)에 의해 주어진 x-y-z-위치에 따라 공작물 표면(109)의 스캔 동안 레이저 빔(102)을 선택적으로 활성화시키거나 비활성화시키도록 구성된 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    레이저 빔(102)으로 공작물 재료의 복수의 층(800)을 층별로 절삭함으로써 공작물(101)을 성형하도록 구성된 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    복수의 층(800) 각각은 x-y 평면에서 개별적으로 미리 결정된 영역을 취하고 z-방향을 따라 개별적으로 미리 결정된 균일하거나 불균일한 두께를 갖는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    공작물(101)의 절삭될 체적의 레이어 표현(601)을 계산하도록 구성된 처리 유닛(600)을 더 포함하고, 상기 장치(100)는 계산된 레이어 표현(601)에 기초하여 공작물 재료의 복수의 층(800)을 절삭함으로써 공작물(101)을 성형하도록 구성되는 장치.
  15. 제 2 항에 있어서,
    공작물(101)의 절삭될 체적의 레이어 표현(601)을 계산하도록 구성된 처리 유닛(600)을 더 포함하고, 상기 장치(100)는 계산된 레이어 표현(601)에 기초하여 공작물 재료의 복수의 층(800)을 절삭함으로써 공작물(101)을 성형하도록 구성되며,
    레이저 컨트롤러(106)는 처리 유닛(600)으로부터 수신된 레이어 표현(601)에 더 기초하여 상기 레이저 빔(102)의 출력 또는 에너지를 제어하도록 구성되는 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 공작물(101)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 측정된 z-위치를 처리 유닛(600)으로 피드백하도록 구성되고,
    처리 유닛(600)은 상기 측정 유닛(107)으로부터의 피드백에 기초하여 레이어 표현(601)을 재계산하도록 구성되는 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    처리 유닛(600)은 공작물(101)로부터 절삭되는 각각의 공작물 재료층(800) 후에 레이어 표현(601)을 재계산하도록 구성되는 장치.
  18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 x-y 평면으로 공작물 표면(109)을 스캔하고 공작물(101)상에 유체 제트(104)의 복수의 입사지점(108)의 z-위치를 측정함으로써 마지막으로 절삭된 공작물 재료층(900)의 제 1 경사 또는 표면 불규칙성(901)과 공작물(101)의 표면(109)에서 제 2 경사 또는 표면 불규칙성(902)을 결정하도록 더 구성되고,
    상기 장치(100)는 측정 유닛(107)에 의해 결정된 제 1 경사 또는 표면 불규칙성(901)을 기초로 적어도 다음 층(800)을 절삭하도록 구성되는 장치.
  19. 제 3 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 x-y 평면으로 공작물 표면(109)을 스캔하고 공작물(101)상에 유체 제트(104)의 복수의 입사지점(108)의 z-위치를 측정함으로써 마지막으로 절삭된 공작물 재료층(900)의 제 1 경사 및/또는 표면 불규칙성(901)과 공작물(101)의 표면(109)에서 제 2 경사 및/또는 표면 불규칙성(902)을 결정하도록 더 구성되고,
    상기 장치(100)는 측정 유닛(107)에 의해 결정된 제 1 경사 및/또는 표면 불규칙성(901)을 기초로 적어도 다음 층(800)을 절삭하도록 구성되며,
    레이저 컨트롤러(106)는 적어도 다음 층(800)에 대해 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지 및/또는 측정 유닛(107)에 의해 결정된 제 1 경사 및/또는 표면 불규칙성(901)에 기초하여 각각의 레이저 펄스(200) 후에 x-y-z-위치를 변경함으로써 공작물(101)을 이동시키는 궤적을 개별적으로 적응시키도록 구성되는 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 전자기파 또는 음파를 사용하여 공작물(101)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성되는 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 유체 제트(104)의 특성 길이를 측정함으로써 공작물(101)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성되는 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    측정 유닛(107)은 유체 제트(104)를 통해 공작물(101)상의 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하도록 구성되는 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    측정 유닛(107)이 가공 유닛(103)에 통합되는 장치.
  24. 레이저 빔(102)을 이용한 재료 절삭에 의해 공작물(101)을 3D 성형하는 방법(1000)으로서,
    상기 방법(1000)은 공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)를 제공하는 단계와 공작물(101)를 향해 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합하는 단계(1001);
    유체 제트(104)에 대한 공작물(101)의 x-y-z-위치를 설정(1002)하는 단계;
    상기 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하는 단계(1003);
    x-y 평면에서 상기 공작물(101)의 표면(109)을 스캔하는 단계;
    상기 공작물(101) 상에 가압 유체 제트(104)의 복수의 입사지점(108)의 z-위치를 측정한 것에 의하여 상기 표면(109)의 프로파일을 결정하는 단계; 및
    상기 표면(109)의 결정된 프로파일에 기초하여 다른 x-y 위치들에 대해 상기 레이저 빔(102)의 에너지를 조정하는 단계 또는 상기 표면(109)의 결정된 프로파일에 기초하여, 상기 가압 유체 제트(104)가 상기 공작물(101) 위에서 이동하는 경로를 따라 궤적을 적응시키는 단계; 를 포함하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    유체 제트(104) 내에 펄스된 레이저 빔(102)을 결합(1001)하는 단계(1001);
    각각의 레이저 펄스(200)에 대한 공작물의 x-y-z-위치를 설정하고(1002) 각각의 레이저 펄스(200) 전에 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치를 측정하는 단계(1003); 및
    상기 레이저 펄스(200)에 대해 설정된 x-y-z-위치 및 레이저 펄스(200)에 앞서 측정된 공작물(101)상의 가압 유체 제트(104)의 입사지점(108)의 z-위치에 기초하여 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지를 개별적으로 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 표면(109)의 결정된 프로파일에 기초하여, 상기 레이저 빔(102)의 각각의 레이저 펄스(200) 후에 상기 공작물(101)의 x-y-z-위치를 변경함으로써 상기 레이저 빔(102)의 각각의 레이저 펄스(200)의 에너지 또는 상기 가압 유체 제트(104)의 궤적을 개별적으로 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 삭제
KR1020207015417A 2017-12-04 2018-12-04 액체 제트 가이드 레이저 빔에 의한 공작물의 3d 성형을 위한 장치 KR102574782B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17205193.0A EP3492210B1 (en) 2017-12-04 2017-12-04 Apparatus for 3d shaping of a workpiece by a liquid jet guided laser beam
EP17205193.0 2017-12-04
PCT/EP2018/083467 WO2019110580A1 (en) 2017-12-04 2018-12-04 Apparatus for 3d shaping of a workpiece by a liquid jet guided laser beam

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200091412A KR20200091412A (ko) 2020-07-30
KR102574782B1 true KR102574782B1 (ko) 2023-09-06

Family

ID=60569818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207015417A KR102574782B1 (ko) 2017-12-04 2018-12-04 액체 제트 가이드 레이저 빔에 의한 공작물의 3d 성형을 위한 장치

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20210170529A1 (ko)
EP (1) EP3492210B1 (ko)
JP (1) JP7370601B2 (ko)
KR (1) KR102574782B1 (ko)
CN (1) CN111432976B (ko)
IL (1) IL275136A (ko)
WO (1) WO2019110580A1 (ko)

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3353135B2 (ja) * 1998-03-04 2002-12-03 住友重機械工業株式会社 レーザ三次元加工装置
JPH11254161A (ja) * 1998-03-09 1999-09-21 Amada Co Ltd レーザー加工装置及び加工ヘッド駆動方法
US7379483B2 (en) * 2003-03-18 2008-05-27 Loma Linda University Medical Center Method and apparatus for material processing
FR2936177B1 (fr) * 2008-09-24 2011-08-26 Air Liquide Procede de soudage laser de type co2 avec buse a jet dynamique.
DE102011079083A1 (de) * 2011-07-13 2013-01-17 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks und Bearbeitungsvorrichtung
DE102012003202A1 (de) * 2012-02-17 2013-08-22 Vollmer Werke Maschinenfabrik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Schneiden oder mit Schneiden versehenen Werkstücken, mit einem Nasslaser
CN103358028A (zh) * 2013-07-16 2013-10-23 桂林电子科技大学 水射流激光刻划脆性材料超薄片的方法及系统
EP2960006B1 (de) * 2014-06-23 2019-02-20 Synova S.A. Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Lage eines Flüssigkeitsstrahls durch eine Änderung einer Konstellation
TW201628751A (zh) * 2014-11-20 2016-08-16 康寧公司 彈性玻璃基板之回饋控制的雷射切割
US10029330B2 (en) * 2015-06-17 2018-07-24 The Boeing Company Hybrid laser machining of multi-material stack-ups
EP3718676B1 (en) * 2015-07-28 2023-11-15 Synova SA Device and process of treating a workpiece using a liquid jet guided laser beam
JP2017177194A (ja) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社東京精密 レーザ加工装置及びレーザ加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
IL275136A (en) 2020-07-30
CN111432976A (zh) 2020-07-17
JP7370601B2 (ja) 2023-10-30
RU2020119336A (ru) 2021-12-10
EP3492210A1 (en) 2019-06-05
EP3492210B1 (en) 2023-08-30
JP2021505406A (ja) 2021-02-18
KR20200091412A (ko) 2020-07-30
RU2020119336A3 (ko) 2022-03-15
US20210170529A1 (en) 2021-06-10
EP3492210C0 (en) 2023-08-30
CN111432976B (zh) 2022-12-13
WO2019110580A1 (en) 2019-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10376992B2 (en) Method for machining a workpiece by a laser beam, laser tool, laser machine, machine controller
TWI504463B (zh) 用於控制雷射光束焦斑尺寸之方法和裝置
KR102583177B1 (ko) 타겟 특징부와 레이저 비임의 관통 렌즈 정렬을 사용하는 레이저 처리 시스템
CN105579185B (zh) 能够抖动的激光加工系统
JP5420635B2 (ja) レーザ工程におけるトレンチの深さ及び幅の実時間制御用スポットサイズ及び切削速度のオンザフライ操作法
US6177648B1 (en) Steered laser beam system with laser power control
CN103801838B (zh) 一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法
KR102104707B1 (ko) 레이저 가공을 위한 초기 거리 접근 방법
TW201811480A (zh) 將具有控制極度動態之雷射光束軸心沿既定加工路徑對金屬材料進行加工處理的方法以及用於實施該方法之機器及電腦程式
US20100155381A1 (en) Method and device for machining a workpiece
JP2011098390A (ja) 半完成品の表面形成用レーザ加工装置及び方法
US8350187B2 (en) Method and apparatus for laser machining
KR20170123250A (ko) 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치
Pothen et al. Compensation of scanner based inertia for laser structuring processes
KR102245810B1 (ko) Aod 라우트 프로세싱을 위한 레이저 시스템들 및 방법들
KR102574782B1 (ko) 액체 제트 가이드 레이저 빔에 의한 공작물의 3d 성형을 위한 장치
RU2777735C2 (ru) Устройство для трехмерного формирования заготовки
JP2021098223A (ja) レーザ加工装置及びレーザ加工方法
KR20190091016A (ko) 관성 무시 가공 장치 및 관성 무시 가공 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant