KR19990084559A - 레이저 빔을 이용한 금속 시제품 제작 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 기판 상에 외부 공급 금속을 레이저 빔을 조사하여 용융, 적층시키고 가공기로 절삭하여 금속 시제품을 제작하는 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 레이저 발생 장치, 레이저 발생 장치에 의해 발생된 레이저 빔을 집속점으로 집광시키기 위한 광학 장치, 레이저 빔의 집속점에 인접한 위치로 선재를 공급하는 선재 공급 장치로 이루어진 용접 모듈과, 용접 모듈에 의해 금속 기판 상에 적층된 금속 층을 절삭 가공하기 위한 금속 절삭 가공기로 구성된다. 또한, 본 발명은 레이저 발생 장치와 금속 절삭 가공기를 이용하여 금속 시제품을 제작하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 집속된 레이저 빔을 금속 기판에 조사하여 기판을 용융시켜 용융 풀을 형성하는 단계와, 용융 풀 안으로 금속 선재를 이송하는 단계와, 집속된 레이저 빔에 의해 금속 선재를 용융시키는 단계를 작업 테이블을 횡방향으로 소정 거리씩 이동시키면서 반복하여 일렬의 비이드를 형성하고 테이블을 비이드의 폭에 상응하는 거리만큼 종방향으로 이송하며 다음 비이드 열을 형성하는 과정을 반복하여 하나의 적층 면을 형성하고, 상기 적층 면을 소요 단면 형상으로 절삭 가공한 후, 상기 절삭 가공된 면상에 다시 상기 단계들을 반복하여 새로운 단면을 적층하여 시제품을 형성한다.

Description

레이저 빔을 이용한 금속 시제품 제작 장치 및 방법

본 발명은 레이저 빔을 이용한 금속 시제품 제작 장치 및 이 장치를 사용하여 금속 시제품을 제작하는 방법에 관한 것이다.

제품 개발 시에는 설계를 검증하고 조립성, 기능성 등의 확인을 위해 시제품(prototype)을 제작하게 된다.

현재, 산업 현장에서는 시제품을 깎아서 만들지 않고 원하는 단면을 한 층씩 적층시키면서 제작하는 신속 제작(rapid prototyping) 장치들이 널리 상용화되어 있다. 상용화된 장치들은 주로 플라스틱, 고분자 또는 종이 소재를 사용한다. 이와 같이 신속 제작 공정에 사용되는 소재는 대량 생산에 사용되는 소재와 달라 신속 제작 방법으로 제작되는 시제품들은 주로 디자인 검증용에만 사용되고 있는 실정이다.

이와 같이, 현재 상용화된 신속 제작 장치에는 플라스틱이나 종이 소재가 사용되고 있어 이들 소재를 사용하여 시제품을 제작할 경우에 원하는 기능성 시험을 실행하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 현재 금속 시제품을 신속하게 제작할 수 있는 기술중 대표적인 것은 레이저로 기판(substrate plate)에 금속 분말을 녹여서 적층하고 3축 가공으로 후처리를 행하는 레이저 제작 방법이며, 이 방법은 소위 LENS 또는 레이저 제너레이팅(Laser Generating)으로 불린다.

도1에는 종래 기술에 따른 레이저 빔을 이용한 시제품 제작 장치가 도시되어 있다. 이 제작 장치는 분말을 이송시키는 동시에 레이저 빔을 통과시키는 노즐과 레이저 빔 발생 장치 및 후처리 가공을 위한 3축 밀링 장치로 이루어져 있다.

상기 노즐은 분말과 보호 가스 및 냉각수용 통로인 호오스(2)와 레이저 빔 발생 장치(도시 생략)로부터의 레이저 빔이 통과하게 되는 통로인 광섬유(18)를 동축 방식으로 내장하고 있다. 또한, 노즐은 3축 밀링 공구(14)와 함께 작업 공구 고정대(4)에 고정되어 있으며, 이 고정대는 상하, 좌우 및 전후 방향으로 이동가능한 방식으로 이송 테이블(도시 생략)에 연결되어 있다.

도2에는 도1에 도시된 장치를 사용하여 구성한 레이저 용접 방식과 절삭 가공을 조합한 레이저 가공 공정이 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 것처럼, 상기 공정은 호오스(2; 도1)를 통해서 금속 분말을 작업 기판에 공급하면서 레이저 빔으로 용융시켜서(도2의 a) 원하는 단면을 형성한 후에, 밀링 공구(14)를 사용하여 3축 가공으로 상면과 측면을 가공하여(도2의 b) 정확한 치수와 표면 조도를 얻은 후에 다시 분말을 용융시키며 새로운 단면을 적층시킨다(도2의 c).

이와 같이, 종래의 기술에서는 레이저를 사용하여 기판을 용융시키고 용융 풀(melting pool)에 금속 분말을 분사시키는 방법을 사용하고 있다. 분말을 사용할 경우에 정밀한 노즐과 분말 이송 장치의 설계가 필요하다. 노즐의 설계 시, 금속 분말이 노즐 내부에서 막히지 않도록 하기 위하여 노즐의 각도 및 벽두께 등을 많은 실험을 통해서 얻은 경험을 토대로 설계해야 하며, 분말 이송 장치 또한 정확한 양의 분말을 이송해 주어야 하기 때문에 정밀해야 한다. 또한, 노즐을 통해서 분사된 금속 분말은 용융된 풀에 100 % 다 들어가지 않고 옆으로 떨어지기 때문에 제작 시 분말의 손실도 많은 편이다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자 분말 대신에 용접용 선재를 사용하고 적층식으로 제작된 면의 후처리 가공을 위하여 3축 가공기 대신에 5축 가공기를 사용한다.

본 발명에서는 레이저 빔을 이용하여 금속 시제품을 신속하게 제작하는 장치와 그 제작 방법을 제시하고자 한다. 본 발명의 장치 및 제작 방법의 가장 유용한 분야는 사출 성형용 시작 금형 제작 분야이다. 현재까지는 금형 제작 시에 일반 절삭 가공 방식이 사용되고 있는데, 금형 시제품 제작에 많은 시간이 소요되어 전체 제품 개발 기간이 길어지고 있는 실정이다.

본 발명에 따른 장치 및 방법을 사용하면 금형 제작 시간을 단축시킬 수 있다. 절삭 가공을 할 경우 NC 경로를 생성하고 나서 시뮬레이션을 통해 검증을 해야 하지만 적층 방식으로 제작을 할 경우 2차원 단면을 쌓아 올리기 때문에 복잡한 시뮬레이션을 할 필요가 없어 시간을 절약할 수 있다. 또한, 가공이 어려운 소재의 경우에 공구가 절삭 가공중에 마모되어 여러 번 교체해야 하지만, 본 발명에 따른 적층 방식을 이용하면 최종 형상에 가깝게 제작한 후 정삭하여 최종 정밀도 및 표면 조도를 얻기 때문에 절삭 공구 마모가 훨씬 적어 공구 교환 시간을 절약할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 장치 및 방법을 사용하면 제작 시간 단축 외에 기존의 가공 방법으로 제작할 수 없는 형상도 제작이 가능하다. 즉, 예를 들어 J-코어 형상의 냉각수 통로 등의 일반 절삭 가공으로는 제작할 수 없는 형상을 본 발명에 따른 장치와 방법을 이용하면 제작할 수 있게 된다.

본 발명의 일면에 따르면, 금속 기판 상에 외부 공급 금속을 레이저 빔을 조사하여 용융, 적층시키고 가공기로 절삭하여 금속 시제품을 제작하는 장치가 마련되는데, 이 장치는 레이저 발생 장치, 레이저 발생 장치에 의해 발생된 레이저 빔을 집속점으로 집광시키기 위한 광학 장치, 레이저 빔의 집속점에 인접한 위치로 선재를 공급하는 선재 공급 장치로 이루어진 용접 모듈과, 용접 모듈에 의해 금속 기판 상에 적층된 금속 층을 절삭 가공하기 위한 금속 절삭 가공기로써 구성된다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 레이저 발생 장치와 금속 절삭 가공기를 이용하여 금속 시제품을 제작하는 방법이 마련되는데, 상기 방법에서는 집속된 레이저 빔을 금속 기판에 조사하여 기판을 용융시켜 용융 풀을 형성하는 단계와, 용융 풀 안으로 금속 선재를 이송하는 단계와, 집속된 레이저 빔에 의해 금속 선재를 용융시키는 단계를, 작업 테이블을 횡방향으로 소정 거리씩 이동시키면서 반복하여 일렬의 비이드를 형성하고 테이블을 비이드의 폭에 상응하는 거리만큼 종방향으로 이송하며 다음 비이드 열을 형성하는 과정을 반복하여 하나의 적층 면을 형성하고, 상기 적층 면을 소요 단면 형상으로 절삭 가공한 후, 상기 절삭 가공된 면상에 다시 상기 단계들을 반복하여 새로운 단면을 적층하여 시제품을 제작한다.

본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 종래 기술에 따른 레이저 빔을 이용한 시제품 제작 장치를 도시한 개략 사시도.

도2는 레이저 용접 방식과 절삭 가공을 조합한 레이저 빔을 이용한 시제품 제작 공정을 도시한 설명도.

도3은 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 장치의 개략도.

도4는 본 발명에 따른 5축 가공기를 이용한 후처리 방법을 도시한 설명도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

2 : 분말 및 가스 공급 호오스

4 : 작업 공구 고정구

10 : 단면을 적층하여 제작한 시제품

14 : 3축 밀링 공구

16 : 노즐

18 : 광섬유

22 : 레이저 발생 장치

24 : 레이저 빔

26 : 광학 장치

30 : 노즐

32 : 선재

34 : 선재 공급 장치

38 : 기판

40 : 5축 가공기에 장착된 밀링 공구

42 : 거리 감지 장치

도3에는 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 이 장치는 용접용으로 사용되는 용접 모듈과 5축 가공기로 구성되어 있다.

용접 모듈은 레이저 발생 장치(22)와, 레이저 발생 장치(22)에 의해 발생된 레이저 빔을 집속점으로 집광시키기 위한 광학 장치(26)와, 레이저 빔의 집속점에 인접한 위치로 선재(32)를 공급하는 선재 공급 장치(34)로 이루어진다. 상기 레이저 발생 장치(22)로부터의 레이저 빔은 선재(32)와 기판(38)을 녹이는 데 사용된다.

상기 모듈은 본 발명에서는 5축 가공기로 된 통상의 밀링 공구인 금속 절삭 가공기(40)에 착탈식으로 장착된다.

또한, 상기 용접 모듈은 광학 장치(26)로부터 집속점에 인접한 시제품 표면까지의 거리를 측정하기 위한 거리 감지 장치(42)를 더 포함할 수도 있다.

상기 장치를 사용하여 시제품을 제작하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 레이저 빔을 이용하여 시제품이 만들어지는 기판(38)을 녹이며 이때 발생하는 용융 풀 안으로 선재(32)를 이송시킨다. 이때 사용할 수 있는 레이저 빔 공급원은 300 W 내지 1000 W 정도의 CO₂또는 Nd:YAG 레이저이다. 용접에 사용되는 선재의 직경은 원하는 단면의 크기에 따라 선택할 수 있다. 정밀한 부분을 제작할 경우에는 직경이 0.9 내지 1.2 mm인 선재를 사용하고, 넓은 면적을 적층하고자 할 때에는 직경이 2 내지 3 mm 정도인 선재를 사용한다. 테이블을 한 방향으로 이동시켜 하나의 비이드를 만들고 나면 다시 일정한 간격으로 테이블을 수평 방향으로 이송하여 다음 비이드를 완성된 비이드 옆에 적층한다. 이와 같은 작업을 반복하여 하나의 단면을 완성하고, 하나의 단면의 제작이 완료되면 그 위에 새로운 단면을 적층하여 3차원 시제품(36)을 제작한다.

제작 시의 중요한 파라미터로는 레이저 빔의 출력, 레이저 빔의 초점 직경, 선재의 이송 속도 및 테이블의 이송 속도 등이 있다. 이와 같은 파라미터를 조절함으로써 비이드의 품질인 폭과 높이가 결정된다. 한 층을 만들고 다음 층을 적층할 때 일정한 폭과 높이를 유지하기 위하여 레이저 빔의 초점이 일정해야 한다. 이를 위해서는 레이저 빔을 집속하는 광학 장치(26)와 생성된 비이드간의 간격이 일정하게 유지되어야 한다. 실험을 통하여 얻어진 비이드의 두께만큼 레이저 빔을 집속하는 광학 장치나 테이블을 Z축으로 이동하여도 가공 시 레이저 빔의 출력이 일정하지 않고 선재의 이송 속도도 일정하기 않으며 빔의 반사 등 실험 시에 예상할 수 없는 불규칙 현상 때문에, 생성되는 비이드의 높이가 각 층마다 반복 실험을 통해 얻은 결과와 비교하였을 때 약간씩 다르다. 따라서, 한 단면이 생성되고 나서 다음 면을 적층할 때 실험을 통하여 얻어진 비이드의 두께만큼 광학 장치나 테이블을 Z축 방향으로 이동하여도 집속하는 광학 장치(26)와 생성된 비이드간의 간격이 설정한 간격과 비교하였을 때 다르게 된다. 일정한 간격을 유지하기 위해서는 레이저 거리 측정 센서(42)를 사용하여 적층된 층의 높이를 온-라인식으로 측정하여 측정된 결과에 따라 레이저 빔의 출력과 선재 이송 속도를 조절하여 쌓이는 층의 높이를 제어해야 한다.

간격이 작아졌을 경우에는 출력을 낮추거나 선재 이송 속도를 높여서 높이를 감소시켜야 한다. 물론, 이 방법보다 간단한 방법으로는 상기 간격을 오프-라인(off-line) 방식으로 측정하여 그 차이만큼 광학 장치와 테이블을 Z축 방향으로 이송하는 방법도 있다.

그러나, 넓은 면을 적층할 때에는 일반 용접 방식이 레이저 용접보다 유리하며, 따라서 넓고 덜 정밀한 면은 일반 용접 방법으로 가공하고 작고 정밀한 면은 레이저 용접 방법으로 기공하는 방법도 고려할 수 있다.

도3에 도시된 장치에서는 레이저 대신에 일반 용접기를 사용할 수도 있다. 일반 용접기를 사용하면 레이저를 사용할 때보다 훨씬 저렴하지만 레이저 용접보다는 정밀도가 떨어지는 비이드가 적층되기 때문에 후처리 시간이 길어진다.

레이저 용접 방법으로 적층하고 나서 원하는 정밀도를 얻기 위하여 절삭 가공을 한다. 절삭 가공 순서에는 여러 가지 방법들을 사용할 수 있다.

먼저, 첫 번째 가공 방법으로는 원하는 정밀도 및 표면 조도를 얻기 위하여 매번 한 단면이 완성될 때마다 5축 가공기를 사용하여 생성된 면의 측면과 상면을 2 1/2D 식으로 가공하여 가로, 세로 및 Z축 방향으로 정확한 치수를 얻을 수 있는 방법이 있다. 상기 2 1/2D 가공 방법은 X, Y 평면에서 구동되는 공구를 Z 방향으로 수직 이동하여 가공하는 방법으로서 언더컷이 없는 경우에는 3축 장비로 실행할 수 있다. 이와 같은 방법을 사용할 경우, 용접 시 적층된 면의 높이를 정확하게 맞추어 주지 않아도 되는 이점이 있다. 따라서, 높이 제어가 필요하지 않다.

두 번째 가공 방법은 시제품이 용접식 적층 방식으로 제작 완료된 후, 5축 가공기를 사용하여 전체 제품을 부분적으로 후처리하는 것이다. 이 가공 방법은 첫 번째 방법보다 프로그래밍 시간이 많이 소요되지만 전체 가공 시간을 단축시킬 수 있다. 5축 가공기를 사용할 때의 장점은 공구를 A축, B축 방향으로 기울여 특수한 형상을 취하는 공구 대신에 일반 밀링 공구를 사용하여 후처리 작업을 수행할 수 있다.

도4에는 본 발명에 따른 5축 가공기를 이용한 후처리 방법이 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 것처럼, 일정한 각도로 기울어진 면을 3축으로 가공할 때에는 이에 맞는 공구를 사용해야 하지만(a의 경우), 5축으로 가공할 때에는 일반 밀(mill)을 가공 형상에 맞는 각도만큼 기울여서 가공할 수 있다(b의 경우).

세 번째 가공 방법으로는, 먼저 일반 5축 가공으로 블록을 가공하여 기초 형상을 대략적으로 만든 다음에 부분적으로 적층식 레이저 용접 방법으로 원하는 형상을 만들어 가는 것이다. 적층식 방법을 사용하는 부분은 적층식 방법으로는 간단하지만 절삭 가공으로 제작하기 힘든 부분들이다. 예를 들어, 폭이 좁고 깊이가 깊은 슬롯과 같은 경우 공구가 쉽게 파손되어 절삭하기 힘든 형상이지만 적층식 방법을 적용할 경우 쉽게 제작할 수 있다.

상기에 설명된 레이저 용접 방법과 5축 가공을 조합한 방법을 금형 인서트 코어와 공동(cavity) 제작에 사용할 경우, 냉각수 통로를 형상에 맞게(conformal cooling channel) 제작할 수 있는 장점이 있다. 일반 가공 방식을 사용할 경우 냉각수 통로는 드릴로 제작하기 때문에 직선으로 되지만 적층 방식을 사용할 경우에는 코어와 공동 형상에 따라 제작할 수 있기 때문에 사출 성형 시에 더 효과적인 냉각을 수행할 수 있다. 따라서, 냉각 사이클 시간을 줄여서 전체 제작 시간을 줄일 수 있게 된다.

본 발명에서는 종래의 기술에서와는 달리 금속 분말을 사용하는 대신에 금속 선재를 사용함으로써, 정밀한 노즐과 분말 이송 장치를 필요로 하지 않는다. 따라서, 노즐의 설계 시 고려해야 하는 사항인 노즐의 각도 및 벽두께 등을 결정하는 데 소요되는 시간 및 비용을 줄일 수 있다. 또한, 노즐을 통해서 분사된 금속 분말이 용융된 풀에 100 % 다 들어가지 않고 옆으로 떨어지기 때문에 제작 시 분말의 손실도 많았던 종래 기술에서의 단점을 해결할 수 있다.

본 발명에서 제시한 장치와 제작 방법을 사용할 경우 신속하게 금속 시제품을 제작할 수 있어서 금형 제작 분야에 널리 적용할 수 있다. 시작 금형과 같은 경우에는 3축 또는 5축 절삭 가공, 또는 방전 가공으로 제작을 하는데, 설계 변경이 많은 제품 개발 단계에서는 설계 변경에 따라 제작에 많은 시간이 소모되어 전체 개발 시간을 크게 증가시키고 있다. 적층식 레이저 용접 방법과 일반 5축 가공을 결합시킨 방식을 사용하면 시작 금형 제작 시간을 크게 단축시킬 수 있으며 형상에 일치하는 냉각 통로를 제작할 수 있기 때문에 사출 성형 시 냉각 사이클 시간을 줄일 수 있다. 또한, 일반 절삭 가공으로 제작이 불가능한 J-코어 형식의 냉각수 통로의 제작도 가능해진다.

본 발명에서 제시한 장치는 금형 제작 외에 금형 수리용으로도 사용할 수 있다. 금형의 마모된 부분을 레이저 용접 방법으로 원하는 형상에 근접하게 채우고 절삭 가공을 통하여 후처리를 해주면 후처리 양이 일반 용접 방법에 비해 적기 때문에 일반 용접 방법보다 빠르게 금형을 수리할 수 있다.

Claims (11)

1. 금속 기판 상에 외부 공급 금속을 레이저 빔을 조사하여 용융, 적층시키고 가공기로 절삭하여 금속 시제품을 제작하는 장치에 있어서,

   레이저 발생 장치(22), 레이저 발생 장치(22)에 의해 발생된 레이저 빔을 집속점으로 집광시키기 위한 광학 장치(26), 레이저 빔의 집속점에 인접한 위치로 선재(32)를 공급하는 선재 공급 장치(34)로 이루어진 용접 모듈과,

   용접 모듈에 의해 금속 기판 상에 적층된 금속 층을 절삭 가공하기 위한 금속 절삭 가공기(40)로써 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 용접 모듈이 금속 절삭 가공기(40)에 착탈식으로 장착된 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 절삭 가공기(40)가 5축 가공기인 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 장치(26)로부터 집속점에 인접한 시제품 표면까지의 거리를 측정하기 위한 거리 감지 장치(42)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 장치.
5. 레이저 발생 장치와 금속 절삭 가공기를 이용하여 금속 시제품을 제작하는 방법에 있어서,

   집속된 레이저 빔을 금속 기판에 조사하여 기판을 용융시켜 용융 풀을 형성하는 단계와, 용융 풀 안으로 금속 선재를 이송하는 단계와, 집속된 레이저 빔에 의해 금속 선재를 용융시키는 단계를, 작업 테이블을 횡방향으로 소정 거리씩 이동시키면서 반복하여 일렬의 비이드를 형성하고 테이블을 비이드의 폭에 상응하는 거리만큼 종방향으로 이송하며 다음 비이드 열을 형성하는 과정을 반복하여 하나의 적층 면을 형성하고,

   상기 적층 면을 소요 단면 형상으로 절삭 가공한 후, 상기 절삭 가공된 면상에 다시 상기 단계들을 반복하여 새로운 단면을 적층하여 시제품을 제작하는 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 방법.
6. 제5항에 있어서, 거리 측정 센서를 사용하여 적층된 층의 높이를 측정하고 그 결과에 따라 레이저 빔의 출력과 선재 이송 속도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 절삭 가공 단계가, 한 단면이 완성될 때마다 5축 가공기를 사용하여 생성된 면의 측면과 상면을 2 1/2D 식으로 가공하는 단계인 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 방법.
8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 시제품이 용접식 적층 방식으로 제작 완료된 후에 5축 가공기를 사용하여 전체 부품을 부분적으로 후처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 방법.
9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 절삭 가공 단계가, 일반 5축 가공으로 블록을 가공하여 기초 형상을 대략적으로 만든 다음에 부분적으로 적층식 레이저 용접 방법으로 원하는 형상을 만들어 가는 단계인 것을 특징으로 하는 금속 시제품 제작 방법.
10. 제5항의 방법에 따라 제작된 금형의 J-코어 형상의 냉각수 통로.
11. 제5항에 따른 방법을 사용하여 마모되거나 오버커팅된 금형을 수리하는 방법.