KR20160065437A

KR20160065437A - 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치

Info

Publication number: KR20160065437A
Application number: KR1020140169388A
Authority: KR
Inventors: 도용욱; 이정현
Original assignee: 참엔지니어링(주)
Priority date: 2014-11-30
Filing date: 2014-11-30
Publication date: 2016-06-09

Abstract

본 발명은 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치에 대한 것으로 더욱 상세하게는 선택적 소결에 의해 3차원 구조물을 적층 형성하는 장치에서 복수의 레이저를 사용할 수 있도록 레이저를 공급하고, 높은 정밀도를 유지하면서도 제작시간을 단축할 수 있는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치에 대한 것이다.
본 발명의 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치는 레이저를 발생시키는 레이저 광원과 레이저를 이용하여 3차원 구조물의 적층형성을 위해 마련된 레이어에 선택적으로 조사하는 복수의 조사모듈과, 레이저 광원의 레이저를 복수의 조사모듈에 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하는 레이저 분배모듈을 포함한다.
본 발명의 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치에 따르면 선택적 소결을 위해 복수의 조사모듈에 레이저를 효율적으로 공급할 수 있으며, 3차원 구조물을 정밀하게 제작하면서도 제작하는 시간을 절약할 수 있고, 환형빔을 사용하여 소재의 보충과 동시에 소결이 이루어짐에 따라 선택적으로 소결되는 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

선택적 소결을 위한 레이저 분배장치{Laser distributing apparatus for selective sintering}

본 발명은 3차원 구조물을 적층하여 형성하는 장치에 레이저를 공급하는 장치에 대한 것으로, 3차원 구조물을 적층형성하는 장치 중에 3차원 구조물의 각 레이어의 단면 형상에 따라 선택적으로 소결한 후 이를 적층하여 3차원 구조물을 형성하는 장치에 레이저를 순차적으로 복수의 조사모듈에 공급하거나 동시에 공급하는 레이저 공급장치에 대한 것이다.

최근 3차원 구조물을 적층형성하기 위한 3D 프린팅 기술이 각광을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 종래 2차원 내에서 이루어지던 프린팅을 넘어 3차원 구조물을 다양한 소재 및 방식을 활용하여 형성하는 기술로서 산업용으로 RP(Rapid Prototype : 쾌속조형)에 활용되어 주물, 단조, 기계적 절삭가공을 거치지 않고 3차원 구조물을 신속하게 만드는데 활용될 뿐만 아니라 항공, 우주용 부품 중 종래의 가공방식으로는 제조가 불가능한 부품을 제조하는데 활용되기도 한다.

이러한 3D Printing 기술은 크게 3가지로 분류되는데 고체형 재료를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식과 액체형 재료를 사용하는 SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식과 파우더형 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 나눌 수 있다.

FDM 방식은 플라스틱 재질의 필라멘트라고 불리는 얇은 플라스틱 실을 고온의 히터를 이용하여 녹인 다음 아래에서 위로 층층이 쌓아가는 방식으로 가격이 저렴하여 주로 개인용으로 사용되고 있고, SLA 방식은 빛을 받으면 고체로 변하는 광경화성 수지(액체 플라스틱)가 들어있는 수조에 레이저 빔을 쏘아서 필요한 부분만 고체화시키는 방식으로 소재가 광경화성 수지에 한정되며 출력물의 내구성이 떨어지는 단점이 있다.

SLS 방식은 레이저 빔을 이용한다는 측면에서 SLA 방식과 유사하지만 파우더형 재료(플라스틱 분말, 모래, 금속 등)를 이용하여 균일한 레이어를 형성한 후 레이저를 이용하여 선택적으로 소결시켜 3차원 구조물을 제작하는 방식으로 다양한 소재를 활용할 수 있고, 소재의 재활용이 가능한 장점이 있지만 장비의 가격이 고가이고 사용방식이 복잡한 단점이 있다.

SLS 방식의 경우 레이저를 이용하여 3차원 구조물의 단면 형상에 맞추어 균일한 레이어를 선택적으로 소결하고 이를 적층하여 3차원 구조물을 제작하는 방식인데 이를 위해 레이저를 공급하는 장치가 필수적으로 필요하다. 또한, SLS 방식은 레이어를 형성하고 레이저를 이용하여 선택적으로 소결한 후 다음 레이어를 형성하는 과정을 반복하게 됨에 따라 3차원 구조물의 크기가 커질 경우 제작에 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.

또한, 3차원 구조물을 정밀하게 제작하기 위해서는 적층 형성되는 레이어를 얇게 형성하여야 하지만 이럴 경우 3차원 구조물을 제작하는데 더 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 선택적 소결에 의해 3차원 구조물을 적층 형성하는 장치에서 복수의 레이저를 사용할 수 있도록 레이저를 공급하고, 높은 정밀도를 유지하면서도 제작시간을 단축할 수 있는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치는 레이저를 발생시키는 레이저 광원과 레이저를 이용하여 3차원 구조물의 적층형성을 위해 마련된 레이어에 선택적으로 조사하는 복수의 조사모듈과, 레이저 광원의 레이저를 복수의 조사모듈에 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하는 레이저 분배모듈을 포함한다.

또한, 레이저 광원은 파이버 형태로 레이저를 공급하는 이산화탄소(CO2) 레이저인 것을 특징으로 한다.

또한, 복수의 조사모듈 중에는 3차원 구조물의 적층형성을 위해 마련된 레이어에 레이저를 조사하기 위한 스캐너가 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 복수의 조사모듈 중에는 전기 수력학을 이용하여 잉크 소재를 분사하는 노즐 주위에 환형 형태로 레이저를 조사하는 환형 조사모듈이 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 복수의 조사모듈 중에는 압력을 이용하여 분말 소재를 분사하는 노즐 주위에 환형 형태로 레이저를 조사하는 환형 조사모듈이 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 환형 조사모듈에는 원추형상의 렌즈를 포함하고, 원추형상의 렌즈를 이용하여 레이저의 모양을 환형형태로 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 환형 조사모듈에는 집속렌즈를 더 포함하고, 집속렌즈의 위치를 조절하여 환형형태의 레이저 사이즈를 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 환형 조사모듈에는 환형 형태의 슬릿을 포함하고, 슬릿을 이용하여 레이저의 모양을 환형형태로 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 레이저 분배모듈은 반사미러 또는 빔스플리터를 이용하여 레이저를 복수의 조사모듈에 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 선택적 소결을 위해 복수의 조사모듈에 레이저를 효율적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 3차원 구조물을 정밀하게 제작하면서도 제작하는 시간을 절약할 수 있는 효과가 있다.

또한, 환형빔을 사용하여 소재의 보충과 동시에 소결이 이루어짐에 따라 선택적으로 소결되는 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치의 블록도이고,
도 2a, 2b는 본 발명의 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치의 환형 조사모듈의 제1실시예의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치의 환형 조사모듈의 제2실시예의 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치에서 환형 레이저의 사이즈를 조절하는 과정을 설명하는 도면이다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치의 블록도이다.

본 발명의 선택적 소결을 이한 레이저 분배장치는 선택적 소결을 위해 레이어(10)에 열을 공급하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 광원(100)과, 레이저 분배모듈(400)에서 공급된 레이저를 3차원 구조물의 단면 형상에 따라 소결시키기 위해 레이어(10)에 선택적으로 조사하는 복수의 조사모듈(200, 300)과 복수의 조사모듈(100, 200)에 레이저를 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하기 위해 레이저 광원(100)의 레이저의 광경로를 조절하는 레이저 분배모듈(400)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 레이저 광원(100)은 선택적 소결을 위해 필요한 열원인 레이저를 발생시키는 구성이다. 선택적 소결에 필요한 열원은 레이저가 아니라도 공급할 수 이 방법이 있지만 국부적으로 높은 온도를 손쉽게 공급하는 데에는 레이저가 가장 적합하다. 또한, 레이저를 발생시키는 방식에 따라 엑시머 레이저, 반도체 레이저, 고체 레이저 등이 있으나 고출력의 레이저를 발생시킬 수 있는 기체 레이저 중 CO2 레이저가 선택적 소결에 바람직하다. 또한, 발생된 레이저를 파이버의 형태로 공급하는 방식이 레이저를 조사모듈(200, 300)에 공급하기 위한 별도의 광학 구성을 생략할 수 있어 효율적이다.

본 발명의 조사모듈(200, 300)은 레이어(10)에 선택적 소결을 위해 3차원 구조물의 단면 형상에 따라 레이저를 조사하는 구성으로 제작시간과 정밀도의 측면에서 유리하도록 복수로 마련되어 있다.

조사모듈(200, 300)은 도 1에 제1조사모듈(200)과 환형 조사모듈(300) 두 개로 도시되어 있으나 필요에 따라서는 더 많은 조사모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

제1조사모듈(200)은 스캐너 방식으로 레이저를 조사하는데 스캐너 방식을 이용하는 경우 레이저를 순간적으로 빠르게 이동 조사할 수 있고, 국부적으로 정밀하게 레이저를 조사할 수 있어 다른 방식에 비해 소결과정을 정확하고 빠르게 수행할 수 있는 장점이 있다. 물론 스캐너는 레이저 광원(100)의 출력에 맞도록 구성함은 물론이다.

환형 조사모듈(300)은 3차원 구조물을 적층형성하기 위한 소재를 잉크 또는 분말 타입으로 노즐(310)을 통해 분사하는 타입에서 소재의 분사와 거의 동시에 소결이 이루어질 수 있도록 노즐(310)의 주위로 환형 형태의 레이저를 조사하는 구성이다.

소재를 분사하는 노즐(310)은 전기 수력학을 이용하여 전기장에 의해 잉크 타입의 소재를 분사할 수도 있고, 압력을 이용하여 분말 타입의 소재를 분사할 수 있으며 이는 소재의 특성, 적층형성하고자 하는 3차원 구조물의 특성에 따라 취사선택할 수 있다. 또한, 여러 개의 노즐을 구비하여 동시 다발적으로 분사 및 소결이 이루어질 수도 있다.

도 2a. 2b 및 3을 참조하여 본 발명의 환형 조사모듈(300)의 제1실시예와 제2실시예에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2a에서 원추형상의 렌즈(320)으로 레이저빔이 입사되면 원추형상의 렌즈(320)를 통과하면서 원추형상의 렌즈(320) 때문에 레이저빔이 환형을 변하게 된다. 도 2a에는 원추형상의 렌즈(320) 두 개를 이용하여 환형 형태의 레이저빔을 만들었지만 이는 평행한 환형빔을 만들어 레이저 분배모듈(400)와의 거리가 달라짐에 따라 환형빔의 크기가 변하지 않도록 하는 것으로서 환형빔의 크기가 변하더라도 상관없거나 레이저 분배모듈(400)과의 거리가 일정한 경우 원추형상의 렌즈(320)를 하나만 사용해도 무관하다.

도 2b는 원추형상의 렌즈(320) 사이에 포커스렌즈(330)을 배치하고 포커스렌즈(330)를 좌우로 움직여 우측 원추형상의 렌즈(320)로 입사되는 환형빔의 사이즈를 조절하기 위한 것으로 노즐(310) 주위로 조사되는 환형빔의 사이즈를 간단히 조절할 수 있는 장점이 있다. 물론 포커스렌즈(330) 원추형상의 렌즈(320) 사이가 아니라 우측 렌즈 끝단에 위치하여도 환형빔의 사이즈를 조절할 수 있다.

도 3은 환형 조사모듈(300)의 제2실시예를 도시한 것인데 원하는 형상으로 레이저빔의 모양을 조절하기 위해 원하는 형상만 뚫려 있는 슬릿(350)을 이용하는 방식인데 레이저 분배모듈(400)에서 공급된 레이저를 슬릿(350)에 조사하면 슬릿(350)에 뚫려 있는 형상으로 레이저빔이 통과하므로 레이저빔을 원하는 모양으로 조절할 수 있게 된다. 레이저빔이 슬릿(350)을 통과하고난 후 포커스렌즈(330)를 배치하여 노즐(310) 주위로 조사되는 레이저빔의 사이즈를 조절할 수도 있다.

도 4는 모양이 조절된 레이저빔의 사이즈를 조절하는 다른 방식을 도시한 도면인데 중간에 빔스플리터(360)을 배치하고 상하에 오목 또는 볼록의 원추형상 미러(370)를 배치한 후 입사된 레이저빔이 빔스플리터(360)을 통과 반사하면서 환형 형태로 변한 레이저빔이 출사하면 그 끝단에 포커스렌즈(330)를 배치하여 포커스렌즈(330)을 좌우로 이동시켜 환형빔의 사이즈를 조절하는 방식이다. 빔스플리터(360)이 특정 편광된 빛만 통과/반사하는 경우 원추형상 미러(370) 앞단에 편광방향을 조절하는 편광판(380)을 배치할 수도 있다.

본 발명의 레이저 분배모듈(400)은 레이저 광원(100)에서 공급된 레이저를 조사모듈(200, 300)에 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하는 구성이다. 레이저 분배모듈(400)은 조사모듈(200, 300)의 구성에 따라 레이저를 순차적으로 각 조사모듈(200, 300)에 공급할 수도 있고, 동시에 공급할 수도 있다. 우선 순차적으로 공급하는 경우는 제1조사모듈(200)이 레이어(10)에 레이저를 조사하여 소결을 마치고 난 후 환형 조사모듈(300)을 통해 조사하는 방식으로 3차원 구조물을 제작하는 때에 적용되는 것으로 이 경우 반사미러 등의 광학소자를 이용하여 광경로를 제1조사모듈(200)에서 환형 조사모듈(300)로 변경하는 역할을 수행한다. 동시에 공급하는 경우에는 제1조사모듈(200)과 환형 조사모듈(300)이 동시에 레이저를 조사하는 때에 적용되는 것으로 이 경우 빔스플리터 등 레이저를 분할하는 광학소자를 이용하여 레이저를 분할한 후 각 조사모듈(200, 300)로 레이저를 공급하는 역할을 수행한다.

레이저 광원 : 100 제1조사모듈 : 200
환형 조사모듈 : 300 레이저 분배모듈 : 400

Claims

3차원 구조물의 적층형성장치의 레이저 공급 장치에 있어서,
레이저를 발생시키는 레이저 광원과
상기 레이저를 이용하여 3차원 구조물의 적층형성을 위해 마련된 레이어에 선택적으로 조사하는 복수의 조사모듈과,
상기 레이저 광원의 레이저를 복수의 조사모듈에 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하는 레이저 분배모듈을 포함하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 1에서,
상기 레이저 광원은 파이버 형태로 레이저를 공급하는 이산화탄소(CO2) 레이저인 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 1에서,
상기 복수의 조사모듈 중에는 3차원 구조물의 적층형성을 위해 마련된 레이어에 레이저를 조사하기 위한 스캐너가 포함되는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 1에서,
상기 복수의 조사모듈 중에는 전기 수력학을 이용하여 잉크 소재를 분사하는 노즐 주위에 환형 형태로 레이저를 조사하는 환형 조사모듈이 포함되는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 1에서,
상기 복수의 조사모듈 중에는 압력을 이용하여 분말 소재를 분사하는 노즐 주위에 환형 형태로 레이저를 조사하는 환형 조사모듈이 포함되는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 4 또는 5에서,
상기 환형 조사모듈에는 원추형상의 렌즈를 포함하고,
상기 원추형상의 렌즈를 이용하여 레이저의 모양을 환형형태로 조절하는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 6에서,
상기 환형 조사모듈에는 집속렌즈를 더 포함하고,
상기 집속렌즈의 위치를 조절하여 환형형태의 레이저 사이즈를 조절하는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 4 또는 5에서,
상기 환형 조사모듈에는 환형 형태의 슬릿을 포함하고,
상기 슬릿을 이용하여 레이저의 모양을 환형형태로 조절하는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.
청구항 1에서,
상기 레이저 분배모듈은 반사미러 또는 빔스플리터를 이용하여 레이저를 복수의 조사모듈에 순차적으로 공급하거나 동시에 공급하는 것을 특징으로 하는 선택적 소결을 위한 레이저 분배장치.