KR20170001641A - 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터에 관한 것으로, 제1 노즐(40)이 금속가루를 플라즈마로 용융시켜 수직으로 분사하여 금속제품(200)을 형성하고, 제2 노즐(50)이 금속가루를 플라즈마로 용융시켜 수평으로 분사하여 금속제품(200)을 형성한다. 카메라(70)가 제1 노즐(40)과 제2 노즐(50)에 의해 형성되는 금속제품(20)을 촬영하고, 메인 제어장치(60)는 카메라(70)에서 입력되는 금속제품(200)의 영상을 처리하여 수직면에서 수평면이 연장되도록 형성하는 부분인 경우 상기 제1 노즐(40)과 제2 노즐(50)에서 금속제품의 최상층 부분과 최상층의 측면에 동시에 용융된 금속가루를 분사하도록 제어하여 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 제1 노즐에 의해 적층되는 윗면적층과 제2 노즐에 의해 적층되는 측면적층들의 층간의 접착력(adhesion)을 강화할 수 있다.
Description
본 발명은 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 금속분말을 용융시켜 금속제품을 제작하기 위해 최상층의 윗면을 적층하는 제 1 노즐과 최상층의 측면을 적층하는 제 2 노즐을 구비하여 윗면적층과 동시에 측면적층이 가능하도록 하여 수직에서 수평의 형상으로 천이할 때 층간의 접착력을 강화할 수 있고, 금속제품을 보다 빠르고, 신뢰성 있고, 정확하고, 경제적으로 제작할 수 있는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터 및 그 제어방법에 관한 것이다.
금속제품의 생산에 있어서는 먼저 제품을 설계하고 실험실에서 실험용 제품(prototype)을 제작한다. 이렇게 생산된 실험용 제품을 동작시키면서 원래의 설계대로 동작하는지 실험하면서 잘못된 부분을 수정하게 되며, 이러한 수정 과정은 상당한 시간, 노력 및 비용을 요한다.
이러한 수정과정을 여러번 반복하여 최종적으로 설계가 최적화된 제품이 결정되며 이 설계가 최적화된 금속 제품을 양산하게 된다. 대부분의 금속제품은 금형에 의해 만들어지며, 금형 설계 시간과 금형 제작 비용(tooling costs)이 매우 크므로, 대량 생산 설비를 갖춰서 생산비를 낮춰서 경제성을 갖추게 된다.
금속제품을 생산하는데 직접적인 기계 가공(direct machine work) 등의 다른 공정들도 사용 가능하지만 이와 같은 방법들은 전형적으로 단기 생산에 대해서만 비용면에서 효율적일 뿐 아니라 대개 생산된 부품의 질이 금형 부품에 비해 떨어진다.
3차원 금속제품을 생성하기 위한 기법들이 개발되어 오고 있으며, 3차원 금속제품을 만들어 내기 위해 원료를 여러 층으로 쌓거나 결합시키는 적층가공(additive manufacturing) 방식을 사용한다.
일반적인 프린터가 입력된 사진이나 문서에 따라 잉크를 분사하듯, 3D 프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄하면서 적층하는 방식으로서, 재료를 직접 자르거나 깎는 방식의 전통적인 생산방식을 절삭가공이라 하는 반면, 3D 프린팅은 새로운 층을 켜켜이 쌓는 방식이기 때문에 적층가공이라 칭하기도 한다.
이러한 AF(Additive Fabrication) 기술의 일 예가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, AF 기술은 3차원 CAD 데이터를 일정한 두께(또는 높이)로 절단하여 2차원의 면들로 구성한 다음, 도 1(a)에 도시된 베이스(B) 상에 금속을 녹여 붙이거나 소결하는 방법 등을 이용하여 2차원의 단면정보에 해당하는 금속층을 만들고{도 1(b)} 다시 그 위에 다른 금속층을 반복적으로 적층하는{도 1(c)} 방식으로 3차원 형상의 최종적 금속제품을 제작하게 된다{도 1(d)}.
그러나 이와 같은 3차원 적층가공방식은 해상도(resolution)와 비교적 구조 강도가 약하다는 것 및 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 층간의 접착력(adhesion)이 약해지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마를 이용하여 금속파우더를 적층하여 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 수직면과 수평면 경계를 2개의 노즐로 윗면적층과 동시에 측면적층이 이루어지도록 함으로써 내부가 완전히 채워지도록 하여 층간의 접착력(adhesion)이 약해지는 것을 방지할 수 있는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제1 노즐과 제2 노즐을 이용하여 금속제품 최상층의 윗면 적층과 동시에 측면적층이 가능하도록 하여 수직에서 수평의 형상으로 천이할 때 층간의 접착력을 강화할 수 있는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속 3 차원 프린터는 전원을 공급하는 전원장치와; 상기 전원장치에서 공급되는 전원을 고주파로 변환하여 제 1 노즐에 공급하는 제1 고주파 발진기와; 상기 전원장치에서 제 1 노즐에 공급되는 전류를 제어하는 제1 저항과; 금속분말을 플라즈마로 용융시켜 작업대에 적층되는 금속제품의 최상층 윗면에 분사하여 금속제품을 형성하는 제1 노즐과; 상기 전원장치에서 공급되는 전원을 고주파로 변환하여 제 2 노즐에 공급하는 제2 고주파 발진기와; 상기 전원장치에서 제 2 노즐에 공급되는 전류를 제어하는 제2 저항과; 금속분말을 플라즈마로 용융시켜측면에서 분사하여 금속제품의 최상층 측면을 형성하는 제2 노즐과; 상기 제 1 노즐과 제 2 노즐에 의해 형성되는 금속제품을 촬영하는 카메라와; 상기 카메라에서 입력되는 금속제품의 영상을 처리하여 수직면에서 수평면이 연장되도록 형성하는 부분인 경우 상기 제1 노즐과 제2 노즐에서 최상층 윗면과 측면에서 용융된 금속가루를 동시에 분사하도록 제어하는 메인 제어장치를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 노즐을 XY 평면에서 이동시키는 XY 테이블과; 상기 제2 노즐을 상승 및 하강시키고 상기 금속제품의 최상층 측면에 용융된 금속분말을 분사하도록 상기 제2 노즐을 회전시키는 상하회전 및 승강장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 노즐은 상기 전원장치에서 공급되는 전원에 의해 플라즈마 전극과 아크방전을 일으켜 고온의 플라즈마 가스를 분사하는 플라즈마 노즐과; 상기 플라즈마 노즐에서 분사되는 플라즈마 가스에 금속분말을 통과시켜 용융시켜 분사하는 금속분말 분사노즐과; 상기 금속분말 분사노즐에서 분사되는 용융된 금속분말과 금속제품의 산화를 방지하도록 차폐가스를 방출하는 차폐 가스노즐과; 상기 금속분말 분사노즐에 금속분말을 공급하는 금속분말 공급부와; 상기 차폐 가스노즐에 차폐가스를 공급하는 실드가스 공급부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상하회전 및 승강장치는 상기 제2 노즐이 부착되어 상하로 상승 및 하강하게 하는 볼스크류와; 상기 볼스크류의 회전방향에 따라 상하로 상승 및 하강하는 너트 지지대와; 상기 볼스크류의 너트 지지대에 부착되어 상기 제2 노즐을 상하로 회전시키는 상하회전 모터와; 상기 상하회전 모터의 회전축을 지지하는 힌지와; 메인제어장치의 제어에 따라 상기 볼스크류를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 볼스크류 모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메인 제어장치는 상기 카메라가 촬영한 금속제품의 영상을 분석하여 금속제품의 수직면과 수평면의 경계부분에서 제1 노즐과 제2 노즐에서 동시에 금속분말이 분사되도록 제어함으로써 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 상기 금속제품의 최상층 부분과 최상층의 측면에 용융된 금속분말이 적층되게 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이중노즐을 구비하는 금속 3 차원 프린터의 제어방법은 (a) 메인 제어장치가 내장 또는 외장 메모리에서 제작할 금속제품의 3차원 영상을 읽어들이는 단계와; (b) 상기 메인 제어장치가 카메라에서 현재 제작중인 금속제품의 영상을 촬영하여 읽어들이는 단계와; (c) 상기 메인 제어장치가 현재 제작중인 금속제품의 최상층에 적층되는 부분의 폭이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 해당층에 대한 폭보다 넓은지를 판단하는 단계와; (d) 상기 판단 단계에서 넓지 않은 경우, 금속분말 공급부를 제어하여 금속분말의 량을 증가시키고 금속분말의 증가량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 증가시키는 단계와; (e) 상기 판단 단계에서 현재 제작중인 금속제품의 최상층에 적층되는 부분의 폭이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 해당층에 대한 폭보다 넓지 않은 경우, 금속분말 공급부를 제어하여 금속분말의 량을 감소시키고 금속분말의 감소량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 감소시키는 단계와; (f) 현재 제작중인 금속제품의 최상층이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 최상층에 해당하는지를 판단하는 단계와; (g) 현재 제작중인 금속제품의 최상층이 최상층에 해당하지 않는 경우, 단계 (c)로 복귀하여 그 이하의 과정을 실행하고, 현재 제작중인 금속제품의 최상층이 최상층에 해당하는 경우, 본 프로그램을 종료하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금속 3 차원 프린터는, 플라즈마를 이용하여 용융된 금속분말을 적층하여 고가의 레이저 장비를 사용할 필요가 없어서 생산비를 절감할 수 있고, 레이저에 비해 플라즈마 가스는 1/10∼1/20 의 비용으로 생산할 수 있어서 10∼20 배의 금속분말을 용융시켜 분사함으로써 적층되는 폭을 증가시킬 수 있고, 수직에서 수평의 형상으로 천이할 때 층간의 접착력 (adhesion)을 강화할 수 있으며, 적층되는 최상층의 폭을 레이저에 의해 적층되는 최상층 폭의 10 배 이상으로 또한 시간적으로도 1/10 이상의 시간으로 빠르게 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 AF 기술을 이용하여 3 차원 형상의 제품을 제조하는 종래기술의 작업순서를 순차적으로 도시한 설명도,
도 2 는 본 발명에 의한 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 구성을 나타내는 블록도,
도 3 은 본 발명에 의한 제1 노즐이 금속제품의 최상층 윗면을 적층하는 일 실시예를 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명에 의한 제2 노즐이 금속제품의 측면에서 적층하여 형성하는 일 실시예를 나타내는 블록도,
도 5는 본 발명에 의한 제2 노즐이 상하회전 및 승강장치에 의해 상하로 승강되면서 금속제품의 측면에 적층하는 일 실시예,
도 6에 본 발명에 의한 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 제어방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 2 는 본 발명에 의한 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 구성을 나타내는 블록도,
도 3 은 본 발명에 의한 제1 노즐이 금속제품의 최상층 윗면을 적층하는 일 실시예를 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명에 의한 제2 노즐이 금속제품의 측면에서 적층하여 형성하는 일 실시예를 나타내는 블록도,
도 5는 본 발명에 의한 제2 노즐이 상하회전 및 승강장치에 의해 상하로 승강되면서 금속제품의 측면에 적층하는 일 실시예,
도 6에 본 발명에 의한 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 제어방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 금속 3 차원 프린터를 상세하게 설명한다.
도 2 에 본 발명에 의한 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 구성을 나타내는 블록도가 도시되고, 도 3에 본 발명에 의한 제1 노즐이 금속제품의 최상층 윗면을 적층하는 일 실시예를 나타내는 블록도가 도시된다.
본 발명에 따른 이중 노즐을 갖는 금속 3 차원 프린터(100)는, 전원을 공급하는 전원장치(10)와; 상기 전원장치(10)에서 공급되는 전원을 고주파로 변환하여 제1 노즐(40)에 공급하는 제1 고주파 발진기(20)와; 상기 전원장치(10)에서 제1 노즐(40)에 공급되는 전류를 제어하는 제1 저항(30)과; 금속분말을 플라즈마로 용융시켜 작업대(110)에 적층되는 금속제품의 최상층 윗면에 분사하여 금속제품(200)을 형성하는 제1 노즐(40)과; 상기 제1 노즐(40)을 XY 평면(작업대(110)에 대해 수평으로 제1 노즐(40)의 위에 놓이는 평면)에서 이동시키는 XY 테이블(90)과; 상기 전원장치(10)에서 공급되는 전원을 고주파로 변환하여 제2 노즐(50)에 공급하는 제2 고주파 발진기(25)와; 상기 전원장치(10)에서 제2 노즐(50)에 공급되는 전류를 제어하는 제2 저항(35)과; 금속분말을 플라즈마로 용융시켜 측면에서 분사하여 금속제품(200)의 최상층 측면을 형성하는 제2 노즐(50)과; 상기 제2 노즐(50)을 상승 및 하강시키고 상기 금속제품(200)의 최상층 측면에 용융된 금속분말을 분사하도록 상기 제2 노즐(50)을 회전시키는 상하회전 및 승강장치(80)와; 상기 제1 노즐(40)과 제2 노즐(50)에 의해 형성되는 금속제품(200)을 촬영하는 카메라(70)와; 상기 카메라(70)에서 입력되는 금속제품(200)의 영상을 처리하여 수직면에서 수평면이 연장되도록 형성하는 부분인 경우 상기 제 2 노즐(50)을 상승 및 하강시켜서 용융된 금속분말이 수직면에서 수평면이 연장되는 부분의 측면에 분사되도록 하면서 상기 제1 노즐(40)과 제2 노즐(50)에서 상기 금속제품(200)의 최상층 윗면과 측면에 동시에 용융된 금속가루를 분사하도록 제어하는 메인 제어장치(60)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의한 제1 노즐(40)은 XY 테이블(90)에 의해 상기 금속제품(200)의 최상층 윗면을 따라 이동하면서 금속분말을 플라즈마로 용융시켜 금속제품(200)의 최상층 윗면에 분사하여 금속제품(200)의 최상층 윗면을 적층하여 형성한다.
본 발명에 의한 제1 노즐(40)은, 도 3에 도시된 바와 같이 전원장치(10)에서 공급되는 전원에 의해 플라즈마 전극(41)과 아크방전을 일으켜 고온(예를 들면, 18000℃)의 플라즈마 가스를 분사하는 플라즈마 노즐(42)과; 상기 플라즈마 노즐(42)에서 분사되는 플라즈마 가스에 금속분말을 통과시켜 용융시켜 분사하는 금속분말 분사노즐(43)과; 상기 금속분말 분사노즐(43)에서 분사되는 용융된 금속분말과 금속제품(200)의 산화를 방지하도록 차폐가스를 방출하는 차폐 가스노즐(54)과; 상기 금속분말 분사노즐(43)에 금속분말을 공급하는 금속분말 공급부(45)와; 상기 차폐 가스노즐(44)에 차폐가스를 공급하는 실드가스 공급부(46)를 포함하여 구성된다.
전원장치(10)에서 공급되는 전원은 제1 고주파 발진기(20)에서 고주파로 변환되어 플라즈마 전극(41)에 인가된다. 플라즈마 전극(41)의 주변에는 플라즈마 가스가 통과하는 플라즈마 노즐(42)이 형성되어 있으며, 플라즈마 노즐(42)은 전원장치(10)의 양극에 연결되어 음극에 연결된 플라즈마 전극(41)과 아크 방전을 일으켜 플라즈마 노즐(42)을 통과하는 가스를 가열시켜 고온 플라즈마로 변환한다.
플라즈마 노즐(42)을 통과하면서 가열되어 고온 플라즈마로 변환된 가스는 플라즈마 노즐(42)의 입구에 형성된 금속분말 분사노즐(43)에서 금속분말과 만나서 금속분말들을 용융시킨다.
금속분말 분사노즐(43)에서 분사되면서 고온 플라즈마와 만나서 용융된 금속분말은 금속제품(200)의 윗면에 겹쳐져서 부착되면서 적층됨으로써 금속제품(200)의 가장 윗층의 형상을 형성한다.
본 발명에 의한 제 1 노즐(40) 및 제 2 노즐(50)은 플라즈마를 이용하여 금속분말을 용융시켜 금속제품(200)의 최상층 윗면과 측면에 용융된 금속분말을 층층이 적층시켜 금속제품(20)의 형상을 형성한다.
금속분말 공급부(45)와 실드가스 공급부(46)는 메인 제어장치(60)에 의해 제어되며 금속제품(200)의 제일 윗층이 이미 적층된 부분보다 더 넓은 폭을 갖는 경우 메인 제어장치(60)는 금속제품(200)을 형성하기 위한 해당 층에 대한 데이터를 내장 메모리 또는 외부 저장장치로부터 읽어들이고, 상기 읽어들인 해당 층에 대한 데이터에 따라 상기 금속분말 공급부(45)에서 공급되는 금속분말의 량을 증가시키고 그 증가량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 증가시킨다.
플라즈마 가스의 온도는 플라즈마 전극(41)과 플라즈마 노즐(42)에 인가되는 전류의 량에 따라 변화되며 메인 제어장치(60)는 제1 저항(30)의 저항값을 감소시켜 전류의 량을 증가시킴으로써 플라즈마 전극(41)과 플라즈마 노즐(42) 사이에서 발생하는 아크방전을 증가시킨다.
플라즈마 전극(41)과 플라즈마 노즐(42) 사이의 증가된 아크방전에 의해 플라즈마 노즐(42)에서 분사되는 플라즈마 가스의 온도는 증가하고 반대로 플라즈마 전극(41)과 플라즈마 노즐(42) 사이에서 발생하는 아크방전을 감소시킴에 따라 플라즈마 가스의 온도는 감소한다.
메인 제어장치(60)는 카메라(70)에서 입력되는 금속제품(200)에 대한 영상을 처리하여 현재 최상층에 적층되는 부분의 폭이 내장 메모리 또는 외부 저장장치로부터 읽어들인 해당 층에 대한 폭의 데이터와 동일한지를 판단하고 동일한 경우 그 다음층을 적층한다.
메인 제어장치(60)는 현재 적층되는 부분의 폭이 내장 메모리 또는 외부장치로부터 읽어들인 데이터보다 작은 경우 현재 적층된 부분을 반복하여 적층시키거나 금속분말 공급부(45)에서 공급되는 금속분말의 량과 플라즈마 가스의 온도를 증가시켜 적층되는 금속분말의 량을 중가시킴으로써 내장 메모리 또는 외부장치로부터 읽어들인 데이터의 폭으로 형성한다.
도 4에 본 발명에 의한 제2 노즐이 금속제품의 측면에서 적층하여 형성하는 일 실시예를 나타내는 블록도가 도시되고, 도 5에 본 발명에 의한 제2 노즐이 상하회전 및 승강장치에 의해 상하로 승강되면서 금속제품의 측면에 적층하는 일 실시예가 도시된다.
본 발명에 의한 제2 노즐(50)은 플라즈마 전극(51), 플라즈마 노즐(52), 금속분말 분사노즐(53) 및 차폐 가스노즐(54)이 제1노즐(40)과 동일하게 형성되어 있으며, 금속분말 분사노즐(53)에서 분사되는 금속분말은 플라즈마 노즐(52)에서 분사되는 플라즈마에 의해 용융되어 금속제품(200)의 제일 윗층 부분 측면에 적층된다.
본 발명에 의한 제2 노즐(50)은 상하회전 및 승강장치(80)에 의해 상하로 승강가능하고, 동시에 상하로 회전가능하게 구성되어 금속제품(200)의 측면이 수평으로 돌출되는 부분에 맞추어 용융된 금속분말을 적층할 수 있다.
본 발명에 의한 상하회전 및 승강장치(80)는 제2 노즐(50)이 부착되어 상하로 상승 및 하강하게 하는 볼스크류(81)와; 상기 볼스크류(81)의 회전방향에 따라 상하로 상승 및 하강하는 너트 지지대(83)와; 상기 볼스크류(81)의 너트 지지대(83)에 부착되어 상기 제2 노즐(50)을 상하로 회전시키는 상하회전 모터(82)와; 상기 상하회전 모터(92)의 회전축(82a)을 지지하는 힌지(85)와; 메인제어장치(60)의 제어에 따라 상기 볼스크류(81)를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 볼스크류 모터(86)를 포함하여 구성된다.
여기서 상하회전 모터(82)의 회전축(82a)에 제2노즐(50)을 직접 결합시켜 회전시키도록 구성하였지만, 상하회전 모터(82)의 회전속도를 감속시켜 제2노즐(50)을 회전시켜야 하는 것은 당업계의 기술자들에게 자명한 사항이므로 자세한 그림과 설명을 생락한다.
메인제어장치(60)는 카메라(70)에서 입력되는 금속제품(200)의 영상에서 현재 최상층 부분의 측면에 제2 노즐(50)에서 분사되는 용융된 금속분말이 현재 최상층 부분의 측면에서 적층되도록 상하회전 및 승강장치(80)를 제어한다.
따라서 메인 제어장치(60)는 카메라(70)가 촬영한 금속제품(200)의 영상을 분석하여 금속제품(200)의 수직면과 수평면의 경계부분에서 제1 노즐(40)과 제2 노즐(50)이 동시에 용융된 금속분말을 분사하도록 제어함으로써 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 금속제품(200)의 최상층 부분과 최상층의 측면에 용융된 금속분말이 적층되게 하여 제1 노즐(40)에 의해 적층되는 윗면적층과 제2 노즐(50)에 의해 적층되는 측면적층들의 층간의 접착력(adhesion)을 강화할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 제 1 노즐(40) 및 제 2 노즐(50)은 플라즈마를 이용하고 제 1 노즐(40) 및 제 2 노즐(50)이 동시에 분사되도록 함으로써 고가의 레이저 장비를 사용할 필요가 없어서 생산비를 절감할 수 있고, 레이저에 비해 플라즈마 가스는 1/10∼1/20 의 비용으로 생산할 수 있어서 10∼20 배의 금속분말을 용융시켜 분사할 수 있으므로 적층되는 최상층의 폭을 레이저에 의해 적층되는 최상층 폭의 10 배 이상으로 또한 시간적으로도 1/10 이상의 시간으로 빠르게 형성할 수 있다.
도 6에 본 발명에 의한 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 제어방법을 나타내는 플로우차트가 도시된다.
단계 S1에서 메인 제어장치(60)는 내장 또는 외장 메모리에서 제작할 금속제품이 3차원 영상을 읽어들인다.
단계 S2에서 메인 제어장치(60)는 카메라(70)에서 현재 제작중인 금속제품(200)의 영상을 촬영하여 읽어들인다.
단계 S3에서 메인 제어장치(60)는 현재 제작중인 금속제품(200)의 최상층에 적층되는 부분의 폭이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 해당층에 대한 폭보다 넓은지를 판단하고, 넓지 않은 경우, 단계 S4에서 금속분말 공급부(45)를 제어하여 금속분말의 량을 증가시키고 금속분말의 증가량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 증가시킨다.
현재 제작중인 금속제품(200)의 최상층에 적층되는 부분의 폭이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 해당층에 대한 폭보다 넓지 않은 경우, 단계 S5에서 금속분말 공급부(45)를 제어하여 금속분말의 량을 감소시키고 금속분말의 감소량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 감소시킨다.
단계 S6에서 현재 제작중인 금속제품(200)의 최상층이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 최상층에 해당하는지를 판단하고, 현재 제작중인 금속제품(200)의 최상층이 최상층에 해당하지 않는 경우, 단계 S3으로 복귀하여 그이하의 과정을 실행하고, 현재 제작중인 금속제품(200)의 최상층이 최상층에 해당하는 경우, 본 프로그램을 종료한다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다.
10: 전원장치 20: 제1 고주파 발진기
25: 제2 고주파 발진기 30: 제1 저항
35: 제2 저항 40: 제1노즐
50: 제2 노즐
41, 51: 플라즈마 전극 42, 52: 플라즈마 노즐
43, 53: 금속분말 분사노즐 44, 54: 차폐가스노즐
45,55: 금속분말 공급부 46, 56: 실드가스 공급부
60: 메인 제어장치 70: 카메라
80: 상하회전 및 승강장치 81: 볼스크류
82: 상하회전 모터 83: 너트 지지대
85: 힌지 86: 볼스크류 모터
90: XY 테이블
100: 금속 3 차원 프린터 200: 금속제품
25: 제2 고주파 발진기 30: 제1 저항
35: 제2 저항 40: 제1노즐
50: 제2 노즐
41, 51: 플라즈마 전극 42, 52: 플라즈마 노즐
43, 53: 금속분말 분사노즐 44, 54: 차폐가스노즐
45,55: 금속분말 공급부 46, 56: 실드가스 공급부
60: 메인 제어장치 70: 카메라
80: 상하회전 및 승강장치 81: 볼스크류
82: 상하회전 모터 83: 너트 지지대
85: 힌지 86: 볼스크류 모터
90: XY 테이블
100: 금속 3 차원 프린터 200: 금속제품
Claims (6)
- 전원을 공급하는 전원장치와;
상기 전원장치에서 공급되는 전원을 고주파로 변환하여 제1 노즐에 공급하는 제1 고주파 발진기와;
상기 전원장치에서 제1 노즐에 공급되는 전류를 제어하는 제1 저항과;
금속분말을 플라즈마로 용융시켜 작업대에 적층되는 금속제품의 최상층 윗면에 분사하여 금속제품을 형성하는 제1 노즐과;
상기 전원장치에서 공급되는 전원을 고주파로 변환하여 제2 노즐에 공급하는 제2 고주파 발진기와;
상기 전원장치에서 제2 노즐에 공급되는 전류를 제어하는 제2 저항과;
금속분말을 플라즈마로 용융시켜측면에서 분사하여 금속제품의 최상층 측면을 형성하는 제2 노즐과;
상기 제1 노즐과 제2 노즐에 의해 형성되는 금속제품을 촬영하는 카메라와;
상기 카메라에서 입력되는 금속제품의 영상을 처리하여 수직면에서 수평면이 연장되도록 형성하는 부분인 경우 상기 제1 노즐과 제2 노즐에서 용융된 금속가루를 동시에 분사하도록 제어하는 메인 제어장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 노즐을 XY 평면에서 이동시키는 XY 테이블과; 상기 제2 노즐을 상승 및 하강시키고 상기 금속제품의 최상층 측면에 용융된 금속분말을 분사하도록 상기 제2 노즐을 회전시키는 상하회전 및 승강장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제1 노즐은 상기 전원장치에서 공급되는 전원에 의해 플라즈마 전극과 아크방전을 일으켜 고온의 플라즈마 가스를 분사하는 플라즈마 노즐과; 상기 플라즈마 노즐에서 분사되는 플라즈마 가스에 금속분말을 통과시켜 용융시켜 분사하는 금속분말 분사노즐과; 상기 금속분말 분사노즐에서 분사되는 용융된 금속분말과 금속제품의 산화를 방지하도록 차폐가스를 방출하는 차폐 가스노즐과; 상기 금속분말 분사노즐에 금속분말을 공급하는 금속분말 공급부와; 상기 차폐 가스노즐에 차폐가스를 공급하는 실드가스 공급부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터. - 제 2 항에 있어서,
상기 상하회전 및 승강장치는 상기 제2 노즐이 부착되어 상하로 상승 및 하강하게 하는 볼스크류와; 상기 볼스크류의 회전방향에 따라 상하로 상승 및 하강하는 너트 지지대와; 상기 볼스크류의 너트 지지대에 부착되어 상기 제2 노즐을 상하로 회전시키는 상하회전 모터와; 상기 상하회전 모터의 회전축을 지지하는 힌지와; 메인제어장치의 제어에 따라 상기 볼스크류를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 볼스크류 모터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 메인 제어장치는 상기 카메라가 촬영한 금속제품의 영상을 분석하여 금속제품의 수직면과 수평면의 경계부분에서 제1 노즐과 제2 노즐에서 동시에 금속분말이 분사되도록 제어함으로써 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 상기 금속제품의 최상층 부분과 최상층의 측면에 용융된 금속분말이 적층되게 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터. - (a) 메인 제어장치가 내장 또는 외장 메모리에서 제작할 금속제품의 3차원 영상을 읽어들이는 단계와;
(b) 상기 메인 제어장치가 카메라에서 현재 제작중인 금속제품의 영상을 촬영하여 읽어들이는 단계와;
(c) 상기 메인 제어장치가 현재 제작중인 금속제품의 최상층에 적층되는 부분의 폭이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 해당층에 대한 폭보다 넓은지를 판단하는 단계와;
(d) 상기 판단 단계에서 넓지 않은 경우, 금속분말 공급부를 제어하여 금속분말의 량을 증가시키고 금속분말의 증가량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 증가시키는 단계와;.
(e) 상기 판단 단계에서 현재 제작중인 금속제품의 최상층에 적층되는 부분의 폭이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 해당층에 대한 폭보다 넓지 않은 경우, 금속분말 공급부를 제어하여 금속분말의 량을 감소시키고 금속분말의 감소량에 비례하여 플라즈마 가스의 온도를 감소시키는 단계와;
(f) 현재 제작중인 금속제품의 최상층이 상기 메모리에서 읽어들인 3차원 영상의 최상층에 해당하는지를 판단하는 단계와;
(g) 현재 제작중인 금속제품의 최상층이 최상층에 해당하지 않는 경우, 단계 (c)로 복귀하여 그 이하의 과정을 실행하고, 현재 제작중인 금속제품의 최상층이 최상층에 해당하는 경우, 본 프로그램을 종료하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 노즐을 구비하는 플라즈마를 이용한 금속 3 차원 프린터의 제어방법.
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|---|---|---|---|
| KR20150091308 | 2015-06-26 | ||
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| CN107598168A (zh) * | 2017-10-27 | 2018-01-19 | 广东汉邦激光科技有限公司 | 等离子增材与机械切削的3d打印设备 |
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| JP2015085547A (ja) * | 2013-10-28 | 2015-05-07 | 株式会社東芝 | 積層造形装置及び積層造形物の製造方法 |
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2016
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