KR20170114448A - 분말 공급기, 적층가공 장치 및 적층가공 방법 - Google Patents

분말 공급기, 적층가공 장치 및 적층가공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드, 분말을 토출 가능하도록 형성되고, 상기 헤드와 연통하는 노즐부, 상기 헤드의 일측에 장착되는 유량 제어부, 상기 헤드의 타측에 장착되는 초음파 생성부를 포함하여, 베드에 분말을 고르게 공급할 수 있는 분말 공급기 및 적층가공 장치가 제시된다. 또한, 본 발명은 베드의 내부로 분말을 공급하는 과정, 초음파를 인가하여 분말 및 분말층 중 적어도 하나를 균질화 처리하는 과정을 포함하여, 분말층을 균질하게 형성할 수 있는 적층가공 방법이 제시된다.

Description

분말 공급기, 적층가공 장치 및 적층가공 방법{Powder dispenser, Additive manufacturing apparatus and method}
본 발명은 분말 공급기, 적층가공 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베드에 분말을 고르게 공급할 수 있는 분말 공급기 및 적층가공 장치, 분말층을 균질하게 형성할 수 있는 적층가공 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅(3D printing)으로 잘 알려진 적층가공(additive manufacturing)은 미래의 핵심기술로 최근 주목되고 있는 제조기술로서, 이를 이용하여 금속 및 플라스틱 분말을 원하는 구조의 제품으로 출력한다. 통상적으로, 분말을 제품으로 출력하는 적층가공에는 분말 베드 용융결합(Powder Bed Fusion)방식 및 직접 에너지 조사(Direct Energy Deposition)방식이 있다.
이 중 정밀한 구조의 제품 제작에 유리한 분말 베드 용융결합 방식은 세부적으로 볼 때 SLS(Selective Laser Sintering), DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 및 SLM(Selective Laser Melting) 등의 방식으로 구분된다.
SLS 방식이 적용된 적층가공 장치는 주요 구성으로 레이저빔 또는 전자빔을 생성하여 조사하는 광원, 레이저빔 또는 전자빔의 경로를 안내하는 광학계, 가공이 진행되는 베드, 베드로 분말을 공급하는 롤러 및 분말을 평탄화하는 금속 블레이드를 가진다.
분말은 롤러에 의하여 베드에 적층되고, 레이저빔 또는 전자빔에 의해 소결되어 원하는 형상의 제품으로 제작된다. 베드로 공급되는 분말은 약 25㎛ 내지 150㎛의 입도이며, 베드의 전 영역에 약 50㎛ 내지 500㎛의 두께로 균일하게 적층되야 한다. 따라서, 베드로 공급된 분말은 금속 블레이드에 의하여 평탄화 처리된다.
이처럼 분말의 공급과 평탄화 처리가 분리된 과정으로 실시되기 때문에, 생산성이 감소되는 문제점이 있고, 롤러와 금속 블레이드 간의 작동이 상충하여 분말의 불균일성이 도리어 증가하는 문제점이 있다. 이는 출력되는 제품의 품질 저하를 야기한다.
한편, 본 발명의 배경이 되는 기술은 한국 공개특허공보 제10-2015-0065788호 및 일본 공개특허공보 특개2015-218395호에 게재되어 있다.
KR 10-2015-0065788 A JP 2015-218395 A KR 10-2013-0012669 A KR 10-2013-0029588 A
본 발명은 베드에 분말을 고르게 공급할 수 있는 분말 공급기, 적층가공 장치 및 적층가공 방법을 제공한다.
본 발명은 베드에 분말층을 균질하게 형성할 수 있는 분말 공급기, 적층가공 장치 및 적층가공 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 분말 공급기는 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드; 분말을 토출 가능하게 형성되고, 상기 헤드와 연결되는 노즐부; 상기 헤드의 일측에 장착되는 유량 제어부; 상기 헤드의 타측에 장착되는 초음파 생성부;를 포함한다.
상기 헤드는 상기 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드 몸체 및 상기 헤드 몸체에서 하측으로 돌출 형성되는 돌출부를 포함하고, 상기 노즐부 및 상기 초음파 생성부는 상기 돌출부를 중심으로 하여 상기 헤드의 이동 방향으로 서로 이격되어 장착될 수 있다.
상기 노즐부는 상기 돌출부의 내부에 형성된 통로와 연통하고, 상기 헤드 몸체와 상기 돌출부 사이에 상기 통로의 개도를 조절 가능한 밸브가 장착될 수 있다.
상기 노즐부는 상기 헤드의 내부에 형성된 통로와 연통된 슬릿 노즐을 포함하고, 상기 슬릿 노즐은 상기 헤드의 하부에 형성되어 상기 헤드의 이동 방향에 교차하는 방향으로 연장될 수 있다.
상기 유량 제어부는 상기 노즐부를 관통하여 장착되고, 회전력을 이용하여 상기 분말의 유동량을 제어할 수 있다. 상기 유량 제어부는 상기 슬릿 노즐의 내부를 따라 연장되는 회전 부재를 포함할 수 있다. 상기 회전 부재는 상기 슬릿 노즐이 연장된 방향을 중심으로 하여 회전 가능하게 형성되는 스크루 부재를 포함할 수 있다.
상기 초음파 생성부는 상기 베드를 마주보도록 상기 헤드의 하부면에 장착될 수 있다. 상기 초음파 생성부는 적어도 일면이 수평 방향으로 연장되어 상기 베드를 마주보는 진동 부재를 포함할 수 있다. 상기 진동 부재는, 압전 소자 및 초음파 진동자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 적층가공 장치는 내부에 공간이 형성되고, 상부면이 개방되는 베드; 분말을 토출 가능한 노즐부 및 초음파를 생성 가능한 초음파 생성부를 구비하고, 상기 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 분말 공급기; 상기 베드에서 이격되어 배치되고, 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔을 생성 가능하게 형성되는 빔 생성부; 및 상기 빔 생성부에서 조사되는 빔의 경로에 배치되어 상기 베드 측으로 상기 빔을 안내하는 광학부;를 포함한다.
상기 분말 공급기는 상기 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되고 내부에 통로가 형성된 헤드를 구비하고, 상기 노즐부 및 상기 초음파 생성부는 상기 헤드의 이동 방향으로 서로 이격되어 상기 헤드의 일측과 타측에 각각 장착될 수 있다.
상기 노즐부는 상기 헤드의 하부에 형성되어 상기 통로와 연통하는 슬릿 노즐을 포함하고, 상기 슬릿 노즐은 상기 헤드의 이동 방향에 교차하는 방향으로 연장될 수 있다.
상기 분말 공급기는 상기 헤드의 일측에 장착되는 유량 제어부를 구비할 수 있다. 상기 분말 공급기는 상기 슬릿 노즐에 장착되고, 회전력을 이용하여 상기 분말의 유동량을 제어하는 유량 제어부를 구비할 수 있다. 상기 유량 제어부는 상기 슬릿 노즐의 내부를 따라 연장되는 스크루 부재를 포함할 수 있다.
상기 초음파 생성부는 상기 헤드의 하부면에 장착되어 상기 베드를 마주볼 수 있다. 상기 초음파 생성부는 적어도 일면이 수평 방향으로 연장되어 상기 베드를 마주보는 진동 부재를 포함할 수 있다. 상기 진동 부재는 압전 소자 및 초음파 진동자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 적층가공 방법은 베드의 상측에 이격된 헤드를 이용하여 상기 베드의 내부로 분말을 공급하는 과정; 상기 헤드에 장착된 초음파 생성부를 이용하여 상기 베드로 공급 중인 분말 및 상기 베드의 내부에 형성된 분말층 중 적어도 하나에 초음파를 인가하여 균질화 처리하는 과정; 및 상기 분말층의 표층에 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔을 조사하는 과정;을 포함한다.
상기 분말을 공급하는 과정과 상기 초음파를 인가하는 과정은 동시에 실시될 수 있다. 상기 분말을 공급하는 과정과 상기 초음파를 인가하는 과정은 순차적으로 실시되거나 또는 독립적으로 실시될 수 있다.
상기 초음파를 인가하는 과정은, 상기 분말을 공급하는 과정이 실시 중인 것을 감지하고, 그 결과에 따라 상기 초음파의 주파수를 조절하는 과정;을 포함할 수 있다. 상기 초음파를 인가하는 과정은, 기 입력된 상기 분말의 성분과 입도에 따라 상기 초음파의 주파수를 조절하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 유량 제어부를 이용하여 분말의 유량을 정밀 제어할 수 있고, 다양한 입도의 분말을 원하는 두께의 분말층으로 정밀하게 공급할 수 있다. 또한, 초음파 생성부를 이용하여 낙하 중인 분말 및 낙하 장입된 분말에 직접적으로 초음파를 인가하여 이들의 유동성을 향상시키는 방식으로, 분말의 응집을 방지할 수 있고, 분말 사이의 공간 형성을 최소화할 수 있고, 분말을 균일하게 공급할 수 있다, 특히, 분말을 베드에 오차범위 내에서 동일 레벨로 정밀하게 도포할 수 있고, 베드 내에 분말층 전체를 균질하게 형성할 수 있어, 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따르면 유량 제어부와 초음파 생성부가 하나의 헤드에 구비됨에 따라, 분말 공급과 균질화가 동시에 또는 함께 실시될 수 있어 전체 공정이 간단해질 수 있고, 분말층 균질화가 분말 공급 과정 동안 실시간으로 지속하여 실시될 수 있고, 분말층의 전체층에서 실시될 수 있어, 생산성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 장치의 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분말 공급기의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 방법의 순서도이다.
도 5 및 도 6는 본 발명의 실시 예에 다른 적층가공 방법의 공정도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 비교 예에 따른 적층가공 방법의 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하에서는 SLS 방식이 적용된 적층가공 장치를 기준으로 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 다양한 분말을 소정의 두께로 토출하며 균일하고 균질한 분말층을 형성하도록 여러 산업부문의 각종 설비에 마련된 디스펜서 장치에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분말 공급기를 도시한 모식도이며, 도 3은 도 2의 A 부분을 절단하여 본 발명의 실시 예에 따른 분말 공급기의 단면을 도시한 모식도이다. 이때, 도 3은 헤드의 단면 구조를 단순화하여 통로 및 밸브의 도시를 생략하였고, 헤드와 노즐부와 초음파 생성부의 연결 및 위치 관계가 잘 보여지도록 도시하였다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 방법을 도시한 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 분말 공급기 및 적층가공 장치를 설명한다. 본 발명의 실시 예에 따른 분말 공급기(200)는 베드(100)의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드(210), 분말(P)을 토출 가능하게 형성되고, 헤드(210)와 연결되는 노즐부(220), 헤드(210)의 일측에 장착되는 유량 제어부(230), 헤드(210)의 타측에 장착되는 초음파 생성부(240)를 포함한다.
분말(P)은 금속 및 플라스틱 분말을 포함할 수 있다. 예컨대 분말(P)은 20㎛ 내지 100㎛ 의 입도로 마련될 수 있고, 레이저빔 또는 전자빔에 의하여 선택적으로 소결되며 적층되어 원하는 형상의 각종 제품(S)으로 제작될 수 있다.
분말(P)은 분말 저장조(250)에 저장되어 마련될 수 있고, 분말 공급기(200)의 노즐부(220)로 공급된 후, 유량 제어부(230)에 의해 정밀한 유량으로 낙하 공급될 수 있다. 분말(P)은 베드(100)의 내부에 수십㎛ 내지 수백㎛ 두께로 복수 층을 이루어 공급될 수 있고, 이의 반복에 의하여 베드(100) 내부에 하나의 분말층을 형성할 수 있다.
이처럼 분말(P)은 오차범위 내에서 동일 높이(레벨)로 정밀하게 도포될 수 있다. 이때, 오차범위는 도포된 분말층의 두께나 높이를 측정하는 과정에서 불가피하게 발생될 수 있는 이론 오차 및 계기 오차 등의 계통 오차로 인한 오차범위를 의미한다. 실질적으로 분말은 베드의 전체 영역에서 동일한 두께 및 높이로 평탄하고 균질하게 도포될 수 있다.
헤드(210)는 베드(100)의 상측에 이동 가능하게 배치되고, 분말(P)을 토출 가능한 노즐부(220)가 하부에 형성될 수 있다. 헤드(210)는 수평 방향으로 소정 면적을 가지고 수직 방향으로 소정 두께를 가지는 부재로서, 다면체 형상의 블록일 수 있다. 헤드(210)는 베드(100)의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드 몸체(211) 및 헤드 몸체(211)에서 하측으로 돌출 형성되는 돌출부(212)를 포함할 수 있다. 헤드 몸체(211)와 돌출부(212)의 내부를 관통하여 소정의 통로(미도시)가 형성될 수 있고, 이를 통하여 분말(P)이 노즐부(220)의 내부로 공급될 수 있다. 통로와 분말 저장조(250) 사이는 공급 라인으로 연결될 수 있다.
돌출부(212)는 헤드 몸체(211)보다 작은 크기로 헤드 몸체(211)의 중심부를 따라 연장되고, 헤드 몸체(211)의 하부면은 돌출부(212)를 중심으로 경사지게 형성되거나 또는 평평하게 형성될 수 있다. 돌출부(212)에 노즐부(220)와 초음파 생성부(240)가 각각 장착될 수 있는데, 이때, 돌출부(212)를 중심으로 하여 헤드(210)의 이동 방향으로 서로 이격되어 장착될 수 있다. 즉, 헤드(210)의 하부 일측에 노즐부(220)가 장착될 수 있고, 노즐부(220)에서 이격된 하부 타측에 초음파 생성부(240)가 장착될 수 있다.
헤드 몸체(211)와 돌출부(212)의 사이에는 밸브(213)가 장착될 수 있고, 밸브(213)는 헤드 몸체(211)와 돌출부(212)의 내부에 연장된 통로의 개도를 조절 가능하도록 형성될 수 있다. 밸브(213)와 유량 제어부(230)를 이용하여 분말(P)의 유량을 단계적으로 조절할 수 있다. 밸브(213)는 통로의 개도를 조절할 수 있는 각종 구조로 마련될 수 있고, 기계적 또는 전자적 또는 유압적인 작동 구조들 중 적합한 구조의 밸브로 마련될 수 있다.
한편, 헤드(210)는 노즐부(220) 및 초음파 생성부(240)가 장착될 수 있는 것을 만족하는 각종 구성 및 방식으로 형성될 수 있으며, 이의 구성 및 방식을 특별히 한정하지 않는다. 예컨대 헤드(210)는 반도체 설비의 다양한 코터(coater) 장치 등에서 사용되는 정밀 디스펜서의 구성 및 방식이 적용될 수도 있다.
노즐부(220)는 헤드(210)의 하부에 분말(P)을 토출 가능하도록 형성되며, 헤드(210)의 내부에 형성된 통로 구체적으로는 돌출부(212)의 내부에 형성된 통로와 연통할 수 있다.
노즐부(220)는 헤드(210)의 내부에 형성된 통로(미도시)에 연결된 슬릿 노즐을 포함할 수 있다. 통로는 헤드(210)의 내부를 관통하여 소정 길이 연장되며 슬릿 노즐의 내부 공간에 일측이 연결될 수 있고, 분말 저장조(250)의 공급 라인에 타측이 연결될 수 있다. 한편, 분말의 주입과 배출 및 바이패스 등을 위하여 통로와 슬릿 노즐 사이에는 별도로 제어 밸브(미도시)가 더 구비될 수 있다.
슬릿 노즐은 헤드(210)의 하부에 형성되어 헤드(210)의 이동 방향에 교차하는 방향으로 연장될 수 있다. 슬릿 노즐은 내부에 공간이 구비되고, 내부의 공간을 감싸도록 소정의 프레임이 단일 몸체로 형성되거나 복수의 몸체가 결합되어 형성되는 중공 통체일 수 있다. 슬릿 노즐은 내부가 통로에 연결되어 분말(P)을 공급받을 수 있다.
슬릿 노즐은 하부면에 슬릿 토출구(221)가 마련된다. 슬릿 토출구(221)는 슬릿 노즐의 하부면을 따라 연장될 수 있다. 슬릿 토출구(221)에는 예를 들어 슬라이드 방식의 게이트 부재(미도시)가 별도로 마련될 수 있고, 이를 이용하여, 분말(P)의 토출 면적을 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 노즐부(220)의 구조는 미립의 분말을 일정하고 균일하게 토출 가능한 것을 만족하는 기술적인 범주 내에서 다양하게 변경될 수 있고, 이를 특별히 한정하지 않는다.
유량 제어부(230)는 헤드(210)의 일측에 장착된다. 예컨대 유량 제어부(230)는 슬릿 노즐을 관통하여 장착될 수 있고, 회전력을 이용하여 분말(P)의 유동량을 정밀하게 제어하도록 형성될 수 있다.
유량 제어부(230)는 슬릿 노즐의 내부를 따라 연장되는 회전 부재를 포함할 수 있고, 회전 부재는 슬릿 노즐이 연장된 방향을 중심으로 회전 가능하게 형성되는 스크루 부재를 포함할 수 있다. 스크루 부재는 회전 속도 및 방향을 조절하며 분말(P)의 유동량을 정밀하게 조절할 수 있고, 이에 분말(P)을 균일하게 도포할 수 있다.
한편, 유량 제어부(230)의 구성은 상기한 바와 같이 스크루 타입으로 마련되는 것에 한정하지 않으며, 미립의 분말(P)을 정밀하게 유량 제어할 수 있는 것을 만족하는 기술적인 범주 내에서 다양하게 변경될 수 있고, 이를 특별히 한정하지 않는다. 예컨대 유량 제어부(230)는 반도체 설비의 각종 코터(coater) 장치 등에서 정밀 디스펜서의 유량 제어에 사용되는 각종 구성 및 방식이 적용될 수도 있다.
초음파 생성부(240)는 헤드(210)의 하부 타측에 장착될 수 있고, 예를 들어, 베드(100)를 마주보도록 헤드(210)의 하부면에 장착될 수 있다. 이때, 초음파 생성부(240)는 적어도 일면 예컨대 초음파 생성면이 수평 방향으로 연장되어 베드(100)를 마주보는 진동 부재를 포함할 수 있고, 진동 부재는 압전 소자 및 초음파 진동자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
초음파 생성부(240)는 적어도 헤드(210)의 하측에 약 16,000㎐이상의 초음속 진동파를 제공하는 것을 만족하는 다양한 수단이 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시 예에서는, 고주파 영역대의 초음파를 제공 가능한 초음파 생성부(240)를 예시한다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 200㎑ 이상의 고주파로 분류되는 메가소닉이나 울트라소닉에 해당하는 초음파를 생성하여, 도포 중인 분말(P)이나 베드(100)에 형성된 분말층에 인가할 수 있어, 분말(P)의 유동성을 상당히 향상시킬 수 있다.
이때, 메가소닉 및 울트라소닉에 해당하는 높은 주파수 대역의 초음파는 낮은 주파수 대역의 단주파나 다주파에 해당하는 초음파들에 비하여, 대상에 충격력을 가하지 않을 수 있고, 회절이 억제될 수 있으며, 직진성이 높다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 분말(P)의 유동성을 확보하면서도 안정적인 도포가 가능하다.
본 발명의 실시 예에서는, 초음파 생성부(240)에 의해 분말(P)이 물리적으로 응집되거나 편석되는 것을 방지할 수 있어 베드(100)의 전체 영역에서 분말층을 균질하게 형성할 수 있다. 특히, 초음파 생성부(240)가 헤드(210)에 마련되어 분말층의 상측에서 하측 방향으로 인가되며 분말층에 직접 초음파를 가할 수 있기 때문에 분말 공급 및 분말층의 균질화 처리 시 그 효과가 더욱 좋을 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예와 달리 초음파를 베드(100) 등을 통하여 간접적으로 인가하게 되면, 분말층의 진동이 베드(100)의 형상에 따라 위치별로 달라질 수 있고, 이에 분말층의 균질화가 어려울 수 있다.
한편, 도면상에서 초음파 생성부(240)와 노즐부(220)가 헤드(210)의 이동 방향으로 서로 이격되었으나, 도면에서 보여지는 초음파 생성부(240)와 노즐부(220)의 이격 간격은, 본 발명의 실시 예에 따른 구조를 예시적으로 보여주기 위해 과장된 것이다.
예컨대 초음파 생성부(240)와 노즐부(220) 간의 실제 이격 간격은 수㎜ 내지 수십㎜ 정도로 충분히 좁을 수 있다. 따라서, 초음파 생성부(240)에서 생성된 초음파의 진행 영역에 분말(P)의 도포 경로가 일부 겹치거나 완전히 포함될 수 있다.
물론, 초음파 생성부(240)의 초음파 인가 영역을 노즐부(220)의 슬릿 토출구(221) 하측으로 유도하는 방식은 다양할 수 있다. 예를 들어 초음파 생성부(240)를 경사지게 설치하여 초음파의 인가 영역을 소정 각도 회전시키거나, 주파수 크기를 변경하는 등의 방식으로 초음파의 분산각을 조절 가능하다. 이러한 방식들도 모두 본 발명의 실시 예의 변형 예로서 포함될 수 있다.
초음파 생성부(240)와 헤드부(210) 사이에는 진동 절연을 위한 마운트(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 초음파 생성부(240)의 초음파 생성면을 헤드(210)의 연장 방향을 중심으로 하여 회전시키도록 작동부(미도시)가 초음파 생성부(240)와 헤드부(210) 사이에 마련될 수 있다. 이때, 작동부에는 서보 모터나 링크 장치 등의 구조가 자유롭게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 장치를 설명한다. 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 장치는 상술한 분말 공급기(200)를 구비하는 적층가공 장치로, 챔버(미도시)의 내부에 마련될 수 있다.
적층가공 장치는 내부에 공간이 형성되고, 상부면이 개방되는 베드(100), 노즐부(220)와 초음파 생성부(240)를 구비하고 베드(100)의 상측에 이동 가능하게 배치되는 분말 공급기(200), 베드(100)에서 이격 배치되고 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔(L)을 생성 가능하게 형성되는 빔 생성부(310), 빔 생성부(310)에서 조사되는 빔(L)의 경로에 배치되어 베드(100) 측으로 빔(L)을 안내하는 광학부(320)를 포함할 수 있다.
베드(100)는 예컨대 분말이 담기는 용기로서, 내부가 상하로 관통된 중공의 통체(110), 통체(100)의 내부에 장착된 바닥면(120)을 포함하고, 바닥면(120)을 수㎛ 내지 수십㎛의 단위높이로 정밀하게 승강시키도록 승강기(130)가 바닥면(120)에 장착될 수 있다. 베드(100)는 테이블(미도시)에 설치되어 위치가 고정될 수 있고, 수평 방향 및 수직 방향 중 적어도 한 방향으로 이동 가능하게 테이블에 설치될 수 있다. 테이블(미도시)의 일측에는 장착부(미도시)가 마련될 수 있다.
장착부는 수평 방향이나 수직 방향 중 적어도 한 방향으로 이동 가능하게 설치되거나, 테이블에 설치되어 위치가 고정될 수 있다. 장착부에 분말 공급기(200)가 장착되어 지지될 수 있다. 장착부는 분말 공급기(200)를 수십㎛ 내지 수백㎛ 정도의 높이로 베드(100)에서 이격시키도록 정밀하게 작동될 수 있는 구성이면, 다양하게 적용될 수 있다.
한편, 베드(100), 테이블 및 장착부의 구성과 방식은 본 발명의 실시 예에서 특별히 한정하지 않는다. 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위하여, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
분말 공급기(200)는 베드(100) 상측에 이동 가능하게 배치되고 내부에 통로가 형성된 헤드(210), 헤드(210)를 중심으로 하여 헤드(210)의 이동 방향으로 서로 이격되어 헤드(210)의 일측과 타측에 장착되는 노즐부(220)와 초음파 생성부(240), 노즐부(220) 내에 배치되는 유량 제어부(230)를 포함할 수 있다.
헤드(210)는 내부에 통로가 형성되고, 하부에 슬릿 노즐이 형성되어 통로와 연통할 수 있다. 슬릿 노즐은 헤드(210)의 이동 방향에 교차하는 방향으로 연장될 수 있다. 유량 제어부(230)는 헤드(210)의 하부 일측에 장착되며, 구체적으로, 슬릿 노즐의 내부에 장착되어, 회전력을 이용하여 분말(P)의 유동량을 제어할 수 있다. 예컨대 유량 제어부(230)는 슬릿 노즐의 내부를 따라 연장되는 스크루 부재를 포함할 수 있다.
초음파 생성부(240)는 헤드(210)의 하부면에 장착되어 베드(100)를 마주보게 위치한다. 초음파 생성부(240)는 적어도 일면이 수평 방향으로 연장되는 진동 부재를 포함할 수 있고, 진동 부재는 압전 소자 및 초음파 진동자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
빔 생성부(310)는 베드(100)의 상측으로 이격 배치되며, 베드(100)의 내부로 레이저빔 또는 전자빔을 조사 가능하도록 레이저빔 또는 전자빔을 생성하는 역할을 한다. 광학부(320)는 빔 생성부(310)와 베드(100) 사이에 배치되어 빔 생성부(310)에서 조사되는 빔 경로와 초점을 조절한다. 예컨대 광학부(320)는 미러, 굴곡 렌즈 및 대물 렌즈 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 방법을 설명한다. 본 발명의 실시 예에 따른 적층가공 방법은 베드의 상측에 이격된 헤드를 이용하여 베드의 내부로 분말을 공급하는 과정, 헤드에 장착된 초음파 생성부를 이용하여 베드로 공급 중인 분말 및 베드의 내부에 형성된 분말층 중 적어도 하나에 초음파를 인가하여 균질화 처리하는 과정, 분말층의 표층에 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔을 조사하는 과정을 포함하고, 이의 전체 과정을 반복 실시함으로써 원하는 형상의 제품을 제조할 수 있다.
우선, 베드(100)의 내부로 분말(P)을 공급(S100)한다. 이때, 분말(P)은 노즐부(220) 및 유량 제어부(230)에 의하여, 수십 ㎛ 의 균일한 높이로 베드(100)의 바닥면(120)의 전체 영역에 도포될 수 있다.
그리고 헤드(210)에 장착된 초음파 생성부(240)를 이용하여, 베드(100)로 공급 중인 분말 및 베드(100)의 내부에 형성된 분말층 중 적어도 하나에 초음파를 인가(S200)하여 균질화 처리한다. 이때, 초음파는 베드(100)의 상측에서 하측을 향하여 인가되며, 수직하게 인가되거나, 분말의 도포 경로를 향하여 소정각도 경사지게 인가되거나, 소정의 분산각으로 분말의 도포 경로와 겹치도록 인가될 수 있다.
분말을 공급하는 과정과 초음파를 인가하는 과정은 동시에 실시되거나, 분말을 공급하는 과정과 상기 초음파를 인가하는 과정이 순차적으로 실시되거나, 또는 서로 독립적으로 실시될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 분말을 공급하는 과정과 초음파를 인가하는 과정의 순서 관계를 특별히 한정하지 않는다.
초음파가 도포 중인 분말(P)에 인가되면 분말(P)이 균질화되어 베드(100)의 전체 영역에 고르게 도포될 수 있다. 초음파가 이미 형성된 분말층에 인가되면 분말층 내의 분말이 초음파에 의하여 소정의 방식으로 거동하여 분말층의 전체 영역에서 균질하게 분포될 수 있다.
한편, 초음파를 인가하는 과정은, 분말을 공급하는 과정이 실시 중인 것을 감지하고, 그 결과에 따라 초음파의 주파수를 조절하는 과정을 더 포함할 수 있다. 즉, 베드(100)로 도포 중인 분말(P)에 인가되는 초음파의 주파수와 베드(100) 내에 형성된 분말층에 인가되는 초음파의 주파수를 다르게 할 수 있다.
예를 들면, 메가소닉과 울트라소닉에 해당하는 주파수 대역에 있어, 도포 중인 분말에 인가되는 초음파를 상대적으로 낮은 주파수 대역의 초음파로 인가하여, 분산각을 넓게 조절할 수 있고, 형성된 분말층에 인가되는 초음파를 상대적으로 낮은 주파수 대역의 초음파로 인가하여, 분산각을 줄이고 직진성을 높일 수 있다.
또는, 메가소닉과 울트라소닉에 해당하는 주파수 대역에 있어, 도포 중인 분말에 인가되는 초음파를 상대적으로 높은 주파수 대역의 초음파로 인가하여, 투과력과 충격력을 줄일 수 있고, 형성된 분말층에 인가되는 초음파를 상대적으로 낮은 주파수 대역의 초음파로 인가하여, 투과력과 충격력을 높일 수 있다. 이처럼 주파수 대역에 따른 초음파의 특성들을 선택적으로 활용하여, 분말 및 분말층의 균질화를 효과적으로 실시할 수 있다.
또한, 초음파를 인가하는 과정은, 분말(P)의 성분 및 입도에 따라 초음파의 주파수를 조절하는 과정을 포함할 수 있다. 즉, 분말(P)이 금속 분말일 때와 플라스틱 분말일 때를 구분하여 초음파의 주파수를 다르게 인가할 수 있고, 분말의 입도가 상대적으로 클 때와 작을 때를 구분하여 초음파의 주파수를 다르게 인가할 수 있다.
예를 들어, 초음파는 주파수 크기가 커질수록 입자가속도가 커진다. 즉, 주파수가 28㎑ 내지 40㎑의 경우 1500G 내지 2500G의 입자가속도를 가지고, 40㎑ 내지 90㎑의 경우 2500G 내지 5,000G 이상의 입자가속도를 가질 수 있다. 주파수가 200㎑ 이상인 메가소닉의 경우 100,000G 이상의 입자가속도를 가질 수 있다.
또한, 초음파는 주파수 크기가 커질수록 더 작은 입도의 입자 거동에 영향을 가할 수 있다. 즉, 주파수가 28㎑ 내지 40㎑의 경우 영향을 가할 수 있는 입자의 최소 입도가 2㎛이고, 40㎑ 내지 90㎑의 경우 영향을 가할 수 있는 입자의 최소 입도가 1.5㎛일 수 있다. 주파수가 200㎑ 이상인 메가소닉의 경우 영향을 가할 수 있는 입자의 최소 입도가 0.1㎛일 수 있다.
예컨대 입도가 미세할수록 또는 상대적으로 가벼운 성분의 분말일수록 메가소닉과 울트라소닉 중 상대적으로 주파수 크기가 큰 초음속을 분말층에 인가할 수 있고, 입도가 클수록 또는 상대적으로 무거운 성분의 분말일수록 메가소닉과 울트라소닉 중 상대적으로 주파수 크기가 작은 초음속을 분말층에 인가할 수 있다. 물론, 분말의 입도와 성분을 복합적으로 고려하여, 가장 적합한 주파수 범위의 초음파를 선택적으로 인가할 수 있다.
이후, 분말층의 표층에 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔을 선택적으로 조사하여 원하는 위치의 분말을 소정 형상으로 소결시킨다. 그리고 위의 과정들을 반복 실시하며 베드(100) 내에 원하는 형상의 제품(S)을 적층가공한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 다른 적층가공 방법의 공정도이다. 도 5는 분말의 공급과 분말층의 균질화 처리를 동시에 실시하는 과정을 도시한 공정도이고, 도 6은 베드에 공급된 분말층을 균질화 처리하는 과정을 도시한 공정도이다.
도 5 및 도 6에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 초음파 생성부를 이용하여, 분말의 유동성을 증가시키고, 노즐부(220)와 이의 내부에 구비된 유량 제어부를 이용하여 분말층을 균일하게 균질하게 형성할 수 있다.
반면, 도 6 및 도 7은 본 발명의 비교 예에 따른 적층가공 방법의 공정도이다. 이때, 도 6은 본 발명의 비교 예에 따른 종래의 적층가공 장치로 분말 공급을 실시하는 과정을 도시한 공정도이고, 도 7은 본 발명의 비교 예에 따른 종래의 적층가공 장치로 분말층의 표층을 평탄화 처리하는 과정을 도시한 공정도이다.
도 6을 보면, 본 발명의 비교 예에 따른 종래의 적층가공 장치는 서로 나란하게 설치된 파우더 베드(11)에서 소결 베드(12)를 향하여 롤러(R)를 회전시켜 분말을 밀어내는 방식으로 공급한다. 이후, 도 7과 같이, 블레이드(B)를 이용하여 분말층의 표층을 평탄화 처리한다. 이처럼, 본 발명의 비교 예에서는 분말(P)의 공급과 평탄화 처리가 서로 분리된 구성부에 의하여 각각 실시되기 때문에 그 과정이 번거롭다. 또한, 롤러(R)의해 분말(P)이 밀리면서 도포되는 과정에서 정밀한 도포량 관리가 어렵기 때문에, 분말층에는 분말의 일부가 응집된 결함부(d2)와 분말이 비어있는 결함부(d1)가 형성되게 되며, 이는 블레이드(B)에 의한 표층 평탄화 처리로는 제거할 수 없다. 이처럼 본 발명의 비교 예에 따른 종래의 적층가공 장치에서는 분말의 유동성을 관리할 수 있는 별도의 방법이 없어서, 분말층 내의 결함부를 제거할 수 없다. 이와 같이, 분말층에 형성되어 제거되지 못한 결함부(d1, d2)들은 제품(S')의 품질을 저하시키는 요인이 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 유량 제어부에 의하여 분말층의 표면에 정밀한 두께로 분말을 도포하며, 균질한 분말 레이어를 형성할 수 있다. 또한, 초음파 생성부에 의하여 도포 중인 분말 및 이미 형성된 분말층에 메가소닉 또는 울트라소닉 등의 초음파를 직접 인가함에 따라 유동성을 향상시킬 수 있어 균질한 분말 공급을 달성할 수 있고, 분말층의 전체 영역에서 분말의 응집을 방지할 수 있다. 또한, 초음파에 의하여 분말층을 평탄화하는 효과도 함께 얻을 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 상기 실시 예에 제시된 구성 및 방식들은 서로 결합되거나 교차 적용되어 서로 다른 다양한 형태로 변형될 것이고, 이러한 변형 예들을 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 결국, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야의 업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 베드 200: 분말 공급기
210: 헤드 220: 노즐부
230: 유량 제어부 240: 초음파 생성부
310: 빔 생성부 320: 광학부

Claims (24)

  1. 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드;
    분말을 토출 가능하게 형성되고, 상기 헤드와 연결되는 노즐부;
    상기 헤드의 일측에 장착되는 유량 제어부; 및
    상기 헤드의 타측에 장착되는 초음파 생성부;를 포함하는 분말 공급기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드는 상기 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 헤드 몸체 및 상기 헤드 몸체에서 하측으로 돌출 형성되는 돌출부를 포함하고,
    상기 노즐부 및 상기 초음파 생성부는 상기 돌출부를 중심으로 하여 상기 헤드의 이동 방향으로 서로 이격되어 장착되는 분말 공급기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 돌출부의 내부에 형성된 통로와 연통하고,
    상기 헤드 몸체와 상기 돌출부 사이에 상기 통로의 개도를 조절 가능한 밸브가 장착되는 분말 공급기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 헤드의 내부에 형성된 통로와 연통된 슬릿 노즐을 포함하고,
    상기 슬릿 노즐은 상기 헤드의 하부에 형성되어 상기 헤드의 이동 방향에 교차하는 방향으로 연장되는 분말 공급기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유량 제어부는 상기 노즐부를 관통하여 장착되고, 회전력을 이용하여 상기 분말의 유동량을 제어하는 분말 공급기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 유량 제어부는 상기 슬릿 노즐의 내부를 따라 연장되는 회전 부재를 포함하는 분말 공급기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회전 부재는 상기 슬릿 노즐이 연장된 방향을 중심으로 회전 가능하게 형성되는 스크루 부재를 포함하는 분말 공급기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파 생성부는 상기 베드를 마주보도록 상기 헤드의 하부면에 장착되는 분말 공급기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 초음파 생성부는 적어도 일면이 수평 방향으로 연장되어 상기 베드를 마주보는 진동 부재를 포함하는 분말 공급기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 진동 부재는, 압전 소자 및 초음파 진동자 중 적어도 하나를 포함하는 분말 공급기.
  11. 내부에 공간이 형성되고, 상부면이 개방되는 베드;
    분말을 토출 가능한 노즐부 및 초음파를 생성 가능한 초음파 생성부를 구비하고, 상기 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되는 분말 공급기;
    상기 베드에서 이격되어 배치되고, 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔을 생성 가능하게 형성되는 빔 생성부; 및
    상기 빔 생성부에서 조사되는 빔의 경로에 배치되어 상기 베드 측으로 상기 빔을 안내하는 광학부;를 포함하는 적층가공 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 분말 공급기는 상기 베드의 상측에 이동 가능하게 배치되고 내부에 통로가 형성된 헤드를 구비하고,
    상기 노즐부 및 상기 초음파 생성부는 상기 헤드의 이동 방향으로 서로 이격되어 상기 헤드의 일측과 타측에 각각 장착되는 적층가공 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 헤드의 하부에 형성되어 상기 통로와 연통하는 슬릿 노즐을 포함하고,
    상기 슬릿 노즐은 상기 헤드의 이동 방향에 교차하는 방향으로 연장되는 적층가공 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 분말 공급기는 상기 헤드의 일측에 장착되는 유량 제어부를 구비하는 적층가공 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 분말 공급기는 상기 슬릿 노즐에 장착되고, 회전력을 이용하여 상기 분말의 유동량을 제어하는 유량 제어부를 구비하는 적층가공 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 유량 제어부는 상기 슬릿 노즐의 내부를 따라 연장되는 스크루 부재를 포함하는 적층가공 장치.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 초음파 생성부는 상기 헤드의 하부면에 장착되어 상기 베드를 마주보는 적층가공 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 초음파 생성부는 적어도 일면이 수평 방향으로 연장되어 상기 베드를 마주보는 진동 부재를 포함하는 적층가공 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 진동 부재는 압전 소자 및 초음파 진동자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 적층가공 장치.
  20. 베드의 상측에 이격된 헤드를 이용하여 상기 베드의 내부로 분말을 공급하는 과정;
    상기 헤드에 장착된 초음파 생성부를 이용하여 상기 베드로 공급 중인 분말 및 상기 베드의 내부에 형성된 분말층 중 적어도 하나에 초음파를 인가하여 균질화 처리하는 과정; 및
    상기 분말층의 표층에 레이저빔 및 전자빔 중 적어도 하나의 빔을 조사하는 과정;을 포함하는 적층가공 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 분말을 공급하는 과정과 상기 초음파를 인가하는 과정은 동시에 실시되는 적층가공 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 분말을 공급하는 과정과 상기 초음파를 인가하는 과정은 순차적으로 실시되거나 또는 독립적으로 실시되는 적층가공 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 초음파를 인가하는 과정은, 상기 분말을 공급하는 과정이 실시 중인 것을 감지하고, 그 결과에 따라 상기 초음파의 주파수를 조절하는 과정;을 포함하는 적층가공 방법.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 초음파를 인가하는 과정은, 상기 분말의 성분 및 입도 중 적어도 하나에 대응하여 상기 초음파의 주파수를 조절하는 과정;을 포함하는 적층가공 방법.
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CN114774913A (zh) * 2022-05-16 2022-07-22 南京航空航天大学 一种飞机发动机叶片的维修装置
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