KR20180040531A - 3D Printing Laser Beam Irradiation Apparatus and 3D Printing Laser Beam Irradiation System compring the same - Google Patents

3D Printing Laser Beam Irradiation Apparatus and 3D Printing Laser Beam Irradiation System compring the same Download PDF

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KR20180040531A
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박준영
한만희
정민교
김대중
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주식회사 인스텍
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Abstract

The present invention relates to a 3D printing laser beam irradiation apparatus, and a 3D printing laser beam irradiation system having the same. The present invention can monitor a shape of a molten glue formed in a 3D laminated portion in 3D printing in real-time and variably adjust a size of a laser beam irradiated on the 3D laminated portion based on a monitoring result.

Description

3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템{3D Printing Laser Beam Irradiation Apparatus and 3D Printing Laser Beam Irradiation System compring the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a 3D printing laser beam irradiating apparatus and a 3D printing laser beam irradiating system including the same,

본 발명은 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅에 있어서 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 폭과 외곽심도를 비롯한 형상정보의 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라 모니터링 결과를 기초로 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기의 가변적 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D printing laser beam irradiation apparatus and a 3D printing laser beam irradiation system including the same. More particularly, the present invention relates to a 3D printing laser beam irradiation system, The present invention also relates to a 3D printing laser beam irradiating apparatus and a 3D printing laser beam irradiating system including the 3D printing laser beam irradiating apparatus, wherein the size of the laser beam irradiated on the 3D laminated portion can be variably controlled based on the monitoring result.

3D 프린팅은 밀링 또는 절삭이 아닌, 기존 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사하게 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 제조 기술로서 복잡하거나 제품의 내부에 형성된 형상의 구현을 용이하게 해주는 장점을 가지고 있다. 이와 같은 장점으로 인해 3D 프린팅 기술은 각종 산업용 부품과 의료용 재료 등 다양한 제품의 제작을 쉽게 할 수 있게 해주는 고부가가치 기술로 각광받고 있다.3D printing is not a milling or cutting technique. It is a manufacturing technology that produces a three-dimensional object by sprinkling a continuous layer of material similar to that used in conventional inkjet printers. It has the advantage of facilitating the implementation of shapes formed inside the product Have. Due to these advantages, 3D printing technology is attracting attention as a high-value-added technology that makes it possible to easily manufacture various products such as various industrial parts and medical materials.

3D 프린팅은 3차원 제품의 형상을 균일하거나 가변적인 두께를 가지는 수많은 2차원 단면으로 나누어 각 2차원 단면을 적층 형성하는 방식으로 진행된다. 구체적인 예로서, 도 1에는 3D 프린팅 방식 중 레이저 직접 금속 성형 방식(Laser-aided Direct Metal Tooling) 방식의 모식도가 도시되어 있는데, 이를 참조하면 집광부(100)에서 조사되는 레이저빔(L)이 기재(500)에 조사되면서 용융풀이 형성되고, 용융풀 상에 금속분말(300)이 공급되며 적층이 이루어지게 된다.3D printing is performed by dividing the shape of a three-dimensional product into a number of two-dimensional sections having a uniform or variable thickness, and laminating each two-dimensional section. 1 is a schematic diagram of a laser-aided direct metal tooling method in the 3D printing method. Referring to FIG. 1, the laser beam L irradiated from the light- And the metal powder 300 is supplied onto the molten pool to be laminated.

이와 같이 레이저빔을 이용한 3D 프린팅에 있어서, 고정된 광학 모듈을 통해 금속 파우더의 적층이 진행될 경우 일정한 레이저빔의 크기로 인하여 적층되는 크기가 항상 일정하게 되고, 작업 속도의 변화를 줄 수 없어 공정 시간의 단축이 어려운 문제가 있다. 따라서 하나의 제품을 3D 프린팅 기술을 통해 적층 형성하는 과정에서 제품의 부분별로 요구되는 정도가 달라지는 정밀도를 반영하여 사전에 제품의 부분별로 조형정보를 다르게 설정하여 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절하여 준다면 공정의 효율성을 높일 수 있다.In the 3D printing using the laser beam, when the lamination of the metal powder is progressed through the fixed optical module, the size of the laser beam is always constant due to the size of the laser beam, There is a problem that it is difficult to shorten. Accordingly, in order to adjust the size of the laser beam variably by previously setting the shaping information for each part of the product differently, in order to reflect the accuracy in which the degree required for each part of the product varies in the course of forming one product through the 3D printing technology The efficiency of the process can be increased.

한편, 도 1의 촬영모듈(700)은 용융풀을 촬영하여 모니터링을 수행할 수 있게 해주는데, 이를 통해 알 수 있는 바와 같이 종래에는 상기 촬영모듈(700)을 클래딩 헤드의 옆에 일정한 각도로 경사진 형태로 설치하여 용융풀의 촬영을 실시하였다. 그 결과 도 2에 나타난 바와 같이 레이저빔의 광축(L)과 촬영모듈(700)의 광축(V)이 90-θ°각도를 이루고 있어, 도 2의 (a)에 나타난 것과 같은 형태를 가지는 용융풀(P)이 촬영모듈(700)의 카메라의 뷰 필드 플레인(View Field Plane) 상에 놓이게 되지 않아 촬영모듈(700)의 카메라의 이미지 플레인(Image Plane) 상에 맺히는 이미지는 도 2의 (b)와 같이 왜곡되어 나타나게 된다. 따라서 용융풀의 폭과 외곽심도를 비롯한 용융풀의 형상정보를 정확하게 모니터링 하기 어려운 한계가 있었으며, 설치 각도에 따라서는 작업대상물과 촬영모듈(700) 간의 물리적 간섭이 발생하는 문제도 있었다.The photographing module 700 shown in FIG. 1 allows the photographing of the molten pool to perform monitoring. As can be seen, conventionally, the photographing module 700 is inclined at a predetermined angle to the side of the cladding head And the melting pool was photographed. As a result, as shown in FIG. 2, the optical axis L of the laser beam and the optical axis V of the photographing module 700 form a 90-degree angle, An image formed on the image plane of the camera of the photographing module 700 because the pool P is not placed on the view field plane of the camera of the photographing module 700 is shown in As shown in FIG. Therefore, it is difficult to accurately monitor the shape information of the molten pool including the width and the depth of the molten pool, and there is also a problem that physical interference occurs between the workpiece and the photographing module 700 depending on the installation angle.

공개특허 특2003-0039929 "레이저 클래딩과 직접 금속 조형기술에서 이미지 촬영과이미지 프로세싱을 이용한 클래딩 층 높이의 실시간모니터링 및 제어 방법 및 그 시스템", 2003. 05. 22.2003-0039929 "Real-time Monitoring and Control Method of Cladding Layer Height Using Image Shooting and Image Processing in Laser Cladding and Direct Metal Forming Technology", 2003. 05. 22.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art,

본 발명의 목적은, 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a 3D printing laser beam irradiating apparatus and system which can variably adjust the size of a laser beam irradiated on a 3D laminated portion.

본 발명의 다른 목적은, 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 효율적으로 변경할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 있다.It is another object of the present invention to provide a 3D printing laser beam irradiating apparatus and a 3D printing apparatus which can efficiently change the size of a laser beam irradiated on a 3D laminated region through independent behavior of a collimation lens and a converging lens arranged side by side on the same axis, System.

본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 형상정보의 실시간 모니터링을 가능하게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것에 있다.It is another object of the present invention to provide a 3D printing laser beam irradiating apparatus and system which enables real-time monitoring of shape information of a molten pool formed in a 3D laminated portion.

본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 촬영을 통해 용융풀의 형상정보를 실시간 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a method and an apparatus for realizing the shape information of a molten pool by photographing a coaxial ray incident on the same axis as an optical axis of a laser beam reflected or diverged from a molten pool formed in a 3D laminated portion, And to provide a 3D printing laser beam irradiating apparatus and system which can monitor the laser beam irradiated by the laser beam.

본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 용융풀을 촬영하는 하나 이상의 추가 촬영부를 통해 용융풀에 대한 추가적인 형상정보도 함께 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for manufacturing a 3D laminated body, which has an optical axis which forms a constant angle &amp;thetas; (0 DEG &amp;le; &amp; And to provide a 3D printing laser beam irradiating apparatus and system that can monitor the additional shape information of the 3D printing laser beam.

본 발명의 또 다른 목적은, 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 이용한 실시간 모니터링에 근거하여 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절하여 줌으로써 3D 프린팅의 적층속도 및 품질을 높여주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 있다.It is still another object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring the position of a laser beam on the same axis based on real-time monitoring using a coaxial ray incident on the same axis as an optical axis of a laser beam reflected or diverged from a molten pool formed in a 3D- A 3D printing laser beam irradiating device and a system for enhancing the laminating speed and quality of 3D printing by variably controlling the size of the laser beam irradiated on the 3D lamination part through the independent action of the collimation lens and the converging lens disposed side by side To provide.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.In order to achieve the above object, the present invention is implemented by the following embodiments.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치에 있어서, 발산 진행하는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 레이저빔 정렬부와 상기 레이저빔 정렬부를 통과하여 입사되는 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 레이저빔 집광부를 포함하고, 상기 레이저빔 정렬부에 의한 레이저빔의 폭 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부를 통해 상기 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a 3D printing laser beam irradiating apparatus for irradiating a laser beam onto a 3D lamination portion to form a molten pool, the apparatus comprising: A laser beam aligner for variably controlling a width of a parallel path, and a laser beam concentrator for converging a laser beam incident through the laser beam aligner and for irradiating the laser beam onto the 3D laminated portion, And the size of the laser beam irradiated on the 3D laminated portion is changed through the laser beam condensing portion according to the adjustment of the width of the laser beam.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 레이저빔 정렬부는,입사되는 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제1콜리메이션 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to another embodiment of the present invention, the laser beam aligning unit includes a first collimation lens for parallelizing a path of an incident laser beam.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 제1콜리메이션 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to another embodiment of the present invention, the present invention is a 3D printing laser beam irradiation apparatus, wherein the first collimation lens is movably mounted.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 레이저빔 정렬부는, 상기 제1콜리메이션 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴하도록 만들어주는 수렴 렌즈를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다.According to another embodiment of the present invention, the laser beam arranging unit further comprises a converging lens for converging the laser beam passed through the first collimating lens. Beam irradiation apparatus.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 수렴 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to another embodiment of the present invention, the present invention is a 3D printing laser beam irradiating apparatus, wherein the converging lens is movably mounted.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 레이저빔 정렬부는, 상기 제1콜리메이션 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴하도록 만들어주는 수렴 렌즈를 추가로 포함하며, 상기 수렴 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다.      According to another embodiment of the present invention, the present invention is characterized in that the laser beam aligner further comprises a converging lens for converging the laser beam passed through the first collimating lens, And the laser beam is irradiated with a laser beam.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 상호 이격되며 동일한 광축을 공유하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to another embodiment of the present invention, the first collimation lens and the converging lens are spaced from each other and share the same optical axis.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 평행하게 배치된 가이드 레일에 양측이 끼워져 구동 모터가 제공하는 구동력으로 거동되는 거동체에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다.According to another embodiment of the present invention, the first collimation lens and the converging lens are inserted into a guide rail sandwiched between parallel guide rails and inserted into a moving body driven by a driving force provided by a driving motor Wherein the laser beam irradiating device is a 3D printing laser beam irradiating device.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 레이저빔 정렬부는, 상기 수렴 렌즈를 통과한 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제2콜리메이션 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to another embodiment of the present invention, the laser beam aligning unit further includes a second collimation lens for parallelizing the path of the laser beam passing through the converging lens. Laser beam irradiation apparatus.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 상기 제2콜리메이션 렌즈는 상기 제1콜리메이션 렌즈 및 상기 수렴 렌즈와 동일한 광축을 공유하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치이다. According to another embodiment of the present invention, the second collimation lens shares the same optical axis as the first collimation lens and the converging lens, according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은, 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치와 상기 동축광선 촬영부 및 상기 추가 촬영부가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 이미지 프로세싱 장치와 상기 이미지 프로세싱 장치로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부를 제어하여 상기 레이저빔 집광부에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 제어 장치; 를 포함하여 용융풀 실시간 모니터링 및 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템이다.       According to another embodiment of the present invention, there is provided an image processing apparatus including a 3D printing laser beam irradiating device, a coaxial ray radiographing unit, and the additional photographing unit, Receiving the operation information from the image processing apparatus and the image processing apparatus, comparing the operation information with preset shaping information, and controlling the laser beam aligning unit when there is a difference, thereby controlling the laser beam irradiated from the laser beam collecting unit A control device for performing real-time control so that the width of the control device is changed; And real time monitoring and control of the molten pool is possible.

본 발명은 전술한 구성을 통해 다음과 같은 효과를 가진다.The present invention has the following effects through the above-described configuration.

*본 발명은 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 효과가 있다.The present invention provides a 3D printing laser beam irradiating apparatus and system which can variably adjust the size of a laser beam irradiated on a 3D laminated portion.

본 발명은 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 효율적으로 변경할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 효과를 가진다.The present invention provides a 3D printing laser beam irradiation apparatus and system that can efficiently change the size of a laser beam irradiated on a 3D laminated region through independent behavior of a collimation lens and a converging lens arranged side by side on the same axis Effect.

본 발명은 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 형상정보의 실시간 모니터링을 가능하게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 효과가 있다.The present invention is effective in providing a 3D printing laser beam irradiation apparatus and system that enables real-time monitoring of shape information of a molten pool formed in a 3D laminated portion.

본 발명은 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 촬영을 통해 용융풀의 형상정보를 실시간 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공함에 효과가 있다.The present invention relates to a method and apparatus for monitoring the shape information of a molten pool through the photographing of a coaxial ray incident on the same axis as the optical axis of the laser beam reflected or diverged from the molten pool formed in the 3D laminated region, It is effective to provide a 3D printing laser beam irradiation apparatus and system.

본 발명은 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 용융풀을 촬영하는 하나 이상의 추가 촬영부를 통해 용융풀에 대한 추가적인 형상정보도 함께 모니터링 할 수 있게 해주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 것에 효과가 있다.The present invention also provides additional shape information on the molten pool through one or more additional photographing units that photograph the molten pool with an optical axis that forms a constant angle &amp;thetas; (0 DEG &amp;thetas; &lt; 90 DEG) The present invention is effective in providing a 3D printing laser beam irradiating apparatus and a system which enable monitoring together.

본 발명은 3D 적층부위에 형성되는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 이용한 실시간 모니터링에 근거하여 동일축 상에 나란히 배치된 콜리메이션 렌즈 및 수렴 렌즈의 독립적인 거동을 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절하여 줌으로써 3D 프린팅의 적층속도 및 품질을 높여주는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 시스템을 제공하는 데에 효과를 가진다.The present invention is based on real-time monitoring using coaxial rays incident on the same axis as the optical axis of a laser beam reflected or diverged from a molten pool formed in a 3D laminated portion and irradiated onto a 3D laminated portion, The present invention provides a 3D printing laser beam irradiating apparatus and system that adjusts the size of a laser beam irradiated on a 3D laminated region through independent action of a lens and a converging lens, thereby increasing a lamination speed and quality of 3D printing. .

도 1은 종래의 3D 프린팅 방식 중 레이저 직접 금속 성형 방식(Laser-aided Direct Metal Tooling) 방식의 개략도.
도 2는 도 1의 용융풀의 형상정보를 모니터링하는 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 정면도.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 내부를 나타내는 도면으로서 작동과정을 보여주는 도면.
도 6은 추가 촬영부를 구비한 다른 실시예의 도면. .
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템의 개략도. FIG. 1 is a schematic view of a laser-aided direct metal tooling method among conventional 3D printing methods.
Figure 2 is a schematic diagram for monitoring the shape information of the molten pool of Figure 1;
3 is a front view of a 3D printing laser beam irradiating apparatus according to an embodiment of the present invention;
Figs. 4 and 5 are diagrams showing the operation of the inside of a 3D printing laser beam irradiation apparatus shown in Fig.
6 is a view of another embodiment with a further photographing part; .
7 is a schematic diagram of a 3D printing laser beam irradiation system in accordance with an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, a 3D printing laser beam irradiation apparatus and a 3D printing laser beam irradiation system including the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Unless defined otherwise, all terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs and, if conflict with the meaning of the terms used herein, It follows the definition used in the specification. Further, the detailed description of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 정면도가 도시되어 있고, 도 4 및 5에는 도 3에 도시된 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 내부를 나타내며 그 작동과정이 도시되어 있다. 3 is a front view of a 3D printing laser beam irradiating apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 and 5 show the inside of a 3D printing laser beam irradiating apparatus shown in FIG. have.

도 3 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는 레이저빔 수신부(11), 레이저빔 정렬부(12), 레이저빔 집광부(13), 동축광선 우회부(14), 동축광선 촬영부(15) 및 추가 촬영부(16)를 포함하고 있다. 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는 레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 장치로서 상기 레이저빔 정렬부(12)에 의한 레이저빔의 경로 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부(13)를 통해 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기의 가변적 변경이 가능하고, 상기 동축광선 촬영부(15)의 촬영 이미지정보를 통한 용융풀의 실시간 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.3 to 5, a 3D printing laser beam irradiating apparatus according to an embodiment of the present invention includes a laser beam receiving unit 11, a laser beam aligning unit 12, a laser beam condensing unit 13, A condenser lens 14, a coaxial ray photographing unit 15, and an additional photographing unit 16. A 3D printing laser beam irradiating apparatus according to the present invention is an apparatus for irradiating a laser beam to a 3D lamination region to form a molten pool. The laser beam aligning unit 12 adjusts the path of the laser beam, The laser beam irradiated on the 3D laminated portion can be changed in a variable manner and real time monitoring of the molten pool through the image information of the coaxial ray photographing unit 15 can be performed.

상기 레이저빔 수신부(11)는 외부에서 공급되는 레이저빔을 전달받는 부분이다. 레이저빔은 레이저 발생장치에서 만들어지며, 산업용 CO2 레이저빔인 것이 일반적이나 Nd-YAG, 고출력 다이오드 레이저빔 등 3D 적층부위에 용융풀을 만들 수 있는 레이저빔은 어느 것이나 본 발명에 적용 가능하다. 상기 레이저 발생장치에서 만들어진 레이저빔은 빔전송 장치를 거쳐 상기 레이저빔 수신부(11)에 전달되며, 그 과정에서 광섬유(Optical Fiber)가 사용될 수 있다.The laser beam receiving unit 11 receives a laser beam supplied from the outside. The laser beam is produced by a laser generator and is generally an industrial CO 2 laser beam, but any laser beam capable of forming a molten pool in a 3D laminated portion such as Nd-YAG and a high output diode laser beam is applicable to the present invention. The laser beam generated by the laser generator is transmitted to the laser beam receiver 11 through a beam transmission device, and an optical fiber can be used in the process.

상기 레이저빔 정렬부(12)는 상기 레이저빔 수신부(11)로부터 발산 진행하는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 역할을 수행한다. 상기 레이저빔 정렬부(12)는 제1콜리메이션 렌즈(121), 수렴 렌즈(123), 제2콜리메이션 렌즈(125), 가이드 레일(127), 구동 모터(128) 및 거동체(129)를 포함하고 있다.The laser beam aligning unit 12 adjusts the width of the parallel path by making the path of the laser beam diverging from the laser beam receiving unit 11 a parallel path. The laser beam aligning unit 12 includes a first collimating lens 121, a converging lens 123, a second collimating lens 125, a guide rail 127, a driving motor 128, .

상기 제1콜리메이션 렌즈(121)는 상기 레이저빔 수신부(11)에서 입사되는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주는 역할을 수행한다. 상기 수렴 렌즈(123)는 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)를 통과하여 평행경로로 입사되는 레이저빔을 수렴하게 만들어주는 역할을 수행하며, 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)는 상기 수렴 렌즈(123)를 통과한 레이저빔을 다시 평행하게 만들어주는 역할을 수행한다.The first collimation lens 121 forms a path of a laser beam incident on the laser beam receiving unit 11 as a parallel path. The converging lens 123 converges the laser beam incident on the parallel path through the first collimating lens 121. The second collimating lens 125 converges the converging lens 123, 123) of the laser beam.

상기 제1콜리메이션 렌즈(121), 상기 수렴 렌즈(123) 및 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)는 동일축 상에 나란히 이격되어 배치된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치는 수직 하방향으로 레이저빔을 조사하게 설치되는 것이 일반적이므로, 상기 제1콜리메이션 렌즈(121), 상기 수렴 렌즈(123) 및 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)는 Z축 상에 나란히 이격되어 배치된다.The first collimation lens 121, the converging lens 123, and the second collimation lens 125 are arranged on the same axis and spaced apart from each other. Since the 3D printing laser beam irradiating apparatus according to the present invention is installed to irradiate a laser beam in a vertically downward direction, the first collimation lens 121, the converging lens 123, and the second collimation lens 125 are spaced apart on the Z-axis.

상기 레이저빔 정렬부(12)는 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)와 상기 수렴 렌즈(123)가 동일축 상에서 각각 독립적으로 거동하여 그 위치를 변경함으로써 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)로 입사하는 레이저빔의 수렴경로를 변경하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)로의 입사 경로에 따라 상기 레이저빔 집광부(13)에서 집광되어 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 달라지게 된다. 구체적으로, 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)와 상기 수렴 렌즈(123)는 평행하게 배치된 가이드 레일(127)에 양측이 끼워져 구동 모터(128)가 제공하는 구동력으로 거동되는 거동체(129)에 삽입되어 거동하게 되어 있다.The laser beam aligning unit 12 changes the position of the first collimating lens 121 and the converging lens 123 independently of each other on the same axis so that the second collimating lens 121 is incident on the second collimating lens 125, And the convergence path of the laser beam is changed. The size of the laser beam focused on the 3D laminated portion is changed according to the incident path to the second collimation lens 125. [ Specifically, the first collimation lens 121 and the converging lens 123 are fixed to a guide rail 127, which is disposed parallel to the guide rail 127, and which is driven by a drive force provided by the drive motor 128, As shown in Fig.

상기 레이저빔 정렬부(12)에 의한 레이저빔 크기 조절의 구체적인 실시예들을 도 4 및 5를 통해 확인할 수 있는데, 도 4에서 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)는 상기 레이저빔 수신부(11)에 인접하여 상대적으로 좁은 폭을 가지는 평행경로로 레이저빔의 경로를 변경하여 주고, 상기 수렴렌즈(123)는 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)로 부터 일정 간격 이격되어 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)를 통과하여 진행하는 레이저빔을 수렴하게 만들어 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)의 중심부에 입사하도록 만들어 준다. 그 결과 상기 레이저빔 집광부(13)를 통과하여 3D 적층부위에 입사하는 레이저빔의 크기는 500㎛가 된다.4 and 5, the first collimation lens 121 is disposed in the laser beam receiving unit 11, And the converging lens 123 is spaced apart from the second collimation lens 125 by a predetermined distance and is disposed on the first collimation lens 121 To converge the proceeding laser beam so as to be incident on the center of the second collimation lens 125. As a result, the size of the laser beam passing through the laser beam condensing part 13 and entering the 3D laminated part becomes 500 μm.

한편, 도 5에서 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)는 상기 레이저빔 수신부(11) 하부에 일정 간격 이격되어 상대적으로 넓은 폭을 가지는 평행경로로 레이저빔의 경로를 변경하여 주고, 상기 수렴렌즈(123)는 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)와 인접 배치되어 상기 제1콜리메이션 렌즈(121)를 통과한 레이저빔을 수렴하게 만들어주되 상기 제2콜리메이션 렌즈(125)에 상대적으로 광범위한 면적을 가지고 입사하도록 만들어 준다. 그 결과 상기 레이저빔 집광부(13)를 통과하여 3D 적층부위에 입사하는 레이저빔의 크기는 2000㎛가 된다.5, the first collimation lens 121 changes the path of the laser beam to a parallel path having a relatively wide width at a predetermined interval under the laser beam receiving unit 11, 123 are disposed adjacent to the second collimation lens 125 to converge the laser beam having passed through the first collimation lens 121 and have a relatively wide area to the second collimation lens 125 It makes you join. As a result, the size of the laser beam passing through the laser beam condensing part 13 and entering the 3D laminated part becomes 2000 μm.

상기 레이저빔 집광부(13)는 상기 레이저빔 정렬부(12)를 통과하여 입사되는 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 역할을 수행한다. 상기 레이저빔 집광부(13)는 상기 레이저빔 정렬부(12)의 제2콜리메이션 렌즈(125)를 통과하여 진행하는 레이저빔을 수렴시켜주는 포커싱 렌즈(131)와 상기 포커싱 렌즈(131)를 통과한 레이저빔을 조사하는 노즐(133) 등을 포함하여 구성될 수 있다.The laser beam condenser 13 condenses a laser beam incident through the laser beam aligner 12 and irradiates the laser beam onto the 3D laminated area. The laser beam condensing unit 13 includes a focusing lens 131 for converging a progressing laser beam passing through the second collimation lens 125 of the laser beam aligning unit 12, A nozzle 133 for irradiating the passed laser beam, and the like.

상기 포커싱 렌즈(131)는 상기 노즐(133)의 상단에서 이격되어 고정배치되며, 상기 노즐(133)은 적층소재를 공급하는 소재 공급 장치와 연결되어 이송된 소재를 용융풀에 공급하여 주는 공급노즐 등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치를 사용하여 3D 프린팅이 이루어지는 경우 레이저빔 크기의 가변적인 조절과 더불어 공급되는 적층소재의 양이나 크기 등의 조절도 동시에 이루어질 수 있는데, 예를 들면 상기 소재 공급 장치가 분말 공급 장치로 이루어지고, 상기 분말 공급 장치는 분말의 공급량이나 크기를 조절하는 분할수단 또는 분급수단을 구비함으로써 이를 실현할 수 있다.The focusing lens 131 is fixedly arranged at a distance from the upper end of the nozzle 133. The nozzle 133 is connected to a material supply device for supplying the material to be laminated and supplies the material to the molten pool. And the like. When the 3D printing is performed using the 3D printing laser beam irradiating apparatus according to the present invention, the amount of the laminated material to be supplied and the size of the laminated material to be supplied can be adjusted at the same time as the laser beam size is variably controlled. The apparatus is made of a powder feeder, and the powder feeder can realize this by providing a dividing means or a classifying means for adjusting the amount and size of the powder.

상기 동축광선 우회부(14)는 용융풀에서 반사 또는 발산하여 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선의 경로를 변경하여 주는 역할을 수행한다. 용융풀에서 반사 또는 발산하여 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 촬영할 경우 종래와 달리 용융풀 이미지의 왜곡이 발생하지 않고, 이를 통해 용융풀의 폭과 외곽심도 등을 포함하는 용융풀의 형상정보를 정확하게 모니터링 할 수 있게 된다. 그러나 상기 동축광선의 진행 경로는 레이저빔의 조사 경로와 동일하므로 동축광선의 입사축 상에 별도의 촬영수단을 배치하는 것이 어렵다. 이와 같은 상황에서 상기 동축광선 우회부(14)는 상기 동축광선을 우회시켜 촬영될 수 있게 해준다. 상기 동축광선 우회부(14)는 제1반사 거울(141) 및 제2반사 거울(143)을 포함할 수 있다.The coaxial light beam bypassing part 14 reflects or diverges from the molten pool to change the path of the coaxial light beam incident on the same axis as the optical axis of the laser beam. When a coaxial light ray reflected or diffused from a molten pool is photographed and coaxial light rays incident on the same axis as the optical axis of the laser beam are photographed, the distortion of the molten pool image is not generated unlike the conventional case, and the molten pool including the width and depth of the molten pool It is possible to accurately monitor the shape information of the vehicle. However, since the traveling path of the coaxial light beam is the same as the irradiation path of the laser beam, it is difficult to dispose another photographing means on the incident axis of the coaxial light beam. In such a situation, the coaxial beam bypass 14 allows the coaxial beam to be photographed. The coaxial light beam bypass 14 may include a first reflective mirror 141 and a second reflective mirror 143.

상기 제1반사 거울(141)은 용융풀에서 반사 또는 발산하여 상기 레이저빔의 광축과 동일한 축으로 입사되는 동축광선을 수직으로 반사하여 주는 역할을 수행하는데, 상기 제1반사 거울(141)을 통해 상기 동축광선을 본 발명의 3D 레이저빔 조사 장치의 측면으로 우회시킬 수 있게 된다. 도 4 및 5를 살펴보면, 상기 제1반사 거울(141)은 레이저빔의 조사경로 상에 일정 각도 경사지게 배치되어 레이저빔은 후방에서 전방으로 통과시키고, 상기 동축광선은 전방에서 수직으로 반사시키는 것을 특징으로 하고 있다.The first reflective mirror 141 reflects or diverges from the molten pool to vertically reflect the coaxial light incident on the same axis as the optical axis of the laser beam. The first reflective mirror 141 reflects It is possible to bypass the coaxial light beam to the side of the 3D laser beam irradiating apparatus of the present invention. 4 and 5, the first reflecting mirror 141 is arranged to be inclined at a predetermined angle on the irradiation path of the laser beam so that the laser beam is transmitted from the rear to the front, and the coaxial light beam is reflected vertically from the front .

상기 제2반사 거울(143)은 상기 제1반사 거울(141)에서 반사된 동축광선을 반사하여 상기 동축광선 촬영부(15)로 전달하여 주는 역할을 수행한다. 도 4 및 5에서 상기 동축광선 촬영부(15)는 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 좌측면 중단에 배치되어 있는데, 상기 제2반사 거울(143)은 상기 제1반사 거울(141)에 의해 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치의 좌측면으로 반사된 동축광선을 수직 상방향으로 반사시켜 준다.The second reflecting mirror 143 reflects the coaxial light beam reflected by the first reflecting mirror 141 and transmits the reflected coaxial light beam to the coaxial ray photographing unit 15. 4 and 5, the coaxial ray imaging unit 15 is disposed on the left side surface of the 3D printing laser beam irradiating apparatus, and the second reflecting mirror 143 is rotated by the first reflecting mirror 141 And reflects the coaxial light beam reflected to the left side of the 3D printing laser beam irradiating device in the vertical upward direction.

상기 동축광선 촬영부(15)는 상기 동축광선 우회부(14)를 통해 경로가 변경된 동축광선을 촬영하는 역할을 수행한다. 상기 동축광선 촬영부(15)의 촬영 정보는 용융풀의 크기와 폭 및 외곽심도 등을 포함하는 형상정보를 알려주는 실시간 모니터링 자료로서 전술한 원리에 따라 레이저빔의 크기를 조절하는 데에 근거로 사용될 수 있다. 도 4 및 5를 참조하면, 상기 동축광선 촬영부(15)는 렌즈(151) 및 카메라(153)를 포함하고 있다.The coaxial ray photographing unit 15 photographs a coaxial ray having a changed path through the coaxial ray guiding unit 14. [ The photographing information of the coaxial ray photographing unit 15 is real-time monitoring data for notifying the shape information including the size, the width, and the depth of the molten pool, based on the principle of adjusting the size of the laser beam in accordance with the above- Can be used. Referring to FIGS. 4 and 5, the coaxial ray photographing unit 15 includes a lens 151 and a camera 153.

상기 렌즈(151)는 상기 제2반사 거울(143)에서 반사되어 수직 상방향으로 진행하는 동축광선이 입사하는 부분으로 일반적인 카메라 렌즈로 구현될 수 있다. 필요에 따라 다양한 필터 등도 함께 사용될 수 있다.The lens 151 may be a general camera lens, which is a portion of the second reflection mirror 143 that receives a coaxial light beam traveling in a vertical upward direction. Various filters may be used together as needed.

상기 카메라(153)는 상기 렌즈(151)로 입사된 동축광선을 촬영하는 부분으로 CCD 카메라 등이 적용될 수 있으며, 촬영하여 생성한 이미지정보를 외부의 이미지 처리 장치로 전송하기 위한 전송부를 구비할 수 있다. 상기 카메라(153)로는 정확하고 효율적인 실시간 모니터링을 위해 1초당 150 프레임 이상을 촬영하는 고속 CCD 카메라가 사용되는 것이 바람직하다.The camera 153 may be a CCD camera or the like for photographing a coaxial light beam incident on the lens 151 and may include a transfer unit for transferring image information generated and captured to an external image processing apparatus have. As the camera 153, it is desirable to use a high-speed CCD camera that captures at least 150 frames per second for accurate and efficient real-time monitoring.

상기 추가 촬영부(16)는 상기 레이저빔의 광축과 일정 각도 θ(0°≤θ<90°)를 이루는 광축을 가지고 상기 용융풀을 촬영하는 역할을 수행한다. 상기 추가 촬영부(16)는 하나 이상 포함될 수 있는데, 도 3 내지 5에 나타난 실시예에서는 좌·우 양측에 하나씩 2개가 구비되어 있다. 상기 추가 촬영부(16)에 의해 촬영된 용융풀의 이미지정보를 근거로 용융풀에 대한 위치 및 높이 등을 포함하는 추가적인 형상정보를 연산할 수 있으며, 도 6 상기 추가 촬영부(16)는 ND필터(161), 렌즈(163), CCD 카메라(165), 필터설치구(167) 및 냉각수단(169)을 구비하고 있다.The additional photographing unit 16 photographs the molten pool with an optical axis which forms a certain angle? (0 deg.?? <90 deg.) With the optical axis of the laser beam. One or more additional photographing units 16 may be included. In the embodiment shown in FIGS. 3 to 5, two photographing units 16 are provided, one on each of the left and right sides. The additional photographing unit 16 can calculate additional shape information including the position and height of the molten pool based on the image information of the molten pool photographed by the additional photographing unit 16, A filter 161, a lens 163, a CCD camera 165, a filter installation port 167, and a cooling means 169.

상기 렌즈(163) 및 상기 CCD 카메라(165)는 위에서 상기 동축광선 촬영부(15)와 관련하여 설명한 바와 같다. 한편, 상기 ND필터(161)는 용융풀로부터 반사되어 오는 빛의 양을 감쇠시키고 3D 프린팅 과정에서 발생하는 스퍼터(sputter)로부터 상기 렌즈(163)를 보호하는 역할을 수행한다. 상기 추가 촬영부(16)는 상기 동축광선 촬영부(15)와 달리 용융풀과 인접한 외부에 설치되므로 상기 ND필터(161)가 함께 사용되는 것이 바람직하며, 상기 ND필터(161)는 상기 필터설치구(167)에 의해 상기 렌즈(163)의 전방에 고정 설치되게 된다. 또한, 상기 냉각수단(169)은 용융풀에서 발생하는 복사열로부터 상기 ND필터(161), 상기 렌즈(163) 등을 보호하기 위한 것으로서 냉각수가 공급되는 냉각수공급관으로 구현될 수 있다.The lens 163 and the CCD camera 165 are the same as those described above with respect to the coaxial ray imaging unit 15. The ND filter 161 attenuates the amount of light reflected from the molten pool and protects the lens 163 from a sputter generated in the 3D printing process. The ND filter 161 is preferably used together with the ND filter 161 because the additional photographing unit 16 is provided outside the coarse ray photographing unit 15 and adjacent to the melting pool. And is fixedly provided in front of the lens 163 by a sphere 167. The cooling unit 169 may be a cooling water supply pipe for supplying cooling water to the ND filter 161 and the lens 163 to protect the ND filter 161 and the lens 163 from radiant heat generated in the molten pool.

도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템의 개략도가 도시되어 있는데, 이를 참조하면 본 발명의 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템은 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치(1), 이미지 프로세싱 장치(3) 및 제어 장치(5)를 포함한다.7 is a schematic diagram of a 3D printing laser beam irradiation system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the 3D printing laser beam irradiation system of the present invention includes the 3D printing laser beam irradiation apparatus 1, An apparatus 3 and a control apparatus 5. [

상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치(1)는 상기 레이저빔 정렬부(12)에 의한 평행경로의 폭 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부(13)를 통해 기재(S) 상의 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기를 변경하고, 상기 동축광선 촬영부(15)의 촬영 정보를 통한 용융풀의 실시간 모니터링이 가능하게 해주는 것을 특징으로 하며, 그 상세한 구성은 위에서 설명한 바와 같다.The 3D printing laser beam irradiating device 1 irradiates a laser beam irradiated on the 3D laminated portion on the substrate S through the laser beam condensing portion 13 according to the width of the parallel path by the laser beam aligning portion 12, The size of the beam is changed, and the real time monitoring of the molten pool through the photographing information of the coaxial ray photographing unit 15 is enabled, and the detailed structure thereof is as described above.

상기 이미지 프로세싱 장치(3)는 상기 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치(1)의 동축광선 촬영부(15) 및 상기 추가 촬영부(16)가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 크기와 폭 및 외곽심도 등을 포함하는 기초적인 형상정보와, 위치 및 높이 등을 포함하는 추가적인 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 역할을 수행한다. 상기 이미지 프로세싱 장치(3)는 영상처리 프로그램 등이 설치된 컴퓨터 장치로 구현될 수 있다.The image processing apparatus 3 receives the image information photographed by the coaxial ray radiographing unit 15 and the additional radiographing unit 16 of the 3D printing laser beam irradiating apparatus 1, And additional shape information including position, height, and the like, and generates operation information. The image processing apparatus 3 may be implemented as a computer apparatus equipped with an image processing program and the like.

상기 제어 장치(5)는 상기 이미지 프로세싱 장치(3)로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부(12)를 제어하여 상기 레이저빔 집광부(13)에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 역할을 수행한다. 상기 조형정보는 각 적층단면의 형상과 폭, 높이 등과 관련된 정보를 포함하고 있으며, 이는 사전에 설정되어 저장된다. 3D 프린팅을 이용한 적층조형에서 2차원의 단면에 해당하는 금속층의 높이를 정밀하게 만드는 것이 매우 중요한데, 예를 들면 필요에 따라 100~1,000㎛의 범위에서 적층 높이가 조정될 수 있다. 상기 제어 장치(5)는 이러한 적층 높이와 관련된 조형정보를 상기 연산정보와 비교하여 상기 조형정보에 따라 형성될 것으로 예상 내지 예정되어있는 용융풀의 형상과 실제 용융풀의 형상이 차이가 있는 것으로 판단된 경우 상기 레이저빔 정렬부(12)를 제어한다.The control device 5 receives the operation information from the image processing device 3, compares the operation information with predetermined shaping information, and when there is a difference, controls the laser beam aligning part 12, And performs a real time control so that the width of the laser beam irradiated by the beam condensing part 13 is changed. The shaping information includes information related to the shape, width, height, and the like of each laminate section, which is preset and stored. It is very important to precisely make the height of the metal layer corresponding to the two-dimensional cross section in the laminate molding using 3D printing. For example, the height of the laminate can be adjusted within a range of 100 to 1,000 μm as required. The control device 5 compares molding information related to the stacking height with the operation information to determine that the shape of the molten pool expected to be formed in accordance with the molding information differs from the shape of the actual molten pool The laser beam aligning unit 12 is controlled.

상기 제어 장치(5)는 사전에 설정된 조형정보가 저장된 저장부와 비교 연산을 수행하는 연산부 및 제어 명령 등의 생성과 전송 등을 수행하는 제어부를 포함하는 컴퓨터 장치로 구현될 수 있다. 또한, 상기 연산부에 의한 비교 연산 결과를 현시하는 모니터부가 상기 제어 장치(5)와 함께 사용될 수도 있다. 또한, 상기 제어부에 의한 제어는 자동으로 이루어지도록 하는 것도 가능하고, 작업자의 제어정보를 추가로 입력받아 수행되도록 하는 것도 가능하다.The controller 5 may be embodied as a computer unit including a storage unit storing preset shaping information, a controller for performing a comparison operation with respect to the storage unit, and a controller for generating and transferring control commands and the like. The monitor unit for displaying the result of the comparison operation by the operation unit may be used together with the control device 5. [ In addition, the control by the control unit may be performed automatically, or the control information of the operator may be additionally received.

본 발명에 따른 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템에 의하면 3D 적층부위에 형성되는 용융풀의 크기와 폭 및 외곽심도를 포함하는 용융풀의 기초적인 형상정보, 위치 및 높이 등을 포함하는 용융풀의 추가적인 형상정보의 모니터링을 실시간으로 효율적으로 수행할 수 있으며, 이와 같은 모니터링 결과에 근거하여 용융풀에 조사되는 레이저빔의 크기를 가변적으로 조절할 수 있게 된다. 이를 통해 용융풀의 폭과 높이를 가변적으로 제어하며 적층속도 및 적층효율을 향상시킬 수 있게 된다.According to the 3D printing laser beam irradiation system of the present invention, the additional shape of the molten pool including the basic shape information, the position and the height of the molten pool including the size and the width and the depth of the molten pool formed in the 3D laminated portion Information can be efficiently monitored in real time, and the size of the laser beam irradiated to the molten pool can be variably controlled based on the monitoring result. Thus, the width and height of the molten pool can be variably controlled and the laminating speed and the laminating efficiency can be improved.

이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Should be interpreted as falling within the scope of.

Claims (11)

레이저빔을 3D 적층부위에 조사하여 용융풀이 형성되도록 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치에 있어서,
발산 진행하는 레이저빔의 경로를 평행경로로 만들어주되 상기 평행경로의 폭을 가변적으로 조절하는 레이저빔 정렬부와;
상기 레이저빔 정렬부를 통과하여 입사되는 레이저빔을 집광하여 상기 3D 적층부위에 조사하는 레이저빔 집광부; 를 포함하고,
상기 레이저빔 정렬부에 의한 레이저빔의 폭 조절에 따라 상기 레이저빔 집광부를 통해 상기 3D 적층부위에 조사되는 레이저빔의 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.A 3D printing laser beam irradiating apparatus for irradiating a laser beam onto a 3D laminated portion to form a molten pool,
A laser beam arranging unit that variably adjusts the width of the parallel path by making a path of the laser beam proceeding divergent to a parallel path;
A laser beam concentrator for converging a laser beam incident through the laser beam aligner and irradiating the laser beam to the 3D laminated portion; Lt; / RTI &gt;
Wherein the size of the laser beam irradiated on the 3D laminated portion is changed through the laser beam condensing portion according to the width adjustment of the laser beam by the laser beam arranging portion. 제1항에 있어서,
상기 레이저빔 정렬부는,
입사되는 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제1콜리메이션 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.The method according to claim 1,
The laser beam aligning unit includes:
And a first collimation lens for collimating the path of the incident laser beam. 제3항에 있어서,
상기 제1콜리메이션 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.The method of claim 3,
Wherein the first collimation lens is movably mounted. 제2항에 있어서,
상기 레이저빔 정렬부는, 상기 제1콜리메이션 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴하도록 만들어주는 수렴 렌즈를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the laser beam aligning unit further comprises a converging lens for converging the laser beam passed through the first collimating lens. 제4항에 있어서,
상기 수렴 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the converging lens is mounted movably. 제3항에 있어서, 상기 레이저빔 정렬부는, 상기 제1콜리메이션 렌즈를 통과한 레이저빔을 수렴하도록 만들어주는 수렴 렌즈를 추가로 포함하며, 상기 수렴 렌즈는 이동가능 하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.  4. The apparatus according to claim 3, wherein the laser beam aligner further comprises a converging lens for converging the laser beam passed through the first collimating lens, wherein the converging lens is movably mounted. Printing laser beam irradiation apparatus. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 상호 이격되며 동일한 광축을 공유하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.7. The method according to any one of claims 4 to 6,
Wherein the first collimation lens and the converging lens are spaced apart from each other and share the same optical axis. 제7항에 있어서,
상기 제1콜리메이션 렌즈와 상기 수렴 렌즈는 평행하게 배치된 가이드 레일에 양측이 끼워져 구동 모터가 제공하는 구동력으로 거동되는 거동체에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the first collimation lens and the converging lens are inserted into a guide rail sandwiched between parallel sides of the guide rail, and inserted into a moving body driven by a driving force provided by the driving motor. 제8항에 있어서
상기 레이저빔 정렬부는,
상기 수렴 렌즈를 통과한 레이저빔의 경로를 평행하게 만들어주는 제2콜리메이션 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치. The method of claim 8, wherein
The laser beam aligning unit includes:
And a second collimation lens for collimating the path of the laser beam passing through the converging lens. 제9항에 있어서, 상기 제2콜리메이션 렌즈는 상기 제1콜리메이션 렌즈 및 상기 수렴 렌즈와 동일한 광축을 공유하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치.10. The apparatus according to claim 9, wherein the second collimation lens shares the same optical axis as the first collimation lens and the converging lens. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치와;
상기 동축광선 촬영부 및 상기 추가 촬영부가 촬영한 이미지정보를 전달받아 상기 용융풀의 형상정보를 연산하여 연산정보를 생성하는 이미지 프로세싱 장치와;
상기 이미지 프로세싱 장치로부터 상기 연산정보를 수신하여 상기 연산정보와 사전에 설정된 조형정보를 비교하여 차이가 있을 경우 상기 레이저빔 정렬부를 제어하여 상기 레이저빔 집광부에서 조사되는 레이저빔의 폭이 변경되도록 실시간 제어를 수행하는 제어 장치; 를 포함하여 용융풀 실시간 모니터링 및 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템.

A 3D printing laser beam irradiating apparatus according to any one of claims 1 to 6;
An image processing device receiving the image information photographed by the coaxial ray photographing unit and the additional photographing unit and calculating shape information of the molten pool to generate operation information;
Receiving the operation information from the image processing apparatus, comparing the operation information with preset shaping information, and controlling the laser beam aligning unit when there is a difference, to change the width of the laser beam irradiated by the laser beam concentrator, A control device for performing control; Wherein the molten pool is capable of real-time monitoring and control.

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KR20200076331A (en) * 2018-12-19 2020-06-29 윈포시스(주) Apparatus for detecting melting pool using line CCD in 3D printer
WO2021085932A1 (en) 2019-10-28 2021-05-06 주식회사 인스텍 Laser shaping device
KR20230069295A (en) * 2021-11-11 2023-05-19 한국생산기술연구원 A 3D printing system and method of upper mold through alignment mark-based position correction

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