KR20180099838A - 적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법 - Google Patents

적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법 Download PDF

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KR20180099838A
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laser
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장-이브 하스코
질 카라빈
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에꼴 센트랄 데 낭트
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Abstract

적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법이 개시된다. 본 발명은 CLAD 방법을 통해, 상기 분무 노즐 및 상기 노즐의 중심을 통과하는 레이저 빔을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템에 있어서, 재료 표면에 대해 상기 광원을 위치시키는 수단 및 광면으로 지칭되는 평면에 실질적으로 수직인 광빔을 전달하기 위한 조명 수단을 포함하는 광원; 광학 축이 상기 광면에 실질적으로 평행하도록 설치되는, 프로파일 카메라라 지칭되는 영상 촬영 장치; 상기 노즐의 중심에서 바라본 시야를 투영할 수 있는 광학 경로 장치; 상기 광학 경로 상에 광축이 위치되는 센터링 카메라(centering camera)라 지칭되는 제2 영상 촬영 장치; 저출력 레이저 샷에 의해 마킹될 수 있는 타겟 및 상기 영상 촬영 장치로부터 오는 이미지를 수집할 수 있는 획득 및 처리 유닛을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템을 제공한다.

Description

적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법
본 발명은 분말의 분무 및 융합에 의한 적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 "Construction Laser Additive Directe"의 약자로 등록된 CLAD® 방법으로 불리는 레이저에 의해 분말 재질을 녹여 적층시켜 물체를 만드는 적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명과 관련된 종래 기술의 실시예가 개략적으로 도시된 도면이다.다.
도 1과 같이, 분말의 분무/융합을 위한 노즐(100)은 동심원(concentric)으로 테이퍼진 환형 공간(tapered annular spaces) 사이로 경계를 이루는 3개의 동심원인 원뿔부재(원뿔부재s)를 포함하고 있다. 이 경우 레이저(150)는 상기 원뿔의 중심축을 중심으로 하는 구경(bore)을 통해 내부 원뿔부재(130)를 통과한다. 레이저는 제조가 진행되는 대상(190)에서 재료 증착(192)이 수행되는 지점(191)에 초점이 맞춰진다.
이 경우 분말(160)은 외부 원뿔부재(110)의 내부 표면과 중간 원뿔부재(120)의 외부표면 사이의 테이퍼진 환형 공간에 분무되는 한편, 상기 중간 원뿔부재(120)의 내부 표면과 내부 원뿔부재(130)의 외부 표면 사이의 테이퍼진 환형 공간으로는 가스가 송풍된다. 상기 원뿔부재(110, 120, 130)의 중심 맞춤과 파라미터의 조정은 이상적으로 레이저(150)의 초점(191)과 교란되는 중공형 원뿔부재의 흐름(stream)에 따라, 정점에서 분말이 분무될 수 있는 결과를 가져온다.
재료 증착 지점(191)과 외부 원뿔부재(110)의 전단 사이의 거리(193)는 일반적으로 약 5mm으로 이 값은 제한되지 않는다. 이러한 방법의 구현은 분무된 재료의 원뿔부재의 형상 및 상기 레이저 빔에 대한 상기 원뿔부재의 완벽한 센터링 센터링에 대한 정확한 지식을 필요로 한다.
특히, 예를 들면, 일정 공간에서의 분말의 스트림(stream)에 방향에 대한 일정한 변화를 갖는 복잡한 궤도의 구현을 필요로 하는 물체를 제조하는 프레임워크에서는 상기 원뿔부재의 길이, 중심의 위치 및 원뿔부재의 형상에 대한 완벽한 지식을 필요로 한다. 특히 이러한 파라미터는 증착 점의 변위 및 제조된 표면에 대한 분무의 방향을 통해 움직임을 정의하는 프로그램으로 적절하게 축을 제어 할 수 있는 보정기(correctors) 또는 툴 게이지(tool gauges)와 관련된 파라미터의 방법으로, 수치 제어 기계에서 생성된다. 이러한 목적을 위해서 기계의 좌표계에서 레이저의 초점과 증착 지점의 상대적 위치를 알아야 할 필요가 있다.
재료 제거를 의한 제조의 프레임워크에서 사용된 것과 동일한 프로그래밍 및 제어 기술은 선행 기술로부터 공지되어 있으므로 더 이상의 세부 사항은 설명하지 않는다. 재료 제거 분야에서 툴 게이지에 대한 파라미터는 기계 바깥 또는 기계의 실제 공구 측정에서 직접적으로 추론될 수 있다.
적층 가공의 경우, 특히 CLAD 방법의 프레임워크에서, 분무 원뿔부재(spray 원뿔부재)의 치수는 가스 유량 및 스프레이된 분말의 성질에 대한 수행 방법에 관한 파라미터들에 의하여, 또는 노즐의 원뿔부재의 조정에 의하여 결정될 수 있다.
그러므로, 예를 들어 기계의 좌표계에서 분무 원뿔부재의 축의 위치나, 분무 원뿔부재의 길이와 같은 툴 게이지 파라미터를 측정하는 것은 불가능하고, 또는 상기 분사 수단을 실시하지 않고 상기 분무 원뿔부재의 형상을 조정할 수는 없다.
선행 기술의 방법에 따르면, 레이저의 축의 위치는 노즐 단부에 부착된 접착 스트립 상에 저출력 레이저 샷을 수행함으로써 얻어진다. 이러한 노즐의 단부는 접착 부분에 흔적을 남기고 레이저 샷은 스트립에 구멍을 만들게 된다.
이러한 방법은 상기 노즐의 원뿔부재에 적절한 설정에 따라 작동되어 구멍과 노즐의 흔적에 대한 두 개의 마크의 동심도(concentricity)를 조정할 수 있다. 이는 어떤한 경우에도 조정을 수행하기 위해 여러 번 반복해야하는 간접 측정방법이다.
이러한 조정의 품질은 무작위이며 숙련된 작업자조차도 0.5mm 미만의 재현성 오류를 주장할 수 없다. 즉 이러한 종래 기술은 툴 게이지, 즉 길이 또는 필요하면, 분무 원뿔부재의 형상을 결정하는 것을 가능하게 하지 않는다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 CLAD 방법을 통해, 상기 분무 노즐 및 상기 노즐의 중심을 통과하는 레이저 빔을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템에 있어서, 재료 표면에 대해 상기 광원을 위치시키는 수단 및 광면으로 지칭되는 평면에 실질적으로 수직인 광빔을 전달하기 위한 조명 수단을 포함하는 광원; 광학 축이 상기 광면에 실질적으로 평행하도록 설치되는, 프로파일 카메라라 지칭되는 영상 촬영 장치; 상기 노즐의 중심에서 바라본 시야를 투영할 수 있는 광학 경로 장치; 상기 광학 경로 상에 광축이 위치되는 센터링 카메라(centering camera)라 지칭되는 제2 영상 촬영 장치; 저출력 레이저 샷에 의해 마킹될 수 있는 타겟 및 상기 영상 촬영 장치로부터 오는 이미지를 수집할 수 있는 획득 및 처리 유닛을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 종래 기술의 단점을 극복하는 것을 목적으로 하며, 이 목적을 위하여 CLAD 방법을 통해, 상기 분무 노즐 및 상기 노즐의 중심을 통과하는 레이저 빔을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템에 있어서
ai. 재료 표면에 대해 상기 광원을 위치시키는 수단 및
aii. 광면으로 지칭되는 평면에 실질적으로 수직인 광빔을 전달하기 위한 조명 수단을 포함하는
a. 광원;
b. 광학 축이 상기 광면에 실질적으로 평행하도록 설치되는, 프로파일 카메라라 지칭되는 영상 촬영 장치;
c. 상기 노즐의 중심에서 바라본 시야를 투영할 수 있는 광학 경로 장치;
d. 상기 광학 경로 상에 광축이 위치되는 센터링 카메라라 지칭되는 제2 영상 촬영 장치;
e. 저출력 레이저 샷에 의해 마킹될 수 있는 타겟 및
f. 상기 영상 촬영 장치로부터 오는 이미지를 수집할 수 있는 획득 및 처리 유닛을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템을 제공한다.
이와 같이, 본 발명의 시스템 목적은 분말 스트림 및 레이저 빔의 이미지를 얻고, 노즐을 통과하는 광빔에 의해 분말 스프레이 오리피스의 위치와, 상기 타겟의 마팅에 의한 레이저의 센터링을 물질화(materialise)할 수 있다.
본 발명의 장치를 사용하면 다른 샷을 수행하거나 장치를 다시 설치하지 않고도 실시간으로 레이저와 노즐의 센터링을 확인할 수 있다. 본 발명은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 작동 가능한 조합에 따라 고려되어야 할 이하에 개시된 실시예 및 대안에 따라 바람직하게 구현된다.
바람직하게는 상기 광원은 상기 광면의 환형 배열에 따라 복수의 발광 다이오드를 포함한다. 본 실시예에서는 레이저 빔의 초점은 볼 수 있을 만큼 충분히 어두워져 있어도 환형 배열은 센터링 카메라 상의 분무 오리피스의 이미지가 균일하게 빛이 나도록 조명에 대해 노즐을 중심에 맞출 수 있게 하여, 그림자가 없는 조명을 얻는 것을 가능하게 한다.
개선된 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 아래의 구성을 포함한다.
g. 상기 광면의 광학 축과 평행하고, 상기 영상 촬영 장치의 광학 축에 수직인 광학 축을 갖는 제3 영상 촬영 장치
이 실시예는 2개의 평면에 따라 분말 스트림의 형상 및 그 프로파일의 레이저와의 정렬을 측정하는 것을 가능하게 한다. 분말 스트림의 형상을 조정하는 것은 분말 및 가스의 유속을 변화시킴으로써 수행될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 시스템 목적은 3차원 측정 및 분무/융합의 기하학적 구조의 조정을 허용한다.
본 발명은 또한 CLAD 방법을 통해, 청구항 1의 시스템에 의하여 재료를 분무/융합하는 장치의 조정 시스템의 조정 방법에 있어서,
i. 상기 평면에 대해 실질적으로 수직인 방향에 따라, 상기 광면의 상측에 상기 분무 노즐을 위치시키는 단계;
ii. 상기 타겟이 레이저 샷을 인터셉트하는 방식으로, 상기 노즐의 출구와 상기 광면 사이에 상기 타겟을 위치시키는 단계;
iii. 저출력 레이저 샷을 수행하는 단계;
iv. 상기 광원의 수단에 의해 상기 노즐의 단부를 조명하는 단계 및
v. 상기 노즐의 단부가 점등되는 동안, 상기 타겟의 레이저 샷에 의해 남겨진 마크의 이미지를 상기 센터링 카메라에 의해 얻는 단계를 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법을 제공한다.
이 방법은 타겟 위에 레이저에 의해 남겨진 마크에 의해 물질화되어, 레이저 빔의 축에 대해, 조명 링으로 나타나는 분말 스프레이 오리피스의 위치의 이미지를 상기 타겟을 제거하지 않고 얻을 수 있으며, 조명 링의 변위에 의해 각각의 조정 시 위치의 변경을 관찰할 수 있으므로, 노즐의 조정이 용이해진다.
본 발명의 방법의 대안에 따르면, 타겟은 노즐의 단부에 부착된다. 본 발명의 방법의 또 다른 대안에 따르면, 타겟은 광면 상에 고정된다. 센터링 카메라 및 본 발명의 장치의 광학 경로에 의해 부여되는 노즐을 통한 시각화의 가능성은 타겟을 이들 2개의 단부 사이에 또는 이들 사이의 임의의 위치에 배치하여 본 발명의 방법을 구현하는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는 본 발명의 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
vi. 상기 단계(v)에서 획득된 이미지 상에, 상기 조명 공간의 이미지(420)의 윤곽(contour)과 상기 타겟에 대하여 상기 레이저에 의해 남겨진 상기 마크(393) 이미지의 센터링 오차를 측정하는 단계;
vii. 상기 센터링 오차를 보정하기 위해 조정을 계산하는 단계
viii. 분말의 분무를 수행하는 단계;
ix. 상기 영상 촬영 장치(240, 340)에 의해 상기 분무된 분말의 이미지(560)를 획득하는 단계;
x. 단계(ix)에서 획득된 이미지 상의 미리 결정된 프로파일로부터 분말 스트림의 형상(565)을 결정하는 단계;
xi. 단계(x)에서 스트림에 대응하여 툴 게이지로 추론하는 단계.
따라서, 본 발명의 방법에 목적은 아이템의 제조 품질을 향상시키기 위해 정밀한 툴 게이지를 얻을 수 있게 한다.
바람직하게는 본 발명의 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
xii. 단계(viii) 동안 레이저 빔을 발생시키는 단계;
xiii. 단계(ix)에서 획득된 이미지에서 상기 레이저의 이미지(593)에 대한 분말의 스트림의 이미지(560)의 방향 편차를 측정하는 단계 및
xiv. 분말 스트림에 대한 레이저 빔의 방향 오차를 보정하기 위해 수행되는 조정단계를 단계(xii)의 결과로부터 추론하는 단계.
레이저와 관련하여 분말 스트림의 완벽한 방향성을 얻는 것 이외에도, 단계(xii)에서 취한 측정은 특히 충돌 후, 웨이퍼 가공 장치의 적절한 작동을 점검하는 것을 가능하게 한다.
개선된 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 3개의 영상 촬영 장치를 포함하는 시스템을 구현하고, 아래와 같은 단계를 포함한다.
xv. 상기 영상 촬영 장치에 의해 분무된 분말의 이미지를 획득하는 단계 및
xvi. 단계(ix)에서 얻어진 이미지 대신 단계(xv)에서 획득된 이미지로 단계(xiii) 및 단계(xiv)를 반복하는 단계.
이러한 동일한 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
xvi. 단계(ix)에서 획득된 이미지 대신에 단계(xiv)에서 획득된 이미지로 단계(x) 및 단계(xi)를 반복하는 단계.
본 발명의 방법의 이러한 개선된 실시예는 분말 스트림 및 레이저 빔의 3차원 검사 및 조정을 수행하는 것을 가능하게 한다.
아울러 본 실시예에 따르면 바람직하게는 아래와 같은 단계를 포함한다.
xvii. 단계(ix)에서 획득된 이미지 대신에 단계(xv)에서 획득된 이미지로 단계(x) 및 단계(xi)를 반복하는 단계.
상기에서 설명한 본 발명의 적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법에 의하면, 다른 샷을 수행하거나 장치를 다시 설치하지 않고도 실시간으로 레이저와 노즐의 센터링을 확인할 수 있다.
상기 광원은 상기 광면의 환형 배열에 따라 복수의 발광 다이오드를 포함한다. 본 실시예에서는 레이저 빔의 초점은 볼 수 있을 만큼 충분히 어두워져 있어도 환형 배열은 센터링 카메라 상의 분무 오리피스의 이미지가 균일하게 빛이 나도록 조명에 대해 노즐을 중심에 맞출 수 있게 하여, 그림자가 없는 조명을 얻는 것을 가능하게 한다.
타겟 위에 레이저에 의해 남겨진 마크에 의해 물질화되어, 레이저 빔의 축에 대해, 조명 링으로 나타나는 분말 스프레이 오리피스의 위치의 이미지를 상기 타겟을 제거하지 않고 얻을 수 있으며, 조명 링의 변위에 의해 각각의 조정 시 위치의 변경을 관찰할 수 있으므로, 노즐의 조정이 용이해진다.
아이템의 제조 품질을 향상시키기 위해 정밀한 툴 게이지를 얻을 수 있게 한다.
레이저와 관련하여 분말 스트림의 완벽한 방향성을 얻는 것 이외에도, 단계(xii)에서 취한 측정은 특히 충돌 후, 웨이퍼 가공 장치의 적절한 작동을 점검하는 것을 가능하게 한다.
분말 스트림 및 레이저 빔의 3차원 검사 및 조정을 수행하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 도 1 내지도 5를 참조하여, 바람직한 실시예에 따라 개시되며, 이는 결코 제한적인 것은 아니다.
도 1은 선행 기술과 관련하여 등록된 CLAD 방법에서 사용되는 분무/융합 노즐의 일 실시예에 따라 원근감 있게 도시된 단면도이다.
도 2는 도 3에 규정된 횡단면 A-A에 따른 개략적인 정면도 및 적층 가공 기계에서 본 발명의 시스템의 예시적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 시스템의 실시예에 따라 도시된 평면도이다.
도 4는 센터링 카메라에 의해 얻어진 이미지에 의한 레이저 빔 및 노즐의 동심도의 조정을 도시한 도면이다.
도 5는 프로파일 카메라에 의해 조정을 수행하기 위한 획득 및 처리 수단 상에 디스플레이된 스크린의 예로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 적측 가공을 수행하는 기계 툴에 장착된 본 발명의 시스템이 도시되어 있다.
일 예로서, 상기 시스템은 상기 기계의 선반(201) 상에 설치되며, 상기 선반(201)은 자성을 띠는 지지부(210, magnetic support)가 고정될 수 있다. 대안적인 실시예(미도시)에 따르면, 상기 지지부(210)는 자성을 띠지 않을 수 있으며, 선반(201) 상에 클램핑되거나 볼트로 고정되거나 또는 제조 동작을 방해하지 않는 위치에서 영구적으로 고정될 수 있다.
상기 시스템은 광원(220)을 포함한다. 상기 광원(220)은 본 실시예에 따라 기계의 선반(201)에 실질적으로 평행한 광면(lighting plane)과 대부분 직접적인 수직으로 광빔(221)을 방출한다. 대안적인 실시예에 따르면, 지지부(210)는 예를 들어 원통형 표면 상에 시스템을 설치하기 위한 V형 지지부이거나, 또는 그것이 놓이는 표면에 대하여, 그 방향을 조절하기 위한 수단 및 이 후에 상기 방향을 조절하는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템을 구현하기 위해, 레이저 빔의 방향(203)이 상기 광면에 실질적으로 수직인 방식으로 광원(220)의 상측에 기계의 적층 가공 헤드(202)가 위치되고, 노즐(100)의 균일한 광을 얻기 위해 상기 레이저 빔은 상기 광원(220)에 대해 중심에 위치하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 상기 광원의 지지부(210)에 부착된 지지암(230)은, 프로파일 카메라로 언급되는 디지털 비디오 카메라(240)를 설치가능하게 하며, 이는 카메라의 광학 축(241)이 레이저 빔의 방향(203)과 실질적으로 수직인 방식으로 설치가능하게 한다. 그러므로 상기 카메라는 상기 광면과 실질적으로 평행하므로, 스프레이 노즐(100)의 단부와, 상기 노즐(100)에서 나오는 분말 스트림의 이미지를 제공하게 된다. 대안으로, 상기 프로파일 카메라는 레이저 빔이 추정하는 방향에 대하여 광학 축(241)의 방향을 따르는 한편, 광원의 지지부(210)와 독립적으로 기계에 고정될 수 있다.
광학 경로(250)가 적층 가공 헤드(202)에서 수행되고, 센터링 카메라로 언급되는 제2 카메라(260)는 노즐(100)의 분말 오리피스를 통해 얻어지는 이미지를 획득하도록 한다. CLAD 방법을 실행하는 많은 기계에서 이러한 광학 경로(250)와 상기 제2 카메라(260)이 설치되는 위치는 적층 가공 헤드(202)의 수정이 필요하지 않도록 사전에 설치되어 있다.
도 2는 광학 경로(250)의 원칙적인 표현을 나타낸다. 실제로는, 상기 광학 경로는 레이저 빔과 간섭되지 않는 방식으로 수행된다. 따라서, 센터링 카메라(260)는 노즐(100)을 통해 보이는 것과 같은 이미지를 생성한다.
광원(220)에 대하여 초점과, 피사계 심도(depth of field) 및 적층 가공 헤드(202)의 위치의 조정은, 센터링 카메라가 분말 분사 오리피스(powder spraying orifice)의 둘레 및 레이저 빔의 위치의 물질화(materialisation)로부터 취해진 측정 값에 적합한 선명도로 동일한 이미지에서 볼 수 있도록 한다.
이러한 물질화(materialisation)는 노즐(100)의 단부와 광면 사이에 놓인 타겟의 천공(perforation)에 의해 얻어진다. 상기 타겟의 천공은 감소된 파워의 레이저 샷에 의해 수행된다.
이러한 2개의 카메라(240, 260)는 예를 들면 휴대용 컴퓨터와 같은 획득 및 처리 시스템(290)에 연결되어, 상기 카메라들에 의해 제공된 이미지들을 수집하고 이들 이미지들에 대한 다양한 처리를 수행한다.
도 3과 같이, 일 실시예에 따라, 광원(320)은, 링 형상의 중심에 실질적으로 배치된 적층 가공 헤드(202)에 환형 구성(annular configuration)으로 형성됨에 따라, 상기 광면 상에 배치되는 발광 다이오드와 같은 복수개의 광원(320)을 포함한다. 이러한 광원은 더 어두운 중심 구역을 갖는 노즐에 그림자가 없이 조명을 얻을 수 있게 하며, 장치의 중앙에 배치된 타겟(303)을 보다 잘 볼 수 있도록 한다.
본 실시예에 따르면, 타겟(303)은 광면에 놓여있다. 상기 타겟은 예를 들어 종이 또는 접착 스트립으로 만들어지며, 타겟 상의 저출력 레이저 샷(10 와트 미만, 바람직하게는 5 와트 미만)을 통해 마크를 생성할 수 있다. 상기 타겟(303)은 상기 적층 가공 헤드(202)의 상기 노즐의 출구와 광면 사이에서 상기 레이저 빔의 경로 상에 배치된다. 구현을 위한 가장 쉬운 위치는 상기 타겟이 광면 상에 또는 노즐의 출구 상에 배치될 때 얻어질 수 있다. 타겟은 클램프(미도시)에 의해 고정된다. 저출력 레이저 샷은 어둡거나 원형 구멍으로 타겟 상에 번트존(393, burnt zone)을 생성한다.
특정 실시예에 따르면, 본 발명의 장치는 제2 프로파일 카메라(340)를 포함하며, 적층 가공 헤드(202)의 노즐을 향하고, 광축은 레이저 빔의 추정 축과 수직이고, 제1 프로파일 카메라(240)와 실질적으로 수직이다.
도 4와 같이, 센터링 카메라에 의해 관찰된 이미지는 분말 방출 오리피스(powder expelling orifice)에 대응하는 둘레의 조명 링(420) 및 타겟 상에 레이저에 의해 남겨진 마크에 대응하는 어두운 스팟(493)을 포함한다.
획득 및 처리수단에 의해, 이들 2개의 스팟의 윤곽, 즉 조명 스팟인 조명 링(420) 및 어두운 스팟(493)은 예를 들어 상대적인 동심률을 측정하기 쉬운 원으로 동화된다. 이 측정 작업은 센터링 카메라에 의해 전달된 이미지를 획득 및 처리 수단의 화면에서 관찰하여 작업자가 수행할 수 있다. 즉 이러한 두개의 원의 식별은 작업자에 의해 수행된다. 예를 들어, 센터링 카메라가 얻은 이미지의 상기 등고선(contours)의 윤곽선을 중첩할 수 있는 그래픽 도구를 사용할 수 있다.
정확한 측정을 하기 위하여, 획득 및 처리 수단은 바람직하게는, 사용된 렌즈의 초점 길이, 초점 설정, 조리개 및 해상도와 같은 정보를 센터링 카메라나 다른 카메라들로부터 수신하는데, 상기 정보 리스트는 본 발명을 제한하지 않는다. 또한 이러한 정보는 디스플레이된 이미지의 재생 비율을 정확하게 계산하기에 적절한 조치를 수행하는 것을 가능하게 한다.
타겟이 광면 상에 놓여질 때, 이러한 조정은 노즐 원뿔부재의 기계적인 센터링 작업에 의해 본 발명의 장치에 대한 적층 가공 헤드를 이동시키지 않는 조건으로 수행된다. 즉 다른 레이저 샷을 수행하지 않고, 분말 스프레이 오리피스의 중심 맞춤을 즉시 수정할 수 있으므로 실시간으로 이미지로 노즐을 조정할 수 있는 것이다.
적층 가공 장치가 예를 들어 렌즈 수단에 의해 레이저의 광학적 조정을 포함 할 때, 초기 조정은 이미지 획득에 의해 계산된다. 이러한 조정이 완료되면 다른 촬영이 수행된다. 후자의 실시예에 따르면, 타겟이 노즐의 단부 또는 광면에 위치되든 관계없이 구현의 용이성은 동일하다.
도 5와 같이, 일 실시예에 따르면, 프로파일 카메라 중 어느 하나 이상과 대응하는 획득 및 처리 수단 상의 디스플레이 스크린(500)은 상기 프로파일 카메라에 의해 보이는 이미지를 나타내는 제1 프레임(501)을 포함한다. 이러한 이미지는 적층 가공 헤드의 노즐(100)의 단부를 보여 주며, 이러한 노즐(100)로 분말의 스트림이 분사될 때, 상기 프로파일 카메라는 분말의 스트림의 이미지(560)를 볼 수 있게 한다. 상기 레이저 빔이 분말의 스트림에 생성되면, 분말 입자에서 나오는 빛은 상기 레이저 빔의 방향(593)을 볼 수 있게 한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 노즐 및 분말 스프레이의 제1 스크린의 이미지는 분말 및 가스의 유동 속도의 조정에 따라 실시간으로 분말 스프레이 및 스트림의 형상을 나타내는 애니메이션 이미지이며, 또는 이전에 수행된 분말 분무 시험으로부터 얻은 정지 화상이다.
본 발명의 시스템은 바람직하게는 조정의 수행 뿐만 아니라 다양한 카메라에 의해 획득된 이미지 또는 영상을 기록하고 선택적으로 타임 스탬핑하기 위한 메모리 수단을 포함한다.
스크린의 제2 프레임(502)은 작업자가 예를 들어 제1 스크린(501)에 도시된 이미지상의 윤곽을 생성하기 위한 그래픽 툴을 포함하는 툴세트에 접근하도록 할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 작업자는 이러한 도구를 사용하여, 예를 들어 공중 그네(trapeze)와 같은 미리 결정된 패턴(565)으로 분말의 스트림의 이미지(560)의 프로파일을 결정하게 된다. 제1 프레임(501)에 디스플레이된 라벨(566)은 작업자에게 그와 같이 식별된 부등변 사각형(565)의 특성에 관한 제1 레벨의 정보를 제공한다.
제2 프레임의 디스플레이(513)는 식별된 프로파일(565)로부터 추론된 툴 게이지들의 정보를 작업자에게 제공한다. 이러한 툴 게이지는 작업자에 의해 기계의 보정 테이블에 수동으로 입력된다. 또는 보다 바람직하게는 취득 및 처리 수단은 기계의 명령 제어와의 데이터 교환 인터페이스를 포함하고, 기계의 보정 테이블은 작업자가 측정을 확인한 후에 식별된 수치 값의 전송에 의해 즉시 업데이트된다. 이러한 게이지는 예를 들어 사다리꼴의 길이, 큰 베이스의 폭, 분말 스트림의 큰 직경 및 테이퍼진 스트림의 작은 직경과 유사한 절단된 꼭대기의 폭으로 구성되어 있다.
또한 제1 프레임(501)의 이미지는 분말 스트림과 관련하여 부정확한 방향을 갖는 레이저 빔(594)의 경우를 검출할 수 있게 하며, 필요하다면, 방향의 재설정을 위한 필요한 조정이 계산될 수 있다.
또한 본 발명의 시스템은 2개의 프로파일 카메라를 포함하며, 이들의 다양한 조정 및 제어는 각각의 프로파일 카메라에 의해 제공되는 이미지를 사용하여 수행될 수 있다.
전술한 설명 및 실시예에 의해 본 발명이 추구하는 목적이 달성될 수 있으며, 노즐에 대한 레이저의 다양한 위치 조정을 현저히 용이하게 한다. 또한 본 발명은 본 명세서에서 적층 가공 기계의 프레임 워크에 제공되었지만, 이는 또한 절단용 레이저에 대한 레이저 절단용 노즐의 동심도 및 방향의 조정에도 적용될 수 있다. 이러한 이미지 및 조정은 바람직하게는 수행되는 제조의 추적성(traceability)을 보장하기 위해 메모리 수단에 보관될 수 있다.
100 : 노즐 201 : 선반
202 : 적층 가공 헤드 203 : 레이저 빔의 방향
210 : 지지부 220 : 광원
221 : 광빔 230 : 지지암
240 : 카메라 241 : 광학 축
250 : 광학 경로 260 : 제2 카메라
303 : 타겟 320 : 복수개의 광원
393 : 번트존 340 : 제2 프로파일 카메라
420 : 조명 링 493 : 어두운 스팟
500 : 디스플레이 스크린 501 : 제1 프레임
502 : 제2 프레임 565 : 미리 결정된 패턴

Claims (12)

  1. CLAD 방법을 통해, 상기 분무 노즐(100) 및 상기 노즐(100)의 중심을 통과하는 레이저 빔을 포함하는 적층 가공 장치(201)의 조정 시스템에 있어서
    ai. 재료 표면에 대해 상기 광원을 위치시키는 수단(210) 및
    aii. 광면으로 지칭되는 평면에 실질적으로 수직인 광빔(221)을 전달하기 위한 조명 수단(220)을 포함하는
    a. 광원;
    b. 광학 축(241)이 상기 광면에 실질적으로 평행하도록 설치되는, 프로파일 카메라라 지칭되는 영상 촬영 장치(240, 340);
    c. 상기 노즐(100)의 중심에서 바라본 시야를 투영할 수 있는 광학 경로 장치(250);
    d. 상기 광학 경로 상에 광축이 위치되는 센터링 카메라(centering camera)라 지칭되는 제2 영상 촬영 장치(260);
    e. 저출력 레이저 샷에 의해 마킹될 수 있는 타겟(303) 및
    f. 상기 영상 촬영 장치(240, 260, 340)로부터 오는 이미지를 수집할 수 있는 획득 및 처리 유닛(290)을 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은 상기 광면에서 환형 배열로 배치되는 복수의 발광 다이오드(320)를 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    g. 상기 광면의 광학 축과 평행하고, 상기 영상 촬영 장치(240)의 광학 축에 수직인 광학 축을 갖는 제3 영상 촬영 장치(340)를 더 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템.
  4. CLAD 방법을 통해, 청구항 1의 시스템에 의하여 재료를 분무/융합하는 장치의 조정 시스템의 조정 방법에 있어서,
    i. 상기 평면에 대해 실질적으로 수직인 방향에 따라, 상기 광면의 상측에 상기 분무 노즐(100)을 위치시키는 단계;
    ii. 상기 타겟(303)이 레이저 샷을 인터셉트하는 방식으로, 상기 노즐(100)의 출구와 상기 광면 사이에 상기 타겟(303)을 위치시키는 단계;
    iii. 저출력 레이저 샷을 수행하는 단계;
    iv. 상기 광원의 수단에 의해 상기 노즐의 단부를 조명하는 단계 및
    v. 상기 노즐의 단부가 점등되는 동안, 상기 타겟의 레이저 샷에 의해 남겨진 마크(393)의 이미지(493)를 상기 센터링 카메라에 의해 얻는 단계를 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 타겟은 상기 노즐의 단부에 부착되는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 타겟(303)은, 상기 광면 상에 고정되는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    vi. 상기 단계(v)에서 획득된 이미지 상에, 상기 조명 공간의 이미지(420)의 윤곽(contour)과 상기 타겟에 대하여 상기 레이저에 의해 남겨진 상기 마크(393) 이미지의 센터링 오차를 측정하는 단계 및
    vii. 상기 센터링 오차를 보정하기 위해 조정을 계산하는 단계를 더 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    viii. 분말의 분무를 수행하는 단계;
    ix. 상기 영상 촬영 장치(240, 340)에 의해 상기 분무된 분말의 이미지(560)를 획득하는 단계를 더 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,

    x. 단계(ix)에서 획득된 이미지 상의 미리 결정된 프로파일로부터 분말 스트림의 형상(565)을 결정하는 단계 및
    xi. 단계(x)에서 스트림에 대응하여 툴 게이지로 추론하는 단계를 더 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    xii. 단계(viii) 동안 레이저 빔을 발생시키는 단계;
    xiii. 단계(ix)에서 획득된 이미지에서 상기 레이저의 이미지(593)에 대한 분말의 스트림의 이미지(560)의 방향 편차를 측정하는 단계 및
    xiv. 분말 스트림에 대한 레이저 빔의 방향 오차를 보정하기 위해 수행되는 조정단계를 단계(xii)의 결과로부터 추론하는 단계를 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    청구항 3의 시스템을 구현하는 단계로,
    xv. 상기 영상 촬영 장치(340)에 의해 분무된 분말의 이미지(560)를 획득하는 단계 및
    xvi. 단계(ix)에서 얻어진 이미지 대신 단계(xv)에서 획득된 이미지로 단계(xiii) 및 단계(xiv)를 반복하는 단계를 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    xvii. 단계(ix)에서 획득된 이미지 대신에 단계(xv)에서 획득된 이미지로 단계(x) 및 단계(xi)를 반복하는 단계를 포함하는 적층 가공 장치의 조정 시스템의 조정 방법.
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