KR20180117235A

KR20180117235A - 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치

Info

Publication number: KR20180117235A
Application number: KR1020170049594A
Authority: KR
Inventors: 이창우; 하태호; 허세곤
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-10-29
Also published as: KR101966954B1; CN108723364A; CN108723364B

Abstract

본 발명은 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 관한 것으로서, 가공 헤드와, 속도 측정부와, 제어부를 포함한다. 가공 헤드는 용융풀에 공급되는 분말을 용융시키기 위한 레이저빔이 조사되는 레이저 조사부와, 레이저 조사부의 외측에 설치되고 용융풀에 공급되는 분말을 분사하는 분말 분사부를 구비한다. 속도 측정부는 가공 경로를 따라 가공 헤드의 이동속도를 측정한다. 제어부는 속도 측정부로부터 가공 헤드의 이동속도를 전달받아, 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우 가공 헤드 또는 분말 분사부를 상승시켜 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킨다.

Description

3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치{Apparatus for supplying powder for manufacturing three dimensional shapes}

본 발명은 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 관한 것으로서, 용융풀에 분말을 공급하면서 레이저빔을 조사하고 분말을 용착하여 분말층을 형성하는 작업을 반복하면서 3차원 형상을 제조하는데 이용되는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 3차원 프린터는 제조하고자 하는 제품의 CAD 데이터를 컴퓨터 상에서 한 방향으로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2차원 단면 형상을 순차적으로 프린팅하여 적층함으로써 3차원 형상을 제조하는 장치를 의미한다.

3차원 프린터는 신제품을 시장에 출시하기 전에 시제품을 제작함으로써 실제 제품에 어떤 문제점이 있는지 검출 및 수정하기 위하여 주로 이용되었으나, 최근에는 3차원 프린팅 공정 및 소재 물성이 발전되어 3차원 프린터에 의해 제조된 제품의 내구성과 치수 정밀도가 향상되면서 그 이용분야가 점차 늘고 있는 실정이다.

3차원 프린터는 재료를 노즐 또는 오리피스를 통해서 선택적으로 압출하여 적층하는 방법, 잉크젯 헤드를 이용하여 재료 잉크를 떨어뜨려서 적층하는 방법, 자외선광 또는 레이저빔을 액체 수지 또는 도포된 분말 형태의 소재에 조사하여 경화 또는 용착하여 적층하는 방법, 잉크젯 헤드를 이용하여 액체 상태의 접착제를 분말 소재 위에 선택적으로 뿌려서 적층하는 방법, 레이저빔 또는 전자빔을 기저부 표면에 집속하여 만든 용융풀에 분말을 공급하여 분말층을 적층하는 방법 등으로 구분된다.

도 1은 레이저빔(L)을 조사하여 공급되는 분말(P)을 용착하여 분말층(1)을 형성하는 방법에 있어서, 가공 헤드를 이용하여 분말층을 형성하는 종래의 방법을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 가공 헤드(10)는 레이저 조사부(11)와 분말 분사부(12)로 구성되는데, 레이저 조사부(11)는 기저부(2) 상에 형성된 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)을 용융시키기 위한 레이저빔(L)이 조사되고, 분말 분사부(12)는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)을 분사한다.

가공 헤드(10)를 일 방향으로 이동시키면서, 분말(P)을 기저부(2) 상에 형성된 용융풀(3)에 분사하고, 레이저빔(L)을 가공 헤드(10)에서 조사하여 분말층(1)을 용융해 고화시키는 동작을 반복함으로써, 분말층(1)을 다층으로 적층해 3차원 형상을 형성한다.

그러나, 종래에는 가공 경로를 따라 가공 헤드(10)가 이동하는 과정에서 가공 헤드(10)의 이동속도와 관계없이 용융풀(3)에 동일한 양의 분말(P)를 공급하는 방식을 채용하면서 분말층(1)의 높이가 부분적으로 달라지면서 분말층(1)의 표면이 평탄하지 않은 문제점이 있었다.

예를 들어 가공 경로가 직선부와 코너부로 조합되어 구성되어 있다면, 직선부에서는 가공 헤드(10)의 이동속도가 상대적으로 빠르고, 코너부에서는 가공 헤드(10)의 이동속도가 상대적으로 느리게 된다. 이와 같이 가공 헤드(10)의 이동속도가 빠른 위치(S1)와 느린 위치(S2)에 분말(P)을 동일하게 공급하게 되면, 가공 헤드(10)의 이동속도가 느린 위치(S2)에 적층되는 분말(P)의 양이 많아지면서 해당 위치에서의 분말층(1)의 높이가 상대적으로 높아진다.

3차원 형상을 형성하기 위해서는 분말층(1)을 다층으로 적층하게 되는데, 분말층(1)의 높이 편차가 동일한 위치에서 계속해서 반복적으로 쌓이게 되면, 최종적으로 제조되는 제품의 치수에 불량이 발생하게 된다.

또한, 이미 적층된 분말층(1) 일부의 높이가 상대적으로 높게 형성된 경우에도 동일한 양의 분말(P)을 계속해서 공급하게 되면, 최종적으로 제조되는 제품에서도 해당되는 부분의 높이가 상대적으로 높게 나타나면서 제품의 치수에 불량이 발생하게 된다.

한국공개특허공보 제2016-0041871호(2016.04.18 공개, 발명의 명칭 : 레이저를 이용한 소재의 건조 소결장치 및 방법)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 분말을 분사하는 가공 헤드의 이동속도 또는 분말층의 높이를 전달받아 용융풀에 공급되는 분말의 양을 제어함으로써, 분말층의 표면을 평탄하게 형성할 수 있고, 최종적으로 제조되는 제품의 치수 정밀도를 향상시킬 수 있는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치는, 용융풀에 공급되는 분말을 용융시키기 위한 레이저빔이 조사되는 레이저 조사부와, 상기 레이저 조사부의 외측에 설치되고 상기 용융풀에 공급되는 분말을 분사하는 분말 분사부를 구비하는 가공 헤드; 가공 경로를 따라 상기 가공 헤드의 이동속도를 측정하는 속도 측정부; 및 상기 속도 측정부로부터 상기 가공 헤드의 이동속도를 전달받아, 상기 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우 상기 가공 헤드 또는 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서, 상기 레이저빔은 상기 가공 헤드의 중앙부를 통해 상기 분말에 조사되어 상기 용융풀을 형성하고, 상기 분말은 상기 레이저빔의 둘레에서 상기 용융풀을 향해 경사지게 분사되며, 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 경우, 상기 분말이 수렴되는 분말 수렴점이 상기 용융풀의 표면보다 높게 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서, 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 상하 방향으로 상대이동 가능하게 설치되고, 상기 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우, 상기 제어부는 상기 레이저 조사부에 대하여 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서, 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 일체로 형성되고, 상기 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우, 상기 제어부는 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부를 함께 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치는, 용융풀에 공급되는 분말을 용융시키기 위한 레이저빔이 조사되는 레이저 조사부와, 상기 레이저 조사부의 외측에 설치되고 상기 용융풀에 공급되는 분말을 분사하는 분말 분사부를 구비하는 가공 헤드; 가공 경로를 따라 기저부의 높이 또는 상기 분말이 용착되어 형성된 분말층의 높이를 측정하는 높이 측정부; 및 상기 높이 측정부로부터 상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이를 전달받아, 상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이가 증가할 경우 상기 가공 헤드 또는 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서, 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 상하 방향으로 상대이동 가능하게 설치되고, 상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이가 증가할 경우 상기 제어부는 상기 레이저 조사부에 대하여 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서, 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 일체로 형성되고, 상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이가 증가할 경우 상기 제어부는 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부를 함께 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 따르면, 분말층의 표면을 평탄하게 형성할 수 있고, 최종적으로 제조되는 제품의 치수 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 따르면, 분말층의 높이를 실시간으로 제어할 수 있다.

도 1은 가공 헤드를 이용하여 분말층을 형성하는 종래의 방법을 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 3은 도 2의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 원리를 설명하기 위한 도시한 도면이고,
도 4는 도 2의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 가공 헤드의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 도 2의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서 가공 헤드의 변형례의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 7은 도 6의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 원리를 설명하기 위한 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 원리를 설명하기 위한 도시한 도면이고, 도 4는 도 2의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 가공 헤드의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 2의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치에 있어서 가공 헤드의 변형례의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치(100)는, 용융풀에 분말을 공급하면서 레이저빔을 조사하고 분말을 용착하여 분말층을 형성하는 작업을 반복하면서 3차원 형상을 제조하는데 이용되는 것으로서, 가공 헤드(110)와, 속도 측정부(120)와, 제어부(130)를 포함한다.

상기 가공 헤드(110)는 레이저빔(L)을 조사하고, 분말(P)을 분사하는 것으로서, 레이저 조사부(111)와, 분말 분사부(112)를 구비한다.

레이저 조사부(111)는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)을 용융시키기 위한 레이저빔(L)이 조사된다. 레이저 조사부(111)는 가공 헤드(110)의 중앙부에 마련되고, 내부에는 레이저 출력부(미도시)에서 출력되어 전송되는 레이저빔(L)을 집광할 수 있는 집광 렌즈(미도시) 등이 설치될 수 있다.

분말 분사부(112)는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)을 분사하며, 레이저 조사부(111)의 외측에 설치된다. 외부에 별도로 설치된 분말 공급장치(미도시)로부터 공급되는 분말(P)은 분말 분사부(112)의 노즐(112a)을 경유하여 용융풀(3)로 분사된다. 용융풀(3)에 공급된 분말(P)에 레이저빔(L)이 조사되고, 조사되는 레이저빔(L)의 열에너지에 의해 분말(P)이 용착되면서 분말층(1)이 형성될 수 있다.

분말 분사부의 노즐(112a)은 레이저 조사부(111)의 둘레에 일정 각도 이격되게 배치되는 다수의 분사홀 형태로 형성될 수도 있고, 레이저 조사부(111)의 둘레를 감싸는 일종의 도넛 형태의 분사홀 형태로 형성될 수도 있다.

상기 속도 측정부(120)는 가공 경로를 따라 가공 헤드(110)의 이동속도를 측정한다.

본 명세서에서 가공 경로라 함은 최종적으로 제조되는 제품의 형상에 대응되게 형성되는 분말층(1)을 적층하기 위하여, 레이저빔(L)을 조사하고 분말(P)을 분사하면서 가공 헤드(110)를 이동시키는 경로를 의미한다.

앞서 설명한 바와 같이, 가공 헤드(110)는 전체 가공 경로 상에서 동일한 이동속도로 이동되지 않는다. 예를 들어 가공 경로가 직선부와 코너부로 조합되어 구성되어 있다면, 일반적으로 직선부에서는 가공 헤드(110)의 이동속도가 상대적으로 빠르고, 코너부에서는 가공 헤드(110)의 이동속도가 상대적으로 느릴 수 있다.

가공 헤드(110)가 가공 경로를 따라 이동하는 동안, 속도 측정부(120)는 가공 경로 상에서 가공 헤드(110)의 이동속도를 실시간 측정하고, 측정된 이동속도 데이터를 후술할 제어부(130) 측으로 전달한다.

상기 제어부(130)는 속도 측정부(120)로부터 가공 헤드(110)의 이동속도를 전달받아, 가공 헤드(110)의 이동속도가 감소할 경우 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시킨다.

가공 헤드(110)의 이동속도가 빠른 위치(S1)와 느린 위치(S2)에 분말(P)을 동일하게 공급하게 되면, 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 많아지면서 해당 위치에서의 분말층(1)의 높이가 상대적으로 높아질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 가공 헤드(110)의 이동속도가 빠른 위치(S1)에서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양보다 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치에서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시킴으로써, 가공 경로 전체에 걸쳐 분말층(1)의 높이를 평탄하게 구현할 수 있다.

본 발명에서는 가공 헤드(110)의 이동속도가 감소할 경우 가공 헤드(110) 또는 분말 분사부(112)를 상승시킴으로써, 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시키는 방법으로, 외부에 별도로 설치된 분말 공급장치(미도시)로부터 분말 분사부(112)에 공급되는 분말(P)의 양을 제어하는 방법을 고려할 수도 있다.

그러나, 이러한 방법을 활용할 경우 가공 헤드(110)의 이동속도를 실시간으로 측정하는 순간과 외부에 설치된 분말 공급장치를 제어하여 분말 분사부(112)로부터 제어된 분말(P)의 양이 분사되는 순간 사이에 지연이 발생하면서, 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에 감소된 분말(P)의 양이 분사되지 못하고, 감소된 분말(P)의 양이 분사되어야 하는 위치를 지나친 후 다른 위치에 감소된 분말(P)의 양이 분사되는 문제점이 있다.

따라서, 가공 헤드(110)의 이동속도와 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 실시간으로 연계하기 위하여, 가공 헤드(110)의 이동속도를 측정하고 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에서는 곧바로 가공 헤드(110) 또는 분말 분사부(112)를 상승시킴으로써, 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시키는 것이 바람직하다.

도 3을 참고하면, 레이저빔(L)은 가공 헤드(110)의 중앙부를 통해 분말(P)에 조사되어 용융풀(3)을 형성하고, 분말(P)은 레이저빔(L)의 둘레에서 용융풀(3)을 향해 경사지게 분사되면서, 기저부(2) 상에 분말층(1)을 형성하게 된다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 가공 헤드(110)의 이동속도가 빠른 위치(S1)에서는 레이저빔의 초점(LF)과, 분말 분사부(112)로부터 분사되는 분말(P)이 수렴되는 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)에 집중된다. 분말(P)은 레이저빔(L)의 둘레에서 하측을 향해 경사지게 분사되므로, 분말(P)이 수렴되는 분말 수렴점(PC)은 분말(P)이 공급되는 양이 상대적으로 높은 지점을 의미한다. 이와 같은 상태에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 많게 된다.

도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에서는 가공 헤드(110) 또는 분말 분사부(112)가 상승되면서 분말(P)이 수렴되는 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)의 표면보다 높게 배치된다. 분말 분사부(112)에서 분사된 분말(P)이 분말 수렴점(PC)에서 수렴된 후 분말 수렴점(PC)의 하측에서는 분산되므로, 분말 분사부(112)로부터 분사되는 분말(P)의 양은 동일할지라도 실제 용융풀(3)에 들어가는 분말(P)의 양은 상대적으로 적게 된다.

따라서, 분말 수렴점(PC)의 위치 조정을 통해 가공 헤드(110)의 이동속도가 빠른 위치(S1)에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 상대적으로 많게 하고, 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 상대적으로 적게 함으로써, 가공 경로를 따라 형성되는 분말층(1)의 높이를 전체적으로 평탄하게 유지할 수 있다.

이후, 가공 헤드(110)의 이동속도가 다시 증가할 경우에는 가공 헤드(110) 또는 분말 분사부(112)를 하강시킴으로써, 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 증가시킬 수 있는 것은 당연하다.

본 실시예의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 가공 헤드는 아래와 같이 구성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 가공 헤드(110)를 구성하는 레이저 조사부(111)와 분말 분사부(112)는 상하 방향으로 상대이동 가능하게 설치될 수 있다.

가공 헤드(110)의 이동속도가 빠른 위치(S1)에서는 레이저 조사부(111)와 분말 분사부(112)가 동일한 높이에 배치되고, 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)에 집중되면서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 많게 된다. 가공 헤드(110)의 이동속도가 느린 위치(S2)에서는 레이저 조사부(111)에 대하여 분말 분사부(112)가 상승되고 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)의 표면보다 높게 배치되면서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 적게 된다.

레이저 조사부(111)에 대하여 분말 분사부(112)를 승강시키는 구성은 레이저 조사부(111)와 분말 분사부(112) 사이에 직선운동유닛을 설치하여 구현할 수 있으며, 이러한 직선운동유닛에 관한 구조는 통상의 기술자에게 널리 알려진 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

한편, 가공 헤드(110)는 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수도 있다.

도 5를 참조하면, 가공 헤드(110')를 구성하는 레이저 조사부(111')와 분말 분사부(112')는 일체로 형성될 수 있다.

가공 헤드(110')의 이동속도가 빠른 위치(S1)에서는 레이저 조사부(111')와 분말 분사부(112')가 동일한 높이에 배치되고, 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)에 집중되면서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 많게 된다. 가공 헤드(110')의 이동속도가 느린 위치(S2)에서는 레이저 조사부(111')와 분말 분사부(112')가 함께 상승되고 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)의 표면보다 높게 배치되면서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 적게 된다.

레이저빔(L)의 초점(LF)은 일정 길이의 초점 깊이(depth of focus)를 가진다. 따라서, 위와 같이 분말 분사부(112')와 함께 레이저 조사부(111')가 상승되더라도 그 상승 높이가 초점 깊이의 범위 내에서 이루어지면, 용융풀(3)에 조사되는 레이저빔(L)의 강도(intensity)는 일정하게 유지될 수 있다.

레이저 조사부(111')와 분말 분사부(112')를 함께 승강시키는 구성은 가공 헤드(110')에 직선운동유닛을 설치하여 구현할 수 있으며, 이러한 직선운동유닛에 관한 구조는 통상의 기술자에게 널리 알려진 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치의 원리를 설명하기 위한 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치(200)는, 가공 헤드(210)와, 속도 측정부(220)와, 제어부(230)를 포함한다.

상기 가공 헤드(210)는 레이저빔(L)을 조사하고, 분말(P)을 분사하는 것으로서, 레이저 조사부(211)와, 분말 분사부(212)를 구비한다.

레이저 조사부(211)는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)을 용융시키기 위하여 레이저 출력부(201)에서 출력되어 전송되는 레이저빔(L)이 조사되고, 분말 분사부(212)는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)을 분사하며, 레이저 조사부(211)의 외측에 설치된다.

본 실시예의 가공 헤드(210)는 도 2에 도시된 실시예의 가공 헤드(110)와 그 기능이 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.

상기 높이 측정부(220)는 가공 경로를 따라 기저부(2)의 높이 또는 분말이 용착되어 형성된 분말층(1)의 높이를 측정한다.

가공 헤드(210)가 가공 경로를 따라 이동하는 동안 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이가 가공 경로 전체에 걸쳐 평탄하게 형성되지 않을 수 있다. 가공 경로 중 어떤 위치에서는 분말층(1)이 원하는 높이(H1)로 형성되어 있지만, 다른 위치에서는 가공 조건 등의 오류 등으로 인해 분말층의 높이(H2)가 상대적으로 높게 형성될 수 있다.

가공 헤드(210)가 가공 경로를 따라 이동하는 동안, 높이 측정부(220)는 가공 경로 상에서 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이를 실시간 측정하고, 측정된 높이 데이터를 후술할 제어부(230) 측으로 전달한다.

상기 제어부(230)는 높이 측정부(220)로부터 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이를 전달받아, 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이가 증가할 경우 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시킨다.

분말층(1)의 높이가 정상적인 위치(H1)와 높은 위치(H2)에 분말(P)을 동일하게 공급하게 되면, 동일한 두께의 분말층(1)이 계속해서 적층되면서 최종적으로 제조된 제품에서 분말층(1)의 높이가 높은 위치(H2) 부분이 다른 부분과 비교하여 돌출되게 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 분말층(1)의 높이가 정상적인 위치(H1)에서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양보다 분말층(1)의 높이가 높은 위치(H2)에서 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시킴으로써, 가공 경로 전체에 걸쳐 분말층(1)의 높이를 평탄하게 구현할 수 있다.

본 발명에서는 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이가 증가할 경우 가공 헤드(210) 또는 분말 분사부(212)를 상승시킴으로써, 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이와 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 실시간으로 연계하기 위하여, 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이를 측정하고 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이가 높은 위치(H2)에서는 곧바로 가공 헤드(210) 또는 분말 분사부(212)를 상승시킴으로써, 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 감소시킬 수 있다.

도 7을 참고하면, 레이저빔(L)은 가공 헤드(210)의 중앙부를 통해 분말(P)에 조사되어 용융풀(3)을 형성하고, 분말(P)은 레이저빔(L)의 둘레에서 용융풀(3)을 향해 경사지게 분사되면서, 기저부(2) 상에 분말층(1)을 형성하게 된다.

도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 분말층(1)의 높이가 정상적인 위치(H1)에서는 레이저빔의 초점(LF)과, 분말 분사부(112)로부터 분사되는 분말(P)이 수렴되는 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)에 집중된다. 이와 같은 상태에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 많게 된다.

도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 분말층(1)의 높이가 높은 위치(H2)에서는 가공 헤드(210) 또는 분말 분사부(212)가 상승되면서 분말(P)이 수렴되는 분말 수렴점(PC)이 용융풀(3)의 표면보다 높게 배치된다. 이와 같은 상태에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양이 상대적으로 적게 된다.

따라서, 분말 수렴점(PC)의 위치 조정을 통해 분말층(1)의 높이가 정상적인 위치(H1)에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 상대적으로 많게 하고, 분말층(1)의 높이가 높은 위치(H2)에서는 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 상대적으로 적게 함으로써, 가공 경로를 따라 형성되는 분말층(1)의 높이를 전체적으로 평탄하게 유지할 수 있다.

이후, 기저부(2)의 높이 또는 분말층(1)의 높이가 다시 감소할 경우에는 가공 헤드(210) 또는 분말 분사부(212)를 하강시킴으로써, 용융풀(3)에 공급되는 분말(P)의 양을 증가시킬 수 있는 것은 당연하다.

본 실시예의 가공 헤드(210) 또한 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.

도 3, 도 4, 도 5 및 도 7에 있어서, 레이저빔의 초점(LF)이 용융풀(3)에 배치되어 포커싱된 레이저빔(L)이 이용되는 것으로 도시되어 있으나, 용융풀(3)에 조사되는 레이저빔(L)은 포커싱된 상태 또는 디포커싱된 상태 등 어느 상태로든 조사 가능하다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치는, 분말을 분사하는 가공 헤드의 이동속도 또는 분말층의 높이를 전달받아 용융풀에 공급되는 분말의 양을 제어함으로써, 분말층의 표면을 평탄하게 형성할 수 있고, 최종적으로 제조되는 제품의 치수 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치는, 분말이 수렴되는 분말 수렴점의 높이 조정만으로 용융풀에 공급되는 분말의 양을 제어할 수 있으므로, 분말층의 높이를 실시간으로 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100 : 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치
110 : 가공 헤드
111 : 레이저 조사부
112 : 분말 분사부
120 : 속도 측정부
130 : 제어부

Claims

용융풀에 공급되는 분말을 용융시키기 위한 레이저빔이 조사되는 레이저 조사부와, 상기 레이저 조사부의 외측에 설치되고 상기 용융풀에 공급되는 분말을 분사하는 분말 분사부를 구비하는 가공 헤드;
가공 경로를 따라 상기 가공 헤드의 이동속도를 측정하는 속도 측정부; 및
상기 속도 측정부로부터 상기 가공 헤드의 이동속도를 전달받아, 상기 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우 상기 가공 헤드 또는 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저빔은 상기 가공 헤드의 중앙부를 통해 상기 분말에 조사되어 상기 용융풀을 형성하고, 상기 분말은 상기 레이저빔의 둘레에서 상기 용융풀을 향해 경사지게 분사되며,
상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 경우, 상기 분말이 수렴되는 분말 수렴점이 상기 용융풀의 표면보다 높게 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 상하 방향으로 상대이동 가능하게 설치되고,
상기 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우, 상기 제어부는 상기 레이저 조사부에 대하여 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 일체로 형성되고,
상기 가공 헤드의 이동속도가 감소할 경우, 상기 제어부는 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부를 함께 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
용융풀에 공급되는 분말을 용융시키기 위한 레이저빔이 조사되는 레이저 조사부와, 상기 레이저 조사부의 외측에 설치되고 상기 용융풀에 공급되는 분말을 분사하는 분말 분사부를 구비하는 가공 헤드;
가공 경로를 따라 기저부의 높이 또는 상기 분말이 용착되어 형성된 분말층의 높이를 측정하는 높이 측정부; 및
상기 높이 측정부로부터 상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이를 전달받아, 상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이가 증가할 경우 상기 가공 헤드 또는 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
제5항에 있어서,
상기 레이저빔은 상기 가공 헤드의 중앙부를 통해 상기 분말에 조사되어 상기 용융풀을 형성하고, 상기 분말은 상기 레이저빔의 둘레에서 상기 용융풀을 향해 경사지게 분사되며,
상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시킬 경우, 상기 분말이 수렴되는 분말 수렴점이 상기 용융풀의 표면보다 높게 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
제5항에 있어서,
상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 상하 방향으로 상대이동 가능하게 설치되고,
상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이가 증가할 경우 상기 제어부는 상기 레이저 조사부에 대하여 상기 분말 분사부를 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.
제5항에 있어서,
상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부는 일체로 형성되고,
상기 기저부의 높이 또는 상기 분말층의 높이가 증가할 경우 상기 제어부는 상기 레이저 조사부와 상기 분말 분사부를 함께 상승시켜 상기 용융풀에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치.