KR20190055507A - 폐금속분말 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치 - Google Patents

폐금속분말 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 폐금속분말 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치는, 대상모재의 강화영역에 강화용 분말을 공급하는 분말 공급유닛, 기 설정된 이동경로를 따라 이동하며 상기 강화용 분말이 공급된 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 대상모재 및 상기 강화용 분말을 용융시킴에 따라 강화층을 형성하는 레이저 조사유닛 및 상기 강화층 형성 과정 중 발생하는 폐금속분말을 흡입하여 회수하는 흡입유닛을 포함한다.

Description

폐금속분말 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치{Laser Deposition Apparatus Having Abandoned Metal Powder Inhalation Unit}
본 발명은 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 적층장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강화층 형성 과정 중 발생하는 폐금속분말을 회수하기 위한 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치에 관한 것이다.
최근에는 다양한 산업 분야에서 금속의 표면을 강화시키거나, 특수한 특성을 나타내기 위해 표면 처리하는 방법이 널리 사용되고 있다.
종래의 금속표면처리방법의 경우, 모재에 특정 가스를 주입하여 처리층을 증착하거나, 또는 소정의 표면처리 소재를 콜드 스프레이 방식을 이용하여 모재의 표면에 부착시키는 등의 다양한 방법이 이용되고 있다.
하지만, 이와 같은 종래의 금속표면처리방법의 경우, 처리층과 모재의 표면 간의 부착력이 크게 떨어지게 되며, 이에 따라 처리층이 분리 및 탈락되는 현상이 잦은 빈도로 발생하게 되는 문제점이 나타나고 있다.
뿐만 아니라, 종래의 금속표면처리방법은 모재의 형상이 평면 또는 극히 단순한 형태일 경우일 때 그 효과가 현저하게 나타나며, 모재의 형상이 불규칙적이거나 복잡한 경우에는 큰 효과를 볼 수 없다는 문제가 있었다. 또는 표면처리장치의 특성 상 불규칙하거나 복잡한 형상을 가지는 모재의 표면처리를 수행하는 것이 아예 불가능한 경우도 있어, 모재의 수명이 크게 떨어지는 문제도 있었다.
특히 상기 모재가 프레스, 단조 공정 등에 사용되는 금형과 같이 잦은 충격과 외력이 가해지는 제품인 경우, 비용 대비 수명이 매우 짧아져 유지, 보수에 소요되는 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 분말을 모재 표면에 공급하는 동시에 레이저를 조사하여 모재와 분말을 함께 용융시키는 방법으로 강화층을 형성하는 방법이 제시되었다.
하지만, 상기와 같은 기법은 그 공정 특성상 폐분말이 주위에 퇴적되는 문제가 발생할 수밖에 없으며, 오랜 공정 시간과 구조물에 의해 쌓여진 폐분말이 공정이 이루어지고 있는 스팟에 유입될 경우에는 결과물에 기계적 물성저하 및 결함이 발생하게 되는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국등록특허 제10-1179151호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 분말을 모재 표면에 공급하는 동시에 레이저를 조사하여 모재와 분말을 함께 용융시키는 방법으로 강화층을 형성하는 과정에 있어서, 공정 중 발생하는 폐금속분말을 효과적으로 회수하여 우수한 처리 결과를 제공할 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐금속분말 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치는, 대상모재의 강화영역에 강화용 분말을 공급하는 분말 공급유닛, 기 설정된 이동경로를 따라 이동하며 상기 강화용 분말이 공급된 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 대상모재 및 상기 강화용 분말을 용융시킴에 따라 강화층을 형성하는 레이저 조사유닛 및 상기 강화층 형성 과정 중 발생하는 폐금속분말을 흡입하여 회수하는 흡입유닛을 포함한다.
그리고 상기 분말 공급유닛은 상기 레이저 조사유닛의 둘레를 감싸도록 구비되어, 상기 레이저 조사유닛과 일체화된 통합모듈 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 통합모듈은 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점차 작아지는 형태로 형성될 수 있다.
그리고 상기 흡입유닛은, 상기 레이저 조사유닛 및 상기 분말 공급유닛의 둘레를 감싸도록 배열된 복수의 흡입튜브를 포함할 수 있다.
또한 상기 흡입튜브는 상하 이동 가능하게 형성되어, 하부 끝단과 상기 폐금속분말 사이의 거리를 조절 가능하게 형성될 수 있다.
그리고 상기 흡입튜브는 수직선을 기준으로 하여 이루는 각도를 조절 가능하게 형성될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폐금속분말 흡입유닛을 포함하는 레이저 적층장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 공정 중 발생하는 폐금속분말을 실시간으로 처리하여 신속하고 효과적으로 회수가 가능하다는 장점이 있다.
둘째, 공정 중 폐금속분말의 유입에 따른 결과물의 기계적 물성저하 및 결함을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 공정 중 발생하는 폐금속분말의 다양한 분포 형태 및 비산 형태에도 용이하게 적용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치의 모습을 나타낸 도면;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 흡입튜브의 구동 형태를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 흡입유로의 형태를 나타낸 도면; 및
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 흡입유로의 형태를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레이저 적층장치는 분말 공급유닛 및 레이저 조사유닛을 포함하는 통합모듈(100)과, 상기 통합모듈(100)의 외측에 구비되는 흡입유닛(200)을 포함한다. 그리고 상기 통합모듈(100) 및 상기 흡입유닛(200)은 모두 바디(10)에 구비된 형태로 형성된다.
상기 통합모듈(100)은 상기 분말 공급유닛 및 상기 레이저 조사유닛과 일체화된 형태를 가지며, 이때 상기 분말 공급유닛은 상기 레이저 조사유닛의 둘레를 감싸도록 구비될 수 있다.
그리고 본 실시예에서 상기 통합모듈(100)은, 상기 바디(10) 내측에 구비된 레이저 발생기(300)를 통해 생성된 레이저를 하부 스테이지에 위치된 대상모재(S) 측으로 조사하는 레이저 조사부(112)와, 상기 레이저 조사부(112)의 둘레를 동심원 형태로 감싸도록 형성되어 강화용 분말을 공급하는 분말 공급부(116)를 포함하는 노즐 형태로 구비된다.
또한 본 실시예의 경우 상기 통합모듈(100)은 상기 레이저 조사부(112)와 상기 분말 공급부(116) 사이에 동심원 형태로 구비되어 코액시얼 가스(Coaxial Gas)를 대상모재(S) 측으로 분사하는 제1가스조사부(114)와, 상기 분말 공급부(116)의 외측에 동심원 형태로 구비되어 보호가스를 공정 영역에 분사하는 제2가스조사부(118)를 더 포함할 수 있다.
특히 상기 통합모듈(100)은 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점차 작아지는 형태로 형성되어, 상기 통합모듈(100)을 통해 분사되는 각 공정 요소들은 상기 대상모재(S)의 강화영역에 집중될 수 있다.
상기 강화영역은 상기 대상모재(S)의 전체 표면 중 강화시키고자 하는 영역을 말하는 것이며, 상기 강화영역은 상기 대상모재(S)의 표면 전체일 수도 있고, 또는 목적에 따라 상기 대상모재(S)의 전체 표면 중 일부 면적이 될 수도 있다.
또한 상기 강화용 분말로는 다양한 재료가 사용될 수 있으며, 본 실시예의 경우 상기 강화용 분말로 고속도 공구강을 사용하는 것으로 하였다. 다만, 이는 하나의 실시예일뿐 상기 강화용 분말로서 다른 재료가 사용될 수도 있음은 물론이다.
상기 레이저 조사유닛은 전술한 바와 같이 레이저 발생기(300)와, 상기 레이저 발생기(300)를 통해 생성된 레이저를 하부 스테이지에 위치된 대상모재(S) 측으로 조사하는 레이저 조사부(112)를 포함하며, 상기 통합모듈(100)은 기 설정된 이동경로를 따라 이동하며 상기 분말 공급유닛에 의해 상기 강화용 분말이 공급된 대상모재(S)의 강화영역에 레이저를 조사함에 따라 상기 대상모재(S)의 표면에 강화층을 형성한다.
본 과정에서는 상기 대상모재(S)의 강화영역 표면 및 상기 분말 공급유닛에 의해 공급되는 강화용 분말이 레이저에 의해 함께 용융되며, 이후 용융된 멜트 풀(Melt Pool)이 경화됨에 따라 상기 대상모재(S)의 표면에 강화층이 형성된다. 본 발명의 경우, 강화용 분말뿐 아니라 대상모재(S)의 표면이 함께 용융되므로 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
한편 상기 흡입유닛(200)은, 상기 레이저 조사유닛 및 상기 분말 공급유닛을 포함하는 통합모듈(100)의 외측에 구비되어, 상기 강화층 형성 과정 중 발생하는 폐금속분말(P)을 흡입하여 회수하는 역할을 수행한다.
즉 본 발명은 상기 흡입유닛(200)을 통해 공정 중 발생하는 폐금속분말(P)을 실시간으로 처리하여 신속하고 효과적으로 회수가 가능하며, 이에 따라 공정 중 폐금속분말(P)의 유입에 따른 결과물의 기계적 물성저하 및 결함을 미연에 방지할 수 있는 장점을 가진다.
본 실시예에서 상기 흡입유닛(200)은 흡입기(400)와, 상기 흡입기(400)와 흡입유로(20, 도 4 참조)에 의해 연결되고, 상기 레이저 조사유닛 및 상기 분말 공급유닛을 포함하는 통합모듈(100)의 둘레를 감싸도록 배열된 복수의 흡입튜브(210)와, 상기 흡입튜브(210)를 감싸는 튜브커버(230)를 포함하는 형태로 형성된다.
특히 본 실시예의 경우 상기 흡입튜브(210)는 연결부(220)에 의해 상기 바디(10) 측에 연결되며, 전체적으로 상기 통합모듈(100)의 외측면 경사도에 대응되는 기울기를 가진다.
따라서 상기 흡입튜브(210)의 하부 끝단은 상기 대상모재(S)의 강화영역 둘레에 인접하게 되며, 상기 흡입기(400)에 의해 발생된 흡입력을 통해 상기 강화층 형성 과정 중 발생하는 폐금속분말(P)을 흡입하여 회수할 수 있다.
이때 상기 흡입튜브(210)의 하부 끝단의 위치는 상기 강화영역의 융융풀 내부 측에 흡입의 영향이 전달되지 않도록 정해질 수 있다.
상기 튜브커버(230)는 상기 흡입튜브(210)의 둘레를 감싸는 형태로 형성될 수 있으며, 상기 레이저 조사유닛에서 발생한 레이저의 반사, 폐금속의 비산 등 외부의 위험요소로부터 상기 흡입튜브(210)를 보호하는 역할을 수행한다.
또한 상기 튜브커버(230)는 모든 흡입튜브(210)를 동시에 감싸는 형태일 수도 있으며, 각각의 흡입튜브(210)를 별도로 감싸는 형태일 수도 있음은 물론이다.
그리고 상기 튜브커버(230)의 하단 높이는 상기 통합유닛(100)의 하단 높이와 대응되도록 동일한 선상에 구비될 수 있다.
한편 본 실시예의 경우, 상기 흡입튜브(210)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상하 이동 가능하게 형성되어, 하부 끝단과 상기 폐금속분말(P) 사이의 거리를 조절 가능하게 형성될 수 있다.
상기 흡입튜브(210)의 상하 구동은 공지된 다양한 기술이 적용될 수 있는 것은 물론이며, 본 실시예의 경우 상기 흡입튜브(210)는 상기 연결부(220)의 상하 이동에 따라 함께 이동되는 방식을 가진다.
특히 도 4에 도시된 바와 같이 상기 연결부(220)의 상부 일부는 상기 바디(10) 내측에 형성된 흡입유로(20) 내에 삽입되며, 상기 흡입튜브(210)의 중공(212)과 상기 흡입유로(20)를 서로 연통시킬 수 있도록 내측에 연통공이 형성된다.
그리고 본 실시예에서 상기 흡입유로(20)의 내주면에는 제1기어 이(21)가 형성되며, 상기 연결부(220)의 상단부에는 상기 제1기어 이(21)와 치합되는 제2기어 이(225)가 형성된 회전기어(224) 한 쌍이 구비된 형태를 가진다.
이에 따라 상기 연결부(220)는, 상기 회전기어(224)를 회전 구동시키는 별도의 구동모터(미도시)에 의해 상하 이동될 수 있으며, 상기 연결부(220)와 함께 상기 흡입튜브(210)가 상하 구동될 수 있다.
결과적으로 본 발명은 상기 강화층이 적층되는 적층경로와 형상에 따라, 상기 복수의 흡입튜브(210) 각각의 높이를 제어하여 다양한 상황에서도 효과적으로 폐금속분말(P)을 흡입 가능하도록 할 수 있다.
또한 상기 흡입튜브(210)는 도 5에 도시된 바와 같이, 수직선을 기준으로 하여 이루는 각도를 조절 가능하게 형성될 수 있다.
상기 흡입튜브(210)의 각도 조절 역시 공지된 다양한 기술이 적용될 수 있는 것은 물론이며, 본 실시예의 경우 상기 흡입튜브(210)는 상기 연결부(220)에 대해 틸팅 구동되는 방식을 가진다.
구체적으로 본 실시예에서 상기 흡입튜브(210)는 상기 연결부(220)와 회전축(222)에 의해 틸팅 가능하게 연결되며, 상기 회전축(222)을 회전 구동시키는 별도의 구동모터(미도시)에 의해 각도 조절이 가능하게 형성된다.
이와 같은 구동 형태 역시 상기 흡입튜브(210)의 높이 조절과 마찬가지로 강화층이 적층되는 적층경로와 형상에 따라, 상기 복수의 흡입튜브(210) 각각의 각도를 제어하여 다양한 상황에서도 효과적으로 폐금속분말(P)을 흡입 가능하도록 할 수 있다.
한편 본 실시예에서 상기 바디(10) 내에 형성된 흡입유로(20)는 단일 경로만을 가지도록 형성되어 상기 연결부(220)와 상기 흡입기(400)를 직접 연결시키는 형태로 형성된다.
다만, 상기 흡입유로(20)는 복수의 분지 경로를 가지도록 형성되어, 상기 폐금속분말(P)의 흡입 과정에서 입도에 따라 서로 다른 경로로 흡입 가능하도록 형성될 수도 있다. 이는 서로 다른 입도를 가지는 폐금속분말(P)을 별도로 회수하여 처리하거나 재활용이 가능하도록 하기 위함이다.
이하에서는, 다른 실시예를 통해 이와 같은 형태의 흡입유로(20)의 구조에 대해 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 흡입유로(20)의 형태를 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예의 경우, 흡입유로(20)는 일정 지점에서 제1분지유로(20a) 및 제2분지유로(20b)로 분지된 형태를 가질 수 있다.
그리고 상기 흡입기(400)는 상기 제1분지유로(20a) 및 상기 제2분지유로(20b) 모두에 흡입력을 발생시키되, 그 흡입력을 서로 다르게 형성하게 된다.
구체적으로 본 실시예에서 상기 제1분지유로(20a) 측에는 제1흡입력(V0)이 발생하며, 상기 제2분지유로(20b) 측에는 상기 제1흡입력(V0)보다 큰 제2흡입력(V1)이 발생하는 상태로 유지된다.
그리고 폐금속분말(P) 중 기준입도 이상의 제1입도를 가지는 제1폐금속분말(P1)과 기준입도 미만의 제2입도를 가지는 제2폐금속분말(P2)은, 상기 제1분지유로(20a)와 상기 제2분지유로(20b)의 분지 지점에 도달하기 이전에는 서로 혼합되어 흡입력에 의해 이동된다.
그리고 이들이 제1분지유로(20a)와 상기 제2분지유로(20b)의 분지 지점에 도달하게 될 경우, 제1폐금속분말(P1)과 제2폐금속분말(P2)이 모두 상대적으로 큰 흡입력이 발생하는 상기 제2분지유로(20b) 측으로 이동하게 된다.
다만, 본 실시예의 경우 상기 제2분지유로(20b)의 도입부에는 상기 제1입도보다 작은 통과홀을 가지는 필터(30)가 구비되며, 이에 따라 상기 제2분지유로(20b) 측으로는 제2폐금속분말(P2)만이 통과하게 된다.
이후 상기 필터(30)를 통과하지 못하는 제1폐금속분말(P1)은 결국 상기 제1분지유로(20a)의 흡입력에 의해 제1분지유로(20a) 측으로 이동하게 되며, 이에 따라 서로 다른 입도를 가지는 폐금속분말(P)을 별도로 회수하여 처리하거나 재활용이 가능하도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 흡입유로(20)의 형태를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 본 발명의 제3실시예의 경우, 흡입유로(20)가 전술한 제2실시예와 동일한 구조를 가지도록 형성된다.
즉 상기 흡입유로(20)는 일정 지점에서 제1분지유로(20a) 및 제2분지유로(20b)로 분지된 형태를 가지며, 상기 제1분지유로(20a) 측에는 제1흡입력(V0)이 발생하고, 상기 제2분지유로(20b) 측에는 상기 제1흡입력(V0)보다 큰 제2흡입력(V1)이 발생하는 상태로 유지된다. 또한 상기 제2분지유로(20b)의 도입부에는 상기 제1입도보다 작은 통과홀을 가지는 필터(30)가 구비된다.
다만, 본 실시예의 경우 제1분지유로(20a) 및 제2분지유로(20b)가 분지되는 지점의 직전에 가이드부(32)가 구비된다는 점이 제2실시예와 다르다.
상기 가이드부(32)는 분지 이전의 분지유로(20)를 통해 이동하는 폐금속분말(P)을 필터(30) 측으로 이동시킬 수 있도록 상기 필터(30)의 반대 측 내벽면에서 필터(30) 방향으로 상향 경사지게 연장된 형태를 가진다.
이에 따라 제1폐금속분말(P1)과 제2폐금속분말(P2)은 이동 중 상기 가이드부(32)에 막혀 상기 필터(30) 측으로 유동될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서 상기 가이드부(32)가 구비되는 이유는, 상기 필터(30)가 구비된 지점으로부터 먼 반대 측 지점을 통과하는 제2폐금속분말(P2)이 제2흡입력(V1)에 의해 흡입되지 못하고 제1흡입력(V0)에 의해 상기 제1분지유로(20a) 측으로 그대로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.
즉 본 실시예는 제1폐금속분말(P1)과 제2폐금속분말(P2)이 상기 필터(30)에 인접하게 통과할 수 있도록 하여 제2폐금속분말(P2)이 제1분지유로(20a) 측으로 유입되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 바디
20: 흡입유로
30: 필터
100: 통합모듈
112: 레이저 조사부
114: 제1가스조사부
116: 분말 공급부
118: 제2가스조사부
200: 흡입유닛
210: 흡입튜브
220: 연결부
300: 레이저 발생기
400: 흡입기
S: 대상모재
P: 폐금속분말

Claims (6)

  1. 대상모재의 강화영역에 강화용 분말을 공급하는 분말 공급유닛;
    기 설정된 이동경로를 따라 이동하며 상기 강화용 분말이 공급된 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 대상모재 및 상기 강화용 분말을 용융시킴에 따라 강화층을 형성하는 레이저 조사유닛; 및
    상기 강화층 형성 과정 중 발생하는 폐금속분말을 흡입하여 회수하는 흡입유닛;
    을 포함하는 레이저 적층장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분말 공급유닛은 상기 레이저 조사유닛의 둘레를 감싸도록 구비되어, 상기 레이저 조사유닛과 일체화된 통합모듈 형태로 형성되는 레이저 적층장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 통합모듈은 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 점차 작아지는 형태로 형성된 레이저 적층장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡입유닛은,
    상기 레이저 조사유닛 및 상기 분말 공급유닛의 둘레를 감싸도록 배열된 복수의 흡입튜브를 포함하는 레이저 적층장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡입튜브는 상하 이동 가능하게 형성되어, 하부 끝단과 상기 폐금속분말 사이의 거리를 조절 가능하게 형성된 레이저 적층장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 흡입튜브는 수직선을 기준으로 하여 이루는 각도를 조절 가능하게 형성된 레이저 적층장치.
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