KR20200010057A - 전방향 구축 경로를 갖는 레이저 열선 적층 증착 헤드 - Google Patents

전방향 구축 경로를 갖는 레이저 열선 적층 증착 헤드 Download PDF

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크리스토퍼 디. 아고스티
마이클 디. 라테싸
윌리엄 티. 매튜스
카일 지. 스미스
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

일체형 레이저 열선 증착 헤드의 실시형태가 개시된다. 일 실시형태에서, 증착 헤드는 구조 프레임, 레이저 가공 서브 시스템, 와이어 공급 장치, 및 접촉 튜브를 포함한다. 레이저 가공 서브 시스템은 적층 가공될 기질 또는 요소를 향해 종방향으로 배향된 방향으로 단일 빔 경로 레이저 빔을 전달하도록 구조 프레임 내에 장착된다. 와이어 공급 장치 및 접촉 튜브는 종방향으로 배향된 방향에 대한 각도로 기질 또는 요소를 향해 소모성 필러 와이어를 공급하도록 프레임 내에 장착된다. 종방향으로 배향된 방향으로부터 단일 빔 경로 레이저 빔의 배향을 각도 변경하거나 증착 헤드를 회전시킬 필요 없이 요소를 적층 가공하기 위해, 증착 헤드는 모션 제어 시스템의 안내에 따라 기질 또는 요소에 대해 전방향으로 이동될 수 있다.

Description

전방향 구축 경로를 갖는 레이저 열선 적층 증착 헤드{LASER HOT WIRE ADDITIVE DEPOSITION HEAD WITH OMNI-DIRECTIONAL BUILD PATH}
관련 출원에 대한 상호 참조/참조에 의한 통합
본 특허 출원은 2018년 7월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 일련번호 제62/700,398호의 이익 및 우선권을 주장하며, 그 개시물은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
본 발명의 실시형태는 동의어로 3D 프린팅으로 흔히 지칭되는 적층 가공(additive manufacturing)에 관련된 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전방향 구축 경로를 가능하게 하는 레이저 열선 적층 증착 헤드에 관한 것이다.
통상적으로, 적층 가공 공정은 각각의 요소가 층별로 구축되는 거의 정형(net shape) 요소를 비교적 저속의 증착 속도로 제조할 수 있다. 그러나, 예를 들어, 금속 재료의 층을 증착하면서 증착 장비의 배향이 끊임없이 조정되어야 할 수 있다. 그러한 끊임없는 조정은 복잡한 경로 계획 및 로봇 조작을 수반할 수 있다. 더욱이, 일부 레이저 열선 구현에서 레이저 광학기기가 상당히 복잡할 수 있어서, 레이저 빔의 분할 및 그 다음의 재결합을 필요로 한다. 그러한 복잡한 광학 구현은 상당히 많은 비용이 들 수 있다.
본 발명의 실시형태는 전방향 구축 경로의 생성을 가능하게 하는 적층 가공을 위한 레이저 열선 증착 헤드와 관련된 시스템 및 방법을 포함한다. 일 실시형태는 단일 증착 헤드 내로 일체화된 레이저 집속 장치, 와이어 공급 장치, 및 필러 와이어(filler wire) 접촉 팁 또는 튜브를 포함하는 증착 헤드를 포함한다. 증착 헤드의 구성은 레이저 빔의 종축으로부터 30도 이하(예를 들어, 일 실시형태에서 12도)의 각도로 필러 와이어가 공급되면서 종방향으로 배향된 레이저 빔을 제공한다. 종축(세로축, 선형 축)은 적층 가공될 요소 또는 기질의 표면을 향하는 자유 공간에서의 레이저 빔 경로의 방향 벡터에 해당한다. 이러한 구성은 증착 헤드의 각도를 변경하거나 경로 평면에 수직으로 증착 헤드를 회전시킬 필요 없이, 증착 헤드가 (예를 들어, 데카르트 평면에 대해) 임의의 병진 이동 방향 또는 경로로 이동될 수 있게 한다. 생성되어 가공 지점으로 이송되는 레이저 빔은 증착 헤드 내에서 단일 경로를 따른다. 예를 들어, 레이저 빔은 다수의 경로로 분할된 다음 다시 결합되지 않는다. 적층 가공된 요소의 층 슬라이싱 및 경로 계획을 위해 전형적으로 사용되는 이용 가능한 소프트웨어와 관련하여, 증착 장비의 회전 배향을 조정해야 하는 경우 가공 복잡성이 현저하게 증가된다. 또한, 증착 장비의 회전 배향이 고려되어야 하는 경우, 장비의 권선 및 풀림과 공정 호스 및 다용도의 지원 공급선(umbilical)이 또한 고려되어야 하며, 이는 경우에 따라 적정하게 복합적인 기하학적 구조를 갖는 적층 가공된 요소를 훨씬 더 어렵고, 고비용이며, 시간이 많이 소요되게 만들거나, 또는 결국 제조하기가 불가능하게 만든다. 이러한 이유 및 본 명세서의 맥락 내에서 언급되지 않은 다른 이유로 인해, 경로에 방향 의존적인 회전 배향을 갖는 증착 장비는 특정 적용예에 불리할 수 있고 범용 사용을 위한 다용도로 쓰이지 않을 수 있다.
일 실시형태에서, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드는 구조 프레임, 레이저 가공 서브 시스템, 와이어 공급 장치, 및 접촉 튜브를 포함한다. 레이저 가공 서브 시스템은, 적층 가공될 요소 또는 기질의 표면을 향해 종방향으로 배향된 방향으로 단일 빔 경로 레이저 빔을 방출하도록 구성되고 프레임 내에 장착되는 레이저 집속 장치를 포함한다. 단일 빔 경로 레이저 빔은 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드 내에서 분할되거나 재결합되지 않는다. 와이어 공급 장치 및 접촉 튜브는 프레임 내에 장착되고, 종방향으로 배향된 방향에 대해 1° 내지 30°의 각도로 기질 또는 요소를 향해 소모성 필러 와이어를 공급하도록 구성된다. 각도는 각도 피벗 조인트가 장착된 접촉 튜브 조립체를 통해 1° 내지 30°로 수동으로 조정 가능하다. 구체적으로, 접촉 튜브가 구형 볼 및 소켓 회전 조인트 내로 일체화되고 가요성 와이어 도관에 결합되어, 고정 장착된 와이어 공급기에 후속적으로 부착됨으로써, 와이어가 레이저 빔의 경로에 진입함에 따라 와이어의 각도 조정 및 재위치설정을 가능하게 한다. 종방향으로 배향된 방향(요소의 현재 부분을 적층 가공하기 위한 설정된 방향)으로부터 단일 빔 경로 레이저 빔의 배향을 각도 변경하거나 증착 헤드를 회전시킬 필요 없이 요소를 적층 가공하기 위해, 증착 헤드는 모션 제어 시스템의 안내에 따라 기질 또는 요소에 대해 전방향으로 이동되도록 구성된다. 일 실시형태에서, 레이저 빔이 기질 또는 요소와 수렴하는 제1 위치와 소모성 필러 와이어의 팁이 기질 또는 요소와 수렴하는 제2 위치 사이의 거리는 수동으로 조정 가능하다. 레이저 빔의 경로 내로 진입함에 따라 와이어의 수렴을 미세 조정하는 것은 열선 접촉 블록 및 접촉 튜브 조립체를 수용하는 2축 선형 교차 슬라이드 모듈을 통해 수행된다. 일 실시형태에서, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드는 노즈콘(nose cone), 다용도 호스 및 도관, 및 수냉식 열선 접촉 블록을 포함한다. 일 실시형태에서, 와이어 공급 장치는 모터 및 구동 롤러를 포함한다. 일 실시형태에서, 소모성 필러 와이어는 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 30도 이하의 제1 각도로 증착 헤드 내의 접촉 튜브에 접근한 다음, (예를 들어, 곡선형 접촉 튜브로 인해) 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 1도 내지 5도의 제2 각도로 접촉 튜브에서 빠져나간다. 일 실시형태에서, 레이저 장치는 최대 15 킬로와트의 출력 전력을 제공하는 적외선 스펙트럼으로 작동한다. 일 실시형태에서, 시간당 최대 약 10.0 킬로그램의 증착 속도가 달성 가능하다. 일 실시형태에서, 레이저 집속 장치는 레이저 광 집속 광학기기 모듈, 집속 광학기기 보조 가스 흡입구, 비천공형 집속 광학기기 커버 슬라이드, 및 집속 광학기기 토출구 팁 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시형태에서, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드는 프레임, 레이저 가공 서브 시스템, 및 접촉 튜브를 포함한다. 레이저 가공 서브 시스템은, 적층 가공될 요소 또는 기질의 표면을 향해 종방향으로 배향된 방향으로 단일 빔 경로 레이저 빔을 전달하도록 구성되고 프레임 내에 장착되는 레이저 집속 장치를 포함한다. 단일 빔 경로 레이저 빔은 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드 내에서 분할되거나 재결합되지 않는다. 접촉 튜브는 프레임 내에 장착되며, 외부 와이어 공급 장치로부터 소모성 필러 와이어를 수용하여 종방향으로 배향된 방향에 대해 1° 내지 30°의 각도로 기질 또는 요소를 향해 소모성 필러 와이어를 안내하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 각도는 (예를 들어, 와이어 진입 조정 장치를 통해) 1° 내지 30°로 수동으로 조정 가능하다. 종방향으로 배향된 방향(요소의 현재 부분을 적층 가공하기 위한 설정된 방향)으로부터 단일 빔 경로 레이저 빔의 배향을 각도 변경하거나 증착 헤드를 회전시킬 필요 없이 요소를 적층 가공하기 위해, 증착 헤드는 모션 제어 시스템의 안내에 따라 기질 또는 요소에 대해 전방향으로 이동되도록 구성된다. 일 실시형태에서, 레이저 빔이 기질 또는 요소와 수렴하는 제1 위치와 소모성 필러 와이어의 팁이 기질 또는 요소와 수렴하는 제2 위치 사이의 거리는 수동으로 조정 가능하다. 일 실시형태에서, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드는 노즈콘, 다용도 호스 및 도관, 및 수냉식 접촉 블록을 포함한다. 일 실시형태에서, 소모성 필러 와이어는 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 30도 이하의 제1 각도로 증착 헤드 내의 접촉 튜브에 접근한 다음, (예를 들어, 곡선형 접촉 튜브로 인해) 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 1도 내지 5도의 제2 각도로 접촉 튜브에서 빠져나간다. 일 실시형태에서, 레이저 장치는 최대 15 킬로와트의 출력 전력을 제공하는 적외선 스펙트럼으로 작동한다. 일 실시형태에서, 시간당 최대 약 10.0 킬로그램의 증착 속도가 달성 가능하다. 일 실시형태에서, 레이저 집속 장치는 레이저 광 집속 광학기기 모듈, 집속 광학기기 보조 가스 흡입구, 비천공형 집속 광학기기 커버 슬라이드, 및 집속 광학기기 토출구 팁 중 적어도 하나를 포함한다. 일 실시형태에서, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드는 열적/전기적 절연성 플레이트, 와이어 진입 조정 장치, 노즈콘 잠금 칼라(collar), 및 보충/팁 냉각 가스 도관 중 적어도 하나를 포함한다. 섬유 강화 높은 열용량 폴리머 재료로 구성된 절연성 플레이트는 적층 증착 헤드의 구조 프레임을 통해 그리고 로봇, 제어기, 또는 관련 시스템 배선을 통해 전기 전도가 역전되는 것을 방지하는 주 목적으로 작용한다. 이러한 제어되지 않은 그리고 예기치 않은 전류의 전송은 전형적으로 장비에 손상을 주고, 또한 증착 헤드 가공 성능에 유해한 영향을 줄 가능성이 있다. 부수적인 특징으로서, 단열 특성은 수냉식 가공 헤드 접촉 블록을 지나서 온도를 능동적으로 제어하기 위한 방법이 없는 다른 영역들 또는 헤드의 구조 프레임 내로의 열 전달을 방지한다. 와이어 진입 조정 장치는 증착 가공의 인피드(infeed) 각도의 미세 조정을 가능하게 하며, 특정 적용예는 가공에 사용되는 다양한 합금의 물리적 및 열적 특성의 차이로 인해 약간 상이한 인피드 각도로 약간의 증착 성능 이점을 나타낼 수 있다. 노즈콘 잠금 칼라는 일 실시형태에 따라, 수냉식 접촉 블록과 접촉하여 제자리에 가공 노즈콘을 고정시키는 나사산 칼라이다. 또한, 이는 노즈콘이 손상되는 경우 노즈콘이 분리되어 수리 또는 교체될 수 있게 하며, 또한 다양한 형상 또는 디자인의 노즈콘이 주어진 적층 가공 적용예를 위해 설치될 수 있게 한다. 보충 팁 냉각 가스 도관은 노즈콘의 내부에 불활성 차폐 가스를 공급함으로써, 팁을 냉각시키는 것을 보조하도록 와이어 접촉 튜브의 팁 상에 가스의 흐름을 지향시키고 후속적으로 증착 지점 및 주변 요소 구축 영역을 채운다.
본 발명의 일반적인 개념의 많은 양태는 예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 용이하게 명백해질 것이다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 개시물의 다양한 실시형태를 도시한다. 도면에서 도시된 요소 경계들(예를 들어, 박스들, 박스들의 그룹, 또는 다른 형상들)은 경계들의 일 실시형태를 나타낸다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시형태에서, 하나의 요소가 다수의 요소로서 설계될 수 있거나, 또는 해당 다수의 요소가 하나의 요소로서 설계될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다른 요소의 내부 구성 요소로서 도시된 요소는 외부 구성 요소로서 구현될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 또한, 요소들은 일정한 비율로 도시되지 않을 수 있다.
도 1은 일체형 증착 헤드를 통해 요소를 적층 가공하기 위한 적층 가공 셀의 일 실시형태를 도시한다;
도 2는 적층 가공 공정에서 레이저 및 필러 와이어를 사용하는 종래의 레이저 열선(LHW) 시스템을 도시한다;
도 3은 적층 가공 공정 동안 용융 금속을 기질/층 상에 증착하는 경우, 일 실시형태의 일체형 증착 헤드의 레이저 빔, 소모성 금속 필러 와이어, 접촉 팁/튜브, 차폐 가스, 및 노즈콘 사이의 관계를 도시한다;
도 4는 노즈콘 및 와이어 공급 장치를 도시하는 수직으로 배향된 일체형 증착 헤드의 일 실시형태를 도시한다;
도 5는 가스 호스 및 가스 노즐을 통해 보충 냉각/차폐 가스를 또한 제공하는 일체형 증착 헤드의 일부분의 내부 구성의 일 실시형태를 도시한다;
도 6 및 도 7은 다용도 호스 및 도관을 도시하는 부분적으로 조립된 일체형 증착 헤드의 실시형태의 2개의 도면을 도시한다;
도 8 내지 도 10은 커버가 분리되고 로봇의 아암에 부착되는 일체형 증착 헤드의 실시형태의 3개의 도면을 도시한다;
도 11은 구동 롤러를 포함하는 (커버가 분리된) 와이어 공급 장치의 측면의 일 실시형태를 도시한다;
도 12는 수직선에 대한 급격한 각도로 돌출되는 필러 와이어를 갖는 일체형 증착 헤드의 노즈콘 단부의 실시형태를 도시한다;
도 13은 로봇의 아암에 부착된 일체형 증착 헤드의 일 실시형태를 도시한다;
도 14는 노즈콘이 분리된 일 실시형태의 일체형 증착 헤드의 노즈콘 단부를 도시한다;
도 15는 입방체 직사각형 블록을 형성하기 위해 적층 가공 공정 동안 일 실시형태의 일체형 증착 헤드에 의해 증착된 다수의 금속층의 제1 실시예를 도시한다;
도 16은 중공 원통형 요소를 형성하기 위해 적층 가공 공정 동안 일 실시형태의 일체형 증착 헤드에 의해 증착된 다수의 금속층의 제2 실시예를 도시한다;
도 17 및 도 18은 로봇의 아암에 부착된 소형 및 경량의 일체형 증착 헤드의 실시형태를 도시한다;
도 19는 적층 가공 시스템에 사용된 예시적인 제어기의 일 실시형태를 도시한다;
도 20은 모든 프레임 또는 커버가 부착되지 않은 일체형 증착 헤드의 일 실시형태의 2개의 도면을 도시한다;
도 21은 다양한 구성 요소 세부사항을 도시하는, 도 5와 유사한 일체형 증착 헤드의 일부분의 내부 구성의 일 실시형태를 도시한다;
도 22는 일 실시형태의 일체형 증착 헤드의 열선 가공 서브 시스템을 도시한다;
도 23은 일 실시형태의 일체형 증착 헤드의 레이저 가공 서브 시스템을 도시한다;
도 24는 도 23의 레이저 가공 서브 시스템의 레이저 집속 장치의 일 실시형태를 도시한다; 그리고
도 25는 일 실시형태의 일체형 증착 헤드의 증착 헤드 구조 프레임을 도시한다.
본원에서의 실시예 및 도면은 단지 예시적인 것이며, 청구범위의 범주 및 사상에 의해 판단되는 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 적층 가공은 원하는 가공 제품을 생성하기 위해 기부/기질 또는 요소 상에 재료가 (예를 들어, 겹겹이) 증착되는 공정이다. 적층 가공될 3차원(3D) 요소의 다수의 층의 패턴은 일 실시형태에 따라, 디지털 데이터로서 표현되고 저장된다. 디지털 데이터는 예를 들어, CAD 모델 또는 스캔된 요소로부터 비롯될 수 있다.
적층 가공 장비의 실시형태는 예를 들어, 금속 와이어를 용융시킴으로써 금속 재료를 증착하기 위한, 예를 들어, 레이저 기반 서브 시스템, 플라즈마 기반 서브 시스템, 전기 아크 기반 서브 시스템, 전자빔 기반 서브 시스템, 또는 전기 저항 기반 서브 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 적층 가공 장비의 일부 실시형태는 예를 들어, 기부 상에 3D 요소를 적층 가공하도록 소모성 금속 와이어를 공급/전달하기 위한 와이어 전달 또는 공급 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 적층 가공 장비의 일부 실시형태는 예를 들어, 기부 또는 기질 상에 적층 가공되는 3D 요소에 대하여 레이저 빔, 플라즈마 빔, 전기 아크, 전자빔, 또는 소모성 금속 와이어를 이동시키기 위한 모션 제어 요소(예를 들어, 로봇) 또는 다른 유형의 제어 요소(예를 들어, 광학 제어 요소)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2는 이러한 맥락에서 일체형 증착 헤드의 실시형태를 설명하기 위해 본원에 포함된다. 도 1을 참조하면, 도 1은 적층 가공을 통해 금속 요소를 가공하기 위한 레이저 열선 장비와 함께 구성된 적층 가공 셀(10)의 일 실시형태를 도시한다. 도 1의 레이저 열선 장비는 로봇의 아암에 부착된 일체형 증착 헤드를 포함한다. 일반적으로, 적층 가공 셀(10)은 프레임(12), 프레임 내에 배치된 로봇(14), 및 프레임 내에 또한 각각 배치된 제1 및 제2 테이블(16 및 18)을 포함한다. 적층 가공 셀(10)은 본원에서 이하에 더 상세히 설명되는 방식으로 요소들(예를 들어, 22 및 24)을 적층 가공하기 위해 유용하다. 도 1의 도시된 실시형태에서, 프레임(12)은 로봇(14) 및 테이블(16 및 18)을 둘러싸기 위한 복수의 측벽 및 도어를 포함한다. 실질적으로 직사각형 구성예가 평면도로 도시되지만, 프레임(12) 및 셀(10)은 수많은 구성예를 취할 수 있다.
전방 접근 도어(26)는 프레임의 내부로의 접근을 제공하기 위해 프레임(12)에 장착된다. 전방 접근 도어(26)는 도어가 2개의 힌지 세트를 포함하는, 즉 도어(26)를 프레임(12)에 부착하는 제1 힌지 세트 및 도어의 하나의 패널을 다른 패널에 부착하는 제2 힌지 세트를 포함하는 이중 구성예를 취할 수 있다. 그러나, 전방 접근 도어(26)는 슬라이딩 도어 또는 스윙 도어와 같은 다른 구성예를 취할 수 있다. 또한, 유사하게, 후방 접근 도어(28)가 프레임(12)에 장착된다. 또한, 도시된 실시형태에서 후방 접근 도어(28)는 이중 구성예를 취한다; 그러나, 후방 접근 도어는 전방 접근 도어(26)를 참조하여 설명된 것과 같은 다른 구성예를 취할 수 있다. 윈도우(32)가 어느 한 도어 상에 제공될 수 있다(전방 도어(26) 상에만 도시됨). 윈도우는 당업계에 알려진 착색 안전 스크린(예를 들어, 1064 nm의 레이저 파장 적합 필터링 스크린...)을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따라, 셀(10)은 CDRH 클래스 1 레이저 인클로저(enclosure)이다.
제어 패널(40)은 전방 도어(26)에 인접한 프레임(12) 상에 제공된다. 제어 패널(40) 상에 제공된 제어 노브 및/또는 스위치는 프레임(12)에 또한 장착된 제어 장치 인클로저(42)에 수용된 제어 장치와 통신한다. 제어 패널(40) 상의 제어 장치는 공지된 적층 가공 셀에 사용되는 제어 장치와 유사한 방식으로 적층 가공 셀(10)에서 수행되는 작업을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 로봇(14)은 지지체 상에 장착된 받침대 상에 장착된다. 도시된 실시형태에서의 로봇(14)은 테이블(16 및 18)에 대하여 중심에 있고 다수의 이동 축을 포함한다. 원하는 경우, 받침대는 터릿(turret)과 유사하게 지지체에 대하여 회전할 수 있다. 따라서, 로봇(14)을 회전시키기 위한 일종의 구동 기구, 예를 들어, 모터 및 변속기(도시되지 않음)가 받침대 및/또는 지지체에 수용될 수 있다.
일 실시형태에서, 증착 헤드(60)는 로봇(14)의 아암의 원위 단부에 부착된다. 증착 헤드(60)는 예를 들어, 본원에서 후술되는 실시형태에 따른 일체형 레이저 열선 증착 헤드이다. 증착 헤드(60)는 증착 헤드(60)의 회전 배향을 변경할 필요 없이(즉, 증착 헤드의 회전 배향이 층의 증착 동안 일정하게 유지될 수 있음) 전방향 구축 경로(증착 동작)를 가능하게 한다. 가요성 튜브 또는 도관(62)이 증착 헤드(60)에 부착된다. 용기(66)에 저장될 수 있는 (열선으로서 사용되는) 소모성 금속 와이어(64)가 도관(62)을 통해 증착 헤드(60)로 전달된다. 일 실시형태에서, 소모성 금속 와이어(64)를 증착 헤드(60)로 전달하는 것을 원활하게 하도록 와이어 공급기(68)가 프레임(12)(또는 로봇(14))에 부착된다. 다른 실시형태에서, 와이어 공급기(68)는 본원에서 후술되는 바와 같이 (예를 들어, 내장된 일체형 와이어 공급 모듈로서) 증착 헤드(60) 내로 일체화된다.
로봇(14)이 프레임(12)의 기부 또는 하부에 장착된 것으로 도시되지만, 원한다면, 로봇(14)은 프레임의 상부 구조물에 장착될 수 있고 셀(10) 내로 하향하게 매달릴 수 있다. 일 실시형태에서, 레이저 열선 작동을 위한 전원 공급기(72)는, 프레임(12)에 연결되어 프레임(12)의 일부일 수 있는 플랫폼(74)에 장착되고 플랫폼(74) 상에 안착된다. 전원 공급기(72)는 (레이저 에너지를 발생시키기 위한) 레이저 전력 발진기, 및 증착 헤드(60)를 통과함에 따라 소모성 금속 와이어(64)에 전압을 인가하기 위한 용접 전원 모두로서 역할을 할 수 있다. 다른 실시형태에서, 전원 공급기(72)는 2개의 별도의 전원 공급기로서 구현될 수 있으며, 하나는 레이저 에너지를 발생시키기 위한 레이저 전력 발진기로서 작용하기 위한 것이고, 다른 하나는 증착 헤드(60)를 통과함에 따라 소모성 금속 와이어(64)를 가열하기 위한 것이다. 셀 제어기(76)는 (로봇(14)을 포함하는) 적층 가공 셀(10)의 레이저 열선 장비의 다양한 부분과 통신하여 이들을 제어하고, 플랫폼(74) 상에 안착 및 장착된다. 또 다른 실시형태에 따라, 레이저 전력 발진기는 (예를 들어, 저전력 적용예를 위해) 증착 헤드(60) 내로 일체화될 수 있다.
도 2는 적층 가공 공정에서 레이저 서브 시스템 및 필러 와이어를 사용하는 종래의 레이저 열선(LHW) 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 도 1의 적층 가공 셀(10)과 유사한 적층 가공 셀에 존재할 수 있다. 그러나, 도 2의 시스템(100)은 일체형 레이저 열선 증착 헤드를 포함하지 않는다. 도 2의 시스템(100)은 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스를 포함한다. 특히, 시스템(100)은 기질 또는 요소(115)를 가열하기 위해 기질 또는 요소(115) 상에 레이저 빔(110)을 집속할 수 있는 레이저 서브 시스템을 포함한다. 레이저 서브 시스템은 고강도 에너지 소스일 수 있다. 레이저 서브 시스템은 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 전달 또는 직접 다이오드 레이저 시스템(예를 들어, 섬유 결합된 직접 다이오드)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 고에너지 레이저 소스일 수 있다.
레이저 서브 시스템은 서로 작동 가능하게 연결되는 레이저 집속 장치(120) 및 레이저 전원 공급기(130)(레이저 전력 발진기)를 포함한다. 레이저 전원 공급기(130)는 레이저 집속 장치(120)에 (예를 들어, 광섬유로) 제공되는 레이저 에너지를 발생시키기 위한 전력을 제공한다. 또한, 시스템(100)은 레이저 빔(110)의 근처에서 기질 또는 요소(115)와 접촉하도록 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 공급기 서브 시스템을 포함한다. 와이어 공급기 서브 시스템은 필러 와이어 공급기(150), 접촉 튜브(160), 및 전원 공급기(170)를 포함한다. 작동 동안에, 필러 와이어(140)는 접촉 튜브(160)와 기질 또는 요소(115) 사이에 작동 가능하게 연결된 전원 공급기(170)로부터의 전류에 의해 저항 가열된다. 전원 공급기(170)는 펄스형 직류(DC) 전원 공급기일 수 있지만, 교류(AC) 또는 다른 유형의 전원 공급기도 가능하다. 와이어(140)는 필러 와이어 공급기(150)로부터 접촉 튜브(160)를 통해 기질 또는 요소(115)를 향해 공급되며 튜브(160)를 지나서 연장된다. 와이어(140)의 연장 부분은 연장 부분이 기질 또는 요소(115)와 접촉하기 전에 용융점에 접근하거나 도달하도록 저항 가열된다. 일 실시형태에 따라, 열선 전원 공급기(170)는 열선 가공을 지속시키고 아크 발생을 억제하기 위해 열선 파형 제어(전류, 전압 및 형상 파라미터의 능동적 증대)를 제공한다. 레이저 빔(110)은 퍼들(puddle)을 형성하기 위해 기질 또는 요소(115)의 비금속의 일부를 용융시키는 역할을 할 수 있거나/할 수 있고, 기질 또는 요소(115) 상에 와이어(140)를 용융시키기 위해 사용될 수도 있다. 전원 공급기(170)는 필러 와이어(140)를 저항-용융시키는데 필요한 에너지를 제공한다.
시스템(100)은 레이저 빔(110) 및 저항성 필러 와이어(140)가 서로에 대해 고정된 관계로 유지되도록, 기질 또는 요소(115)를 따라 동일한 제어 방향(125)으로 레이저 빔(110) 및 저항성 필러 와이어(140)를 (적어도 상대적으로) 이동시킬 수 있는 모션 제어 서브 시스템을 더 포함한다. 기질 또는 요소(115)와 레이저/와이어 조합물 사이의 상대적인 운동은 기질 또는 요소(115)를 실제로 이동시킴으로써 또는 레이저 장치(120) 및 와이어 공급기 서브 시스템을 이동시킴으로써 달성될 수 있다.
도 2에서, 모션 제어 서브 시스템은 플랫폼(193)(예를 들어, 회전 가능한 플랫폼 및/또는 병진 이동 가능한 플랫폼)을 갖는 로봇(190)에 작동 가능하게 연결된 모션 제어기(180)를 포함한다. 모션 제어기(180)는 로봇(190)의 동작을 제어한다. 로봇(190)은 플랫폼(193)을 통해 기질 또는 요소(115)에 작동 가능하게 연결(예를 들어, 기계적으로 고정)됨으로써, 레이저 빔(110) 및 와이어(140)가 기질 또는 요소(115)를 따라 효과적으로 이동하도록, 예를 들어 현재의 이동 방향(125)으로 기질 또는 요소(115)를 이동시킨다. 플랫폼(193)을 구동하는 로봇(190)은 전기식으로, 공압식으로, 또는 유압식으로 구동될 수 있다.
시스템(100)은 기질 또는 요소(115) 및 접촉 튜브(160)에 작동 가능하게 연결된(즉, 전원 공급기(170)의 출력에 유효하게 연결된) 감지 및 전류 제어 서브 시스템(195)을 더 포함하며, 기질 또는 요소(115)를 통하는 전류(I)와 와이어(140) 사이의 전위차(즉, 전압 V)를 측정할 수 있다. 감지 및 전류 제어 서브 시스템(195)은 측정된 전압 및 전류로부터 저항 값(R=V/I) 및/또는 전력 값(P=V*I)을 추가로 계산할 수 있다. 일반적으로, 와이어(140)가 기질 또는 요소(115)와 접촉하는 경우, 와이어(140)와 기질 또는 요소(115) 사이의 전위차는 0 볼트 또는 거의 0 볼트(비교적 저전압)이다. 결과적으로, 감지 및 전류 제어 서브 시스템(195)은 저항성 필러 와이어(140)가 기질 또는 요소(115)와 접촉하는 경우를 감지할 수 있고, 전원 공급기(170)에 작동 가능하게 연결되어, (예를 들어, 아크 억제를 위해) 감지에 대응하여 저항성 필러 와이어(140)를 통하는 전류의 흐름을 추가로 제어할 수 있다. 일 실시형태에서, 감지 및 전류 제어기(195)는 전원 공급기(170)의 일체형 부분일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 도 2의 시스템(100)은 전방향 구축 경로 성능을 제공하는 단일의 일체형 레이저 열선 증착 헤드를 (예를 들어, 도 1에서와 같이) 제공함으로써 변형될 수 있다. 일 실시형태에서, (일체형 증착 헤드를 형성하는) 적어도 레이저 집속 장치, 와이어 공급 장치, 및 접촉 튜브가 단일 증착 헤드 내로 일체화된다. 일체형 증착 헤드는 본원에서 상세히 후술되는 바와 같이, 레이저 집속 장치에 의해 전달되는 레이저 빔의 (적층 가공될 기질 또는 요소를 향하는) 종방향에 대하여 필러 와이어의 급격한 인피드 각도를 제공함으로써, 구축 경로 전방향성을 가능하게 한다. 종방향은 레이저 빔의 중심선이 적층 가공될 기질 또는 요소의 표면을 향해 지향되는 선형 방향이다.
일체형 증착 헤드가 사용되는 시스템은 도 1의 시스템(10)일 수 있거나, 또는 레이저 전원 공급기(130), 열선 전원 공급기(170), 모션 제어기(180), 및 로봇(190)을 포함하는 도 2의 시스템(100)의 특정 구성 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 일체형 증착 헤드가 (예를 들어, 도 1에서와 같이) 로봇의 아암에 부착됨으로써, 증착 헤드의 종방향 배향 또는 회전 배향을 각도 변경할 필요 없이, 모션 제어기의 제어에 따라 증착 헤드가 기질/요소에 대하여 전방향으로(예를 들어, 데카르트(예를 들어, x-y) 평면을 따라) 이동될 수 있게 한다. 예를 들어, 일 실시형태에 따라, 일체형 증착 헤드는 층의 증착 동안 회전 없이, 동일한 종방향으로 배향된 위치(예를 들어, 수직으로 배향된 위치)에 유지될 수 있다. 종방향으로 배향된 위치는 모션 제어기에 의해 제공되는 복잡한 모션 제어 설계를 필요로 하지 않으면서, 적층 가공되는 요소의 층의 증착 동안 일체형 증착 헤드가 로봇에 의해 용이하게 이동될 수 있게 한다. 또한, 일체형 증착 헤드를 구비하는 것은 별도의 레이저 서브 시스템 및 별도의 열선 서브 시스템이 개별적으로 이동되어 서로 동기화될 필요가 없음을 의미한다.
도 3은 적층 가공 공정 동안 용융 금속을 기질/층(360) 상에 증착하는 경우, 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(300)의 레이저 빔(310), 소모성 금속 필러 와이어(320), 접촉 팁/튜브(330), 차폐 가스(340), 및 노즈콘(350) 사이의 관계를 도시한다. 레이저 빔(310)은 수직으로 배향되고, 필러 와이어(320)의 팁이 레이저 빔(310)과 만나는 수렴 지점(370)에서 집속된다. 일 실시형태에 따라, 레이저 빔(310)은 섬유 전달 레이저에 의해 생성될 수 있다. 그러나, 레이저 서브 시스템은 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 전달 또는 직접 다이오드 레이저 시스템(예를 들어, 섬유 결합된 직접 다이오드)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 고에너지 레이저 소스일 수 있다.
필러 와이어(320)는 레이저 빔(310)의 종방향(예를 들어, 수직 방향)(380)으로부터 30도 이하의 각도로 배향된다. 소모성 금속 필러 와이어(320)는 접촉 팁/튜브(330)를 통해 예열되고 기질/층(360)과 접촉되게 공급된다. (증착 헤드(300)의 외부에 있는) 열선 전원 공급기는 필러 와이어(320)를 예열하기 위한 전력을 제공한다. 일 실시형태에 따라, 열선 전원 공급기는 열선 가공을 지속시키고 아크 발생을 억제하기 위해 열선 파형 제어(전류, 전압 및 형상 파라미터의 능동적 증대)를 제공한다. 레이저 전원 공급기(레이저 집속 장치의 외부에 있는 레이저 전력 발진기)는 레이저 빔(310)을 생성하는 레이저 에너지를 발생시켜서 (예를 들어, 광섬유로) 레이저 집속 장치에 제공한다. 레이저 빔(310)은 기질/이전의 적층 구축 층(들)(360)에 용융 금속(390)을 융해시키기 위해, 기질/이전의 적층 구축 층(들)(360), 및/또는 예열된 필러 와이어(320)를 용융시킨다. 도 3은 기질/층(들)(360)에 대한 증착 구역(362) 및 희석 구역(364)을 도시한다. 또한, 도 3은 소모성 금속 필러 와이어(320)의 예열 구역(335)을 도시한다. 레이저 빔(310)은 일 실시형태에 따라, 일체형 증착 헤드(300) 내에서 임의의 방식으로 분할되거나 재결합되지 않는 단일 경로 레이저 빔(310)이다.
광학기기를 통하여 증착 헤드의 중심으로 내려오는 동축의 가스 차폐 구성물은 가공 및 증착 금속을 보호하고, 잔해물이 레이저 장치 및 광학기기를 향해 이동하는 것을 방지하도록 돕는다. 또한, (천공되지 않은) 희생 집속 광학기기 커버 슬라이드가 레이저 장치 및 광학기기를 보호하도록 돕는다. 소모성 필러 와이어가 커버 슬라이드를 통과할 필요가 없기 때문에, 커버 슬라이드의 천공이 없다. 15도 이하의 필러 와이어의 급격한 인피드 각도는 적층 구축 경로의 전방향성을 제공한다. 즉, 일체형 증착 헤드의 종방향 배향 또는 회전 배향의 각도를 변경하지 않고 적층 구축이 달성될 수 있다. 일반적으로, 와이어 팁 대 레이저 스폿의 공간 관계는 증착 헤드가 움직임에 따라 변경되는 경향이 있다. 이러한 움직임은 급격한 필러 와이어 인피드 각도를 가짐으로써 최소화될 수 있다. 또한, 일 실시형태에 따라, 일체형 증착 헤드까지 와서 그 안으로 들어가는 소모성 필러 와이어의 경로는 비교적 일직선이다.
도 4는 구동 롤러(425)를 갖는 와이어 공급 장치(420)(내장된 일체형 와이어 공급 모듈), 및 노즈콘(410)을 도시하는, 수직으로 배향된 일체형 증착 헤드(400)의 일 실시형태를 도시한다. 와이어 공급 장치(420)는 구동 롤러(425)를 구동하기 위한 서보 제어 구동 장치(서보 모터)를 포함함으로써, 소모성 필러 와이어의 안정되고 정확한 공급을 제공한다. 소모성 필러 와이어는 도관을 통해 일체형 증착 헤드 내로 들어간다. 도 5는 가스 호스(510) 및 가스 노즐(520)을 통해 보충 냉각/차폐 가스를 또한 제공하는 일체형 증착 헤드(500)의 일부분의 내부 구성의 일 실시형태를 도시한다. 또한, 도 5는 노즈콘(550)을 도시한다. 일 실시형태에서, 소모성 필러 와이어(530)의 x-y 위치는 레이저 빔(540)에 대하여 수동으로 조정될 수 있다(즉, 필러 와이어의 팁이 기질/층 또는 수렴 지점에서 레이저 빔 스폿의 중심에 얼마나 근접하게 도달하는지를 조정할 수 있다). 레이저 빔의 경로 내로 진입함에 따라 와이어의 수렴을 미세 조정하는 것은 열선 접촉 블록 및 접촉 튜브 조립체를 수용하는 2축 선형 더브테일(dovetail) 교차 슬라이드 모듈을 통해 수행된다. 교차 슬라이드는, 선형의 더브테일 형상을 통해 함께 상호 연결되어 서로에 대하여 이동하는 3개의 플레이트로서, 베이스 플레이트, 중간 캐리지 플레이트, 및 상부 장착 플레이트를 사용한다. 이들 플레이트들은 (2개의 수직축을 따라) X-Y 데카르트 평면 선형 동작을 가능하게 하며, 각각의 동작 축에 대해 하나의 나사가 있는 2개의 나사산 리드 나사를 사용함으로써 조정된다. 베이스 플레이트는 절연성 플레이트에 부착되고, 이에 따라 적층 증착 헤드의 구조 프레임에 부착된다. 수냉식 접촉 플레이트가 슬라이드의 상부 장착 플레이트에 부착됨으로써, 구조 프레임, 구조 프레임에 고정 부착된 레이저 집속 광학 장치, 및 레이저 빔 경로 자체에 대하여 접촉 플레이트 및 접촉 팁 위치가 조정될 수 있다. 일 실시형태에서, 레이저 빔(540)과 필러 와이어(530) 사이의 급격한 각도는 고정된다. 또한, 다른 실시형태에 따라, 수직 레이저 빔(540)에 대한 소모성 필러 와이어(530)의 각도는 수동으로 조정될 수 있다(예를 들어, 각도는 1도 내지 30도로 연속적으로 조정 가능할 수 있다). 각도는 각도 피벗 조인트가 장착된 접촉 튜브 조립체를 통해 1° 내지 30°로 수동으로 조정 가능하다. 구체적으로, 접촉 튜브가 구형 볼 및 소켓 회전 조인트 내로 일체화되고 가요성 와이어 도관에 결합되어, 고정 장착된 와이어 공급기에 후속적으로 부착됨으로써, 와이어가 레이저 빔의 경로에 진입함에 따라 와이어의 각도 조정 및 재위치설정을 가능하게 한다. 확장 사용을 위한 고정된 위치에 각도 위치를 고정 및 유지시키기 위해 잠금 고정 나사가 사용된다. 고정 나사를 풀어서, 손을 사용하여 이를 이동시키고, 이어서 이러한 고정 나사를 다시 조여서 새로운 위치에 이를 고정함으로써, 접촉 튜브의 각도 위치를 변경시킬 수 있다. 대안적인 실시형태에 따라, 소모성 필러 와이어(530)는 레이저 빔의 종방향에 대해 30도 이하(예를 들어, 12도)의 각도로 증착 헤드 내의 접촉 튜브에 접근한 다음, 곡선형 접촉 튜브로 인해 거의 종방향으로(예를 들어, 종방향으로부터 1도 내지 5도의 각도로) 접촉 튜브에서 빠져나간다.
도 6 및 도 7은 (예를 들어, 배선, 가스, 수도용) 다용도 호스 및 도관(610), 수냉식 접촉 블록(620), 및 노즈콘(630)을 도시하는, (부분적으로 조립된) 일체형 증착 헤드(600)의 실시형태의 2개의 도면을 도시한다. 도 8 내지 도 10은 노즈콘(630)을 구비하며, 커버가 분리되고, 로봇의 아암(820)에 부착되는 일체형 증착 헤드(600)의 실시형태의 3개의 도면을 도시한다. 도 9의 증착 헤드(600)는 와이어 공급 장치(930)를 추가로 도시하며, 도 10의 증착 헤드(600)는 수냉식 접촉 블록(620)을 추가로 명확히 도시한다. 도 11은 구동 롤러(935)를 포함하는 (커버가 분리된) 와이어 공급 장치(930)의 측면의 일 실시형태를 도시한다. 와이어 공급 장치(930)의 다른 측면(도시되지 않음)은 구동 롤러(935)를 구동하기 위한 모터, 및 모터를 제어하기 위한 일체형 와이어 공급기 회로 제어 기판(도 20 참조)을 포함한다.
도 12는 종방향(예를 들어, 수직선)에 대한 급격한 각도(30도 미만)로 돌출되는 필러 와이어(1210)를 갖는 일체형 증착 헤드(600)의 노즈콘 단부의 실시형태를 도시한다. 수냉식 접촉 블록(620)은 노즈콘(630)이 너무 뜨거워지는 것을 방지하며, 노즈콘(630)이 너무 뜨거워지면 노즈콘(630)을 손상시킬 수 있다. 냉각되지 않는 경우 레이저 반사가 강렬해질 수 있고 노즈콘(630)을 가열할 수 있다. 다양한 실시형태에 따라, 능동 또는 수동 수냉식(또는 소정의 다른 유체 냉각식) 시스템이 사용될 수 있다. 증착 헤드(600)로 들어오는 배관(도관(610))은 수냉식 접촉 블록(620)에 물(또는 다른 유체)을 제공하고, 다른 배관(도관(610))은 수냉식 접촉 블록(620) 및 증착 헤드(600)로부터 멀리 물을 전달한다. 수냉식 접촉 블록(620)은 일부 다른 도면(예를 들어, 도 6, 도 10, 도 12, 및 도 21)에도 명확하게 도시되어 있다. 도 13은 로봇의 아암(820)에 부착된 일체형 증착 헤드(600)의 일 실시형태를 도시한다. 도 14는 노즈콘(630)이 분리된 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(600)의 노즈콘 단부를 도시한다. 와이어 도관(와이어 접촉 튜브 팁)(1420)으로부터 연장되는 필러 와이어(1210)를 갖는 (예를 들어, 접촉 튜브 팁으로서 작용하는) 와이어 도관(1420) 및 보충 가스 노즐(1410)을 볼 수 있다. 보충 가스 노즐은 노즈콘의 내부에 불활성 차폐 가스를 공급함으로써, 접촉 튜브 팁을 냉각시키는 것을 보조하도록 와이어 접촉 튜브 팁 상에 가스의 흐름을 지향시키고, 후속적으로 증착 지점 및 주변 요소 구축 영역을 채운다. 상승된 온도에서 광학기기 내의 내부 표면과 접촉함에 따라 온도가 증가할 수 있는 커버 슬라이드와 접촉된 집속 광학 장치 내로 공급되는 가스 분사와는 대조적으로, 보충 가스는 가압 저장 탱크로부터 방출된 가스로서 주위의 실온 이하로 열선 노즈콘 내로 전달되어 팽창하며, 결과적으로 온도 감소를 겪는다. 접촉 튜브 팁 상에 그리고 그 둘레로 직접 흐르는 더 차가운 가스의 이러한 흐름은 접촉 튜브 팁으로부터 그리고 접촉 튜브 팁으로부터 멀리 열을 전달하는 것을 보조한다. 추가적으로, 그 다음에 가스가 노즈콘 밖으로 흘러서 증착 지점을 둘러싸므로, 상승된 온도에 있는 경우 불순물과 더 많이 반응하는, 능동적으로 증착, 용융 또는 거의 용융된 금속에 대한 추가적인 보호를 제공한다. 이러한 가스는 아마도 질소 또는 아르곤이거나, 또는 금속 증착물의 특정 적용예 및 합금 조성에 따라 일부 다른 기능적으로 불활성 가스일 수 있다. 도 15는 입방체 직사각형 블록(1500)을 형성하기 위해 적층 가공 공정 동안 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(600)에 의해 증착된 다수의 금속층의 제1 실시예를 도시한다. 밀리미터(mm)의 증분을 갖는 눈금자(1510)가 치수 비교를 위해 도시된다. 도 16은 중공 원통형 요소(1600)를 형성하기 위해 적층 가공 공정 동안 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(600)에 의해 증착된 다수의 금속층의 제2 실시예를 도시한다.
도 17 및 도 18은 로봇의 아암(1710)에 부착된 일체형 증착 헤드(1700)의 실시형태를 도시한다. 도 17 및 도 18의 일체형 증착 헤드(1700)는 예를 들어, 도 13에 도시된 증착 헤드(600)보다 크기가 더 소형이고 중량이 더 경량이며, 이에 따라 비교적 소형 로봇(1750)에 부착될 수 있다. 도 17 및 도 18의 실시형태에서, 와이어 공급 장치(930)(서보 구동 와이어 공급기)는 더 이상 증착 헤드(1700) 내로 일체화되지 않고, 그 대신 와이어 공급 장치(1740)로서 증착 헤드(1700)의 외부에 있다. 이는 증착 헤드(1700)의 크기 및 중량을 감소시키도록 돕는다. 유사한 실시형태에서, 추가적인 구동 롤 및 서보 모터를 포함하는 로봇 장착식 와이어 공급기와 결합되는 구동 롤 및 서보 모터의 일체형 세트가 적층 증착 헤드에 포함되는 푸시-풀(push-pull) 공급기 구성예가 사용될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 증착 헤드는 구동 롤, 서보 모터, 및 공급 제어 회로 기판을 갖는 내장된, 일체형, 독립형 "풀" 와이어 공급기 모듈을 포함한다. "푸시" 와이어 공급기는 (예를 들어, 로봇 장착식) 증착 헤드로부터 외부에 독립적으로 장착된다. 또한, 알루미늄 베이스 및 경량 커버가 도 17 및 도 18의 일체형 증착 헤드(1700)의 중량을 감소시키도록 추가로 돕는다. 또한, 더 소형의 그리고 더 경량의 노즈콘(1730)을 가능하게 하도록 능동 냉각이 사용될 수 있다.
도 19는 적층 가공 시스템에 사용된 예시적인 제어기(1900)의 일 실시형태를 도시한다. 제어기(1900)는 다양한 실시형태에 따라, 예를 들어, 셀 제어기(예를 들어, 도 1의 셀 제어기(76))로서, 모션 제어기(예를 들어, 도 2의 모션 제어기(180))로서, 전원 공급기(예를 들어, 도 1의 전원 공급기(72), 도 2의 레이저 전원 공급기(130), 및/또는 도 2의 열선 전원 공급기(170))의 제어기로서 사용될 수 있다.
제어기(1900)는 버스 서브 시스템(1912)을 통해 다수의 주변 장치와 통신하는 적어도 하나의 프로세서(1914)를 포함한다. 이러한 주변 장치는 예를 들어, 메모리 서브 시스템(1928) 및 파일 저장 서브 시스템(1926)을 포함하는 저장 서브 시스템(1924), 사용자 인터페이스 입력 장치(1922), 사용자 인터페이스 출력 장치(1920), 및 네트워크 인터페이스 서브 시스템(1916)을 포함할 수 있다. 입력 및 출력 장치는 제어기(1900)와의 사용자 상호 작용을 가능하게 한다. 네트워크 인터페이스 서브 시스템(1916)은 외부 네트워크와의 인터페이스를 제공하고, 다른 컴퓨터 시스템의 해당 인터페이스 장치에 연결된다. 예를 들어, 시스템(100)의 모션 제어기(180)는 제어기(1900)와 하나 이상의 특성을 공유할 수 있으며, 예를 들어 종래의 컴퓨터, 디지털 신호 프로세서, 및/또는 다른 컴퓨팅 장치일 수 있다.
사용자 인터페이스 입력 장치(1922)는 키보드, 마우스, 트랙볼, 터치패드 또는 그래픽 태블릿과 같은 포인팅 장치, 스캐너, 디스플레이 내로 통합된 터치 스크린, 음성 인식 시스템, 마이크로폰과 같은 오디오 입력 장치, 및/또는 다른 유형의 입력 장치를 포함할 수 있다. 일반적으로, "입력 장치"라는 용어의 사용은 제어기(1900)로 또는 통신 네트워크 상으로 정보를 입력하기 위한 모든 가능한 유형의 장치 및 방식을 포함하는 것으로 의도된다.
사용자 인터페이스 출력 장치(1920)는 디스플레이 서브 시스템, 프린터, 팩스기, 또는 오디오 출력 장치와 같은 비-시각적 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이 서브 시스템은 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD)와 같은 평판 장치, 프로젝션 장치, 또는 가시적 이미지를 생성하기 위한 일부 다른 기구를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 서브 시스템은 예를 들어 오디오 출력 장치를 통해, 비-시각적 디스플레이를 제공할 수 있다. 일반적으로, "출력 장치"라는 용어의 사용은 제어기(1900)로부터 사용자로 또는 다른 기계나 컴퓨터 시스템으로 정보를 출력하기 위한 모든 가능한 유형의 장치 및 방식을 포함하는 것으로 의도된다.
저장 서브 시스템(1924)은 본원에서 설명된 기능의 일부 또는 전부를 (예를 들어, 소프트웨어 모듈로서) 제공하거나 지원하는 프로그래밍 및 데이터 구성체를 저장한다. 예를 들어, 저장 서브 시스템(1924)은 적층 가공될 요소의 CAD 모델, 및 적층 가공 공정 동안 일체형 금속 증착 헤드의 위치를 조정하기 위해 증착물 위치를 식별하기 위한 로직을 포함할 수 있다.
소프트웨어 모듈은 일반적으로 프로세서(1914) 단독으로 또는 다른 프로세서들과 조합하여 실행된다. 저장 서브 시스템에서 사용되는 메모리(1928)는 프로그램 실행 동안 명령 및 데이터의 저장을 위한 주 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1930), 및 고정된 명령이 저장되는 판독 전용 메모리(ROM)(1932)를 포함하는 다수의 메모리를 포함할 수 있다. 파일 저장 서브 시스템(1926)은 프로그램 및 데이터 파일을 위한 영구적인 저장을 제공할 수 있으며, 하드 디스크 드라이브, 연관된 착탈식 매체와 함께 플로피 디스크 드라이브, CD-ROM 드라이브, 광 드라이브, 또는 착탈식 매체 카트리지를 포함할 수 있다. 특정 실시형태의 기능을 구현하는 모듈은 파일 저장 서브 시스템(1926)에 의해 저장 서브 시스템(1924)에 저장될 수 있거나, 또는 프로세서(들)(1914)에 의해 액세스 가능한 다른 기계들에 저장될 수 있다.
버스 서브 시스템(1912)은 제어기(1900)의 다양한 구성 요소 및 서브 시스템이 의도된 바와 같이 서로 통신하게 하기 위한 메커니즘을 제공한다. 버스 서브 시스템(1912)은 단일 버스로서 개략적으로 도시되지만, 버스 서브 시스템의 대안적인 실시형태는 다수의 버스를 사용할 수 있다.
제어기(1900)는 워크스테이션, 서버, 컴퓨팅 클러스터, 블레이드 서버, 서버 팜, 또는 임의의 다른 데이터 처리 시스템 또는 컴퓨팅 장치를 포함하는 다양한 유형일 수 있다. 컴퓨팅 장치 및 네트워크의 변화무쌍한 특성으로 인해, 도 19에 도시된 제어기(1900)에 대한 설명은 일부 실시형태를 예시하는 목적을 위한 단지 구체적인 실시예인 것으로 의도된다. 도 19에 도시된 제어기보다 더 많거나 더 적은 구성 요소를 갖는 제어기(1900)의 많은 다른 구성예가 가능하다.
도 20은 모든 프레임 또는 커버가 부착되지 않은 그리고 일체형 와이어 공급기를 구비하는 일체형 증착 헤드(2000)의 일 실시형태의 2개의 도면을 도시한다. 제1 도면은 모터(2015), 및 모터(2015)를 제어하기 위한 일체형 와이어 공급기 회로 제어 기판(2016)을 갖는 와이어 공급기(2010)의 모터측으로부터 증착 헤드(2000)를 도시한다. 일 실시형태에서, 기판(2016)은 동일한 공급 속도를 유지하기 위해 "푸시-풀" 와이어 공급 작동을 제어하도록 돕는다. 또한, 일 실시형태에서, 기판(2016)은 가스의 흐름을 제어하기 위한 가스 솔레노이드를 제어하는 역할을 한다. 제2 도면은 구동 롤러(2017)를 갖는 와이어 공급기(2010)의 구동 롤러측으로부터 증착 헤드(2000)를 도시한다. 레이저 가공 서브 시스템(2020)은 노즈콘(2030)과 함께 와이어 공급기(2010) 아래의 조립체 내에 도시된다. 일 실시형태에 따라, 레이저 가공 서브 시스템(2020)은, 적외선 스펙트럼에서 작동하고 1 내지 15 킬로와트(kW)의 출력 전력을 제공하는 레이저 집속 장치를 포함한다. 예를 들어, 4 kW에서, 2.0 내지 3.5 킬로그램/시간의 증착 속도가 달성될 수 있을 것으로 예상된다.
도 21은 다양한 구성 요소 세부사항을 도시하는, 도 5와 유사한 도 20의 일체형 증착 헤드(2000)의 일부분(2100)의 내부 구성의 일 실시형태를 도시한다. 일부분(2100)은 증착 헤드 인클로저(2101), 클램프(2105), 가요성 부트(boot)(2110), 밀봉 클램프(2115), 및 열적/전기적 절연성 플레이트(2120)를 포함한다. 또한, 일부분(2100)은 와이어 진입 조정 장치(2125), 수냉식 접촉 블록(2130), 노즈콘 잠금 칼라(2135), 보충/팁 냉각 가스 도관(2140), 및 노즈콘(2145)을 포함한다. 일부분(2100)은 레이저 광 빔(2150)을 생성하여 방출하고, 필러 와이어(2155)를 공급한다. 또한, 일부분(2100)은 와이어 접촉 팁(2160), 냉각 통로(2165), 와이어 도관 튜브 및 라이너(2170), 및 (백그라운드에 있는) 열선 가공 전도성 리드(2175)를 포함한다. 일 실시형태에서, 전도성 리드(2175)는 와이어 도관 튜브 및 라이너(2170)에 전류를 제공하고 수냉됨으로써, 전도성 리드(2175)가 비교적 작은 직경이 될 수 있게 한다. 또한, 일부분(2100)은 집속 광학기기 토출구 팁(2180), 집속 광학기기 보조 가스 흡입구(2185), 비천공형 집속 광학기기 커버 슬라이드(2190), 및 레이저 광 집속 광학기기 모듈(2195)을 포함한다.
커버 슬라이드(2190)는 원치 않는 재료/입자(예를 들어, 스패터(spatter), 퓸(fume))가 집속 광학기기 모듈(2195) 내로 들어가는 것을 방지하도록 돕는다. 또한, 집속 광학기기 보조 가스 흡입구(2185) 내로 유입되는 가스(예를 들어, 아르곤)는 원치 않는 재료/입자(예를 들어, 스패터, 퓸)가 집속 광학기기 모듈(2195) 내로 들어가는 것을 방지하도록 돕는다. 클램프(2105), 밀봉 클램프(2115), 및 가요성 부트(2110)는 주변의 외기가 들어갈 수 없도록 하면서 일부분(2100)의 원하는 영역 내에서 가스를 밀봉된 상태로 유지하도록 돕는다. 이는 레이저 광 빔(2150)에 대해 필러 와이어(2155)를 이동시키기 위한 목적으로 일부분(2100)의 상부 요소에 대한 증착 헤드(2000)의 노즈콘 요소의 이동을 가능하게 한다. 수냉식 접촉 블록(2130)은 노즈콘 영역을 냉각시키기 위해 유체(예를 들어, 물)의 순환을 가능하게 하도록 블록 내에 통로(2165)를 갖는다.
절연성 플레이트(2120)는 적층 증착 헤드의 구조 프레임을 통하여 그리고 로봇, 제어기, 또는 관련 시스템 배선을 통하여 전기 전도가 역전되는 것을 방지하는 주 목적으로 작용한다. 와이어 진입 조정 장치(2125)는 증착 가공의 인피드 각도의 미세 조정을 가능하게 하며, 특정 적용예는 가공에 사용되는 다양한 합금의 물리적 및 열적 특성의 차이로 인해 약간 상이한 인피드 각도로 약간의 증착 성능 이점을 나타낼 수 있다. 노즈콘 잠금 칼라(2135)는 (예를 들어, 나사산 연결을 통해) 다양한 노즈콘이 분리/설치될 수 있게 한다. 보충/팁 냉각 가스 도관(2140)은 가스를 제공하여 접촉 팁 영역을 냉각시키도록 돕고 해당 영역을 가스로 채운다. 일반적으로, 보충/팁 냉각 가스 도관(2140)으로부터의 가스는 가스 흡입구(2185)로부터 나오는 가스보다 노즈콘 영역 내에서 더 차가울 것이다. 보충/팁 냉각 가스 도관(2140)의 단부에 있는 홀 또는 오리피스는 가스의 일직선 흐름을 형성하기 위해 가스를 집속시키도록 작용한다. 집속 광학기기 토출구 팁(2180)은 가스풍을 생성하도록 보조하여 재료/입자(예를 들어, 스패터, 퓸)가 레이저 광 집속 광학기기 모듈(2195)로 되돌아가는 것을 방지하도록 돕는다.
도 22는 구동 롤러(2017)를 갖는 와이어 공급기(2010)를 구비하는 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(2000)의 열선 가공 서브 시스템(2200)을 도시한다. 와이어 가공 서브 시스템(2200)은 본원에서 앞서 설명된 바와 같이, 종방향(예를 들어, 수직 방향)에 대한 각도를 달성하기 위해 와이어 도관 및 튜브 라이너(2170)를 통하여 필러 와이어(2155)를 공급하도록 구성된다. 도 23은 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(2000)의 레이저 가공 서브 시스템(2300)을 도시하며, 레이저 광 집속 광학기기 모듈(2195), (비천공형) 집속 광학기기 커버 슬라이드(2190), 및 집속 광학기기 보조 가스 흡입구(2185)를 갖는 레이저 집속 장치(2350)를 도시한다. 레이저 가공 서브 시스템(2300)은 레이저 빔(2150)을 생성하도록 구성된다. 도 24는 도 23의 레이저 가공 서브 시스템(2300)의 레이저 집속 장치(2350)의 일 실시형태를 도시하며, 레이저 광 집속 광학기기 모듈(2195), 집속 광학기기 보조 가스 흡입구(2185), 집속 광학기기 커버 슬라이드(2190), 및 집속 광학기기 토출구 팁(2180)을 도시한다. 도 25는 일체형 증착 헤드(2000)의 내부 구성 요소들을 둘러싸도록 구성된, 일 실시형태의 일체형 증착 헤드(2000)의 증착 헤드 구조 프레임(2500)을 도시한다. 일 실시형태에서, 구조 프레임(2500)은 일체형 증착 헤드(2000)의 특정 내부 구성 요소들로의 접근을 가능하게 하도록 구성된 착탈식 커버를 포함한다.
개시된 실시형태가 상당히 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이는 첨부된 청구범위의 범주를 그러한 세부사항으로 제한하거나 어떠한 방식으로도 한정하려는 의도가 아니다. 물론, 청구대상의 다양한 양태를 설명하기 위한 목적으로 구성 요소들 또는 방법들의 모든 도출 가능한 조합을 설명하는 것은 가능하지 않다. 따라서, 본 개시물은 도시되고 설명된 특정 세부사항 또는 예시적인 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 본 개시물은 35 U.S.C.§101의 법정 청구대상 요건을 충족시키는 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 변경예, 수정예 및 변형예를 포함하는 것으로 의도된다. 특정 실시형태에 대한 위의 설명은 실시예로서 주어진 것이다. 주어진 본 개시물로부터, 당업자는 일반적인 본 발명의 개념 및 부수적인 이점을 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 개시된 구조 및 방법의 명백한 다양한 변경예 및 수정예를 알아낼 수도 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 일반적인 본 발명의 개념의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 그러한 변경예 및 수정예와 이들의 등가물을 포괄하고자 한다.

Claims (20)

  1. 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드로서,
    구조 프레임;
    적층 가공될 기질 또는 요소를 향해 종방향으로 배향된 방향으로 단일 빔 경로 레이저 빔을 전달하도록 구성되고 상기 프레임 내에 장착되는 레이저 집속 장치를 포함하는 레이저 가공 서브 시스템; 및
    상기 종방향으로 배향된 방향에 대해 1° 내지 30°의 각도로 상기 기질 또는 상기 요소를 향해 소모성 필러 와이어를 공급하도록 구성되고 상기 프레임 내에 장착되는 와이어 공급 장치 및 접촉 튜브를 포함하며,
    상기 증착 헤드는,
    상기 종방향으로 배향된 방향으로부터 상기 단일 빔 경로 레이저 빔의 배향을 각도 변경하거나 상기 증착 헤드를 회전시킬 필요 없이 상기 요소를 적층 가공하기 위해, 모션 제어 시스템의 안내에 따라 상기 기질 또는 상기 요소에 대해 전방향으로 이동되도록 구성되는,
    일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도는 1° 내지 30°로 수동으로 조정 가능한, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔이 상기 기질 또는 상기 요소와 수렴하는 제1 위치와 상기 소모성 필러 와이어의 팁이 상기 기질 또는 상기 요소와 수렴하는 제2 위치 사이의 거리는 수동으로 조정 가능한, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단일 빔 경로 레이저 빔은 상기 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드 내에서 분할되거나 재결합되지 않는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    노즈콘, 다용도 호스 및 도관, 및 수냉식 접촉 블록을 더 포함하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 공급 장치는 모터 및 구동 롤러를 포함하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소모성 필러 와이어는 상기 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 30도 이하의 제1 각도로 상기 증착 헤드 내의 상기 접촉 튜브에 접근한 다음, 상기 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 1도 내지 5도의 제2 각도로 상기 접촉 튜브에서 빠져나오는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 집속 장치는 최대 15 킬로와트의 출력 전력을 제공하는 적외선 스펙트럼으로 작동하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  9. 제1항에 있어서,
    시간당 최대 약 10.0 킬로그램의 증착 속도가 달성 가능한, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 집속 장치는 레이저 광 집속 광학기기 모듈, 집속 광학기기 보조 가스 흡입구, 비천공형 집속 광학기기 커버 슬라이드, 및 집속 광학기기 토출구 팁 중 적어도 하나를 포함하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  11. 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드로서,
    구조 프레임;
    적층 가공될 기질 또는 요소를 향해 종방향으로 배향된 방향으로 단일 빔 경로 레이저 빔을 전달하도록 구성되고 상기 프레임 내에 장착되는 레이저 집속 장치를 포함하는 레이저 가공 서브 시스템; 및
    외부 와이어 공급 장치로부터 소모성 필러 와이어를 수용하여 상기 종방향으로 배향된 방향에 대해 1° 내지 30°의 각도로 상기 기질 또는 상기 요소를 향해 상기 소모성 필러 와이어를 안내하도록 구성되고 상기 프레임 내에 장착되는 접촉 튜브를 포함하며,
    상기 증착 헤드는,
    상기 종방향으로 배향된 방향으로부터 상기 단일 빔 경로 레이저 빔의 배향을 각도 변경하거나 상기 증착 헤드를 회전시킬 필요 없이 상기 요소를 적층 가공하기 위해, 모션 제어 시스템의 안내에 따라 상기 기질 또는 상기 요소에 대해 전방향으로 이동되도록 구성되는,
    일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 각도는 1° 내지 30°로 수동으로 조정 가능한, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 빔이 상기 기질 또는 상기 요소와 수렴하는 제1 위치와 상기 소모성 필러 와이어의 팁이 상기 기질 또는 상기 요소와 수렴하는 제2 위치 사이의 거리는 수동으로 조정 가능한, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 단일 빔 경로 레이저 빔은 상기 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드 내에서 분할되거나 재결합되지 않는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  15. 제11항에 있어서,
    노즈콘, 다용도 호스 및 도관, 및 수냉식 접촉 블록을 더 포함하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 소모성 필러 와이어는 상기 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 30도 이하의 제1 각도로 상기 증착 헤드 내의 상기 접촉 튜브에 접근한 다음, 상기 종방향으로 배향된 방향으로부터 약 1도 내지 5도의 제2 각도로 상기 접촉 튜브에서 빠져나오는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 집속 장치는 최대 15 킬로와트의 출력 전력을 제공하는 적외선 스펙트럼으로 작동하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  18. 제11항에 있어서,
    시간당 최대 약 10.0 킬로그램의 증착 속도가 달성 가능한, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 집속 장치는 레이저 광 집속 광학기기 모듈, 집속 광학기기 보조 가스 흡입구, 비천공형 집속 광학기기 커버 슬라이드, 및 집속 광학기기 토출구 팁 중 적어도 하나를 포함하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
  20. 제11항에 있어서,
    열적/전기적 절연성 플레이트, 와이어 진입 조정 장치, 노즈콘 잠금 칼라, 및 보충/팁 냉각 가스 도관 중 적어도 하나를 더 포함하는, 일체형 레이저 열선 적층 증착 헤드.
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