KR20200094828A - 금속 3d 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 광축 거리, 즉 가공대상물의 포커스(focus) 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 번거롭거나 불편함 없이 레이저 헤드의 길이를 간단하면서 신속하게 조절함에 따라 광학계의 변경 없이도 레이저 빔의 광축 거리조절이 용이하게 이루어질 수 있도록 광축 거리조절장치는 노즐유닛의 노즐 본체로부터 승강 가능하게 마련되는 경통부재; 및 상기 노즐 본체에 승강 가능하게 구비되는 경통부재의 승강 높이를 조절 후 고정할 수 있도록 구비되는 조절 고정부;를 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치를 제공한다.
그에 따라 가공대상물의 가공 조건에 따라 신속하게 레이저 빔의 광축 거리를 조절하여 가공이 단시간 내에 신속하게 이루어질 수 있는 효과와 함께 그로 인한 작용효율성을 극대화할 수 있는 효과도 가진다.

Description

금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치{Laser head optical axis distance adjustment device of metal 3D printer}

본 발명은 금속 3D 프린터에서 가공을 위해 레이저 빔이 조사되는 레이저 헤드에 관한 것으로, 더 상세하게는 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 광축 거리, 즉 가공대상물의 포커스(focus) 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 번거롭거나 불편함 없이 레이저 헤드의 길이를 간단하면서 신속하게 조절함에 따라 광학계의 변경 없이도 레이저 빔의 광축 거리조절이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 금속 3D 프린터는 금속 분말과 레이저를 이용하여 제품을 제작시 사용되는 것으로, DED(Direct Energy Deposition) 방식과 PBF(Powder Bed Fusion) 방식 및 ME(Material Extrusion) 방식 등 3가지 종류로 나뉜다.

DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력 레이저를 집광해 모재에 용융풀을 형성하고 금속 분말이나 와이어를 공급해 적층하는 방식을 말한다.

PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 금속 분말을 얇게 깔고 레이저 프린터와 동일한 원리로 고출력 레이저를 분말에 조사해 용융시키는 방식으로 형상을 만들어 낸다. DED 방식에 비해 강도는 떨어지지만 복잡한 형상제작에 유리하다.

ME(Material Extrusion) 방식은 금속 보다는 플라스틱 계열에 적용되는 방식으로 주로 액체 상태의 플라스틱을 밀어내어 적층하는 방식이다. 금속에 ME 방식을 적용하기 위해서는 고온에서 금속을 녹여야 하는 조건을 가진다.

이렇게, 금속 3D 프린터는 금속 분말을 이용하여 제품을 제작하는 것으로, 레이저 빔은 광케이블을 거친 후 노즐유닛의 레이저 헤드를 통하여 조사되면서 가공이 이루어진다.

즉, 레이저 빔은 노즐유닛의 내부에 구비된 광학부를 거친 후 조사되는 데, 이때 레이저 헤드는 노즐유닛에 고정된 상태이므로 조사되는 레이저 빔이 도달하는 포커스 지점 또한 항시 동일한 위치로 지정된다.

그로 인해 가공대상물과 접하는 레이저 빔의 사이즈 또한 항시 동일한 사이즈로 조사되는 데, 이때 가공대상물의 가공위치나 가공조건에 따라 레이저 빔 사이즈 조절이 요구된다.

다시 말해서, 레이저 빔의 사이즈에 따라 가공대상물로 공급되는 파우더의 공급 위치도 다르게 됨은 물론 특히, 가공위치에 따라 레이저 빔의 사이즈 또한 조절한다.

그에 따라 종래에는 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위해서는 노즐유닛 내의 광학계를 조절 또는 교체해야 함은 물론 부수적으로 다른 부품을 새로 셋팅(setting) 해야 하는 상당히 번거롭고 불편한 단점을 가진다.

상기와 같이 3D 프린터에서의 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위한 종래의 선행기술에는 대한민국 등록특허공보 제10-1657700호(이하 '선행기술문헌 1'이라 한다)에 게시된 바와 같이 광의 광출사경로 상에 설치되어 광빔의 단면적 크기를 조절하는 빔사이즈 조정부와, 각 렌즈 간의 이격거리를 조정하여 평행빔의 단면 사이즈를 조정하는 이격거리 조정부를 포함하여 레이저 빔 사이즈를 조정하는 기술이 제안된 바 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1676738호(이하 '선행기술문헌 2'라 한다)에 게시된 바와 같이 소결될 분만 부분의 면적에 따란 각 렌즈의 폭을 조절하여 빔폭을 조절하는 빔폭 조절부와, 상기 빔폭 조절부의 빔폭 조절에 따라 빔세기를 동일하게 조절하는 빔세기 조절부를 포함하는 3D 프리터 빔 조절장치와 같은 기술도 제안된 바 있다.

또, 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0082044호(이하 '선행기술문헌 3'이라 한다)에 게시된 바와 같이 출력광의 광경로를 조정한는 갈바노미터 및 상기 갈바노미터를 거친 출력광의 초점을 보정하는 포커싱보정수단을 포함하는 3차원 프린터 광출력장치와 같은 기술도 제안된 바 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1657700호 대한민국 등록특허공보 제10-1676738호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0082044호

그러나 선행기술문헌 1 내지 3은 광학계인 각 렌즈의 거리를 조정함에 따라 빔 사이즈를 조정하는 것으로, 그 구조가 복잡함은 물론 각 렌즈의 거리 조정이 정밀하게 이루어지지 않을 경우, 원하는 빔 사이즈로의 조정이 용이하게 이루어지지 않은 단점을 가진다.

상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 구체적인 해결과제는 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 광축 거리, 즉 가공대상물의 포커스(focus) 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 번거롭거나 불편함 없이 레이저 헤드의 길이를 간단하면서 신속하게 조절함에 따라 광학계의 변경 없이도 레이저 빔의 광축 거리조절이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 구체적인 기술적 해결과제는 광축 거리를 조절하는 과정에서 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 구체적인 기술적 해결과제는 레이저 빔의 광축 거리조절 시 미세 조절까지 이루어질 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 구체적인 기술적 해결수단은 금속 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛의 일면에 결합되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛 내의 광학계를 거친 후 레이저 헤드를 통하여 포커스 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 조절하기 위한 레이저 헤드 광축 거리조절장치로서, 상기 광축 거리조절장치는 노즐유닛의 노즐 본체로부터 승강 가능하게 마련되는 경통부재; 및 상기 노즐 본체에 승강 가능하게 구비되는 경통부재의 승강 높이를 조절 후 고정할 수 있도록 구비되는 조절 고정부;를 포함한다.

상기 경통부재의 승강은 나사 결합방식 또는 슬라이딩 방식 중 어느 하나이다.

상기 조절 고정부는 노즐 본체에 구비되는 적어도 하나 이상의 체결 홀, 상기 체결 홀 상에 체결되어 경통부재를 고정 또는 해제하는 체결구를 포함한다.

상기 경통부재에는 승강을 위해 하부 측에 손잡이 플랜지가 형성되는 것을 더 포함한다.

상기 노즐 본체의 내측면과 경통부재 외측면 사이에는 그 경통부재 승강에 따른 이물질 유입 방지를 위한 적어도 하나 이상의 기밀부재가 개재되는 것을 더 포함한다.

상기 레이저 헤드는 경통부재의 하부에서 미세조절을 위해 미세 조절 고정부에 의해 승강 가능하게 마련되는 것을 더 포함한다.

상기 미세 조절 고정부는 레이저 헤드 본체에 형성되는 적어도 하나 이상의 고정 홀, 상기 고정 홀 상에 체결되어 경통부재의 하단으로부터 고정 또는 해제하는 고정구를 포함한다.

본 발명은 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 광축 거리, 즉 가공대상물의 포커스(focus) 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 번거롭거나 불편함 없이 레이저 헤드의 길이를 간단하면서 신속하게 조절함에 따라 광학계의 변경 없이도 레이저 빔의 광축 거리조절이 용이하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 가공대상물의 가공 조건에 따라 신속하게 레이저 빔의 광축 거리를 조절하여 가공이 단시간 내에 신속하게 이루어질 수 있는 효과와 함께 그로 인한 작용효율성을 극대화할 수 있는 효과도 가진다.

또한, 광축 거리를 조절하는 과정에서 내부로의 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 함으로써, 더욱더 신뢰성 높은 제품을 제공할 수 있는 효과도 가진다.

또, 레이저 빔의 광축 거리조절 시 미세 조절까지 이루어질 수 있도록 함으로써, 더욱더 정교하고 세밀한 제품을 제공할 수 있는 효과도 가진다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 노즐유닛이 일부 확대 단면도,
도 2는 도 1에 따른 광축 거리를 조절 과정을 설명하기 위한 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예로, 광축 거리 조절에 따른 미세 조절 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 노즐유닛이 일부 확대 단면도이며, 도 2는 도 1에 따른 광축 거리를 조절 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도시된 바와 같이 통상적인 금속 3D 프린터에서의 레이저 빔 사이즈라 함은 제품을 제작하는 과정에서 가공대상물로 레이저 빔이 도달하는 포커스 지점에서 정해지는 크기를 의미한다.

통상적으로 3D 프린터에서의 레이저 빔은 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛(100)의 일면에 결합되는 광케이블(도시하지 않음)을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛(100) 내의 광학계(도시하지 않음)를 거친 후 레이저 헤드(110)를 통하여 포커스 지점으로 조사된다.

특히, 3D 프린터에서의 종래 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위해서는 대부분이 광학계에 마련된 각각의 렌즈의 거리를 조정하는바, 이는 구조가 복잡할 뿐만 아니라 정밀조절이 이루어지지 않을 경우, 원하는 사이즈로의 조절이 원활하게 이루어지지 않는 단점을 가진다.

본 발명은 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저 빔의 광축 거리, 즉 가공대상물의 포커스(focus) 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 번거롭거나 불편함 없이 레이저 헤드의 길이를 간단하면서 신속하게 조절함에 따라 광학계의 변경 없이도 레이저 빔의 광축 거리조절이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명에 따른 레이저 빔 사이즈를 조절하기 위한 레이저 헤드 광축 거리조절장치(1)는, 노즐유닛(100)의 노즐 본체(120)로부터 승강 가능하게 마련되는 경통부재(122); 및 상기 노즐 본체(120)에 승강 가능하게 구비되는 경통부재(122)의 승강 높이를 조절 후 고정할 수 있도록 구비되는 조절 고정부(10);를 포함한다.

경통부재(122)는 노즐 본체(120) 내부에 마련되어 광학계의 거리를 일정한 길리로 유지하기 위한 통상적인 기술적 구성을 가지는 것으로, 발명의 배경이 되는 기술에 기재한 바와 같이 통상 3D 프린터의 노즐 본체에 마련된 경통부재는 고정식으로 마련됨에 레이저 빔이 조사되는 포커스 지점이 항시 동일한 위치로 지정된다.

허 나, 본 발명에 따른 경통부재는 승강 가능한 조건에 따른 레이저 빔의 광축 거리의 조절이 가능함에 따라 레이저 빔이 조사되는 포커스 지점을 달리 조절할 수 있어, 빔 사이즈의 조절이 가능한 조건을 가진다.

다시 말해서, 본 발명의 경통부재는 조절 고정부의 고정과 해제에 의해 경통부재의 승강시켜 높이를 조절함에 따라 레이저가 조사되는 레이저 헤드의 길이 또한 조절됨으로써, 가공대상물로 조사되는 레이저 빔의 포커스 지점을 조절함은 물론 그로 인한 레이저 빔 사이즈의 조절이 가능한 것이다.

상기에서, 경통부재(122)의 승강은 통상적으로 서로 대응되는 위치에 형성된 나선에 의한 나사 결합방식 또는 홈이나 돌기 등에 의한 슬라이딩 방식 중 어느 하나이다. 아울러, 상기한 방식 이외에 승강 가능한 공지된 어떠한 구조를 적용하여도 무방하다.

그리고 상기 조절 고정부(10)는 노즐 본체(120)에 구비되는 통상적인 나선 홀 등과 같은 적어도 하나 이상의 체결 홀(12)과, 상기 체결 홀(12) 상에 체결되어 경통부재(122)를 고정 또는 해제하는 통상적인 볼트나 스크류 또는 무드볼트 등과 같은 체결구(14)를 포함한다.

그에 따라 체결 홀 상에서 체결구를 나사결합방식에 의해 조리고 풀고 함으로써, 노즐 본체로부터 경통부재의 승강 후 원활하게 체결 고정할 수 있는 것이다. 더욱이, 체결 홀과 체결구는 소정 간격을 두고 복수 개로 마련됨에 따라 더욱더 긴밀하고 정교하게 체결 고정할 수 있다.

그로 인해 가공 조건에 따라 레이저 빔 사이즈 조절을 광학계의 조절이나 교체 없이도 간단하면서 편리하게 조절함으로써, 레이저 빔을 이용한 작업의 편의성은 물론 효율성을 극대화할 수 있다.

한편, 상기 경통부재(122)에는 작업자가 길이 조절을 더욱더 편리하게 이루어질 수 있도록 승강을 위해 하부 측에 통상적인 환형 형태의 손잡이 플랜지(20)가 형성되는 것이 바람직하다.

그에 따라 작업자가 경통부재를 승강 시 상기 손잡이 플랜지를 잡고 승강 후 조절 고정부를 사용하여 고정 또는 해제함으로써, 사용의 편리성을 더욱더 높이 수 있다.

아울러, 상기 노즐 본체(120)의 내측면과 경통부재(122) 외측면 사이에는 그 경통부재(122) 승강에 따른 이물질 유입 방지를 위한 통상적인 O 링 등과 같은 형태인 적어도 하나 이상의 기밀부재(30)가 개재되는 것을 더 포함한다.

상기에서, 기밀부재는 상하로 적어도 1개 내지 3개 정도가 적정하며, 3개 이상일 경우, 기밀성은 우수할 수 있으나, 경통부재의 승강에 따른 마찰로 인해 오히려 승강을 저해하라 수 있는 것이므로 1개 내지 3개가 적정하다 할 것이다.

그로 인해 노즐 본체 상에서 경통부재를 승강시 미세한 이물질 등이 경통부재 내로 유입되지 않게 함은 물론 승강 또한 안정적으로 이루어지도록 함으로써, 레이저 빔 조사에 따른 높은 신뢰성을 확보하여 가공 효율성 또한 높일 수 있는 조건을 가진다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예로, 광축 거리 조절에 따른 미세 조절 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도시된 바와 같이 상기한 구성에서, 경통부재를 승강시켜 레이저 빔의 광축 거리를 조절할 수 있도록 함은 물론 특히 광축 거리 조절 후 미세 조절까지 이루어질 수 있는 기술적 구성도 제공한다.

레이저 헤드(110)는 경통부재(122)의 하부에서 미세조절을 위해 미세 조절 고정부(40)에 의해 승강 가능하게 마련되는 것을 더 포함한다.

상기에서, 경통부재의 하부에서의 레이저 헤드의 승강은 통상적으로 서로 대응되는 위치에 형성된 나선에 의한 나사 결합방식 또는 홈이나 돌기 등에 의한 슬라이딩 방식 중 어느 하나이다. 아울러, 상기한 방식 이외에 승강 가능한 공지된 어떠한 구조를 적용하여도 무방하다.

상기 미세 조절 고정부(40)는 레이저 헤드(110)에 형성되는 통상적인 나선 홀 등과 같은 적어도 하나 이상의 고정 홀(42)과, 상기 고정 홀(42) 상에 체결되어 경통부재(122)의 하단으로부터 고정 또는 해제하는 통상적인 볼트나 스크류 또는 무드 볼트 등과 같은 고정구(44)를 포함한다.

다시 말해서, 본 발명의 미세 조절 고정부는 경통부재를 승강시켜 필요로 하는 전체적인 광축 거리를 조절한 다음 미세 조절이 요구될 때, 레이저 헤드에 형성된 고정 홀로부터 고정구를 해제시킨 후 필요로 하는 만큼 레이저 헤드를 승강시킨 다음 고정구를 체결 고정함에 따라 가능하다.

이때, 상기 경통부재의 하단과 레이저 헤드의 승강 높이는 레이저 헤드의 특성상 높은 높이로 승강되는 것이 아니라 도시된 바와 같이 낮은 높이로 승강이 이루어짐으로써, 미세 조절이 가능하다.

이는 경통부재를 승강시킨 후 작업조건이나 혹은 필요한 조건에 따라 레이저 헤드의 높이를 미세하게 조절할 수 있어, 가공 조건이 까다롭거나 혹은 정밀성이 요구되는 가공 작업에 적합한 조건을 가진다.

이로써, 본 발명의 다른 실시 예인 미세 조절 고정부는 가공 대상물을 더욱더 정밀하고 세밀하게 가공할 수 있는 조건을 가짐으로써, 최적의 작업 조건을 구축할 수 있는 편리성과 효율성은 물론 높은 신뢰성 또한 확보할 수 있다.

1 : 광축 거리조절장치
10 : 조절 고정부 12 : 체결 홀
14 : 체결구 20 : 손잡이 플랜지
30 : 기밀부재 40 : 미세 조절 고정부
42 : 고정 홀 44 : 고정구
100 : 노즐유닛
110 : 레이저 헤드 120 : 노즐 본체
122 : 경통부재

Claims (7)

1. 금속 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛의 일면에 결합되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 노즐유닛 내의 광학계를 거친 후 레이저 헤드를 통하여 포커스 지점으로 조사되는 레이저 빔 사이즈를 조절하기 위한 레이저 헤드 광축 거리조절장치로서,
   상기 광축 거리조절장치는 노즐유닛의 노즐 본체로부터 승강 가능하게 마련되는 경통부재; 및
   상기 노즐 본체에 승강 가능하게 구비되는 경통부재의 승강 높이를 조절 후 고정할 수 있도록 구비되는 조절 고정부;를 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
2. 제1항에 있어,
   상기 경통부재의 승강은 나사 결합방식 또는 슬라이딩 방식 중 어느 하나인 것을 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
3. 제1항에 있어,
   상기 조절 고정부는 노즐 본체에 구비되는 적어도 하나 이상의 체결 홀, 상기 체결 홀 상에 체결되어 경통부재를 고정 또는 해제하는 체결구를 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어,
   상기 경통부재에는 승강을 위해 하부 측에 손잡이 플랜지가 형성되는 것을 더 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
5. 제1항에 있어,
   상기 노즐 본체의 내측면과 경통부재 외측면 사이에는 그 경통부재 승강에 따른 이물질 유입 방지를 위한 적어도 하나 이상의 기밀부재가 개재되는 것을 더 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
6. 제1항에 있어,
   상기 레이저 헤드는 경통부재의 하부에서 미세조절을 위해 미세 조절 고정부에 의해 승강 가능하게 마련되는 것을 더 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
7. 제6항에 있어,
   상기 미세 조절 고정부는 레이저 헤드 본체에 형성되는 적어도 하나 이상의 고정 홀, 상기 고정 홀 상에 체결되어 경통부재의 하단으로부터 고정 또는 해제하는 고정구를 포함하는 금속 3D 프린터의 레이저 헤드 광축 거리조절장치.
   

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