KR20210076664A - Integrated laser output control method of metal printer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는 경우에는 용융풀(melting pool) 측정장치로 측정된 용융풀 데이터에 따라 레이저의 출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식을 따르는 한편, 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위를 벗어나는 경우에는 기설정된 제어프로파일에 따라 레이저의 출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 따르며, 레이저 구동시에는 구동시작 시점으로부터 소정 시간 동안 기설정된 구동프로파일을 따라 레이저출력을 제어하는 라이징타임(Rising time) 제어방식을 따르도록 함으로써, 3D 프린팅 공정 중 항상 최적의 적층품질이 충족되도록 한 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated laser power control method of a metal printer, and more particularly, when the feed speed of the laser head is included in the reference speed range, the laser according to the melt pool data measured by the melting pool measuring device On the other hand, when the laser head feed speed is out of the reference speed range, the speed sensing control method of controlling the laser output according to a preset control profile is followed. Integrated laser output of a metal printer that always satisfies the optimal lamination quality during the 3D printing process by following a rising time control method that controls the laser output according to a preset driving profile for a predetermined time from the start of driving It is about the control method.
최근에는 금속을 성형하는 새로운 방법이 개발되었는데 바로 3D 프린팅(3D Printing) 기술이다.Recently, a new method of forming metal has been developed, which is 3D printing technology.
3D 프린팅은 프린터로 물체를 출력하는 기술을 말하는데, 종이에 글자를 인쇄하는 기존 프린터와 비슷한 방식으로 3차원 모델링 파일을 출력 소스를 활용하여 3차원의 제품을 출력하는 것이며, 이러한 기계를 금속프린터라 한다.3D printing refers to the technology of outputting an object with a printer. It outputs a 3D product by using the 3D modeling file as an output source in a similar way to the existing printer that prints letters on paper, and this machine is called a metal printer. do.
금속프린터의 개발 초기에는 주로 플라스틱을 비롯한 경화성 소재를 이용해 3차원의 제품을 출력하였으나, 근래에는 금속을 이용하여 3차원의 제품을 출력하는 것도 가능케 되었다.In the early days of the development of metal printers, three-dimensional products were mainly printed using curable materials including plastics, but in recent years, it has become possible to output three-dimensional products using metal.
금속을 이용하는 3D 프린팅은 재료로서 주로 금속 분말을 사용하는데, 적층 방식에 따라 레이저 빔이나 전자빔을 분말 형태의 금속 원료에 조사하여 원하는 부분만 소결 혹은 용융 시켜 적층하는 Powder Bed Fusion(PB)방법이 있다.3D printing using metal mainly uses metal powder as a material. Depending on the lamination method, there is a Powder Bed Fusion (PB) method in which only the desired part is sintered or melted by irradiating a laser beam or an electron beam to a powdered metal raw material. .
그리고 분말 형태의 재료 위에 액체 형태의 접착제를 분사하여 재료를 결합시키는 Binder Jetting(BJ) 방법과, 다축 팔에 마운트 된 노즐을 통해 녹인 재료를 도포하는 Directed Energy Deposition(DED) 방법이 대표적이다.In addition, the binder jetting (BJ) method, which combines the materials by spraying a liquid adhesive on the powdered material, and the Directed Energy Deposition (DED) method, which applies the melted material through a nozzle mounted on a multi-axis arm, are representative.
PB방식과 BJ방식은 적층 방법의 특성상 5축 이상 구동시스템을 가질 수가 없어 적층과 가공 자유도에 한계를 가지고 있어, 복잡한 형상의 부품제작에는 DED 방법이 선호되고 있다.The PB method and the BJ method cannot have a drive system with more than 5 axes due to the characteristics of the stacking method, so there is a limit to the degree of freedom in stacking and processing, so the DED method is preferred for manufacturing parts with complex shapes.
이러한 DED 방식의 금속프린터로 제품을 제조할 때, 레이저를 조사하는 레이저헤드는 가공경로에 따라 이송속도가 변화하게 된다. 이 때 레이저헤드가 고속으로 이동하는 경우에는 해당 가공영역에 단위 시간당 투입되는 에너지가 적고 저속으로 이동하는 경우에는 단위 시간당 투입되는 에너지가 많아 균일한 적층품질을 보장할 수 없는 문제가 있었다.When manufacturing a product with this DED-type metal printer, the laser head irradiating a laser has a different feed speed depending on the processing path. At this time, when the laser head moves at high speed, the energy input per unit time is small in the processing area, and when the laser head moves at a low speed, the energy input per unit time is large, so there is a problem that uniform stacking quality cannot be guaranteed.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 적외선 카메라와 같은 용융풀(melting pool) 측정장치로 용융풀, 즉 "레이저의 조사로 인해 분말이 용융상태를 이루는 영역"에 대한 너비, 높이, 온도 등의 데이터를 측정한 후, 측정된 용융풀 데이터에 기반하여 제어부가 레이저출력을 피드백(feedback) 제어하였다.In order to solve this problem, in the prior art, data such as width, height, temperature, etc. of the melting pool, that is, "the region where the powder is in a molten state due to laser irradiation", were recorded with a melting pool measuring device such as an infrared camera. After the measurement, the controller based on the measured melt pool data feedback (feedback) control the laser output.
그러나 이러한 용융풀 센싱 제어방식은 용융풀 측정장치에 의해 측정된 데이터에 기반하여 제어부가 레이저출력을 제어하는 관계로 반응속도가 다소 느리다. 따라서 속도변화가 크게 발생되는 적층 구간에서는 레이저출력에 대한 제어속도가 느려 적층품질에 문제가 발생하였다.However, this molten pool sensing control method has a rather slow reaction speed because the controller controls the laser output based on the data measured by the molten pool measuring device. Therefore, in the lamination section where the speed change occurs greatly, the control speed of the laser output is slow, which causes a problem in the lamination quality.
특히, 레이저 구동시에는 분말이 먼저 분사되는 가운데 레이저헤드의 이송속도가 증가하면서 레이저출력이 스텝 파형을 그리며 급격히 증가하므로, 레이저헤드가 주행 중인 가공구간에 비해 상대적으로 분말과 시간당 투입되는 에너지의 밀도가 높아 과대 적층이 심화되는 경향이 있다.In particular, when the laser is driven, the laser power is rapidly increased while drawing a step waveform as the feed speed of the laser head increases while the powder is sprayed first, so the density of powder and energy input per hour is relatively compared to the processing section in which the laser head is running , which tends to intensify over-stacking.
따라서 레이저헤드의 이송속도 변화가 심한 적층구간과 레이저 구동시에도 최적의 적층품질을 보장할 수 있는 새로운 레이저출력 제어방법의 개발이 절실히 요청된다.Therefore, it is urgently required to develop a new laser power control method that can guarantee the optimal lamination quality even in the lamination section where the laser head transfer speed varies greatly and the laser is driven.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로, 레이저헤드의 이송속도 범위에 따라 최적의 레이저출력 제어방식을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an optimal laser power control method according to the range of the feed speed of a laser head.
또한 본 발명은 레이저의 이송속도 변화가 심한 경우에도 레이저출력을 이송속도에 대응되는 빠른 반응속도로 제어하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to control the laser output at a fast reaction speed corresponding to the feed speed even when the change in the feed speed of the laser is severe.
또한 본 발명은 레이저 구동시 과대 적층의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to prevent the occurrence of excessive lamination during laser driving.
본 발명은 레이저헤드의 이송속도 데이터를 획득하는 속도획득단계(S300); The present invention is a speed acquisition step (S300) of obtaining the feed speed data of the laser head;
획득된 상기 레이저헤드의 이송속도 데이터에 따라 레이저출력을 제어하는 레이저출력 제어단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법을 제공한다.It provides an integrated laser output control method of a metal printer, comprising a; laser output control step (S400) of controlling the laser output according to the obtained feed speed data of the laser head.
또한 본 발명의 상기 속도획득단계(S300)는 금속프린터의 제어부에서 공구이동정보인 NC 코드로부터 산출된 실제공구이송속도를 획득하고, 레이저 출력식에 의하여 정의된 제어프로파일에 따라 실제공구이송속도에 매칭되는 레이저출력값을 계산하는 것을 특징으로 한다.In addition, the speed acquisition step (S300) of the present invention acquires the actual tool feed speed calculated from the NC code, which is tool movement information, from the control unit of the metal printer, and is based on the actual tool feed speed according to the control profile defined by the laser output formula. It is characterized in that the matching laser power value is calculated.
또한 본 발명의 상기 레이저출력 제어단계(S400)는,In addition, the laser output control step (S400) of the present invention,
상기 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는지 여부를 판단하되,It is determined whether the transfer speed of the laser head is included in the reference speed range,
상기 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는 경우, 용융풀(melting pool) 측정장치로 측정된 용융풀 데이터에 따라 레이저의 출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식을 따르고,When the feed speed of the laser head is included in the reference speed range, the melting pool sensing control method of controlling the output of the laser according to the melting pool data measured by the melting pool measuring device is followed,
상기 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위 보다 작은 경우 상기 제어프로파일에 따라 레이저의 출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 따르는 것을 특징으로 한다.When the feed speed of the laser head is smaller than the reference speed range, a speed sensing control method of controlling the output of the laser according to the control profile is followed.
또한 본 발명의 상기 용융풀 데이터는 용용풀의 너비, 높이, 온도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the molten pool data of the present invention is characterized in that any one or more of the width, height, and temperature of the molten pool.
또한 본 발명은, 상기 속도획득단계(S300)에 선행하여 실행되되, 레이저의 구동 시작여부를 확인하는 구동시작 확인단계(S100);In addition, the present invention is performed prior to the speed acquisition step (S300), the driving start check step (S100) to check whether the driving of the laser is started;
상기 구동시작 확인단계(S100)를 통해 레이저의 구동이 시작된 것으로 확인되는 경우, 구동시작 시점으로부터 소정 시간 동안 기설정된 구동프로파일을 따라 레이저출력을 제어하는 구동제어단계(S200);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.When it is confirmed that the driving of the laser is started through the driving start confirmation step (S100), a driving control step (S200) of controlling the laser output according to a preset driving profile for a predetermined time from the starting time of driving; characterized.
또한 본 발명의 상기 레이저출력 제어단계(S400)는,In addition, the laser output control step (S400) of the present invention,
상기 제어프로파일에 따라 레이저의 출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 따르는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it follows the speed sensing control method of controlling the output of the laser according to the control profile.
본 발명에 따른 레이저출력 제어방법은 이송속도에 따른 적절한 제어방식을 채택하여 최적의 적층품질을 제공하는 효과가 있다.The laser output control method according to the present invention has an effect of providing an optimal lamination quality by adopting an appropriate control method according to the feed speed.
또한 본 발명은 레이저헤드의 이송속도 변화가 심한 경우에도 과대 적층을 방지하는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect of preventing excessive stacking even when the feed speed of the laser head is greatly changed.
또한 본 발명은 레이저 구동시 과대 적층을 방지하는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect of preventing excessive lamination when driving a laser.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, the specific effects of the present invention will be described together while describing specific details for carrying out the invention below.
도 1은 공작기계의 실제공구이송속도 산출과정을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 속도 센싱 제어방식에 사용되는 제어프로파일을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저출력을 제어하는 라이징타임(Rising time) 제어방식을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 통합제어방식이 적용된 레이저출력을 제어하는 상황을 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining a process of calculating an actual tool feed rate of a machine tool.
2 is a view for explaining a speed sensing control method for controlling the laser output according to the present invention.
3 is a view for explaining a melting pool sensing control method for controlling the laser output according to the present invention.
4 is a view showing a control profile used in the speed sensing control method according to the present invention.
5 is a view for explaining a rising time control method for controlling the laser output according to the present invention.
6 is a view for explaining a situation of controlling the laser output to which the integrated control method according to the present invention is applied.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings. However, this is not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and it should be understood as including various modifications, equivalents, and/or alternatives of the embodiments of this document. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.
또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.In addition, expressions such as "first," "second," used in this document may modify various elements regardless of order and/or importance, and to distinguish one element from another element. It is used only and does not limit the corresponding components. For example, 'first part' and 'second part' may represent different parts regardless of order or importance. For example, without departing from the scope of the rights described in this document, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be renamed as a first component.
또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.In addition, terms used in this document are used only to describe specific embodiments, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art described in this document. Among the terms used in this document, terms defined in general dictionary may be interpreted with the same or similar meaning as the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this document, ideal or excessively formal meanings is not interpreted as In some cases, even terms defined in this document cannot be construed to exclude embodiments of the present document.
도 1은 공작기계의 실제공구이송속도 산출과정을 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining a process of calculating an actual tool feed rate of a machine tool.
도 1을 참조하여 설명한다.It will be described with reference to FIG. 1 .
공작기계로 제품을 가공하기 위해서는 가공경로, 이송속도 등의 정보들이 포함된 NC 코드를 입력한다. 공작기계의 제어기는 입력된 NC 코드를 읽어 들여 실제공구이송속도를 산출한다.In order to process a product with a machine tool, an NC code containing information such as a machining path and feed rate is input. The machine tool controller reads the input NC code and calculates the actual tool feed rate.
상기 실제공구이송속도에 대해 부연설명하고자 한다. 공구의 이송속도가 소정 속도로 일정하게 주어진다고 하더라도 가령 공구가 U 턴(turn)을 하는 경우, 즉 한 방향으로 이동하다가 다시 지나온 경로로 되돌아 가는 경우에는 이송속도의 변화가 불가피하게 발생하게 된다.The actual tool feed rate will be further explained. Even if the feed rate of the tool is given constant at a predetermined speed, for example, when the tool makes a U-turn, that is, when the tool moves in one direction and returns to the path it passed, a change in the feed rate is inevitable.
즉, 소정의 이송속도로 이동하다가 U 턴을 하기 위해서는 서서히 감속하여 정지한 후 다시 가속하여 소정의 이송속도에 도달하게 된다.That is, in order to make a U-turn while moving at a predetermined feed rate, it is gradually decelerated to stop and then accelerated again to reach a predetermined feed rate.
제어부는 공구의 관성을 고려하여 실제 공구가 이동하는 속도를 산출하여, 공구가 실제공구이송속도로 이동하도록 제어한다.The control unit calculates the speed at which the tool actually moves in consideration of the inertia of the tool, and controls the tool to move at the actual tool feed speed.
도 2는 본 발명에 따른 레이저출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 레이저출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 속도 센싱 제어방식에 사용되는 제어프로파일을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 레이저출력을 제어하는 라이징타임(Rising time) 제어방식을 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 통합제어방식이 적용된 레이저출력을 제어하는 상황을 설명하는 도면이다.2 is a view for explaining the speed sensing control method for controlling the laser output according to the present invention, Figure 3 is a view for explaining the molten pool sensing control method for controlling the laser output according to the present invention, Figure 4 is the present invention It is a view showing a control profile used in a speed sensing control method according to the present invention, Figure 5 is a view for explaining a rising time (Rising time) control method for controlling the laser output according to the present invention, Figure 6 is an integrated according to the present invention It is a diagram explaining the situation of controlling the laser output to which the control method is applied.
도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한다.It will be described with reference to FIGS. 3 to 6 .
본 발명에서는 종래기술과 달리 이송속도에 따라 적절한 방식을 채택하여 레이저출력을 제어함으로써 최적의 적층품질을 제공하도록 하였다.In the present invention, unlike the prior art, by adopting an appropriate method according to the feed speed to control the laser output, the optimum lamination quality is provided.
이를 위해 본 발명에서는 기준이송속도를 포함하는 속도범위, 즉 기준속도범위를 정의하였다.To this end, in the present invention, a speed range including the reference feed speed, that is, the reference speed range is defined.
통상적으로 실제공구이송속도는 관성을 고려하여 NC 코드 상의 기준이송속도 보다는 작게 되므로, 기준속도범위는 가령 기준이송속도의 90% ~ 100% 범위로 정의된다.In general, since the actual tool feed rate is smaller than the standard feed speed on the NC code in consideration of inertia, the reference speed range is defined as, for example, 90% to 100% of the standard feed speed.
기준속도범위를 지정한 이유를 설명한다.Explain why the reference speed range is specified.
본 발명은 이송속도 구간에 따라 상이한 레이저출력 제어방식을 채택한다. 따라서 기준속도를 속도범위가 아닌 소정의 속도값으로 지정하는 경우 제어부가 빈번한 제어방식의 전환을 하게 되어 계산 부하를 줄 수 있어 이를 방지하기 위해 도입한 것이다.The present invention adopts a different laser power control method according to the feed speed section. Therefore, when the reference speed is designated as a predetermined speed value rather than a speed range, the control unit frequently switches the control method, which may give a calculation load, and is introduced to prevent this.
그리고 이를 반영하여 기준속도범위에 대한 영어 표현 또한 Swiching Dead Zone(SDZ)으로 명명하였다.And reflecting this, the English expression for the reference speed range was also named the Switching Dead Zone (SDZ).
본 발명에서는 제어기로부터 레이저헤드의 실제공구이송속도 데이터를 획득하는 속도획득단계(S300)를 수행한 후, 레이저출력 제어단계(S400)를 수행한다.In the present invention, after performing the speed acquisition step (S300) of acquiring the actual tool feed speed data of the laser head from the controller, the laser output control step (S400) is performed.
레이저출력 제어단계(S400)에서는 우선 레이저헤드의 이송속도가 기준속도 범위에 포함되는지 여부를 판단한다.In the laser output control step (S400), it is first determined whether the feed speed of the laser head is included in the reference speed range.
레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는 경우는 이송속도의 변화가 크지 않다는 의미이며, 이 때는 이송속도가 레이저출력을 제어함에 있어서 크게 영향을 미치지 않는 변수로 볼 수 있다.When the feed speed of the laser head is included in the reference speed range, it means that the change in the feed speed is not large, and in this case, the feed speed can be regarded as a variable that does not significantly affect the laser output.
따라서 본 발명에서는 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는 경우, 용융풀(melting pool) 측정장치로 측정된 용융풀 데이터에 따라 레이저의 출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식을 따른다.Therefore, in the present invention, when the feed speed of the laser head is included in the reference speed range, the melting pool sensing control method of controlling the output of the laser according to the melt pool data measured by the melting pool measuring device is followed.
용융풀 측정장치로는 통상적으로 적외선 카메라 등을 채택하여, 용융풀의 너비, 높이, 온도 등의 용융풀 데이터를 측정하여 제어기로 전송한다.As a molten pool measurement device, an infrared camera is usually used, and molten pool data such as the width, height, and temperature of the molten pool are measured and transmitted to the controller.
용융풀 센싱 제어방식은 레이저의 조사로 인해 형성되는 용융풀에 대한 측정데이터를 획득한 후, 설계된 용융풀 데이터와 비교하여 레이저출력을 제어하는 피드백 제어방식이다.The molten pool sensing control method is a feedback control method that acquires measurement data for a molten pool formed by laser irradiation and then compares it with the designed molten pool data to control the laser output.
따라서 정확하게 용융풀의 데이터를 획득할 수 있고, 용융풀의 온도까지도 측정하므로, 신뢰성 있는 레이저출력이 가능하다.Therefore, the data of the molten pool can be accurately acquired and even the temperature of the molten pool is measured, so reliable laser output is possible.
도 2 및 도 6를 참조하여 설명한다.It will be described with reference to FIGS. 2 and 6 .
그러나 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위를 벗어날 경우, 즉 이송속도의 변화가 심할 경우에는 이송속도가 레이저출력에 큰 영향을 미치게 된다.However, when the feed speed of the laser head is out of the reference speed range, that is, when the feed speed is greatly changed, the feed speed has a great influence on the laser output.
레이저헤드가 고속으로 이동하는 경우에는 해당 가공영역에 단위 시간당 투입되는 에너지가 적고 저속으로 이동하는 경우에는 단위 시간당 투입되는 에너지가 많다. 따라서 이송속도가 빠른 경우에는 과소 적층이 발생하게 되고, 이송속도가 느린 경우에는 과대 적층이 발생하게 된다.When the laser head moves at a high speed, the energy input per unit time to the processing area is small, and when the laser head moves at a low speed, the energy input per unit time is large. Accordingly, when the feed rate is high, under-stacking occurs, and when the feed rate is slow, over-stacking occurs.
통상적으로 실제공구이송속도는 공구 관성을 고려하여 기준이송속도에 비해 느리게 되므로, 실제 가공에서는 과대 적층이 주로 발생하게 된다.In general, since the actual tool feed rate is slower than the reference feed rate in consideration of tool inertia, excessive stacking mainly occurs in actual machining.
용융풀 센싱 제어방식은 용융풀의 상태를 정확하게 반영하여 레이저출력을 제어하는 장점은 있으나, 이송속도의 변화가 심하게 되면 피드백 제어의 특성상 반응속도가 느린 단점이 있다.The molten pool sensing control method has the advantage of controlling the laser output by accurately reflecting the state of the molten pool, but has a disadvantage in that the reaction speed is slow due to the characteristics of the feedback control when the feed speed changes severely.
이에, 본 발명에서는 제어기에서 연산된 실제공구이송속도를 입수하여 기준속도범위를 벗어나는 경우에는 기설정된 제어프로파일, 즉 속도에 따른 레이저출력 특성곡선을 적용하여 레이저출력을 제어한다.Accordingly, in the present invention, when the actual tool transport speed calculated by the controller is obtained and out of the reference speed range, the laser output is controlled by applying a preset control profile, that is, a laser output characteristic curve according to the speed.
제어프로파일을 이루는 속도와 레이저출력 관계는 다항식 등 다양한 특성곡선이 채택될 수 있음은 물론이다.It goes without saying that various characteristic curves such as polynomials can be adopted for the relationship between the speed and laser power constituting the control profile.
결과적으로 기 연산된 실제이송속도를 근거로 하여 레이저출력제어를 함으로써, 빠른 반응속도로 레이저출력을 제어할 수 있는 것이다.As a result, by controlling the laser power based on the calculated actual feed speed, it is possible to control the laser power at a fast reaction speed.
이송속도의 변화 정도에 따라 용융풀 센싱 제어방식 또는 속도 센싱 제어방식으로 구분하여 제어함이 바람직하나, 제어 로직의 단순화 등의 필요에 따라서는 레이저헤드의 이송속도에 무관하게 속도 센싱 제어방식만을 채택할 수도 있다.Depending on the degree of change in the feed rate, it is desirable to classify and control the molten pool sensing control method or the speed sensing control method. You may.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.It will be described with reference to FIGS. 5 and 6 .
도 5(a)는 종래의 레이저 구동시의 출력특성 곡선이고, 도 5(b)는 본 발명에 따른 레이저 구동시의 출력특성 곡선이다.5(a) is an output characteristic curve when driving a conventional laser, and FIG. 5(b) is an output characteristic curve when driving a laser according to the present invention.
종래의 레이저 구동방식을 살펴보면, 레이저출력이 스텝 파형을 그리며 급격하게 출력값이 증가된다. 그리고 레이저헤드는 관성이 있는 관계로 정지상태에서 서서히 속도가 증가하게 된다.Looking at the conventional laser driving method, the laser output draws a step waveform and the output value is rapidly increased. And because of the inertia of the laser head, the speed gradually increases from a standstill.
또한 레이저 구동시에는 분말이 먼저 분사되는 가운데 레이저출력이 스텝 파형을 그리며 급격히 증가하므로, 레이저헤드가 주행 중인 가공구간에 비해 상대적으로 분말의 밀도가 높은 상태이다.In addition, when the laser is driven, the laser power is rapidly increased while drawing a step waveform while the powder is sprayed first, so the density of the powder is relatively high compared to the processing section in which the laser head is running.
결과적으로 레이저 구동시에는 급격한 레이저출력 증가와, 정지상태에서의 높은 분말 밀도, 점진적인 레이저헤드의 이동으로 인해 과대적층이 이뤄져 만족할 만한 적층품질을 보장할 수 없었다.As a result, when the laser is driven, it was not possible to guarantee satisfactory lamination quality due to excessive lamination due to rapid increase in laser power, high powder density in a stationary state, and gradual movement of the laser head.
이에, 본 발명에서는 NC 코드로부터 레이저 구동시작을 확인한 후, 구동시작 시점으로부터 소정 시간 동안 기설정된 구동프로파일을 따라 레이저출력을 제어하는 구동제어단계(S200)를 수행한다.Accordingly, in the present invention, after confirming the laser driving start from the NC code, a driving control step (S200) of controlling the laser output according to a preset driving profile for a predetermined time from the driving start time is performed.
이를 통해 레이저 구동시에 분말 밀도와 레이저헤드의 이송속도를 고려하여 레이저 출력이 시간에 따라 점진적으로 증가되도록 하여 종래의 레이저 구동시의 적층불량을 해결하였다.Through this, the laser output was gradually increased over time in consideration of the powder density and the laser head transfer speed when driving the laser, thereby solving the conventional lamination defect in driving the laser.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 레이저헤드의 이송속도에 따라 라이징타임(Rising time) 제어방식(°용융풀 센싱 제어방식(±속도 센싱 제어방식(²을 통합적으로 적용하였다.As shown in FIG. 6, in the present invention, a rising time control method (° molten pool sensing control method (± speed sensing control method (²)) was integrally applied according to the feed speed of the laser head.
본 발명은 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법에 관한 것으로서, 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는 경우에는 용융풀(melting pool) 측정장치로 측정된 용융풀 데이터에 따라 레이저의 출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식(±을 따르는 한편, 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위를 벗어나는 경우에는 기설정된 제어프로파일에 따라 레이저의 출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식(²을 따르며, 레이저 구동시에는 구동시작 시점으로부터 소정 시간 동안 기설정된 구동프로파일을 따라 레이저출력을 제어하는 라이징타임(Rising time) 제어방식(°을 따르도록 함으로써, 3D 프린팅 공정 중 항상 최적의 적층품질이 충족되도록 하였다.The present invention relates to an integrated laser output control method of a metal printer, and when the feed speed of the laser head is included in the reference speed range, the laser output is controlled according to the melt pool data measured by a melting pool measuring device. molten pool sensing control method (± followed, on the other hand, if the feed speed of the laser head is out of the reference speed range, the speed sensing control method to control the laser output according to a preset control profile (², when driving the laser) By following the rising time control method (°) of controlling the laser output according to a preset driving profile for a predetermined time from the start of the driving, the optimal lamination quality is always satisfied during the 3D printing process.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and it is common in the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications may be made by those having the knowledge of, of course, and these modified embodiments should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
S100 : 구동시작 확인단계
S200 : 구동제어단계
S300 : 속도획득단계
S400 : 레이저출력 제어단계
Pmax : 레이저 출력의 최대치
Pmin : 레이저 출력의 최소치
Vmax : 기준속도범위의 최대 속도
Vmin : 기준속도범위의 최소 속도
Ton : 레이저 ON 시간
Toff : 레이저 OFF 시간
S100: Operation start confirmation step
S200: drive control step
S300: speed acquisition step
S400: laser output control step
P max : maximum value of laser power
P min : Minimum value of laser power
V max : Maximum speed in the reference speed range
V min : Minimum speed in the reference speed range
T on : Laser ON time
T off : Laser OFF time
Claims (6)
레이저헤드의 이송속도 데이터를 획득하는 속도획득단계(S300);
획득된 상기 레이저헤드의 이송속도 데이터에 따라 레이저출력을 제어하는 레이저출력 제어단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법
A method for controlling laser output of a metal printer, the method comprising:
A speed acquisition step of acquiring the feed speed data of the laser head (S300);
A laser output control step (S400) of controlling the laser output according to the obtained feed speed data of the laser head;
상기 속도획득단계(S300)는 금속프린터의 제어부에서 공구이동정보인 NC 코드로부터 산출된 실제공구이송속도를 획득하고, 레이저 출력식에 의하여 정의된 제어프로파일에 따라 실제공구이송속도에 매칭되는 레이저출력값을 계산하는 것을 특징으로 하는, 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법
According to claim 1,
In the speed acquisition step (S300), the controller of the metal printer acquires the actual tool feed speed calculated from the NC code, which is the tool movement information, and a laser output value that matches the actual tool feed speed according to the control profile defined by the laser output formula. An integrated laser output control method of a metal printer, characterized in that for calculating
상기 레이저출력 제어단계(S400)는,
상기 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는지 여부를 판단하되,
상기 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위에 포함되는 경우, 용융풀(melting pool) 측정장치로 측정된 용융풀 데이터에 따라 레이저의 출력을 제어하는 용융풀 센싱 제어방식을 따르고,
상기 레이저헤드의 이송속도가 기준속도범위 보다 작은 경우 상기 제어프로파일에 따라 레이저의 출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 따르는 것을 특징으로 하는, 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법
3. The method of claim 2,
The laser output control step (S400),
It is determined whether the transfer speed of the laser head is included in the reference speed range,
When the feed speed of the laser head is included in the reference speed range, the melting pool sensing control method of controlling the output of the laser according to the melting pool data measured by the melting pool measuring device is followed,
Integrated laser output control method of a metal printer, characterized in that the speed sensing control method of controlling the output of the laser according to the control profile when the feed speed of the laser head is smaller than the reference speed range
상기 용융풀 데이터는 용용풀의 너비, 높이, 온도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법
4. The method of claim 3,
The molten pool data is characterized in that any one or more of the width, height, and temperature of the molten pool, an integrated laser output control method of a metal printer
상기 속도획득단계(S300)에 선행하여 실행되되, 레이저의 구동 시작여부를 확인하는 구동시작 확인단계(S100);
상기 구동시작 확인단계(S100)를 통해 레이저의 구동이 시작된 것으로 확인되는 경우, 구동시작 시점으로부터 소정 시간 동안 기설정된 구동프로파일을 따라 레이저출력을 제어하는 구동제어단계(S200);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속프린터의 통합적 레이저출력 제어방법
According to claim 1,
The speed acquisition step (S300) is executed prior to the driving start check step (S100) of confirming whether the driving of the laser is started;
When it is confirmed that the driving of the laser is started through the driving start confirmation step (S100), a driving control step (S200) of controlling the laser output according to a preset driving profile for a predetermined time from the starting time of driving; Characterized, integrated laser output control method of metal printer
상기 레이저출력 제어단계(S400)는,
상기 제어프로파일에 따라 레이저의 출력을 제어하는 속도 센싱 제어방식을 따르는 것을 특징으로 하는 이송속도 센싱 제어방법
3. The method of claim 2,
The laser output control step (S400),
Feed speed sensing control method, characterized in that it follows the speed sensing control method of controlling the output of the laser according to the control profile
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|---|---|---|---|---|
| KR101873779B1 (en) | 2017-12-20 | 2018-07-03 | 주식회사 맥스로텍 | Hybrid Metal 3D Printer |
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2019
- 2019-12-16 KR KR1020190168092A patent/KR20210076664A/en active IP Right Grant
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