KR20220001890A - 멜트풀 모니터링방법 및 모니터링장치 - Google Patents

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Abstract

저비용, 고속으로 정밀한 공정모니터링이 가능한 멜트풀 모니터링방법 및 모니터링장치가 제안된다. 본 발명에 따른 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링장치는 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서; 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서; 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서;를 포함한다.

Description

멜트풀 모니터링방법 및 모니터링장치{MONITORING METHOD AND APPARATUS FOR MELT POOL}
본 발명은 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링장치에 관한 것으로, 상세하게는 저비용, 고속으로 정밀한 공정모니터링이 가능한 멜트풀 모니터링방법 및 모니터링장치에 관한 것이다.
산업, 생활 또는 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있는 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다. 3D 프린터는 광경화 수지 또는 금속을 이용하여 3D출력물을 형성할 수 있는데, 이 중, 금속 3D 프린터는 크게 분말적층 용융(Power Bed Fusion, PBF) 공법과 고에너지직접조사(Direct Energy Deposition, DED) 공법으로 나뉜다.
PBF에서는 금속의 형태가 파우더 형상이 주로 사용되고 DED 방식은 금속의 형태가 파우더이거나 와이어형태가 사용된다. 금속 3D 프린터는 공통적으로 금속 파우더나 와이어를 레이저를 녹이면서 적층하는 방식이므로, 레이저에 의해 녹는 금속 멜트풀(melt pool)에 대한 모니터링은 3D 프린팅의 출력물 품질에 매우 중요한 영향을 미친다.
종래에는 멜트풀을 모니터링하기 위해서 주로 고속열화상 카메라나 포토다이오드 센서를 사용해서 모니터링 하였다. 열화상 카메라의 경우 멜트풀 형상 및 온도 변화를 모니터링 할수 있으나 측정 속도가 빠르지 않아 고속으로 스캔하여 적층하는 PBF방식에서는 실시간으로 모니터링하기에 어렵고 가격이 매우 고가인 단점을 가진다. 포토다이오드 센서는 멜트풀에서 발생하는 광량을 모니터링하지만 광량만으로 멜트풀에 대한 정확한 모니터링을 하는데 한계를 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 저비용, 고속으로 정밀한 공정모니터링이 가능한 멜트풀 모니터링방법 및 모니터링장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링장치는 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서; 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서; 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서;를 포함한다.
광량센서는 포토다이오드를 포함할 수 있다.
파장센서는 파장대역필터 및 포토다이오드를 포함할 수 있다.
음향센서는 마이크로폰을 포함할 수 있다.
광량센서는, 가시광선 포토다이오드를 포함하고, 파장센서는, 근적외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함할 수 있다.
광량센서는, 가시광선 포토다이오드이고, 파장센서는, 제1파장센서 및 제2파장센서를 포함하고, 제1파장센서는 자외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함하고, 제2파장센서는 적외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함할 수 있다.
광량센서는, 가시광선 포토다이오드이고, 파장센서는, 자외선 포토다이오드 및 적외선 포토다이오드 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
광량센서는, 가시광선 포토다이오드이고, 파장센서는, 제1파장센서 및 제2파장센서를 포함하고, 제1파장센서는 자외선 포토다이오드를 포함하고, 제2파장센서는 적외선 포토다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 멜트풀 모니터링장치는 광량센서, 파장센서 및 음향센서로부터 수신한 신호를 처리하는 AI칩을 포함하는 신호처리부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서, 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서를 포함하는 감지부; 및 감지부에서 획득한 감지데이터를 디스플레이 하는 디스플레이부;를 포함하는 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 광량센서, 파장센서 및 음향센서를 포함하여, 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량데이터, 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장데이터 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량데이터를 획득하는 단계; 및 획득한 감지데이터를 디스플레이 하는 단계;를 포함하는 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 금속분말에 광을 조사하고 용융시켜 3D출력물을 제조하는 3D프린팅유닛; 및 금속분말이 용융되는 멜트풀로부터 발생되는 광 및 음향을 분석하여 프린팅 공정조건을 모니터링 하는 모니터링 유닛;을 포함하는 공정모니터링이 가능한 금속 3D프린터 시스템이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 종래 열화상 카메라를 이용한 공정모니터링 방법에 비해 고속으로 3D프린팅을 모니터링할 수 있고, 실시간 모니터링이 가능하여 공정조건의 변화를 통한 고품질 3D출력물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 공정 모니터링을 다양하게 수행하여 최적의 공정조건을 산출해낼 수 있어 3D 프린팅 공정의 초기조건 설정의 오류를 제거하여 공정의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 멜트풀에 대한 모니터링을 수행하기 위해 광량 모니터링 뿐만아니라 파장 모니터링 및 음향 모니터링을 동시에 수행할 수 있는 복합센서를 사용하여 저가격으로 정밀하게 멜트풀을 모니터링을 수행할 수 있으며, 금속을 용융시키며 사용되는 모든 기기 또는 장치에 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치로 멜트풀을 모니터링하는 3D프린터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공정모니터링이 가능한 금속 3D프린터 시스템을 도시한 블럭도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치로 멜트풀을 모니터링하는 3D프린터의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치를 도시한 블럭도이다. 본 발명에서 멜트풀 모니터링장치(100)는 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀을 모니터링하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 3D프린팅유닛(200)의 프린트헤드로부터 레이저광(210)이 조사되고, 금속분말(220)이 공급되면서 레이저광(210)에 의해 용융되어 멜트풀(230)에 생성된다. 본 실시예에서 3D프린팅유닛(200)은 DED방식의 3D프린터로서, DED헤드 중앙에서 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 프린터 헤드가 이동하면서 실시간으로 적층하여 3D성형체를 형성한다. 본 발명에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 이러한 방식으로 3D출력물을 성형할 때 멜트풀(230)을 모니터링하여 공정조건을 모니터링할 수 있다.
금속 3D 프린터는 3D출력물의 품질 특성 및 반복 균일성이 우수하여야 한다. 이러한 특성을 맞추기 위해서는 공정에 대한 모니터링을 통해 실시간으로 피드백 제어하여야 한다. 실시간 피드백을 위해서는 먼저 센서가 고속으로 측정을 해야 하고 모니터링하는 센서의 정확성이 높아야 한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 멜트풀(230)로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서(110); 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서; 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서;를 포함한다.
광량센서(110)는 멜트풀(230)로부터 발생하는 광의 광량변화를 감지한다. 레이저광(210)이 집중되는 영역에 금속분말(220)이 주입되면, 금속분말(220)이 용융되면서 광이 발생한다. 발생된 광이 광량센서(110)로 유입되면, 광량센서(110)는 발생된 광의 광량에 대한 데이터를 획득할 수 있다. 광량센서(110)는 포토다이오드를 포함할 수 있다.
파장센서(120)는 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장변화를 감지한다. 파장센서(120)는 파장대역필터 및 포토다이오드를 포함할 수 있다.
음향센서(130)는 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량변화를 감지한다. 3D프린팅유닛(200)에 금속분말(220) 주입 소리가 변하면, 음량변화를 감지하여 주입량의 균일에 발생한 문제를 검출할 수 있다. 또는, 레이저광(210) 조사시 금속분말(220)에서 발생하는 소음의 변화량을 감지하여 주입량 변화 또는 레이저 조사량이 불균일한 경우를 검출할 수 있다. 음향센서(130)에서 감지하는 음량변화는 DED 방식의 경우는 멜트풀로 주입되는 금속분말소리가 주요한 원인으로 보여지며 PBF방식에서는 레이저를 금속분말에 조사하거나 금속분말이 튀거나 불꽃발생에 의한 원인으로 보여진다.
음향센서(130)는 마이크로폰을 포함할 수 있다.
파장센서(120)는 광을 파장별로 필터링하기 위한 파장대역필터 및 광을 수광하는 포토다이오드를 포함할 수 있고, 또는 소정대역의 파장을 갖는 광만 수광하는 포토다이오드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 멜트풀 모니터링장치(100)는 광량센서(110)가 가시광선 포토다이오드를 포함하고, 파장센서(120)는, 근적외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함할 수 있다.
또는, 본 발명에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 2이상의 파장센서(120)를 포함할 수 있다. 도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치를 도시한 블럭도이다. 본 실시예의 멜트풀 모니터링장치(100)에서 광량센서(110)는 가시광선 포토다이오드이고, 파장센서(120)는, 제1파장센서 및 제2파장센서를 포함하고, 제1파장센서(121)는 자외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함하고, 제2파장센서(122)는 적외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함할 수 있다.
또는, 본 발명에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 광량센서가 가시광선 포토다이오드이고, 파장센서(120)는 파장대역필터를 포함하지 않고, 자외선 포토다이오드 및 적외선 포토다이오드 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 파장대역필터를 사용하면 원하는 파장대역만을 협소한 대역으로 정확하게 모니터링할 수 있으나, 파장대역필터가 고가이므로 적외선 포토다이오드 또는 자외선 포토다이오드를 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치를 도시한 블럭도이다. 본 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 광량센서(110), 파장센서(120) 및 음향센서(130)로부터 수신한 신호를 처리하는 AI칩을 포함하는 신호처리부(140);를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 별도의 신호처리장치를 이용하지 않고, 광량센서(110), 파장센서(120) 및 음향센서(130)로부터 획득한 방대한 양의 데이터를 신호처리부(140)에서 처리할 수 있다. 예를 들어, 광량센서 신호와 파장센서 그리고 음향센서 신호에 대해 머신러닝 기법을 도입하여 데이터를 처리할 수 있다. 신호처리부(140)는 AI칩을 포함하므로, 멜트풀 모니터링장치(100) 내에서 머신러닝 기법을 도입하여 데이터 처리를 수행하면 각각의 신호 데이터를 다른 처리없이 바로 사용할 수 있고, 더욱 정확한 공정오류 검출이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 멜트풀 모니터링장치(100)는 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서, 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서를 포함하는 감지부; 및 감지부에서 획득한 감지데이터를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하여, 처리된 데이터를 바로 디스플레이 할 수 있어 신속한 공정 피드백이 가능하다.
멜트풀 모니터링장치(100)에서 획득한 감지데이터를 기반으로 공정이상진단결과가 발생하면, 공정을 중단하거나 공정조건을 변경시키는 피드백단계;를 더 포함할 수 있다. 공정 중에는 멜트풀(230)에서 발생한 광의 파장과 세기, 그리고 음향을 모니터링하여 이상이 발생하면 공정을 중지하여 제조비용을 줄일 수 있거나, 피드백 제어를 통한 공정의 안정성을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공정모니터링이 가능한 금속 3D프린터 시스템을 도시한 블럭도이다. 본 실시예에 따른 금속 3D 프린터 시스템(1000)은 금속분말에 광을 조사하고 용융시켜 3D출력물을 제조하는 3D프린팅유닛(200); 및 금속분말이 용융되는 멜트풀로부터 발생되는 광 및 음향을 분석하여 프린팅 공정조건을 모니터링 하는 모니터링 유닛(100);을 포함한다.
본 발명에서의 모니터링 방법은 DED방식의 3D프린터 이외에도 PDF방식, 아크용접방식 등 금속을 용융시켜 적층하는 방식 중 빛이 발생하는 방식에는 모두 적용할 수 있다. 또한 3D 프린터 이외에도 금속을 용융시키는 기기나 장치의 멜트풀 모니터링에도 적용할수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 멜트풀 모니터링 장치
110: 광량센서
120: 파장센서
121: 제1파장센서
122: 제2파장센서
130: 음향센서
140: 신호처리부
200: 3D프린팅유닛
210: 레이저광
220: 금속분말
230: 멜트풀
1000: 금속 3D 프린터 시스템

Claims (12)

  1. 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서;
    멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서; 및
    멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서;를 포함하는 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    광량센서는 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    파장센서는 파장대역필터 및 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    음향센서는 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    광량센서는, 가시광선 포토다이오드를 포함하고,
    파장센서는, 근적외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    광량센서는, 가시광선 포토다이오드를 포함하고,
    파장센서는, 제1파장센서 및 제2파장센서를 포함하고,
    제1파장센서는 자외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함하고,
    제2파장센서는 적외선 파장필터 및 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    광량센서는, 가시광선 포토다이오드를 포함하고,
    파장센서는, 자외선 포토다이오드 및 적외선 포토다이오드 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    광량센서는, 가시광선 포토다이오드를 포함하고,
    파장센서는, 제1파장센서 및 제2파장센서를 포함하고,
    제1파장센서는 자외선 포토다이오드를 포함하고,
    제2파장센서는 적외선 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    광량센서, 파장센서 및 음향센서로부터 수신한 신호를 처리하는 AI칩을 포함하는 신호처리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트풀 모니터링장치.
  10. 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량을 감지하는 광량센서, 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장을 감지하는 파장센서 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량을 감지하는 음향센서를 포함하는 감지부; 및
    감지부에서 획득한 감지데이터를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하는 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링장치.
  11. 광량센서, 파장센서 및 음향센서를 포함하여, 멜트풀로부터 발생하는 광의 광량데이터, 멜트풀로부터 발생하는 광의 파장데이터 및 멜트풀로부터 발생하는 소음의 음량데이터를 획득하는 단계; 및
    획득한 감지데이터를 디스플레이하는 단계;를 포함하는 금속을 용융시키는 장치의 멜트풀 모니터링방법.
  12. 금속분말에 광을 조사하고 용융시켜 3D출력물을 제조하는 3D프린팅유닛; 및
    금속분말이 용융되는 멜트풀로부터 발생되는 광 및 음향을 분석하여 프린팅 공정조건을 모니터링 하는 모니터링 유닛;을 포함하는 공정모니터링이 가능한 금속 3D프린터 시스템.
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