KR20220020914A - 레이저 스캐닝 헤드 및 측방향 분말 분사에 의해 지향된 레이저 빔에 의해 작업편의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저 스캐닝 헤드 및 측방향 분말 분사에 의해 지향된 레이저 빔에 의해 작업편의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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요나단 프레샤르
프레데리크 마시
티에리 엥겔
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빔
이레파 레이저
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Abstract

체적을 시공하기 위해 레이저 빔에 의해 작업편의 결정된 표면 상에 분말을 용융하여 재료를 추가하는 시스템이 개시되며, 시스템은 - 레이저 빔 방출 디바이스, - 적어도 2개의 검류계 미러를 구비하고 결정된 표면 상에 반사된 입사 레이저 빔을 집속하기 위한 렌즈를 구비한 레이저 스캐닝 헤드로서, 레이저 스캐닝 헤드를 포함하는 시스템은 체적이 시공되는 동안 작업편에 대해 고정 유지되는, 레이저 스캐닝 헤드, - 결정된 표면 상에 분말을 분포시키기 위해 집속된 반사된 입사 레이저 빔에 대해 측방향으로 위치된 분말 분사 디바이스를 포함하고, - 분말은 결정된 표면 상에 분포된 분말 상에 방출된 집속된 반사된 입사 레이저 빔에 의해 용융된다.

Description

레이저 스캐닝 헤드 및 측방향 분말 분사에 의해 지향된 레이저 빔에 의해 작업편의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 시스템 및 방법
본 발명은 리서피싱(resurfacing), 시공(construction) 및 보수(repair)의 분야에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 레이저 빔에 의해 부품의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근, 리서피싱, 시공 및 보수가 산업 생산 기술로서 고려된다. 이와 같이, 수요가 많은 분야인 항공 또는 의료 분야와 같은 다수의 산업 부문에서는 적층 시공 또는 제조가 사용된다. 따라서, 최종 고객을 위해 고품질의 부품을 생산해야 할 필요가 있다.
종래 기술에서, 집중 에너지 하에서 재료의 퇴적 방법은 용융 상태의 금속 분말을 고체 기판에 퇴적하는 원리에 기초한다.
실제로, 초기 원리는 전형적으로 45 내지 90 ㎛ 정도의 정의된 입자 크기를 가진 고체 형태의 금속 분말을 레이저 빔 또는 전자 빔과 같은 파워 빔으로 송출하는 도구를 사용하는 것으로 구성된다. 분말이 레이저 빔을 통과함에 따라, 이는 가열되고 용융되며 야금학적으로 기판에 결합되어 퇴적물을 형성한다. 도구가 이동함에 따라, 기판 상에 금속 비드를 생성하는 것이 가능하다. 층은 이어서 중첩되어 체적부를 생성한다. 금속 분말은 LMD(Laser Metal Deposition: 레이저 금속 증착) 기술을 사용하는 모든 시공의 기초이다.
매우 미세한 입자 크기를 갖는 분말은 운반 가스(캐리어 가스라 지칭됨)와 금속 분말 입자로 구성된 제트 형태로 송출된다. 이 제트는 분말이 레이저 빔으로 운반될 수 있게 한다. 가스 유량은 리터/분 단위로 표현되고 분말 유량은 그램/분 단위로 표현된다.
분말 스트림은 분말 분배기로부터 나오고, 이것이 분사되는 레이저 빔에 가능한 한 가깝게 튜브를 통해 퇴적 도구로 이동한다. 분말 제트가 그를 통해 빠져나가는 기계적 요소는 노즐이라 지칭된다. 금속 분말은 노즐로부터 수 밀리미터 이격하여, 기판 상에 퇴적된다. 노즐의 역할은 분말 제트가 최적의 방식으로 레이저 빔에 도달하도록 제어된 방식으로, 캐리어 가스를 포함하여, 분말 제트를 안내하는 것이다. 노즐은 동심 원추를 포함하여, 여러 기계 부품으로 구성되고, 그 목적은 분말을 안내하는 것이다. 분말 제트 안내는 외부 원추와 중간 원추의 2개의 원추에 좌우된다. 따라서, 노즐은 분말 제트를 안내하도록 구성되고, 분말을 가열하도록 구성된 레이저 빔을 그 중심에 포함한다.
따라서, 분말은 환형 원추형 제트에 의해 레이저 빔 내로 지향된다. 분말 제트는 이 원추형 제트의 중심에 있는 레이저 빔 내로 이와 같이 "집속"된다. 따라서, 분말 제트 및 레이저 빔은 평행한 방향으로 공급된다.
그러나, 노즐의 존재는 리서피싱, 보수 또는 제조 방법을 수행할 때 비교적 좁은 구역에 접근하기 위한 전체 크기 문제를 생성한다.
게다가, 종래 기술에 따른 시스템에서, 몇몇 재료는 레이저 빔의 열의 영향 하에서 균열한다. 이는 분당 5 미터 미만인 저속-작용 레이저 빔에 의한 에너지 공급이 이들 재료를 균열하게 하기 때문이다.
종래 기술에서, 몇몇 DED(Directed Energy Deposition: 직접 에너지 증착) 시스템은 빔을 인공적으로 확대하기 위해 스캐닝 레이저 헤드를 사용한다. 실제로, 퇴적물의 크기를 증가시키기 위해, 빔은 매우 빠르게 이동하고 퇴적 궤적은 스캐닝 헤드를 이동시킴으로써 구성된다. 균열 및 전체 크기와 관련된 어려움은 Pekkarinen 문서[1]에 개시되어 있는 이러한 유형의 시스템에 의해 해결되지 않는다.
따라서, 전술된 단점을 극복하는 시스템 및 방법을 제공할 필요가 있다.
제1 양태에 따르면, 본 발명의 목적은 체적을 시공하기 위해 레이저 빔에 의해 부품의 결정된 표면 상에 분말을 용융함으로써 재료를 추가하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은:
- 입사 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저 빔 방출 디바이스,
- 결정된 패턴에 따라 적어도 리서피싱, 보수 또는 시공될 표면의 평면에서 입사 레이저 빔을 반사 및 이동시키기 위한 적어도 2개의 검류계 미러를 구비하고, 결정된 표면에 반사된 입사 레이저 빔을 집속하기 위한 렌즈를 구비하는 레이저 스캐닝 헤드로서, 레이저 스캐닝 헤드를 포함하는 시스템은 상기 체적을 시공할 때 부품에 대해 고정 상태로 유지되는, 레이저 스캐닝 헤드,
- 결정된 표면 상에 분말을 분배하기 위해 집속된 반사된 입사 레이저 빔에 대해 측방향으로 위치된 분말 분사 디바이스로서, 분말은 상기 체적의 시공 중에 연속적으로 분배되고, 분말의 용융은 결정된 표면 상에 분배된 분말 상에 방출된 집속된 반사된 입사 레이저 빔에 의해 수행되는, 분말 분사 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 시스템을 이동시키기 위한 적어도 하나의 다관절 지지부 및/또는 결정된 표면에 접근하기 위해 부품에 대해 시스템을 위치설정하기 위한 부품을 포함한다.
바람직하게는, 분말 분사 디바이스는 결정된 표면 상에 분말을 분배하기 위한 튜브를 포함한다.
바람직하게는, 분말 분사 디바이스는 부품의 결정된 표면에 평행한 평면에서 튜브를 측방향으로 조정하기 위한 제1 조정 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 분말 분사 디바이스는 분말이 결정된 표면 상으로 분배되는 각도를 조정하기 위한 제2 조정 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 분말 분사 디바이스는 결정된 표면에 대한 튜브의 높이를 조정하기 위한 제3 조정 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 분말 분사 디바이스는 부품의 표면에 대한 분말 분사 디바이스의 높이를 조정하기 위한 제4 조정 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 결정된 표면을 조명하기 위한 조명 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 패턴을 위치지정하고 시스템을 위치설정하기 위한 카메라를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 프로브, 3차원 스캐너 또는 카메라와 같이, 추가될 재료의 체적을 분석하기 위한 디바이스를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 추가될 재료의 체적에 적응된 궤적을 생성하기 위한 적응성 프로그래밍 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 재료 추가 전의 예열(pre-heating) 단계 중에 및 재료 추가 후의 후열(post-heating) 단계 중에 부품의 온도를 획득하기 위한 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 주어진 온도에서 재료의 추가를 자동으로 개시하기 위한 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 재료의 완전한 추가 사이클을 자동으로 관리하기 위한 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 재료의 추가를 모니터링하기 위한 정보 분석 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 시공된 체적의 기하학 형상을 분석하기 위한 유닛 및 이를 3차원 모델과 비교하기 위한 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 분말의 도달을 자동으로 관리하기 위한 유닛을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 온도의 함수로서 레이저 빔의 방출 전력을 피드백 제어하기 위한 유닛을 포함한다.
제2 양태에 따르면, 본 발명의 목적은 레이저 스캐닝 헤드, 레이저 빔 방출 디바이스 및 분말 분사 디바이스에 의해 부품의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 방법에 관한 것으로서, 레이저 스캐닝 헤드는 입사 레이저 빔을 반사 및 집속하고 결정된 패턴에서 결정된 표면 위에 집속된 반사된 입사 레이저 빔을 이동시키기 위한 2개의 검류계 미러를 구비하고, 검류계 미러 및 레이저 스캐닝 헤드를 회전시킬 때, 레이저 빔 방출 디바이스, 및 분말 분사 디바이스는 부품에 대해 고정되고, 상기 방법은 이하의 단계:
- 부품 상의 리서피싱, 시공 또는 보수될 표면을 식별하는 단계,
- 레이저 스캐닝 헤드, 레이저 빔 방출 디바이스, 및 분말 분사 디바이스 및/또는 부품을 상대적으로 위치설정하는 단계,
- 식별된 결정된 표면 상으로 분말을 유동하기 위해 분말 분사 디바이스를 활성화하는 단계,
- 미리 정의된 패턴에 따라 식별된 결정된 표면 상에 집속된 반사된 입사 레이저 빔을 방출하는 단계,
- 집속된 반사된 입사 레이저 빔을 방출하는 동시에, 식별된 결정된 표면 상에 분말을 용융하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 방법은 집속된 반사된 입사 레이저 빔이 미리 정의된 패턴에 따라 식별된 결정된 표면 상에 방출되는 예열 단계를 포함하고, 예열 단계는 분말 분사 디바이스를 활성화하는 단계 전에 발생한다.
바람직하게는, 방법은 후열 단계를 포함하고, 후열 단계는 분말 분사 디바이스를 비활성화하는 단계 후에 발생한다.
본 발명의 의도, 목적 및 특성은 도면을 참조하여 이루어진 이하의 설명을 숙독할 때 더 명확해질 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 시스템의 측면도를 도시하고 있다.
- 도 2는 도 1에 따른 시스템의 상세 사시도를 도시하고 있다.
- 도 3은 본 발명에 따른 분말 분사 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
- 도 4는 본 발명에 따른 방법의 단계의 도면을 도시하고 있다.
- 도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔의 나선형 궤적을 갖는 보수의 평면도 사진을 도시하고 있다.
- 도 6은 본 발명에 따른, 정사각형 부품에 레이저 빔의 지그재그형 궤적을 갖는 보수의 평면도 사진을 도시하고 있다.
- 도 7은 본 발명에 따른 레이저 빔의 나선형 궤적을 갖는 보수의 다른 평면도 사진을 도시하고 있다.
- 도 8은 본 발명에 따른, 처리된 부품의 횡단면을 연마 및 에칭한 후의 보수의 사진을 도시하고 있다.
본 발명은 특히 레이저 빔의 방출에 대해 측방향으로 분사된 금속 분말을 용융함으로써, 기판 또는 부품 상에 층층이 요소를 시공하는 것으로 구성되는 적층 제조 방법, 즉, 리서피싱, 보수 또는 시공 방법에 관한 것이다. 시공될 요소 또는 체적은 n개의 층으로 구성된다. 각각의 층은 층에 따라 상이할 수도 있는 특정 방식으로 레이저 빔에 의해 스캔된다.
본 발명은 또한 부품을 보수하는 방법 및 부품을 리서피싱하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템(10)을 도시하고 있다. 시스템(10)은 집속 렌즈(11), 레이저 스캐닝 헤드(12), 섬유 레이저와 같은 레이저 방출 디바이스(도시되어 있지 않음), 레이저 빔(13), 분말 분사 디바이스(14) 및 집속 렌즈(11)를 보호하기 위한 크로스 제트 디바이스(15)를 포함한다. 분말 분사 디바이스(14)는 분말 공급 디바이스(도시되어 있지 않음)에 의해 금속 분말이 공급된다.
사용된 레이저 빔은 약 1 마이크로미터의 파장을 갖는 다중 모드 섬유 레이저 소스로부터 유도된다. 레이저 빔은 또한 다른 파장을 포함할 수 있다. 레이저 소스는 또한 단일 모드일 수 있다.
레이저 빔과 부품 사이의 상대 운동은 종래 기술의 기계의 다관절 축보다는 레이저 스캐닝 헤드(12)를 사용하여 시스템(10) 내에서 생성된다. 레이저 스캐닝 헤드(12)의 이러한 사용은 다관절 축의 사용에 의해 관련 기술분야에서 일반적으로 달성되는 것과는 상이하고 상당히 더 빠른 레이저 빔 궤적 및 스캐닝 속도의 사용을 허용한다. 측방향 얇은 튜브(16)의 사용은 분말이 부품의 기하학 형상과 관련하여 접근하기 어려운 부품의 표면에 가깝게 전달될 수 있게 허용한다. 얇은 튜브는 예를 들어 8 mm와 같이, 수 밀리미터 정도의 내경을 갖는다.
레이저 스캐닝 헤드(12)는 적어도 리서피싱, 보수 또는 시공될 표면의 평면에서 집속된 레이저 빔을 이동시키기 위한, 검류계 미러로서 알려진 적어도 2개의 미러를 포함한다. 각각의 미러는 검류계 모터라고 지칭되는 모터에 의해 그 축을 중심으로 회전 가능하게 구동된다. 검류계 모터는 대응 검류계 미러를 구동하는 회전자가 부착되는 영구 자석인 2개의 전기 코일을 포함한다. 전류가 전기 코일을 통해 순환할 때, 이들 전기 코일은 전자석으로서 작용하고 자기장을 생성한다. 영구 자석은 이어서 피봇하여 자기장과 정렬한다. 영구 자석이 회전자를 통해 미러에 연결되는 한, 영구 자석은 또한 피봇하는 미러를 이동 가능하게 구동한다. 제어 수단을 통해 검류계가 제어될 수 있게 허용한다. 스캐닝 헤드(12)의 출구는 집속 시스템을 갖는다. 따라서, 입사 레이저 빔(도시되어 있지 않음)으로부터의 방출로부터, 레이저 스캐닝 헤드는 도 1, 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 집속된 반사된 입사 레이저 빔(13)을 생성할 수 있다. 편의상, 집속된 반사된 입사 레이저 빔(13)은 이하의 설명에서 레이저 빔(13)이라 칭한다. 레이저 빔의 전력은 예를 들어, 1 킬로와트 미만이다. 레이저 빔(13)의 이동 속도는 예를 들어 200 마이크로미터 미만의 피치로 분당 50 미터 초과이다. 레이저 빔(13)의 직경은 예를 들어, 1 밀리미터이다.
레이저 스캐닝 헤드(12)에 의해 제공되는 레이저 빔(13)의 운동은 본 발명에 따른 방법에 의해 처리될 부품의 표면의 온도가 상승 및 유지될 수 있게 허용하는데, 이는 재료의 추가 전에 예열 또는 본 발명에 따른 재료의 추가 후에 가열하는 후열을 필요로 하는 재료의 처리를 허용한다.
레이저 스캐닝 헤드는 레이저 빔이 고속으로 정확하게 편향될 수 있게 허용한다.
따라서, 레이저 스캐닝 헤드에 의해, 레이저 빔(13)은 임의의 형상의 궤적 또는 패턴을 구성할 수 있고 따라서 가속, 관성 및 접근의 어려움의 문제를 회피한다. 따라서, 레이저 빔(13)은 특정 패턴에 따라 이동한다. 따라서, 레이저 빔(13)은 나선형, 정사각형, 원형 또는 "지그재그" 궤적을 구성할 수 있다.
시스템(10)은 레이저 빔이 방출될 때 레이저 빔(13)에 대해 측방향으로 배치된 분말 분사 디바이스(14)를 포함한다. 분말 분사 디바이스(14)는, 분말 재료가 일반적으로 접근하기 어려운 시공, 리서피싱 또는 보수될 일반적으로 작은 표면적에 걸쳐 분말 재료가 클라우드로서 분산 또는 분배될 수 있게 허용하는 얇은 튜브(16)를 포함한다. 분말의 질량 유량은 예를 들어 분당 20 그램 미만이다. 얇은 튜브(16)는 분말 공급 디바이스(도시되어 있지 않음)로부터 얇은 튜브(16)의 출구로 분말을 수송하기 위한 캐리어 가스를 포함한다. 캐리어 가스의 유량은 예를 들어, 분당 수 리터이다. 이 유량에 의해, 캐리어 가스가 충분하고 용융조와 분말을 산화로부터 보호하기 때문에 분말의 산화를 방지하기 위해 보호 가스가 요구되지 않는다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 분말 분사 디바이스(14)는 4개의 모터 구동식 조정 디바이스(18, 20, 22, 24)를 또한 포함한다. 제1 조정 디바이스(18)는 부품의 표면에 평행한 평면에서 얇은 튜브(16)의 측방향 조정을 허용한다. 제2 조정 디바이스(20)는 분말이 부품의 표면 상에 분산되는 각도를 조정될 수 있게 허용한다. 제3 조정 디바이스(22)는 얇은 튜브(16)의 높이가 부품의 표면에 대해 조정될 수 있게 허용한다. 제4 조정 디바이스(24)는 분말 분사 디바이스(14)의 높이가 부품의 표면에 대해 조정될 수 있게 허용한다.
분말 제트는 보수, 리서피싱 또는 시공될 표면과 관련하여 고정되고 전체 표면을 커버한다. 조정 디바이스(18, 20, 22, 24)는 부품의 표면에 대한 각도 및 직교 좌표 조정을 허용한다. 예를 들어, 부품의 표면의 법선에 대한 얇은 튜브(16)의 경사각은 25°이다. 부품으로부터 얇은 튜브(16)의 거리는 15 밀리미터이다. 따라서, 분말 분사 디바이스(14)는 접근하기 어려운 부품의 구역에 분말이 공급될 수 있게 허용한다. 분말 분사 디바이스(14)는 또한 비금속 분말로 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 레이저 스캐닝 헤드와, 시스템(10)이 처리될 표면에 대해 위치될 수 있게 허용하고 처리될 표면 상에 재료를 퇴적할 때 시스템(10)을 고정 유지될 수 있게 허용하기 위해 여러 축을 따라 관절 연결된 지지부인 다관절 지지부(도시되어 있지 않음) 상에 배치된 분말 분사 디바이스(14)를 포함한다.
따라서, 다관절 지지부는 시스템(10)을 처리될 부품 위의 결정된 위치로 이동시키는 것을 가능하게 한다. 표면 리서피싱, 보수 또는 시공 중에, 시스템(10)은 이어서 부품에 대해 고정된다.
대안적으로, 시스템(10)은 고정되도록 프레임에 부착될 수 있다. 다관절 지지부는 이어서 부품이 시스템(10)에 대해 결정된 위치로 이동될 수 있게 허용한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 또한 시공, 보수 또는 리서피싱될 표면을 위치지정하기 위한 그리고 시스템(10)을 위치설정하기 위한 카메라를 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 보수, 리서피싱될 결함 또는 시공, 보수 또는 리서피싱될 부품의 표면의 형상을 그로부터 추론하기 위해 부품을 측정할 수 있는 분석 디바이스(도시되어 있지 않음)를 포함한다. 분석 디바이스는 예를 들어, 프로브, 3차원 스캐너 또는 선형 카메라를 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 추가될 재료의 체적에 적응된 궤적 또는 패턴을 생성하기 위한 적응성 프로그래밍 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 재료의 추가 전의 예열 중에 및 재료의 추가 후의 후열 중에 시공, 보수 또는 리서피싱될 부품의 온도 획득 유닛(도시되어 있지 않음) 또는 온도 센서를 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 적절한 온도, 즉, 결정된 온도에서 시공을 자동으로 개시하기 위한 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 재료(도시되어 있지 않음)의 완전한 추가 사이클을 자동으로 관리하기 위한 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 재료의 추가를 모니터링하기 위한 정보 분석 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 시공된 체적의 기하학 형상을 분석하고 이를 3차원 모델(도시되어 있지 않음)과 비교하기 위한 유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 분말의 도달을 자동으로 관리하기 위한 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 온도의 함수로서 레이저 빔의 방출 전력을 피드백 제어하기 위한 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다.
사용시, 본 발명에 따른 시스템(10)은 도 4의 도면에 도시되어 있는 이하의 단계를 포함하는 방법에 따라 동작한다.
단계 100에서, 결정된 표면인 결함의 식별은 분석 디바이스(도시되어 있지 않음)에 의해 수행되고, 시스템(10)은 결정된 거리 및 배향으로 보수, 리서피싱 또는 시공될 표면에 대해 다관절 시스템을 통해 결함 위에 자체로 정렬된다.
이 정렬은 수동 또는 자동일 수 있다. 시스템(10)이 결함과 정렬될 때, 시스템(10)은 결함을 보수, 리서피싱하거나 체적을 시공할 준비가 된다.
단계 101에서, 사용자는 결정된 표면의 예열이 필요한지 여부, 즉 이하에 설명되는 리서피싱, 시공 또는 보수 단계(105) 전의 가열이 필요한지 여부를 결정한다.
예열이 필요하면, 방법은 레이저 스캐닝 헤드(12)가 부품의 결정된 표면 상에 미리 정의된 패턴을 추적하는 레이저 빔(13)의 방출을 포함하는 단계 102로 계속된다. 제조 패턴과는 상이할 수도 있는 이 패턴은 리서피싱, 보수 또는 시공될 구역 상의 온도를 균질하게 상승시키고 예열된 재료 상에 퇴적을 허용하여 따라서 균열을 회피하는 것을 가능하게 한다.
단계 103에서, 온도 센서는 리서피싱, 보수 또는 시공될 표면의 온도가 모니터링될 수 있게 허용한다. 결정된 온도 설정점에 도달하자마자, 방법은 단계 104로 진행한다.
단계 104에서, 분말 분사 디바이스는 분말이 얇은 튜브(16)를 통해 유동할 수 있게 허용하도록 활성화된다.
이어서, 단계 105에서, 레이저 방출 디바이스가 활성화된다. 레이저 빔이 이어서 미리 정의된 패턴을 스캔한다. 이 패턴은 여러 층으로 구성된 패턴일 수도 있고, 각각의 층은 잠재적으로 그 고유의 패턴을 갖는다. 분말은 고도로 국소화된 방식으로 레이저 빔(13)에 의해 용융되고 패턴 및 층의 순서는 퇴적될 형상을 구성하는 것을 가능하게 한다.
단계 106에서, 사용자는 결정된 표면의 후열이 필요한지 여부를 결정한다. 후열은 그 동안에 분말 분사 디바이스(14)가 비활성화되고 레이저 빔(13)이 미리 정의된 패턴으로 식별된 결정된 표면 상으로 방출되는, 단계 105 후의 단계이다.
후열이 필요하면, 방법은 단계 107로 계속된다. 단계 107에서, 분말 분사 디바이스(14)는 분말이 유동을 정지하도록 비활성화되고, 레이저 빔(13)은 부품 상의 미리 정의된 패턴을 스캔한다.
단계 108에서, 온도 센서는 부품의 냉각 프로파일을 따르기 위해 레이저 빔(13)의 파라미터를 조정함으로써 가열을 계속할 필요가 있는지 여부 또는 후열을 정지할 필요가 있는지 여부를 결정하기 위해 후열의 온도를 모니터링하는 데 사용된다.
이어서, 선택적 단계 109에서, 결정된 패턴을 갖는 기하학 형상의 순응성을 유효화하기 위해 결정된 표면 상에 퇴적된 형상의 기하학 형상을 사용자가 시각적으로 확인하거나 시스템(10)이 프로브, 3차원 스캐너, 선형 카메라를 사용하여 자동으로 확인한다.
바람직한 실시예에 따르면, 리서피싱, 시공 또는 보수의 속도는 분당 13 미터이고, 캐리어 가스의 유량은 분당 3 리터이고, 얇은 튜브의 경사각은 부품의 표면의 법선에 대해 25도이다.
도 5는 레이저 빔의 나선형 궤적을 갖는 보수의 평면도 사진을 도시하고 있다.
도 6은 정사각형 부품 상에 레이저 빔의 지그재그 궤적을 가진 보수의 평면도 사진을 도시하고 있다.
도 7은 나선형 레이저 빔 궤적을 갖는 보수의 평면도 사진을 도시하고 있다.
도 8은 처리된 부품의 횡단면을 연마 및 에칭한 후의 보수의 사진을 도시하고 있다.
본 발명에 따른 시스템은 처리될 부품에 대해 시스템(10)을 고정된 상태로 유지하면서, 고정된 분말 베드 없이 LMD(레이저 금속 증착) 방법을 위한 레이저 스캐닝 헤드(12)의 사용을 허용한다. 본 발명 내에서, 분말 제트는 동적인데, 즉, 보수, 리서피싱 또는 시공의 기간 동안 존재한다. 상기 체적의 시공을 위해 요구된 패턴은 단지 검류계 미러의 운동에 의해 달성된다.
본 발명에 의해, 이동의 동역학, 즉, 부품의 평면에서 레이저 빔의 속도 및 가속도는 종래 기술의 보수, 리서피싱 및 시공 시스템에서보다 더 높다. 따라서, 레이저 빔의 고속 운동은 처리된 표면의 더 균질한 열 분포를 허용한다.
본 발명에 의해, 국소화된 시공의 열 관리를 달성하는 것이 가능하다. 실제로, 분말 공급 및 열 에너지 공급이 본 발명 내에서 분리되는 한, 전술된 레이저 빔의 궤적에 의해 시공, 보수 또는 리서피싱될 표면을 예열하고 전술된 바와 같이 대로 시공, 보수 또는 리서피싱된 표면을 후열하는 것이 가능하다.
따라서, 이러한 열 관리는 결정된 표면을 시공, 보수 또는 리서피싱하기 전 및 후에 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 결말에서, 희석율은 매우 낮고 종래 기술의 레이저 리서피싱 용액의 희석율과 동등하다.
본 발명에 따른 시스템은 수 센티미터 정도의 작은 크기의 부품을 보수, 리서피싱 또는 시공하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 시스템은 또한 종래 기술에 따른 퇴적 노즐의 전체 크기로 인해 현재 접근 불가능한 상기 부품의 구역에서 부품의 표면을 보수, 리서피싱 또는 시공하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 시스템은 또한 관련 기술분야에 따라 균열될 가능성을 갖는 재료에 보수, 리서피싱 또는 시공 작업을 수행하는 것을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 시스템에 의해, 이들 재료는 본 발명에 따른 방법 후에 균열되지 않는다. 실제로, 본 발명에 따른 열 관리는 균열을 회피하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 시스템은 레이저 빔의 이동 동역학에 의해 레이저 빔의 크기로부터 부품 상의 재료 퇴적물의 크기를 분리하는 것을 가능하게 한다.
더욱이, 본 발명에 따른 시스템은 기존의 적층 제조 기계에 용이하게 적응될 수 있다.
전술된 실시예는 단지 예로서 주어진다.
참고 문헌
[1] Pekkarinen J. "Scanning optics enabled possibilities and challenges in laser cladding" Physics Procedia 78, (2015), pages 285-295.

Claims (21)

  1. 체적을 시공하기 위해 레이저 빔(13)에 의해 부품의 결정된 표면에 분말 용융에 의해 재료를 추가하기 위한 시스템(10)이며, 상기 시스템(10)은:
    - 입사 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저 빔 방출 디바이스,
    - 결정된 패턴에 따라 적어도 리서피싱, 보수 또는 시공될 표면의 평면에서 입사 레이저 빔을 반사 및 이동시키기 위한 적어도 2개의 검류계 미러를 구비하고, 결정된 표면에 반사된 입사 레이저 빔을 집속하기 위한 렌즈를 구비하는 레이저 스캐닝 헤드(12)로서, 레이저 스캐닝 헤드(12)를 포함하는 시스템(10)은 상기 체적을 시공할 때 부품에 대해 고정 상태로 유지되는, 레이저 스캐닝 헤드(12),
    - 결정된 표면 상에 분말을 분배하기 위해 집속된 반사된 입사 레이저 빔(13)에 대해 측방향으로 배치된 분말 분사 디바이스(14)로서, 분말은 상기 체적을 시공할 때 연속적으로 분배되고, 분말의 용융은 결정된 표면 상에 분배된 분말에 방출된 집속된 입사 반사 레이저 빔(13)에 의해 수행되는, 분말 분사 디바이스(14)를 포함하는, 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서, 시스템(10)을 이동시키기 위한 적어도 하나의 다관절 지지부 및/또는 결정된 표면에 접근하기 위해 부품에 대해 시스템(10)을 위치설정하기 위한 부품을 포함하는, 시스템(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분말 분사 디바이스(14)는 결정된 표면 상에 분말을 분배하기 위한 튜브(16)를 포함하는, 시스템(10).
  4. 제3항에 있어서, 분말 분사 디바이스(14)는 부품의 결정된 표면에 평행한 평면에서 튜브(16)를 측방향으로 조정하기 위한 제1 조정 디바이스(18)를 포함하는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 분사 디바이스(14)는 분말이 결정된 표면 상으로 분배되는 각도를 조정하기 위한 제2 조정 디바이스(20)를 포함하는, 시스템(10).
  6. 제3항에 있어서, 분말 분사 디바이스(14)는 결정된 표면에 대한 튜브(16)의 높이를 조정하기 위한 제3 조정 디바이스(22)를 포함하는, 시스템(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 분사 디바이스(14)는 부품의 표면에 대한 분말 분사 디바이스(14)의 높이를 조정하기 위한 제4 조정 디바이스(24)를 포함하는, 시스템(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 결정된 표면을 조명하기 위한 조명 디바이스를 포함하는, 시스템(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 패턴을 위치지정하고 시스템(10)을 위치설정하기 위한 카메라를 포함하는, 시스템(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 프로브, 3차원 스캐너 또는 카메라와 같이, 추가될 재료의 체적을 분석하기 위한 디바이스를 포함하는, 시스템(10).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 추가될 재료의 체적에 적응된 궤적을 생성하기 위한 적응성 프로그래밍 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 재료의 추가 전의 예열 단계(102) 중에 및 재료의 추가 후의 후열 단계(107) 중에 부품의 온도를 획득하기 위한 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 결정된 온도에서 재료의 추가를 자동으로 개시하기 위한 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 재료의 완전한 추가 사이클을 자동으로 관리하기 위한 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 재료의 추가를 모니터링하기 위한 정보 분석 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 시공된 체적의 기하학 형상을 분석하기 위한 유닛 및 이를 3차원 모델과 비교하기 위한 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 분말의 도달을 자동으로 관리하기 위한 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 온도의 함수로서 레이저 빔의 방출 전력을 피드백 제어하기 위한 유닛을 포함하는, 시스템(10).
  19. 레이저 스캐닝 헤드(12), 레이저 빔 방출 디바이스 및 분말 분사 디바이스(14)에 의해 부품의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 방법이며, 레이저 스캐닝 헤드(12)는 입사 레이저 빔을 반사 및 집속하고 결정된 패턴에 따라 결정된 표면 위에 집속된 반사된 입사 레이저 빔(13)을 이동시키기 위한 2개의 검류계 미러를 구비하고, 검류계 미러 및 레이저 스캐닝 헤드(12)를 회전시킬 때, 레이저 빔 방출 디바이스, 및 분말 분사 디바이스(14)는 부품에 대해 고정되고, 상기 방법은 이하의 단계:
    - 부품 상의 리서피싱, 시공 또는 보수될 표면을 식별하는 단계(100),
    - 레이저 스캐닝 헤드(12), 레이저 빔 방출 디바이스, 및 분말 분사 디바이스(14) 및/또는 부품을 상대적으로 위치설정하는 단계(100),
    - 식별된 결정된 표면 상으로 분말을 유동하기 위해 분말 분사 디바이스(14)를 활성화하는 단계(104),
    - 미리 정의된 패턴에 따라 식별된 결정된 표면 상에 집속된 반사된 입사 레이저 빔(13)을 방출하는 단계(105),
    - 집속된 반사된 입사 레이저 빔(13)을 방출하는 동시에, 식별된 결정된 표면 상에 분말을 용융하는 단계(105)를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 집속된 입사 반사 레이저 빔(13)이 미리 정의된 패턴에 따라 식별된 결정된 표면 상에 방출되는 예열 단계(102)를 포함하고, 예열 단계(102)는 분말 분사 디바이스(14)를 활성화하는 단계(104) 전에 발생하는, 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 후열 단계(107)를 포함하고, 후열 단계(107)는 분말 분사 디바이스(14)를 비활성화하는 단계 후에 발생하는, 방법.
KR1020227001059A 2019-06-17 2020-05-25 레이저 스캐닝 헤드 및 측방향 분말 분사에 의해 지향된 레이저 빔에 의해 작업편의 결정된 표면에 재료를 추가하기 위한 시스템 및 방법 KR20220020914A (ko)

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