KR20220073435A - 3d 프린터용 레이저 헤드 - Google Patents

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Abstract

3D 프린터용 레이저 헤드에 관한 것으로, 3 외형을 형성하는 하우징, 상기 하우징의 일측을 통해 입사된 레이저 빔의 방향을 하방으로 전환하고 집광하는 광학계 및 레이저 빔이 성형 대상물을 향해 조사되는 면적의 사이즈를 조절하는 조절부를 포함하는 구성을 마련하여, 레이저 헤드의 구조를 개선해서 주변 장치와의 간섭을 방지하여 공간활용도를 향상시키고, 하우징과 조절체의 체결 구조를 이용해서 레이저 빔의 사이즈를 조절할 수 있다.

Description

3D 프린터용 레이저 헤드{LASER HEAD FOR 3D PRINTER}
본 발명은 3D 프린터용 레이저 헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보호가스 분위기에서 공급되는 금속 분말에 레이저 빔을 조사하는 3D 프린터용 레이저 헤드에 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 구분된다.
DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력 레이저를 집광하고, 모재에 용융풀을 형성하여 금속 분말이나 와이어를 공급해서 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. 이러한 PBF 방식은 DED 방식에 비해 강도는 떨어지나, 복잡한 형상제작에 유리하다.
ME(Material Extrusion) 방식은 금속보다는 플라스틱 계열에 적용되는 방식으로, 주로 액체 상태의 플라스틱을 밀어내어 적층하는 방식이다. 금속에 ME 방식을 적용하기 위해서는 고온에서 금속을 녹여야 하는 조건을 가진다.
이와 같이, 금속 3D 프린터는 금속 분말을 이용하여 제품을 제작하는 것으로, 레이저 빔은 광케이블을 거친 후 노즐유닛에 마련되는 레이저 헤드의 노즐을 통해 조사되면서 성형 대상물을 성형한다.
즉, 레이저 빔은 노즐유닛의 내부에 구비된 광학부를 거친 후 조사되고, 이때 레이저 헤드는 노즐유닛에 고정된 상태이므로 조사되는 레이저 빔이 도달하는 포커스(focus) 지점 또한 항시 동일한 위치로 지정된다.
따라서, 가공대상물과 접하는 레이저 빔의 사이즈 또한 항시 동일한 사이즈로 조사되고, 이때 가공대상물의 가공위치나 가공조건에 따라 레이저 빔 사이즈 조절이 요구된다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 3D 프린터의 레이저 헤드와 레이저 빔 사이를 조절하는 장치 기술이 개시되어 있다.
상기한 바와 같이, 종래기술에 따른 3D 프린터는 레이저 빔의 사이즈에 따라 성형 대상물로 공급되는 파우더(금속 분말)의 공급 위치도 달라지며, 특히 가공위치에 따라 레이저 빔의 사이즈 또한 조절한다.
이에 따라, 종래에는 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위해, 노즐유닛 내의 광학계를 조절 또는 교체해야 하고, 부수적으로 다른 부품을 새로 셋팅(setting) 해야 하는 상당히 번거롭고 불편한 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 따른 3D 프린터에 적용되는 레이저 헤드는 '一' 형상으로 설계 및 제조됨에 따라, 주변 장치와의 간섭으로 인해 공간활용도가 저하되는 문제점이 있었다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1657700호(2016년 9월 20일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1676738호(2016년 11월 16일 공고)
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 구조를 이용해서 레이저 빔의 사이즈를 조절할 수 있는 3D 프린터용 레이저 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 레이저 헤드의 구조를 개선해서 주변 장치와의 간섭을 방지하여 공간활용도를 향상시킬 수 있는 3D 프린터용 레이저 헤드를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드는 외형을 형성하는 하우징, 상기 하우징의 일측을 통해 입사된 레이저 빔의 방향을 하방으로 전환하고 집광하는 광학계 및 레이저 빔이 성형 대상물을 향해 조사되는 면적의 사이즈를 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조절부는 상기 하우징의 하단에 결합되고, 상단에 렌즈가 회전 가능하게 설치되는 조절체와 상기 조절체의 하단에 설치되어 금속 분말을 향해 레이저 빔을 조사하는 노즐부를 포함하고, 상기 조절체는 회전 방향에 따라 상기 광학계에 마련된 미러와 렌즈 사이의 거리를 조절해서 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 노즐부에는 금속 분말을 분사하는 분사 노즐이 적어도 하나 이상 설치되고, 상기 노즐부 내부에는 레이저 빔 조사시 발생하는 열을 냉각하도록 공기 또는 냉각수가 순환하는 냉각유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징의 일측에 설치되고, 성형 대상물이 성형되는 상태를 실시간으로 모니터링하도록, 성형 대상물을 감지하는 감지수단 및 상기 감지수단에서 감지된 성형 대상물의 상태에 기초해서 상기 조절부를 회전시켜 레이저 빔의 사이즈와 출력을 조절하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드에 의하면, 레이저 헤드의 구조를 개선해서 주변 장치와의 간섭을 방지하여 공간활용도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 하우징과 조절체의 체결 구조를 이용해서 레이저 빔의 사이즈를 조절하고, 대형의 성형 대상물을 성형하는 경우, 레이저 빔의 사이즈, 즉 단면적을 증가시켜 성형 속도를 높여 작업시간을 단축할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 노즐부에 냉각 유로를 형성해서 공기 또는 냉각수를 순환시켜 노즐부를 냉각할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 레이저 빔 조사시 금속 분말을 용융시키는 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하고, 금속 분말에 의한 파티클이 노즐부에 눌러붙어 노즐이 막히는 것을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 3D 프린터용 레이저 헤드가 적용되는 3D 프린터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 3D 프린터용 레이저 헤드의 단면도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드의 구성을 설명하기에 앞서, 도 1을 참조하여 3D 프린터용 레이저 헤드가 적용되는 3D 프린터의 구성을 간략하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드가 적용되는 3D 프린터의 사시도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드가 적용되는 3D 프린터(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 보호가스 분위기에서 공급되는 금속 분말에 레이저 빔이 조사되어 성형 대상물을 성형하는 챔버부(11), 챔버부(11)에 보호가스와 금속 분말을 혼합해서 공급하는 분말 공급장치(12) 및 챔버부(11) 내부에 공급된 분말에 레이저 빔을 조사해서 성형 대상물을 성형하는 레이저 헤드(13)를 포함한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드가 적용되는 3D 프린터(10)는 성형 대상물의 성형 상태에 따라 분말 공급장치(12)와 레이더 헤드(13)를 이동시키도록 구동하는 구동부(14) 및 각 장치의 구동을 제어하는 제어부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다.
다음, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드의 구성을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 3D 프린터용 레이저 헤드의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드(13)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전체 형상의 대략 'ㄱ' 형상으로 절곡 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드(13)는 외형을 형성하는 하우징(20), 하우징(20)의 일측을 통해 입사된 레이저 빔의 방향을 하방으로 전환하고 집광하는 광학계(30) 및 레이저 빔이 조사되는 면적의 사이즈를 조절하는 조절부(40)를 포함한다.
하우징(20)은 단면이 대략 'ㄱ' 형상으로 절곡 형성될 수 있다.
하우징(20)의 내부에는 광학계(30)가 설치된다.
그래서 레이저 발진기(도면 미도시)에서 발진된 레이저 빔은 하우징(20)의 일측, 도 3에서 보았을 때 좌측단을 통해 입사되고, 광학계(30)에 의해 하방으로 이동하도록 이동 방향이 전환될 수 있다.
이를 위해, 광학계(30)는 레이저 빔을 하방으로 반사해서 이동 방향을 전환하는 미러(31)와, 미러(31)에 의해 반사된 레이저 빔을 집광해서 초점거리를 조절하는 렌즈(32)를 포함할 수 있다.
조절부(40)는 하우징(20)의 하단에 결합되고, 상단에 렌즈(32)가 설치되는 조절체(41)와 조절체(41)의 하단에 설치되어 금속 분말을 향해 레이저 빔을 조사하는 노즐부(42)를 포함할 수 있다.
조절체(41)는 회전 방향에 따라 미러(31)와 렌즈(32) 사이의 거리를 조절할 수 있도록, 나사 방식으로 결합될 수 있다.
즉, 조절체(41)의 외주면과 하우징(20)의 하단부 내주면에는 각각 나사산이 형성되고, 조절체(41)는 작업자의 회전 조작 또는 별도의 구동모듈에서 전달되는 회전력에 의해 회전 동작할 수 있다.
그래서 조절체(41)의 회전 방향에 따라 미러(31)와 렌즈(32) 사이의 거리가 조절됨에 따라, 금속 분말에 조사되는 레이저 빔이 조사되는 면적의 사이즈가 조절될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서 레이저 헤드(13)는 성형 대상물이 성형되는 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록, 성형 대상물을 감지하는 감지수단(50)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 감지수단(50)은 초음파 센서나 레이저 센서와 같이 비접촉 방식으로 거리를 측정하는 거리센서로 마련되거나, 열화상 카메라와 같은 촬영모듈로 마련될 수 있다.
그래서 상기 제어부는 감지수단(50)에서 감지된 성형 대상물의 상태를 실시간으로 모니터링해서 구동부(14) 및 상기 구동모듈의 구동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부는 감지된 성형 대상물의 상태에 따라 레이저 빔의 출력을 미리 설정된 출력범위 내에서 증가 또는 감소시키도록 제어할 수 있다.
그리고 제어부는 성형 대상물의 크기가 대형인 경우, 레이저 빔의 사이즈를 크게 증가시키도록, 상기 구동모듈의 구동을 제어할 수 있다.
번면, 제어부는 성형 대상물의 크기가 소형인 경우, 레이저 빔의 사이즈를 작게 감소시키도록, 상기 구동모듈의 구동을 제어할 수 있다.
그래서 본 발명은 크기가 대형인 성형 대상물을 성형시에는 레이저 빔의 사이즈를 증가시켜 성형 작업 시간을 단출할 수 있다.
노즐부(42)는 조절체(31)의 하단에 설치되고, 노즐부(42)의 중앙에는 레이저 빔이 조사되는 공간이 형성될 수 있다.
그리고 노즐부(42)에는 분말 공급장치(13)에서 공급되는 금속 분말을 분사하는 적어도 하나 이상의 분사노즐(43)이 서로 일정 간격만큼 이격되어 설치될 수 있다.
또한, 노즐부(42)의 내부에는 레이저 빔을 조사하는 과정에서 발생하는 열을 냉각하도록, 공기 또는 냉각수를 순환시키는 냉각유로(도면 미도시)가 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 레이저 헤드의 구조를 개선해서 주변 장치와의 간섭을 방지하여 공간활용도를 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 하우징과 조절체의 체결 구조를 이용해서 레이저 빔의 사이즈를 조절하고, 대형의 성형 대상물을 성형하는 경우, 레이저 빔의 사이즈, 즉 단면적을 증가시켜 성형 속도를 높여 작업시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명은 노즐부에 냉각 유로를 형성해서 공기 또는 냉각수를 순환시켜 노즐부를 냉각할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 레이저 빔 조사시 금속 분말을 용융시키는 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하고, 금속 분말에 의한 파티클이 노즐부에 눌러붙어 노즐이 막히는 것을 방지할 수 있다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 프린터용 레이저 헤드의 작동방법을 상세하게 설명한다.
레이저 발진기에서 발진된 레이저 빔은 레이저 헤드(13)의 하우징(20) 일측에 연결된 커넥터를 통해 하우징(20) 내부로 입사된다.
입사된 레이저 빔은 광학계(30)의 미러(31)에 의해 이동 방향이 하방으로 전환되고, 다시 렌즈(32)를 통과하면서 집광된다.
이때, 조절부(40)는 조절체(41)의 회전 방향에 따라 미러(31)와 렌즈(32) 사이의 거리가 조절됨에 따라, 금속 분말에 조사되는 레이저 빔이 조사되는 면적의 사이즈를 조절한다.
상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 레이저 헤드의 구조를 개선해서 주변 장치와의 간섭을 방지하여 공간활용도를 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 하우징과 조절체의 체결 구조를 이용해서 레이저 빔의 사이즈를 조절하고, 대형의 성형 대상물을 성형하는 경우, 레이저 빔의 사이즈, 즉 단면적을 증가시켜 성형 속도를 높여 작업시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명은 노즐부에 냉각 유로를 형성해서 공기 또는 냉각수를 순환시켜 노즐부를 냉각할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 레이저 빔 조사시 금속 분말을 용융시키는 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하고, 금속 분말에 의한 파티클이 노즐부에 눌러붙어 노즐이 막히는 것을 방지할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 레이저 헤드의 구조를 개선해서 주변 장치와의 간섭을 방지하여 공간활용도를 향상시키고, 하우징과 조절체의 체결 구조를 이용해서 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 3D 프린터용 레이저 헤드 기술에 적용된다.
10: 3D 프린터
11: 챔버부 12: 분말 공급장치
13: 레이저 헤드 14: 구동부
20: 하우징
30: 광학계
31: 미러 32: 렌즈
40: 조절부
41: 조절체 42: 노즐부
50: 감지수단

Claims (4)

  1. 외형을 형성하는 하우징,
    상기 하우징의 일측을 통해 입사된 레이저 빔의 방향을 하방으로 전환하고 집광하는 광학계 및
    레이저 빔이 성형 대상물을 향해 조사되는 면적의 사이즈를 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 레이저 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조절부는 상기 하우징의 하단에 결합되고, 상단에 렌즈가 회전 가능하게 설치되는 조절체와
    상기 조절체의 하단에 설치되어 금속 분말을 향해 레이저 빔을 조사하는 노즐부를 포함하고,
    상기 조절체는 회전 방향에 따라 상기 광학계에 마련된 미러와 렌즈 사이의 거리를 조절해서 레이저 빔의 사이즈를 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 레이저 헤드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노즐부에는 금속 분말을 분사하는 분사 노즐이 적어도 하나 이상 설치되고,
    상기 노즐부 내부에는 레이저 빔 조사시 발생하는 열을 냉각하도록 공기 또는 냉각수가 순환하는 냉각유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 레이저 헤드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징의 일측에 설치되고, 성형 대상물이 성형되는 상태를 실시간으로 모니터링하도록, 성형 대상물을 감지하는 감지수단 및
    상기 감지수단에서 감지된 성형 대상물의 상태에 기초해서 상기 조절부를 회전시켜 레이저 빔의 사이즈와 출력을 조절하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 레이저 헤드.
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