KR20220112492A

KR20220112492A - 레이저 클래딩 장치

Info

Publication number: KR20220112492A
Application number: KR1020210016093A
Authority: KR
Inventors: 김현길; 유승찬; 최병권; 이영호; 정양일; 박동준; 박정환; 성호동; 유주상; 김대중; 김일현
Original assignee: 한국원자력연구원; 주식회사 메이커스엔솔루션즈
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-11
Also published as: KR102436824B1

Abstract

레이저 클래딩 장치가 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 지면에 수직하도록 직립된 상태로 배치된 관형 부재의 내부 공간에 진입하여 관형 부재의 내주면을 코팅하는 레이저 클래딩 장치로서, 관형 부재의 연장 방향을 따라 소정 길이 연장되는 기둥 형상으로 형성되되, 관형 부재의 단면 보다 작은 단면을 가지며 내부에 공간을 구비하는 몸체; 몸체의 내부에 내장되며, 레이저가 지면을 향하는 방향으로 이동할 수 있도록 내부에 공간이 형성되는 레이저 이동 모듈; 몸체의 내부에서 레이저 이동 모듈과 이격되어 설치되며, 몸체로부터 내주면 측으로 금속 분말을 분사시키는 분사 모듈 및 내주면 상에서 금속 분말을 용융시키도록 레이저 이동 모듈의 일단부로부터 출사된 레이저를 내주면 측으로 반사시키는 반사면을 구비하는 반사 모듈을 포함하고, 용융된 금속 분말에 의해 내주면이 코팅되며, 내주면의 코팅 영역을 상하 방향으로 확장시키기 위해 몸체를 상하 방향으로 이동시킨다.

Description

레이저 클래딩 장치{LASER CLADDING APPARATUS}

본 발명은 레이저 클래딩 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직립된 상태로 배치된 관형 부재의 내주면을 코팅하는 레이저 클래딩 장치에 관한 것이다.

3D 프린팅을 이용한 이종 소재 코팅 기술에 있어서, 종래 레이저 클래딩(Laser Cladding) 기술은 원뿔형의 노즐을 사용하기에 노즐의 사이즈가 일반적으로 길이가 150 mm 이상이며, 폭도 60 mm 이상으로 비대하여, 내경이 2.5 inch 이하로 좁은 파이프나 튜브의 내면 코팅이 어렵다는 문제점이 있다.

최근 이러한 문제를 해결하고 파이브나 튜브의 내경 코팅을 위해 미국 등록특허 제 US 9,126,286 B2호와 같이, 수평형 노즐(10')이 개발되었으나, 수평형 노즐은 길이가 길어질 경우, 몸체 부분의 길이가 길어질 경우, 중력에 의해 수직 방향으로 노즐 전체가 처지는 현상(Sagging)이 발생할 수 있다. 이로 인해 도 1에 도시되는 바와 같이 분말 분사 위치와 레이저 사이의 초점이 맞지 않아 장비의 정렬(alignment)이 쉽게 틀어지게 되고, 레이저의 초점이 맞지 않아 레이저 클래딩이 불가능해지는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 수평 방향으로 분말과 가스를 공급해야 하므로 공급하는 관의 길이가 길어질수록 중간에 분말이 정체되거나 가스의 흐름이 원활하게 이루어지지 않는 문제도 발생할 수 있다.

상술한 문제로 인해 기존의 수평형 노즐은 적용 가능한 길이가 제한됨에 따라, 길이가 긴 파이프나 튜브의 내경 코팅에 적용이 어렵다는 문제점이 있다.

미국 등록특허 제 US 9,126,286 B2호

본 발명의 일 실시예는 장치 자체의 처짐 현상이 발생되지 않으면서도 관형 부재의 내주면을 효과적으로 코팅할 수 있는 레이저 클래딩 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 관형 주재의 내주면 상의 레이저 클래딩 영역을 확장시킬 수 있는 레이저 클래딩 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 잔여 금속 분말에 의한 품질 저하를 막을 수 있는 레이저 클래딩 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 지면에 수직하도록 직립된 상태로 배치된 관형 부재의 내부 공간에 진입하여 상기 관형 부재의 내주면을 코팅하는 레이저 클래딩 장치로서, 상기 관형 부재의 연장 방향을 따라 소정 길이 연장되는 기둥 형상으로 형성되되, 상기 관형 부재의 단면 보다 작은 단면을 가지며 내부에 공간을 구비하는 몸체; 상기 몸체의 내부에 내장되며, 레이저가 상기 지면을 향하는 방향으로 이동할 수 있도록 내부에 공간이 형성되는 레이저 이동 모듈; 상기 몸체의 내부에서 상기 레이저 이동 모듈과 이격되어 설치되며, 상기 몸체로부터 상기 내주면 측으로 금속 분말을 분사시키는 분사 모듈 및 상기 내주면 상에서 상기 금속 분말을 용융시키도록 상기 레이저 이동 모듈의 일단부로부터 출사된 상기 레이저를 상기 내주면 측으로 반사시키는 반사면을 구비하는 반사 모듈을 포함하고, 용융된 상기 금속 분말에 의해 상기 내주면이 코팅되며, 상기 내주면의 코팅 영역을 상하 방향으로 확장시키기 위해 상기 몸체를 상기 상하 방향으로 이동시키는, 레이저 클래딩 장치가 제공된다.

이 때, 상기 분사 모듈은 튜브 형태로 형성되되, 상기 금속 분말을 상기 내주면 측으로 경사지게 분사시키도록 상기 상하 방향에 대하여 소정 각도 경사지게 연장되는 경사 부분을 포함하고, 상기 경사 부분의 일단부에 상기 금속 분말이 최종적으로 분사되는 분사구가 형성될 수 있다.

이 때, 상기 분사구는, 상기 분사구를 포함하는 단면이 상기 경사 부분의 연장 방향과 수직하도록 형성될 수 있다.

이 때, 상기 경사 부분의 적어도 일부는 상기 몸체로부터 상기 내주면 방향으로 돌출될 수 있다.

이 때, 상기 소정 각도의 범위는 40도 이상 50도 이하일 수 있다.

이 때, 상기 반사 모듈은 상기 레이저의 반사 각도를 조절 가능하도록 상기 반사면을 상기 지면과 평행한 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 회전 부재를 구비할 수 있다.

이 때, 상기 회전 부재의 회전에 따라 상기 레이저의 초점 거리가 변경되는 경우, 상기 변경된 초점 거리에 대응하여 상기 분사 모듈이 상기 상하 방향으로 이동할 수 있다.

이 때, 상기 몸체의 내부 또는 상기 몸체의 외주면 상에 설치되는 흡입 모듈을 더 포함하고, 상기 흡입 모듈은 상기 관형 부재의 하부 측으로 낙하된 잔여 금속 분말을 흡입하도록 상기 관형 부재의 하부를 향해 개방된 흡입구를 구비할 수 있다.

이 때, 상기 흡입 모듈은 상기 레이저 이동 모듈을 기준으로 상기 분사 모듈과 반대측에 배치될 수 있다.

이 때, 상기 레이저 이동 모듈의 상측에 배치되며, 상기 내주면의 코팅 상태를 확인할 수 있도록 상기 반사면에 의해 상기 관형 부재의 상측 방향으로 반사된 광을 수신하여 이미지 정보를 생성하는 이미지 센서 모듈을 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 관형 부재가 상기 직립된 상태를 유지하도록 상기 관형 부재의 외주면의 적어도 일부를 감싸면서 지지하는 홀더를 더 포함하고, 상기 홀더는 상기 내주면의 코팅 영역을 원주 방향으로 확장시키기 위해 상기 지면에 수직하는 중심축을 기준으로 상기 관형 부재를 회전시킬 수 있다.

이 때, 상기 홀더는 상기 관형 부재의 양단부 중에서 상기 지면과 인접한 일단부 측에 접촉되어 지지하는 지지부 및 상기 관형 부재의 상기 일단부를 폐쇄시키는 덮개부를 포함하고, 상기 덮개부는 상기 일단부 측으로 낙하된 잔여 금속 분말이 상기 관형 부재의 외부로 배출되도록 적어도 하나의 개구를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 관형 부재가 직립된 상태에서 지면에 수직한 방향으로 진입하는 몸체를 구비함으로써, 레이저 클래딩 장치 전체가 중력에 의해 처지는 현상을 방지할 수 있다. 이를 통해 목표하는 수준의 레이저 초점 거리를 유지하여 레이저 클래딩의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 레이저의 반사 각도를 자유롭게 조절할 수 있는 반사 모듈을 구비함으로써 내주면 상의 레이저 클래딩 범위를 보다 확장시킬 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 분말 모듈의 분사구를 포함하는 단면이 경사 부분의 연장 방향과 수직이 되도록 함으로써 금속 분말의 직진성을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 잔여 금속 분말을 흡입하는 흡입 모듈 및 개구가 형성된 홀더를 구비함으로써 잔여 금속 분말에 의한 레이저 클래딩 품질의 저하를 막을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이저 클래딩 장치의 처짐 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 분사 모듈을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 분사 모듈의 단면을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 분사 모듈의 분사구의 장점을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 반사 모듈을 도시한 사시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 반사 모듈의 피벗 회전에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 홀더의 기능을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서, 방향을 규정함에 있어서, 상하 방향은 지면에 대하여 수직한 상태에서 상부 측 또는 하부 측을 향하는 방향으로 규정하고, 수평 방향은 지면에 평행한 방향으로 규정한다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이저 클래딩 장치의 처짐 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치를 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 단면을 도시한 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 지면(G)에 수직하도록 직립된 상태로 배치된 관형 부재(90)에 대하여, 내부 공간(91)에 수직한 상태로 진입하여 관형 부재(90)의 내주면(93)을 코팅할 수 있는 장치이다.

이 때, 관형 부재(90)는 파이프(pipe), 배관 및 튜브 등 내측에 유체가 이동될 수 있는 공간이 형성되는 모든 형태의 관을 포함할 수 있음을 밝혀 둔다.

먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 관형 부재(90)의 내부에 진입하여, 상하 방향(

,

)으로 이동하는 몸체(20)를 포함한다.

몸체(20)는 관형 부재(90)의 연장 방향을 따라 소정 길이 연장되는 기둥 형상으로 형성되되, 관형 부재(90)의 내부에 진입이 가능하도록 관형 부재(90) 보다 작은 단면을 가질 수 있다.

구체적인 일례로서, 몸체(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 원기둥 형상으로 형성될 수 있으나, 형상의 예가 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 형태의 기둥 형상으로 형성될 수 있다.

이 때, 몸체(20)는 내부에 공간(22)을 구비함으로써, 상기 내부 공간(22)에 후술될 레이저 이동 모듈(30), 분사 모듈(40), 반사 모듈(50) 등을 수용할 수 있다. 즉, 몸체(20)는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)의 구성 일부가 수용되거나 고정될 수 있는 하우징과 같은 역할을 할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 몸체(20)의 내부에 내장되며, 내부에 몸체(20)의 연장 방향을 따라 연장되는 공간(32)이 형성되는 레이저 이동 모듈(30)을 포함할 수 있다.

이 때, 레이저 이동 모듈(30)은 몸체(20)의 내부 또는 외부에서 조사된 레이저(L)가 지면(G)을 향하는 방향으로 이동할 수 있도록 공간(32)을 제공할 수 있다. 여기서 레이저(L)를 레이저 이동 모듈(30) 측으로 조사하는 레이저 조사 모듈(34)은 몸체(20)의 상측 공간에 별도로 존재하거나, 또는 도 3에 도시된 바와 같이 몸체(20)의 내부 공간(22)에 존재할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 레이저 이동 모듈(30)은 관체 형상을 가지도록 별도로 제작된 후 몸체(20)의 내부에 고정 설치되거나, 또는 몸체(20)의 제작 시(예를 들면, 사출 성형) 몸체(20)의 내부에 레이저 이동 모듈(30)에 해당되는 공간을 일체로 마련함으로써 몸체(20)에 내장될 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 분사 모듈을 도시한 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 분사 모듈의 단면을 도시한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 분사 모듈의 분사구의 장점을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 몸체(20)로부터 관형 부재(90)의 내주면(93) 측으로 금속 분말(M)을 분사시키는 분사 모듈(40)을 포함할 수 있다.

이 때, 다시 도 3을 참조하면, 분사 모듈(40)은 중공을 구비하는 튜브 형상으로 형성될 수 있다. 또한 분사 모듈(40)은 몸체(20)의 내부에 위치하되, 레이저 이동 모듈(30)로부터 수평 방향으로 이격되어 설치될 수 있다.

구체적으로 도 4를 참조하면, 튜브 형상으로 형성된 분사 모듈(40)의 내측 공간(44)을 통해서 금속 분말(M)이 운반 기체와 함께 이동된 후, 분사 모듈(40)의 일측에 형성된 분사구(43)를 통해 분사될 수 있다. 이 때, 금속 분말(M) 및 운반 기체는 별도의 분말 공급 모듈(47)로부터 공급될 수 있으며, 분말 공급 모듈(47)은 상술한 레이저 조사 모듈(34)과 같이 몸체(20)의 내부에 존재하거나, 또는 몸체(20)의 외부에 별도로 존재할 수도 있다.

그리고, 다시 도 4를 참조하면, 분사 모듈(40)의 내측 공간(44)을 둘러싼 외측 공간(45)을 통해서 보호 가스가 이동될 수 있으며, 보호 가스 역시 분사구(43)를 통해 외부로 분사될 수 있다. 이 때, 보호 가스는 분사구(43)를 통해 배출된 금속 분말(M)이 광범위하게 퍼지지 않고 일정 영역 내에서 직진하도록 분사된 금속 분말(M)의 외측에 에어 커튼(46, 47)을 형성할 수 있다.

분사 모듈(40)의 구조를 보다 상세히 살펴보면, 분사 모듈(40)은 레이저 이동 모듈(30)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 직선 부분(41)과, 상기 직선 부분(41)으로부터 소정 각도(α)만큼 경사지게 연장되는 경사 부분(42)을 포함할 수 있다. 이 때, 분사구(43)는 경사 부분(42)의 일단부 측에 형성될 수 있다.

이와 같이 경사 부분(42)을 포함하는 것은 금속 분말(M)을 관형 부재(90)의 내주면(93) 측으로 경사지게 분사시킴으로써, 금속 분말(M)이 후술될 레이저(L)와 만나 용융되도록 하기 위함이다.

본 발명의 일 실시예에서, 직선 부분(41)과 경사 부분(42) 사이에 형성되는 경사 각도(α)는 40도 이상 50도 이하 일 수 있다. 이것은 금속 분말(M)과 레이저(L)가 관형 부재(90)의 내주면(93) 상에서 안정적으로 교차되어 금속 분말(M)의 효율을 최대화하기 위함이다.

보다 구체적으로, 만약 경사 각도(α)가 40도 이하일 경우, 금속 분말(M)이 내주면(93) 상에 도달할 때까지 분사되는 분사 거리가 길어지게 되며, 금속 분말(M)은 상대적으로 내주면(93)의 하측을 향하여 분사되는 문제가 있다. 반대로 경사 각도(α)가 50도 이상일 경우, 금속 분말(M)의 분사 각도가 반사 모듈(50)에 의해 반사되는 레이저(L)와 나란하게 형성되므로, 내주면(93) 상에서 교차되기 어려운 문제가 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 분사 모듈(40)의 경사 부분(42)의 일부는 도 3에 도시된 바와 같이 몸체(20)로부터 관형 부재(90)의 내주면 측으로 소정거리 돌출되도록 형성될 수 있다. 이것은 분사구(43)를 통해 배출된 금속 분말(M)이 관형 부재(90)의 내주면(93)까지 이동하는 거리를 최소화함으로써, 금속 분말(M)이 내주면(93) 상의 목표 지점에 보다 정확하게 도달하도록 하기 위함이다.

한편, 도 5를 참조하여, 경사 부분(42)의 분사구(43)를 포함하는 단면의 각도에 대하여 살펴보면, 상기 단면은 경사 부분(42)의 연장 방향과 수직하도록 형성될 수 있다. 이것은 분사구(43)로부터 분사된 금속 분말(M)이 최대한 직진성을 유지하도록 하기 위함이다.

만약 도 6과 같이 분사구(43)를 포함하는 단면이 경사 부분(42)의 연장 방향에 대하여 수직이 되지 않을 경우, 금속 분말(M)의 양측부에 형성되는 에어 커튼(46, 47)이 금속 분말(M)을 기준으로 비대칭을 형성하게 된다. 따라서 금속 분말(M)은 내주면(93)과 인접한 영역에서 에어 커튼(46, 47)이 존재하지 않는 일측 방향으로 휘어지게 되며, 그 결과 금속 분말(M)이 내주면(93) 상의 목표 지점에 도달할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 분사 모듈(40)은 몸체(20)의 내부에서 상하 방향으로 이동할 수 있다. 이는 반사 모듈(50)에 의해 레이저의 초점 거리가 변경되는 경우, 이에 대응하여 금속 분말(M)이 보다 효과적으로 레이저와 만나도록 하기 위함이다. 이에 대해서는 뒤따르는 설명을 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 반사 모듈을 도시한 사시도이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 반사 모듈의 피벗 회전에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 레이저 이동 모듈(30)의 단부와 인접하도록 배치되는 반사 모듈(50)을 포함한다.

구체적으로, 도 3 및 도 7을 참조하면, 반사 모듈(50)은 내주면 상에서 상기 금속 분말을 용융시키도록 레이저 이동 모듈(30)의 일단부로부터 출사된 레이저(L)를 내주면(93) 측으로 반사시키는 반사면(52)을 구비한다.

이 때, 반사면(52)은 레이저(L)를 반사시키기 용이한 판재 형상으로 형성될 수 있다.

그리고, 반사 모듈(50)은 반사면(52)에 의해 레이저(L)가 회전되는 각도를 조절 가능하도록 회전축(R)을 중심으로 반사면(52)을 피벗 회전시키는 회전 부재(54)를 포함할 수 있다. 여기서, 회전축(R)은 지면(G)과 평행할 수 있다.

이처럼, 회전 부재(54)를 이용하여 레이저(L)의 반사 각도를 조절하는 것은 관형 부재(90)의 내주면 상에 존재하는 다양한 영역에 대하여 코팅 공정을 수행하기 위함이다.

보다 상세하게, 도 8의 좌측에 도시된 예와 같이, 반사면(52)이 단일한 반사 각도만을 가질 경우, 레이저(L)가 관형 부재(90)의 내주면(93) 상에 도달하는 지점도 단일하게 된다. 반대로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)와 같이 반사면(52)의 반사 각도를 조절할 수 있을 경우, 도 8의 우측에 도시된 예와 같이, 몸체(20)가 일정 높이로 고정된 상태에서도 내주면(93) 상의 다양한 지점에 대하여 레이저(L)를 조사할 수 있는 장점이 있다.

이러한 반사 모듈(50)의 반사각 조절 기능은 특히, 관형 부재(90)의 최하부 부분을 코팅할 때 효과적이다. 왜냐하면, 관형 부재(90)의 최하부 측에 인접할 경우, 몸체(20)는 더 이상 하측 방향으로의 이동이 제한되게 되기 때문이다. 따라서, 만약 단일한 반사 각도의 레이저(L1)만을 가질 경우, 내주면(93) 상의 임계점(S1) 이하의 부분(S2, S3)에 대해서는 코팅을 수행할 수 없는 문제가 있다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 임계점(S1) 이하에 존재하는 다른 지점(S2, S3)에 대해서도 반사 각도를 조정하여 다양한 각도의 레이저(L2, L3)를 조사할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 내주면(93) 상의 코팅 범위를 보다 확장시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따를 경우, 내주면(93)으로부터 돌출된 돌출부(96), 일례로 플랜지 부분에 대해서도 충분한 코팅 작업을 수행할 수 있다.

구체적으로, 레이저(L)의 반사 각도를 조절할 수 없을 경우, 언제나 초점 거리가 고정되게 되므로, 도 9에 도시된 돌출부(96)의 상면 또는 하면에 대해서는 초점 거리가 맞지 않아 코팅을 수행할 수 없는 문제가 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)의 반사 모듈(50)은 이와 같은 경우, 레이저의 반사 각도를 조절하여 초점 거리를 변경할 수 있다.

이와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에서, 회전 부재(54)의 회전에 따라 레이저의 초점 거리가 변경되는 경우, 변경된 초점 거리에 대응하여 분사 모듈(40)이 상하 방향(

,

)으로 이동할 수 있다. 즉, 레이저의 초점 거리만을 변경시키고, 분사 모듈(40)은 이전과 동일한 상태로 계속 분사할 경우, 레이저(L)와 금속 분말(M)은 목표로 하는 내주면(93) 또는 돌출부(96) 상의 한 점에서 효과적으로 만날 수가 없는 문제가 있다. 레이저의 초점 거리가 변경되었기 때문이다. 이경우, 도 9에 도시되는 바와 같이 분사 모듈(40)이 상하 방향으로 이동함으로써, 목표 지점에 대한 코팅을 수행할 수 있다.

한편, 회전 부재(54)는 도 9에 도시되는 바와 같이 회전축(R)을 회전시키기 위한 별도의 기어부(56)를 구비되며, 상기 기어부(56)는 전동 모터(미도시)에 의해 구동될 수 있다. 이를 통해 보다 정밀하고 신속하게 회전축의 회전각도를 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 레이저(L)에 의해 용융되지 못하고 관형 부재(90)의 하부 측으로 낙하된 잔여 금속 분말(MR)을 흡입하는 흡입 모듈(60)을 포함할 수 있다.

보다 상세하게, 분사구(43)로부터 분사된 금속 분말(M)은 전량이 모두 용융되는 것이 아니라, 일부는 용융되지 못하고, 중력 방향으로 낙하하게 된다. 이러한 잔여 금속 분말(MR)은 관형 부재(90)의 내부에 적층되어 프린팅 결과물의 품질에 악영향을 미칠 수 있다.

흡입 모듈(60)은 이러한 잔여 금속 분말(MR)을 흡입하기 위한 것으로서, 도 2를 참조하면, 흡입 모듈(60)은 몸체(20)의 내부에서 레이저 이동 모듈(30)과 이격된 상태로 배치될 수 있다. 그러나, 도면과는 달리 몸체(20)의 내부가 아닌, 몸체(20)의 외주면 상의 일측에 설치될 수도 있으며, 특히 필요에 따라 몸체(20)에 착탈 가능하도록 형성될 수도 있다. 이는 관형 부재(90)의 하부가 개방된 형태일 경우, 별도의 흡입이 필요치 않을 수 있는 바, 이러한 경우에는 흡입 모듈(60)을 분리시켜 장치(10)의 중량을 감소시키는 것이 공정상 효과적이기 때문이다.

이 때, 흡입 모듈(60)은 튜브를 포함할 수 있으며, 튜브 내부에 음압을 형성함으로써, 몸체(20)의 외부로부터 금속 분말(M)을 흡입할 수 있다. 또한 흡입 모듈(60)에 의해 흡입된 잔여 금속 분말은 별도의 분말 저장 모듈(64)에 저장된 후, 클래딩 공정을 마친 후에 작업자에 의해 외부로 배출될 수 있다.

한편, 흡입 모듈(60)은 레이저 이동 모듈(30)을 기준으로 분사 모듈(40)과 상하 방향으로 반대측에 배치될 수 있다. 즉, 흡입 모듈(60)과 분사 모듈(40)은 최대한 서로 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이것은 흡입 모듈(60)과 분사 모듈(40)이 서로 인접하게 배치될 경우, 분사 모듈(40)에 의해 분사된 금속 분말(M)이 내주면(93) 상에 도달하기 전에 흡입 모듈(60)에 의해 흡입되거나, 또는 금속 분말(M)의 분사를 방해할 수 있기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 내주면(93)의 코팅 상태를 실시간으로 확인하기 위하여 이미지 센서 모듈(70)을 더 포함할 수 있다.

이 때, 이미지 센서 모듈(70)은 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 이동 모듈(30)의 상측에 배치되어, 관형 부재(90)의 상측 방향으로 반사된 광을 수신하여 이미지 정보를 생성할 수 있다. 이 때, 이미지 센서 모듈(70)이 수신하는 광은 반사 모듈(50)에 의해서 반사된 후, 레이저 이동 모듈(30)을 따라 지면(G)과 반대되는 방향으로 이동될 수 있다.

이러한 이미지 센서 모듈(70)을 통해서, 작업자는 육안으로 관찰이 어려운 관형 부재(90)의 내주면 코팅 상태를 효과적으로 관찰할 수 있으며, 문제가 발생된 경우 즉각적으로 클래딩 공정을 정지시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치의 홀더의 기능을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)는 관형 부재(90)의 직립된 상태를 안정적으로 유지하기 위해 홀더(80)를 포함할 수 있다.

이 때, 홀더(80)는 관형 부재(90)가 직립된 상태에서 외주면(95)의 적어도 일부를 감싸면서 지지할 수 있다. 비제한적인 일례로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 홀더(80)는 관형 부재(90)의 일측부에 대응되는 원형의 홈을 구비함으로써, 관형 부재(90)와 결합 가능하도록 형성될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 홀더(80)는 내주면(93)의 코팅 영역을 내주면(93)의 원주 방향으로 확장시키기 위해서 지면에 수직하는 중심축을 기준으로 관형 부재(90)를 회전시킬 수 있다. 즉, 내주면(93)에 대한 레이저 클래딩을 원주 방향으로 진행시키기 위해서는 몸체(20)가 스스로 회전하거나, 또는 관형 부재(90)의 내주면(93)이 회전되는 것이 필요한다. 이를 위해, 많은 모듈들이 내장되는 몸체(20)의 경우, 상대적으로 안정적인 상태를 유지하도록, 홀더(80)가 관형 부재(90)를 축 회전시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치(10)의 내주면 확장이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 몸체가 중심축을 기준으로 축회전할 수도 있음을 밝혀둔다.

한편, 도 10을 참조하면, 홀더(80)는 관형 부재(90)의 양단부 중에서 지면과 인접한 일단부 측에 결합될 수도 있다.

이 때, 홀더(80)는 외주면(95)의 일부를 지지하도록 결합되는 결합부(82)와 상기 관형 부재(90)의 일단부를 폐쇄시키는 덮개부(84)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 홀더(80)는 관형 부재(90)의 직립 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있다.

이와 관련하여, 도 10을 다시 참조하면, 덮개부(84)는 중력 방향으로 낙하된 잔여 금속 분말(MR)을 외부로 배출시키기 위하여 복수의 개구(86)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 잔여 금속 분말(MR)은 클래딩 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 신속히 외부로 배출시키기 위함이다.

살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 클래딩 장치는 관형 부재가 직립된 상태에서 지면에 수직한 방향으로 진입하는 몸체를 구비함으로써, 레이저 클래딩 장치 전체가 중력에 의해 처지는 현상을 방지할 수 있다. 이를 통해 목표하는 수준의 레이저 초점 거리를 유지하여 레이저 클래딩의 품질을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 레이저 클래딩 장치 20 몸체
30 레이저 이동 모듈 40 분사 모듈
50 반사 모듈 60 흡입 모듈
70 이미지 센서 모듈 80 홀더
90 관형 부재 L 레이저
M 금속 분말 MR 잔여 금속 분말

Claims

지면에 수직하도록 직립된 상태로 배치된 관형 부재의 내부 공간에 진입하여 상기 관형 부재의 내주면을 코팅하는 레이저 클래딩 장치로서,
상기 관형 부재의 연장 방향을 따라 소정 길이 연장되는 기둥 형상으로 형성되되, 상기 관형 부재의 단면 보다 작은 단면을 가지며 내부에 공간을 구비하는 몸체;
상기 몸체의 내부에 내장되며, 레이저가 상기 지면을 향하는 방향으로 이동할 수 있도록 내부에 공간이 형성되는 레이저 이동 모듈;
상기 몸체의 내부에서 상기 레이저 이동 모듈과 이격되어 설치되며, 상기 몸체로부터 상기 내주면 측으로 금속 분말을 분사시키는 분사 모듈 및
상기 내주면 상에서 상기 금속 분말을 용융시키도록 상기 레이저 이동 모듈의 일단부로부터 출사된 상기 레이저를 상기 내주면 측으로 반사시키는 반사면을 구비하는 반사 모듈을 포함하고,
용융된 상기 금속 분말에 의해 상기 내주면이 코팅되며, 상기 내주면의 코팅 영역을 상하 방향으로 확장시키기 위해 상기 몸체를 상기 상하 방향으로 이동시키는, 레이저 클래딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 분사 모듈은 튜브 형태로 형성되되, 상기 금속 분말을 상기 내주면 측으로 경사지게 분사시키도록 상기 상하 방향에 대하여 소정 각도 경사지게 연장되는 경사 부분을 포함하고,
상기 경사 부분의 일단부에 상기 금속 분말이 최종적으로 분사되는 분사구가 형성되는, 레이저 클래딩 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 분사구는, 상기 분사구를 포함하는 단면이 상기 경사 부분의 연장 방향과 수직하도록 형성되는, 레이저 클래딩 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 경사 부분의 적어도 일부는 상기 몸체로부터 상기 내주면 방향으로 돌출되는, 레이저 클래딩 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 소정 각도의 범위는 40도 이상 50도 이하인, 레이저 클래딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 반사 모듈은 상기 레이저의 반사 각도를 조절 가능하도록 상기 반사면을 상기 지면과 평행한 회전축을 중심으로 피벗 회전시키는 회전 부재를 구비하는, 레이저 클래딩 장치
제 6 항에 있어서,
상기 회전 부재의 회전에 따라 상기 레이저의 초점 거리가 변경되는 경우, 상기 변경된 초점 거리에 대응하여 상기 분사 모듈이 상기 상하 방향으로 이동하는, 레이저 클래딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 몸체의 내부 또는 상기 몸체의 외주면 상에 설치되는 흡입 모듈을 더 포함하고,
상기 흡입 모듈은 상기 관형 부재의 하부 측으로 낙하된 잔여 금속 분말을 흡입하도록 상기 관형 부재의 하부를 향해 개방된 흡입구를 구비하는, 레이저 클래딩 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 흡입 모듈은 상기 레이저 이동 모듈을 기준으로 상기 분사 모듈과 반대측에 배치되는, 레이저 클래딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 이동 모듈의 상측에 배치되며, 상기 내주면의 코팅 상태를 확인할 수 있도록 상기 반사면에 의해 상기 관형 부재의 상측 방향으로 반사된 광을 수신하여 이미지 정보를 생성하는 이미지 센서 모듈을 더 포함하는, 레이저 클래딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 관형 부재가 상기 직립된 상태를 유지하도록 상기 관형 부재의 외주면의 적어도 일부를 감싸면서 지지하는 홀더를 더 포함하고,
상기 홀더는 상기 내주면의 코팅 영역을 원주 방향으로 확장시키기 위해 상기 지면에 수직하는 중심축을 기준으로 상기 관형 부재를 회전시키는, 레이저 클래딩 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 홀더는 상기 관형 부재의 양단부 중에서 상기 지면과 인접한 일단부 측에 접촉되어 지지하는 지지부 및 상기 관형 부재의 상기 일단부를 폐쇄시키는 덮개부를 포함하고,
상기 덮개부는 상기 일단부 측으로 낙하된 잔여 금속 분말이 상기 관형 부재의 외부로 배출되도록 적어도 하나의 개구를 구비하는, 레이저 클래딩 장치.