KR101787718B1

KR101787718B1 - 3차원 레이저 프린팅 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101787718B1
Application number: KR1020160077517A
Authority: KR
Inventors: 하태호; 이창우
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-11-16

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서, 상기 광학 시스템이, 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 적층 대상의 표면에 조사되는 제1 레이저광; 및 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 가지며, 상기 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상으로 조사되는 제2 레이저광;을 생성하도록 구성된 3차원 레이저 프린팅 장치가 제공된다.

Description

3차원 레이저 프린팅 장치 및 방법 {3-dimensional laser printing apparatus and method}

본 발명은 3차원 레이저 프린팅 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시편에 클래드 재료의 분말을 공급하고 레이저광을 조사하여 클래드층을 적층함으로써 3차원 조형물을 제작하는 레이저 클래딩 기술을 이용한 3차원 레이저 프린팅 방법 및 장치에 관한 것이다.

레이저 클래딩(Laser Cladding) 또는 금속 3D 프린팅 기술은 제작할 입체 조형물에 대한 CAD(Computer-Aided Design)용 3차원 데이터로부터 2차원 단면정보를 취득하여 각 단면을 한층씩 적층하여 형성함으로써 조형물을 제조하는 기술이다.

이 기술은 3차원 CAD 데이터로부터 소정 두께를 갖는 2차원의 단면 정보를 산출하고 각 2차원 단면정보에 해당하는 형태와 두께를 갖는 클래드층(clad layer)을 순차적으로 적층시켜 3차원 형상의 조형물을 만든다. 즉 2차원의 면들을 한 층씩 차례로 적층함으로써 3차원 형상을 제작하는 기술이다.

이 방법에서는 예를 들어 도1에 도시한 것처럼 시편(20)(또는 '기판' 혹은 '모재'라고도 함) 위에 레이저광 출력단(10)이 배치되고, 레이저광 출력단(10)에서 레이저광을 조사하여 시편(20)에 국부적으로 용융 풀(melting pool)을 형성함과 동시에 이 영역에 분말 형태의 클래딩 소재(예컨대 금속, 합금, 또는 세라믹 등)을 공급하여 시편(20) 표면에 클래드층을 적층한다. 이 때 레이저광 출력단(10)과 분말을 공급하는 공급노즐(미도시)이 일체가 되어 시편(20) 위에서 지그재그 또는 다른 임의의 적층 경로를 따라 이동하며 시편(20) 위에 클래드층을 적층하며, 이에 의해 도2와 같이 시편(20) 위에 한 층씩 클래드층(31,32,33)이 형성된다.

그런데 이러한 기존의 레이저 클래딩 방식에서, 레이저광 출력단(10)이 경로를 따라 이동하면서 분말을 용융하고 클래드층을 적층하면, 레이저광 출력단(10)이 지나가버린 후 방금 적층된 클래드층 영역이 급속히 냉각하게 되는데, 이렇게 급속히 냉각된 클래드층 조형물은 깨어지기 쉬운 상태가 된다.

종래에 이 문제를 해결하기 위해 시편(20)의 아래쪽에 가열수단을 배치하고 클래드층을 적층하는 공정 동안 시편(20)을 전체적으로 계속 가열하여 클래드층이 빨리 냉각되는 것을 방지하는 방법이 사용되기도 한다. 그러나 시편 전체를 가열하기 위해서 전력 소비가 많아지고 장치가 복잡해지는 문제가 있고, 또한 클래드층이 높이 적층될수록 아래쪽으로부터 위쪽 클래드층까지 전달되는 열이 점점 줄어들므로 가열 효율이 점차 떨어지는 문제가 있다.

한국 공개특허공보 제2003-0039929호 (2003년 5월 22일 공개)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 용융 풀을 생성하고 클래드층을 적층하기 위한 가공용의 레이저광과 용융 풀 주변의 클래드층의 급냉을 방지하기 위해 주변을 가열하는 가열용의 레이저광을 동시에 제공할 수 있는 3차원 레이저 프린팅 장치 및 방법을 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가공용의 제1 레이저광이 적층 대상의 표면에 조사되고 이와 동시에 가열용의 제2 레이저광이 적층 대상의 표면에서 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상으로 조사되도록 하는 3차원 레이저 프린팅 장치 및 방법을 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서, 레이저 광원에서 생성된 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 빔 스플리터; 상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상으로 만드는 광학장치; 및 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 빔 결합기;를 포함하는 3차원 레이저 프린팅 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서, 제1 레이저 광을 생성하는 제1 레이저 광원; 제2 레이저 광을 생성하는 제2 레이저 광원; 상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상으로 만드는 광학장치; 및 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 빔 결합기;를 포함하는 3차원 레이저 프린팅 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 방법으로서, 레이저 광원에서 생성된 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 단계; 상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상의 광으로 조절하는 단계; 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 레이저광을 적층 대상의 표면에 동시에 조사하는 단계;를 포함하는 3차원 레이저 프린팅 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 방법으로서, 제1 레이저광과 제2 레이저광을 각각 생성하는 단계; 상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 형상의 광으로 조절하는 단계; 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 레이저광을 적층 대상의 표면에 동시에 조사하는 단계;를 포함하는 3차원 레이저 프린팅 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 클래드층을 적층하기 위한 가공용의 레이저광을 용융 풀을 향해 조사하고 이와 동시에 용융 풀 주변에 클래드층의 급냉을 방지하기 위한 가열용 레이저광을 조사함으로써, 적층될 영역에 대해서는 예열하는 효과를 가지며 또한 이미 적층된 영역에 대해서는 클래드층의 급냉을 방지할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

도1 및 도2는 종래의 3차원 레이저 프린팅 방법을 설명하기 위한 도면,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는 레이저광을 설명하기 위한 도면,
도4는 도3의 레이저광의 광강도를 설명하기 위한 도면,
도5는 대안적 실시예에 따라 생성되는 레이저광을 설명하기 위한 도면,
도6은 또다른 대안적 실시예에 따라 생성되는 레이저광을 설명하기 위한 도면,
도7은 일 실시예에 따른 3차원 레이저 프린팅 장치를 설명하기 위한 도면,
도8은 제1 실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 도면,
도9는 제2 실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 도면,
도10은 제3 실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 도면,
도11은 일 실시예에 따른 레이저광 생성 및 조사 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

또한 본 명세서에서 발명의 구성요소를 지칭하기 위해 사용된 "...부", "…모듈", "...보드", "…블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있고 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는 레이저광을 설명하기 위한 도면으로, 도3(a)는 레이저광 출력단(10)에서 출력되는 레이저(40)가 클래드층(30)에 조사되는 모습을 측면에서 나타낸 것이고, 도3(b)는 클래드층(30)의 표면에 조사되는 레이저광(40)을 위에서 바라본 모습이다.

도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 레이저 프린팅 장치의 헤드 유닛(예를 들어, 도7의 100)에 레이저광 출력단(10)이 부착되어 있고, 이 출력단(10)으로부터 레이저광(40)이 적층 대상(예를 들어, 클래드층(30))을 향해 조사된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저광(40)은 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)으로 구성될 수 있다. 도면에 도시한 바와 같이, 제1 레이저광(41)은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되는 레이저광이다. 제1 레이저광(41)이 조사되는 조사 영역을 도면에 "Ap"로 표시하였다. 제1 레이저광(41)은 분말 형태의 클래딩 소재(예를 들어 금속, 합금, 또는 세라믹 분말)를 용융할 수 있을 정도의 광강도를 가진다. 제1 레이저광의 조사 영역(Ap)에 클래딩 소재의 분말이 분사되면 분말이 제1 레이저광(41)에 의해 용융되어 용융 풀(melting pool)이 형성된다.

제2 레이저광(43)은 제1 레이저광(41) 주위를 둘러싸는 링(ring) 형상(또는 도넛(donut) 형상)으로 조사되는 레이저광이며, 제2 레이저광(43)이 조사되는 조사 영역을 "Ah"로 표시하였다. 제2 레이저광(43)은 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 가진다. 도3(b)에 도시한 것처럼 제2 레이저광(43)의 조사 영역(Ah)은 제1 레이저광(41)과 동일한 광축(45)을 가지며 제1 레이저광(41)의 조사 영역(Ap)을 둘러싸는 링 형상으로 조사된다.

도시한 실시예에서는 광축(45)으로부터의 링 형상의 조사 영역(Ah)의 내주면의 반경이 원 형상의 조사 영역(Ap)의 외주면 반경보다 큰 것으로 도시하였고, 따라서 제1 레이저광의 조사영역(Ap)과 제2 레이저광의 조사 영역(Ah)이 서로 겹치지 않는다. 그러나 대안적 실시예에서, 제1 레이저광의 조사 영역(Ap)과 제2 레이저광의 조사 영역(Ah)의 일부가 겹칠 수도 있다.

도4는 도3의 레이저광의 광강도를 설명하기 위한 도면이다. 도4에서 세로축은 광강도이고 가로축은 광축(45)으로부터의 거리(반경)를 나타낸다. 도면에서 제1 레이저광(41)을 실선으로 표시하고 제2 레이저광(43)을 점선으로 표시하였으며, 제1 레이저광과 제2 레이저광의 광강도 그래프는 설명을 위한 도식적인 것으로 실제 레이저광의 광강도 그래프와 상이할 수 있다.

도면을 참조하면, 제1 레이저광(41)은 광축(45)에서 가장 큰 광강도를 가지며 중심에서 멀어질수록 강도가 약해진다. 이 때 분말을 융용할 수 있는 광강도를 가지는 반경까지를 제1 레이저광의 조사영역(Ap)으로 표시하였다. 도시한 실시예에서, 제1 레이저광(41)을 콜리메이트 광으로 구현할 수 있으며 조사 영역(Ap) 내에서 제1 레이저광(41)이 대략 일정한 광강도를 가질 수 있다.

제2 레이저광(43)은 링 형상(또는 도넛 형상)으로 조사되며, 따라서 도면에 도시한 것처럼 제2 레이저광(43)은 광축(45)에서 일정 거리 이격된 영역에서 가장 큰 광강도를 가진다. 도시한 일 실시예에서 제2 레이저광(43)은 콜리메이트 광으로 구현될 수 있다. 제2 레이저광(43)은 클래딩용 분말을 용융할 수 있을 정도의 광강도보다 약한 광강도를 가지며, 적층 대상(예를 들어 시편(20)이나 기적층된 클래드층(30))을 가열할 수 있다.

또한 추가적으로, 제2 레이저광(43)은 클래드용 분말을 예열할 수도 있다. 예를 들어 클래드용 분말이 용융 풀(예컨대 조사영역(Ap)과 동일한 영역)을 향해 분사될 때, 분사되는 분말이 제2 레이저광(43)의 조사영역을 통과하여 안쪽의 원 형상의 조사영역(Ap)으로 투하되기 때문에, 분말이 제2 레이저광(43)을 통과하는 과정에서 미리 예열되고 그 후 용융 풀로 투하될 수 있다.

이와 같이 제2 레이저광(43)을 용융 풀을 형상하는 제1 레이저광(41)의 주위로 링 형상으로 조사함으로써 적층 대상 중 용융 풀 주위를 둘러싸는 영역을 가열할 수 있으므로, 융용 풀의 바로 앞쪽의 아직 적층되지 않은 영역(즉 레이저광 출력단(10)의 진행경로상의 앞쪽 영역)에 대해서는 적층 대상을 미리 예열하는 효과가 있고, 융용 풀의 바로 뒤쪽의 기적층된 영역(즉 레이저광 출력단(10)의 진행경로상의 뒤쪽 영역)에 대해서는 기적층된 클래드층이 바로 냉각하지 않고 소정 온도로 일정 시간 유지한 후 서서히 냉각하도록 함으로써, 적층된 클래드층의 급냉으로 인해 클래드층이 쉽게 부서지는 것을 방지할 수 있다.

또한 제2 레이저광(43)이 용융 풀 주위로 링 형상으로 조사되기 때문에, 레이저광 출력단(10)이 어느 방향으로 움직이더라도 그 진행방향의 앞부분 영역에 대해 예열 기능을 가지며 진행방향의 뒷부분 영역에 대해서는 급냉 방지 기능을 발휘할 수 있다.

한편 이러한 링 형상의 제2 레이저광을 만들기 위해 공지의 광학수단이 사용될 수 있다. 예를 들어 액시콘 렌즈(axicon lens), 광 볼텍스 위상판(optical vortex phase plate), 또는 갈바노 스캐너(Galvano scanner)와 같은 광학수단을 이용하면 링 형상의 레이저광을 생성할 수 있다.

도5는 대안적 실시예에 따라 생성되는 레이저광을 설명하기 위한 도면으로, 도5(a)는 클래드층(30)의 표면에 조사되는 레이저광(40)을 위에서 바라본 모습이고, 도5(b)는 레이저광의 광강도를 설명하기 위한 도면이다.

도3 및 도4의 실시예와 비교할 때 도5의 실시예에서는 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)이 부분적으로 중첩되어 조사된다. 즉 제1 레이저광(41)의 원 형상의 조사영역(Ap)의 경계부와 제2 레이저광(43)의 링 형상의 조사영역(Ah)의 안쪽 경계부가 부분적으로 오버랩되도록 초점을 맞추어 적층대상에 조사할 수 있다.

이 실시예에 따르면, 제1 레이저광(41)의 조사영역(Ap)의 경계부가 중심부(즉 광축(45)에 가까운 영역)만큼 강한 광강도를 갖지 못하는 경우라 하더라도, 이 조사영역(Ap)의 경계부가 제2 레이저광(43)의 조사영역(Ah)과 중첩되므로 조사영역(Ap)의 중심부 만큼 강한 광강도를 가질 수 있어 전체 조사영역(Ap)에 걸쳐 용융 풀을 형성하기에 충분한 에너지를 제공할 수 있다.

도6은 또다른 대안적 실시예에 따라 생성되는 레이저광을 설명하기 위한 도면이다. 도6(a)를 참조하면, 제1 레이저광(41)에 의해 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상의 조사 영역(Ap)이 형성되고, 제2 레이저광(43)에 의해 제1 레이저광(41) 주위를 타원형으로 둘러싸는 형상의 조사 영역(Ah)이 형성된다.

또 다른 대안적 실시예로서 도6(b)는 제1 레이저광(41)에 의해 적층 대상의 표면에 사각형(예컨대 정사각형 또는 직사각형)의 조사 영역(Ap)이 형성되고 제2 레이저광(43)에 의해 제1 레이저광을 사각형 형상으로 둘러싸는 조사 영역(Ah)이 형성되는 모습을 도시하였다. 짧은 시간에 넓은 면적의 가공을 위해서 원형 레이저광이 아닌 사각형 또는 직사각형의 빔을 형성해서 3D 프린팅을 행하는 경우도 있기 때문에, 이 때는 가열용의 제2 레이저광을 여기에 맞게 직사각형의 조사 영역을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉 제2 레이저광(43)이 반드시 링 형상으로 조사될 필요는 없으며, 구체적 실시 형태에 따라 제2 레이저광이 타원형, 사각형 등과 같이 임의의 형상으로 제1 레이저광(41)의 주위를 둘러싸도록 조사되어도 무방함을 이해할 것이다.

다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 도3 내지 도5에 도시한 것처럼 제1 레이저광(41)이 소정 직경의 원 형상으로 조사되는 광이고, 제2 레이저광(43)은 제1 레이저광을 둘러싸는 링 형상으로 조사되는 광이라고 가정하고 이하의 실시예들을 설명하기로 한다.

이제 도7을 참조하여 상술한 제1 및 제2 레이저광(41,43)을 생성하고 조사할 수 있는 예시적인 3차원 레이저 프린팅 장치를 설명하기로 한다.

도7을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 레이저 프린팅 장치는 레이저 광원(50), 분말 공급장치(60), 헤드 유닛(100), 스테이지(200), 및 제어부(300)를 포함할 수 있다.

레이저 광원(50)은 시편(20)에 조사할 레이저광을 생성하는 장치이며, 생성된 레이저광은 헤드 유닛(100) 내의 광학 경로를 통과하여 레이저광 출력단(10)으로부터 출력된다. 레이저광 출력단(10)에서 출력되는 레이저광은 시편(20)에 조사되고 시편(20) 위에 클래드층이 적층된다.

여기서 시편(20)은 클래드층이 적층되는 기본 모재(basic material)이며 '기판'이라고도 불리운다. 시편(20)의 재질은 한정되지 않으며, 예컨대 저탄소강, 저합금강, 스테인리스, 알루미늄, 주철, 공구강, 초합금 등이 사용될 수 있다.

분말 공급장치(60)는 시편(20)에 적층할 클래드층의 성분이 되는 클래드 분말을 저장하고 이를 시편(20)에 공급하는 장치로서, 공급관(61)의 끝단에 연결된 분말 공급노즐(65)을 통해 분말을 공급한다. 이 때 사용되는 분말은 예를 들어 스텔라이트(Stellite), 텅스텐 합금, 코발트 및 니켈 합금, 구리합금, 세라믹 등 다양한 재료가 사용될 수 있고, 금속, 합금, 세라믹의 종류는 특별히 한정되지 않는다.

레이저광 출력단(10) 및 분말 공급노즐(65)이 일체가 되어 움직이는 것이 바람직하므로 도면에 도시한 것처럼 레이저광 출력단(10)과 공급노즐(65)이 헤드 유닛(100)에 부착되어 일체로 이동할 수 있게 설계될 수 있다.

분말 공급노즐(65)에서 레이저광의 조사 영역(용융 풀)을 향해 분말을 분사하는 방식으로는, 예를 들어 측면 분말 공급방식(Lateral Powder-feeding), 원심형 분말 공급방식(Concentric Powder-feeding) 등이 있다.

측면 분말 공급방식은 레이저광 출력단(10)의 주위의 적어도 하나의 측면에 분말 공급노즐(65)이 배치된다. 이 방식은 레이저광을 기준으로 측면의 어느 한 방향으로부터 분말을 용융 풀에 공급하는 방법으로, 공급노즐(65)의 설계방식에 따라 분말의 손실률을 줄일 수 있고 비교적 두터운 클래드층(30)을 형성하는데 적합하다. 그러나 클래딩 방향(즉, 시편(20) 또는 레이저광의 이동방향)에 따라 클래드층(30)의 형태와 높이가 변화하는 이방성이 존재하기 때문에 적층 경로에 제약이 존재하는 단점이 있다. 원심형 분말 공급방식은 분말 공급노즐(65)이 레이저광 출력단(10) 둘레를 동심원으로 둘러싸도록 배치되고 이에 따라 레이저광을 중심으로 모든 방향으로부터 균일하게 분말이 용융 풀에 공급될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상술한 원심형 분말공급방식 또는 다수의(예컨대 3개 정도) 분말 공급노즐을 사용할 수 있으나 이러한 구성에 한정되지 않는다.

또한 도면에 도시하지 않았지만, 용융 풀을 주변 공기로부터 차단하기 위해 아르곤 등의 보호가스(shielding gas)를 용융 풀로 공급하는 노즐 및 레이저광 출력단(10)을 냉각하는 냉각수 공급관 등이 레이저광 출력단(10)의 주위에 더 배치될 수 있다.

시편(20)은 스테이지(200) 위에 지지되어 고정될 수 있다. 시편(20)의 표면에 클래드층을 적층하기 위해 헤드 유닛(100)과 스테이지(200)가 서로 상대적으로 X, Y, Z축의 각 방향으로 이동할 수 있어야 한다. 이를 위해 일 실시예에서 스테이지(200)가 고정되고 헤드 유닛(100)이 X, Y, Z 방향으로 구동될 수 있다. 다른 실시예에서, 헤드 유닛(100)이 고정되고 스테이지(200)가 X, Y, Z 방향으로 구동될 수도 있으며, 또 다른 실시예에서는 헤드 유닛(100)과 스테이지(200)가 각각 X, Y, Z 방향으로 움직일 수도 있다. 헤드 유닛(100) 및/또는 스테이지(200)의 각각은 구동장치(미도시)에 의해 구동될 수 있으며 이러한 구동장치는 예컨대 헤드 유닛(100) 및/또는 스테이지(200)를 X, Y, Z 방향별로 각기 구동하는 구동모터나 구동 실린더 등으로 구성될 수 있다.

제어부(300)는 클래드층의 적층에 의해 만들어질 조형물에 대한 CAD 데이터로부터 2차원 단면 정보를 산출하고 각 2차원 단면 정보를 바탕으로 각 클래드층마다의 적층 프로세스를 미리 설정하여 저장하고 있다. 이 때 각 클래드층의 적층을 위한 적층 프로세스에 포함되는 변수로는 예컨대 적층 경로, 레이저광의 출력, 분말의 공급량, 및 헤드 유닛과 스테이지 사이의 상대적 속도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

그 후 제어부(300)는 적층 프로세스에 따른 적층 경로, 레이저광 출력, 분말 공급량, 및 헤드유닛과 스테이지 사이의 상대적 속도 등에 대한 제어신호를 레이저 광원(50), 분말 공급장치(60), 헤드 유닛(100), 및 스테이지(200)에 각각 전달함으로써 클래드층을 적층할 수 있다.

한편 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 프린팅 장치에서 헤드 유닛(100)은 레이저 광원(50)으로부터 레이저광을 수신하고 이로부터 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)을 생성하는 광학 시스템을 포함한다. 도3 내지 도5를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 레이저광(41)은 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되는 레이저광이고, 제2 레이저광(43)은 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 가지며 적층 대상의 표면에 제1 레이저광(41) 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사되는 레이저광이다. 도6을 참조하여 설명한 것처럼 대안적 실시예에서 제1 레이저광과 제2 레이저광의 형상이 달라질 수 있음은 물론이다.

일 실시예에서, 헤드 유닛(100) 내의 광학 시스템은 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)을 생성하기 위해 빔 스플리터와 빔 결합기를 포함할 수 있다. 빔 스플리터는 레이저 광원(50)에서 생성된 레이저광을 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광으로 분할할 수 있고, 빔 결합기는 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합할 수 있다. 그리고 이렇게 결합된 제1 및 제2 레이저광은 하나 이상의 렌즈와 같은 광학수단을 거치면서 초점이 조절된 후 적층 대상(예컨대 시편(20) 또는 기적층된 클래드층(30))을 향해 조사된다.

대안적 실시예에서, 레이저 광원(50)이 2개의 레이저 광원을 포함할 수 있다. 각각의 레이저 광원은 제1 레이저광(41) 및 제2 레이저광(43)을 각각 생성하고, 헤드 유닛(100) 내의 광학 시스템은 제1 레이저광과 제2 레이저광을 수신한 후 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합한 후 적층 대상을 향해 조사할 수 있다.

이하에서 도8 내지 도10을 참조하여 복수개의 예시적인 광학 시스템 구성을 차례로 설명하기로 한다.

도8은 제1 실시예에 따른 광학 시스템을 개략적으로 나타낸다.

도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 시스템은 빔 스플리터(120), 빔 결합기(130), 레이저광을 링 형상으로 만드는 광학장치(170), 및 복수개의 광학수단(110,140,150,160)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서 광학수단(110)은 콜리메이팅 렌즈이고, 레이저 광원(50)에서 생성된 레이저광이 광학수단(110)을 통과하면서 콜리메이트 광이 될 수 있다. 레이저 광원(50)에서 생성되어 출력되는 레이저광이 콜리메이트 광인 경우 광학수단(110)은 생략될 수 있다. 또 다른 예로서, 적층 대상에 콜리메이팅된 광을 조사할 필요가 없는 경우에도 광학수단(110)을 생략할 수 있음은 물론이다.

광학수단(110)을 통과한 레이저광은 빔 스플리터(120)에서 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)으로 분할된다. 빔 스플리터(120)는 예컨대 다이크로익 렌즈(필터)를 포함할 수 있으며, 그 외에 공지된 기술에 의해 구현될 수 있다.

이 때 제1 레이저광(41)은 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 제2 레이저광(43)은 이보다 약한 광강도를 가져야 하므로, 예를 들어 빔 스플리터(120)에서 레이저광을 분할할 때 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)을 예컨대 7:3 또는 8:2 등의 미리 설정된 분할 비율로 분할하도록 구성할 수 있다.

제1 레이저광(41)은 빔결합기(130)를 거쳐서 광학수단(140)으로 향한다. 광학수단(140)은 적층 대상(예컨대 시편(20))에 조사될 레이저광의 초점을 조절하는 렌즈를 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저광(41)은 광학수단(140)을 통해 초점이 조절된 후 적층 대상을 향해 원 형상의 콜리메이트 광으로 조사될 수 있다.

빔 스플리터(120)에서 분할된 제2 레이저광(43)은 미러(150,160)와 같은 광학수단을 거쳐서 광학장치(170)로 향한다. 광학장치(170)는 제2 레이저광을 링 형상(또는 도넛 형상)의 광으로 만든다. 이를 위해 일 실시예에서 광학장치(170)는 액시콘 렌즈, 광 볼텍스 위상판, 또는 갈바노 스캐너 등으로 구현될 수 있고, 그 외에 공지된 기술에 의해 링 형상의 레이저광을 생성할 수 있다.

광학장치(170)를 통과한 제2 레이저광(43)은 빔 결합기(130)에서 제1 레이저광(41)과 결합된다. 이 때 하나의 광축(도3의 45)을 기준으로 제1 및 제2 레이저광이 정렬(alignment)되어 결합된다. 빔 결합기(130)는 프리즘, 다이크로익 렌즈 등 공지의 광학수단으로 구현될 수 있다.

빔 결합기(130)를 통과한 제2 레이저광(43)은 광학수단(140)에서 초점이 조절된 후 적층 대상을 향해 조사되며, 이상과 같은 광학 시스템 구조에 의해, 제1 레이저광(41)은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고 이와 동시에 제2 레이저광(43)은 적층 대상의 표면에 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사될 수 있다.

또한 도8은 광학 시스템의 일 예를 도시한 것으로, 광 경로상에 추가의 광학수단이 부가되거나 기존의 광학수단 중 일부가 생략될 수 있음은 물론이다. 예를 들어 제2 레이저광(43)의 초점을 조절하기 위한 광학수단(예컨대 렌즈)을 제2 레이저광의 광 경로상에서 광학장치(170)와 레이저 광원(50)의 사이의 임의의 위치에 추가로 배치할 수 있다. 일 예로서 광학장치(170)와 미러(160) 사이에 렌즈를 추가로 배치하고 이 렌즈를 조절하여(예를 들어 렌즈를 광경로상에서 앞뒤로 이동) 제2 레이저광의 초점을 조정함으로써 제2 레이저광의 링 형상의 두께(즉 링 형상의 외주 반경 및/또는 내주 반경의 크기)를 조정할 수 있다.

도9는 제2 실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 제2 실시예에 따른 광학 시스템은 빔 결합기(130), 레이저광을 링 형상으로 만드는 광학장치(170), 및 복수개의 광학수단(110,140,180)을 포함할 수 있다. 또한 제2 실시예에서는 2개의 레이저 광원(50,70)이 사용될 수 있다.

일 실시예에서 제1 레이저 광원(50)은 제1 레이저광(41)을 생성하기 위한 광원이며, 광학수단(110)은 콜리메이팅 렌즈이다. 이에 따라 제1 레이저 광원(50)에서 생성된 레이저광이 광학수단(110)을 통과하면서 콜리메이트 광이 될 수 있다. 제2 레이저 광원(70)은 제2 레이저광(43)을 생성하기 위한 광원이며, 광학수단(180)은 콜리메이팅 렌즈를 포함할 수 있다. 이에 따라 제2 레이저 광원(70)에서 생성된 레이저광이 광학수단(180)을 통과하면서 콜리메이트 광이 될 수 있다.

각각의 레이저 광원(50,70)에서 생성되어 출력되는 레이저광이 콜리메이트 광인 경우 광학수단(110,180)은 생략될 수 있다. 또 다른 예로서, 적층 대상에 콜리메이팅된 광을 조사할 필요가 없는 경우에도 광학 시스템에서 광학수단(110,180)을 생략할 수 있음은 물론이다.

광학수단(110)을 통과한 제1 레이저광(41)은 빔 결합기(130)를 거쳐서 광학수단(140)으로 향한다. 광학수단(140)은 적층 대상(예컨대 시편(20))에 조사될 레이저광의 초점을 조절하는 렌즈를 포함할 수 있다. 이에 따라 제1 레이저광(41)은 광학수단(140)을 통해 초점이 조절된 후 적층 대상을 향해 원 형상의 콜리메이트 광으로 조사될 수 있다.

광학수단(180)을 통과한 제2 레이저광(43)은 광학장치(170)로 향한다. 광학장치(170)는 제2 레이저광을 링 형상(또는 도넛 형상)의 광으로 만든다. 일 실시예에서 광학장치(170)는 액시콘 렌즈, 광 볼텍스 위상판, 또는 갈바노 스캐너 등으로 구현될 수 있다.

광학장치(170)를 통과한 제2 레이저광(43)은 빔 결합기(130)에서 제1 레이저광(41)과 결합된다. 이 때 하나의 광축(도3의 45)을 기준으로 제1 및 제2 레이저광이 정렬되어 결합된다. 빔 결합기(130)는 프리즘, 다이크로익 렌즈 등 공지의 광학수단으로 구현될 수 있다.

빔 결합기(130)를 통과한 제2 레이저광(43)은 광학수단(140)에서 초점이 조절된 후 적층 대상을 향해 조사되며, 이상과 같은 도8의 광학 시스템 구조에 의해, 제1 레이저광(41)은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고 이와 동시에 제2 레이저광(43)은 적층 대상의 표면에 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사될 수 있다.

또한 도9는 광학 시스템의 일 예를 도시한 것으로, 광 경로상에 추가의 광학수단이 부가되거나 기존의 광학수단 중 일부가 생략될 수 있다. 예를 들어 제2 레이저광(43)의 초점을 조절하기 위한 광학수단(예컨대 렌즈)이 제2 레이저광의 광 경로상에서 광학장치(170)와 레이저 광원(70)의 사이의 임의의 위치에 추가로 배치될 수 있다. 일 예로서 제2 레이저광이 광학수단(180)에 도달하기 전의 경로 상에 렌즈를 추가로 배치하고 이 렌즈를 조절함으로써 제2 레이저광의 링 형상의 두께를 조정할 수 있다. 또는 대안적으로, 광학수단(180)을 제2 레이저광의 광 경로상에서 앞뒤로 이동시키면서 링 형상의 두께(즉 링 형상의 외주 반경 및/또는 내주 반경의 크기)를 조절할 수도 있다.

도10은 제3 실시예에 따른 광학 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도10의 제3 실시예는 도8의 제1 실시예의 구체적인 예로서, 광학장치(170)로서 액시콘 렌즈(171)를 사용한 경우를 도시한 것이다. 따라서 도8과 비교할 때 도10의 빔 스플리터(120), 빔 결합기(130), 및 복수개의 광학수단(110,140,150,160)은 도8의 각 구성요소들에 대응하고 동일 또는 유사한 기능을 하므로 이하에서 설명을 생략한다.

도10의 제3 실시예에서, 액시콘 렌즈(171)는 도시한 것처럼 렌즈의 한쪽면은 평평하고 다른쪽 면은 렌즈 중심을 향해 돌출된 형태를 갖는 렌즈이다. 액시콘 렌즈(171)를 통과한 제2 레이저광(43)은 빔 결합기(130)를 거쳐 광학수단(140)에 도달할 때 링 형상의 레이저광으로 변형되어 도달한다. 이 때 필요에 따라 제2 레이저광(43)의 링 두께 조절을 위한 광학수단(예컨대 렌즈)이 추가로 설치될 수 있다.

일 예로서, 제2 레이저광의 광 경로상에서 액시콘 렌즈(171)와 레이저 광원(50)의 사이의 임의의 위치(예를 들어, 액시콘 렌즈(171)와 미러(160) 사이)에 렌즈를 추가로 배치하고 이 렌즈를 조절함으로써 제2 레이저광의 링 형상의 두께(즉 링 형상의 외주 반경 및/또는 내주 반경의 크기)를 조정할 수 있다.

액시콘 렌즈(171)를 통과한 제2 레이저광(43)은 빔 결합기(130)에서 제1 레이저광(41)과 결합되며, 하나의 광축(도3의 45)을 기준으로 제1 및 제2 레이저광이 정렬되어 결합된다. 빔 결합기(130)를 통과한 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)은 동시에 적층 대상을 향해 조사되며, 이상과 같은 광학 시스템 구조에 의해, 제1 레이저광(41)은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고 제2 레이저광(43)은 적층 대상의 표면에 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사될 수 있다.

도11은 일 실시예에 따른 레이저광 생성 및 조사 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도11을 참조하여 본 발명의 레이저광 생성 및 조사 방법을 설명하되 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 생략한다.

우선 단계(S110)에서, 레이저 광원에서 생성된 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할한다. 이 단계(S110)는, 예를 들어 도8을 참조할 때, 레이저 광원(50)에서 생성된 레이저광을 빔 스플리터(120)에서 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)으로 분할하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 대안적 실시예에서, 이 단계(S110)에서 제1 레이저광과 제2 레이저광을 각각 별개의 레이저 광원에 의해 생성할 수 있다.

다음으로 단계(S120)에서, 제2 레이저광을 링 형상의 광으로 조절한다. 이 단계(S120)에서 예를 들어 제2 레이저광(43)이 광학장치(170)를 통과하며 링 형상의 광으로 변형될 수 있으며, 이 광학장치(170)는 액시콘 렌즈, 광 볼텍스 위상판, 또는 갈바노 스캐너 등으로 구현될 수 있다.

그 후 단계(S130)에서, 제1 레이저광과 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합한다. 이 단계(S130)는 예를 들어 제1 레이저광(41)과 제2 레이저광(43)을 빔 결합기(130)로 통과시켜 광축을 중심으로 정렬하는 것을 포함할 수 있다.

그 후 단계(S140)에서, 광축을 중심으로 정렬된 제1 레이저광과 제2 레이저광이 적층 대상에 동시에 조사되며, 이에 따라 제1 레이저광은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고 이와 동시에 제2 레이저광은 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사될 수 있다.

이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자라면 상술한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 일 예로서, 도면을 참조하여 상술한 실시예는 3D 프린팅 방식 중 DED(Directed Metal Deposition) 방식을 예로 들어 설명한 것이다. 그러나 본 발명은 다른 3D 프린팅 방식, 예컨대 PBF(Powder Bed Fusion) 방식에도 적용될 수 있다. PBF 방식은 분말을 베드에 한층씩 깔고 원하는 부분 용융시키고 또 한 층깔고 용융시키기를 반복하여 3D 적층체를 형성하는 방법으로, 본 발명의 적층용 제1 레이저광 및 가열용 제2 레이저광을 동시에 조사하는 기술구성이 적용될 수 있다.

또한 상술한 실시예에서는 3D 적층체를 형성할 때 사용되는 레이저광을 적층용의 제1 레이저광과 가열용의 제2 레이저광으로 구성하는 방법과 장치를 개시하였지만, 본 발명은 전자빔으로 3D 적층체를 형성하는 방법에도 적용될 수 있음은 물론이다. 즉 전자빔을 적층 대상에 조사할 때에도 적층용의 제1 전자빔과 제1 전자빔 주위를 둘러싸며 적층 대상을 가열하기 위한 제2 전자빔을 구성할 수 있을 것이다.

또한 도8 내지 도10의 실시예에서 콜리메이팅 렌즈나 광학렌즈와 같은 광학수단(110,140,180), 빔 스플리터(120), 빔 결합기(130), 광학장치(170) 등의 광학계를 단순히 사각형 또는 볼록 렌즈 형태 등으로 간략하게 도시하였지만, 이는 본 발명의 실시예를 구성하는 구성요소를 개념적으로 간략히 도시하기 위한 것이며, 실제 장치의 구현시에는 각 광학계의 구체적 형상이나 구조가 달라질 수 있음은 물론이다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 레이저광 출력단
20: 시편
30: 클래드층
40,41,43: 레이저광
45: 광축
50, 70: 레이저 광원
60: 분말 공급장치
100: 헤드 유닛
110: 140,180: 광학수단
120: 빔 스플리터
130: 빔 결합기
170: 광학장치
171: 액시콘 렌즈
200: 스테이지
300: 제어부

Claims

광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서,
상기 광학 시스템이,
분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 적층 대상의 표면에 조사되는 제1 레이저광(41); 및
적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 가지며, 상기 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광의 둘레를 둘러싸는 형상으로 조사되는 제2 레이저광(43);을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광이 부분적으로 중첩됨으로써 상기 제1 레이저광의 조사영역(Ap)의 경계부와 상기 제2 레이저광의 조사영역(Ah)의 안쪽 경계부가 부분적으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 레이저광은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고, 상기 제2 레이저광은 상기 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 시스템이,
레이저 광원에서 생성된 레이저광을 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광으로 분할하는 빔 스플리터; 및
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 빔 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 시스템이,
상기 제1 레이저 광을 생성하는 제1 레이저 광원;
상기 제2 레이저 광을 생성하는 제2 레이저 광원; 및
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 빔 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서,
레이저 광원에서 생성된 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 빔 스플리터(120);
상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광의 둘레를 둘러싸는 형상으로 만드는 광학장치(170); 및
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 빔 결합기(130);를 포함하고,
상기 제1 레이저광은 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 상기 제2 레이저광은 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
삭제
제 6 항에 있어서,
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광이 부분적으로 중첩됨으로써 상기 제1 레이저광의 조사영역(Ap)의 경계부와 상기 제2 레이저광의 조사영역(Ah)의 안쪽 경계부가 부분적으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 레이저광은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고, 상기 제2 레이저광은 상기 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제2 레이저광의 광 경로상에서 상기 광학장치(170)와 상기 레이저 광원 사이에 배치되어 상기 제2 레이저광의 형상의 두께를 조정할 수 있는 광학렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 광학장치(170)가, 액시콘 렌즈, 광 볼텍스 위상판, 및 갈바노 스캐너 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 장치로서,
제1 레이저 광을 생성하는 제1 레이저 광원(50);
제2 레이저 광을 생성하는 제2 레이저 광원(70);
상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광의 둘레를 둘러싸는 형상으로 만드는 광학장치(170); 및
상기 제1 레이저광과 상기 제2레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 빔 결합기(130);를 포함하고,
상기 제1 레이저광은 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 상기 제2 레이저광은 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
삭제
제 12 항에 있어서,
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광이 부분적으로 중첩됨으로써 상기 제1 레이저광의 조사영역(Ap)의 경계부와 상기 제2 레이저광의 조사영역(Ah)의 안쪽 경계부가 부분적으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 제1 레이저광은 적층 대상의 표면에 소정 직경의 원 형상으로 조사되고, 상기 제2 레이저광은 상기 적층 대상의 표면에 상기 제1 레이저광 주위를 둘러싸는 링 형상으로 조사되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 제2 레이저광의 광 경로상에서 상기 광학장치(170)와 상기 제2 레이저 광원 사이에 배치되는 광학렌즈 또는 콜리메이팅 렌즈;를 더 포함하고,
상기 광학렌즈 또는 콜리메이팅 렌즈를 상기 광 경로상에서 앞뒤로 이동시킴으로써 상기 제2 레이저광의 형상의 두께를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 광학장치(170)가, 액시콘 렌즈, 광 볼텍스 위상판, 및 갈바노 스캐너 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 장치.
광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 방법으로서,
레이저 광원에서 생성된 레이저광을 제1 레이저광과 제2 레이저광으로 분할하는 단계;
상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광의 둘레를 둘러싸는 형상의 광으로 조절하는 단계;
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 레이저광을 적층 대상의 표면에 동시에 조사하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 레이저광은 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 상기 제2 레이저광은 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광이 부분적으로 중첩됨으로써 상기 제1 레이저광의 조사영역(Ap)의 경계부와 상기 제2 레이저광의 조사영역(Ah)의 안쪽 경계부가 부분적으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 방법.
광학 시스템에서 출력되는 레이저광으로 분말을 용융하여 클래드층을 적층하는 3차원 레이저 프린팅 방법으로서,
제1 레이저광과 제2 레이저광을 각각 생성하는 단계;
상기 제2 레이저광을 상기 제1 레이저광의 둘레를 둘러싸는 형상의 광으로 조절하는 단계;
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 하나의 광축을 기준으로 정렬하여 결합하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 레이저광을 적층 대상의 표면에 동시에 조사하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 레이저광은 분말을 용융할 수 있는 광강도를 가지며 상기 제2 레이저광은 적층된 클래드층을 재용융하지 않고 가열할 정도의 광강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광이 부분적으로 중첩됨으로써 상기 제1 레이저광의 조사영역(Ap)의 경계부와 상기 제2 레이저광의 조사영역(Ah)의 안쪽 경계부가 부분적으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 프린팅 방법.