KR102340525B1 - Control method of slicing thickness with constant deposition and melting volume - Google Patents

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Abstract

본 발명은 등가적층 체적 높이 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정 중 경사진 면을 갖는 기재 또는 선 공정에서 형성된 용융층에 적층된 분말을 균일하게 용융시킬 수 있는 등가적층 체적높이 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 등가적층 체적높이 제어방법은 기재 또는 선공정에서 형성된 단위금속층 적층체에 적층된 분말층 용융시, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면에 적층된 분말층에 조사되는 고에너지 빔의 이동속도를 낮추거나 파워를 높이고, 또는 분말층의 두께를 조절함으로써, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면에서부터 수평면 까지 균일한 열영향부와 비교적 일정한 비드를 갖는 단위금속층을 형성할 수 있으며, 나아가서는 안정적인 3차원 제품이 생성될 수 있도록 한다.The present invention relates to a method for controlling the volume height of equivalent lamination, and more particularly, it is possible to uniformly melt the powder laminated on the molten layer formed in the molten layer formed in the substrate or the line process having an inclined surface during the energy-controlled deposition (Directed Energy Deposition) process. It relates to a method for controlling the equivalent stacked volume height.
The equivalent lamination volume height control method of the present invention is a high-energy beam irradiated to the powder layer laminated on the inclined surface of the substrate or unit metal layer laminate when the powder layer laminated on the substrate or the unit metal layer laminate formed in the pre-process is melted. By lowering or increasing the power, or adjusting the thickness of the powder layer, it is possible to form a unit metal layer having a uniform heat-affected zone and a relatively constant bead from the inclined surface of the substrate or unit metal layer stack to the horizontal surface, and furthermore, stable 3 Allows dimensional products to be created.

Description

등가적층 체적높이 제어방법{Control method of slicing thickness with constant deposition and melting volume}Equivalent lamination volume height control method {Control method of slicing thickness with constant deposition and melting volume}

본 발명은 등가적층 체적 높이 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정 중 경사진 면을 갖는 기재(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속층에 적층된 분말을 균일하게 용융시킬 수 있는 등가적층 체적높이 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the volume height of equivalent lamination, and more particularly, uniformly melting the powder laminated on a substrate having an inclined surface during a Directed Energy Deposition process or a metal layer formed in a line process. It relates to a method for controlling the equivalent stacking volume height that can be performed.

적층 제조(Additive Manufacturing) 공정은 금형 산업, 건축 산업 및 항공 산업 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 이를 이용한 공학 교육 또한 이루어져 기술에 대한 수요가 나날이 증가하고 있다. 적층 제조 공정은 대표적으로 재료 압출(Material Extrusion) 공정, 재료 분사 (Material Jetting) 공정, 접착제 분사(Binder Jetting) 공정, 박판 적층(Sheet Lamination) 공정, 컨테이너 광경화(Vat Photopolymerization) 공정, 분말 베드 융해(Power Bed Fusion) 공정 및 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정 등을 들 수 있다.The additive manufacturing process is widely used in various fields such as the mold industry, the building industry, and the aviation industry. The additive manufacturing process is typically a material extrusion process, a material jetting process, a binder jetting process, a sheet lamination process, a container photopolymerization process, and a powder bed melting process. (Power Bed Fusion) process and energy-controlled deposition (Directed Energy Deposition) process, etc. are mentioned.

적층제조 공정 중 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition)공정은 3차원 CAD(Computer-Aided Design) 데이터 혹은 3차원 프로그램 모델로부터 직접 금속제품을 신속하게 제작할 수 있는 레이저 금속 성형 기술이다.(이하 DED 방식 이라 함.) Among the additive manufacturing processes, the Directed Energy Deposition process is a laser metal forming technology that can quickly produce metal products directly from 3D CAD (Computer-Aided Design) data or 3D program models. box.)

DED 방식은 1kW 이상의 고출력 레이저빔을 국부적으로 조사하여 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 표면에 용융풀(melt pool)을 형성하고, 고출력 레이저빔 조사 시 동시에 분사된 금속분말도 함께 용융시켜 적층하는 방식으로, 3차원 CAD 모델 혹은 3차원 프로그램 모델을 일정한 두께로 슬라이싱(slicing)하여 산출된 2차원의 단면을 한층 씩 쌓아 올림으로써 2차원 단면들이 적층된 3차원 형상을 만든다.In the DED method, a high-power laser beam of 1 kW or more is locally irradiated to form a melt pool on the surface of a substrate (or laminated plate, original plate). In this way, by slicing a 3D CAD model or a 3D program model to a certain thickness and stacking the calculated 2D cross sections layer by layer, a 3D shape in which the 2D sections are stacked is made.

고출력 레이저빔 조사 시, 동축 분말 공급장치(Coaxial powder feeder)를 통해 실시간으로 공급되는 금속분말은 용융과 급속응고 과정을 거쳐 치밀한 조직을 가진 2차원 단면에 해당하는 단위금속층을 형성 하게 된다. 이 때 금속분말의 이송 및 산화방지를 위하여 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등과 같은 비활성 가스를 공급하게 된다. 이때 레이저빔은 3차원 CAD 모델 혹은 3차원 프로그램 모델로부터 산출된 경로에 따라 자유 이동한다.When irradiating a high-power laser beam, the metal powder supplied in real time through a coaxial powder feeder undergoes melting and rapid solidification to form a unit metal layer corresponding to a two-dimensional section with a dense structure. At this time, an inert gas such as helium (He) or argon (Ar) is supplied to transport the metal powder and prevent oxidation. At this time, the laser beam moves freely according to a path calculated from the 3D CAD model or the 3D program model.

그러므로, 3D CAD 모델과 동일한 3차원 형상을 제조하기 위해서는 3차원 프린팅에서 2차원의 단면에 해당하는 금속 단일층의 높이를 정밀하게 하는 것이 중요하다. Therefore, in order to manufacture the same three-dimensional shape as the 3D CAD model, it is important to precisely make the height of the metal single layer corresponding to the two-dimensional cross section in 3D printing.

한편, 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속 단일층이 지면에 나란한 수평면으로만 이루어진 경우에는 금속 단일층 형성 시 성질의 변화가 발생되는 열영향부(HAZ)와 단일층 두께가 균일하게 형성되기 용이하다.On the other hand, when the metal single layer formed in the substrate (or laminate, original plate) or the line process consists only of a horizontal plane parallel to the ground, the heat-affected zone (HAZ) and the single layer in which properties change when the metal single layer is formed It is easy to form a uniform thickness.

하지만, 기재(또는 적층판, 원판)(substrate) 또는 선 공정에서 형성된 금속 단일층에 경사면이 형성된 경우, 경사면에서는 공급된 분말들이 접촉되는 면적이 지면에 나란한 수평면에 공급된 분말들이 접촉되는 면적보다 넓어 열손실이 크며 용융시킬 분말량이 증가하게 되어, 수평한 면과 경사진 면에 동일한 조건으로 고에너지빔 조사 시 균일한 두께의 용융층, 즉 균일한 단위금속층을 형성하기 어려운 문제점이 있다.However, when an inclined surface is formed on a substrate (or laminate, or a single layer of metal formed in the line process), the contact area of the powders supplied on the inclined surface is wider than the contact area of the powders supplied on the horizontal plane parallel to the ground. Since the heat loss is large and the amount of powder to be melted increases, there is a problem in that it is difficult to form a molten layer of uniform thickness, that is, a uniform unit metal layer, when irradiated with a high energy beam under the same conditions on a horizontal surface and an inclined surface.

이에 따라, 공급된 분말 용융 시 수평면에서부터 경사면까지 균일한 용융층을 형성할 수 있는 방안이 요구된다.Accordingly, there is a need for a method capable of forming a uniform molten layer from a horizontal surface to an inclined surface when the supplied powder is melted.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0040744호 : 3D 프린팅 레이저빔 조사 장치 및 이를 포함하는 3D 프린팅 레이저빔 조사 시스템Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0040744 : 3D printing laser beam irradiation device and 3D printing laser beam irradiation system including the same

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 수평면에서보다 경사면에서 분말층의 접촉면적이 커 열손실과 분말량이 증가되는 점을 고려하여, 수평면과 경사면들 사이에 고에너지빔의 조사 조건이나 분말공급량을 조절하여 금속분말들의 용융량을 조절하여 비교적 균일한 두께로 용융된 단위금속층을 형성 할 수 있는 등가적층 체적높이 제어방법을 제공하고자 한다.The present invention was created to solve the above problems. Considering that the contact area of the powder layer is larger on the inclined surface than on the horizontal surface, so that heat loss and the amount of powder are increased, irradiation of a high energy beam between the horizontal surface and the inclined surfaces An object of the present invention is to provide an equivalent lamination volume height control method capable of forming a molten unit metal layer with a relatively uniform thickness by controlling the melting amount of metal powders by adjusting the conditions or powder supply amount.

상기의 목적을 달설하기 위한 본 발명의 등가적층 체적높이 제어방법은 기재 또는 단위금속층 적층체에 용융된 용융풀을 형성하고 상기 용융풀로 공급된 다수의 금속분말이 형성하는 분말층을 함께 용융시킬 수 있도록 상기 고에너지빔을 조사하되 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체의 경사면에서 지면에 나란한 수평면 방향으로 상기 고에너지 빔을 이동시키면서 조사하는 빔 조사단계와; 동일 직경의 상기 고에너지 빔에서, 상기 수평면 대비 상기 분말층이 접촉되는 면적이 커 열손실율이 증가하는 상기 경사면에 적층된 상기 분말층이 상기 수평면에 적층된 상기 분말층과 균일하게 용융될 수 있도록, 상기 분말층을 용융시켜 형성된 비드를 생성시키기 위한 상기 고에너지 빔의 이송속도, 파워 또는 분말공급량을 조절하는 적층 조절단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method for controlling the volume height of equivalent lamination of the present invention forms a molten pool on a substrate or a unit metal layer laminate and melts the powder layers formed by a plurality of metal powders supplied to the molten pool together. a beam irradiation step of irradiating the high energy beam while moving the high energy beam in a horizontal direction parallel to the ground from the inclined surface of the substrate or the unit metal layer stack; In the high-energy beam of the same diameter, the powder layer stacked on the inclined surface, in which the heat loss rate increases because the contact area of the powder layer is large compared to the horizontal plane, so that the powder layer stacked on the horizontal plane can be uniformly melted with the powder layer stacked on the horizontal plane , a lamination control step of adjusting the feed rate, power, or powder supply amount of the high energy beam to generate beads formed by melting the powder layer.

상기 적층 조절단계는 상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서보다 상기 분말층 내의 잔류응력이 감소될 수 있도록, 상기 고에너지 빔의 파워를 감소시키는 빔 파워감소단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The stacking adjustment step is a beam power reduction step of reducing the power of the high energy beam so that, when the high energy beam is irradiated to the powder layer stacked on the horizontal plane, the residual stress in the powder layer can be reduced than on the inclined plane. It is preferable to include;

상기 적층 조절단계는 상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서 보다 상기 고에너지 빔의 이송속도를 높여 상기 수평면에서보다 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 용융량 확대를 유도하는 빔 가속단계를 포함하는 것이 바람직하다.In the stacking control step, when the high-energy beam is irradiated to the powder layer stacked on the horizontal plane, the amount of melting of the powder layer stacked on the inclined plane is increased by increasing the transport speed of the high-energy beam than on the inclined plane. It is preferable to include a beam acceleration step to induce

상기 적층 조절단계는 상기 경사면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면으로 상기 고에너지 빔의 열전달이 용이하도록, 상기 수평면에서보다 상기 금속분말의 공급량을 줄여 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 두께를 낮추는 분말공급감소단계를 포함하는 것이 바람직하다.In the stacking control step, when the high energy beam is irradiated to the powder layer stacked on the inclined surface, the amount of supply of the metal powder is reduced compared to the horizontal plane so that heat transfer of the high energy beam to the inclined surface is facilitated. It is preferable to include a powder supply reduction step of lowering the thickness of the powder layer.

상기 빔 파워감소단계는 상기 고에너지빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측의 가장자리가 상기 수평면과 상기 경사면의 경계선상을 지나갈 때, 상기 고에너지 빔의 파워출력을 감소시키는 것이 바람직하다.In the step of reducing the beam power, it is preferable to reduce the power output of the high energy beam when an edge of the rear side opposite to the moving direction of the high energy beam passes on a boundary line between the horizontal plane and the inclined plane.

상기 빔 가속단계는 상기 고에너지빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측의 가장자리가 상기 수평면과 상기 경사면의 경계선상을 지나갈 때, 상기 고에너지 빔의 이동속도를 높이는 것이 바람직하다.In the beam acceleration step, it is preferable to increase the moving speed of the high energy beam when an edge of the rear side opposite to the moving direction of the high energy beam passes on the boundary line between the horizontal plane and the inclined plane.

본 발명의 등가적층 체적높이 제어방법은 기재 또는 선 공정에서 형성된 단위금속층 적층체에 적층된 분말층 용융 시, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면에 적층된 분말층에 조사되는 고에너지 빔의 이동속도를 낮추거나 파워를 높이고, 또는 분말층의 두께를 조절함으로써, 기재 또는 단위금속층 적층체의 경사면에서부터 수평면 까지 균일한 열영향부와 비교적 일정한 비드를 갖는 단위금속층을 형성할 수 있으며, 나아가서는 안정적인 3차원 제품이 생성될 수 있도록 한다.The equivalent lamination volume height control method of the present invention is a high-energy beam irradiated to the powder layer laminated on the inclined surface of the substrate or unit metal layer laminate when the powder layer laminated on the substrate or the unit metal layer laminate formed in the line process is melted. By lowering or increasing the power, or adjusting the thickness of the powder layer, it is possible to form a unit metal layer having a uniform heat-affected zone and a relatively constant bead from the inclined surface of the substrate or unit metal layer stack to the horizontal surface, and furthermore, stable 3 Allows dimensional products to be created.

도 1은 에너지 제어형 적층 공정을 위한 시스템의 고에너지빔 기구가 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면으로 고에너지빔을 조사하는 상태를 도시한 일부 단면도이고,
도 2는 기재 또는 단위금속층 적층체의 15도 경사진 경사면을 따라 형성되는 열영향부를 표시한 도면이고,
도 3은 도 2와 동일한 경도를 갖는 기재 또는 단위금속층 적층체의 30로 경사진 경사면을 따라 형성되는 열영향부를 표시한 도면이고,
도 4는 기재 또는 단위금속층 적층체의 15도 경사진 경사면에 적층된 분말층이 용융되어 형성된 비드의 열영향부 측을 확대한 단면도이고,
도 5와 도 6은 기재 또는 단위금속층 적층체의 30도로 경사진 경사면에 적층된 분말층이 용융되어 형성된 비드의 열영향부 측을 확대한 단면도이고
도 7은 경사면을 갖는 기재 또는 단위금속층 적층체에 대한 일부 측단면도이고,
도 8은 도7의 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면과 경사면에 고에너지 빔이 조사되는 영역을 비교하기 위한 도면이다. 1 is a partial cross-sectional view showing a state in which a high-energy beam device of a system for an energy-controlled lamination process irradiates a high-energy beam to a horizontal plane of a substrate or a unit metal layer stack,
2 is a view showing a heat-affected zone formed along an inclined surface inclined at 15 degrees of a substrate or a unit metal layer laminate;
3 is a view showing a heat-affected zone formed along an inclined surface inclined at 30 of a substrate or a unit metal layer laminate having the same hardness as in FIG. 2;
4 is an enlarged cross-sectional view of the heat-affected zone side of the bead formed by melting the powder layer laminated on the inclined surface inclined at 15 degrees of the substrate or the unit metal layer laminate;
5 and 6 are enlarged cross-sectional views of the heat-affected zone side of the bead formed by melting the powder layer laminated on the inclined surface inclined at 30 degrees of the substrate or the unit metal layer laminate.
7 is a partial side cross-sectional view of a substrate or a unit metal layer laminate having an inclined surface;
FIG. 8 is a view for comparing a region to which a high energy beam is irradiated to a horizontal surface and an inclined surface of the substrate or unit metal layer laminate of FIG. 7 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 등가적층 체적높이 제어방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the equivalent stacked volume height control method according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 10에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 등가적층 체적높이 제어방법 설명을 위한 도면이 도시되어 있다.1 to 10 are diagrams for explaining a method for controlling an equivalent stacked volume height according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 등가적층 체적높이 제어방법을 구체적으로 설명하기에 앞서, 일반적인 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정을 위한 시스템의 구성을 간략히 설명한다.Prior to a detailed description of the method for controlling the equivalent stacking volume height according to an embodiment of the present invention, a configuration of a system for a general energy-controlled deposition (Directed Energy Deposition) process will be briefly described.

구체적으로 도시되지는 않았으나, 에너지 제어형 적층(Directed Energy Deposition) 공정을 위한 시스템은 챔버(미도시)와, 챔버 내에 기재(31) 또는 선공정에서 형성된 단위금속층 적층체(32)에 용융풀 형성 및 용융풀로 공급된 금속 분말을 함께 용융시키기 위한 고에너지 빔을 조사하는 고에너지 빔기구를 포함한다.Although not specifically shown, the system for the energy-controlled deposition (Directed Energy Deposition) process includes a chamber (not shown) and a molten pool formed in the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 formed in the pre-process in the chamber. and a high-energy beam mechanism for irradiating a high-energy beam for melting together the metal powder supplied to the molten pool.

고에너지 빔기구는 고출력 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진부(미도시)와, 렌즈나 미러 등의 광학부품을 조합하여 레이저 빔을 집광하는 역할을 수행하는 레이저 집광부(미도시)와, 레이저 집광부로부터 집광되어 에너지 수치가 상승된 레이저 빔이 전달되며 하방에 위치한 기재(31)로 조사하는 레이저 조사부와, 레이저조사부 주위에 금속분말을 공급하기 위한 분말공급부(미도시)를 포함할 수 있다.The high energy beam mechanism includes a laser oscillation unit (not shown) that oscillates a high-power laser beam, a laser condenser unit (not shown) that performs a role of condensing the laser beam by combining optical components such as lenses or mirrors, and a laser condensing unit It may include a laser beam condensed from the laser beam having an increased energy level, and a laser irradiation unit irradiating to the substrate 31 located below, and a powder supply unit (not shown) for supplying metal powder around the laser irradiation unit.

레이저 집광부는 레이저빔(L)의 경로의 폭을 가변적으로 조절하거나 집광하는 역할을 수행하는 것으로서, 적어도 하나 이상의 콜리메이션 렌즈와 포커싱 렌즈를 포함할 수 있다.The laser condenser serves to variably adjust or condense the width of the path of the laser beam L, and may include at least one collimation lens and a focusing lens.

레이저 조사부는 레이저 집광부를 통과한 레이저빔(L)을 조사하는 노즐(20) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 레이저 조사부는 공구 경로(Tool Path)를 따라 이동하면서 레이저 빔을 조사할 수 있으며, 레이저 조사부와 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32) 사이의 거리는 레이저 빔(L)의 초점 거리에 대응하여 조절될 수 있다. 여기서, 공구 경로는 제조하고자 하는 금속의 조형 정보를 포함하는 3차원 CAD 데이터로부터 산출될 수 있다.The laser irradiation unit may include a nozzle 20 or the like for irradiating the laser beam L that has passed through the laser condensing unit. The laser irradiation unit may radiate a laser beam while moving along a tool path, and the distance between the laser irradiation unit and the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 corresponds to the focal length of the laser beam L. can be adjusted. Here, the tool path may be calculated from 3D CAD data including modeling information of a metal to be manufactured.

노즐(20)에는 중심측에 집광된 레이저빔(L)이 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)로 조사되도록 관통형성된 빔관통부(21)와, 분말공급부와 연결되고 빔관통부(21)의 둘레에서 용융풀(미도시) 측으로 금속분말(40a)이 공급되도록 개방된 분말공급라인(22)과, 금속 단일층(40)을 적층하는 과정에서 금속 산화방지와 레이저 광학계 손상을 방지하기 위하여 불활성가스 분위기에서 용융풀이 형성되고 금속분말(40a)이 용융되어 금속 단일층(40)이 형성되도록 분말공급라인(22)의 둘레에서 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32) 방향으로 아르곤 또는 질소와 같은 보호가스를 토출하는 가스공급라인(23)이 형성된다.The nozzle 20 has a beam penetrating part 21 formed so that the laser beam L focused on the center side is irradiated to the substrate 31 or the unit metal layer stack 32, and the powder supply part and connected to the beam penetrating part ( 21) to prevent metal oxidation and damage to the laser optical system in the process of laminating the powder supply line 22 and the metal single layer 40 open so that the metal powder 40a is supplied to the molten pool (not shown) side around 21). In order to do this, a molten pool is formed in an inert gas atmosphere and the metal powder 40a is melted to form a metal single layer 40 around the powder supply line 22 in the direction of the base material 31 or the unit metal layer stack 32 . A gas supply line 23 for discharging a protective gas such as argon or nitrogen is formed.

여기서, "분말층(41)"은 분말공급라인(22)을 통해서 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면에 적층된 다수의 분말의 한 더미를 의미하며, 고에너지 빔(L)이 조사되면서 용융되어 형성된 비드로 생성된다.Here, the “powder layer 41” refers to a pile of a plurality of powders stacked on the upper surface of the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 through the powder supply line 22, and the high energy beam L ) is irradiated and melted to form beads.

단위금속층(40)은 다수의 분말층(41)이 고에너지 빔의 이동방향을 따라 공급되면서 용융풀에 용융되면서 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상면에 다수의 비드가 연속형성된 2차원적 패턴을 의미하며, 기본공정의 단위를 이룬다. 이러한 단위금속층(40)이 복수로 적층됨으로써 단위금속층 적층체(32)를 형성하며 최종적으로 기설정된 3차원적 대상 제품을 형성할 수 있는 것이다.The unit metal layer 40 is a plurality of powder layers 41 are continuously formed on the upper surface of the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 while being melted in the molten pool while being supplied along the moving direction of the high energy beam. It means a two-dimensional pattern and forms a unit of basic process. By stacking a plurality of these unit metal layers 40, the unit metal layer stack 32 is formed, and finally a predetermined three-dimensional target product can be formed.

일반적인 에너지 제어형 적층공정은 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 상부에 고에너지빔(L)을 조사하면서 상기 고에너지빔(L)이 조사되는 측으로 금속분말(40a)을 공급하여 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 용융풀을 형성하고, 상기 용융풀에 상기 금속분말을 상기 고에너지빔(L)의 이동경로를 따라 용융시키는 단위금속층 형성단계와; 금속분말 공급 및 용융시키는 과정을 반복하여 다수의 단위금속층을 적층하여 단위금속층 적층체(32)를 형성하는 다층적층단계;를 포함할 수 있다.In a general energy-controlled lamination process, a metal powder 40a is supplied to the side to which the high-energy beam L is irradiated while irradiating a high-energy beam L on the upper portion of the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 to supply the substrate. (31) or a unit metal layer forming step of forming a molten pool in the unit metal layer stack 32, and melting the metal powder in the molten pool along the movement path of the high energy beam (L); A multi-layer lamination step of forming a unit metal layer stack 32 by stacking a plurality of unit metal layers by repeating the process of supplying and melting the metal powder; may include.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 등가적층 체적높이 제어방법은 에너지 제어형 적층 공정 중 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층(41)을 용융시키기 위해 고에너지 빔을 분말층(41)에 조사하면서 금속분말을 공급하여 분말층(41)을 용융시키는 단계에서, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사진 면에서도 균일한 단일금속층을 형성할 수 있도록 고에너지 빔의 조사조건 제어 또는 분말층의 두께를 조절하는 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 등가적층 체적높이 제어방법은 단위금속층 형성단계에 포함될 수 있다.On the other hand, the equivalent lamination volume height control method according to an embodiment of the present invention uses a high energy beam to melt the powder layer 41 laminated on the base material 31 or the unit metal layer laminate 32 during the energy control type lamination process. In the step of melting the powder layer 41 by supplying metal powder while irradiating the powder layer 41, a uniform single metal layer can be formed even on the inclined surface of the base material 31 or the unit metal layer stack 32. It relates to a method of controlling the irradiation condition of a high energy beam or adjusting the thickness of a powder layer. That is, the method for controlling the volume height of equivalent stacking according to an embodiment of the present invention may be included in the step of forming the unit metal layer.

한편, 도 7을 참고하면, 동일 직경(l1) 비교 시, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에 접촉되는 부분(b)의 분말층(41)의 면적(S2)은 수평면(33)에 분말층(41)이 접촉되는 부분(a)의 면적(S1) 보다 크다. (S1 < S2)On the other hand, referring to FIG. 7 , when comparing the same diameter (l 1 ), the area of the powder layer 41 of the part (b) in contact with the inclined surface 34 of the base material 31 or the unit metal layer laminate 32 ( S 2 ) is larger than the area (S 1 ) of the portion (a) in which the powder layer 41 is in contact with the horizontal surface 33 . (S 1 < S 2 )

그리고, 도 8을 참고하면, 집속되어 분말층(41)에 인접할 수록 폭이 좁아지는 고에너지 빔(L)의 동일 직경(l2) 조건 비교 시, 수평면(33)에 접촉하는 부분(a')의 분말층(41)의 면적(S'1)은 경사면(34)에 접촉하는 부분(b')의 분말층(41)의 면적(S'2)보다 적다.(S'1 < S'2) And, referring to FIG. 8 , when comparing the conditions of the same diameter ( l 2 ) of the high energy beam L, which is focused and narrows in width as it approaches the powder layer 41 , the portion (a) in contact with the horizontal plane 33 '), the area S' 1 of the powder layer 41 is less than the area S' 2 of the powder layer 41 of the portion b' in contact with the inclined surface 34. (S' 1 < S ' 2 )

이에 따라, 경사면(34)에서 분말층(41)이 접촉되는 부분(b,b')의 열손실율은 수평면에서 분말층(41)이 접촉되는 부분(a,a')보다 크고, 경사면(34)에 적층시킬 분말량이 수평면(33)보다 증가된다. 그리고, 기울기가 클수록 경사면에 접촉되는 분말층(41)의 면적은 커지므로 더 큰 열손실율이 발생된다.Accordingly, the heat loss rate of the portion (b, b') in contact with the powder layer 41 on the inclined surface 34 is greater than the portion (a, a') in contact with the powder layer 41 in the horizontal plane, and the inclined surface 34 ), the amount of powder to be laminated on the horizontal plane 33 is increased. And, as the slope increases, the area of the powder layer 41 in contact with the slope increases, resulting in a larger heat loss rate.

그러므로, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층(41)에 동일조건으로 고에너지 빔 조사 시, 수평면(33) 대비 경사면(34)에서의 열영향부(HAZ)가 균일하게 형성되지 못하면서 단위금속층(40)의 두께가 일정하지 못하게 형성되는 문제점이 발생된다.Therefore, when irradiating a high energy beam to the powder layer 41 laminated on the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 under the same conditions, the heat affected zone HAZ on the inclined surface 34 compared to the horizontal surface 33 is There is a problem in that the thickness of the unit metal layer 40 is not uniformly formed while not being uniformly formed.

도 2 및 도 3을 참고하면, 수평면과 경사면의 열손실율과 필요한 금속분말의 차이로 인해, 일정한 고에너지 빔 조사조건으로 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32) 용융 시, 수평면과 경사면의 경계가 과용융이 발생될 수 있다. 또한, 일정한 고에너지 빔 조사 조건으로 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면과 수평면을 용융 시 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)에 형성되는 열영향부(HAZ)에 크랙이 발생되거나(도 4참조), 경사면에서의 열영향부(HAZ)의 두께가 좁게 형성되거나(도 5 참조), 열영항부(HAZ)의 두께가 균일하게 형성되지 않을 수 있다(도 6 참조).2 and 3, due to the difference between the heat loss rate between the horizontal plane and the inclined plane and the required metal powder, when the substrate 31 or the unit metal layer laminate 32 is melted under a constant high energy beam irradiation condition, the horizontal plane and the inclined plane Boundary overmelting may occur. In addition, when the inclined surface and the horizontal surface of the substrate 31 or the unit metal layer laminate 32 are melted under constant high energy beam irradiation conditions, the heat affected zone (HAZ) formed in the substrate 31 or the unit metal layer laminate 32 is applied to the Cracks may occur (see FIG. 4 ), the thickness of the heat affected zone HAZ on the inclined surface may be formed narrow (see FIG. 5 ), or the thickness of the heat affected zone HAZ may not be formed uniformly ( FIG. 6 ). Reference).

본 발명의 일 실시 예에 따른 등가적층 체적높이 제어방법은 앞에서 언급된 문제점을 해결하여, 기재 또는 단위금속층 적층체의 수평면과 경사면에 균일한 단위금속층(40)을 형성하기 위한 것으로서, 빔조사단계와, 적층조절단계를 포함할 수 있다.The equivalent lamination volume height control method according to an embodiment of the present invention solves the above-mentioned problems to form a uniform unit metal layer 40 on the horizontal and inclined surfaces of a substrate or a unit metal layer stack, a beam irradiation step And, it may include a stacking adjustment step.

빔 조사단계는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)가 용융된 용융풀을 형성하고 상기 용융풀로 공급된 분말층(41)을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔(L)을 조사하되 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에서 지면에 나란한 수평면(33) 방향으로 고에너지 빔(L)을 이동시키면서 조사하는 단계이다.In the beam irradiation step, a high energy beam L is irradiated to form a molten pool in which the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 is molten and to melt the powder layer 41 supplied to the molten pool together. This is a step of irradiating while moving the high energy beam L in the direction of the horizontal plane 33 parallel to the ground from the inclined surface 34 of the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 .

빔 조사단계는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)가 용융된 용융풀(미도시)을 형성하고 용융풀로 공급된 분말층(41)을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔(L)을 조사하되 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에서 지면에 나란한 수평면(33) 방향으로 고에너지 빔을 이동시키면서 조사하는 단계이다.In the beam irradiation step, a high energy beam (L) to form a molten pool (not shown) in which the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 is molten and to melt the powder layer 41 supplied to the molten pool together. It is a step of irradiating while moving the high energy beam from the inclined surface 34 of the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 to the horizontal plane 33 parallel to the ground.

적층조절단계는 동일 직경의 고에너지 빔(L)에서, 수평면(33) 대비 분말층(41)이 접촉되는 면적이 커 열손실율이 증가하는 경사면(34)에 적층된 분말층(41)이 수평면(33)에 적층된 분말층(41)과 함께 균일하게 용융될 수 있도록 분말층(41)을 용융시켜 형성된 비드를 생성시키기 위한 고에너지 빔(L)의 이송속도, 파워감소 또는 분말공급량을 조절하는 단계이다.In the stacking control step, in the high energy beam L of the same diameter, the powder layer 41 stacked on the inclined surface 34, which increases the heat loss rate due to the large contact area of the powder layer 41 compared to the horizontal plane 33, is a horizontal plane. Adjusting the feed rate, power reduction or powder supply amount of the high energy beam L to generate beads formed by melting the powder layer 41 so that it can be uniformly melted together with the powder layer 41 stacked on (33) is a step to

적층조절단계는 빔 파워감소단계, 빔 가속단계 및 분말공급감소단계 중 어느 하나 이상이 단계를 포함할 수 있다.The stacking adjustment step may include any one or more of a beam power reduction step, a beam acceleration step, and a powder supply reduction step.

빔 파워감소단계는 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)이 형성된 일측에서 수평면(33)이 형성된 타측으로 고에너지빔(L)의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 수평면(33)과 경사면(34)의 경계선상(3)을 지나갈 때, 고에너지 빔(L)의 파워를 감소시키는 단계이다.The beam power reduction step is the rear side opposite to the moving direction of the high energy beam (L) from one side on which the inclined surface 34 of the base material 31 or the unit metal layer stack 32 is formed to the other side on which the horizontal surface 33 is formed. It is a step of reducing the power of the high energy beam (L) when the edge of the crosses the boundary line (3) of the horizontal plane (33) and the inclined plane (34).

빔 파워감소단계는 경사면(34)에서보다 열손실율이 적어 분말층(41)의 용융이 용이한 수평면(33)에 고에너지 빔(L) 조사 시, 경사면(34)에서보다 용융이 용이한 수평면(41)에 공급된 분말층(41) 내의 잔류응력이 감소될 수 있도록, 고에너지 빔(L)의 파워출력을 감소시키는 단계이다.In the beam power reduction step, when the high energy beam L is irradiated on the horizontal surface 33 where the powder layer 41 is easy to melt because the heat loss rate is lower than that on the inclined surface 34 , the horizontal surface is easier to melt than the inclined surface 34 . It is a step of reducing the power output of the high energy beam (L) so that the residual stress in the powder layer (41) supplied to (41) can be reduced.

일 예로, 빔 파워감소단계에서 경사면(34)에 가속전압 15KeV, 방출전류 15mA 인 고에너지빔을 출력하다가, 수평면(33)에서 가속전압 10KeV, 방출전류 10mA 인 고에너지빔이 조사되도록 고에너지빔 기구의 빔 조사조건을 조절할 수 있다.For example, in the beam power reduction step, while outputting a high energy beam having an acceleration voltage of 15 KeV and an emission current of 15 mA to the inclined surface 34 , the high energy beam having an acceleration voltage of 10 KeV and an emission current of 10 mA is irradiated from the horizontal surface 33 . It is possible to adjust the beam irradiation condition of the instrument.

한편, 분말공급감소단계는 경사면(34)에 적층된 분말층(41)에 고에너지 빔(L) 조사 시, 경사면(34)으로 고에너지 빔(L)의 열전달이 용이하도록, 금속분말(40a)의 공급량을 조절하여 수평면(33)에서보다 경사면(34)에 적층된 분말층(41)의 두께를 감소시켜 용융되어 형성되는 비드의 두께를 조절하는 단계이다.On the other hand, in the powder supply reduction step, when the high energy beam L is irradiated to the powder layer 41 stacked on the inclined surface 34 , heat transfer of the high energy beam L to the inclined surface 34 is facilitated, the metal powder 40a ) by controlling the supply amount to reduce the thickness of the powder layer 41 laminated on the inclined surface 34 rather than on the horizontal surface 33 to adjust the thickness of the bead formed by melting.

분말공급감소단계에서는 고에너지빔(L)이 경사면(34) 조사 시 분말공급부를 통해 경사면(34)으로 공급되는 금속분말(40a)의 양을 수평면(33)으로 공급되는 금속분말(40a)의 양 보다 적게 공급한다. 즉, 고에너지빔(L)의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 수평면(33)과 경사면(34)의 경계선상(3)을 지나갈 때 , 금속분말(40a)의 공급량을 증가시킨다.In the powder supply reduction step, when the high energy beam L is irradiated with the inclined surface 34, the amount of the metal powder 40a supplied to the inclined surface 34 through the powder supply unit is reduced by the amount of the metal powder 40a supplied to the horizontal surface 33. supply less. That is, when the edge of the rear side, which is opposite to the moving direction of the high energy beam L, passes the boundary line 3 between the horizontal surface 33 and the inclined surface 34, the supply amount of the metal powder 40a is increased. .

한편, 빔 가속단계는 경사면(34) 보다 열손실율이 작은 수평면(33)에 적층된 분말층(41)으로 고에너지 빔(L) 조사 시, 고에너지 빔(L)의 에너지 전달시간이 경사면(33)에서보다 축소될 수 있도록, 고에너지 빔(L)의 이동속도를 높여 수평면(34)에 적층된 분말층(41)의 용융량과 열영향부의 축소를 유도한다. 반대로 말하면, 빔 가속단계는 경사면(34)에서 고에너지빔의 이동속도를 수평면(33)에서보다 낮게 하여 경사면(34)에 적층된 분말층(41)의 용융량 확대를 유도하는 것이다. On the other hand, in the beam acceleration step, when the high energy beam (L) is irradiated with the powder layer 41 stacked on the horizontal surface 33 having a smaller heat loss rate than the inclined surface 34, the energy transfer time of the high energy beam L is reduced by the inclined surface ( 33), the moving speed of the high-energy beam L is increased to induce the melting amount of the powder layer 41 stacked on the horizontal surface 34 and the reduction of the heat-affected zone. Conversely, in the beam acceleration step, the moving speed of the high-energy beam on the inclined surface 34 is lower than that on the horizontal surface 33 to induce the expansion of the melt amount of the powder layer 41 stacked on the inclined surface 34 .

빔 가속단계에서, 경사면(34)에서는 동일한 조건의 고에너지 빔(L)이 조사될 수 있도록, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 일측에서 타측으로 고에너지빔(L)의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 수평면(33)과 경사면(34)의 경계를 지나갈 때, 고에너지 빔(L)의 이동속도를 높이는 것이 바람직하다.In the beam acceleration step, the high energy beam L is moved from one side of the substrate 31 or the unit metal layer stack 32 to the other side so that the high energy beam L of the same condition can be irradiated on the inclined surface 34 . When the edge of the rear side opposite to the direction passes the boundary between the horizontal plane 33 and the inclined plane 34 , it is preferable to increase the moving speed of the high energy beam L.

빔 파워감소단계, 빔 가속단계 및 분말공급감소단계는 병행해서 이루어질 수 있는데, 빔 가속단계는 빔 파워감소단계와 동시에 이루어질 수 있으며, 분말공급감소단계는 빔가속단계와 빔 파워감소단계 전에 이루어진다.The beam power reduction step, the beam acceleration step, and the powder supply reduction step may be performed in parallel. The beam acceleration step may be performed simultaneously with the beam power reduction step, and the powder supply reduction step is performed before the beam acceleration step and the beam power reduction step.

본 발명의 일 실시 예에 따른 등가적층 체적높이 제어방법은 기재(31) 또는 선공정에서 형성된 단위금속층 적층체(32)에 적층된 분말층 용융시, 기재(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 경사면(34)에 적층된 분말층(41)으로 조사되는 고에너지 빔의 이동속도를 낮추거나 파워를 높이고, 또는 경사면(34)에 적층된 분말층(41)의 두께를 조절함으로써, 적층판(31) 또는 단위금속층 적층체(32)의 수평면(33)에서부터 경사면(34) 까지 균일한 열영향부와 비교적 일정한 비드를 갖는 용융층 즉, 단위금속층을 형성할 수 있으며, 나아가서는 안정적인 3차원 제품이 생성될 수 있도록 한다.The equivalent laminate volume height control method according to an embodiment of the present invention is performed when the powder layer laminated on the substrate 31 or the unit metal layer laminate 32 formed in the pre-process is melted, the substrate 31 or the unit metal layer laminate 32 ) by lowering the moving speed or increasing the power of the high-energy beam irradiated to the powder layer 41 laminated on the inclined surface 34, or by adjusting the thickness of the powder layer 41 laminated on the inclined surface 34, (31) or a molten layer having a uniform heat-affected zone and relatively constant beads from the horizontal surface 33 to the inclined surface 34 of the unit metal layer stack 32, that is, a unit metal layer can be formed, and furthermore, a stable three-dimensional Let the product be created.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible therefrom. The true protection scope of the invention should be defined only by the appended claims.

31 : 기재
32 : 단위금속층 적층체
33 : 수평면
34 : 경사면
40 : 단일금속층
41 : 분말층
L : 고에너지 빔31: description
32: unit metal layer laminate
33: horizontal plane
34: slope
40: single metal layer
41: powder layer
L: high energy beam

Claims (6)

기재 또는 단위금속층 적층체에 용융된 용융풀을 형성하고 상기 용융풀로 공급되는 금속분말들이 형성한 분말층을 함께 용융시킬 수 있도록 고에너지빔을 조사하되 상기 기재 또는 상기 단위금속층 적층체의 경사면에서 지면에 나란한 수평면 방향으로 상기 고에너지 빔을 이동시키면서 조사하는 빔 조사단계와;
동일 직경의 상기 고에너지 빔에서, 상기 수평면 대비 상기 분말층이 접촉되는 면적이 커 열손실율이 증가하는 상기 경사면에 적층된 상기 분말층이 상기 수평면에 적층된 상기 분말층과 균일하게 용융될 수 있도록, 상기 분말층을 용융시켜 비드를 생성시키기 위한 상기 고에너지 빔의 이송속도, 파워 또는 분말공급량을 조절하는 적층 조절단계;를 포함하고,
상기 적층 조절단계는
상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서보다 상기 분말층 내의 잔류응력이 감소될 수 있도록, 상기 고에너지 빔의 파워를 감소시키는 빔 파워감소단계와;
상기 수평면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면에서 보다 상기 고에너지 빔의 이송속도를 높여 상기 수평면에서보다 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 용융량 확대를 유도하며, 상기 빔 파워감소단계와 동시에 이루어지는 빔 가속단계와;
상기 경사면에 적층된 상기 분말층에 상기 고에너지 빔 조사 시, 상기 경사면으로 상기 고에너지 빔의 열전달이 용이하도록, 상기 빔 파워감소단계와 상기 빔 가속단계 전에 상기 수평면에서보다 상기 금속분말의 공급량을 줄여 상기 경사면에 적층된 상기 분말층의 두께를 낮추는 분말공급감소단계;를 포함하며,
상기 빔 파워감소단계는 상기 경사면에서 상기 수평면으로 이동되는 상기 고에너지빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측의 가장자리가 상기 경사면과 상기 수평면의 경계선상을 지나갈 때, 상기 경사면에서보다 상기 고에너지 빔의 파워출력을 감소시키며,
상기 빔 가속단계는 상기 경사면에서 상기 수평면으로 이동되는 상기 고에너지빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방 측의 가장자리가 상기 경계선상을 지나갈 때, 상기 경사면에서보다 상기 고에너지 빔의 이동속도를 높이며,
상기 분말공급감소단계 이후, 상기 경사면에서 상기 수평면으로 이동되는 상기 고에너지빔의 이동방향에 대한 반대방향인 후방측의 가장자리가 상기 경계선상을 지나갈 때, 상기 금속분말의 공급량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 등가적층 체적높이 제어방법.A high energy beam is irradiated to form a molten molten pool on the substrate or the unit metal layer laminate and melt the powder layer formed by the metal powders supplied to the molten pool together, but on the inclined surface of the substrate or the unit metal layer laminate. a beam irradiation step of irradiating while moving the high energy beam in a horizontal direction parallel to the ground;
In the high-energy beam of the same diameter, the powder layer stacked on the inclined surface, in which the heat loss rate increases because the contact area of the powder layer is large compared to the horizontal plane, so that the powder layer stacked on the horizontal plane can be uniformly melted with the powder layer stacked on the horizontal plane , a lamination control step of controlling the feed rate, power, or powder supply amount of the high energy beam to melt the powder layer to generate beads;
The stacking control step is
a beam power reduction step of reducing the power of the high energy beam so that, when the high energy beam is irradiated to the powder layer stacked on the horizontal plane, the residual stress in the powder layer can be reduced than on the inclined plane;
When irradiating the high-energy beam to the powder layer stacked on the horizontal plane, the high-energy beam transfer speed is increased than on the inclined plane to induce expansion of the melt amount of the powder layer stacked on the inclined plane than on the horizontal plane, a beam acceleration step performed simultaneously with the beam power reduction step;
When the high-energy beam is irradiated to the powder layer stacked on the inclined surface, the supply amount of the metal powder is higher than in the horizontal plane before the beam power reduction step and the beam acceleration step so as to facilitate heat transfer of the high-energy beam to the inclined surface a powder supply reduction step of reducing the thickness of the powder layer stacked on the inclined surface by reducing it;
In the step of reducing the beam power, when the edge of the rear side opposite to the moving direction of the high energy beam moving from the inclined plane to the horizontal plane passes on the boundary line between the inclined plane and the horizontal plane, the higher energy than on the inclined plane Reduces the power output of the beam,
In the beam acceleration step, when the edge of the rear side opposite to the moving direction of the high energy beam moving from the inclined plane to the horizontal plane passes on the boundary line, the moving speed of the high energy beam is increased than on the inclined plane, ,
After the powder supply reduction step, when the edge of the rear side opposite to the moving direction of the high energy beam moving from the inclined plane to the horizontal plane passes on the boundary line, the supply amount of the metal powder is increased A method of controlling equivalent stacked volume height. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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