KR20180101817A - 레이저 클래딩 적층 제어시스템 - Google Patents

레이저 클래딩 적층 제어시스템 Download PDF

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신인승
박형석
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Abstract

본 발명은 클래딩층을 실시간으로 측정하여 적정 크기를 갖도록 제어하고 필요시 클래딩층을 성형 작업하거나 또는 불량부위 제거 작업을 수행함으로써 우수한 품질의 조형물을 만들수 있는 레이저 클래딩 적층 제어시스템에 관한 것으로서, 입력된 3차원 형상정보를 통해 제작하고자 하는 조형물의 2차원 단면 정보를 산출하며, 산출된 2차원의 단면 정보에 맞게 클래딩층이 형성되도록 제반 공정을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어신호에 의해 작동되고, 작업테이블, 상기 작업테이블의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 메인레인, 상기 메인레인에 전/후진 가능하게 구비되는 제1프레임과 제2프레임이 포함되는 이송부; 상기 제1프레임에 구비되고, 외부의 레이저 발생장치로부터 레이저빔을 제공받아 이를 집속한 후 조사하는 헤드본체를 포함하며, 상기 헤드본체로부터 조사되는 레이저빔에 클래딩 소재를 공급하여 상기 클래딩층을 만드는 클래딩 헤드부; 상기 클래딩층의 높이와 폭을 실시간으로 측정하여 그 측정값을 제어부에 제공하며, 상기 클래딩층 형성방향을 기준으로 상기 헤드본체의 전방에 구비되는 제1센서, 상기 헤드본체의 후방에 구비되는 제2센서 및 제3센서로 이루어지는 측정부; 상기 제1프레임에 구비되는 승하강수단과 상기 승하강수단의 단부에 구비되는 롤러로 이루어지는 성형부; 및 상기 제2프레임에 구비되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 클래딩층의 불량 부위나 클래딩층에 형성된 버를 제거하는 가공부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 클래딩 적층 제어시스템{Laser Cladding Built-up Control System}
본 발명은 레이저 클래딩 적층 제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 클래딩층을 실시간으로 측정하여 적정 크기를 갖도록 제어하고 필요시 클래딩층을 성형 작업하거나 또는 불량부위 제거 작업을 수행함으로써 우수한 품질의 조형물을 만들수 있는 레이저 클래딩 적층 제어시스템에 관한 것이다.
3차원 프린팅 기술은 분말 형태의 폴리머나 금속 등의 소재(이하 ‘클래딩 소재’라 한다)를 소결 적층하여 3차원 형상의 조형물을 제작하는 기술로서, 기존의 주조나 절삭 등의 가공 방식보다 신속하게 조형물을 제작할 수 있고, 특히 제작이 곤란한 복잡한 형상의 조형물을 용이하게 제작할 수 있어, 기존의 가공 방식을 대체할 차세대 기술로 주목받고 있다.
특히, 분말금속을 이용한 3차원 프린팅은 제조업 전반에 걸쳐 그 활용성이 증대될 것으로 예상되는데, 여기에는 클래딩 소재를 용융시키기 위해 필요한 고온의 열원을 얻기 쉽고 제어가 용이한 레이저 클래딩(cladding) 기술이 주로 이용되고 있다.
이러한 레이저 클래딩 기술을 구현하기 위한 장치 구성은 레이저 발생장치, 레이저 발생장치로부터 레이저빔을 제공받아 이를 집속하고 여기에 분말금속을 공급하여 용융 분사시키는 레이저 클래딩 헤드, 조형물이 놓여지고 3차원 이송이 가능한 테이블, 3차원 형상정보(CAD 데이터, 3차원 스캐너, 의료용 CT나 MRI 등)를 이용해 레이저 클래딩 헤드의 운전과 테이블의 이송을 제어하는 제어부로 이루어진다.
상기 제어부는 3차원 형상정보로부터 2차원의 단면 정보를 산출하고, 2차원 단면정보에 맞는 클래딩층의 적정 높이와 폭을 정한(이하 ‘적정 크기’라 한다) 다음, 실제 형성되고 있는 클래딩층이 적정 크기에 맞게 형성되도록 클래딩 소재 공급량이나 이송계의 속도 등을 제어한다.
다만, 레이저 클래딩층의 크기는 레이저의 출력, 레이저빔의 모드, 레이저빔의 크기, 소재의 이송속도, 클래딩 분말의 특성, 분말 공급량, 분말의 낙하속도, 클래딩 비드의 중첩도, 공급되는 각종 보조 가스의 종류 및 유량 등 수많은 공정변수나 작업 환경 등의 여러 요인에 의해 영향을 받는다.
따라서, 적정 크기에 맞는 클래딩층을 얻기 위해서는 클래딩층 형성 과정을 실시간으로 모니터링하고 이를 토대로 공정변수를 실시간으로 제어해야 하는 기술이 요구된다.
KR 10-0419369 B1 2004.02.06.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 적정 크기를 갖는 클래딩층이 형성되도록 제어하는 한편 필요시 성형 작업이나 제거 작업이 수행되도록 하는 레이저 클래딩 적층 제어시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 레이저 클래딩 적층 제어시스템은, 입력된 3차원 형상정보를 통해 제작하고자 하는 조형물의 2차원 단면 정보를 산출하며, 산출된 2차원의 단면 정보에 맞게 클래딩층이 형성되도록 제반 공정을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어신호에 의해 작동되고, 작업테이블, 상기 작업테이블의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 메인레인, 상기 메인레인에 전/후진 가능하게 구비되는 제1프레임과 제2프레임이 포함되는 이송부; 상기 제1프레임에 구비되고, 외부의 레이저 발생장치로부터 레이저빔을 제공받아 이를 집속한 후 조사하는 헤드본체를 포함하며, 상기 헤드본체로부터 조사되는 레이저빔에 클래딩 소재를 공급하여 상기 클래딩층을 만드는 클래딩 헤드부; 상기 클래딩층의 높이와 폭을 실시간으로 측정하여 그 측정값을 제어부에 제공하며, 상기 클래딩층 형성방향을 기준으로 상기 헤드본체의 전방에 구비되는 제1센서, 상기 헤드본체의 후방에 구비되는 제2센서 및 제3센서로 이루어지는 측정부; 상기 제1프레임에 구비되는 승하강수단과 상기 승하강수단의 단부에 구비되는 롤러로 이루어지는 성형부; 및 상기 제2프레임에 구비되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 클래딩층의 불량 부위나 클래딩층에 형성된 버를 제거하는 가공부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 레이저 클래딩 적층 제어시스템은, 상기 제어부가 상기 제1센서와 제2센서를 통해 상기 클래딩층의 높이를 측정하고 상기 제3센서를 통해 클래딩층의 폭을 측정하여 측정된 클래딩층의 높이와 폭이 상기 2차원의 단면 정보에 포함된 클래딩층의 적정 높이와 적정 폭이 되도록 제반 공정을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 레이저 클래딩 적층 제어시스템은, 상기 제1프레임이 하단이 메인레인에 구비되는 한 쌍의 제1수직 프레임, 상기 제1수직 프레임의 상단에 구비되는 제1수평 프레임 및 상기 제1수평 프레임의 하부에는 제1보조레일로 이루어지고, 상기 제1보조레일에는 제1실린더가 전/후진과 회전이 가능하게 설치되며, 상기 제1실린더에 상기 클래딩 헤드부, 측정부 및 성형부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 레이저 클래딩 적층 제어시스템은, 상기 제2프레임이 하단이 메인레인에 구비되는 한 쌍의 제2수직 프레임, 상기 제2수직 프레임의 상단에 구비되는 제2수평 프레임 및 상기 제2수평 프레임의 하부에는 제2보조레일이 이루어지고, 상기 제2보조레일에는 제2실린더가 전/후진과 회전이 가능하게 설치되며, 상기 제2실린더에 상기 가공부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 레이저 클래딩 적층 제어시스템은, 상기 제1센서와 제2센서를 통해 측정된 클래딩층의 높이가 적정 높이보다 높은 경우, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 승하강수단이 하강하여 상기 롤러가 클래딩층을 압착하는 작업이 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 클래딩 적층 제어시스템에 의하면, 헤드본체의 전방에 구비되는 제1센서, 상기 헤드본체의 후방에 구비되는 제2센서 및 제3센서를 통해 클래딩층이 적정 크기를 갖도록 실시간으로 제어하고, 제1프레임에 구비되는 성형부를 통한 성형 작업 및 제2프레임에 구비되는 가공부를 통한 불량 부위나 버의 제거 작업이 수행되도록 함으로써 본 발명에 따른 적층 제어시스템의 작업 신뢰도가 향상되게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 클래딩 적층 제어시스템을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 클래딩 적층 제어시스템의 요부를 도시한 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 클래딩 적층 제어시스템의 실시 상태를 도시한 개요도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 클래딩 적층 제어시스템을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 클래딩 적층 제어시스템의 요부를 도시한 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 레이저 클래딩 적층 제어시스템의 실시 상태를 도시한 개요도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 본 발명 제반 구성의 작동을 관할하는 제어부, 상기 제어부의 제어신호에 의해 기동되는 이송부(10), 상기 이송부(10)에 구비되고 상기 제어신호에 의해 작동되는 클래딩 헤드부(20), 측정부(30), 성형부(40) 및 가공부(50)로 이루어진다.
이하, 각 구성 요소들을 중심으로 본 발명의 구체적인 내용을 설명하면, 먼저 제어부는 각 구성의 기본적인 운전을 제어하고, 입력된 3차원 형상정보를 통해 제작하고자 하는 조형물의 2차원의 단면 정보를 산출하며, 산출된 2차원 단면 정보에 맞게 클래딩층(A)이 형성되도록 하는 제반 공정을 제어하는 작업을 수행한다.
이송부(10)는 상기 제어부의 제어신호 따라 상기 측정부(30), 성형부(40) 및 가공부(50)를 이송시키는 구성으로서, 조형물이 배치되는 작업테이블(11), 작업테이블(11)의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 메인레인(13), 상기 메인레인(13)에 전/후진 가능하게 구비되는 제1프레임(15)과 제2프레임(17)으로 이루어진다.
상기 작업테이블(11)로는 적층 작업의 진행 정도에 따라 작업 공간 확보를 위해 상하 움직임이 가능하고 또한, 원형 조형물을 제작하고자 할 경우에는 작업(제어)의 편의를 위해 회전이 가능한 테이블이 사용된다.
상기 제1프레임(15)은 하단이 메인레인(13)에 구비되는 한 쌍의 제1수직 프레임(15a)과 상기 제1수직 프레임(15a)의 상단에 구비되는 제1수평 프레임(15b)으로 이루어진다.
또한, 상기 제1수평 프레임(15b)의 하부에는 제1보조레일(15c)이 구비되고, 상기 제1보조레일(15c)에는 제1실린더(16)가 전/후진과 회전이 가능하게 구비되며, 상기 제1실린더(16)의 로드에는 클래딩 헤드부(20), 측정부(30) 및 성형부(40)가 구비되게 된다.
따라서, 클래딩 헤드부(20), 측정부(30) 및 성형부(40)는 메인레인(13)을 통한 전/후 이송, 제1보조레일(15c)을 통한 좌/우 이송 및 제1실린더(16)를 통한 회전과 상/하 이송이 가능하다.
상기 제2프레임(17) 또한 상기 제1프레임(15)의 경우와 같이 제2수직 프레임(17a), 제2수평 프레임(17b) 및 제2보조레일로 이루어지고, 상기 제2보조레일에 전/후진 및 회전이 가능한 제2실린더(18)가 구비되며, 상기 제2실린더(18)에 가공부(50)가 구비되게 된다.
클래딩 헤드부(20)는 레이저 클래딩을 만드는 구성으로서, 외부의 레이저 발생장치로부터 레이저빔을 제공받아 이를 집속한 후 조사하는 헤드본체(21) 및 헤드본체(21)로부터 조사되는 레이저빔에 클래딩 소재를 공급하고 또한 보호가스를 분사하는 공급수단(23)으로 이루어진다.
상기 보호가스는 소결 과정에서 산화에 취약한 상태에 있는 클래딩층(A)을 보호하기 위해 분사되는 가스로서, 여기에는 통상 질소 가스가 사용된다.
상기 공급수단(23)은 도 2에 도시된 바와 같이 분기관 형태로 제작되어 헤드본체(21)의 일측에 배치될 수 있고 또는 헤드본체(21)의 내부에 내장된 형태로 구비될 수 있다.
측정부(30)는 클래딩 헤드부(20)에 의해 형성되고 있는 클래딩층(A)의 높이(h)와 폭을 실시간으로 측정하여 그 측정값을 제어부에 제공하는 구성으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 클래딩층 형성방향(x)을 기준으로 헤드본체(21)의 전방에 구비되는 제1센서(31), 헤드본체(21)의 후방에 구비되는 제2센서(33) 및 제3센서(35)로 이루어지며, 상기 센서(31, 33, 35)로는 통상 비접촉식 광학 센서가 사용된다.
상기 제1센서(31)와 제2센서(33)는 클래딩층(A)과 각 센서와의 거리(ℓ, ℓ')를 측정, 이를 제어부에 제공하면, 각 거리(ℓ, ℓ')의 차가 현재 형성되고 있는 층의 높이(h)에 해당하는바, 제어부는 이를 2차원 단면 정보 중의 하나인 클래딩층(A)의 적정 높이와 비교하여 층의 높이(h)를 조절한다.
즉, 현재 형성되고 있는 클래딩층(A)의 높이가 적정 높이보다 낮은 경우에는 클래딩 소재의 공급량을 증가시키거나 또는 헤드본체(21)의 이송 속도를 감소시키는 제어 명령이 하달되어 클래딩층(A)의 높이(h)가 증가되도록 한다. 또한, 적정 높이보다 높은 경우에는 후술할 성형부(40)의 롤러(43)를 통해 압착 작업이 수행되도록 하는 동시에 클래딩 소재의 공급량을 감소시키거나 또는 헤드본체(21)의 이송 속도를 증가시키는 제어 명령이 하달된다.
한편, 상기 제3센서(35)는 성형부(40)의 후방에 배치된 상태에서 클래딩층(A)의 폭을 측정하여 이를 제어부에 제공하면, 제어부는 이를 2차원 단면 정보중에 하나인 클래딩층(A)의 적정 폭 범위 내에 있는지 여부를 비교 판단하여, 폭이 협소하면 클래딩 소재의 공급량을 증가시키거나 또는 헤드본체(21)의 이송 속도를 감소시키는 제어 명령이 하달되며, 반대로 폭이 과대하면 상기 제어 명령과 반대되는 명령이 하달되게 된다.
따라서, 본 발명의 적층 제어시스템에서는 제1센서(31), 제2센서(33) 및 성형부(40)를 통한 높이(h) 조절과 제3센서(35)를 통한 폭 조절을 통해 적정 형상의 클래딩층(A)이 적층되며 조형작업이 수행되게 된다.
성형부(40)는 제2센서(33)와 제3센서(35)의 사이에 배치되어 클래딩층(A)의 성형 작업을 수행하는 구성으로서, 제1실린더(16)의 로드에 구비되는 승하강수단(41) 및 승하강수단(41)의 단부에 구비되는 롤러(43)로 이루어진다.
상기 승하강수단(41)은 앞서 설명한 바와 같이 제1센서(31)와 제2센서(33)를 통해 측정된 클래딩층(A)의 높이(h)가 적정 높이보다 높은 경우 제어신호에 의해 하강, 단부에 구비된 롤러(43)의 압착 작업이 수행되도록 한다. 또한, 클래딩 소재의 공급량을 감소시키거나 또는 헤드본체(21)의 이송 속도를 증가시키는 제어 명령으로 인해 높이(h)가 적정 높이로 복원됨이 제1센서(31)와 제2센서(33)를 통해 확인되면, 제어신호에 의해 상승하여 롤러(43)가 원위치로 복원되도록 하는 기능을 수행한다.
상기 롤러(43)는 갓 형성되어 고온 상태인 클래딩층(A)에 접촉하여 압착 작업을 수행하는 바, 내열성 강화를 위해 표면에는 질화붕소와 같은 코팅층이 형성될 수 있다.
한편, 클래딩층(A)이 적정 크기에 맞게 형성되더라도 앞서 형성된 층의 냉각 수축과 이러한 수축의 누적으로 특정 부위의 형상(또는 위치)이 요구치와 상이해질 수 있고, 또는 적층 작업중 외부 노이즈 등 여러 원인으로 인해 클래딩층(A)에 버(burr)가 형성될 수 있다.
가공부(50)는 이러한 형상 불량 부위나 버를 제거하는 구성으로서, 여기에는 통상 엔드밀(51)이 사용되며, 전술한 바와 같이 제2실린더(18)에 고정된 상태에서 제2프레임(17)와 제2실린더(18)의 이송을 통해 해당 지점에 도달한 다음 제어부의 제어신호에 의해 제거 작업을 수행한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
10: 이송부
11: 작업테이블 13: 메인레인
15: 제1프레임 16: 제1실린더
17: 제2프레임 18: 제2실린더
20: 클래딩 헤드부
21: 헤드본체 23: 공급수단
30: 측정부
31: 제1센서 33: 제2센서
35: 제3센서
40: 성형부
41: 승하강수단 43: 롤러
50: 가공부
51: 엔드밀

Claims (5)

  1. 입력된 3차원 형상정보를 통해 제작하고자 하는 조형물의 2차원 단면 정보를 산출하며, 산출된 2차원의 단면 정보에 맞게 클래딩층(A)이 형성되도록 제반 공정을 제어하는 제어부;
    상기 제어부의 제어신호에 의해 작동되고, 작업테이블(11), 상기 작업테이블(11)의 양 측부에 구비되는 한 쌍의 메인레인(13), 상기 메인레인(13)에 전/후진 가능하게 구비되는 제1프레임(15)과 제2프레임(17)이 포함되는 이송부(10);
    상기 제1프레임(15)에 구비되고, 외부의 레이저 발생장치로부터 레이저빔을 제공받아 이를 집속한 후 조사하는 헤드본체(21)를 포함하며, 상기 헤드본체(21)로부터 조사되는 레이저빔에 클래딩 소재를 공급하여 상기 클래딩층(A)을 만드는 클래딩 헤드부(20);
    상기 클래딩층(A)의 높이(h)와 폭을 실시간으로 측정하여 그 측정값을 제어부에 제공하며, 상기 클래딩층(A) 형성방향(x)을 기준으로 상기 헤드본체(21)의 전방에 구비되는 제1센서(31), 상기 헤드본체(21)의 후방에 구비되는 제2센서(33) 및 제3센서(35)로 이루어지는 측정부(30);
    상기 제1프레임(15)에 구비되는 승하강수단(41)과 상기 승하강수단(41)의 단부에 구비되는 롤러(43)로 이루어지는 성형부(40); 및
    상기 제2프레임(17)에 구비되고, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 클래딩층(A)의 불량 부위나 클래딩층(A)에 형성된 버를 제거하는 가공부(50);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 적층 제어시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1센서(31)와 제2센서(33)를 통해 상기 클래딩층(A)의 높이(h)를 측정하고 상기 제3센서(35)를 통해 클래딩층(A)의 폭을 측정하여 측정된 클래딩층(A)의 높이(h)와 폭이 상기 2차원의 단면 정보에 포함된 클래딩층(A)의 적정 높이와 적정 폭이 되도록 제반 공정을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 적층 제어시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1프레임(15)은 하단이 메인레인(13)에 구비되는 한 쌍의 제1수직 프레임(15a), 상기 제1수직 프레임(15a)의 상단에 구비되는 제1수평 프레임(15b) 및 상기 제1수평 프레임(15b)의 하부에는 제1보조레일(15c)로 이루어지고, 상기 제1보조레일(15c)에는 제1실린더(16)가 전/후진과 회전이 가능하게 설치되며, 상기 제1실린더(16)에 상기 클래딩 헤드부(20), 측정부(30) 및 성형부(40)가 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 적층 제어시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2프레임(17)은 하단이 메인레인(13)에 구비되는 한 쌍의 제2수직 프레임(17a), 상기 제2수직 프레임(17a)의 상단에 구비되는 제2수평 프레임(17b) 및 상기 제2수평 프레임(17b)의 하부에는 제2보조레일이 이루어지고, 상기 제2보조레일에는 제2실린더(18)가 전/후진과 회전이 가능하게 설치되며, 상기 제2실린더(18)에 상기 가공부(50)가 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 적층 제어시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1센서(31)와 제2센서(33)를 통해 측정된 클래딩층(A)의 높이(h)가 적정 높이보다 높은 경우, 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 승하강수단(41)이 하강하여 상기 롤러(43)가 클래딩층(A)을 압착하는 작업이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 적층 제어시스템.
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