KR20170048954A - 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법 - Google Patents

레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법에 관한 것으로, 소정 위치에 소재가 안착되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 상에 상호 이격되게 설치된 제1 및 제2 이동프레임과, 상기 제1 이동프레임에 설치되어 상기 소재의 표면에 클래딩 층을 형성하는 레이저 클래딩 수단과, 상기 클래딩 수단의 일측에 설치되어 상기 클래딩 층의 두께를 측정하는 측정수단 및, 상기 제2 이동프레임에 설치되어 상기 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)를 엔드 밀로 가공하는 가공수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템과 이를 이용한 레이저 클래딩 방법을 제공한다.

Description

레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법{laser cladding system and method of using the same}
본 발명은 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 각종 기계부품이나 재료의 표면에서 발생되는 취약성을 개선하고 간단한 공정으로 표면가공을 함과 아울러 기계적인 특성을 향상시킬 수 있는 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법에 관한 것이다.
레이저 직접 금속 조형기술(laser-aided direct metal manufacturing)은 기능성 소재(금속, 합금 또는 세라믹 등)를 사용하여 컴퓨터에 저장된 3차원 디지털 형상정보(digital data of 3D subjects)에 따라 정밀하게 레이저로 직접 용착시키는 레이저 클래딩(laser cladding) 기술을 이용하여 3차원 형태의 제품 또는 제품 생산에 필요한 툴(tools)을 매우 빠른 시간 내에 제작할 수 있다.
3차원 형상정보는 3차원 CAD 데이터, 의료용 CT(computer tomography; 컴퓨터 단층 촬영) 및 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상법) 데이터, 3차원 스캐너(3D Object Digitizing System)로 측정된 디지털데이터 등을 말한다.
툴은 다이(Die)나 몰드(Molds) 등의 제품 생산에 필요한 양산 금형을 말한다.
이러한 기술은 CNC(Computerized Numerical Control; 컴퓨터 수치제어) 및 기타 가공 기계를 이용한 절삭과 주조 등의 기존 가공 방식과는 비교할 수 없는 빠른 시간 내에 금속 시작품, 양산 금형, 복잡한 형상의 최종 제품 및 각종 툴을 제작할 수 있고, 역공학(Reverse Engineering)을 이용한 금형의 회복(Restoration), 리모델링(Remodeling) 및 수정(Repairing)에도 적용 가능하다.
CAD 데이터로부터 그 물리적 형상을 구현하는 기본 개념은 일반 프린터와 유사하다. 프린터가 컴퓨터에 저장되어 있는 문서 데이터 파일을 이용하여 2차원 종이 평면 위의 정확한 위치에 잉크를 입혀 문서를 제작하듯이, 직접 금속 조형기술은 3차원 CAD 데이터를 이용하여 3차원 공간의 정확한 위치에 기능성 소재를 요구하는 양만큼 형성시킴으로써 3차원의 물리적 형상을 구현한다. 이러한 기술은 3D 프린터로 개발되고 있고, 최근 플라스틱, 세라기, 종이, 금속 등 소재의 특징에 따라 각기 다른 방향으로 사용화되고 있다.
레이저 직접 금속 조형기술에서 2차원의 평면은 레이저 클래딩(laser cladding)기술을 이용하여 물리적으로 구현한다.
도 1은 일반적인 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면이다.
레이저 클래딩은 소재(10) 표면에 레이저빔(12)을 조사하여 국부적으로 용융 풀(melt pool)(14)을 만들고, 동시에 외부에서 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹, 종이 등)(16)를 공급하여 소재(10) 표면에 새로운 클래딩 층(18)을 형성시키는 기술이다.
레이저 직접 금속 조형기술에서는 3차원 CAD 데이터로부터 2차원의 단면 정보를 산출하고, 각 2차원 단면정보에 해당하는 형태와 두께 및/또는 높이를 갖는 클래딩 층을 순차적으로 형성시킴으로써 3차원 형상의 기능성 금속 제품 도는 툴을 쾌속으로 조형한다.
조형과정에서 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 형태는 단면정보로부터 산출된 공구경로와 이송계의 정밀도에 주로 의존하고, 물리적인 구현이 비교적 용이하다. 그러나, 레이저 클래딩 층의 높이는 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 공정변수에 영향을 받는다. 클래딩 과정에서 열 축적에 의해 발생되는 소재 표면의 온도변화, 소재 표면 및 레이저 발진기의 상태 등의 외부적 요인들도 형성되는 클래딩 층의 높이에 영향을 준다.
따라서, 2차원 단면정보에 해당하는 클래딩 층의 높이를 얻기 위해서는 클래딩 층의 형성과정을 실시간으로 모니터링 하여 클래딩 층의 높이에 영향을 주는 공정변수를 실시간으로 제어해야 하는 기술적인 어려움이 있다.
종래의 레이저 클래딩 공정에서는 작업 중에 발생되는 플라즈마 등으로 인해 클래딩 층의 적층시 발생되는 오차로 인해 정확한 클래딩 층의 형성에 어려움을 겪을 수 있고, 레이저 클래딩 작업 전에 준비 단계인 작업 원점의 보정 등의 사전 작업에 레이저 클래딩 시스템을 활용하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 클래딩 층 표면에 형성된 미세한 버를 신속하게 제거함으로써 소재에 형성된 클래딩 층의 두께를 레이저 빔 또는 소재의 이동방향과 무관하게 정밀하게 제어하여 형성할 수 있는 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 및 기타 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 소정 위치에 소재가 안착되는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 상에 상호 이격되게 설치된 제1 및 제2 이동프레임과, 상기 제1 이동프레임에 설치되어 상기 소재의 표면에 클래딩 층을 형성하는 레이저 클래딩 수단과, 상기 클래딩 수단의 일측에 설치되어 상기 클래딩 층의 두께를 측정하는 측정수단 및, 상기 제2 이동프레임에 설치되어 상기 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)를 엔드 밀로 가공하는 가공수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템을 제공한다.
상기 클래딩 수단은 상기 제1 이동프레임의 상측 하부면에 설치된 레일에 결합된 실린더와, 상기 실린더에 구비된 실린더 로드의 단부에 결합된 지지플레이트에 설치되어 상기 소재의 표면에 레어저 빔을 조사하는 레이저 헤드와, 상기 지지플레이트에 상기 레이저 헤드로부터 소정 거리 이격되게 설치되어 상기 소재의 표면에 클래딩 분말 및 보조 가스를 동시에 공급하는 클래딩 소재 공급부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 측정수단은 3D 스캐닝 또는 CCD 카메라 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 베이스 플레이트의 일측 소정 위치에는 상기 가공수단에 구비된 엔드 밀을 자동으로 교체할 수 있는 자동공구교환수단(automatic tool changer:ATC)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 클래딩 시스템을 이용한 레이저 클래딩 방법에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 소정 위치에 소재를 안착시키는 단계와, 상기 제1 이동프레임에 설치된 클래딩 수단을 이용하여 상기 소재의 표면에 클래딩 분말 및 보조가스를 동시에 공급하면서 레이저 빔을 발진하여 소재의 표면과 클래딩 분말이 용융되도록 하여 클래딩 층을 형성하는 단계와, 상기 클래딩 층의 두께를 상기 측정수단을 이용해 측정하는 단계와, 상기 소재의 표면에 형성된 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)가 제거되도록 상기 가공수단으로 상기 클래딩 층의 표면을 가공하는 단계 및, 상기 소재의 클래딩 성형이 완료될 때까지 상기 클래딩 층 형성단계 내지 상기 가공단계를 반복하는 단계를 포함하는 클래딩 방법을 제공한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 클래딩 층 표면에 형성된 미세한 버를 신속하게 제거함으로써 소재에 형성된 클래딩 층의 두께를 레이저 빔 또는 소재의 이동방향과 무관하게 정밀하게 제어하여 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 레이저 클래딩 공정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템을 개략적으로 도시하는 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 레이저 클래딩 수단의 측면도.
도 4는 도 2에 도시된 가공수단의 측면도.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템의 작동 상태도.
도 6은 본 발명의 변형실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템을 개략적으로 도시하는 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템을 개략적으로 도시하는 구성도, 도 3은 도 2에 도시된 클래딩 수단의 측면도, 도 4는 도 2에 도시된 가공수단의 측면도, 도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템의 작동 상태도이다.
도 2 내지 도 5b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템(100)은 베이스 플레이트(110), 제1 및 제2 이동프레임(120, 130), 레이저 클래딩 수단(140), 측정수단(150), 가공수단(160)으로 구성된다.
베이스 플레이트(110)는 사각 형상으로 이루어지고, 상부 소정 위치에는 클래딩 성형하고자하는 소재(10)가 안착된다.
제1 및 제2 이동프레임(120, 130)은 베이스 플레이트(110) 상에 슬라이드 이동되게 상호 이격되어 설치된다.
레이저 클래딩 수단(140)은 제1 이동프레임(120)에 설치되어 베이스 플레이트(110)에 안착된 소재(10)의 표면에 클래딩 층(18)을 형성하는 것으로서, 제1 이동프레임(120)의 상측 하부면에 설치된 레일(122)에 결합된 실린더(142)와, 실린더(142)에 360˚ 회전가능하게 구비된 실린더 로드(142a)의 단부에 결합된 지지플레이트(144)에 설치되어 소재(10)의 표면에 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드(146)와, 지지플레이트(144)에 레이저 헤드(146)로부터 소정 거리 이격되게 설치되어 소재(10)의 표면에 클래딩 분말 및 보조 가스를 공급하는 클래딩 소재 공급부재(148)로 이루어진다.
즉, 소재(10)의 표면에 클래딩 소재 공급부재(148)로부터 클래딩 분말 및 보조 가스가 동시에 공급되면서, 레이저 헤드(146)로부터 레이저 빔이 발진되어 소재의 표면과 클래딩 분말이 용융되어 클래딩 층(18)이 형성되는 것이다.
측정수단(150)은 레이저 클래딩 수단(140)의 일측에 설치되어 클래딩 층(18)의 두께 즉, 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)의 높이편차를 측정한다.
이러한, 측정수단(150)은 3D 스캐닝 또는 CCD 카메라 중 어느 하나로 이루어져 클래딩 층의 두께를 실시간으로 측정하여 측정된 값과 최초 입력된 기준 값을 비교하여 후술하는 가공수단(160)에 의한 클래딩 층(18)의 표면 가공 값을 결정한다.
가공수단(160)은 제2 이동프레임(130)에 설치되어 소재(10)에 형성된 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)를 엔드 밀로 가공하여 제거함으로써 미세 버(Burr)에 의한 클래딩 층의 표면에 높이 편차가 발생되지 않게 한다.
또한, 클래딩 시 적층되는 높이가 입력된 값과 상이할 경우(낮거나, 높은 경우) 클래딩 층을 엔드 밀로 가공하여 클래딩 시 적층되는 높이가 입력된 값과 동일하게 되도록 한다.
이때, 가공수단(160)은 제2 이동프레임(130)의 상측 하부면에 설치된 레일(132)에 결합된 실린더(162)와, 실린더(162)에 360˚회전 가능하게 구비된 실린더 로드(162a)의 단부에 결합된 지지플레이트(164)와, 지지플레이트(164)에 설치된 본체(166)와, 본체(166)의 단부에 교체 가능하게 장착된 엔드 밀(168)로 이루어진다.
여기서, 베이스 플레이트(110)의 일측 소정 위치에는 가공수단(160)의 본체(166)의 단부에 교체 가능하게 설치된 엔드 밀(168)을 자동으로 교체할 수 있는 자동공구교환수단(automatic tool changer:ATC)(170)가 설치되는데, 이는 소재(10)의 표면에 형성된 클래딩 층의 재질에 알맞은 엔드 밀을 신속하게 교체하여 사용할 수 있게 한다.
아울러, 도 6은 본 발명의 변형실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템을 개략적으로 도시하는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 변형실시예에 따른 레이저 클래딩 시스템은 본 발명의 일실시예와 대동소이하며, 다만, 베이스플레이트(110) 상에 제1 및 제2 슬라이드 프레임(120', 130')이 상호 이격되게 설치되고, 제1 및 제2 슬라이드 프레임(120', 130')의 상부면에 6축 다관절 로봇(180)이 각각 설치되고, 6축 다관절 로봇(180)의 최외측 암의 단부에 레이저 클래딩 수단(140) 및, 가공수단(160)이 결합된다는 점에서 차이가 있다.
한편, 전술한 바와 같은 구성으로 이루어진 레이저 클래딩 시스템을 이용한 레이저 클래딩 방법은 베이스 플레이트(110)의 소정 위치에 소재(10)를 안착시키는 단계와, 제1 이동프레임(120)에 설치된 레이저 클래딩 수단(140)을 이용하여 소재(10)의 표면에 클래딩 분말 및 보조가스를 동시에 공급하면서 레이저 빔을 발진하여 소재의 표면과 클래딩 분말이 용융되도록 하여 클래딩 층(18)을 형성하는 단계와, 클래딩 층의 두께를 측정수단(150)을 이용해 측정하는 단계와, 소재(10)의 표면에 형성된 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)가 제거되도록 가공수단(160)으로 클래딩 층의 표면을 가공하는 단계 및, 소재(10)의 클래딩 성형이 완료될 때까지 클래딩 층 형성단계 내지 가공단계를 반복하는 단계를 포함하여 구성된다.
구체적으로는 소재(10)의 표면에 레이저 클래딩 수단(140)을 통해 클래딩 층을 형성한 후, 측정수단(150)을 통해 클래딩 층(18)의 두께 즉, 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)의 높이편차를 측정하고, 가공수단(160)으로 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)를 제거하여 미세 버(Burr)에 의한 클래딩 층의 표면에 높이 편차가 발생되지 않게 한 후 전술한 과정을 반복함으로써 소재(10)에 원하는 형상의 클래딩 층을 형성할 수 있는 것이다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였지만, 당해 기술 분야에 숙련된 사람은 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110; 베이스 플레이트
120; 제1 이동프레임
122; 레일
130; 제2 이동프레임
132; 레일
140; 레이저 클래딩 수단
142; 실린더
142a; 실린더로드
144; 지지플레이트
146; 레이저 헤드
148; 클래딩 소재 공급부재
150; 측정수단
160; 가공수단
162; 실린더
162a; 실린더 로드
164; 지지플레이트
166; 본체
168; 엔드 밀
170; 자동공구교환수단

Claims (5)

  1. 소정 위치에 소재가 안착되는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 상에 상호 이격되게 설치된 제1 및 제2 이동프레임;
    상기 제1 이동프레임에 설치되어 상기 소재의 표면에 클래딩 층을 형성하는 레이저 클래딩 수단;
    상기 클래딩 수단의 일측에 설치되어 상기 클래딩 층의 두께를 측정하는 측정수단; 및,
    상기 제2 이동프레임에 설치되어 상기 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)를 엔드 밀로 가공하는 가공수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저 클래딩 수단은,
    상기 제1 이동프레임의 상측 하부면에 설치된 레일에 결합된 실린더와, 상기 실린더에 구비된 실린더 로드의 단부에 결합된 지지플레이트에 설치되어 상기 소재의 표면에 레이저 빔을 발진하는 레이저 헤드와, 상기 지지플레이트에 상기 레이저 헤드로부터 소정 거리 이격되게 설치되어 상기 소재의 표면에 클래딩 분말 및 보조 가스를 동시에 공급하는 클래딩 소재 공급부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정수단은 3D 스캐닝 또는 CCD 카메라 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 일측 소정 위치에는 상기 가공수단에 구비된 엔드 밀을 자동으로 교체할 수 있는 자동공구교환수단(automatic tool changer:ATC)가 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 레이저 클래딩 시스템을 이용한 레이저 클래딩 방법에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 소정 위치에 소재를 안착시키는 단계;
    상기 제1 이동프레임에 설치된 레이저 클래딩 수단을 이용하여 상기 소재의 표면에 클래딩 분말 및 보조가스를 동시에 공급하면서 레이저 빔을 발진하여 소재의 표면과 클래딩 분말이 용융되도록 하여 클래딩 층을 형성하는단계;
    상기 클래딩 층의 두께를 상기 측정수단을 이용해 측정하는 단계;
    상기 소재의 표면에 형성된 클래딩 층의 표면에 존재하는 미세 버(Burr)가 제거되도록 상기 가공수단으로 상기 클래딩 층의 표면을 가공하는 단계; 및,
    상기 소재의 클래딩 성형이 완료될 때까지 상기 클래딩 층 형성단계 내지 상기 가공단계를 반복하는 단계를 포함하는 레이저 클래딩 방법.
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