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KR102250986B1 - 3d 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드 - Google Patents

3d 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드 Download PDF

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KR102250986B1
KR102250986B1 KR1020200022839A KR20200022839A KR102250986B1 KR 102250986 B1 KR102250986 B1 KR 102250986B1 KR 1020200022839 A KR1020200022839 A KR 1020200022839A KR 20200022839 A KR20200022839 A KR 20200022839A KR 102250986 B1 KR102250986 B1 KR 102250986B1
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강창구
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 금속 분말의 공급이 중앙에서 이루어지며, 레이저 헤드는 금속 분말이 공급되는 외측에 적어도 하나 이상의 레이저 노즐 유닛을 방사형 형태로 마련됨에 따라 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있음은 물론 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있도록 파우더 공급 관로; 플랜지 형태의 장착 지그; 및 각도 조절과 높이 조절이 이루어질 수 있도록 방사형 형태로 적어도 하나 이상 마련되는 레이저 노즐 유닛;을 포함하는 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드를 제공한다.
그에 따라 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있는 효과와 함께 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있어, 가공 제품에 대한 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 효과를 가진다.

Description

3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드{Laser head of nozzle unit for 3D printer}
본 발명은 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속 분말의 공급이 중앙에서 이루어지며, 레이저 헤드는 금속 분말이 공급되는 외측에 적어도 하나 이상의 레이저 노즐 유닛을 방사형 형태로 마련됨에 따라 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있음은 물론 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있도록 한 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드에 관한 것이다.
일반적으로 금속 3D 프린터는 금속 분말과 레이저를 이용하여 제품을 제작시 사용되는 것으로, DED(Direct Energy Deposition) 방식과 PBF(Powder Bed Fusion) 방식 및 ME(Material Extrusion) 방식 등 3가지 종류로 구분된다.
DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력 레이저를 집광해 모재에 용융풀을 형성하고 금속 분말이나 와이어를 공급해 적층하는 방식을 말한다.
PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 금속 분말을 얇게 깔고 레이저 프린터와 동일한 원리로 고출력 레이저를 분말에 조사해 용융시키는 방식으로 형상을 만들어 낸다. DED 방식에 비해 강도는 떨어지지만 복잡한 형상제작에 유리하다.
ME(Material Extrusion) 방식은 금속 보다는 플라스틱 계열에 적용되는 방식으로 주로 액체 상태의 플라스틱을 밀어내어 적층하는 방식이다. 금속에 ME 방식을 적용하기 위해서는 고온에서 금속을 녹여야 하는 조건을 가진다.
이렇게, 금속 3D 프린터는 금속 분말을 이용하여 제품을 제작하는 것으로, 레이저 빔은 광케이블을 거친 후 노즐유닛에 마련되는 레이저 헤드의 노즐을 통하여 레이저 빔이 조사되면서 가공이 이루어진다.
즉, 레이저 빔은 노즐유닛의 내부에 구비된 광학부를 거친 후 조사되는 데, 이때 레이저 헤드는 노즐유닛에 고정된 상태이므로 조사되는 레이저 빔이 도달하는 포커스(focus) 지점 또한 항시 동일한 위치로 지정된다.
그로 인해 가공대상물과 접하는 레이저 빔의 사이즈 또한 항시 동일한 사이즈로 조사되는 데, 이때 가공대상물의 가공위치나 가공조건에 따라 레이저 빔 사이즈 조절이 요구된다.
다시 말해서, 레이저 빔의 사이즈에 따라 가공대상물로 공급되는 파우더(금속 분말)의 공급 위치도 다르게 됨은 물론 특히, 가공위치에 따라 레이저 빔의 사이즈 또한 조절한다.
그에 따라 종래에는 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위해서는 노즐유닛 내의 광학계를 조절 또는 교체해야 함은 물론 부수적으로 다른 부품을 새로 셋팅(setting) 해야 하는 상당히 번거롭고 불편한 단점을 가진다.
상기와 같이 3D 프린터에서의 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위한 종래의 선행기술에는 대한민국 등록특허공보 제10-1657700호, 대한민국 등록특허공보 제10-1676738호 및 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0082044호에 게시된 바 있다(이하 '선행기술문헌들 1'이라 한다).
또한, 3D 프린터의 레이저 헤드와 관련된 선행기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0040744호, 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0108341호 및 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0093350호에 게시된 바 있다(이하 '선행기술문헌 2'라 한다).
또, 3D 프린터의 레이저 빔 사이즈 조절장치인 대한민국 등록특허공보 제10-2000922호에 게시된 바 있다(이하 '선행기술문헌 3'이라 한다).
대한민국 등록특허공보 제10-1657700호 대한민국 등록특허공보 제10-1676738호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0082044호 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0040744호 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0108341호 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0093350호 대한민국 등록특허공보 제10-2000922호
그러나 선행기술문헌들 1 내지 2는 광학계인 각 렌즈의 거리를 조정함에 따라 빔 사이즈를 조정하는 것으로, 그 구조가 복잡함은 물론 각 렌즈의 거리 조정이 정밀하게 이루어지지 않을 경우, 원하는 빔 사이즈로의 조정이 용이하게 이루어지지 않은 단점을 가진다.
특히, 선행기술문헌들 1 내지 2는 노즐유닛에 광학계가 구비되어 레이저 빔이 조사되도록 레이저 헤드가 구비되며, 상기 레이저 헤드의 외측에 금속분말인 파우더를 공급하는 구조를 가짐으로써, 선행기술문헌 1 내지 2에서 가지는 문제점을 그대로 가진다.
다만, 선행기술문헌 3은 광학계가 아니라 레이저 빔이 이송되는 광케이블의 끝단을 노즐유닛에 마련된 광학계와의 거리 조절은 물론 노즐 헤드를 승강시켜 포커싱(focusing) 하는 것으로, 이 또한 레이저 헤드 전체를 승강시켜 조절해야 하는 불편함을 가진다.
특히, 선행기술문헌 1 내지 3에서의 가장 큰 단점은 중앙으로 레이저 빔이 조사되면서 그 레이저 빔의 외측에서 파우더가 공급됨으로 인해 레이저 빔과 파우더의 정밀 포커싱이 이루어지지 않아, 정밀 출력물이 이루어지지 않는 단점 또한 가진다.
상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 구체적인 기술적 해결과제는 금속 분말의 공급이 중앙에서 이루어지며, 레이저 헤드는 금속 분말이 공급되는 외측에 적어도 하나 이상의 레이저 노즐 유닛을 방사형 형태로 마련됨에 따라 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있음은 물론 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있도록 한 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 구체적인 기술적 해결과제는 정밀 포커싱을 위한 레이저 노즈 유닛의 각도 조절이 더욱더 간편하게 이루어질 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 구체적인 기술적 해결과제는 레이저 노즐 유닛의 예열로 인한 레이저 빔의 조사가 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 데 있다.
상기와 같은 구체적인 기술적 해결과제를 해결하기 위한 본 발명의 구체적인 기술적 해결수단은 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛에 금속 분말인 파우더를 공급하고, 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 광학계를 거친 후 포커스 지점으로 조사되는 레이저 헤드에 있어서, 상기 레이저 헤드는 노즐유닛의 중앙에 위치하여 파우더를 공급하는 파우더 공급 관로; 상기 파우더 공급 관로의 하부 외면에 장착되는 플랜지 형태의 장착 지그; 및 상기 장착 지그에 중앙으로 공급되는 파우더와 함께 포커스 지점으로 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 조사되도록 각도 조절과 높이 조절이 이루어질 수 있도록 방사형 형태로 적어도 하나 이상 마련되는 레이저 노즐 유닛;을 포함한다.
상기 장착 지그는 상 장착 지그와 하 장착 지그로 분할 형성되어 상기 파우더 공급 관로의 외면상에서 높낮이 조절부에 의해 높낮이 조절될 수 있도록 구비된다.
상기 높낮이 조절부는 파우더 곱급 관로에 장착 지그가 나사 결합방식 또는 면 접촉에 의한 슬라이딩 후 볼트 고정방식 중의 어느 하나이다.
상기 레이저 노즐 유닛의 각도 조절은 장착 지그 상에 회전 가능하게 구비되는 적어도 하나 이상의 볼 조인트에 삽입 장착되어 각도 조절되며, 높이 조절은 상기 볼 조인트에 레이저 노즐 유닛이 나사 결합방식에 의해 나사 결합되어 높이 조절되는 것을 포함한다.
상기 레이저 노즐 유닛에는 예열을 위한 전열 수단이 마련되는 것을 더 포함한다.
본 발명은 금속 분말의 공급이 중앙에서 이루어지며, 레이저 헤드는 금속 분말이 공급되는 외측에 적어도 하나 이상의 레이저 노즐 유닛을 방사형 형태로 마련됨에 따라 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있음은 물론 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있는 효과와 함께 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있어, 가공 제품에 대한 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 정밀 포커싱을 위한 레이저 노즈 유닛의 각도 조절이 더욱더 간편하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 가공 효율성을 극대화할 수 있는 효과도 가진다.
또, 레이저 노즐 유닛의 예열로 인한 레이저 빔의 조사가 원활하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 레이저 빔의 가공 또한 더욱더 신속하고 용이하게 이루어질 수 있는 효과도 가진다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 사시도,
도 2는 도 1에 따른 저면 사시도,
도 3은 도 1에 따른 단면도,
도 4는 본 발명의 사용 상태를 설명하기 위한 정면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 사시도이며, 도 2는 도 1에 따른 저면 사시도이고, 도 3은 도 1에 따른 단면도이며, 도 4는 본 발명의 사용 상태를 설명하기 위한 정면도이다.
도시된 바와 같이 통상적인 금속 3D 프린터에서의 레이저 빔 사이즈는 제품을 제작하는 과정에서 가공대상물로 레이저 빔이 도달하는 포커스 지짐에서 정해지는 크기를 의미한다.
통상적인 3D 프린터에서의 레이저 빔은 노즐유닛에 결합되는 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 광학계를 거친 후 레이저 헤드를 통하여 포커스 지점으로 조사된다.
더욱이, 3D 프린터에서의 레이저 빔 사이즈를 조절하기 위해서는 대부분이 광학계에 구비되는 각각의 렌즈의 거리를 조정하는 바, 이는 구조가 복잡할 뿐만 아니라 정밀조절이 이루어지지 않을 경우, 원하는 사이즈로의 조절이 원활하게 이루어지지 않는 단점을 가진다.
본 발명은 금속 분말의 공급이 중앙에서 이루어지며, 레이저 헤드는 금속 분말이 공급되는 외측에 적어도 하나 이상의 레이저 노즐 유닛을 방사형 형태로 마련됨에 따라 레이저 빔의 광축 거리조절이 간단하고 편리하게 이루어질 수 있음은 물론 정밀 포커싱(focusing) 또한 용이하게 이루어질 수 있도록 한 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 레이저 헤드(1)는 크게 파우더 공급 관로(10), 장착 지그(20) 및 레이저 노즐 유닛(30)을 포함하는 기술적 구성을 가진다.
파우더 공급 관로(10)는 블록 형태의 통상적인 노즐유닛(100)의 중앙에 위치하여 운송가스와 함께 금속분말인 파우더를 공급하는 기술적 구성을 가진다. 상기 파우더 공급 관로는 상부 측은 넓은 동일한 직경을 가지면, 파우더가 배출되는 하단은 점진적으로 좁은 직경을 가지는 콘(cone) 형태로, 배출되는 파우더가 중앙으로 집중되어 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
이는 종래 레이저 빔이 중앙으로 공급되고 그 레이저 빔의 외측에 파우더 공급관이 구비됨으로 인해 파우더가 휘날리는 현상으로 인해 정밀 포커싱이 이루어지지 않았던 문제점, 즉 중앙으로 파우더가 공급되고 그 외측에서 레이저 빔이 파우더를 향하여 공급되도록 함에 따라 해소됨은 물론 정밀 포커싱이 이루어짐에 따라 정밀 출력물로의 가공이 가능하여, 제품에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
장착 지그(20)는 상기 파우더 공급 관로(10)의 하부 외면에 장착되는 통상적인 플랜지 형태로 결합되는 기술적 구성을 가진다.
상기에서, 장착 지그(20)는 레이저 노즐 유닛(30)을 결합 고정하기 위한 상 장착 지그(20A)와 하 장착 지그(20B)로 분할 형성되어 상기 파우더 공급 관로(10)의 외면상에서 레이저 빔의 광축 거리조절을 위해 높낮이 조절부(22)에 의해 높낮이 조절될 수 있도록 구비된다. 상기 상 장작 지그와 하 장착 지그는 통상적인 볼팅 방식에 의해 결합 고정된다. 상기 장착 지그의 레이저 노즐 유닛이 장착되는 부분은 후술하는 볼 조인트가 원활하게 회전되도록 통상적인 방식에 의해 곡면 가공된다.
상기에서의 높낮이 조절부(22)는 파우더 공급 관로(10)에 장착 지그(2)가 통상적인 나사 결합방식 또는 면 접촉에 의한 슬라이딩 후 볼트 고정방식 중의 어느 하나이다.
다시 말해서, 장착 지그는 레이저 노즐 유닛이 장착되는 구조물임과 동시에 높낮이 조절부에 의해 파우더 공급 관로 상에서 높낮이가 조절됨으로 인해 레이저 노즐 유닛으로부터 조사되는 레이저 빔의 광축 거리조절 또한 번거롭거나 불편함 없이 간단하게 이루어질 수 있다.
그로 인해 정밀 포커싱과 함께 가공대상물로의 레이저 빔 사이즈의 조절 또한 간단하게 이루어져, 레이저 빔 가공 효율성을 향상시킴과 아울러 정밀 가공 도한 원활하게 이루어짐으로써, 가공된 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
레이저 노즐 유닛(30)은 상기 장착 지그(20)에 중앙으로 공급되는 파우더와 함께 포커스 지점으로 통상적인 광케이블()을 통하여 이송되는 레이저 빔이 조사될 수 있게 각도 조절과 높이 조절이 이루어질 수 있도록 방사형 형태로 적어도 하나 이상 마련되는 기술적 구성을 가진다.
상기에서, 레이저 노즐 유닛(30)은 내부에 3D 프린터에서 레이저 빔을 조사하기 위한 종래 노즐유닛에 구비되는 것과 같은 통상적인 구조인 광학계(도시하지 않음)가 마련된다.
다시 말해서, 레이저 노즐 유닛(30)은 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 광학계(32)를 거친 후 포커스 지점으로 적어도 하나 이상 구비됨으로 인해 중앙으로 공급되는 파우더를 더욱더 효율적이면서 단시간 내에 가공이 이루어질 수 있어, 가공시간을 현저하게 단축할 수 있다. 즉, 중앙으로 공급되는 파우더를 적어도 한 지점 보다 두 지점 이상에서의 레이저 빔을 조사함으로써, 가공시간의 단축은 물론 더욱더 세밀하게 가공할 수 있는 것이다.
아울러, 상기 레이저 노즐 유닛(30)의 각도 조절은 장착 지그(20) 상에 회전 가능하게 구비되는 적어도 하나 이상의 통상적인 볼 조인트(32)에 삽입 장착되어 각도 조절된다.
즉, 상기 볼 조인트(32)는 구(球) 형상으로 장착 지그의 상 장착 지그와 하 장착 지그 사이에서 방향성에 구애받지 않고 자유롭게 회전 가능함과 아울러 통상적인 볼트 등에 의해 구속되는 기술적 구성을 가진다.
그로 인해 장착 지그 상에서 복수 개의 레이저 노즐 유닛을 포커스 지점으로의 각도 조절이 정밀하고 정확하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 레이저 노즐 유닛(30)의 높이 조절은 상기 볼 조인트(34)에 레이저 노즐 유닛(30)이 통상적인 나사 결합방식에 의해 나사 결합되어 높이 조절되는 것을 포함한다.
즉, 상기 레이저 노즐 유닛의 높이 조절은 레이저 빔의 광축 거리를 조절하기 위한 일환으로, 전술한 바와 같이 레이저 노즐 유닛이 장착된 장착 지그를 높이 조절할 수 있음은 물론 레이저 노즐 유닛 자체를 볼 조인트 상에서 나사 결합방식에 의해 높이 조절할 수 있도록 함으로써, 이중적인 높이조절로 인한 광축 거리 조절이 더욱더 먼 거리와 짧은 거리에서 이루어질 수 있음은 물론 더욱더 정밀한 높이조절이 이루어질 수 있다. 이는 결국, 레이저 빔에 의한 가공대상물로의 가공이 더욱더 효율적이면서 정밀하고 정확하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 레이저 노즐 유닛(30)에는 예열을 위한 통상적인 히팅자켓 등과 같은 전열 수단(40)이 마련되는 것을 더 포함한다. 상기 히팅자켓은 레이저 노즐 유닛의 외면에 통상적인 방식에 의해 장착될 수 있으며, 필요에 따라 내면에도 장착될 수 있다.
즉, 레이저 노즐 유닛은 고온의 레이저 빔이 조사되는 것으로, 사전에 예열을 행함으로써, 레이저 빔 조사에 따른 온도 편차를 극소화함에 따라 레이지 빔에 의한 가공 또한 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
1 : 레이저 헤드
10 : 파우더 공급 관로 20 : 장착 지그
20A : 상 장착 지그 20B : 하 장착 지그
22 : 높낮이 조절부 30 : 레이저 노즐 유닛
32 : 광학계 34 : 볼 조인트
100 : 노즐유닛

Claims (5)

  1. 3D 프린터에 구비되는 노즐유닛에 금속 분말인 파우더를 공급하고, 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 광학계를 거친 후 포커스 지점으로 조사되는 레이저 헤드에 있어서,
    상기 레이저 헤드는 노즐유닛의 중앙에 위치하여 파우더를 공급하는 파우더 공급 관로;
    상기 파우더 공급 관로의 하부 외면에 장착되는 플랜지 형태의 장착 지그; 및
    상기 장착 지그에 중앙으로 공급되는 파우더와 함께 포커스 지점으로 광케이블을 통하여 이송되는 레이저 빔이 조사되도록 각도 조절과 높이 조절이 이루어질 수 있도록 방사형 형태로 적어도 하나 이상 마련되는 레이저 노즐 유닛;을 포함하는 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장착 지그는 상 장착 지그와 하 장착 지그로 분할 형성되어 상기 파우더 공급 관로의 외면상에서 높낮이 조절부에 의해 높낮이 조절될 수 있도록 구비되는 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 높낮이 조절부는 파우더 곱급 관로에 장착 지그가 나사 결합방식 또는 면 접촉에 의한 슬라이딩 후 볼트 고정방식 중의 어느 하나인 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 노즐 유닛의 각도 조절은 장착 지그 상에 회전 가능하게 구비되는 적어도 하나 이상의 볼 조인트에 삽입 장착되어 각도 조절되며, 높이 조절은 상기 볼 조인트에 레이저 노즐 유닛이 나사 결합방식에 의해 나사 결합되어 높이 조절되는 것을 포함하는 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 노즐 유닛에는 예열을 위한 전열 수단이 마련되는 것을 더 포함하는 3D 프린터용 노즐유닛의 레이저 헤드.
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