KR102129322B1 - 3d printing apparatus and method using laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 금속분말에 레이저빔을 조사하여 기판에 3차원 금속 구조물을 제조하는 3차원 금속 프린팅 장치에 있어서, 상기 기판의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 금속분말 용융 스팟을 형성하고, 상기 금속분말 용융 스팟으로 공급되는 금속분말에 레이저빔을 집속시켜 금속 액적을 생성하는 레이저 광원을 포함할 수 있다. The present invention relates to a three-dimensional metal printing apparatus and method using a laser. The present invention provides a three-dimensional metal printing apparatus for manufacturing a three-dimensional metal structure on a substrate by irradiating a laser beam to the metal powder, forming a metal powder melting spot at a position spaced a predetermined distance from the surface of the substrate, the metal It may include a laser light source to generate a metal droplet by focusing the laser beam on the metal powder supplied to the powder melting spot.
Description
본 발명은 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저빔 조사를 이용하여 마이크로 금속 구조물을 제조하기 위한 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D metal printing apparatus and method, and more particularly, to a 3D metal printing apparatus and method for manufacturing a micro metal structure using laser beam irradiation.
현재 도입기를 지나 성장기로 접어들고 있는 기존의 3차원 금속 프린팅 기술은 일반적인 금속 구조물에는 활발하게 적용되었으나, 마이크로 금속 구조물의 3차원 프린팅 기술은 아직 태동기에 머물고 있는 실정이다. The current 3D metal printing technology, which is entering the growth phase after the introduction period, has been actively applied to general metal structures, but the 3D printing technology of micro metal structures is still in its infancy.
이에 대하여 학계에서는 이미 수십 마이크로미터 이하의 초정밀 금속 구조물의 제조가 가능한 방법(DIW, LIFT, 광환원(Photoreduction), 전기영동 증착(Electrophoretic deposition)) 등이 제시되었다.On the other hand, academics have already proposed methods for manufacturing ultra-precision metal structures of several tens of micrometers or less (DIW, LIFT, Photoreduction, Electrotrophoretic deposition, etc.).
하지만 상술한 방법들은 나노 잉크와 케리어필름 같은 고가의 특수 소재, 전자빔과 같은 특수 에너지원, 고진공이나 용액 등의 특수 환경 등을 필요로 하므로 기술 실용화에는 아직 이르지 못한 상태이다. However, the above-mentioned methods require expensive special materials such as nano-inks and carrier films, special energy sources such as electron beams, and special environments such as high vacuums or solutions, and thus have not yet reached the commercialization of technology.
파우더 베드(powder bed)를 사용해야만 하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 대비 높은 생산 자유도를 가지면서 상용화에 성공한 기술 중에 하나인 LENS(Laser Engineering Net Shape) 방식의 경우, 금속 분말을 지속적으로 공급, 용융, 접합시킴으로써 상대적으로 빠른 속도의 3차원 금속 프린팅을 구현하고 있다. In the case of Laser Engineering Net Shape (LENS), one of the technologies that have been successfully commercialized with a high degree of production freedom compared to the SLS (Selective Laser Sintering) method that requires the use of a powder bed, the metal powder is continuously supplied and melted. , Bonding to realize relatively fast 3D metal printing.
하지만 LENS 방식은 프린팅 기판에 고에너지 레이저를 직접 집속시켜 용융풀(melt pool)을 형성시키는데, 이때 금속 특유의 높은 열확산성과 열전도성 때문에 종횡비가 높은 마이크로 금속 구조물은 형상을 유지하기 어려운 문제가 있었다. 또한 LENS 방식은 넓은 열영향부(HAZ: Heat-Affected Zone)를 가지므로 얇은 필름형 금속 기판이나 열에 약한 폴리머 기판에는 심각한 열변형 및 열손상을 초래하는 문제도 있었다.However, the LENS method forms a melt pool by directly focusing a high-energy laser on a printing substrate. At this time, due to the high thermal diffusivity and heat conductivity peculiar to metal, a micro metal structure having a high aspect ratio has a problem in maintaining its shape. In addition, since the LENS method has a wide heat-affected zone (HAZ), there is a problem in that severe heat deformation and thermal damage are caused to a thin film-type metal substrate or a heat-sensitive polymer substrate.
본 발명은 높은 종횡비를 갖는 마이크로 금속 구조물의 제조가 가능해져 중대형 금속 부품용 3차원 프린팅 기술의 고정밀화가 가능한 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D metal printing apparatus and method using a laser capable of manufacturing a micro metal structure having a high aspect ratio and enabling high-precision 3D printing technology for medium and large metal parts.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속분말에 레이저빔을 조사하여 기판에 3차원 금속 구조물을 제조하는 3차원 금속 프린팅 장치에 있어서, 상기 기판의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 금속분말 용융 스팟을 형성하고, 상기 금속분말 용융 스팟으로 공급되는 금속분말에 레이저빔을 집속시켜 금속 액적을 생성하는 레이저 광원을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in a three-dimensional metal printing apparatus for manufacturing a three-dimensional metal structure on a substrate by irradiating a laser beam to the metal powder, the metal powder melting spot at a position spaced a predetermined distance from the surface of the substrate And a laser light source that focuses the laser beam on the metal powder supplied to the metal powder melting spot to generate metal droplets.
상기 레이저 광원은, 상기 금속분말 용융 스팟으로 제1 레이저빔을 조사하는 제1 광원; 및 상기 금속 액적이 떨어지는 상기 기판의 표면에 형성된 프린팅 스팟으로 제2 레이저빔을 조사하는 제2 광원을 포함할 수 있다.The laser light source includes: a first light source that irradiates a first laser beam with the metal powder melting spot; And a second light source that irradiates a second laser beam with a printing spot formed on the surface of the substrate on which the metal droplet falls.
상기 프린팅 스팟은 상기 제2 레이저빔에 의해 소정 온도로 가열됨으로써, 상기 금속 액적이 냉각되는 속도가 제어될 수 있다.The printing spot is heated to a predetermined temperature by the second laser beam, so that the speed at which the metal droplet is cooled can be controlled.
상기 제1 광원은 펄스 레이저이고, 상기 제2 광원은 연속발진(CW Laser: Continuous Wave Laser) 레이저일 수 있다.The first light source may be a pulse laser, and the second light source may be a continuous wave laser (CW laser) laser.
상기 제2 광원은 상기 제1 광원에서 측면 방향으로 이격되어 배치되고, 상기 제1 광원 및 제2 광원에서 발생된 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔의 경로 상에는 상기 제2 레이저빔의 경로를 굴절시키는 광학렌즈가 배치되어 상기 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔의 초점면은 서로 다르게 형성될 수 있다.The second light source is disposed spaced apart from the first light source in a lateral direction, and refracts the path of the second laser beam on the first and second laser beam paths generated by the first and second light sources. An optical lens is disposed so that the focal planes of the first laser beam and the second laser beam may be formed differently.
상기 제1 광원 및 제2 광원은 상기 기판에 대하여 수직방향으로 나란하게 배치되는데, 상기 제1 광원에서 발생된 제1 레이저빔은 미러에서 반사되어 광학렌즈로 조사되고 상기 제2 광원에서 발생된 제2 레이저빔은 편광 빔 스플리터에서 반사되어 상기 광학렌즈로 조사됨으로써, 상기 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔의 초점면은 서로 다르게 형성될 수 있다.The first light source and the second light source are arranged side by side in a vertical direction with respect to the substrate. The first laser beam generated from the first light source is reflected by a mirror, irradiated with an optical lens, and generated by the second light source. 2 The laser beam is reflected from the polarizing beam splitter and irradiated to the optical lens, so that the focal planes of the first laser beam and the second laser beam may be formed differently.
상기 미러에서 반사된 상기 제1 레이저빔은 상기 편광 빔 스플리터를 통과하여 상기 광학렌즈로 조사될 수 있다.The first laser beam reflected from the mirror may pass through the polarization beam splitter and be irradiated with the optical lens.
상기 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔은 파장판을 통과하여 상기 미러 및 상기 편광 빔 스플리터로 조사될 수 있다.The first laser beam and the second laser beam may pass through the wavelength plate and be irradiated with the mirror and the polarization beam splitter.
상기 제2 광원은 상기 제2 레이저빔이 상기 제1 레이저빔에 대하여 경사지게 조사되도록 배치될 수 있다.The second light source may be arranged such that the second laser beam is irradiated obliquely to the first laser beam.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속분말에 레이저빔을 조사하여 기판에 3차원 금속 구조물을 제조하는 3차원 금속 프린팅 방법에 있어서, 상기 기판의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 금속분말 용융 스팟을 형성하는 단계; 및 상기 금속분말 용융 스팟으로 공급되는 금속분말에 제1 레이저빔을 집속시켜 금속 액적을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, in a three-dimensional metal printing method of manufacturing a three-dimensional metal structure on a substrate by irradiating a laser beam to the metal powder, the metal powder melting spot at a position spaced a predetermined distance from the surface of the substrate Forming a; And generating a metal droplet by focusing a first laser beam on the metal powder supplied to the metal powder melting spot.
상기 기판의 표면에 제2 레이저빔을 조사하여 상기 금속 액적이 떨어지는 프린팅 스팟을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a printing spot on which the metal droplet falls by irradiating a second laser beam on the surface of the substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 종횡비를 갖는 마이크로 금속 구조물의 제조가 가능해져 중대형 금속 부품용 3차원 프린팅 기술의 고정밀화가 가능하다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a micro metal structure having a high aspect ratio, and thus it is possible to make high-precision 3D printing technology for medium and large metal parts.
또한 기판의 표면 온도가 급냉되지 않고 예열된 상태에서 금속 입자의 프린팅이 이루어지기 때문에 급냉에 의한 밀도 저하, 열응력 발생, 강도 감소 등의 기계적 성능 저하를 최소화할 수 있다.In addition, since the surface temperature of the substrate is not quenched and printing of metal particles is performed in a preheated state, it is possible to minimize mechanical performance degradation such as density reduction due to rapid cooling, heat stress generation, and strength reduction.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 프린팅 장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 금속 프린팅 장치를 보인 도면.
도 3 내지 도 5는 2개의 레이저 광원을 이용한 3차원 금속 프린팅 장치를 보인 도면.1 is a view showing a three-dimensional metal printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a three-dimensional metal printing apparatus according to another embodiment of the present invention.
3 to 5 are views showing a three-dimensional metal printing apparatus using two laser light sources.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The present invention can be applied to a variety of transformations and may have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the description of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as "comprises" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
이하, 본 발명에 의한 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치 및 방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of a 3D metal printing apparatus and method using a laser according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in describing with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are the same drawings. Numbers will be given and redundant descriptions will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 프린팅 장치를 보인 도면이다.1 is a view showing a three-dimensional metal printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명은 금속분말(2)에 레이저빔을 조사하여 기판(10)에 3차원 금속 구조물을 제조하는 3차원 금속 프린팅 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 금속 프린팅 장치는 상기 기판(10)의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 금속분말 용융 스팟(S1)을 형성하고, 상기 금속분말 용융 스팟(S1)으로 공급되는 금속분말(2)에 레이저빔을 집속시켜 금속 액적(4)을 생성하는 레이저 광원을 포함할 수 있다.According to this, the present invention relates to a three-dimensional metal printing apparatus for manufacturing a three-dimensional metal structure on the
본 발명은 금속 재질의 기판(10)에 직접 레이저빔을 조사하여 용융풀(melt pool)을 형성시켜야 하는 기존의 LENS(Laser Engineering Net Shape) 방식의 한계를 극복하기 위하여 에어로졸 형태로 공급되는 금속분말 유동장에 고에너지의 레이저를 집속시켜 금속 액적(4, droplet)을 생성시키는 방식을 고안한 것이다. The present invention is a metal powder supplied in the form of an aerosol in order to overcome the limitations of the conventional laser engineering net shape (LENS) method in which a melt pool is formed by directly irradiating a laser beam on a
본 실시예에서 3차원 금속 프린팅 장치는 레이저 광원(미도시)이 기판(10) 표면에 직접 스팟을 형성하지 않고 기판(10)의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치인 금속분말 용융 스팟(S1)에 형성하도록 하였다. 이와 같이 되면, 공급되는 금속분말(2)은 금속분말 용융 스팟(S1)에서 용융되어 금속 액적(4)이 생성되고, 이는 기판(10)의 표면으로 떨어져 적층된다. In this embodiment, the three-dimensional metal printing apparatus is a metal powder melting spot (S1) in which a laser light source (not shown) is a position spaced apart by a predetermined distance from the surface of the
기존의 LENS 방식의 경우 금속분말(2)이 기판(10)의 표면에 형성된 열영향부(H, HAZ: Heat-Affected Zone)로 공급된 상태에서 레이저빔(6)이 조사되면 열영향부(H)의 가열로 인하여 주변까지 영향을 받기 때문에 기판(10)의 심각한 열변형 및 열손상이 초래될 수 있었다. 하지만 본 실시예에서는 기판(10)의 표면으로부터 이격된 위치에 금속분말 용융 스팟(S1)을 형성하고 여기에서 생성된 금속 액적(4)이 열영향부(H)로 떨어지도록 한 것이다. 고온의 금속 액적(4)은 저온의 기판(10) 표면에 떨어지면서 급속히 냉각 및 응고되고, 이 과정을 통해 금속 입자의 프린팅이 이루어지게 된다. In the case of the conventional LENS method, when the
이때 기판(10) 표면은 레이저빔(6)으로부터 직접적인 영향을 받지 않고 작은 열용량을 가진 금속 액적(4)으로부터 영향을 받기 때문에 기판(10)의 온도 상승이 급격하게 발생하지 않는다. 따라서 기판(10)의 표면에 용융풀을 형성하는 방식에 비하여 기판(10)의 열손상을 방지할 수 있다. 즉 기판(10)의 열영향부(H)의 크기가 확대되지 않고 최소화될 수 있기 때문에 최종 구조물의 품질도 향상될 수 있다. At this time, since the surface of the
또한 금속 액적(4)이 떨어지면서 직접 프린팅이 이루어지기 때문에 높은 종횡비를 갖는 마이크로 금속 구조물의 제조가 가능하다.In addition, since the direct printing is performed as the
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 금속 프린팅 장치를 보인 도면이다. Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2. 2 is a view showing a three-dimensional metal printing apparatus according to another embodiment of the present invention.
이에 도시된 바에 따르면, 본 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 유사한 구조를 가지나 레이저 광원을 복수(2개)로 구성하여 금속 프린팅이 이루어지도록 한 점에서 차이가 있다. According to this, the present embodiment has a structure similar to that of the embodiment shown in FIG. 1, but differs in that metal printing is performed by configuring a plurality of (two) laser light sources.
본 실시예에서는 레이저 광원(20,30)이 2개로 구성되어 기판(10) 쪽으로 각각 레이저빔(22,32)을 발생시켜 조사한다. 보다 구체적으로 설명하면, 2개의 레이저 광원(20,30) 중 제1 광원(20)은 도 1에 도시된 실시예에서와 같이 기판(10)의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치인 금속분말 용융 스팟(S1)에 형성하도록 한다. In this embodiment, the
그리고 제2 광원(30)은 기판(10)의 표면에서 금속 액적(4)이 떨어지는 부분에 프린팅 스팟(S2)이 형성되도록 가열하는 역할을 한다. 이때 프린팅 스팟(S2)의 온도는 떨어진 금속 액적(4)이 재용융되지 않을 정도의 온도를 유지하도록 가열되는 것이 바람직하다.In addition, the
이와 같이 금속분말 용융 스팟(S1)과 별도로 프린팅 스팟(S2)을 형성하게 되면, 금속 액적(4)이 기판(10)의 표면에 떨어진 후 급냉되지 않고 프린팅 스팟(S2)의 예열에 의해 천천히 냉각될 수 있기 때문에, 기판(10)의 급냉에 의한 밀도 저하, 열응력 발생, 강도 감소 등의 기계적 성능 저하를 최소화할 수 있다. 다시 말해 제2 광원(30)에서 조사되는 제2 레이저빔(32)의 출력을 제어함으로써 프린팅 스팟(S2)에 떨어진 금속 액적(4)이 냉각되는 속도를 제어할 수 있게 된다. When the printing spot (S2) is formed separately from the metal powder melting spot (S1), the metal droplet (4) falls on the surface of the substrate (10) and is not rapidly cooled, but is cooled slowly by preheating of the printing spot (S2). Since it can be, it is possible to minimize the degradation of mechanical performance, such as decrease in density due to rapid cooling of the
한편 각각의 레이저 광원(20,30)은 동일한 파장 또는 다른 파장을 가질 수 있다.Meanwhile, each
도 2에서는 2개의 레이저빔(22,32)이 동일한 경로 상에서 조사되는 것처럼 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위하여 도시한 것이고 실제로 2개의 레이저빔(22,32)은 조사 과정에서 간섭이 발생하지 않도록 조정 배치될 수 있으며 이는 이하에서 설명하기로 한다.In FIG. 2, the two
도 3 내지 도 5는 2개의 레이저 광원을 이용한 3차원 금속 프린팅 장치를 보인 도면이다.3 to 5 are views showing a three-dimensional metal printing apparatus using two laser light sources.
이에 도시된 바에 따르면, 도 2에서 설명한 실시예에서 2개의 레이저 광원(20,30)은 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 먼저 도 3을 참조하면, 제1 광원(20)은 제1 레이저빔(22)을 기판(10)을 향하여 수직방향으로 직접 조사할 수 있다. 이때 제2 광원(30)은 제1 광원(20)에서 측면 방향으로 이격된 위치에 배치되고 제2 레이저빔(32)을 제1 레이저빔(22)과 평행하게 조사한다. According to this, in the embodiment described in FIG. 2, the two
이때 제2 레이저빔(32)이 기판(10)의 표면에서 제1 레이저빔(22)의 경로 상으로 굴절되도록 하기 위하여 빔경로 상에 광학렌즈(40)를 배치하였다. 물론 본 도면에서 광학렌즈(40)를 단순히 볼록렌즈 형태로 간략하게 도시하였지만 이는 본 발명의 일 실시예의 구성요소를 개념적으로 간략히 도시한 것에 불과하고 실제 장치의 구현 시에는 광학렌즈(40)의 형상이나 구조가 달라질 수 있음은 당연하다. At this time, the
결과적으로 광학렌즈(40)를 통과한 제1 레이저빔(22)은 기판(10)의 표면으로부터 이격된 부분에 제1 초점면(F1)이 형성되고, 제2 레이저빔(32)은 제1 레이저빔(22) 쪽으로 굴절되어 기판(10)의 표면 상에 제2 초점면(F2)을 형성함으로써 기판(10)의 표면에 프린팅 스팟(S2)을 형성하게 된다. 즉 제2 레이저빔(32)은 기판(10)에 대하여 측면 쪽에서 경사지게 조사되고 제1 초점면(F1)과 초점거리 차이가 있는 제2 초점면(F2)을 통해 프린팅 스팟(S2)을 형성하는 것이다. As a result, the
한편 제2 레이저빔(32)은 제1 레이저빔(22)에 의해 생성된 금속 액적(4)이 프린팅 스팟(S2)에 도달하기 전에 공중에서 냉각되지 않도록 가열해주는 역할도 수행할 수 있다.Meanwhile, the
본 도면에서는 제2 광원(30)의 제2 레이저빔(32)의 경로 변경을 위하여 광학렌즈(40)를 이용하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고 다른 광학계를 이용하여 제2 레이저빔(32)의 경로 변경이 가능하다면 어떠한 것이라도 채용될 수 있다. In this drawing, the
또한 본 실시예에서 제1 광원(20)은 실질적으로 금속분말(2)을 용융하기 위해 고출력의 펄스 레이저가 사용되고, 제2 광원(30)은 기판(10)의 표면 가열만 하기 때문에 연속발진(CW Laser: Continuous Wave Laser) 레이저가 사용될 수 있다. In addition, in this embodiment, the
도 4를 참조하면, 제1 광원(20) 및 제2 광원(30)은 기판(10)과 수직한 방향으로 나란히 배치된다. 그리고 제1 광원(20) 및 제2 광원(30)에서 조사된 제1 레이저빔(22) 및 제2 레이저빔(32)은 각각 파장판(42)을 통과한다. 파장판(42, Wave Plate)은 광의 편광방향을 조정해주는 광학소자이다. Referring to FIG. 4, the
파장판(42)을 통과한 제1 레이저빔(22)은 미러(44)에서 반사되어 기판(10) 쪽으로 방향이 전환되고 편광 빔 스플리터(46) 및 광학렌즈(40)를 거쳐 제1 초점면(F1)으로 조사됨으로써 금속분말 용융 스팟(S1)을 형성한다. 한편 파장판(42)을 통과한 제2 레이저빔(32)은 편광 빔 스플리터(46)에서 반사되어 광학렌즈(40)를 거쳐 제2 초점면(F2)으로 조사됨으로써 프린팅 스팟(S2)을 형성한다. 편광 빔 스플리터(46)는 편광방향에 따라 광을 투과 또는 반사시키는데, 본 실시예에서는 제1 레이저빔(22)은 투과시키고 제2 레이저빔(32)은 기판(10) 쪽으로 반사시키는 역할을 한다. 편광 빔 스플리터(46)는 광학수단으로서 일 예를 제시한 것이며, 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)가 사용될 수도 있다.The
이상과 같이 배치한 광학장치를 통하여 2개의 레이저빔(22,32)은 서로 다른 초점면(F1,F2)을 가지도록 기판(10) 쪽으로 조사될 수 있다. Two
도 5를 참조하면, 도 3에 도시된 실시예와 달리 본 실시예에서는 제2 광원(30)이 제1 광원(20)과 경사지게 배치되어 직접 기판(10)의 표면으로 제2 레이저빔(32)이 조사될 수 있도록 하였다. 이때 제1 레이저빔(22) 및 제2 레이저빔(32)은 각각 광학렌즈(40)를 통과하여 제1 초점면(F1) 및 제2 초점면(F2)을 형성하게 된다. Referring to FIG. 5, unlike the embodiment illustrated in FIG. 3, in the present embodiment, the second
이상에서 설명한 제1 광원(20)과 제2 광원(30)의 배치는 일 예로 제시한 것에 불과하며, 제1 광원(20)은 기판(10)의 표면을 향하여 수직방향으로 제1 레이저빔(22)이 조사되고 제2 광원(30)은 제1 레이저빔(22)과 간섭되지 않고 기판(10)의 표면으로 제2 레이저빔(32)을 조사할 수 있는 배치나 광학계라면 어떠한 것이라도 채용될 수 있다. The arrangement of the
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to specific embodiments of the present invention, those skilled in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You can understand that it can be modified and changed.
2 : 금속분말 4 : 금속 액적
6 : 레이저빔 10 : 기판
20 : 제1 광원 22 : 제1 레이저빔
30 : 제2 광원 32 : 제2 레이저빔
40 : 광학렌즈 42 : 파장판
44 : 미러 46 : 편광 빔 스플리터2: Metal powder 4: Metal droplets
6
20: first light source 22: first laser beam
30: second light source 32: second laser beam
40: optical lens 42: wave plate
44: mirror 46: polarizing beam splitter
Claims (11)
상기 기판의 표면에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 금속분말 용융 스팟을 형성하고, 상기 금속분말 용융 스팟으로 공급되는 금속분말에 레이저빔을 집속시켜 금속 액적을 생성하는 레이저 광원을 포함하고,
상기 레이저 광원은,
상기 금속분말 용융 스팟으로 제1 레이저빔을 조사하는 제1 광원; 및
상기 금속 액적이 떨어지는 상기 기판의 표면에 형성된 프린팅 스팟으로 제2 레이저빔을 조사하는 제2 광원을 포함하며,
상기 프린팅 스팟은 상기 제2 레이저빔에 의해 소정 온도로 가열됨으로써, 상기 금속 액적이 냉각되는 속도가 제어되는데,
상기 프린팅 스팟에 떨어진 금속 액적은 재용융되지 않는 온도를 유지하도록 가열되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.In the three-dimensional metal printing apparatus for manufacturing a three-dimensional metal structure on the substrate by irradiating a laser beam to the metal powder,
It includes a laser light source to form a metal powder melt spot at a position spaced a predetermined distance from the surface of the substrate, and focusing the laser beam on the metal powder supplied to the metal powder melt spot to generate metal droplets,
The laser light source,
A first light source irradiating a first laser beam with the metal powder melting spot; And
And a second light source that irradiates a second laser beam with a printing spot formed on the surface of the substrate on which the metal droplet falls.
The printing spot is heated to a predetermined temperature by the second laser beam, thereby controlling the rate at which the metal droplets are cooled.
3D metal printing apparatus using a laser, characterized in that the metal droplets dropped on the printing spot are heated to maintain a temperature that does not remelt.
상기 제1 광원은 펄스 레이저이고, 상기 제2 광원은 연속발진(CW Laser: Continuous Wave Laser) 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.According to claim 1,
The first light source is a pulse laser, the second light source is a three-dimensional metal printing apparatus using a laser, characterized in that the continuous oscillation (CW Laser: Continuous Wave Laser) laser.
상기 제2 광원은 상기 제1 광원에서 측면 방향으로 이격되어 배치되고,
상기 제1 광원 및 제2 광원에서 발생된 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔의 경로 상에는 상기 제2 레이저빔의 경로를 굴절시키는 광학렌즈가 배치되어 상기 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔의 초점면은 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.According to claim 1,
The second light source is disposed spaced apart in the lateral direction from the first light source,
Optical lenses for refracting the paths of the second laser beams are disposed on paths of the first and second laser beams generated from the first and second light sources, thereby focusing the first laser beam and the second laser beam. 3D metal printing apparatus using a laser, characterized in that the surfaces are formed differently.
상기 제1 광원 및 제2 광원은 상기 기판에 대하여 수직방향으로 나란하게 배치되는데,
상기 제1 광원에서 발생된 제1 레이저빔은 미러에서 반사되어 광학렌즈로 조사되고 상기 제2 광원에서 발생된 제2 레이저빔은 편광 빔 스플리터에서 반사되어 상기 광학렌즈로 조사됨으로써, 상기 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔의 초점면은 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.According to claim 1,
The first light source and the second light source are arranged side by side with respect to the substrate,
The first laser beam generated from the first light source is reflected from the mirror and irradiated to the optical lens, and the second laser beam generated from the second light source is reflected from the polarization beam splitter and irradiated to the optical lens, so that the first laser beam is generated. 3D metal printing apparatus using a laser, characterized in that the focal planes of the beam and the second laser beam are formed differently.
상기 미러에서 반사된 상기 제1 레이저빔은 상기 편광 빔 스플리터를 통과하여 상기 광학렌즈로 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.The method of claim 6,
The first laser beam reflected from the mirror is passed through the polarization beam splitter 3D metal printing apparatus using a laser, characterized in that irradiated with the optical lens.
상기 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔은 파장판을 통과하여 상기 미러 및 상기 편광 빔 스플리터로 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.The method of claim 6,
The first laser beam and the second laser beam passing through the wavelength plate is a three-dimensional metal printing apparatus using a laser, characterized in that irradiated with the mirror and the polarizing beam splitter.
상기 제2 광원은 상기 제2 레이저빔이 상기 제1 레이저빔에 대하여 경사지게 조사되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 3차원 금속 프린팅 장치.According to claim 1,
The second light source is a three-dimensional metal printing apparatus using a laser, characterized in that the second laser beam is arranged to be inclined with respect to the first laser beam.
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