KR100341489B1 - 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치에 관한 것으로, 그 목적은 레이저 조사로 인해 모재 표면에 발생되는 용융풀에 특정한 각도로 모든 방향에서 균일한 양의 분말을 공급하여, 레이저빔 또는 모재의 이동방향에 무관하게 클레딩 층(또는 합금층)의 두께를 정밀하게 선택·형성하고, 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치에 있어서; 상기 분말공급장치는 이송가스(carrier gas)에 의해 분말저장용기내의 분말을 공급하는 분말공급관과; 상기 분말공급관의 끝단에 연결·설치되어 공급되는 분말을 균등하게 등분하는 분말분배기부와; 상기 분말분배기부의 하부에 각 분배된 분말을 이송하기 위해 연결·설치되는 다수개의 분말이송관과; 상기 이송관의 다른 끝단이 수직으로 연결·설치되는 원추형상의 노즐부와; 상기 분말분배기부 하부에 위치하도록 빔 전송계에 설치되어 노즐의 전/후/좌/우 위치를 미세조절함과 동시에 빔 전송계에 노즐부를 고정시키는 위치조절부를 포함하여 구성되어 노즐에서 원형으로 나오는 분말의 분포가 레이저빔을 중심으로 모든 방향(360도)에 걸쳐 균일하게 공급되도록 한 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치를 제공함에 있다.

Description

레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치{Powder feeding apparatus for the laser-surface modification and laser direct material manufacturing systems}

본 발명은 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치에 관한 것으로, 레이저 클레딩 등의 레이저 표면개질기술과 직접금속조형기술에서 레이저빔 또는 모재의 이동방향에 무관하게 레이저 조사로 인해 모재 표면에 발생된 용융풀에 특정한 각도로 모든 방향에서 균일한 양의 분말이 공급되도록 분말 분배기(powder splitter)와 원심형 분말공급 노즐(concentrically powder-feeding nozzle)이 설치된 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 고출력 레이저빔을 이용하여 모재 표면에 새로운 합금층 혹은 클레딩 층을 합성하거나 혹은 클레딩 층을 반복적으로 적층(積層)하여 3차원 형태의 제품을 조형할 때, 가장 중요한 핵심기술 가운데 하나가 레이저 조사로 인해 모재 표면에 생긴 용융풀에 외부로부터 재료를 공급하는 기술로써, 이것이 제품(혹은 합금층 또는 클레딩 층)의 특성과 품질을 결정한다. 상기 외부에서 공급되는 재료는 일반적으로 분말, 와이어(wire, 또는 rod), 혹은 리본(ribbon) 형태를 사용하며, 와이어와 리본 형태의 재료를 레이저 응용기술에 사용할 경우, 일반 용접공정에서 필러 메탈(filler metal)을 공급할 때 사용되는 와이어 공급장치(wire feeder)를 간편하게 사용할 수 있고 취급이 용이하다는 이점이 있다. 그러나 가공공정 과정에서 모재와 클레딩 층(혹은 합금층) 사이에 기공(pore)이 형성되고 균일한 미세조직을 얻기 어렵기 때문에 클레딩 층의 기계적 특성이 떨어지고 기계적 성질에 이방성이 생긴다. 특히 공정 방향에 따라 클레딩(혹은 합금층) 비드(bead)의 형태가 불균일하게 형성되어 일정한 높이의 클레딩 층을 얻기 어렵다는 커다란 취약점이 있었다. 이러한 이유로 인해 특별한 경우를 제외하고 대부분의 레이저 응용에서는 분말 형태의 재료를 사용한다.

레이저 조사로 인해 모재 표면에 생긴 용융풀에 외부에서 분말 형태의 재료를 공급할 때, 분말공급량의 정밀도, 분말 입자의 공급 속도, 분말이 용융풀에 공급되는 각도 및 방향, 낙하 분말의 분포, 분말이송가스 등의 분말공급기술이 클레딩 층(혹은 합금층)의 특성 및 품질을 결정하고, 이러한 분말공급기술을 물리적으로 구현하는 것이 분말공급용 노즐(powder-feeding nozzle)이다.

분말공급용 노즐은 레이저빔을 기준으로 분말공급 방향에 따라 lateralfeeding 방식과 concentric feeding(혹은 coaxial) 방식으로 구별된다.

상기 Lateral feeding 방식의 노즐은 레이저빔을 기준으로 측면의 어떤 한 방향에서 분말을 용융풀에 공급하는 방법으로, 이 방법은 노즐의 설계방식에 따라 분말손실률을 크게 줄일 수 있고(최대 5%까지), 2 mm이상의 비교적 큰 클레딩 비드를 합성하는 데 적합하다는 장점이 있다. 그러나 와이어 공급장치에서와 같이, 레이저빔 혹은 모재의 이동방향에 따라 형성되는 클레딩(혹은 합금) 비드의 높이와 폭이 불균일하기 때문에 일정한 높이의 클레딩 층(혹은 합금층)을 형성하기 어렵다는 문제점이 있었다. 특히 레이저 클레딩이나 혹은 클레딩 층을 연속적으로 적층하는 3차원 조형기술에서처럼, 클레딩 공정의 툴 패스(tool path)가 매우 중요한 경우에 lateral 방식의 노즐을 사용하면 비드의 형상이 레이저빔 혹은 모재의 이송방향에 따라 변하기 때문에 일정한 높이의 클레딩 층을 얻을 수 없고, 정밀도가 크게 떨어지며 클레딩 층의 조도가 매우 거칠게 된다.

상기 Concentric feeding 방식은 레이저빔을 중심으로 모든 방향에서 분말을 공급하는 방법으로, 레이저빔 혹은 모재의 이송방향에 무관하게 균일한 클레딩 비드를 형성할 수 있고, 노즐 자체가 레이저빔 전송계의 하단부에 설치되는 빔노즐의 역할도 수행하는 장점이 있기 때문에 레이저 표면 클레딩과 레이저 직접 금속조형기술에 주로 이용된다.

Concentric feeding 방식의 노즐을 사용하더라도 일정한 높이의 클레딩 층(또는 합금층)을 정밀하게 형성시키기 위해서는, 우선 모든 방향에 걸쳐 균일한 양의 분말이 용융풀에 공급되어야 하고, 노즐로부터 나온 분말이 모재 표면에 도달하는 영역의 중앙에 용융풀(레이저빔)이 놓여야 한다. 그러나 원심형 분말공급용 노즐에 이송되는 분말은 분말공급기(powder feeder)로부터 한 개의 관(tube)을 통해 이송가스(carrier gas)와 함께 공급되기 때문에, 노즐을 통해 모든 방향으로 동일한 량의 분말을 모재 표면의 용융부에 공급하기 어렵다는 기술적인 문제점이 있다.

또한, concentric feeding 방식의 노즐은 lateral feeding 방식에 비하여 모재와의 작업 거리(working distance)가 짧고, 이로 인해 레이저빔과 모재 표면의 반응 부위에서 발생되는 스퍼터에 의해 노즐의 분말출구가 막히는 현상이 자주 일어나는 문제점이 있었다.

또한, 노즐이 레이저빔 전송계의 하단부에 설치되어 빔 노즐의 역할을 수행하지만, 분말이 모재 표면에 도달하는 영역의 중앙에 레이저빔(또는 용융풀)이 정확히 놓이도록 노즐을 설계 제작하는 것이 어렵고, 레이저빔의 정렬(beam alignment)이 조금 틀어져도 전체의 빔 전송계를 다시 정렬시켜야 하는등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 레이저 조사로 인해 모재 표면에 발생되는 용융풀에 특정한 각도로 모든 방향에서 균일한 양의 분말을 공급하여, 레이저빔 또는 모재의 이동방향에 무관하게 클레딩 층(또는 합금층)의 두께를 정밀하게 선택·형성하고, 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치에 있어서; 상기 분말공급장치는 이송가스(carrier gas)에 의해 분말저장용기내의 분말을 공급하는 분말공급관과; 상기 분말공급관의 끝단에 연결·설치되어 공급되는 분말을 균등하게 등분하는 분말분배기부와; 상기 분말분배기부의 하부에 각 분배된 분말을 이송하기 위해 연결·설치되는 다수개의 분말이송관과; 상기 이송관의 다른 끝단이 수직으로 연결·설치되는 원추형상의 노즐부와; 상기 분말분배기부 하부에 위치하도록 빔 전송계에 설치되어 노즐의 전/후/좌/우 위치를 미세조절함과 동시에 빔 전송계에 노즐부를 고정시키는 위치조절부를 포함하여 구성되어 노즐에서 원형으로 나오는 분말의 분포가 레이저빔을 중심으로 모든 방향(360도)에 걸쳐 균일하게 공급되도록 한 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치를 제공함에 있다.

도 1 은 분말 분배기와 원심형 분말공급 노즐의 전체적인 개략도

도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 분말 분배기 평면, 전면, 저면 단면도

도 3 은 본 발명에 따른 구성을 보인 원심형 분말공급노즐의 평면, 전면, 저면 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 분말공급관 (20) : 분말분배기부

(21) : 분배기 (22) : 깔대기

(23) : 깔대기 연결관 (24) : 분배기하우징

(30) : 분말이송관 (40) : 노즐부

(41) : 내부노즐 (42) : 외부노즐

(43) : 분말통로 (44) : 체결볼트

(45) : 고무링 (50) : 위치조절부

(51) : 노즐고정체 (52) : 조절나사

(60) : 빔 전송계 (61) : 집광렌즈

(62) : 레이저빔 (63) : 레이저빔 중심선

(64) : 집광렌즈 고정체 (70) : 냉각라인

(200): 모재 (201): 용융풀

(411): 내부노즐 출구 (412): 내부노즐 상부

(421): 외부노즐 출구 (422): 홀

레이저 표면 합금화(laser surface alloying) 및 레이저 클레딩(laser cladding) 등과 같은 레이저 표면개질기술, 그리고 레이저 클레딩기술을 기반으로 하여 CAD 데이터로부터 바로 기능성 소재(금속, 합금, 세라믹 등)를 이용하여 3차원 형태의 제품을 제작하는 레이저 직접 금속조형기술 등과 같은 레이저 응용기술에서 가장 중요한 핵심기술 가운데 하나가 레이저 조사로 인해 모재(substrate) 표면에 발생된 용융풀(melt pool)에 외부로부터 분말을 첨가하는 분말공급기술이다.상기 분말공급기술은 용융풀에 공급되는 분말 공급량의 정밀도, 분말 입자의 이송속도, 분말이 용융풀에 공급되는 각도 및 방향, 용융풀에 공급되는 분말의 분포, 분말이송가스 등의 요인을 제어/혹은 결정하는 기술을 말하는 것으로, 이러한 기술을 물리적으로 구현하는 것이 분말공급장치 및 분말공급용 노즐이며, 이들 장치의 성능이 레이저 표면개질기술 및 직접금속조형기술에서 만들어지는 클레딩 층(또는 합금층)의 특성 및 품질을 결정한다.

상기 레이저 클레딩이나 혹은 클레딩 층을 연속적으로 쌓아 올리는 3차원 조형기술에서 어떤 임의의 면적을 클레딩 처리할 때 레이저빔 또는 모재의 이동방향에 무관하게 항상 일정한 높이의 클레딩 층(또는 합금층)을 얻기 위하여 원뿔(conical) 모양의 분말공급 노즐을 사용한다. 이때 노즐에서 원형으로 나오는 분말의 분포가 레이저빔을 중심으로 모든 방향(360도)에 걸쳐 균일하게 공급되어야 한다.

본 발명은 상기와 같이 레이저빔을 중심으로 모든방향에 걸쳐 균일하게 분말을 공급하기 위하여 분말공급기와 원심형 분말공급 노즐 사이에 별도의 분말 분배기(powder splitter)부를 설치하였다.

상기 분말분배기부는 분말 공급기로부터 한 개의 관을 통해 공급되는 분말을 동일한 양 만큼 등분하고 이들 분말을 각각 별도의 다른 이송관(tube)을 통하여 원심형 분말공급 노즐에 전달해 줌으로써, 노즐을 통해 모든 방향에 걸쳐 균일한 양의 분말을 용융풀에 전달하도록 하는 역할을 한다.

상기 원심형 노즐부는 레이저빔이 통과하는 빔 노즐의 역할을 수행하는 내부노즐과 이를 둘러싸고 있으면서 분말을 통과시키는 외부노즐로 구성되어 있는 비교적 간단한 구조를 갖고 있으며, 외부노즐의 길이가 내부노즐에 비해 다소 길게 만들어져 있다.

또한 상기 원심형 분말공급 노즐 상부 즉, 레이저빔 전송계와 체결되는 내부노즐부의 상단부에는 위치조절부가 설치되어 있어, 노즐부를 전/후/좌/우로 간편히 이동시키고, 모재 표면의 분말공급 영역의 중앙에 용이하게 레이저빔을 정렬시키도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 분말 분배기와 원심형 분말공급 노즐의 전체적인 개략도를, 도 2 는 본 발명에 따른 구성을 보인 분말 분배기 평면, 전면, 저면 단면도를, 도 3 은 본 발명에 따른 구성을 보인 원심형 분말공급노즐의 평면, 전면, 저면 단면도를 도시한 것으로, 본 발명은 이송가스에 의해 분말을 공급하는 분말공급관(10)에 연결되도록 설치되는 분말분배기부(20)와, 상기 분말분배기부(20)와 분말이송관(30)에 의해 연결되는 노즐부(40)와, 상기 노즐부(40)의 위치를 조절하도록 빔 전송계(60)에 설치되는 위치조절부(50)로 구성되어 있다.

상기 분말분배기부(20)는 도 2 에 도시된 바와 같이 분말공급관(10)의 끝단부에 설치되는 분배기(21)와, 상기 분배기(21)하부에 위치하도록 설치되는 다수개의 깔대기(22)와, 상기 깔대기(22) 하부에 연결·설치되는 깔대기 연결관(23)과, 상기 분말공급관(10) 및 깔대기 연결관(23)이 상/하부에 각각 연결되고 분배기(21)와 깔대기(22)를 보호하는 분배기 하우징(24)으로 구성되어 있다.

상기 분배기(21)는 분말공급관(10)을 통해 공급되는 분말을 설치된 깔대기(22)의 수에 비례하도록 분리·분배하는 것으로, 피라미드와 같이 다수개의 경사면이 하나의 꼭지점을 중심으로 설치되어 있으며, 상기 꼭지점은 분말공급관(10)의 중심에 위치하도록 설치되어 있다.

상기 깔대기(22)는 분배기(21)에 의해 분배된 분말을 각각의 분말이송관(30)으로 공급하는 것으로, 테이퍼진 형태 즉, 깔대기 형상을 구비하고 분배기(21) 하부에 위치하도록, 분배기 하우징(24)내에 다수개가 설치되어 있다.

상기 깔대기 연결관(23)은 분배기하우징(24) 하단면에 설치되는 것으로, 깔대기(22)와 동일 중심선을 구비하도록 깔대기(22) 하부에 연결·설치되어 있다.

상기 노즐부(40)는 도 3 에 도시된 바와 같이 레이저빔이 통과하는 빔 노즐의 역할을 수행하는 내부노즐(41)과, 상기 내부노즐(41)을 둘러싸도록 체결볼트(44)에 의해 체결되는 외부노즐(42)과, 상기 내부노즐(41)과 외부노즐(42) 사이에 형성되는 분말통로(43)로 구성되어 있으며 내,외부노즐(41)(42)을 구비하도록 노즐 끝부분을 0.01㎜ 간격으로 최대 2㎜로 미세하게 전후좌우로 이동시킬 수 있게 하였다.

상기 내부노즐(41)은 집광렌즈(61)에 의해 집광된 레이저빔(62)이 통과하는 것으로, 상부가 위치조절부(50)에 연결되고, 하부가 레이저빔 중심선(63)과 일정경사를 구비하도록 형성되어 있다.

상기 외부노즐(42)은 분말을 용융풀(101)에 공급하는 것으로, 체결볼트(44)에 의해 내부노즐(41)과 연결되고, 레이저빔 중심선(63)과 수평을 이루는 부위에 분말이송관(30)과 연결되는 다수개의 홀(422)이 형성되어 있다.

상기 분말통로(43)는 노즐부(40)의 내·외부노즐(41,42) 사이에 형성된슬롯(slot)으로, 내부노즐(41)과 외부노즐(42)의 체결에 의해 형성되며, 수직으로 형성된 상부가 외부노즐(42)을 관통하여 형성된 홀(422)에 의해 분말이송관(30)과 연결되어 있다. 즉, 상기 분말통로(43)는 외부노즐(42)의 내면과 내부노즐(41)의 외면에 의해 형성되고, 분말이송관(30)과 연결되는 상부는 레이저빔 중심선(63)과 평행을 이루도록, 하부는 노즐출구방향으로 오면서 레이저빔 중심선(63)과 일정한 각도를 이루도록 테이퍼져 있다.

이때 상기 레이저빔 중심선(63)과 외부노즐(42)의 내면이 이루는 각도는 레이저빔 중심선(63)과 내부노즐(41)의 외면이 이루는 각도보다 약간 작게 형성되어 있으며, 외부노즐의 출구(421)가 내부노즐의 출구(411) 즉, 외부노즐(42)의 끝단부가 내부노즐(41)의 끝단부보다 약간 길게 형성되어 있다.

이때, 레이저빔의 중심선(63)과 내·외부노즐의 외·내부면과 이루는 두 각도의 크기는 노즐출구(411,421)와 처리면 사이의 거리, 즉 작업거리(working distance)와 레이저빔의 초점거리에 따라 또는 작업거리와 모재표면에서의 레이저빔 크기(직경)에 따라 결정되며, 이 두 각도는 사용분말의 효율과 클레딩 두께를 결정하기 때문에 적절히 잘 설정하여야 한다.

또한, 내·외부노즐(41,42)의 끝단 길이는 노즐의 출구를 통과한 분말이 가능하면 외부로 퍼지지 않고 모재 표면의 레이저빔에 모이도록 하기 위한 것으로, 만약 외부노즐의 노즐길이가 길면 길수록 분말의 집속 효과는 좋아지겠지만 너무 길면 용탕에서 튀는 용융분말이 노즐 끝부분에 붙어 분말의 흐름을 방해하고 노즐의 수명을 단축시킬 수 있다. 또한 외부 노즐의 출구 크기(opening)가 내부 노즐출구의 크기와 비슷할 경우, 즉 외부노즐 끝부분이 내부노즐 끝부분을 감싸는 형태로 되었을 경우에는 분사되는 분말과 레이저빔이 겹침으로 분말이 모재의 용탕부위에 도착하기 전에 레이저빔에 용융되어 서로 부딪히거나 하여 용융분말이 튀는 경우가 발생하며, 이로 인해 노즐출구 부분에 용융된 분말이 부착되어 가스나 분말의 흐름을 방해하게 되고 노즐의 수명을 감소시키게 된다.

또한, 상기 내부노즐(41) 중앙에서 레이저빔(62)과 함께 쉴딩(shielding) 가스를, 그리고 분말과 함께 흘려주는 분말 캐리어(carrier) 가스를 공급하여 레이저 공정 중에 모재 표면에 발생되는 산화를 방지하고 스퍼터로부터 렌즈 또는 미러를 보호하며, 또한 상기 외부노즐(42) 하단부에는 노즐의 내구성을 향상시키기 위하여 냉각수가 공급되는 냉각라인(70)을 외부노즐(42)의 출구로부터 3~5㎜에 설치되어 있다.

즉, 초점거리가 짧은 빔을 사용하거나 노즐출구와 모재 표면과의 거리가 작을 경우, 모재에 가하여지는 열이 노즐출구 부분을 가열하게 되는데, 이러한 가열을 방지하기 위하여 노즐출구에 가까운 외부노즐 표면에 동관으로 냉각라인이 설치되어 있다.

또한, 상기 내부노즐(41)과 외부노즐(42) 사이에는 분말통로(43)까지 분말을 이송해온 분말 이송가스의 역류를 방지하는 고무링(45)이 설치되어 있다.

상기 위치조절부(50)는 빔 전송계(60)에 노즐부(40)를 연결·설치하는 것으로, 도 3 에 도시된 바와 같이 집광렌즈 고정체(64) 하부에 연결·설치된 노즐고정체(51)를 관통하는 다수개의 조절나사(52)에 의해 내부노즐(41)의 상부를 체결한다. 즉, 상기 노즐부(40)의 내부노즐 상부(412)는 노즐고정체(51)내에 위치하도록삽입되고, 상기 노즐고정체(51)를 관통하는 다수개의 조절나사(52)에 의해 내부노즐 상부(412)가 체결되며, 조절나사(52)의 조임정도에 따라 노즐부(40)의 위치가 전/후/좌/우로 조절된다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 이용하여 분말분배기부와 원심형 분말공급 노즐부의 구조와 원리를 실제 레이저빔으로 클레딩할 경우, 분말이 공급장치로부터 최종적으로 레이저빔과 모재가 서로 만나서 용융이 일어나는 부분까지의 이송경로를 설명하면 다음과 같다.

먼저 분말저장용기로부터 이송가스(carrier gas)와 함께 출발한 분말이 도 1 에서의 분말공급관(10)을 통하여 분말분배기부(20)에 도달하면, 분말공급관(10)의 끝 부분에 분말을 4방향(설명의 편의상 분배기(21)에 의해 분배되는 방향을 4 방향으로 설정)으로 일정하게 분배하기 위하여 분말공급관(10)이 끝나는 부분에 피라미드 형태의 5면체를 위치시켰으며, 이 피라미드 형태의 분배기(21)에 의해 분말이 4 부분으로 분배된다.

이 5면체 분배기(21)의 4 꼭지점 중 하나를 예리하게 하여 이 꼭지점이 분말공급관(10) 내부의 중심부에 위치하도록 한다. 이때, 상기 분배기(21)를 통과하는 각 분말의 량은 피라미드 형태의 꼭지점이 얼마나 정확하게 분말공급관(10) 내부의 중앙에 위치하느냐에 따라 결정되며, 분말공급관(1) 내부에 위치하는 꼭지점을 형성하는 4개 면의 기울기는 분말공급관(10)의 내경과 피라미드 아래에 위치한 뒤집어 놓은 원뿔 모양의 깔때기(22) 크기에 의하여 결정된다. 상기 피라미드 형태의분배기(21)에서 4 방향으로 분배된 분말은 각각 도 2 에서 보는 것처럼 뒤집어 놓은 원뿔 모양의 4개 깔때기(22) 내부로 흘러 들어가게 되며, 깔때기(22)를 통과한 분말들은 도 1 에서처럼 깔때기 연결관(23)에 연결된 4개의 분말이송관(30)을 통하여 노즐부(40) 중간부에 나있는 4개의 홀(422)로 흘러 들어가게 된다. 노즐부(40) 중간부에 연결된 4개의 홀(422)은 도 3 에서 보는 것처럼 분말이 노즐출구(411,421)에서 360도 방향에서 균일하게 배출되도록 동일한 각도를 이루며 외부노즐(42)에 설치되어 있다. 즉, 상기 홀(422)은 4개이므로 90도의 각도를 유지하도록 각각 설치되어 있다. 4개의 홀(422)으로 들어온 분말은 노즐 내부의 분말통로(43)를 따라 노즐출구(421)를 통해 모재방향으로 배출된다. 이때, 노즐부의 중심과 레이저빔의 중심은 도 3 에 도시된 바와 같이 조절나사(14)를 사용하여 전/후/좌/우로 노즐을 이동시킴으로써 일치시킨다.

이와 같이 본 발명은 분말의 이송속도나 공급량을 조절하는 장치가 아니라 다만 공급량과 이송속도가 결정된 분말이 분배기를 거쳐 노즐을 통과하여 레이저 빔 주위에 분사될 때 방향성이 없이 균일하게 분사되어 레이저빔에 의하여 모재에 형성된 용융풀에 집중될 수 있도록 하는 것이므로, 공급되는 분말의 양이나 속도는 분말이 분배기를 통과하기 전에 분말의 저장용기와 분배기 사이에서 이루어져야 한다.

또한, 레이저빔에 의한 모재의 용융정도와 공급된 분말의 양과 속도 등은 처리목적에 따라 달라진다. 즉, 모재의 용융풀 부피와 공급된 분말이 레이저빔에 의하여 용융된 부피의 크기가 처리목적에 따라 달라진다. 예를 들면, 표면 합금공정에서의 모재 용융풀의 부피는 클레딩이나 3차원 형상제조 공정에서의 모재 용융풀 부피보다 작아야 한다. 레이저빔에 의하여 모재에 형성되는 용융풀의 부피는 레이저빔의 출력이나 이송속도에 의하여 결정되고 공급되는 분말에 의한 용융풀의 크기는 빔의 이송속도나 분말의 이송속도 및 양에 의하여 결정된다.

상기와 같이 작동되는 본 발명은 동일한 량의 분말을 좀더 정밀하게 노즐로 공급하고자 하는 경우에는 분말 분배기에서 4등분 이상으로 분말이 나누어 지도록 간단히 설계를 변경할 수 있으며, 노즐에 형성되는 홀 역시 분배기의 분배에 비례하도록 4개 이상으로 형성할 수 있다. 그러나 본 발명은 4개의 홀로도 2차원 형상제조에 충분히 균일한 분말을 공급할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 분말 공급기와 원심형 노즐 사이에 별도의 분말분배기를 설치하여, 분말이 노즐 뭉치로 들어오기 전에 분배기에서 동일한 분량으로 등분하고, 이들이 각각 별도의 이송관을 통해 노즐 허리부분의 서로 다른 방향으로 유입됨으로써, 노즐 출구에서 나오는 분말의 양이 레이저빔을 중심으로 모든 방향에서 균일하게 분사되며, 이로 인해 레이저빔 또는 모재의 이송방향에 무관하게 일정한 두께의 클레딩 층(또는 합금층)을 정밀하게 형성할 수 있고, 툴 패스에 따른 클레딩 층의 방향성 문제를 완전히 배제시킬 수 있으며, 분말량에 매우 민감하게 적층(클레딩 층)의 두께를 조절할 수 있다.

또한, 빔 전송계에 체결되어 있는 원심형 분말공급 노즐을 위치조절부에 의해 전/후/좌/우로 간편히 이동시킬 수 있기 때문에 레이저빔(또는 용융풀)이 모재 표면의 분말공급 영역 중앙에 놓이도록 쉽게 정렬시킬 수 있다.

또한, 외부 하우징의 길이를 내부 노즐뭉치에 비해 다소 길게 만듦으로써 레이저 가공 중에 발생되는 스퍼터(sputter)로 인해 노즐의 분말공급출구가 막히는 현상을 방지하고, 공급되는 분말이 모재 표면의 용융풀에 집중되도록 하여 분말손실을 최소화하였다.

또한, 노즐부의 구조가 비교적 간단하게 소형으로 설계되어 있어, 제작 및 보수가 용이하고, 좁은 공간에서도 효과적으로 클레딩 할 수 있다.

또한, 본 발명은 분말과 함께 흘려주는 이송가스와 레이저빔과 함께 빔의 입사방향에서 모재 방향으로 흘려주는 가스, 2 가지만 사용하여도 산화를 방지할 수 있으므로, 종래의 장치에 비하여 가스의 소비를 크게 절감할 수 있다. 즉, 본 발명은 클레딩과 3차원 쾌속조형에 적용한 결과, 이 두 가스로 충분히 쉴딩(shielding)을 할 수 있었으며, 이로 인해 종래의 장치에서와 같이 분말과 용융부위를 쉴딩(shielding)하기 위하여 분말노즐 바깥쪽에서 분말분사 방향과 동등한 방향으로 별도의 쉴딩용 가스를 분사시킬 필요가 없다.

또한, 본 발명은 레이저 합금화 및 레이저 클레딩 등의 레이저 표면개질기술과, 그리고 레이저 클레딩을 기반으로 하여 3차원 형태의 제품을 바로 제작하는 레이저 직접 금속조형기술(혹은 쾌속조형기술) 외에도 레이저 용접, 그리고 레이저를 이용하여 손상된 부품을 보수하는 레이저 보수기술에도 적용할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (7)

1. 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치에 있어서;

   상기 분말공급장치는 이송가스(carrier gas)에 의해 분말저장용기내의 분말을 공급하는 분말공급관과,

   상기 분말공급관의 끝단에 연결·설치되어 공급되는 분말을 균등하게 등분하는 분말분배기부와,

   상기 분말분배기부의 하부에 각 분배된 분말을 이송하기 위해 연결·설치되는 다수개의 분말이송관과,

   상기 이송관의 다른 끝단이 수직으로 연결·설치되는 원추형상의 노즐부와,

   상기 분말분배기부 하부에 위치하도록 빔 전송계에 설치되어 노즐의 전/후/좌/우 위치를 미세조절함과 동시에 빔 전송계에 노즐부를 고정시키는 위치조절부를 포함하여 구성되어 노즐에서 원형으로 나오는 분말의 분포가 레이저빔을 중심으로 모든 방향(360도)에 걸쳐 균일하게 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 분말분배기부는 분말공급관의 끝단부에 설치되는 분배기와,

   상기 분배기하부에 위치하도록 설치되는 다수개의 깔대기와,

   상기 깔대기 하부에 상부가 연결·설치되고 하부가 분말이송관에 각각 연결·설치되는 깔대개 연결관과,

   상기 분말공급관 및 깔대기 연결관이 상/하단부에 각각 연결되고 분배기와 깔대기를 보호하는 분배기 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 노즐부는 레이저빔이 통과하는 빔 노즐의 역할을 수행하는 내부노즐과,

   상기 내부노즐외측에 내부노즐과 동일중심축을 구비하도록 체결볼트에 의해 내부노즐에 체결되고, 분말이송관과 노즐측에 90도로 연결되는 다수개의 홀이 일정각도를 유지하고 형성된 외부노즐과,

   상기 내부노즐과 외부노즐 사이에 외부노즐의 홀과 연통되도록 형성되는 분말통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치.
4. 제 3 항에 있어서;

   상기 외부노즐의 끝단부는 배출되는 분말을 가공물 표면에 레이저빔이 닫는 부위에 수렴하도록 내부노즐의 끝단부보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치.
5. 제 3 항에 있어서;

   상기 레이저빔의 중심선과 내부노즐의 외면이 이루는 각도보다, 레이저빔의 중심선과 외부노즐의 내면이 이루는 각도가 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치.
6. 제 3 항에 있어서;

   상기 외부노즐과 내부노즐 사이에는 고무링이 설치되어 이송가스의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술에 이용되는 레이저빔 시스템의 분말공급장치.
7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서;

   상기 외부노즐의 노즐출구 끝부분에 가까운 외부면에 냉각라인이 더 설치된 것을 특징으로 하는 레이저 표면개질기술 및 레이저직접조형기술에 이용되는 레이저빔 재료가공 시스템의 분말공급장치.