Laser forming process is a promising technology in shipbuilding, automobile, aerospace and manufacturing industry. This process includes the non-contact forming of sheet metal by utilization of thermal-mechanical stresses induced by laser. Laser forming requires no hard tooling i.e. punch & die system, and spring back action. Therefore it has precise control and many advantages for manufacturing and rapid-prototyping process. The laser forming process of sheet metal has been extensively analyzed, but a few studies have been conducted in the area of process design of 3D laser forming.
This study describes the effect of irradiation path strategy and transition geometries in 3D laser forming. The experiments were conducted on three kinds of geometries that are circle, ring and referenced rectangular plates. The results show that curved path irradiation strategy has fewer deformations than linear paths. The observed geometries have segment angle of $5 \sim 180 degree$ (half-circular plate).
Process designing of 3D laser forming has been analyzed. Inverse problem for axis-symmetric geometries with focusing on class of shapes is handled by using the distance-based algorithm, made by Prof. S.J. Na & Kim. The implementation of algorithms was confirmed. The used geometries are quarter-circular ring plate and half-circular ring plate. A free curve was taken as a target shape and connected forming points give the concentric paths strategy. The path radius was found an additional variable during establishment of data base.
The study was extended to get the dish shape of a full-circular ring plate as a empirical way. To investigate the reason for distortion of plate caused by concentric paths, an additional series of experiments were conducted. Those experiments include the ring plates having the segment angle of $5 \sim 330 degree$. Gap between free edges was decreased gradually to monitor the whole process thoroughly. The use of radial paths with varying radial length was found more appropriate for forming a dish shape.
Numerical simulations have also been run by using ABAQUS software. The results of simulation have met the results of experiments. The fiber laser was used throughout the experiments. Motion assistant and LabView were used as controlling apparatus.
레이저 성형공정은 조선, 자동차, 항공, 제조업 등 여러 기반산업에 사용될 수 있는 유망한 기술이다. 이는 레이저에 의한 재료의 열변형을 이용한 비접촉식 박판금속의 성형 방법이다. 펀치나 다이와 같은 공구를 사용하지 않으므로 생산공정이나 쾌속조형 공정에 유리한 장점이 있다. 현재 레이저 성형에 관해 광범위한 연구가 진행되고 있지만 3차원 성형공정의 설계에 관한 연구는 드문 실정이다.
본 연구에서는 기초 실험으로 가열선 형태 및 시편형상의 변화에 따른 영향을 다루었으며 원형 및 고리형상, 사각 형상 시편에 대해 실험을 하였다. 실험결과 곡선형 가열이 직선형 가열일 때보다 변형이 작게 나타났으며 5도에서 180도(반원모양)까지 시편 형상을 변화시켜 진행하였다. 3차원 레이저 성형방법에 관한 연구로써 기존의 2차원 성형의 역함수 해결방법인 거리기준 방법을 이용하였다. 1/4, 1/2 원형 및 고리형 박판에 본 알고리즘이 적용되었고 자유곡선이 목표형상으로 채택되었다. 결정된 성형점을 이어 하나의 축을 가지는 성형선을 결정하였으며 중심에서 성형선까지의 반지름 또한 하나의 변수로 사용되어 변수 데이터변환에 사용되었다.
최종적으로 그릇 모양의 형상을 성형하려는 시도를 하였다. 이 과정에서 원형 가열선 패턴의 적용 시 생기는 변형의 원인을 분석하였고 추가 실험은 5 $\sim$330도까지 시편의 각도를 변화시켜 수행하였다. 구속 없는 양끝 모서리 간격이 줄어듬을 확인할 수 있었다. 추가적으로 방사형 가열 패턴으로 실험하였고 결과적으로 그릇모양을 성형하기에 상대적으로 적합하였다. 본 연구에서는 실험뿐만 아니라 아바쿠스를 이용한 수치해석도 이루어졌으며 두 결과가 모두 일치하였다. 모든 실험은Fiber 레이저와 Ni사의 Labview, 레이저 변위 측정기를 이용하였으며 레이저 시스템을 제어하고 측정에도 이용되었다.
