KR102109664B1

KR102109664B1 - 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치 및 이를 이용한 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법

Info

Publication number: KR102109664B1
Application number: KR1020180040258A
Authority: KR
Inventors: 윤희숙
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2020-05-13
Also published as: KR20190123360A

Abstract

본 발명은 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치 및 이를 이용한 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 제조장치는 투명 필름을 포함하는 재료 이송부; 이종 재료 혼합 모듈을 포함하고, 상기 재료 이송부 상에 프린팅 재료를 공급하는 재료 공급부; 상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부; 상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화하는 광 경화부; 상기 광 경화부에 의해 프린팅 재료가 경화된 후, 사용 후 재료 이송부의 투명 필름과 잔존하는 프린팅 재료를 회수하는 필름 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 용이한 방법으로 물성 구배를 갖는 구조물을 제조할 수 있고, 구조물에 대한 정밀한 제어가 가능하며, 구조물의 결함율을 현저히 낮출 수 있는 장점이 있다. 나아가 미사용 재료를 회수하여 재활용할 수 있는 장점이 있다.

Description

물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치 및 이를 이용한 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING STRUCTURE WITH PROPERTY GRADIENT AND MANUFACTURING METHOD OF STRUCTURE WITH PROPERTY GRADIENT USING THE SAME}

본 발명은 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치 및 이를 이용한 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

색상, 강도 등의 물성 구배를 갖는 구조물은 다양한 목적 및 용도를 위하여 적용될 수 있고, 특히 신체를 구성하는 피부, 뼈 등은 솔리드한 물성 보다는 구배형 물성을 갖는 경우가 많기 때문에, 특정 구조물을 신체에 적용함에 있어 구배형 물성을 갖는 것은 생체 적합성 관점에서 매우 중요하다. 그 대표적인 적용 분야가 인공 치아이다.

인공 치아는 온도, 산도 등의 다양한 환경 변화가 일어나는 인체의 구강 내에서 사용되기 때문에 부식, 변색이 없어야 하고, 인체에 유해하지 않아야 한다. 또한, 음식을 씹는 과정에서 다른 치아와 부딪치게 되므로 자연 치아에 무리한 충격이 가해지지 않도록 하기 위하여 자연 치아의 경도 및 강도와 비슷하여야 한다. 나아가, 심미성을 위하여 자연 치아와 유사한 색상을 가져야 하고, 자연 치아와의 이질감을 해소하기 위해서는 개인별 맞춤 색상 구현이 가능해야 한다.

인공 치아가 자연 치아와 유사하기 위해서는 서로 다른 색상, 경도 등을 갖는 복수의 층으로 이루어져야 하고, 이를 위하여 많은 공정 및 수작업이 필요하게 된다. 만약 인공 치아가 백색이나 특정 단일색을 띠는 경우에는 실제 자연 치아와 같은 색상을 내기 어려워 심미성이 떨어지는 문제점이 있다. 기존 인공 치아의 제조방법은 구체적으로 치아에 대한 형태 디자인이 수행된 후, 밀링 가공을 하고, 가공된 대상을 소결한 후, 도색 및 코팅을 수행하게 된다. 이때 소결과 도색 및 코팅을 수회 반복하게 되고, 특히 도색의 경우 수작업으로 진행되는 경우가 많다. 코팅 및 도색이 완료된 대상은 후가공을 거친 후 최종적으로 인공 치아가 완성되게 된다.

예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2016-0025819호는 지르코니아를 이용한 인공치아의 제조방법을 개시하고 있고, 구체적으로는 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia)분말 50~90wt% 및 마그네시아 안정화 지르코니아(magnesia-stabilized zirconia) 분말 10~50wt% 를 배합하여 기본원료를 제조하는 제1단계와; 상기 기본원료, 물 및 지르코니아 볼이 1:1:1의 부피비를 가지도록 상기 기본원료에 물 및 지르코니아 볼을 투입하고, 분산제를 투입한 상태에서 1차 볼 밀링을 통해 혼합하는 제2단계와; 물에 PVA(Poly Vinyl Alcohol) 파우더를 9:1 비율로 용해하여 바인더를 제조하고, 상기 1차 볼 밀링한 원료에 상기 바인더 및 윤활제용액을 투입하여 2차 볼 밀링하여 혼합하는 제3단계와; 상기 2차 볼밀링한 원료를 드라이기를 이용하여 그레뉼의 파우더를 생성하고, 원하는 제품의 형상에 따른 금형을 제조하여 상기 그레뉼의 파우더를 상기 금형에 부어 성형하는 제4단계와; 상기 성형한 제품을 정해진 온도로 소결하여 인공치아를 생성하는 제5단계를 구비함을 특징으로 하는 인공치아의 제조방법을 개시하고 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2011-0127321호는 인공치아의 제조방법을 개시하고 있고, 구체적으로는 치아 모형의 주연부에 왁스를 이용하여 레진을 주입할 수 있는 주입선을 형성하는 주입선 형성공정, 상기 주입선이 형성된 치아모형의 외측에 실리콘을 도포하여 실리콘 틀을 만드는 실리콘 공정, 상기 실리콘이 굳은 다음 틀을 분리한 다음 뜨거운 물을 이용하여 왁스를 제거하는 왁스제거공정, 실리콘 틀에 치아를 고정하는 치아 고정공정, 실리콘 틀을 모형에 결합하여 고정한 다음 실리콘 틀에 레진을 주입하는 레진 주입공정, 레진을 주입한 후 6기압으로 50℃℃에서 40분간 가압하여는 가압공정, 인출공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인공치아의 제조방법을 개시하고 있다.

상기한 바와 같이, 기존의 인공치아의 제조공정은 공정이 복잡하고, 수작업이 필요한 공정이 많이 포함되는 문제점이 있다.

한편, 최근 복잡한 3차원 구조를 제조하는 방법으로 3D 프린터를 사용하는 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 3D 프린터를 사용하는 경우 기존의 밀링 공정 등의 방법으로 구조물을 형성하는 경우와 비교하여, 공정이 단순해지고, 더욱 정밀한 프린트가 가능하며, 나아가, 기존 밀링 공정으로는 구현이 불가능했던 구조도 제조할 수 있는 등 다양한 장점이 있다.

일반적으로 3차원 프린터는 인쇄 재료를 2차원 프린터와 같이 평면으로 출력한 뒤 이를 적층함으로써 3차원 형상을 구현하는 장치를 의미한다.

3차원 프린터는 상품을 시장에 내놓기 전에 값싸고 성형하기 쉬운 재료로 외형이 동일한 시제품을 제작함으로써 실제 상품에 어떤 문제점이 있는지 검출하기 위하여 주로 이용되었다. 최근에는 3차원 프린터는 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 3차원 형상을 단시간 내에 제작할 수 특성상 그 이용분야가 점차 늘고 있으며, 특히, 정밀부품 및 고강도 세라믹을 제조하는데 3D프린터를 이용하고 있다.

정밀부품 및 고강도 세라믹을 3D프린터를 이용하여 제조하기 위해서는 대부분 DLP나 SLA와 같은 광경화방식이 적용된다. 하지만 광경화 방식을 세라믹 프린팅에 적용하는 경우 현재까지는 DLP와 SLA 방식 모두 광경화제에 세라믹 분말이 분산되어 있는 슬러리나 페이스트를 프린팅 베드 혹은 탱크에 모두 넣고 한층씩 z축의 스테이지를 내리거나 올린 후 빛을 조사하여 경화하는 방식으로 무기물 충진률이 높아질수록 프린팅 슬러리나 페이스트의 유동성이 떨어져 일정한 두께의 평평한 면을 만들어 내기가 어려워 물리적으로 슬러리나 페이스트가 담겨있는 용기를 회전시키거나 용기 위를 블레이드를 이용해서 긁어주는 방식이 적용되고 있다.

하지만 두 가지 경우 모두 슬러리나 페이스트가 모두 담겨져 있는 탱크형태를 이용하므로 무기물 충진율이 높아짐에 따라 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 일정한 두께의 매끄러운 표면의 프린팅 레이어 그린바디를 공급하기 어렵다.

둘째, 프린팅 레이어 그린바디 한층의 두께를 정밀하게 제어하기 어렵다.

셋째, 광 경화시 입자에 의한 빛의 산란 때문에 광경화가 어려워 조사시간이 길어짐에 따라, 프린팅 레이어 그린바디 한층의 두께를 원하는 두께로 얇게 조절하는 것이 용이치 않다.

넷째, 조사시간이 길어지거나 조사량이 많을 경우 빛의 산란에 의하여 의도하지 않은 부분에도 부분적 경화나 경화액의 변성이 발생하여 최종 프린팅 제품의 품질이 일정하지 않다.

다섯째, 프린팅 레이어 그린바디를 한층 조형한 후, 조형 스테이지를 분리하고, 슬러리 및 페이스트의 재공급하고, 면 고르기를 하는 등의 모든 공정을 충분한 시간을 두고 진행해야 하므로 프린팅 속도가 늦어진다.

여섯째, 프린팅 슬러리 혹은 페이스트 배드를 사용하므로 한가지 재료만을 이용하여 조형이 가능하며 여러 가지 소재의 조합은 불가능하다.

대한민국 공개특허 제 10-2014-0146689호에서는 다양한 3D 프린팅 공정에 부합하도록 배열 및 디자인된 자외선 발광 다이오드를 이용한 경화 장치를 개발하였으나, 한층 조형에 필요한 그린바디 한층 씩을 매번 새로이 공급할 수 있도록 필요한 적층 두께의 슬러리 혹은 페이스트를 필름 위에서 균일하고 연속적으로 공급하여, 3차원 프린팅하는 기술은 개시하고 있지 않다.

대한민국 공개특허 제 10-2014-0140782호에서는 렌즈를 이용하여 광의 면적을 조절하며, 스테이지를 마련하여 반사부를 이동시키거나 인쇄부를 이동시킴으로써 대면적 3차원 형상을 프린팅 할 수 있는 3차원 프린터 및 3차원 프린팅 방법을 개발하였으나, 한층 조형에 필요한 그린바디 한층 씩을 매번 새로이 공급할 수 있도록 필요한 적층 두께의 슬러리 혹은 페이스트를 필름 위에서 균일하고 연속적으로 공급하여, 3차원 프린팅하는 기술은 개시하고 있지 않다.

이에 본 발명의 발명자들은 새로운 구성의 3D 프린터를 이용하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치 및 이를 이용한 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법을 연구하여 본 발명을 완성하였다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0025819호 대한민국 공개특허 제10-2011-0127321호 대한민국 공개특허 제 10-2014-0146689호 대한민국 공개특허 제 10-2014-0140782호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 물성 구배를 갖는 구조물을 제조하기 위한 장치 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

투명 필름을 포함하는 재료 이송부; 이종 재료 혼합을 제어하는 혼합모듈을 포함하고, 상기 재료 이송부 상에 프린팅 재료를 공급하는 재료 공급부; 상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부; 상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화하는 광 경화부; 상기 광 경화부에 의해 프린팅 재료가 경화된 후, 사용 후 재료 이송부의 투명 필름과 잔존하는 프린팅 재료를 회수하는 필름 회수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치를 제공하고,

또한 본 발명은

투명 필름을 포함하는 재료 이송부를 공급하는 단계; 재료 공급부를 통하여 상기 재료 이송부 상에 단일 재료 또는 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료를 공급하는 단계; 상기 공급된 프린팅 재료의 두께를 조절하는 단계; 상기 두께가 조절된 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시키는 단계; 및 경화된 프린팅 재료와 상기 재료 이송부를 분리하는 단계;를 포함하고, 본 발명에 따른 제조장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 제조장치 및 제조방법에 의하면, 용이한 방법으로 원하는 물성 구배를 갖는 구조물을 제조할 수 있으며, 특히 인공 치아를 제조하는 경우 장치의 구성이나 제조방법의 구성을 변경하지 않고, 개인별 맞춤 인공 치아를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 정밀한 적층 두께 제어가 가능하고, 한층 한층 균일한 두께로 물성 구배를 갖는 구조물을 형성할 수 있어, 최종 제조된 구조물의 결함율을 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 구조물에 대하여 수직방향뿐만 아니라, 수평방향으로도 물성의 구배를 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한, 조형 스테이지에서의 광 조사에 의한 조형 작업 중에 재료 공급부에서는 프린팅 재료를 공급하는 연속구동 방식으로 구현할 수 있어서 조형 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 또한, 한 층에 필요한 양만큼만 재료가 공급되므로 기존 재료 탱크를 사용하는 방법에서 문제시되는 빛의 세기나 산란에 의한 정밀도의 저하나 주변 슬러리의 경화, 변성 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 조형 후 새로운 재료가 올려진 필름을 공급하고자 필름을 이동할 때에 조형에 사용되고 남은 슬러리는 일정 각도로 필름에 밀착된 블레이드를 사용하는 것으로써 필요에 의해서 회수, 재활용할 수 있으며 사용이 끝난 필름은 필름 회수롤을 이용하여 회수, 수거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조장치 중 재료 공급부에 포함되는 이종 재료 혼합 모듈이 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법이 도시된 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 프린팅된 조성농도 구배를 갖는 3차원 구조체이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 '이종 재료'는 서로 완전히 종류가 상이한 재료를 의미할 뿐만 아니라, 동종이지만 입자의 크기, 점도, 농도 등의 물성이 상이한 재료, 서로 다른 전처리를 한 재료 등, 물리적 및 화학적으로 완전히 동일한 재료를 제외한 모든 재료를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치를 예시적으로 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조 장치는, 투명 필름을 포함하는 재료 이송부(10)와, 이종 재료 혼합 모듈을 포함하는 재료 공급부(20)와, 광 경화부(30), 필름 회수부(40), 및 두께 제어부(50)를 포함한다.

한편, 상기 재료 이송부에 포함되는 투명 필름(P)은 투명 필름 상에 공급될 프린팅 재료를 약한 결합력으로 안치하고, 조형 작업 후, 용이하게 분리될 수 있도록 표면 에너지가 낮은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 투명 필름의 재료로, 예를 들어 폴리에틸렌(polyethylene), 테플론(Teflon), 실리콘, 초산 셀룰로오스(cellulose acetate)일 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.

상기 재료 공급부(20)는 재료 이송부(10)에 의해 공급된 투명 필름(P) 상에 프린팅 재료를 공급하며, 이종 재료 혼합 모듈을 포함한다.

이 때, 재료 공급부(20)는 적어도 하나 이상일 수 있으며, 연속구동 방식으로 이종 재료가 혼합된 프린팅 재료를 공급하여 물성 구배를 갖는 구조물의 조형 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

재료 공급부(20)는 필요한 프린팅 재료의 양, 프린팅 재료의 농도 및 점도 등의 물성을 조절하여 재료 이송부의 투명 필름 상에 프린팅 재료를 공급한다.

상기 광 경화부(30)는 상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시킨다. 이때 하나의 층이 광 경화부의 조형 스테이지 상에서 경화된 후, 다른 층을 형성하기 위하여 광 경화부의 조형 스테이지가 수직이동할 수 있고, 또는 재료 이송부가 수직이동할 수 있으며, 이들 모두가 연동하여 수직이동함으로써, 재료 이송부의 투명 필름 상의 프린팅 재료와 광 경화부의 조형 스테이지가 밀착하게 되고, 광 조형 원리를 이용하여 시간과 광파장, 광세기 등의 조건을 제어하여 미리 프로그램한 구조물의 형상으로 한층씩 형상 제어하면서 프린팅 재료를 경화시킨다.

상기 광 경화부에 의하여 프린팅 재료가 경화된 후, 사용 후 재료 이송부의 투명 필름과 잔존하는 프린팅 재료는 필름 회수부(40)에 의해 회수된다.

한편, 본 발명의 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치의 재료 공급부는 이종 재료를 혼합하여 공급하는 이종 재료 혼합 모듈(21)을 포함한다. 본 발명의 장치의 일 적용예인 인공 치아의 경우, 기능성과 심미성을 고려하면 요구되는 물성에 있어 구배를 가지고 조형이 되어야 한다. 만약 제조되는 인공 치아가 이와 같은 물성에 있어 구배를 갖지 않는 경우, 자연 치아와의 이질감 때문에 심미성이 떨어질 뿐만 아니라, 치아로서의 기능성 및 수명이 현저히 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 인공 치아에 있어서는 물성의 구배가 반드시 필요하며, 기존의 기술들은 이를 위하여 소결, 코팅, 도색 등의 공정을 반복하고, 심지어는 이를 수작업을 통하여 수행하기도 하기 때문에, 공정비용 및 공정시간에 매우 많이 소요되는 문제점이 있다.

물성 구배를 갖도록 하면서도 공정을 단순화하기 위하여, 본 발명의 장치의 재료 공급부는 이종 재료를 혼합하는 이종 재료 혼합 모듈을 포함한다. 본 발명에 따른 이종 재료 혼합 모듈은 도입되는 이종 재료를 요구되는 물성에 맞게 혼합하거나, 또는 필요에 따라 단일 재료를 공급할 수 있다. 이를 통하여 구조물로 조형되는 각 층별로 물성을 용이하게 조절할 수 있게 되어, 최종적으로 원하는 물성의 구배를 갖는 구조물을 제조할 수 있게 된다.

본 발명의 이종 재료 혼합 모듈은 프린팅 재료를 재료 이송부로 공급하기 전, 공급되는 재료의 색상, 이종 재료간의 혼합 비율 등을 필요에 따라 조절하여 혼합한 후, 그 결과물을 재료 이송부로 공급하는 것으로, 단순히 이종 재료 각각을 재료 이송부로 공급하는 구성과는 상이하다. 단순히 이종 재료 각각을 재료 이송부로 공급하는 경우에는 이를 통하여 구조물, 예를 들어 인공 치아의 각 층의 구배를 정밀하게 형성하기가 어려운 반면, 본 발명과 같이 이종 재료 혼합 모듈이 필요에 따라 이종 재료를 혼합하고 이를 재료 이송부로 공급하는 경우에는 구조물을 형성하는 각 층의 구배를 정밀하게 조절할 수 있기 때문에, 원하는 물성을 갖는 구조물을 정밀하게 제조할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 이종 재료 혼합 모듈은 이종 재료간의 혼합 비율을 용이하게 조절할 수 있어, 필요에 따라 구조물의 물성을 용이하게 조절할 수 있으며, 필요에 따라 단일 재료를 공급하는 것도 가능하다. 이는 특히 인공 치아를 제조하는 경우 현저한 효과가 있다. 구체적으로 장치의 구조를 전혀 변경하지 않고도 개인별 자연 치아의 색상을 고려하여 맞춤형 인공 치아를 용이하게 제조할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 본 발명의 이종 재료 혼합 모듈(21)은 예를 들어 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 이종의 재료들을 각각 수용하는 복수의 수용부(21-1); 상기 수용부와 연결되고, 각 재료들의 공급량을 제어하는 제어부(21-2); 및 상기 제어부와 연결되고, 공급되는 각 이종 재료들을 혼합하는 혼합부(21-3);를 포함할 수 있으며, 이에 추가 기능상의 필요를 위하여 추가적인 구성이 포함될 수 있고, 또는 필요에 따라 일부 구성은 제외될 수도 있다.

본 발명의 이종 재료 혼합 모듈(21) 중 혼합부(21-3)는 스크류 혼합, 초음파 혼합, 공자전 혼합 및 열처리 혼합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방식으로 재료들을 혼합할 수 있으며, 재료들을 효율적으로 혼합할 수 있는 구성이라면, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 이종 재료 혼합 모듈(21)은 상기 혼합부와 연결되고, 혼합부에서 나와 재료 이송부로 공급되는 재료의 양을 조절하기 위한 조절부(21-4)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(21-2)는 수용부에서 혼합부로 공급되는 각 재료들의 공급량을 제어하기 위한 구성이고, 조절부(21-4)는 혼합부에서 혼합된 후, 재료 이송부로 공급되는 재료의 양을 제어하기 위한 구성이다.

본 발명의 이종 재료 혼합 모듈(21)은 상기 혼합부에 연결되고, 혼합된 재료들 중 재료 이송부 상으로 공급되지 않는 미사용 재료를 혼합부로부터 회수하는 미사용 재료 회수부(21-5)를 더 포함할 수 있다. 혼합부에서 혼합된 재료들 중 재료 이송부로 공급되고 남은 재료들은 혼합부에서 회수되어야, 다음 순서로 재료 이송부로 공급될 재료가 기존 재료와 혼합되지 않고 혼합부에 수용될 수 있다. 따라서, 다음 순서로 공급될 재료가 혼합부로 수용되기 전에 미사용 재료를 회수할 수 있는 미사용 재료 회수부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 이종 재료 혼합 모듈(21)은 상기 수용부(21-1)와 상기 혼합부(21-3)의 사이에 위치하고, 수용부의 재료가 혼합부를 바이패스하여 재료 이송부로 공급되도록 하는 바이패스 라인(21-6)을 더 포함할 수 있다. 필요에 따라 재료 이송부로 단일 재료를 공급해야 하는 경우, 상기 구성 중 제어부(21-2)를 조절하여 단일 재료를 재료 이송부로 공급할 수도 있고, 또는 수용부와 혼합부 사이에 위치하는 바이패스 라인을 통하여 일 수용부에 수용된 단일 재료를 직접 재료 이송부로 공급할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치의 재료 이송부는 단일 또는 적어도 두 개 이상의 라인을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 제조장치에서 재료가 공급되는 재료 이송부가 단일 라인으로 형성될 수도 있고, 또는 두 개 이상의 복수 라인으로 형성될 수도 있다.

재료 이송부가 단일 라인으로 형성되는 경우, 구조물을 형성하는 각 층들은 단일 라인으로 공급되는 각각의 프린팅 재료로 형성되므로, 결과적으로 제조되는 구조물은 구조물에 대하여 수직인 방향으로 물성의 구배를 갖게 된다.

또한, 본 발명의 제조장치의 재료 이송부는 적어도 두 개 이상의 라인을 포함하고, 광 경화부는 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 타 라인 상의 프린팅 재료를 경화하는 구성을 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 장치에 의하여 형성되는 구조물을 이루는 각 층은 서로 다른 복수의 프린팅 재료로 형성될 수 있게 됨에 따라, 결과적으로 제조되는 구조물은 구조물에 대하여 수직인 방향뿐만 아니라 수평인 방향으로도 물성의 구배를 가질 수 있게 된다. 구체적으로는 광 경화부가 상기 재료 이송부의 일 라인 상의 상기 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 상기 재료 이송부의 타 라인으로 상기 단층의 일부가 부착된 상태로 이동하여 상기 재료 이송부의 타 라인상의 프린팅 재료가 상기 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 복수의 프린팅 재료로 구성되는 단층을 형성하여, 구조물에 대한 수평 방향으로도 물성의 구배를 형성할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 제조장치는 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부(50)를 포함한다. 고품질의 3D 프린팅 구조물을 제조하기 위해서는 구조물을 형성하는 각 층의 두께가 정밀하게 제어될 필요가 있고, 특히, 복수의 재료가 서로 구획을 나누어 하나의 층을 형성하는 경우에는 재료 이송부 상으로 공급되는 각각의 프린팅 재료에 대한 매우 정밀한 두께 제어가 반드시 필요하다. 본 발명의 제조장치에 포함되는 두께 제어부는 고품질의 3D 프린팅 구조물을 제조할 수 있도록 한다.

본 발명의 제조장치로 제조되는 구조물은 물성 구배를 갖는 구조물로서, 다양한 적용예를 고려할 수 있고, 인공 치아가 그 일 예일 수 있다. 본 발명의 제조장치를 사용하는 경우, 수작업이 필요없고, 공정시간이 크게 단축되며, 치수 정밀도가 우수하고, 수직 및 수평 방향으로 구배를 갖는 인공 치아를 간단하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법을 설명한다.

전체적으로 투명 필름(P)을 포함하는 재료 이송부(10)를 공급하고, 공급된 재료 이송부의 투명 필름 상에 재료 공급부(20)를 통하여 단일 재료 또는 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료를 공급하고, 광 경화부는 미리 프로그래밍된 구조물의 형상으로 프린팅 재료를 경화하고, 필름 회수부(40)에서 사용 후 필름 및 잔존하는 프린팅 재료를 회수한다. 이를 아래에서 상세히 설명한다.

먼저, 투명 필름을 포함하는 재료 이송부를 공급한다. (S10)

재료 이송부의 공급은 롤 부재, 모터 등의 구성을 통하여 수행될 수 있고, 이때 재료 이송부는 재료 이송부 면에 대하여 수직 방향으로 위치가 조절될 수 있다.

다음으로, 재료 공급부를 통하여 재료 이송부 상에 단일 재료 또는 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료를 공급한다. (S20)

다양한 타입 중 적어도 어느 한 타입의 재료 공급부(20)를 이용하여 재료 이송부의 투명 필름 상에 프린팅 재료를 압출 또는 도포한다. 이때, 프린팅 재료 공급 단계는 후술하는 광 경화 단계(S40)에서 소요되는 시간을 고려하여 광 경화에 소요되는 시간과 프린팅 재료 공급 시간이 실질적으로 동일하도록 프린팅 재료의 공급량, 공급 속도, 공급 재료의 농도 및 점도 등의 물성을 조절한다. 이렇게 하면 프린팅 재료의 공급 과정과 프린팅 재료의 경화 과정이 동시에 수행될 수 있고, 그 결과, 최종 구조물의 제조 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 재료 공급부는 재료 이송부 상에 단일 재료 또는 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료를 공급한다.

본 발명의 방법에서 단일 재료인 프린팅 재료를 공급하는 경우, 예를 들어 다음의 방법으로 공급될 수 있다. 복수의 수용부에 각각 포함되어 있는 복수의 이종 재료들 중 재료 이송부로 공급될 재료만이 재료 공급부에 포함된 이종 재료 혼합 모듈의 제어부와 혼합부를 거쳐 재료 이송부로 공급될 수 있고, 또는 재료 공급부에 포함된 이종 재료 혼합 모듈의 수용부와 혼합부 사이에 위치하는 바이패스 라인을 통하여 수용부의 재료는 혼합부를 거치지 않고, 직접 재료 이송부로 공급될 수도 있다.

본 발명의 방법에서 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료를 공급하는 경우, 예를 들어 다음의 방법으로 공급될 수 있다. 복수의 수용부에 각각 포함되어 있는 복수의 이종 재료들은 필요에 따라 기설정된 값에 의하여 제어부에 의하여 공급량이 제어되어 혼합부로 공급되고, 혼합부에 공급된 이종 재료들은 균일하게 혼합된 후, 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료가 공급된다.

한편, 혼합부에 공급된 이종 재료들은 스크류 혼합, 초음파 혼합, 공자전 혼합 및 열처리 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 혼합될 수 있고, 효율적인 혼합 방법이라고 하면, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제조방법은 재료 이송부 상으로 공급되지 않은 미사용 프린팅 재료를 미사용 재료 회수부로 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 재료 공급부의 재료들 중 재료 이송부로 공급되고 남은 미사용 재료들은 다음 재료가 공급되기 전에 회수되어야, 다음 순서로 재료 이송부로 공급될 재료가 기존 재료와 혼합되지 않고 재료 공급부를 통하여 공급될 수 있다. 따라서, 다음 순서로 공급될 재료가 공급되기 전에 미사용 프린팅 재료를 미사용 재료 회수부로 회수하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

다음으로, 재료 이송부의 투명 필름 상에 공급된 프린팅 재료의 두께를 조절한다. (S30)

원하는 두께가 되도록 적어도 하나 이상의 블레이드(B1, B2)의 높이를 조절하여 프린팅 재료의 두께를 조절한다. 다수의 블레이드를 사용하는 경우, 각각의 블레이드의 높이에 차등을 두어 단계적으로 보다 정밀한 두께 제어가 가능하도록 할 수 있다.

보다 상세하게, 투명 필름 상에 공급된 프린팅 재료는 제1블레이드(B1)를 이용하여 1차로 평평하게 처리될 수 있고, 평평하게 처리된 프린팅 재료의 두께는 제2블레이드(B2)를 이용하여 정밀하게 조절될 수 있다.

또한, 재료 공급부(20)의 타입에 따라 블레이드의 높이를 제어할 수 있다. 또한, 프린팅 재료의 두께 조절과 동시에 또는 그 전후로 프린팅 재료를 일정한 온도로 유지시켜서 후속하는 경화 단계에 최적화시킬 수 있다.

다음으로, 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시킨다. (S40)

두께가 조절된 프린팅 재료가 형성된 재료 이송부의 투명 필름을 광 경화부의 조형 스테이지 하부까지 이동시킨 후, 재료 이송부 또는 광 경화부의 조형 스테이지, 또는 이들 모두가 연동되어 이동하여 광 경화부의 조형 스테이지가 투명 필름 상의 프린팅 재료와 밀착되도록 거리를 조절하고, 광 조형 원리를 이용하여 시간과 광파장, 광세기 등의 조건을 제어하여 미리 프로그램한 형상으로 한층씩 형상 제어하면서 경화시킨다.

경화된 프린팅 재료는 광 경화부의 조형 스테이지에 부착되어 구조물의 한층을 형성하고, 새로이 재료 이송부의 투명 필름에 안치되는 프린팅 재료가 이미 경화된 층 위에 구조물의 새로운 한층을 형성한다.

다음으로, 경화된 프린팅 재료와 투명 필름을 포함하는 재료 이송부를 분리한다. (S50)

이때, 분리 과정이 원활히 진행되도록 하기 위해, 예를 들어 감압홀의 감압 작용으로 이동 중의 투명 필름을 당기도록 하는 등의 방법을 사용하여, 경화된 프린팅 재료가 투명 필름을 포함하는 재료 이송부로부터 용이하게 분리될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 제조방법은 잔존하는 프린팅 재료와 투명 필름을 포함하는 재료 이송부를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. (S60)

이는 예를 들어, 회수용 롤 부재에 의해 사용 후 투명 필름을 회수하고, 프린팅 재료 회수 용기로 경화되지 않고 투명 필름 상에 잔존하는 프린팅 재료를 회수하는 등의 방법을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 S10 단계부터 S50 단계 또는 S10 단계부터 S60 단계를 반복하여 경화된 프린팅 재료를 계속해서 적층시킴으로써 미리 프로그램된 구조물을 제조하면서, 잔존하는 프린팅 재료와 투명 필름을 회수하여 이를 재활용할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법에서 재료 이송부는 단일 또는 적어도 두 개 이상의 라인으로 공급될 수 있다. 즉, 본 발명의 제조방법에서 재료가 공급되는 재료 이송부가 단일 라인으로 형성될 수도 있고, 또는 두 개 이상의 복수 라인으로 형성될 수도 있다.

또한, 본 발명의 제조방법의 재료 이송부는 적어도 두 개 이상의 라인으로 공급되고, 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시키는 단계는 광 경화부가 재료 이송부의 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 타 라인 상의 프린팅 재료를 경화하는 방법으로 수행될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 장치에 의하여 형성되는 구조물을 이루는 각 층은 서로 다른 복수의 프린팅 재료로 형성될 수 있게 됨에 따라, 결과적으로 제조되는 구조물은 구조물에 대하여 수직인 방향뿐만 아니라 수평인 방향으로도 물성의 구배를 가질 수 있게 된다. 구체적으로는 광 경화부가 상기 재료 이송부의 일 라인 상의 상기 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 상기 재료 이송부의 타 라인으로 상기 단층의 일부가 부착된 상태로 이동하여 상기 재료 이송부의 타 라인상의 프린팅 재료가 상기 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 복수의 프린팅 재료로 구성되는 단층을 형성하여, 구조물에 대한 수평 방향으로도 물성의 구배를 형성할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 제조방법 중 상기 프린팅 재료를 공급하는 단계는 재료 공급부에 포함된 이종 재료 혼합 모듈에서 제어되어 혼합된 프린팅 재료를 공급하는 방법으로 수행될 수 있다. 본 발명에서 프린팅 재료를 공급함에 있어, 이종 재료 혼합 모듈은 필요한 재료, 필요한 혼합 비율, 필요한 농도 등, 다양한 요구사항에 맞춰 프린팅 재료의 혼합을 제어할 수 있고, 이를 통하여 원하는 구조물을 정밀하게 제조할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 제조방법은 물성 구배가 요구되는 다양한 구조물을 제조하는데 적용될 수 있고, 구체적으로는 인공 치아를 제조하는 용도에 적용될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치 및 제조방법에 의하면, 재료 공급부에 포함된 이종 재료 혼합 모듈을 통하여 이종 재료를 필요에 따라 적절하게 혼합한 후 공급하거나, 또는 단일 재료를 공급함으로써, 구조물을 이루는 각 층에 요구되는 물성의 구배를 정밀하게 조절할 수 있게 되고, 또한, 각 층 내에서도 수평 방향으로 정밀하게 물성 구배를 형성할 수 있게 되고, 따라서, 최종 제조되는 구조물의 품질을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 따른 제조장치 및 제조방법을 인공 치아 제조에 사용하는 경우, 고품질의 개인별 맞춤 인공 치아를 용이한 방법을 제조할 수 있으며, 장치의 구조 및 방법의 단계를 수정하지 않고도 개인별 니즈를 쉽게 반영할 수 있게 되는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 장치 및 방법에 따르면, 정밀한 적층 두께 제어가 가능하고, 한층 한층 균일한 두께로 조형물을 형성할 수 있어서 최종 구조물의 결함율을 낮출 수 있다.

또한, 투명 필름 상의 프린팅 재료와 밀착하도록 거리가 조절되며, 광 조형 원리를 이용하여 시간과 광파장, 광세기 등의 조건을 제어하여 미리 프로그램한 구조물의 형상으로 한층씩 형상 제어하면서 프린팅 재료를 경화시키므로, 조사 시간이 길어지거나 조사량이 많을 경우 빛의 산란에 의하여 의도하지 않은 부분에 부분적 경화나 경화액의 변성이 발생하는 것을 방지하고, 제조되는 구조물의 품질을 일정하게 유지시킨다. 또한, 조형 스테이지에서의 광 조사에 의한 조형 작업 중에 재료 공급부에서는 프린팅 재료를 공급하는 연속구동 방식으로 구현할 수 있어서 조형 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

또한, 한 층에 필요한 양만큼만 재료가 공급되므로 기존 재료 탱크를 사용하는 방법에서 문제시되는 빛의 세기나 산란에 의한 정밀도의 저하나 주변 슬러리의 경화, 변성 등의 문제를 해결할 수 있다.

또한, 조형 후 새로운 재료가 올려진 필름을 공급하고자 필름을 이동할 때에 조형에 사용되고 남은 슬러리는 일정 각도로 필름에 밀착된 블레이드를 사용하는 것으로써 필요에 의해서 회수, 재활용할 수 있으며 사용이 끝난 필름은 필름 회수롤을 이용하여 회수, 수거할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예로서, 실제로 본 발명의 제조장치 및 본 발명의 제조방법을 이용하여 실제 물성 구배를 갖는 구조물을 제조하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 따르면, 실제로 Al₂O₃와 ZrO₂의 함량에 있어 경사 구조를 갖는 구조물이 형성되었음을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10............필름 공급부
20............재료 공급부
21............이종 재료 혼합 모듈
21-1............수용부
21-2............제어부
21-3............혼합부
21-4............조절부
21-5............미사용 재료 회수부
21-6............바이패스 라인
30............광 경화부
31............조형 스테이지
40............필름 회수부
50............두께 제어부

Claims

투명 필름을 포함하는 재료 이송부;
이종 재료 혼합 모듈을 포함하고, 상기 재료 이송부 상에 프린팅 재료를 공급하는 재료 공급부;
상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부;
상기 재료 이송부 상에 공급된 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화하는 광 경화부;
상기 광 경화부에 의해 프린팅 재료가 경화된 후, 사용 후 재료 이송부의 투명 필름과 잔존하는 프린팅 재료를 회수하는 필름 회수부
를 포함하고,
상기 재료 이송부는 적어도 두 개 이상의 라인을 포함하고, 상기 광 경화부는 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 타 라인 상의 프린팅 재료를 경화하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 이종 재료 혼합 모듈은 이종의 재료들을 각각 수용하는 복수의 수용부; 상기 수용부와 연결되고, 각 재료들의 공급량을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되고, 공급되는 재료들을 혼합하는 혼합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제2항에 있어서,
상기 혼합부는 스크류 혼합, 초음파 혼합, 공자전 혼합 및 열처리 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방식으로 재료들을 혼합하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제2항에 있어서,
상기 혼합부와 연결되고, 혼합부에서 나와 재료 이송부로 공급되는 재료의 양을 조절하기 위한 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제2항에 있어서,
상기 혼합부에 연결되고, 혼합된 재료들 중 재료 이송부 상으로 공급되지 않은 미사용 재료를 혼합부로부터 회수하는 미사용 재료 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제2항에 있어서,
상기 이종 재료 혼합 모듈은 상기 수용부와 상기 혼합부 사이에 위치하고, 수용부의 재료가 혼합부를 바이패스하여 재료 이송부로 공급되도록 하는 바이패스 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 재료 이송부는 단일 또는 적어도 두 개 이상의 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 광 경화부는 상기 재료 이송부의 일 라인 상의 상기 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 상기 재료 이송부의 타 라인으로 상기 단층의 일부가 부착된 상태로 이동하여 상기 재료 이송부의 타 라인상의 프린팅 재료가 상기 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 복수의 프린팅 재료로 구성되는 단층을 형성하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 구조물은 인공 치아인 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조장치.
투명 필름을 포함하는 재료 이송부를 공급하는 단계;
재료 공급부를 통하여 상기 재료 이송부 상에 단일 재료 또는 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료를 공급하는 단계;
상기 공급된 프린팅 재료의 두께를 조절하는 단계;
상기 두께가 조절된 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시키는 단계; 및
경화된 프린팅 재료와 상기 재료 이송부를 분리하는 단계;
를 포함하고,
상기 재료 이송부는 적어도 두 개 이상의 라인으로 공급되고,
상기 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시키는 단계는 광 경화부가 재료 이송부의 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화한 후, 광 경화부가 타 라인으로 이동하여 타 라인 상의 프린팅 재료를 경화하는 방법으로 수행되는
제1항의 제조장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 이종 재료가 혼합된 재료인 프린팅 재료는
이종 재료들을 공급량을 조절하여 혼합부로 공급하는 단계; 및
상기 공급된 이종 재료들을 혼합하는 단계를 포함하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 공급된 이종 재료들을 혼합하는 단계는 스크류 혼합, 초음파 혼합, 공자전 혼합 및 열처리 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
제11항에 있어서,
재료 이송부 상으로 공급되지 않은 미사용 프린팅 재료를 미사용 재료 회수부로 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 재료 이송부는 단일 또는 적어도 두 개 이상의 라인으로 공급되는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
삭제
제11항에 있어서,
상기 프린팅 재료를 기설정된 형상으로 경화시키는 단계는 광 경화부가 상기 재료 이송부의 일 라인 상의 상기 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 광 경화부가 상기 재료 이송부의 타 라인으로 상기 단층의 일부가 부착된 상태로 이동하여 상기 재료 이송부의 타 라인상의 프린팅 재료가 상기 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 복수의 프린팅 재료로 구성되는 단층을 형성하는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 프린팅 재료를 공급하는 단계는 재료 공급부에 포함된 이종 재료 혼합 모듈에서 제어되어 혼합된 프린팅 재료를 공급하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 구조물은 인공 치아인 것을 특징으로 하는 물성 구배를 갖는 구조물의 제조방법.