KR102120732B1

KR102120732B1 - 재료분사방식의 3d 프린터 및 이를 이용한 3d 모델 프린팅 방법

Info

Publication number: KR102120732B1
Application number: KR1020180069080A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 김철환
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2020-06-10
Also published as: KR20200003300A

Abstract

본 발명에 따르는 재료분사 방식의 3D 프린터는, 다수의 구조물용 재료와 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지; 상기 카트리지를 소정 주기로 흔들어주는 카트리지 엑츄에이터; 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 다수의 구조물용 재료 중 하나 이상을 선택적으로 분사하는 재료분사 헤드; 상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 다수의 구조물용 재료 중 하나 이상을 UV 경화하는 UV 경화램프; 및 외부로부터 3D 모델 형성을 위한 3D 프린트 정보가 입력되면, 상기 카트리지 엑츄에이터를 구동함과 동시에 상기 3D 프린트 정보에 따라 재료분사 헤드 및 UV 경화램프를 제어하여 상기 3D 모델을 형성하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

재료분사방식의 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 모델 프린팅 방법{3D printer and 3D model printing method based on material jetting type}

본 발명은 3D 프린팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자를 혼합하여 생성한 재료로 3D 프린팅을 이행하는 재료분사방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅 기술은 현재 의료분야에서 수술의 시뮬레이션을 위한 인체 모형 제작 및 의료진이나 의학도들의 교육을 위한 모형 제작, 수술을 돕기 위한 수술 가이드 및 수술 도구의 제작, 직접적인 치료물의 제작 등에 다양하게 활용되고 있다.

특히 3D 프린팅 기술은 어려운 수술을 사전에 계획하고 연습하기 위한 목적의 인체 모형 제작과 단순한 표준 모형이 아닌 실제 사례를 재현하여 의학적으로 유의미한 사례들을 반영해 교육이나 실습용 모형의 제작 등에도 많이 활용되고 있는 추세이다.

도 1은 3D 프린팅으로 제작된 인체 장치의 모형을 예시한 것으로 인체 조형의 외형적인 형상을 모사하거나 색상을 반영해서 가시화하는 수단으로는 우수하며, 개별적인 병증 사례까지 정밀한 시각화가 가능하다. 그러나 방사선 촬영이나 MRI 촬영에서는 균일한 소재 특성으로 인해 조직별 대조도 변화가 거의 없기 때문에 시뮬레이션이나 실습 모형으로 활용하기는 어려운 문제가 있었다.

이와 같이 현재의 3D 프린팅 소재와 장비기술들은 인체의 조직별 또는 부위별 외형적인 형태를 모사하거나, 시인성을 좋게 하기 위해 조직별로 색상을 구분하여 제작하거나, 조직별로 물리적인 성질(연성, 경도)을 서로 다르게 표현할 수 있었다.

그러나 하나의 3D 프린터에서 사용 가능한 소재의 평균 원자량이나 밀도 차이는 크게 없어 X-선 등의 방사선에 대한 단위 체적당 감쇠율 특성에 차이가 거의 없으므로, 의료영상으로 촬영할 경우에는 두께에 의한 감쇠율의 차이 이외에는 조직별 감쇠율 특성 차이에 의한 대조도 효과가 없는 한계가 있었다. 이에 따라 인체 조직별 감쇠율 특성까지 반영이 필요한 의료영상 분야에서의 시뮬레이션이나 실습용 모형으로 활용되기는 어려웠다.

또한 자기 공명 방식을 이용하는 MRI 의료영상의 교육이나 시뮬레이션 모형으로도 활용도 어려운 상황이었다.

도 2 및 도 3은 종래의 인체 모형을 예시한 것이다. 상기 도 2는 표준 인체 모형을 예시한 것으로 특정 환자나 특수 병증에 대한 사례가 반영된 것이 아닌 표준화된 획일적 모형 형태로만 제작되며, 사출이나 몰딩 방식 등 전통적인 방식으로 제작되고 있다.

상기 도 3은 표준 인체 모형의 의료영상 촬영 이미지를 예시한 것으로, 조직별 대조도가 뚜렷하지 않아 조직의 세밀한 구분을 하기가 어려웠다.

이에 종래에는 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있는 3D 프린팅 기술의 개발이 절실하게 요망되었다.

대한민국 특허공개 제1020170047550호 대한민국 특허공개 제1020170118387호 대한민국 특허공개 제1020180032155호 대한민국 특허공개 제1020170074059호

본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 재료분사방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 다른 목적은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 분사방식으로 혼합하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 재료분사방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 재료분사 방식의 3D 프린터는, 다수의 구조물용 재료와 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지; 상기 카트리지를 소정 주기로 흔들어주는 카트리지 엑츄에이터; 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 다수의 구조물용 재료 중 하나 이상을 선택적으로 분사하는 재료분사 헤드; 상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 다수의 구조물용 재료 중 하나 이상을 UV 경화하는 UV 경화램프; 및 외부로부터 3D 모델 형성을 위한 3D 프린트 정보가 입력되면, 상기 카트리지 엑츄에이터를 구동함과 동시에 상기 3D 프린트 정보에 따라 재료분사 헤드 및 UV 경화램프를 제어하여 상기 3D 모델을 형성하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 효과를 야기한다.

또한 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 분사방식으로 혼합하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 효과를 야기한다.

이러한 본 발명은 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사하여 인체 모형의 의료영상 촬영시에 조직별 대조가 뚜렷하게 드러나게 하여 조직의 세밀한 구분을 가능하게 하는 효과를 야기한다.

도 1은 3D 프린팅으로 제작된 인체 모형을 예시한 도면.
도 2은 종래의 인체 모형을 예시한 도면.
도 3은 종래의 표준 인체 모형의 의료 영상 촬영 이미지를 예시한 도면.
도 4는 재료 분사 방식의 3D 프린터의 구조도.
도 5는 재료 분사 방식의 3D 프린터에서 액체 입자 분사를 통해 원하는 형상을 적층해가는 과정을 예시한 도면.
도 6은 재료 분사 방식의 3D 프린터로 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 계획된 위치에 분사하여 3D 모델을 형성하는 과정을 예시한 도면.
도 7은 본 발명에 따라 제작된 금속 나노입자를 포함한 액체 재료를 분사한 경우의 입자를 예시한 도면.
도 8은 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료와 일반 액체 재료의 상대적 비율을 조절하면서 혼합 분사하는 과정을 예시한 도면.
도 9는 금속 나노입자를 혼합한 재료분사 방식의 3D 프린터용 재료에서 X선 감쇠 또는 투과 과정을 예시한 도면.
도 10은 금속 나노입자의 혼합 비율에 따른 X선 감쇠량의 단계별 변화에 대한 예를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터를 위한 카트리지와 액츄에이터를 예시한 도면.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터의 구조를 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터로 제작한 인체모형을 예시한 도면.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터로 제작한 인체모형을 촬영한 의료영상의 특성을 예시한 도면.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터로 제작한 선량 조절용 가이드의 특성을 예시한 도면.

본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다.

또한 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 분사방식으로 혼합하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다.

이러한 본 발명은 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사하여 인체 모형의 의료영상 촬영시에 조직별 대조가 뚜렷하게 드러나게 하여 조직의 세밀한 구분을 가능하게 한다.

일반적으로 재료분사(MJ; material jetting) 방식의 3D 프린터에 사용하는 재료는 액체(liquid) 형상의 재질을 분사한 후에, 자외선(UV)을 조사하였을 때에 경화가 되는 특성을 가지는 소재를 이용한다. 이러한 재료분사(MJ) 방식의 3D 프린터의 구조는 도 4에 예시한 바와 같다. 상기 도 4를 참조하면 상기 3D 프린터는 3차원 구조물을 형성하기 위한 구조물용 재료들(build material)로 구조물 형상을 만들고, 지지체용 재료(support material)로 3차원 구조물이 만들어지는 과정에서 변형이 발생하지 않도록 지지해주기 위한 지지물 형상을 만드는 것이다. 상기한 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 한층씩 분사해서 출력한 다음 자외선 경화램프로 자외선을 조사해서 분사된 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 경화시킨다.

도 5는 재료분사 방식의 3D 프린터에서 액체 입자 분사를 통해 원하는 3D 모델을 형성하기 위해 적층해가는 모습을 미시적인 관점에서 보여주는 예시도이며, 실제 재료 분사 방식 3D 프린터에서는 분사된 액체 재료의 입자가 둥근 구형을 그대로 유지하지 않고 인접한 재료 입자와 결합하여 공극을 거의 형성하지 않도록 적층이 이루어진다.

도 6은 재료분사 방식 3D 프린터로 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 계획된 위치에 분사하여 원하는 3차원 형상을 만들어가는 과정을 보여주는 예시도이며, 최종 단계에서 지지체(support material)는 제거되어 원하는 구조물의 형상만이 남게 된다.

<본 발명에 따르는 3D 프린팅 재료>

본 발명에서 제안하는 금속 나노입자를 포함하는 재료분사(MJ) 방식의 3D 프린터에 사용하는 액체 재료는 순수 액체(liquid) 상태의 원재료A와 원재료A에 금속 나노입자를 소정 비율로 혼합하여 제조된 재료B를 포함하여 구성된다.

도 7은 본 발명에 따라 제작된 금속 나노입자를 포함하는 액체 재료를 분사한 경우의 입자를 예시한 것이다. 상기 금속 나노입자의 크기는 직경이 수nm에서 수백nm 정도의 크기를 가지며, 재료분사 3D 프린터를 통해 분사되는 액체 입자의 직경은 수십 um에 이르기 때문에 상대적으로 매우 작은 입자크기를 가지므로 액체 재료 내에 뭉치지 않고 고르게 분포하기에 충분히 작다.

이처럼 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 3D 프린팅 재료는 재료분사 3D 프린터용 원재료 내에 금속 나노입자들이 일정한 농도로 고르게 분포되게 배합될 필요가 있고 이를 위해서는 배합조를 상하좌우로 흔들어 재료분사 3D 프린터용 재료들을 교반할 필요가 있다.

도 8은 순수 액체 A(build material A)와 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료(build material B)의 상대적 비율을 조절하며 혼합 분사하는 미시적 관점의 예시도를 도시한 것으로, 도 8a는 순수 액체만 분사되거나 도 8b는 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료 B만 선택적으로 분사된 것을 나타낸다.

또한, 도 8c 및 도 8d는 순수 액체 A(build material A)와 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료(build material B)의 상대적 비율을 조절하며 선택적 또는 동시에 혼합 분사하는데, 수십 um 크기의 입자로 잉크젯 분사 액체들의 비율을 정밀하게 조절한다.

표 1은 인체의 조직별 질량밀도, 흡수계수 A 및 그에 따른 X선 에너지 흡수량(감쇠량)의 특성을 나타낸 것이다.

구분	Mass Density (kg/m3)	흡수계수 A	투과도(P)	공기를 기준으로 환산한 흡수도(X)
근육	1090	1.36	0.000235	1302
지방	911	1.36	0.000282	1088
폐	1050	1.367	0.000243	1263
확장된 폐	394	1.367	0.000647	474
공기	1.2	1	0.306566	1
뼈	1908	1.568	0.000109	2806
산화철 나노분말 (Fe₃O₄ ₎	5170	2.29	1.96E-05	15651

실제 물질은 그 조성에 따라서 질량 밀도가 다르기 때문에 물질에 따른 고유의 흡수계수를 고려하지 않고, 고유의 질량 밀도를 고려해서 실질적인 흡수도를 산정할 필요가 있다. 이에, 구해진 값에 질량 밀도를 나누어 최종 감쇄된 후의 단위면적당 투과도를 추정한다. 가령, P=I/Density, I=I_{0 ·}exp(-A·T), 여기서 I: 투과된 에너지량을 말하고, I₀: 입사 에너지량을 말한다.

따라서, 투과된 총 에너지량을 주요 물질별로 계산한 후, 공기를 기준으로 상대적인 수치로 에너지 X-선 에너지 흡수도를 에너지 흡수도X로 정의한다.

상기 표 1을 참조하면, 인체 조직의 경우에는 조직별 분자 조합에 따른 평균 원자량의 차이 외에도, 조직의 단위 체적당 질량 밀도가 조직별로 다르며, X선 흡수도도 조직별로 다르다. 또한, 연부 조직도 세부적인 조직에 따라서 에너지 흡수 정도는 차이가 날 수 있다. 이는 조직 내부에 공극들이 존재할 경우에는 혈액이나 체액으로 채워져 있는 부분도 존재하기 때문에 평균 원자 번호가 비슷하더라도 실제 X선의 흡수도에서 차이가 큰 경우도 있다.

가령, X선 흡수도에서 근육 1302, 지방은 1088, 폐는 1263, 뼈는 2806에 해당되어, 인체 조직 중에서 뼈가 X선 흡수율이 가장 높고 근육, 폐, 지방 등의 순서로 조직별로 차이를 가진다. 또한, 이러한 X선 흡수도는 CT와 같은 의료영상에서는 HU Value(하운스 필드 유닛 값)라 칭하며 정량화되어 활용되고 있다.

한편, 도 4 내지 도 6에서 살펴본 바와 같이, 3D 프린터에 사용하는 소재는 특별히 격자구조로 출력하는 경우를 제외하고는 그 밀도가 항상 균일하기 때문에 소재 밀도에 따른 편차는 거의 없어, 3D 프린팅으로 제작한 인체 모형의 경우에는 조직별 X선 에너지 흡수율(감쇠율)에 큰 편차가 존재하지 않는다.

그러나, 본 발명에서는 3D 모델 형성시에 금속 나노입자 혼합 비율을 3D 모델을 인체의 부위별 및 위치별로 정밀하게 조절할 필요가 있다.

이에, 수학식 1을 통해 두 종류 이상 원소를 함유한 물질의 질량 흡수계수 산정법을 살펴본다. 이러한 수학식 1에 따라, 기존의 3D 프린터에 사용되는 플라스틱, 아크릴 등의 3D 프린팅 원재료에 비해 훨씬 높은 원자량을 가진 금속 나노입자를 혼합할 경우 그 혼합비에 따라서 X선의 흡수계수(감쇠율)의 변화를 줄 수 있다.

다음 수학식 1을 참조하면, 두 종류 이상 원소 함유한 혼합된 소재의 흡수계수(μ/ρ)는 각 혼합물의 흡수계수와 질량의 곱의 합을 전체 질량으로 나눈 것과 같다.

이에, 실제 물질의 조성에 따라 질량밀도가 서로 다르기 때문에 이를 반영해 혼합물의 에너지 흡수 정도를 구할 필요가 있으며, 질량밀도를 곱한 실질적인 물체의 최종적인 에너지 흡수 정도를 계산할 때도 아래와 같이 계산할 수 있다.

흡수계수 A = (A1 x w1 + A2 * w2) / (w1 + w2)

(여기서 A1, A2는 각 소재의 에너지 흡수율, w1, w2는 각 소재의 질량)

본 발명에서는 3D 프린팅으로 제작한 인체 모형의 경우에는 조직별 X선 에너지 흡수율(감쇠율)을 반영하기 위해 금속 나노입자 혼합 비율을 3D 모델을 인체의 부위별 및 위치별로 정밀하게 조절한다.

표 1에서와 같이, 연부조직(피부/근육 등)의 평균 에너지 흡수는 1302, 뼈의 에너지 흡수는 2806, 지방의 에너지 흡수는 1088 등으로 제시되고 있다.

가령, 금속나노입자로 Fe₃O₄(산화철)를 적용한다고 하면, 나노파티클의 에너지 흡수치는 15651로 추정된다. 이는 NIST 사이트에 있는 주요 물질별 질량 흡수 계수의 예시 데이터를 통해 알 수 있고, 다음 링크를 통해 확인할 수 있다(https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html, https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab4.html)

먼저, 순수 액체 재료에 금속나노입자(산화철)을 소정 비율로 혼합한 3D 프린팅 재료B에서 적용한다. 즉, 에너지 흡수도 450인 연질의 폴리머 소재를 이용할 경우를 가정하고, 에너지 흡수도 15651의 산화철 나노파티클을 혼합할 경우를 예로 들면, 그 상대적 비율에 따라 표 2와 같이 에너지 흡수도를 얻을 수 있다.

폴리머 조성비(%)	100	0	99.85	95.8	84.5
산화철나노입자 조성비(%)	0	100	0.15	4.2	15.5
흡수도(X)	450	15651	472.8	1088	2806

또한, 순수 액체 재료A와 액체 재료A에 금속나노입자(산화철)을 소정 비율로 혼합한 재료B에서 적용한다. 즉, 재료 B는 표 2에서 폴리머와 산화철 나노입자의 혼합비율을 84.5%와 15.5%로 혼합할 경우 흡수도가 인체의 뼈와 유사하게 유사하게 얻을 수 있다.

이에 따라, 뼈와 유사한 흡수도를 가지는 기본 혼합물(폴리머+산화철 나노입자)의 재료B를 조성한 후, 기본 폴리머 재료 A와 함께 혼합하여 조성비를 조절하면, 혼합한 비율에 에너지 흡수 변화는 아래 표3과 같이 인체의 X-선 흡수도와 유사한 여러 단계의 조성을 모사해 낼 수 있다.

기본 폴리머 A(%)	100	0	99	65.5	63.8	72.9
혼합물 B(%)	0	100	1	34.5	36.2	27.1
흡수도(X)	450	2806 (뼈)	474 (확장된 폐)	1263 (수축된 폐)	1303 (근육)	1088 (지방)

표 3에서, 예시로 든 경우는 각각 지방(1088), 뼈(2806), 확장된 폐(474), 수축된 폐(1263), 근육(1303)의 에너지 흡수치에 근사한 것을 알 수 있고, 제작하는 3D 인체 모델의 각 조직(부위) 별로 X선 흡수율을 고려하여 각 부위 또는 조직별 모형에 따라 사용할 필라멘트 소재를 다르게 적용하여 3D 프린팅할 수 있다. 따라서, 기본적으로 금속나노입자 혼합 폴리머의 혼합 비율은 그 에너지 흡수도가 인체의 조직 중에서 뼈와 유사한 수준(2806)을 갖도록 하여 뼈보다 더 에너지 흡수도가 낮은 인체의 조직을 원하는 단계별로 조합해 낼 수 있다.

여기서, 금속나노입자로 산화철 나노입자(분자량 33.08)를 예시하고 있으나, 실제로는 더 높은 평균 원자량을 가지는 금속 나노입자들, 가령, 요오드(분자량 53), 바륨(분자량 56) 등을 이용할 수도 있다. 그러나, 산화철 나노입자는 이미 인체에 무해한 물질로서 다양하게 이용되고 있으며 가격 또한 상대적으로 낮은 물질이기 때문에 산화철을 예시로 들었으며, 인체에 무해한 물질이라면 다른 나노입자도 이용 가능하며 해당 물질의 X-선 에너지 흡수율에 따라 그 조성비는 재조합할 수 있다.

또한, 인체 조직을 모사하기 위한 범위의 혼합비로 사용하는 경우를 본 발명에서는 예시로 들고 있으며, 원하는 흡수율이 더 높을 경우에는 금속나노입자의 조성비를 더 높게 할 수도 있다.

또한, 각 조직에 따라 금속나노입자를 다르게 사용하는 것이 아니라, 한 종류의 금속나노입자 (예를 들면 산화철 나노입자)를 선정하면 그 나노입자를 혼합한 폴리머 혼합물의 프린팅 시 조성 비율을 조절하는 것만으로 전체적인 에너지 흡수 정도를 조절할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 재료분사 방식의 3D프린터에서 금속 나노입자를 포함하지 않는 액체 재료A와 금속 나노입자를 포함하는 액체 재료B와의 상대적인 혼합 비율을 정밀하게 제어하여 최종적인 형상 제작물의 금속 나노입자의 혼합 비율을 정밀 제어한다.

도 9는 금속 나노입자를 혼합한 재료분사 방식 3D 프린터용 재료에서의 X선 감쇠 또는 투과 과정을 간략하게 보여주는 예시도이고, 도 10은 금속 나노입자의 혼합 비율에 따른 X선 감쇠량의 단계별 변화에 대한 예를 도시한 것이다. 상기 도 9 및 도 10에 예시한 바와 같이 동일한 두께를 가지는 형상물이라도 금속 나노입자의 혼합비율이 높을수록 X선의 감쇠율은 더 높아지게 되며, 형상물의 두께가 두꺼워지는 것에 비례해서 X선의 감쇠율은 높아진다. 이에 본 발명은 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 감쇠율을 조절한다.

이와 같이 본 발명에서 제안하는 금속 나노입자를 포함하는 재료분사 방식 3D 프린터용 액체재료는 기본적으로 액체(liquid)로 된 소재 내에 금속 나노입자들이 분포하고 있기 때문에, 정적인 상태로 장시간 방치될 경우에는 중력 방향으로 금속 나노입자들의 침전이 발생할 수 있다. 이에 본 발명은 항상 균일한 입자의 분포를 유지하기 위해 액체 재료를 담고 있는 카트리지를 상하좌우로 주기적으로 흔들어주도록 하는 3축 제어가 가능한 액츄에이터(actuator)를 추가하며, 이는 도 11에 예시한 바와 같다.

<재료분사 방식의 3D 프린터>

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 재료분사 방식의 3D 프린터의구조를 도시한 것이다.

상기 재료분사 방식의 3D 프린터는 카트리지(100)와 카트리지 액츄에이터(108)와 재료분사 헤드(200)와 UV 경화램프(202)와 제어장치(300)와 메모리부(302)와 통신모듈(304)과 빌딩 플레이트(400)로 구성된다.

상기 카트리지(100)는 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 수용하는 수용부들을 구비하고, 상기 수용부들에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)는 공급라인들을 통해 재료분사 헤드(200)로 공급된다. 상기 제1 및 제2구조물용 재료(104,106) 중 하나 이상은 재료분사 방식의 3D 프린터를 위한 액체 상태의 원재료에 금속 나노입자를 미리 정해둔 비율로 혼합하고 고르게 분포되게 섞어 제조한 것이며, 3D 프린터의 헤드를 통해 분사되는 액체의 입자 직경이 수십 um이고, 상기 금속 나노입자의 직경은 수 nm에서 수백 nm 정도의 크기이므로, 상기 금속 나노입자는 상기 액체 상태의 원재료 내에 고르게 확산되어 분포된다. 또한 상기 금속 나노입자는 산화철 나노입자가 채용될 수 있다.

상기 카트리지 액츄에이터(108)는 3축 제어가 가능한 것으로, 제어장치(300)의 제어에 따라 상기 카트리지(100)를 소정 주기로 상하좌우로 흔들어 상기 카트리지(100)의 수용부들에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 교반하여 액체 상태의 원재료 내에 금속 나노입자가 고르게 확산되어 분포되게 한다. 이러한 카트리지 액츄에이터(108)는 금속 나노입자의 침전을 방지하며 일부 침전되었다 하더라고 3D 인쇄전에 교반을 이행하여 침전된 입자들이 다시 액체 재료내에 고르게 분포되게 한다.

상기 카트리지 액츄에이터(108)는 3축 제어가 가능하도록 구성하여 상하좌우의 흔들림 또는 원형 운동, 직교 운동을 이행하여 교반동작을 이행한다.

상기 재료분사 헤드(200)는 상기 카트리지(100)에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 공급받아 제어장치(300)의 제어에 따라 선택적으로 분사하여 빌딩 플레이트(400)상에 구조물 및 지지체를 형성하여 3D 모델을 형성한다. 상기 재료분사 헤드(200)에 부착된 UV 경화 램프(202)는 상기 재료분사 헤드(200)가 분사하는 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106) 중 선택된 재료를 경화시켜 빌딩 플레이트(400)상에 구조물 및 지지체를 형성하여 3D 모델을 형성한다.

상기 제어장치(300)는 외부로부터의 3D 프린팅 명령에 따라 카트리지 액츄에이터(108)를 구동하여 카트리지(100)에 수용된 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 교반하여 금속 나노입자의 침전을 방지하며 일부 침전되었다 하더라고 침전된 입자들이 다시 액체 재료내에 고르게 분포되게 한다.

이후 상기 제어장치(300)는 상기 카트리지(100)에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106) 중 선택된 재료를 분사함과 아울러 UV 경화램프(202)를 구동하여 3D 모델을 형성하여 3D 프린팅을 수행한다.

상기 메모리부(302)는 상기 제어장치(300)의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장한다.

상기 통신모듈(304)은 상기 제어장치(300)와 외부의 사용자 단말기, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 등 사이의 통신을 담당한다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 재료분사 방식의 3D 프린터는 금속 나노입자의 배합 비율을 조절한 액체 재료를 활용해서 정밀하게 금속 나노입자의 조성비를 조절한 3차원 모형을 제작할 수 있다. 이에따라 본 발명은 인체 조직별로 서로 다른 X선의 에너지 흡수율 또는 감쇠율을 보다 정교하게 모사할 수가 있게 하여, 인체 조직의 외형적인 형태만 모사하는 것에 지나지 않고 의료영상 장비에서 촬영할 경우에도 더욱 인체와 유사한 영상의 대조비 특성을 가질 수 있도록 제작할 수 있게 한다.

또한 본 발명에서 제안하는 금속 나노입자를 포함한 액체 재료와 재료분사 방식 3D 프린터로 인체 모형을 제작하는 예상도는 도 13과 같다.

상기한 본 발명에 따르는 금속 나노입자는 산화철 나노입자가 채용될 수 있으며, 상기 산화철 나노입자는 자기공명영상장치(MRI)의 영상품질 향상을 위한 대비도 향상 소재(agent)로 이용가능하여, X선이나 CT 등과 같은 방사선 촬영 이외에도 MRI 영상에서도 조직 부위별 영상 대조비가 다르게 3D 인체 모형을 제작하는 것을 가능하게 한다.

상기한 본 발명에서 제안하는 재료분사 방식 3D 프린터용 액체 재료는 원재료가 가지는 연성, 경도, 색상의 차이를 가지는 다양한 물리적인 성질의 표현에 더하여, 금속 나노입자를 포함하게 제작하고, 금속 나노입자가 포함되지 않은 액체 재료와 분사 비율을 조절함으로써 매우 정밀한 단계로 금속 나노입자의 조성비를 실현할 수 있다.

이를 통해 제작되는 인체의 3차원 모형은 외형적으로 인체를 모사하는 것과 함께 의료영상 촬영 시에도 인체의 조직과 유사한 영상 특성인 대조비 등까지 가질 수 있도록 하는 것이 가능하며 이는 도 14에 예시한 바와 같다. 예를 들면 인체장기의 특정 병증 모델을 3차원 모형으로 정밀하게 제작하고자 할 때 병증 부위와 그 주변부의 미세한 형상의 모사와 함께 X선 감쇠율의 부위별 변화 등을 보다 정밀하게 표현할 수 있다.

또한 본 발명에 따르는 금속 나노입자를 포함한 3D 프린팅을 이용하면 금속 나노입자의 혼합 비율을 원하는 위치에 원하는 비율 및 농도로 세밀하게 조절이 가능하므로, 정해진 몇 단계의 농도로만 사용할 수 있는 재료 압출 방식에 비해서 큰 장점을 가진다.

또한 본 발명에 따르는 재료와 3D 프린팅 기술을 활용하면 수술계획 및 시뮬레이션용 인체 모형이나 수술교육 모형, 의료영상 실습용 모형을 제작하는 것 외에도, 원하는 3차원 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 장점과 방사선의 감쇠율 및 투과율을 조절할 수 있는 장점을 이용해 방사선 치료 시 표적이 되는 환부에만 방사선 또는 양성자선이 집중적으로 조사되고 정상적인 인체조직에는 방사선 조사 선량을 최소화할 수 있도록 하는 선량 조절용 가이드를 제작하는 데 이용할 수도 있으며, 도 15는 선량 조절용 가이드를 제작한 예를 도시한 것이다.

이에, 도 15의 선량 조절용 가이드는 방사선 치료를 위한 에너지 흡수체로 사용할 수 있어 표 1의 뼈의 2806의 흡수도 보다 더 높게 설정하여 활용할 수 있다.

100 : 카트리지
108 : 카트리지 액츄에이터
200 : 재료분사 헤드
202 : UV 경화램프
300 : 제어장치
302 : 메모리부
304 : 통신모듈
400 : 빌딩 플레이트

Claims

재료분사 방식의 3D 프린터에 있어서,
액체 상태의 재료A와 액체 상태의 재료에 금속 나노입자를 소정 비율로 혼합하여 제조된 재료B를 구비한 다수의 구조물용 재료와 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지;
상기 카트리지를 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 카트리지 엑츄에이터;
상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 재료분사 헤드;
상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하는 UV 경화램프; 및
외부로부터 3D 인체 모델 형성을 위한 3D 프린트 정보가 입력되면, 상기 카트리지 엑츄에이터를 구동함과 동시에 상기 3D 프린트 정보에 따라 재료분사 헤드 및 UV 경화램프를 제어하여 상기 3D 인체 모델을 형성하는 제어장치;를 포함하고,
상기 금속 나노입자의 혼합비율을 높일수록 X선의 감쇠율도 높아지므로, 상기 재료 B에서 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선 흡수도를 조절하고,
조절된 X선의 흡수도는 상기 3D 인체 모델의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 3D 인체 모델은 수술계획 및 시뮬레이션용 인체 모형, 수술교육 모형, 의료영상 실습용 모형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 재료 A와 재료 B의 혼합 분사시에 혼합비율을 조절하여 상기 X선 흡수도를 조절하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 3D 인체 모델은 선량 조절용 가이드 인것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 산화철 나노입자임을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 카트리지 엑츄에이터는, 3축 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
3D 모델 프린팅 방법에 있어서,
액체 상태의 재료A와 액체 상태의 재료에 금속 나노입자를 소정 비율로 혼합하여 제조된 재료B를 구비한 다수의 구조물용 재료와 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지를 카트리지 엑츄에이터를 통해 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 단계;
재료분사 헤드가 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 단계; 및
상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하여 3D 인체 모델을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 금속 나노입자의 혼합비율을 높일수록 X선의 감쇠율도 높아지므로, 상기 재료 B에서 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선 흡수도를 조절하고,
조절된 X선의 흡수도는 상기 3D 인체 모델의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되는 것을 특징으로 하는 3D 모델 프린팅 방법.
제7항에 있어서,
상기 3D 인체 모델은 수술계획 및 시뮬레이션용 인체 모형, 수술교육 모형, 의료영상 실습용 모형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3D 모델 프린팅 방법.
제7항에 있어서,
상기 재료 A와 재료 B의 혼합 분사시에 혼합비율을 조절하여 X선 흡수도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 프린팅 방법.
제7항에 있어서,
상기 3D 인체 모델은 선량 조절용 가이드 인것을 특징으로 하는 3D 모델 프린팅 방법.
제7항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 산화철 나노입자임을 특징으로 하는 3D 모델 프린팅 방법.
제7항에 있어서,
상기 카트리지 엑츄에이터는, 3축 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 3D 모델 프린팅 방법.