KR102199564B1 - 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치 - Google Patents

Abstract

6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치가 개시된다. 본 발명에 따른 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치는, xy평면의 고정된 타겟점에서 레이저 소결작용이 이루어지게 하는 레이저부; xy평면 상을 거동하는 가동판의 상기 타겟점을 포함하는 일영역에서 z축을 따라 하강작동하며 적층공간을 형성하는 적층판이 구비된 3축 구동의 작업부; 및 상기 가동판의 타영역에 형성된 수용공간에서 z축을 따라 상방으로 토출된 인공지지체용 세라믹분말이 상기 적층공간에 채워지도록, 회전하며 상기 적층공간으로 선형작동하는 피드롤러가 구비된 3축 구동의 피딩부를 포함하여, 반복적으로 적층되는 세라믹분말에 대하여 레이저 소결작용이 연속적으로 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 에너지 손실을 최소화하는 레이저빔 경로의 최적화 등을 통해 밀폐형 챔버 내부가 아닌 공기 중에서도 세라믹분말에 대한 레이저 소결작용이 원활히 이루어지도록 한 저출력 레이저부로 인해 전체 제조장치의 규모가 소형화될 수 있고, 3축 구동의 작업대와 3축 구동의 피딩부 간의 연계된 작동을 통해 인공지지체용 분말형 세라믹의 층별 공급과 공급된 층별 세라믹분말에 대한 선택적 레이저 소결이 연속적으로 이루어짐에 따라 복잡한 다공구조를 갖는 다양한 맞춤형 3D 인공지지체가 미소단위로 신속하고 정밀하게 제조될 수 있다.

Description

6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치{DEVICE WHICH IS DRIVEN BY SIX AXES TO MANUFACTURE A THREE-DIMENSIONAL SCAFFOLD}

본 발명은 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 인공지지체용 분말형 세라믹의 층별 공급과 공급된 층별 세라믹분말에 대한 선택적 레이저 소결이 자동화된 6축 구동의 반복을 통해 이루어지게 함으로써, 3차원 인공지지체를 제조하게 되는 장치에 관한 것이다.

사고나 질병으로 인한 골손상 또는 운동량 부족이나 고령화에 따른 골기능 저하 등의 문제를 해결하기 위해, 근래에 들어 골조직 재생용 생체재료에 대한 관심이 집중되고 있다.

특히, 생체재료 관련 연구개발 중 인공지지체(Scaffold)는, 조직공학(tissue engineering 즉, 체외에서 손상부위와 동일한 세포를 배양한 후 손상 부위에 이식하여 해당 기능을 발휘케 하는 조직재생의 목적을 위한 학문)의 주요한 이슈 중 하나로서, 세포의 증착, 증식 및 분화를 도울 수 있는 생체 적합성 소재와 제조방법에 대한 다양한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

이러한 인공지지체는, 이식 후 시간의 경과에 따라 체내에서 세포의 번식을 지원하면서 서서히 분해되어 체내에 흡수되어야 하는 요구에 따라 자가생성의 유도시간과 생체 내 거부반응을 최소화할 수 있고, 체내 생분해활동 대사가 활발한 생체고분자, 합성고분자, 생체세라믹 또는 금속 등과 같은 다양한 재료를 활용하여 다공성 구조로 제작되고 있다.

이때, 다공성의 3차원 인공지지체의 제조는, 구체적으로 광조형법(Stereolithography, SLA), 열용해적층법(Fused deposition modeling, FDM) 등과 같은 3차원 제조기술로 이루어지고 있다.

그러나 3차원 제조기술에 사용되는 설비나 장치 자체는, 대규모의 고가 시스템으로 구성되는 것이어서 소량의 인공지지체를 맞춤형으로 제작하거나 소규모의 연구실 단위에서 사용하기에는 비용상의 어려움이 컸고, 고정밀도를 갖는 소형의 인공지지체를 신속하게 제작함에 있어서도 아직까지 분명한 한계가 존재하는 문제가 있다.

이를 개선하기 위한 인공지지체 제조장치와 관련된 선행기술 중 대한민국공개특허 제10-2009-0054208호(공개일: 2009년 05월29일)는, 정밀 다축 적층 장치 및 이를 이용한 3차원 인공 지지체제조 시스템에 관한 기술을 개시하고 있다.

상술한 선행기술은, 최소 100㎛ 이하의 선폭을 가지면서도 ±10㎛ 오차 범위 내에서 제어되고, 필요한 강성을 갖는 복잡한 3차원 인공지지체의 제조가 가능함을 기술하고 있다.

그러나 본 선행기술이 채택한 제조방식은, 고체 재료를 녹여 액화시킨 후 이를 소정 굵기로 분사하는 열용해적층법을 이용한 것이어서 사용 가능한 소재가 저온 용융성 합성고분자 등에만 적용이 용이할 뿐이고, 분말형태로 제공되는 고온 용융성 생체세라믹이나 금속에는 사실상 적용하기가 어렵다는 점, 연속적으로 3축 구동하는 적층헤드에서 분사된 용융수지로 형상을 구현함으로 인해 노즐 등의 유지관리가 일상적으로 필요하고, 고결(냉각)과정이 필수적이어서 인공지지체 완성에 소요되는 리드타임의 단축에 한계가 있으며, 분사속도나 용융수지 점도 등의 많은 제어요소로 인해 완제품 정밀도에서도 일정한 한계가 예상된다는 점에서, 여전히 이에 대한 지속적인 연구개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2009-0054208호(공개일: 2009년 05월29일)

본 발명의 목적은, 소재적 제한 없이 생체고분자, 합성고분자, 생체세라믹 또는 금속과 같은 다양한 소재를 이용하여 소량의 맞춤형 인공지지체를 자동화된 제어작동으로 신속하고 정밀하게 제조할 수 있는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, xy평면의 고정된 타겟점에서 레이저 소결작용이 이루어지게 하는 레이저부; xy평면 상을 거동하는 가동판의 상기 타겟점을 포함하는 일영역에서 z축을 따라 하강작동하며 적층공간을 형성하는 적층판이 구비된 3축 구동의 작업부; 및 상기 가동판의 타영역에 형성된 수용공간에서 z축을 따라 상방으로 토출된 인공지지체용 세라믹분말이 상기 적층공간에 채워지도록, 회전하며 상기 적층공간으로 선형작동하는 피드롤러가 구비된 3축 구동의 피딩부를 포함하여, 반복적으로 적층되는 세라믹분말에 대하여 레이저 소결작용이 연속적으로 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치에 의해 달성된다.

상기 작업부는, 상기 가동판이 x축 및 y축 방향으로 연동된 선형작동을 하도록, 바닥프레임과 상기 가동판 사이에 설치되는 2축 구동의 수평구동부; 상기 수평구동부에 결합되어 xy평면 상을 거동하고, 상기 수용공간과 적층공간이 각각 나란하게 상하방향으로 관통형성된 상기 가동판; 및 상기 적층공간에 삽입설치된 상기 적층판을 z축을 따라 승강시키는 제1 수직구동부를 포함할 수 있다.

상기 피딩부는, 상기 수용공간 내의 세라믹분말을 지지하도록 삽입설치된 토출판을 z축을 따라 승강시키는 제2 수직구동부; 상기 수평구동부와 가동판 사이에 설치되어 상기 수용공간과 적층공간 사이를 왕복하며 선형작동을 하는 피드구동부; 상기 가동판의 상면과 접한 상태로 상기 피드구동부에 결합되어 상기 수용공간에서 토출된 세라믹분말을 상기 적층공간으로 이동시키고, 일정한 두께로 채우는 원통형의 상기 피드롤러; 및 상기 피드구동부의 선형작동에 대하여 직각인 방향을 축으로 상기 피드롤러를 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.

상기 세라믹분말은, 생체 적합성이 있는 인산칼슘계 세라믹(CaP based ceramics) 분말일 수 있다.

상기 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치는, 상기 레이저부, 상기 작업부 및 상기 피딩부와 각각 연결되어 이들을 개별적으로 작동제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는, 반복적으로 적층되며 채워지는 세라믹분말에 대한 층별 소결작용에 의해 완성된 인공지지체의 반출을 위해 상기 제1 수직구동부를 작동제어하여 상기 적층판을 상기 가동판의 상면까지 상승시키고, 상기 적층공간으로부터 완성된 인공지지체의 이탈을 위해 상기 피드구동부를 작동제어하여 상기 피드롤러를 상기 가동판의 단부까지 선형이동시킬 수 있다.

상기 레이저부는, 이산화탄소를 매질로 레이저빔을 생성하여 방사하는 레이저발생기; 레이저빔의 방출구에서 빔 사이즈를 조절하는 빔확장기; 상기 빔확장기를 통과한 레이저빔을 상기 타겟점을 향한 방향으로 전환하는 반사경; 및 방향 전환된 레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 초점 상에 수렴시키는 포커싱렌즈를 포함할 수 있다.

상기 피딩부는, 상기 적층공간에 채워진 세라믹분말에 대한 다짐작용이 이루어지도록, 상기 피드롤러를 상기 가동판 쪽으로 밀착시키며 가압하는 가압부를 더 포함할 수 있다.

상기 가압부는, 상기 피드롤러 주변에 설치되어, 상기 피드롤러가 상기 가동판 쪽으로 밀착되도록 탄성지지하는 기계적 코일스프링이거나, 제어전원의 인가에 따라 신장되며 상기 피드롤러를 상기 가동판 쪽으로 밀착시키는 전기적 압전소자일 수 있다.

상기 피딩부는, 상기 수용공간 내에 수용된 세라믹분말의 무게를 측정할 수 있도록, 상기 토출판 일측에 구비되는 중량센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 에너지 손실을 최소화하는 레이저빔 경로의 최적화 등을 통해 밀폐형 챔버 내부가 아닌 공기 중에서도 세라믹분말에 대한 레이저 소결작용이 원활히 이루어지도록 한 저출력 레이저부로 인해 전체 제조장치의 규모가 소형화될 수 있고, 3축 구동의 작업대와 3축 구동의 피딩부 간의 연계된 작동을 통해 인공지지체용 분말형 세라믹의 층별 공급과 공급된 층별 세라믹분말에 대한 선택적 레이저 소결이 연속적으로 이루어짐에 따라 복잡한 다공구조를 갖는 다양한 맞춤형 3D 인공지지체가 미소단위로 신속하고 정밀하게 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치의 사시도이다.
도 2a는 도 1의 정면과 배면을 각각 나타낸 도면이다.
도 2b는 도 1의 평면과 측면을 각각 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 분해사시도이다.
도 4는 도 1의 6축 작동을 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 피딩부의 3축 구동을 단계별로 도시한 공정도이다.
도 6은 도 1을 이용하여 인공지지체를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 따라 완성된 인공지지체의 실물크기와 조성 원소의 비율을 각각 보여주는 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치의 사시도이고, 도 2a는 도 1의 정면과 배면을 각각 나타낸 도면이고, 도 2b는 도 1의 평면과 측면을 각각 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 분해사시도이고, 도 4는 도 1의 6축 작동을 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 피딩부의 3축 구동을 단계별로 도시한 공정도이고, 도 6은 도 1을 이용하여 인공지지체를 제조하는 공정을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에 따라 완성된 인공지지체의 실물크기와 조성 원소의 비율을 각각 보여주는 사진이다.

도면에 나타난 X, Y, Z 축은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 임의로 정한 것으로, X축이 전(앞, 화살표 쪽), 후(뒤)방향을 지시하고, Y축은 좌, 우방향(화살표 쪽)을 지시하며, Z축은 상(위, 화살표 쪽), 하(아래)방향을 지시하는 것으로 정의한다. 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명에 따른 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 복잡한 다공구조를 갖는 다양한 맞춤형 3D 인공지지체를 미소단위로 신속하고 정밀하게 제조하는 한편, 전체 장치의 소형화를 통해 소규모의 연구실 또는 병원 단위에서도 자유롭게 사용할 수 있도록 하기 위해 안출된 발명이다.

이를 위해 본 발명에 따른 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 종래 용융수지의 노즐 분사방식과 달리 분말형으로 제조되어 적층식으로 순차 공급되는 인공지지체용 세라믹을 선택적 레이저 소결법을 통해 층별로 고형화시키는 방식으로 3D 인공지지체를 제작하게 된다.

여기서 선택적 레이저 소결법(Selective Laser Sintering, SLS)이란, 레이저를 이용한 재료가공의 한 가지 방법으로 레이저의 선택적 에너지 전달 기능을 이용해 분말 등의 재료를 선택적으로 고형화시키는 기술을 말하는데, 재료의 표면처리를 목적으로 하는 레이저 클래딩(Laser cladding)에서 발전하여 특수한 목적의 형상을 소결 접착의 형식으로 만드는 것을 지칭한다.

선택적 레이저 소결은 부품 및 시작품 제작이 복잡하거나 비싼 장비를 사용하지 않고도 신속하고 경제적인 방법으로 해결하려는 경향의 증가에 따라 쾌속조형기술(Rapid-prototyping)로 연구 발전되어 왔고, 현재에는 3D CAD 도면 파일을 인코딩하여 이로부터 직접 고형의 물리적 모델을 제작하고 있다.

위와 같은 선택적 레이저 소결법에 사용될 수 있는 인공지지체용 소재는, 고분자, 금속, 세라믹 또는 복합재료 등으로 분류될 수 있는데 각각의 특성을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 고분자 재료의 경우 굽힘성, 탄성, 성형성, 제작성, 경량성 등이 우수하나 기계적 강도, 내마모성, 생분해성 미흡한 특성이 있고, 금속 재료의 경우 강도, 인성, 내마모성이 우수하나 고중량이고 생체적합성, 내부식성이 미흡한 특성이 있고, 세라믹 재료의 경우 생체 적합성, 불활성, 내부식성, 압축강도가 우수하나 취성이 강해 깨지기가 쉽고, 성형성, 제작성, 복원성이 미흡한 특성이 있고, 복합재료의 경우 생체 적합성, 고강도, 불활성, 내부식성이 우수하나, 성형성이나 제작성이 역시 미흡하다는 특징이 있다.

이에 본 발명에서는, 인공지지지체의 형상, 구조, 적용부위에 따라 요구되는 물성을 만족시키도록, 위의 소재별 특성 등을 고려하여 분말이나 알갱이 형태로 제공되는 고분자, 금속, 세라믹 및 복합재료 중 적어도 어느 하나를 포함하는 소재를 선택적으로 사용할 수 있다.

다만, 가장 바람직한 소재는 종래 저온 용융성 고체 재료를 녹여 소정 굵기로 분사하는 열용해적층법의 가열온도보다 높은 온도에서 용융됨으로 인해 적용하기 어려웠던 분말형태의 고온 용융성 인산칼슘계 세라믹(CaP based ceramics)일 수 있다.

상술한 바와 같은 기능 및 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 도 1 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 레이저부(110), 작업부(120) 및 피딩부(130) 등을 포함하여 구성되고, 전원공급장치(190)로부터 각 구성들에 대한 전원분급과 이들을 각각 개별적으로 작동제어하기 위한 제어부(140)가 더 포함될 수 있다.

이하에서는 앞서 언급한 각 구성들을 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 레이저부(110)는, 일측에서 생성되어 방사된 레이저 에너지가 사용자에 의해 임의로 설정된 xy 평면상의 고정된 타겟점(T)에 위치하도록 하기 위해 마련된 구성요소로서, 이로 인해 해당 타겟점(T)에 위치한 인산칼슘계 세라믹 등과 같은 분말형 소재는 전달된 레이저 에너지에 의해 소결작용이 이루어지게 된다.

여기서 타겟점(T)이란, 분말형 소재에 대한 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 지점을 지칭하는 것으로, 사용자의 설정에 따라 후술할 적층공간(S1)에 층별로 얇게 채워지는 세라믹분말(CP)의 상부면, 세라믹분말(CP)의 중앙부, 적층판(123)과 접하는 세라믹분말(CP)의 하부면 등 다양한 위치에 형성될 수 있다.

위와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예 따른 레이저부(110)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 레이저발생기(112), 빔확장기(114), 반사경(116) 및 포커싱렌즈(118) 등을 포함하여 구성된다.

이때, 레이저발생기(112)는 이산화탄소(CO2)를 매질로 레이저빔을 생성하여 방사하는 구성요소로서, 열용해적층법의 가열온도 대비 높은 온도에서 용융됨에 따라 열용해적층법에 적용되기 어려운 인산칼슘계 세라믹분말(CP)을 원활하게 소결시킬 수 있는 30W의 최대 출력을 갖는 저출력의 레이저 장비일 수 있다.

이러한 저출력의 레이저 장비는 기존의 선택적 레이저 소결법에 일반적으로 적용되는 고출력(100W 이상)의 레이저 장비와 비교시 그 크기나 전력사용량 등에 있어 분명한 차이를 보이게 된다.

빔확장기(114)는 레이저발생기(112) 일측에 구비된 레이저빔의 방출구에서 빔 사이즈를 조절하는 구성요소이고, 반사경(116)은 빔확장기(114)를 통과한 레이저빔이 타겟점(T)을 향하도록 방향 전환시키는 구성요소로서, 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)의 전체 구조나 배치에 따라 다수 개가 적절한 위치에 설치되어 레이저빔의 방향 전환에 사용될 수 있다.

포커싱렌즈(118)는, 방향전환된 레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 렌즈의 초점(F)(F) 상에 수렴(레이저빔의 폭이 최소화됨)시킴으로써 레이저 에너지의 크기를 증폭시키게 되는 구성요소로서, 이때의 초점(F)은 포커싱렌즈(118)에 따라 고유하게 정해지는 것으로, 상술한 타겟점(T)과 구별된다.(도 6 참조)

이러한 포커싱렌즈(118)와 사용자에 의해 설정된 타겟점(T) 간의 거리가 위치조절수단을 통하여 변경되는 경우, 타겟점(T)에 대한 레이저빔의 폭은 포커싱렌즈(118)의 초점(F)에서 멀어질수록 증가하게 되고 레이저 에너지는 감소하게 된다.

즉, 포커싱렌즈(118)의 위치조절과 함께 레이저발생기(112)의 출력을 조절하게 되면, 타겟점(T)에 위치한 세라믹분말(CP)에 대한 레이저 소결작용의 강약과 굵기 등이 다양하게 변경될 수 있으며, 나아가 다양한 소결 재료에 대응한 맞춤식의 고품질 인공지지체를 사용자의 요구에 따라 제조할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 구성들이 결합된 레이저부(110)를 통해 소결 대상인 세라믹분말(CP)에 대한 최적화와 에너지 손실을 최소화할 수 있는 레이저빔 경로의 가변적 설계가 가능해짐으로써, 종래 선택적 레이저 소결이 이루어지던 밀폐형 챔버 내부가 아닌 공기 중에서도 세라믹분말(CP)에 대한 원활한 레이저 소결이 가능해 짐은 물론, 소형의 저출력 레이저발생기(112)의 적용으로 전체 제조장치의 규모는 더욱 소형화될 수 있다.

작업부(120)는, 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 지점인 타겟점(T)을 기준으로 xy 평면을 따라 2축(x축 및 y축) 방향으로 거동하는 한편, 분말형 소재가 층별로 채워지도록 일영역이 z축을 따라 하강 작동하도록 이루어진 3축 구동의 구성요소이다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 작업부(120)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 수평구동부(124), 가동판(122), 제1 수직구동부(126) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

수평구동부(124)는, 후술할 가동판(122)이 x축 및 y축방향으로 연동된 선형작동을 하도록 바닥프레임(102)과 가동판(122) 사이에 설치되는 구성요소로서, 이로 인해 가동판(122)은 xy 평면을 따라 자유롭게 거동하며 분말형 소재를 소정의 프로그램된 2차원 형상으로 소결시킬 수 있게 된다.(도 4 및 도 6 참조)

이러한 수평구동부(124)는, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, x축 방향을 따라 (122)을 슬라이딩(도 4의 X)시키는 x축 구동부(124a)와, x축 방향을 따라 슬라이딩된 가동판(122)을 다시 y축 방향을 따라 슬라이딩(도 4의 Y)시키는 y축 구동부(124b)로 구성될 수 있다.

x축 구동부(124a)와 연동하는 y축 구동부(124b)의 구현은, x축 방향으로 길게 형성된 제1 레일과, y축방향으로 길게 형성되어 제1 레일을 따라 슬라이딩하는 제2 레일과, 제2 레일을 따라 슬라이딩하며 후술할 가동판(122)과 결합되는 연결블럭 등으로 구성될 수 있다.

이때, 제2 레일과 연결블럭을 슬라이딩시키는 구동력은 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현될 수 있다.

물론, 이러한 제1 수직구동부(126)는, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.

가동판(122)은, 상술한 수평구동부(124)의 작동에 따라 xy 평면 상을 거동하도록 수평구동부(124)에 결합되어 후술할 피딩부(130)로부터 층별로 분말형 소재를 제공받게 되는 판상의 구성요소로서, 수용공간(S2)과 z축을 따라 하강 및 승강작동하는 적층판(123)이 끼워지는 적층공간(S1)이 각각 나란하게 상하방향(z축)으로 관통형성된다.

이때, 승강작동하는 적층판(123)이 끼워지는 적층공간(S1)은, 방향전환된 레이저빔이 도달하여 제공된 분말형 소재의 소결작용이 발생하게 되는 지점인 타겟점(T)을 포함하는 가동판(122)의 일영역 형성되고, 인공지지체용 세라믹분말(CP) 등과 같은 분말형 소재를 저장하는 수용공간(S2)은, 적층공간(S1)과 나란하게 인접한 가동판(122)의 타영역에 형성된다.

한편, 가동판(122)의 양측 단부에는, 적층공간(S1)에 채워지고 남은 여분의 분말형 소재를 수납하거나 소결 완료되어 적층공간(S1)으로부터 반출된 3차원 인공지지체를 수용하기 위한 수거함(128)이 각각 구비될 수 있다.

제1 수직구동부(126)는, 적층공간(S1)에 삽입설치된 적층판(123)을 z축을 따라 승강(도 4의 A)시키는 구동력을 제공하기 위해 가동판(122)의 하부에 구비되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현되어 피스톤처럼 작동하는 적층판(123)과 결합된다.

물론, 이러한 제1 수직구동부(126)는, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 작업부(120)의 3축 구동으로 인해, 피딩부(130)로부터 가동판(122)(구체적으로 적층공간(S1))에 층별로 순차 제공되는 분말형 소재는, 소정의 프로그램된 2차원 형상으로 각각 소결되는 한편, 상하로 적층됨으로써 3차원의 인공지지체를 형성하게 된다.

피딩부(130)는, 가동판(122)의 타영역에 형성된 수용공간(S2)에서 z축을 따라 상방으로 토출된 분말형 소재(인공지지체용 세라믹분말(CP))가 상술한 가동판(122)의 적층공간(S1)에 층별로 제공되도록 하는 3축 구동의 구성요소로서, 상술한 작업부(120)의 3축 구동과 연계됨으로써 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)는 총 6축으로 구동된다.(도 4 참조)

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 피딩부(130)는, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 제2 수직구동부(136), 피드구동부(134), 피드롤러(132) 및 회전구동부(138) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

제2 수직구동부(136)는, 수용공간(S2) 내의 분말형 소재인 세라믹분말(CP)을 지지하도록 삽입설치된 토출판(133)을 z축을 따라 승강(도 4의 Z)시키는 구동력을 제공하기 위해 상술한 제1 수직구동부(126)와 나란히 가동판(122)의 하부에 구비되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현되어 피스톤처럼 작동하는 토출판(133)과 결합된다.

물론, 이러한 제2 수직구동부(136) 또한, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.

이때, 토출판(133) 일측에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 수용공간(S2) 내에 수용된 세라믹분말(CP)의 무게를 실시간 측정할 수 있는 중량센서(139)가 더 구비될 수 있는데, 이로 인해 인공지지체 제조과정 중에 연속적으로 사용되는 분말형 소재는 사용자나 별도의 자동화된 리필장치를 통해 적절한 시기에 보충 내지 리필될 수 있다.

피드구동부(134)는, 후술할 피드롤러(132)가 가동판(122)의 수용공간(S2)과 적층공간(S1) 사이를 왕복하며 선형작동(도 4의 B)을 하도록 수평구동부(124)와 가동판(122) 사이에 설치되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되어 선형작동하며 피드롤러(132) 에 고정되는 볼너트과 같은 동력변환 조립체로 구현될 수 있다.

이러한 피드구동부(134)의 작동으로 인해 피드롤러(132)는, 수용공간(S2)에서 토출된 분말형 소재를 가동판(122)의 적층공간(S1)에 층별로 제공할 수 있게 된다.(도 5 및 도 6 참조)

피드롤러(132)는, 가동판(122)의 상면과 접한 상태로 피드구동부(134)에 결합되어 그 선형작동에 따라 수용공간(S2)에서 토출된 세라믹분말(CP)과 같은 분말형 소재를 적층공간(S1)으로 이동시켜 채우는 원통형의 구성요소로서, 금속은 물론, 탄성을 갖은 고무나 합성고분자 등으로 제작될 수 있다.

이러한 피드롤러(132)의 왕복 선형작동으로 인해 적층공간(S1)에는 층별로 분말형 소재가 일정한 두께로 채워질 수 있게 된다.

피드롤러(132)의 왕복 선형작동(도 4의 B)은, 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시에는 가동판(122)의 상면으로부터 피드롤러(132)가 미소하게 이격된 상태로 이루어지고, 이후 수용공간(S2) 쪽으로 슬라이딩 복귀시에는 가동판(122)의 상면과 피드롤러(132)가 밀착된 상태로 이루어질 수 있다.

이는, 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시 분말형 소재가 적층공간(S1)에 충분한 양으로 공급되게 한 후, 슬라이딩 복귀시에 피드롤러(132)에 의해 여유 있게 채워진 분말형 소재가 가압되면서 적층공간(S1)에 촘촘히 다져지며 채워지도록 하기 위한 것이다.

이러한 방식으로 피드롤러(132)가 작동제어되는 경우, 피드롤러(132)는 탄성을 갖은 고무나 합성고분자 등으로 제작하는 것이 피드롤러(132)의 원활하고 자연스러운 작동을 위해 바람직하다.

이렇게 촘촘하게 다져진 분말형 소재에 대하여 레이저 소결이 이루어지게 되면, 다져지지 않은 경우보다 전체적으로 소결의 품질, 결합 강도 및 소결의 균일성 등이 유의할 수준으로 향상될 수 있다.

나아가 상술한 바와 같이 적층공간(S1)에 채워진 세라믹분말(CP)에 대한 다짐작용의 구현 내지 강화를 위해 피딩부(130)는, 도 5에 도시된 바와 같이 피드롤러(132)를 가동판(122) 쪽으로 밀착시키며 가압하는 가압부(150)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로 가압부(150)는, 도시된 것처럼 피드롤러(132) 주변에 설치되어 피드롤러(132)가 가동판(122) 쪽으로 밀착되도록 탄성지지하는 기계적 코일스프링(150a)으로 구현될 수 있고, 도시된 바와 달리 전원공급장치(190)로부터 제어전원의 인가에 따라 신장되며 피드롤러(132)를 가동판(122) 쪽으로 밀착시켜 가압하거나 수축되며 피드롤러(132)를 가동판(122)으로부터 이격시키는 전기적 압전소자로 구현될 수도 있다.

회전구동부(138)는, 피드구동부(134)의 선형작동에 대하여 직각인 방향을 축으로 피드롤러(132)를 회전(도 4의 C)시키는 구성요소로서, 회전운동을 발생시키는 모터 등의 회전축을 피드롤러(132)에 직결하거나 소정의 감속기어의 조합을 매개로 피드롤러(132)에 연결함으로써 이루어지게 된다.

이때, 회전구동부(138)의 회전방향은, 분말형 소재의 특성이나 피드구동부(134)의 선형작동방향 등에 따라 다양하게 변경제어될 수 있다.

다만, 수용공간(S2)에서 토출된 분말형 소재가 적층공간(S1)에 보다 원활하고 깔끔하게 이송되고 채워질 수 있도록 하기 위해, 회전구동부(138)는 적층공간(S1) 쪽으로 피드롤러(132)가 슬라이딩하는 경우, 해당 슬라이딩 방향과 가동판(122)과 접하는 피드롤러(132)의 회전방향이 서로 일치하도록 회전 제어될 수 있다.

또한, 피드롤러(132)가 가동판(122)에 대한 저항없이 신속히 이동하며 토출된 분말형 소재가 적층공간(S1)에 채워질 수 있도록 하기 위해, 회전구동부(138)는 피드롤러(132)의 슬라이딩 방향과 가동판(122)과 접하는 쪽 피드롤러(132)의 회전방향이 각각 서로 반대방향을 이루도록 회전 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 인공지지체 제조장치(100)는, 앞서 언급한 바와 같은 각각의 구성들 즉, 레이저부(110), 작업부(120) 및 피딩부(130)와 각각 연결되어 이들을 개별적으로 작동제어하는 제어부(140)를 더 포함할 수 있다.

이러한 제어부(140)는, 도 6에 도시된 바와 같이 레이저부(110), 작업부(120) 및 피딩부(130) 등과 각각 전기적으로 연결된 상태에서 사용자에 의해 코딩된 제어명령에 기초하여 전원공급장치(190)로부터 각 구성에 개별화된 제어전원을 인가함으로써, 레이저발생기(112)를 온/오프하고, 수평구동부(124), 제1,2 수직구동부(126,136), 피드구동부(134)의 위치변위과 이동속도, 회전구동부(138)의 회전속도와 방향 리필장치 등을 각각 제어하게 된다.

또한, 제어부(140)는 상술한 중량센서(139)와 연결된 상태에서 수용공간(S2)에 저장된 분말형 소재의 무게정보를 실시간으로 전송받아 사용자에게 분말형 소재의 보충 내지 리필시기를 시각 또는 청각적으로 제공하는 작동을 수행할 수 있다.

그리고 제어부(140)는, 상술한 압전소자와 연결된 상태에서 피드롤러(132)가 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시에는 압전소자가 수축되도록 제어전원을 인가하여 가동판(122)의 상면으로부터 피드롤러(132)를 미소하게 이격시킬 수 있고, 이후 수용공간(S2) 쪽으로 슬라이딩 복귀시에는 압전소자가 신장되도록 제어전원을 인가하여 가동판(122)의 상면과 피드롤러(132)를 밀착시키는 작동제어를 할 수 있다.

이러한 제어부(140)는 MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 등과 같은 모듈화된 유닛으로 구현되며, 내부에는 메모리가 구비될 수 있다.

메모리는 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래시메모리(Flash Memory) 또는 메모리 카드(Memory Card) 등으로 구현되어 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)의 작동을 위한 운영체제 프로그램과 이에 필요한 데이터 등이 저장될 수 있다.

이때, 필요한 데이터는, 다양한 사용자가 코딩한 각 구성의 제어명령, 각종 처리 정보 등을 포함할 수 있다. 연결된 각 장치를 제어하고 전송받은 데이터 등을 처리 내지 저장하는 제어부(140)의 일련의 과정은, 기계어(machine language, 機械語) 등과 같은 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지게 된다.

이러한 제어부(140)의 구체적인 구현과 제어방법은, 당업자 수준에서 다양한 방식 및 형태로 손쉽게 이루어질 수 있는바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 인공지지체 제조장치(100)를 사용하여 인공지지체를 제조하는 제어과정 즉, 단계별 공정을 도 5 및 도 6을 참조하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 사용자는, 제조하고자 하는 맞춤형 3차원 인공지지체의 형상을 3D제작 프로그램을 통해 모델링하고, 3D 모델링 자료를 기반으로 소정간격의 횡방향 슬라이싱을 통한 층별 이미지를 G-Code로 각각 변환(코딩된 제어명령)하여 제어부(140)에 입력하는 준비단계를 수행한다.(S100)

다음으로, 제어부(140)는, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 토출판(133)을 하방으로 이동시키는 제어작동을 수행한 후, 사용자 또는 자동공급장치가 인공지지체 제조에 사용될 분말형 소재(세라믹분말(CP))를 수용공간(S2) 내에 투입하는 초기세팅단계를 수행한다.(S200)

다음으로, 제어부(140)는 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 슬라이싱된 층별 두께에 대응하는 깊이로 적층판(123)이 하방으로 이동하는 한편, 토출판(133)이 상방 이동하도록 제1,2 수직구동부(126,136)를 각각 작동제어한다.(S310)

그리고 제어부(140)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 제2 수직구동부(136)의 작동으로 가동판(122)의 위로 토출된 분말형 소재(세라믹분말(CP))가 적층공간(S1)에 깔끔하게 이동되어 촘촘하게 다져지며 채워지도록, 피드구동부(134)의 선형운동과 회전구동부(138)의 회전을 각각 작동제어(S320)하여 피딩단계를 완료한다.(S300)

이때, 분말형 소재의 토출량은, 적어도 슬라이싱된 층별 두께에 대응하는 깊이로 각각 하방 이동하는 적층판(123)에 의해 형성되는 적층공간(S1)을 채울 수 있는 양으로 제어된다.

다음으로, 제어부(140)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 레이저발생기(112)를 작동시켜 적층공간(S1)에서 평평하게 채워져 1층을 이루는 분말형 소재(세라믹분말(CP))에 대한 1층 소결작용이 고정된 타겟점(T)에서 이루어지도록 작동제어한다.(S410)

이와 동시에 제어부(140)는 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 x축과 y축으로 상대이동하는 가동판(122)을 통해 슬라이싱된 층별 이미지에 대응하는 2차원 평면형상이 선택적으로 소결되도록 작업부(120)의 수평구동부(124)를 작동제어한다.(S420)

그리고 제어부(140)는 코딩된 제어명령의 순서에 따라 층별 이미지에 대한 소결이 완료되면, 레이저발생기(112)의 작동을 정지시키는 작동제어(S430)하여 층별 소결단계를 완료한다.(S400)

다음으로, 제어부(140)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 다음 층별 이미지에 대응하는 두께로 분말형 소재(세라믹분말(CP))를 적층공간(S1)에 누적해서 채우는 피딩단계(S300)와, 다음 층별 이미지에 대응한 2차원 평면형상을 연속해서 소결하는 소결단계(S400)를 맞춤형 3차원 인공지지체의 형상을 이룰 때까지 각각 반복적으로 수행한다.(S500)

한편, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(140)는, 반복적으로 적층되며 채워지는 분말형 소재(세라믹분말(CP))에 대한 층별 소결작용에 의해 완성된 인공지지체의 반출을 위한 작동제어를 추가적으로 할 수 있다.

이를 위해 제어부(140)는, 제1 수직구동부(126)를 작동제어하여 적층판(123)을 가동판(122)의 상면까지 상승시키는 제어를 하게 된다. 다음으로, 제어부(140)는 적층공간(S1)으로부터 완성된 인공지지체가 이탈될 수 있도록, 피드구동부(134)를 작동제어하여 피드롤러(132)를 가동판(122)의 단부까지 선형이동시키는 제어를 하게 된다.

이러한 제어부(140)의 특별한 제어로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 인공지지체 제조장치(100)는 사용자에 의한 수작업에 의한 도움없이 인공지지체의 완성에서 가동판(122)의 양측 단부에 위치한 수거함(128)으로의 반출까지 일체로 자동화된 작동을 수행하게 된다

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 인공지지체 제조장치(100)와 이를 이용한 제조방법으로 인해, 도 7 에 도시된 바와 같은 복잡한 다공구조를 갖는 다양한 맞춤형 3D 인공지지체가 미소단위로 신속하고 정밀하게 제조될 수 있고, 뼈의 성분인 칼슘(Ca)과 인(P)을 포함한 세라믹분말(CP)을 분말용 소재로 이용함으로써 생체에 보다 적합성 있는 인공지지체의 제조가 이루어질 수 있으며, 전체 장치의 소형화가 가능해져 소규모의 연구실 또는 병원 단위에서의 자유롭고 범용적인 이용이 도모될 수 있다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

T: 타겟점 F: 렌즈 초점
CP: 세라믹분말 S1: 적층공간
S2: 수용공간
100: 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치
102: 바닥프레임 110: 레이저부
112: 레이저발생기 114: 빔확장기
116: 반사경 118: 포커싱렌즈
120: 작업부 122: 가동판
123: 적층판 124: 수평구동부
124a: x축 구동부 124b: y축 구동부
126: 제1 수직구동부 128: 수거함
130: 피딩부 132: 피드롤러
133: 토출판 134: 피드구동부
136: 제2 수직구동부 138: 회전구동부
139: 중량센서 140: 제어부
150: 가압부 150a: 코일스프링

Claims (9)

1. xy평면의 고정된 타겟점에서 레이저 소결작용이 이루어지게 하는 레이저부; xy평면 상을 거동하는 가동판의 상기 타겟점을 포함하는 일영역에서 z축을 따라 하강작동하며 적층공간을 형성하는 적층판이 구비된 3축 구동의 작업부; 및 상기 가동판의 타영역에 형성된 수용공간에서 z축을 따라 상방으로 토출된 인공지지체용 세라믹분말이 상기 적층공간에 채워지도록, 회전하며 상기 적층공간으로 선형작동하는 피드롤러가 구비된 3축 구동의 피딩부를 포함하여,
   반복적으로 적층되는 세라믹분말에 대하여 레이저 소결작용이 연속적으로 이루어지도록 구성되고,
   상기 작업부는,
   상기 가동판이 x축 및 y축 방향으로 연동된 선형작동을 하도록, 바닥프레임과 상기 가동판 사이에 설치되는 2축 구동의 수평구동부; 상기 수평구동부에 결합되어 xy평면 상을 거동하고, 상기 수용공간과 적층공간이 각각 나란하게 상하방향으로 관통형성된 상기 가동판; 및 상기 적층공간에 삽입설치된 상기 적층판을 z축을 따라 승강시키는 제1 수직구동부를 포함하고,
   상기 피딩부는,
   상기 수용공간 내의 세라믹분말을 지지하도록 삽입설치된 토출판을 z축을 따라 승강시키는 제2 수직구동부; 상기 수평구동부와 가동판 사이에 설치되어 상기 수용공간과 적층공간 사이를 왕복하며 선형작동을 하는 피드구동부; 상기 가동판의 상면과 접한 상태로 상기 피드구동부에 결합되어 상기 수용공간에서 토출된 세라믹분말을 상기 적층공간으로 이동시키고, 일정한 두께로 채우는 원통형의 상기 피드롤러; 및 상기 피드구동부의 선형작동에 대하여 직각인 방향을 축으로 상기 피드롤러를 회전시키는 회전구동부를 포함하고,
   상기 피딩부는,
   상기 적층공간에 채워진 세라믹분말에 대한 다짐작용이 이루어지도록, 상기 피드롤러를 상기 가동판 쪽으로 밀착시키며 가압하는 가압부를 더 포함하되,
   상기 피드롤러가 상기 적층공간 쪽으로 슬라이딩하는 경우, 상기 가동판과 접하는 상기 피드롤러의 회전방향과 해당 슬라이딩 방향이 서로 일치하도록, 상기 회전구동부의 회전을 제어하는 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 세라믹분말은,
   생체 적합성이 있는 인산칼슘계 세라믹(CaP based ceramics) 분말인 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치는,
   상기 레이저부, 상기 작업부 및 상기 피딩부와 각각 연결되어 이들을 개별적으로 작동제어하는 제어부를 더 포함하되,
   상기 제어부는,
   반복적으로 적층되며 채워지는 세라믹분말에 대한 층별 소결작용에 의해 완성된 인공지지체의 반출을 위해 상기 제1 수직구동부를 작동제어하여 상기 적층판을 상기 가동판의 상면까지 상승시키고, 상기 적층공간으로부터 완성된 인공지지체의 이탈을 위해 상기 피드구동부를 작동제어하여 상기 피드롤러를 상기 가동판의 단부까지 선형이동시키는 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 레이저부는,
   이산화탄소를 매질로 레이저빔을 생성하여 방사하는 레이저발생기;
   레이저빔의 방출구에서 빔 사이즈를 조절하는 빔확장기;
   상기 빔확장기를 통과한 레이저빔을 상기 타겟점을 향한 방향으로 전환하는 반사경; 및
   방향 전환된 레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 초점 상에 수렴시키는 포커싱렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 가압부는,
   상기 피드롤러 주변에 설치되어,
   상기 피드롤러가 상기 가동판 쪽으로 밀착되도록 탄성지지하는 기계적 코일스프링이거나, 제어전원의 인가에 따라 신장되며 상기 피드롤러를 상기 가동판 쪽으로 밀착시키는 전기적 압전소자인 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 피딩부는,
   상기 수용공간 내에 수용된 세라믹분말의 무게를 측정할 수 있도록, 상기 토출판 일측에 구비되는 중량센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치.

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