KR102239029B1 - 3D printer and 3D model printing method based on material extrusion type - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재료 압출 방식의 3D 프린터에 있어서, 필라멘트 원재료를 용융시키고 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 전체 혼합 소재에서 혼합되는 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 혼합소재 필라멘트 재료들; 상기 혼합소재 필라멘트 재료들을 수용하는 재료 스풀; 상기 혼합소재 필라멘트 재료들 중 하나 이상이 선택적으로 용융된 용융물을 토출된 것이 뭉쳐서 형성되는 3D 모델을 지지하는 출력판; 상기 재료 스풀에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 공급받으며 하나 이상이 선택적으로 구동하여 자신에게 공급된 필라멘트 재료를 용융하여 토출하는 노즐들; 상기 재료 스풀에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 상기 노즐들 각각으로 공급하는 압출기들; 상기 노즐의 위치를 가변하는 XYZ축 구동부;를 구비하며, 상기 노즐들 및 상기 압출기들은 상기 3D 모델을 형성하기 위해 선택된 하나 이상의 노즐 및 압출기만 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터를 제공한다.In the present invention, in the 3D printer of the material extrusion method, the filament raw material is melted, the metal nanoparticles are mixed with the molten filament raw material in a predetermined ratio, and the mixing ratio of the metal nanoparticles mixed in the whole mixed material is adjusted to X Mixed filament materials manufactured to adjust the absorbance of the ray, and the absorbance of the adjusted X-ray is set according to the absorption of each part of the human body; A material spool for receiving the mixed material filament materials; An output plate for supporting a 3D model formed by agglomerating the melted material in which at least one of the mixed filament materials is selectively melted; Nozzles receiving each of the filament materials accommodated in the material spool and selectively driving at least one to melt and discharge the filament material supplied thereto; Extruders for supplying each of the filament materials contained in the material spool to each of the nozzles; An XYZ-axis driving unit for varying the position of the nozzle, wherein the nozzles and the extruders selectively drive only one or more nozzles and extruders selected to form the 3D model. Provides.
Description
본 발명은 3D 프린팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노입자를 혼합하여 생성한 필라멘트 재료로 3D 프린팅을 이행하는 재료 압출 방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a 3D printing technology, and more particularly, to a 3D printer of a material extrusion method and a 3D model printing method for performing 3D printing with a filament material produced by mixing metal nanoparticles to have a difference in radiation attenuation rate. About.
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. 3D printing technology is currently being used in a variety of ways in the medical field to produce human body models for simulation of surgery, model production for education of medical staff and medical students, production of surgical guides and surgical tools to aid surgery, and production of direct treatment products.
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. In particular, 3D printing technology is widely used in the production of human body models for the purpose of planning and practicing difficult surgery in advance, and for the production of models for education and practice by reflecting medically meaningful cases by reproducing actual cases rather than simple standard models. There is a trend.
도 1은 3D 프린팅으로 제작된 인체 장치의 모형을 예시한 것으로 인체 조직의 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. 1 is an illustration of a model of a human body device manufactured by 3D printing, which is excellent as a means for visualizing the external shape of a human tissue or reflecting a color, and precise visualization of individual disease cases is possible. However, in radiography or MRI imaging, there is a problem that it is difficult to use it as a simulation or practice model because there is little change in contrast for each tissue due to uniform material properties.
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. As described above, the current 3D printing materials and equipment technologies simulate the external shape of each tissue or part of the human body, or manufacture it by dividing the color by tissue to improve visibility, or to determine the physical properties (softness, hardness) for each tissue. It could be expressed differently.
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. However, there is little difference in the attenuation rate characteristics per unit volume for radiation such as X-rays because there is little difference in the average atomic weight or density of materials that can be used in one 3D printer. Other than that, there was a limit in which the contrast due to the difference in the attenuation rate characteristics of each tissue was not effective. Accordingly, it was difficult to be used as a model for simulation or practice in the medical imaging field that needs to reflect the characteristics of attenuation rate for each human body tissue.
또한, 자기 공명 방식을 이용하는 MRI 의료영상의 교육이나 시뮬레이션 모형으로도 활용도 어려운 상황이었다. In addition, it was difficult to use it as a simulation model or education for MRI medical images using magnetic resonance methods.
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. 2 and 3 illustrate a conventional human body model. 2 is an illustration of a standard human body model, and is manufactured only in a standardized uniform model form, not reflecting the case of a specific patient or special condition, and is manufactured in a conventional manner such as injection or molding method. 3 is an illustration of a medical imaging image of a standard human body model, and since the contrast for each tissue was not clear, it was difficult to divide the tissue in detail.
이에 종래에는 인체의 주요 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있는 3D 프린팅 기술의 개발이 절실하게 요망되었다. Accordingly, there has been an urgent need to develop a 3D printing technology that can simulate the difference in radiation attenuation rates for each major tissue of the human body.
게다가, 인체 모형의 제작에 있어서 재료압출 방식의 3D 프린터를 사용하는 경우 인체의 주요 조직별 방사선 감쇠율과 유사하게 필요한 조직의 종류별로 필라멘트 소재를 제조하여 인체 모형 제작에 활용할 필요가 있다.In addition, in the case of using a 3D printer of the material extrusion method in the manufacture of a human body model, it is necessary to manufacture a filament material for each type of tissue required similar to the radiation attenuation rate for each major tissue of the human body and use it for the production of the human body model.
본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 필라멘트 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention implements 3D printing using filament materials mixed with metal nanoparticles to have a difference in radiation attenuation rate, thereby simulating the difference in radiation attenuation rate for each tissue of the human body, a 3D printer and a 3D model of a material extrusion method. It aims to provide a printing method.
이를 위해, 본 발명은 재료 압출 방식의 3D 프린터에 있어서, 필라멘트 원재료를 용융시키고 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 전체 혼합 소재에서 혼합되는 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 혼합소재 필라멘트 재료들; 상기 혼합소재 필라멘트 재료들을 수용하는 재료 스풀; 상기 혼합소재 필라멘트 재료들 중 하나 이상이 선택적으로 용융된 용융물을 토출된 것이 뭉쳐서 형성되는 3D 모델을 지지하는 출력판; 상기 재료 스풀에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 공급받으며 하나 이상이 선택적으로 구동하여 자신에게 공급된 필라멘트 재료를 용융하여 토출하는 노즐들; 상기 재료 스풀에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 상기 노즐들 각각으로 공급하는 압출기들; 상기 노즐의 위치를 가변하는 XYZ축 구동부;를 구비하며, 상기 노즐들 및 상기 압출기들은 상기 3D 모델을 형성하기 위해 선택된 하나 이상의 노즐 및 압출기만 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터를 제공한다.To this end, in the 3D printer of the material extrusion method, the present invention melts the filament raw material, mixes the metal nanoparticles with the molten filament raw material in a predetermined ratio, and determines the mixing ratio of the metal nanoparticles mixed in the whole mixed material. Mixed filament materials manufactured so that the absorption of X-rays is adjusted by adjusting the absorption of X-rays, and the absorption of the adjusted X-rays is set according to the absorption of each part of the human body; A material spool for receiving the mixed material filament materials; An output plate for supporting a 3D model formed by agglomerating the melted material in which at least one of the mixed filament materials is selectively melted; Nozzles receiving each of the filament materials contained in the material spool and selectively driving at least one to melt and discharge the filament material supplied to the filament material; Extruders for supplying each of the filament materials contained in the material spool to each of the nozzles; An XYZ-axis driving unit for varying the position of the nozzle, wherein the nozzles and the extruders selectively drive only one or more nozzles and extruders selected to form the 3D model. Provides.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법에 있어서, 압출기들 중 3D 모델 형성을 위해 선택된 하나 이상의 압출기가 필라멘트 원재료를 용융시키고 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 전체 혼합 소재에서 혼합되는 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 혼합소재 필라멘트 재료들 중 하나 이상의 필라멘트 재료들을 하나 이상의 노즐로 공급하는 단계; XYZ축 구동부가 3D 모델 형성을 위한 위치로 노즐들의 XYZ 위치를 가변하는 단계; 상기 노즐들 중 상기 3D 모델 형성을 위해 선택된 하나 이상의 노즐이 상기 하나 이상의 필라멘트 재료들을 공급받아 용융하여 출력판에 토출하여 3D 모델을 프린트하는 단계;를 포함하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, in a 3D model printing method of a material extrusion method, one or more extruders selected to form a 3D model among extruders melt the raw material of the filament, and metal nanoparticles are added to the raw material of the molten filament at a predetermined ratio. Mixed material filament manufactured so that the absorption of X-rays is adjusted by mixing and adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles mixed in the whole mixed material, and the adjusted absorption of X-rays is set according to the absorption of each part of the human body Supplying one or more filament materials of the materials to one or more nozzles; Varying the XYZ positions of the nozzles to a position for forming a 3D model by the XYZ axis driving unit; Providing a material extrusion method 3D model printing method comprising: one or more nozzles selected for forming the 3D model among the nozzles receiving and melting the one or more filament materials and discharging them to an output plate to print a 3D model; do.
여기서, 상기 혼합 소재 필라멘트 재료들은, TPU, 아크릴계 폴리머, 나일론계 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 필라멘트 원재료 및 금속 나노입자가 소정 비율로 혼합되어 제조됨을 특징으로 한다.Here, the mixed filament materials are characterized in that the filament raw material including at least one of TPU, acrylic polymer, and nylon polymer and metal nanoparticles are mixed in a predetermined ratio.
또한, 상기 금속 나노입자는 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 중 어느 하나의 나노입자임을 특징으로 한다.In addition, the metal nanoparticles are characterized in that they are any one of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide.
또한, 상기 TPU 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합소재의 전체중량에서 상기 산화철 또는 황산바륨 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.5 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,In addition, in the case of the TPU filament raw material, the iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 0.5% by weight or less in the case of an enlarged lung, and 4 in the case of contracted lungs and muscles. Mixing in a range of not less than 16% by weight and not more than 16% by weight,
상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.009 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.087 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 한다.In the total weight of the mixed material, the tungsten trioxide nanoparticles are mixed in the range of 0.009% by weight or less in the case of expanded lungs, and in the range of 0.087% by weight or more and 0.31% by weight or less in the case of contracted lungs and muscles. It is characterized by that.
또한, 상기 아크릴계 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합소재의 전체중량에서 상기 산화철 또는 황산바륨 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 1.0 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 5 중량% 이상 17 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,In addition, in the case of the acrylic filament raw material, the iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 1.0% by weight or less in the case of an enlarged lung, and 5 in the case of contracted lungs and muscles. Mixing in the range of not less than 17% by weight and not more than 17% by weight,
상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.021 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.1 중량% 이상 0.32 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 한다.In the total weight of the mixed material, the tungsten trioxide nanoparticles are mixed in the range of 0.021% by weight or less in the case of the expanded lung, and in the range of 0.1% by weight or more and 0.32% by weight or less in the case of contracted lungs and muscles. It is characterized by that.
또한, 상기 나일론계 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.03 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.11 중량% 이상 0.33 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the case of the nylon-based filament raw material, the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 0.03% by weight or less in the case of an expanded lung, and 0.11 by weight in the case of contracted lungs and muscles. % Or more and 0.33% by weight or less.
상기한 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노입자가 혼합된 필라멘트 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다. The present invention described above makes it possible to simulate a difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body by performing 3D printing using filament materials mixed with metal nanoparticles so as to have a difference in radiation attenuation rate.
이러한 본 발명은 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사하여 인체 모형의 의료영상 촬영시에 조직별 대조가 뚜렷하게 드러나게 하여 조직의 세밀한 구분을 가능하게 할 수 있다.The present invention mimics the difference in radiation attenuation rate for each tissue of the human body so that the contrast for each tissue is clearly revealed when taking a medical image of a human body model, thereby enabling detailed classification of tissues.
이를 통해, 방사선 의료영상장비 실습용 표준모형이 아닌 실제 병증 모델을 재현한 모형으로 제작가능하고, 수술 시뮬레이션용 모델(C-ARM 시술 등) 제작가능하며, 방사선 치료시 선량 제어 등에 활용 가능한 장점이 있다.Through this, it is possible to produce a model that reproduces an actual disease model rather than a standard model for practicing radiological medical imaging equipment, and it is possible to produce a model for a surgical simulation (C-ARM procedure, etc.), and it has advantages that can be used for dose control during radiation treatment. .
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 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 재료 제조 과정을 예시한 도면.
도 5는 도 4의 3D프린터용 필라멘트 재료 제조 과정을 보다 자세히 나타낸 것으로, 기존 필라멘트 원소재에 금속 나노입자를 혼합해서 새로운 소재를 제조하는 과정을 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 재료를 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 재료의 구조를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따르는 3D 프린터용 필라멘트 재료의 X선 감쇠 또는 투과 과정을 예시한 도면.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따르는 3D 프린터용 필라멘트 재료의 X선 감쇠량을 예시한 도면.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료 압출 방식의 3D 프린터의 구성도.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료 압출 방식의 3D 프린터로 인체 모형을 제작하는 과정을 예시한 도면.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작한 인체 모형에 대한 X선 영상이 예상도를 예시한 도면.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료 압출 방식의 3D 프린터로 제작한 선량 조절용 가이드의 특성을 예시한 도면. 1 is a diagram illustrating a human body model produced by 3D printing.
2 is a diagram illustrating a conventional human body model.
3 is a diagram illustrating a medical imaging image of a conventional standard human body model.
4 is a view illustrating a process of manufacturing a filament material for a 3D printer according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a view illustrating the process of manufacturing a filament material for a 3D printer of FIG. 4 in more detail, and illustrating a process of manufacturing a new material by mixing metal nanoparticles with an existing filament raw material.
6 is a view illustrating a filament material for a 3D printer according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a view showing the structure of a filament material for a 3D printer according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 8 is a view illustrating the X-ray attenuation or transmission process of the filament material for a 3D printer according to the present invention.
9 and 10 are views illustrating an X-ray attenuation amount of a filament material for a 3D printer according to the present invention.
11 is a block diagram of a 3D printer of a material extrusion method according to a preferred embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating a process of manufacturing a human body model with a 3D printer of a material extrusion method according to a preferred embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating an expected view of an X-ray image of a human body model produced according to a preferred embodiment of the present invention.
14 is a view illustrating the characteristics of a guide for controlling dose produced by a 3D printer of a material extrusion method according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 필라멘트를 제조하여 상기 필라멘트를 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다. The present invention makes it possible to simulate a difference in radiation attenuation rate for each tissue of the human body by fabricating a filament in which metal nanoparticles are mixed to have a difference in radiation attenuation rate, and performing 3D printing using the filament.
이러한 본 발명은 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사하여 인체 모형의 의료영상 촬영시에 조직별 대조가 뚜렷하게 드러나게 하여 조직의 세밀한 구분을 가능하게 한다. The present invention simulates the difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body so that the contrast for each tissue is clearly revealed when taking a medical image of a human body model, thereby enabling detailed classification of the tissue.
표 1은 인체의 조직별 질량밀도, 흡수계수 A 및 그에 따른 X선 에너지 흡수량(감쇠량)의 특성을 나타낸 것이다.Table 1 shows the characteristics of the mass density, absorption coefficient A, and the amount of X-ray energy absorption (attenuation) for each tissue of the human body.
(kg/m3)Mass Density
(kg/m3)
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=I0 ·exp(-A·T), 여기서 I: 투과된 에너지량을 말하고, I0: 입사 에너지량을 말한다.Since the mass density of an actual substance differs according to its composition, it is necessary to calculate the actual absorption by considering the inherent mass density without considering the inherent absorption coefficient of the substance. Accordingly, the obtained value is divided by the mass density to estimate the transmittance per unit area after the final attenuation. For example, P=I/Density, I=I 0 exp(-A·T), where I: refers to the amount of transmitted energy, and I 0 : refers to the amount of incident energy.
따라서, 투과된 총 에너지량을 주요 물질별로 계산한 후, 공기를 기준으로 상대적인 수치로 에너지 X-선 에너지 흡수도를 에너지 흡수도X로 정의한다.Therefore, after calculating the total amount of transmitted energy for each major substance, energy X-ray energy absorption is defined as energy absorption X as a value relative to air.
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. Referring to Table 1, in the case of a human tissue, in addition to the difference in the average atomic weight according to the molecular combination of each tissue, the mass density per unit volume of the tissue is different for each tissue, and the X-ray absorption is also different for each tissue. Also, the degree of energy absorption may vary depending on the detailed tissue of the soft tissue. This is because when there are voids inside the tissue, there are also parts filled with blood or body fluids, so even though the average atomic number is similar, the difference in the actual absorption of X-rays may be large.
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. For example, in X-ray absorption, muscle 1302, fat 1088, lung 1263, and bone 2806 correspond to, among human tissues, bone has the highest X-ray absorption rate and differs by tissue in the order of muscle, lung, and fat. . In addition, this X-ray absorbance is called HU Value (houns field unit value) in medical images such as CT, and is quantified and utilized.
한편, 일반적인 재료 압출 방식 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.On the other hand, materials used for general material extrusion type 3D printers are always uniform in density, except when outputting in a special lattice structure, so there is little variation according to the material density. In the case of a human body model produced by 3D printing, There is no significant variation in the rate of absorption of X-ray energy (attenuation rate) for each tissue.
이에 본 발명은 재료 압출(ME; material extrusion) 방식의 3D 프린터에 사용하는 필라멘트 재료에 금속 나노입자를 포함시켜, 방사선 감쇠율에 차등성을 가지는 3D 프린팅을 이행할 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. Accordingly, the present invention makes it possible to perform 3D printing having a difference in radiation attenuation rate by including metal nanoparticles in a filament material used in a material extrusion (ME) type 3D printer. The present invention simulates the difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body so that the contrast for each tissue is clearly revealed when taking a medical image of a human body model, thereby enabling detailed classification of the tissue.
<필라멘트 재료 제조과정><Filament material manufacturing process>
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 3D 프린터용 필라멘트 재료 제조과정을 예시한 것으로, 상기 도 4 및 도 5를 참조하여 필라멘트 재료 제조과정을 설명한다. 4 and 5 illustrate a process of manufacturing a filament material for a 3D printer according to a preferred embodiment of the present invention, and a process of manufacturing the filament material will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
먼저, ABS, PLA, TPU(Thermo Plastic Polyurethane), 나일론 계열 폴리머, PET, 아크릴 계열 폴리머, 실리콘 등의 필라멘트 원재료를 용융시킨다. 이후, 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속 나노입자(nano-particle)들을 일정한 비율로 혼합하고 상기 필라멘트 원재료 내에 금속 나노입자들이 일정한 농도로 고르게 분포되도록 배합한다. 가령, 상기 금속 나노입자로는 산화철(Fe3O4), 황산바륨(BaSO4), 삼산화텡스텐(WO3) 나노입자 등이 바람직하며, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 높일수록 X선의 감쇠율도 높아지므로 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 감쇠율을 조절할 수 있다.First, filament raw materials such as ABS, PLA, TPU (Thermo Plastic Polyurethane), nylon polymer, PET, acrylic polymer, and silicone are melted. Thereafter, the molten filament raw material is mixed with metal nanoparticles at a certain ratio, and the metal nanoparticles are evenly distributed at a certain concentration in the filament raw material. For example, as the metal nanoparticles, iron oxide (Fe 3 O 4 ), barium sulfate (BaSO 4 ), tungsten trioxide (WO 3 ) nanoparticles, etc. are preferable. As the mixing ratio of the metal nanoparticles increases, the attenuation rate of X-rays Also, the attenuation rate of X-rays can be adjusted by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles.
좀 더 설명하면, 두 종류 이상의 원소를 함유한 물질의 질량 흡수계수 산정법은 수학식 1과 같으며, 이러한 수학식 1에 따라 아크릴 계열 폴리머, 나일론 계열 폴리머, TPU 등의 3D 프린팅 원재료에 비해 훨씬 높은 원자량을 가진 금속 나노입자를 혼합할 경우 그 혼합비에 따라서 X선의 흡수계수(감쇠율)의 변화를 줄 수 있다.To explain more, the method of calculating the mass absorption coefficient of a material containing two or more kinds of elements is the same as Equation 1, and according to Equation 1, it is much more than 3D printing raw materials such as acrylic polymer, nylon polymer, TPU, etc. When metal nanoparticles having a high atomic weight are mixed, the absorption coefficient (attenuation rate) of X-rays can be changed according to the mixing ratio.
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.Referring to Equation 1 below, the absorption coefficient (μ/ρ) of a mixed material containing two or more kinds of elements is equal to the sum of the product of the absorption coefficient and the mass of each mixture divided by the total mass.
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.Therefore, since the mass density is different according to the composition of the actual material, it is necessary to calculate the energy absorption degree of the mixture by reflecting this, and when calculating the final energy absorption degree of the actual object multiplied by the mass density, it can be calculated as follows.
A = (A1 x w1 + A2 * w2) / (w1 + w2) A = (A1 x w1 + A2 * w2) / (w1 + w2)
(여기서 A1, A2는 각 소재의 에너지 흡수율, w1, w2는 각 소재의 질량) (Where A1, A2 are the energy absorption rates of each material, w1, w2 are the mass of each material)
표 1에서와 같이, 연부조직(피부/근육 등)의 평균 에너지 흡수는 1302, 뼈의 에너지 흡수는 2806, 지방의 에너지 흡수는 1088 등으로 제시되고 있으므로, 가령, 금속나노입자로 Fe3O4(산화철)를 적용한다고 하면, 나노파티클의 에너지 흡수치는 15651로 추정된다. As shown in Table 1, the mean energy absorbed in the soft tissue (skin / muscle, etc.) 1302, since the energy absorption of the bone 2806, the energy absorption of the fat is present as such as 1088, for example, Fe 3 O as the metal nanoparticles 4 If (iron oxide) is applied, the energy absorption value of the nanoparticles is estimated to be 15651.
또한, 표 2는 산화철 나노입자 이외에 나일론 계열 폴리머, 아크릴 계열 폴리머, TPU, 황산바륨 나노입자, 삼산화 텡스텐 나노입자 등을 적용한 경우에, 에너지 흡수치(공기대비 상대흡수도)는 각각, 237, 309, 407, 15674, 782707로 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).In addition, Table 2 shows that in the case of applying nylon-based polymers, acrylic-based polymers, TPU, barium sulfate nanoparticles, tungsten trioxide nanoparticles, etc., in addition to iron oxide nanoparticles, energy absorption values (relative absorption to air) are respectively, 237, It is estimated to be 309, 407, 15674, and 782707. This can be seen through example data of mass absorption coefficients for each major substance on the NIST site, and can be confirmed through the following link (https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html, https:// physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab4.html).
먼저, TPU, 아크릴계 폴리머, 나일론계 폴리머 등의 필라멘트 원재료를 용융시킨다. 이후 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속 나노입자(nano-particle)로서, 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 등의 나노 분말을 일정한 비율로 혼합하고, 상기 필라멘트 원재료 내에 상기 금속 나노입자들이 일정한 농도로 고르게 분포되도록 교반기로 잘 저어준다. First, filament raw materials such as TPU, acrylic polymer, and nylon polymer are melted. Thereafter, as metal nanoparticles, nano-particles such as iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide are mixed in the molten filament raw material at a certain ratio, and the metal nanoparticles are evenly distributed at a constant concentration in the filament raw material. Stir well with a stirrer.
아래 표 3 내지 표 9에서 나타낸 바와 같이, 산화철, 황산바륨, 삼산화텡스텐의 혼합비율을 높일수록 X선 흡수도가 증가함을 확인할 수 있고, 이처럼 금속나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선 흡수도를 조절할 수 있다. As shown in Tables 3 to 9 below, it can be seen that X-ray absorption increases as the mixing ratio of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide increases. The degree can be adjusted.
조성비(%)Fe 3 O 4 (15,651)
Composition ratio (%)
조성비(%) BaSO 4 (15,674)
Composition ratio (%)
조성비(%)WO 3 (782,707)
Composition ratio (%)
조성비(%)Fe 3 O 4 (15,651)
Composition ratio (%)
조성비(%) BaSO 4 (15,674)
Composition ratio (%)
조성비(%)WO 3 (782,707)
Composition ratio (%)
조성비(%)WO 3 (782,707)
Composition ratio (%)
표 3 내지 표 9에서, 예시로 든 경우는 각각 지방(1088), 뼈(2806)의 에너지 흡수치에 근사한 것을 알 수 있다.In Tables 3 to 9, it can be seen that the energy absorption values of the fat 1088 and bone 2806 are respectively approximated in the case of an example.
가령, TPU 필라멘트 원재료인 경우에, 표 3에서, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 산화철 나노입자의 조성비는 0.44 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 4.47 중량% 이상 15.7 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.For example, in the case of the TPU filament raw material, in Table 3, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of iron oxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.44% by weight or less, and the contracted lung 1263 And in the case of the muscle 1303, it is possible to obtain an approximate value to the energy absorption value by mixing in the range of 4.47% by weight or more and 15.7% by weight or less.
또한, 표 4에서, TPU 필라멘트 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.44 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 4.46 중량% 이상 15.7 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 4, in the case of the TPU filament raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.44% by weight or less, and the contracted lung 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 4.46% by weight or more and 15.7% by weight or less to obtain an approximate value for energy absorption.
또한, 표 5에서, TPU 필라멘트 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.009 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 0.087 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 5, in the case of the TPU filament raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.009% by weight or less, and the contracted lung 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 0.087% by weight or more and 0.31% by weight or less to obtain an approximate value for energy absorption.
한편, 아크릴계 필라멘트 원재료에 적용하면, 표 6에서, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 산화철 나노입자의 조성비는 1.08 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 5.08 중량% 이상 16.3 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.On the other hand, when applied to the acrylic filament raw material, in Table 6, in the case of the expanded waste 474, the composition ratio of the iron oxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 1.08% by weight or less, and the shrunk waste 1263 And in the case of the muscle 1303, it is possible to obtain an approximate value to the energy absorption value by mixing in the range of 5.08% by weight or more and 16.3% by weight or less.
또한, 표 7에서, 아크릴계 필라멘트 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 황산바륨 나노입자의 조성비는 1.08 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 5.07 중량% 이상 16.25 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 7, in the case of the acrylic filament raw material, in the case of the expanded waste 474, the composition ratio of the barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 1.08% by weight or less, and the shrunk waste 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 5.07% by weight or more and 16.25% by weight or less to obtain an approximate value for energy absorption.
또한, 표 8에서, 아크릴계 필라멘트 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.021 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 0.1 중량% 이상 0.32 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 8, in the case of the acrylic filament raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.021% by weight or less, and the contracted lung 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 0.1 wt% or more and 0.32 wt% or less to obtain an approximate value of energy absorption.
한편, 나일론계 필라멘트 원재료인 경우에, 표 9에서 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.03 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 0.11 중량% 이상 0.33 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.On the other hand, in the case of the nylon-based filament raw material, in the case of the expanded lung 474 in Table 9, the composition ratio of the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.03% by weight or less, and the contracted lung 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 0.11% by weight or more and 0.33% by weight or less to obtain an approximate value for energy absorption.
이에 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.Accordingly, in consideration of the X-ray absorption rate for each tissue (part) of the 3D human body model to be produced, 3D printing can be performed by applying different filament materials to be used according to each part or tissue-specific model. Therefore, basically, the mixing ratio of the metal nanoparticle-mixed polymer is such that its energy absorption is at a level similar to that of bone (2806) among the tissues of the human body. I can.
가령, 산화철 나노입자(분자량 33.08)는 이미 인체에 무해한 물질로서 다양하게 이용되고 있으며 가격 또한 상대적으로 낮은 물질로서 많이 활용되고 있다. 그 외 더 높은 평균 원자량을 가지는 금속 나노입자들, 가령, 요오드(분자량 53), 바륨(분자량 56), 텅스텐 등을 적용하였다. For example, iron oxide nanoparticles (molecular weight 33.08) are already widely used as materials that are harmless to the human body and are widely used as materials with relatively low cost. In addition, metal nanoparticles having a higher average atomic weight, such as iodine (molecular weight 53), barium (molecular weight 56), and tungsten, were applied.
그 결과, TPU와 아크릴계 필라멘트 원재료에 적용한 경우에, 산화철과 황산바륨은 거의 유사한 에너지 흡수율 패턴을 보여주고 있다. 반면에, 삼산화텅스텐의 나노분말은 산화철과 황산바륨에 비교하여 극히 소량의 첨가비로도 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있어, 삼산화텅스텐의 나노입자의 경우 방사선 흡수도가 매우 높아 매우 유용함을 확인할 수 있다.As a result, when applied to TPU and acrylic filament raw materials, iron oxide and barium sulfate show almost similar energy absorption patterns. On the other hand, compared to iron oxide and barium sulfate, the nanopowder of tungsten trioxide can approximate the energy absorption value even with a very small amount of addition, so it can be confirmed that the tungsten trioxide nanoparticles have a very high radiation absorption and are very useful. have.
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.In addition, in the present invention, the case of using the mixture ratio in a range for simulating human tissue is given as an example, and when the desired absorption rate is higher, the composition ratio of the metal nanoparticles may be made higher.
본 발명은 전술한 바와 같이, 금속 나노입자가 원재료 내에 고르게 분포된 혼합물을 와이어 형태로 압출 및 인발을 이행하여 낚시줄과 비슷한 형태의 필라멘트 재료를 생성한다. 여기서 낚시줄과 비슷한 와이어 형태의 필라멘트 재료를 예시한 것이 도 6이다. 그리고 금속 나노입자를 포함한 필라멘트 재료의 구조를 도시한 것이 도 7이다. 상기한 금속 나노입자들은 수 nm에서 수백 nm의 매우 미세한 크기를 가지는 입자로서, 실제로는 육안으로 그 알갱이의 크기를 구분할 수 없는 수준의 초미세 금속 입자들이 필라멘트 재료내에 분포한다.As described above, the present invention produces a filament material having a shape similar to a fishing line by extruding and drawing a mixture in which metal nanoparticles are evenly distributed in a raw material in the form of a wire. Here, Figure 6 illustrates a filament material in the form of a wire similar to that of a fishing line. And Fig. 7 shows the structure of a filament material including metal nanoparticles. The metal nanoparticles described above are particles having a very fine size of several to hundreds of nm, and in reality, ultrafine metal particles of a level in which the size of the grains cannot be distinguished by the naked eye are distributed in the filament material.
도 8은 본 발명에 따르는 3D 프린터용 필라멘트 재료의 X선 감쇠 또는 투과 과정을 예시한 것으로, 상기 필라멘트 재료 내부에 존재하는 금속 나노입자로 인해서 X선을 조사할 경우에는 일반적인 필라멘트 재료에 비해서 더 높은 X선 감쇠율을 가진다. 8 illustrates the X-ray attenuation or transmission process of the filament material for a 3D printer according to the present invention. When X-rays are irradiated due to the metal nanoparticles present inside the filament material, it is higher than that of the general filament material. It has an X-ray attenuation rate.
도 9는 금속 나노입자의 혼합비율에 따른 X선 감쇠량의 차이를 예시한 것으로, 상기 필라멘트 원재료 내에 혼합하는 금속 나노입자의 혼합 비율, 상대적인 농도에 따라서 X선의 감쇠율이 더 높거나 낮은 필라멘트 재료를 제조할 수 있으며 이는 본 발명에 의해 당업자에게 자명하다. 9 illustrates the difference in the amount of X-ray attenuation according to the mixing ratio of the metal nanoparticles, and a filament material having a higher or lower attenuation rate of X-rays is prepared according to the mixing ratio and relative concentration of the metal nanoparticles mixed in the filament raw material. This can be done, which is obvious to a person skilled in the art by the present invention.
도 10은 금속 나노입자의 혼합 비율과 두께에 따른 X선 감쇠량 차이를 예시한 것으로, 동일한 농도의 금속 나노입자를 포함하는 필라멘트 재료로 형상물을 출력하더라도 그 두께가 두꺼워질수록 X선 감쇠율이 더 높아지며, 동일한 두께를 가지는 형상물이라도 금속 나노입자의 혼합 비율이 높을수록 X선의 감쇠율은 더 높다. FIG. 10 illustrates the difference in X-ray attenuation according to the mixing ratio and thickness of metal nanoparticles. Even if a shape is output with a filament material containing metal nanoparticles of the same concentration, the larger the thickness, the higher the X-ray attenuation rate. In addition, even for shapes having the same thickness, the higher the mixing ratio of the metal nanoparticles, the higher the attenuation rate of X-rays.
상기한 방식에 따라 금속 나노입자의 배합 비율을 단계적으로 조절한 필라멘트 재료들을 이용하여, 본 발명은 인체 조직별로 서로 다른 X선의 에너지 흡수율 또는 감쇠율을 모사할 수 있게 한다. By using filament materials in which the blending ratio of metal nanoparticles is gradually adjusted according to the above method, the present invention makes it possible to simulate different energy absorption rates or attenuation rates of X-rays for different human tissues.
이와 같은 필라멘트를 활용하여 인체 조직별로 서로 다른 금속 나노입자 농도 또는 배합 비율을 가지는 필라멘트 재료로 3D 프린팅 제작을 하면 인체 조직의 외형적인 형태만 모사하는 것에 지나지 않고 의료영상 장비에서 촬영할 경우에도 더욱 인체와 유사한 영상의 대조비를 가지는 인체 모형을 제작할 수 있다. When 3D printing is made with filament materials having different concentrations or mixing ratios of metal nanoparticles for each human tissue by using such filaments, it is only to simulate the external shape of the human tissue. A human body model with a contrast ratio of similar images can be produced.
<재료 압출 방식의 3D 프린터><Material extrusion method 3D printer>
이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 필라멘트로 3D 프린팅을 이행하는 3D 프린터의 구성을 도 11을 참조하여 설명한다. A configuration of a 3D printer performing 3D printing with a filament according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11.
상기 재료 압출 방식의 3D 프린터는 재료 스풀(100)과, 압출기들(102)과, XYZ축 구동부(104)와, 노즐들(106)과, 출력판(108)과, 모터 및 구동부(110)와, 조형판 히터(112)와, 형상제어베드(114)로 구성된다. The material extrusion type 3D printer includes a
상기 필라멘트 재료들은 금속 나노입자의 배합 비율을 단계적으로 조절하여 제조한 것으로, 상기 필라멘트 재료들은, ABS, PLA, TPU, 나일론, PET, 실리콘 중 하나 이상을 포함하는 필라멘트 원재료 및 금속 나노입자가 소정 비율의 혼합되어 제조되며, 상기 금속 나노입자의 직경은 수 nm에서 수백 nm이다. 여기서, 상기 금속 나노입자로는 산화철 나노입자가 채용된다. 그리고, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 높일수록 X선의 감쇠율도 높아지므로, 상기 필라멘트 재료들의 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 감쇠율을 조절한다. The filament materials are prepared by stepwise adjustment of the blending ratio of metal nanoparticles, and the filament materials include filament raw materials and metal nanoparticles containing at least one of ABS, PLA, TPU, nylon, PET, and silicon in a predetermined ratio. Is prepared by mixing, and the diameter of the metal nanoparticles ranges from several nm to several hundreds of nm. Here, iron oxide nanoparticles are employed as the metal nanoparticles. In addition, since the higher the mixing ratio of the metal nanoparticles increases the attenuation rate of X-rays, the attenuation rate of the X-rays is adjusted by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles of the filament materials.
상기 재료 스풀(100)은 상기 필라멘트 재료들을 수용한다. The
상기 출력판(108)은 상기 필라멘트 재료들 중 하나 이상이 선택적으로 용융된 용융물을 토출된 것이 뭉쳐서 형성되는 조형물을 지지하며, 이러한 출력판은 형상제어베드(114)의 상부면에 위치한다. The output plate 108 supports a sculpture formed by agglomeration of one or more of the filament materials selectively discharging the molten material, and the output plate is located on the upper surface of the
상기 노즐들(106)은 상기 재료 스풀(100)에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 공급받으며, 하나 이상의 노즐이 미도시된 제어장치에 의해 선택적으로 구동하여 상기 필라멘트 재료를 용융하여 상기 출력판(108)으로 토출한다. The nozzles 106 are supplied with each of the filament materials accommodated in the
상기 압출기들(102)은 상기 재료 스풀(100)에 수용된 필라멘트 재료들을 상기 노즐들(106)로 각각 공급하며, 상기 공급량은 상기 미도시된 제어장치에 의해 제어된다. The extruders 102 feed the filament materials contained in the
상기 XYZ축 구동부(104)는 3D 모델에 따라 상기 노즐들(106)의 위치를 가변하여 상기 노즐들(106)이 3D 모델인 조형물에 따라 상기 필라멘트 재료를 용융한 용융물을 토출하게 한다. The XYZ
상기 형상제어베드(114)는 상기 출력판(108)을 거치한다. The
상기 모터 및 구동부(110)는 상기 형상제어베드(114)를 구동하여 3D 모델인 조형물 형성을 위한 위치에 출력판(108)을 위치시킨다. The motor and driving
상기 형상제어베드(114)의 하부에는 조형판 히터(112)가 위치하여 상기 조명물 형상을 위해 필라멘트 용융물을 가열한다. A
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따르는 재료 압출 방식의 3D 프린터는, 압출기들(102) 중 3D 모델 형성을 위해 선택된 하나 이상의 압출기가 금속 나노입자의 배합 비율을 단계적으로 조절하여 제조한 필라멘트 재료들 중 하나 이상의 필라멘트 재료들을 하나 이상의 노즐로 공급하고, 상기 XYZ축 구동부(104)가 3D 모델 형성을 위한 위치로 노즐들(106)의 XYZ 위치를 가변하고, 상기 노즐들(106) 중 상기 3D 모델 형성을 위해 선택된 하나 이상의 노즐이 상기 하나 이상의 필라멘트 재료들을 공급받아 용융하여 출력판(108)에 토출하여 3D 모델을 프린트한다. In the 3D printer of the material extrusion method according to the present invention configured as described above, one or more extruders selected for 3D model formation among the extruders 102 are filament materials manufactured by stepwise adjusting the mixing ratio of metal nanoparticles. One or more of the filament materials are supplied to one or more nozzles, and the XYZ
상기한 본 발명에 따르는 금속 나노입자의 배합 비율을 조절한 필라멘트 재료를 단계별로 제작해서 활용하면 필요에 따라 인체 조직별로 서로 다른 X 선의 에너지 흡수율 및 감쇠율을 모사할 수 있으며, 이를 통해 인체 조직별로 서로 다른 금속 나노입자 농도 즉, 배합 비율을 가지는 필라멘트 재료로 3D 프린팅 제작을 이행하면 인체 조직의 외형적인 형태만 모사하는 것에 지나지 않고 의료영상 장비에서 촬영할 경우에도 더욱 인체와 유사한 영상의 대조비를 가질 수 있는 인체 모형을 제작할 수 있으며 이는 도 12에 예시한 바와 같고, 그에 따른 인체 모형에 대한 X선 영상의 예상도는 도 13에 예시한 바와 같다. If the filament material in which the mixing ratio of the metal nanoparticles according to the present invention is adjusted according to the present invention is manufactured and used step by step, it is possible to simulate the energy absorption rate and attenuation rate of different X-rays for each human tissue as needed. When 3D printing is performed with filament materials with different concentrations of metal nanoparticles, that is, blending ratios, it is not only to simulate the external shape of human tissue, and even when photographed on medical imaging equipment, the contrast ratio of images similar to the human body can be obtained. A human body model can be produced, which is as illustrated in FIG. 12, and a predicted view of an X-ray image of the human body model accordingly is as illustrated in FIG. 13.
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 14는 선량 조절용 가이드를 제작한 예를 도시한 것이다. In addition, by using the materials and 3D printing technology according to the present invention, in addition to producing a human body model for surgery planning and simulation, a model for surgery education, and a model for practicing medical imaging, the advantage of being able to freely produce a desired three-dimensional shape and the attenuation rate of radiation And by using the advantage of controlling the transmittance, radiation or proton rays are intensively irradiated only to the target affected area during radiation treatment, and it can also be used to manufacture a guide for dose control that minimizes the radiation dose to normal human tissues. 14 shows an example of manufacturing a guide for adjusting the dose.
이에, 도 14의 선량 조절용 가이드는 방사선 치료를 위한 에너지 흡수체로 사용할 수 있어 표 1의 뼈의 2806의 흡수도 보다 더 높게 설정하여 활용할 수 있다.Accordingly, since the guide for adjusting the dose of FIG. 14 can be used as an energy absorber for radiation treatment, it can be used by setting higher than the absorption of 2806 of the bone in Table 1.
또한, 금속 나노입자로서 자기공명영상장치(MRI)의 영상품질 향상을 위한 대비도 향상 소재(agent)로도 이용되는 산화철 나노입자를 사용하거나 방사선 흡수도가 매우 높은 텅스텐삼산화물 나노입자를 사용하는 경우에는, 방사선 촬영(X선, CT) 이외에도 MRI 영상에서도 조직 부위별 영상특성에 차등을 가지도록 3D 인체 모형을 제작하는 것이 가능하다. In addition, in the case of using iron oxide nanoparticles that are also used as agents for enhancing the contrast for improving the image quality of magnetic resonance imaging equipment (MRI) as metal nanoparticles, or tungsten trioxide nanoparticles with very high radiation absorption. In addition to radiography (X-ray, CT), it is possible to produce a 3D human body model so as to have a difference in imaging characteristics for each tissue part in MRI images.
또한, 본 발명에서 제안하는 재료 압출 방식 3D 프린터용 필라멘트 소재는 원재료가 가지는 연성, 경도, 색상의 차이를 가지는 다양한 물리적인 성질의 표현에 더하여, 금속 나노입자를 다양한 비율로 포함하게 제작 가능하게 하여 의료 영상 촬영시에도 인체의 조직과 유사한 영상 특성인 대비도 등을 가질 수 있도록 하는 것이 가능하다. In addition, the material extrusion method 3D printer filament material proposed in the present invention enables production to contain metal nanoparticles in various ratios in addition to expressing various physical properties having differences in ductility, hardness, and color of the raw material. Even when taking a medical image, it is possible to have a contrast, which is an image characteristic similar to that of a human body.
100 : 재료 스풀
102 : 압출기
104 : XYZ축 구동부
106 : 노즐
108 : 출력판
110 : 모터 및 구동부
112 : 조형판 히터
114 : 형상제어베드 100: material spool
102: extruder
104: XYZ axis drive unit
106: nozzle
108: output plate
110: motor and drive
112: mold plate heater
114: shape control bed
Claims (12)
필라멘트 원재료를 용융시키고 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 전체 혼합 소재에서 혼합되는 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 혼합소재 필라멘트 재료들;
상기 혼합소재 필라멘트 재료들을 수용하는 재료 스풀;
상기 혼합소재 필라멘트 재료들 중 하나 이상이 선택적으로 용융된 용융물이 토출된 것이 뭉쳐서 형성되는 3D 모델을 지지하는 출력판;
상기 재료 스풀에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 공급받으며 하나 이상이 선택적으로 구동하여 자신에게 공급된 필라멘트 재료를 용융하여 토출하는 노즐들;
상기 재료 스풀에 수용된 필라멘트 재료들 각각을 상기 노즐들 각각으로 공급하는 압출기들;
상기 노즐의 위치를 가변하는 XYZ축 구동부;를 포함하며,
상기 노즐들 및 상기 압출기들은 상기 3D 모델을 형성하기 위해 선택된 하나 이상의 노즐 및 압출기만 선택적으로 구동함을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터.In the material extrusion method 3D printer,
The filament raw material is melted, the molten filament raw material is mixed with metal nanoparticles in a predetermined ratio, and the absorption of X-rays is adjusted by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles mixed in the whole mixed material, and the absorption of the adjusted X-rays Mixed filament materials manufactured to suit the degree of absorption of each part of the human body;
A material spool for receiving the mixed material filament materials;
An output plate for supporting a 3D model formed by agglomerating the melted material in which at least one of the mixed filament materials is selectively melted;
Nozzles receiving each of the filament materials accommodated in the material spool and selectively driving at least one to melt and discharge the filament material supplied thereto;
Extruders supplying each of the filament materials contained in the material spool to each of the nozzles;
Includes; XYZ axis driving unit for varying the position of the nozzle,
The nozzles and the extruders selectively drive only one or more nozzles and extruders selected to form the 3D model.
상기 혼합 소재 필라멘트 재료들은,
TPU, 아크릴계 폴리머, 나일론계 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 필라멘트 원재료 및 금속 나노입자가 소정 비율로 혼합되어 제조됨을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터.The method of claim 1,
The mixed material filament materials,
A 3D printer of a material extrusion method, characterized in that a filament raw material including at least one of TPU, acrylic polymer, and nylon polymer and metal nanoparticles are mixed in a predetermined ratio.
상기 금속 나노입자는 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 중 어느 하나의 나노입자임을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터. The method of claim 2,
The metal nanoparticles are 3D printers of a material extrusion method, characterized in that the nanoparticles are any one of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide.
상기 TPU 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합소재의 전체중량에서 상기 산화철 또는 황산바륨 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.5 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.009 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.087 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터.The method of claim 3,
In the case of the TPU filament raw material, the iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 0.5% by weight or less in the case of expanded lungs, and 4% by weight in the case of contracted lungs and muscles. Mixing in the range of not less than 16% by weight,
In the total weight of the mixed material, the tungsten trioxide nanoparticles are mixed in the range of 0.009% by weight or less in the case of expanded lungs, and in the range of 0.087% by weight or more and 0.31% by weight or less in the case of contracted lungs and muscles. Material extrusion method 3D printer, characterized in that.
상기 아크릴계 폴리머 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합소재의 전체중량에서 상기 산화철 또는 황산바륨 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 1.0 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 5 중량% 이상 17 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.021 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.1 중량% 이상 0.32 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터.The method of claim 3,
In the case of the acrylic polymer filament raw material, the iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed within a range of 1.0% by weight or less in the case of an enlarged lung, and 5% by weight in the case of contracted lungs and muscles. % Or more and 17% by weight or less, and
In the total weight of the mixed material, the tungsten trioxide nanoparticles are mixed in the range of 0.021% by weight or less in the case of the expanded lung, and in the range of 0.1% by weight or more and 0.32% by weight or less in the case of contracted lungs and muscles. Material extrusion method 3D printer, characterized in that.
상기 나일론계 폴리머 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.03 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.11 중량% 이상 0.33 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 프린터.The method of claim 3,
In the case of the nylon-based polymer filament raw material, the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 0.03% by weight or less in the case of expanded lungs, and 0.11% by weight in the case of contracted lungs and muscles. Material extrusion method 3D printer, characterized in that mixing in the range of more than 0.33% by weight or less.
압출기들 중 3D 모델 형성을 위해 선택된 하나 이상의 압출기가
필라멘트 원재료를 용융시키고 상기 용융된 필라멘트 원재료에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 전체 혼합 소재에서 혼합되는 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 혼합소재 필라멘트 재료들 중 하나 이상의 필라멘트 재료들을 하나 이상의 노즐로 공급하는 단계;
XYZ축 구동부가 3D 모델 형성을 위한 위치로 노즐들의 XYZ 위치를 가변하는 단계;
상기 노즐들 중 상기 3D 모델 형성을 위해 선택된 하나 이상의 노즐이 상기 하나 이상의 필라멘트 재료들을 공급받아 용융하여 출력판에 토출하여 3D 모델을 프린트하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법. In the material extrusion method 3D model printing method,
One or more of the extruders selected to form the 3D model
The filament raw material is melted, the molten filament raw material is mixed with metal nanoparticles in a predetermined ratio, and the absorption of X-rays is adjusted by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles mixed in the whole mixed material, and the absorption of the adjusted X-rays Or supplying one or more filament materials of the mixed filament materials manufactured to be set to suit the absorption of each part of the human body to one or more nozzles;
Varying the XYZ positions of the nozzles to a position for forming a 3D model by the XYZ axis driving unit;
At least one nozzle selected for forming the 3D model among the nozzles receives the at least one filament material, melts it, and discharges it to an output plate to print a 3D model; How to print.
상기 혼합 소재 필라멘트 재료들은,
TPU, 아크릴계 폴리머, 나일론계 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 필라멘트 원재료 및 금속 나노입자가 소정 비율로 혼합되어 제조됨을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법.The method of claim 7,
The mixed material filament materials,
A 3D model printing method of a material extrusion method, characterized in that a filament raw material including at least one of TPU, acrylic polymer, and nylon polymer and metal nanoparticles are mixed in a predetermined ratio.
상기 금속 나노입자는 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 중 어느 하나의 나노입자임을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법. The method of claim 8,
The metal nanoparticles are 3D model printing method of a material extrusion method, characterized in that the nanoparticles of any one of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide.
상기 TPU 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합소재의 전체중량에서 상기 산화철 또는 황산바륨 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.5 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.009 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.087 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법.The method of claim 9,
In the case of the TPU filament raw material, the iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 0.5% by weight or less in the case of expanded lungs, and 4% by weight in the case of contracted lungs and muscles. Mixing in the range of not less than 16% by weight,
In the total weight of the mixed material, the tungsten trioxide nanoparticles are mixed in the range of 0.009% by weight or less in the case of expanded lungs, and in the range of 0.087% by weight or more and 0.31% by weight or less in the case of contracted lungs and muscles. 3D model printing method of the material extrusion method, characterized in that.
상기 아크릴계 폴리머 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합소재의 전체중량에서 상기 산화철 또는 황산바륨 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 1.0 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 5 중량% 이상 17 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.021 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.1 중량% 이상 0.32 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법.The method of claim 9,
In the case of the acrylic polymer filament raw material, the iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed within a range of 1.0% by weight or less in the case of an enlarged lung, and 5% by weight in the case of contracted lungs and muscles. % Or more and 17% by weight or less, and
In the total weight of the mixed material, the tungsten trioxide nanoparticles are mixed in the range of 0.021% by weight or less in the case of the expanded lung, and in the range of 0.1% by weight or more and 0.32% by weight or less in the case of contracted lungs and muscles. 3D model printing method of the material extrusion method, characterized in that.
상기 나일론계 폴리머 필라멘트 원재료인 경우에, 상기 혼합 소재의 전체중량에서 상기 삼산화텅스텐 나노입자는 확장된 폐의 경우에는 0.03 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.11 중량% 이상 0.33 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료 압출 방식의 3D 모델 프린팅 방법.The method of claim 9,
In the case of the nylon-based polymer filament raw material, the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material are mixed in a range of 0.03% by weight or less in the case of expanded lungs, and 0.11% by weight in the case of contracted lungs and muscles. 3D model printing method of a material extrusion method, characterized in that mixing in the range of more than 0.33% by weight or less.
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