KR102348251B1 - Fdm 방식의 고정밀 바이오 프린터용 멀티레이어 제작이 가능한 듀얼 노즐 - Google Patents

Abstract

FDM 방식의 고정밀 바이오 프린터용 멀티레이어 제작이 가능한 듀얼 노즐이 개시된다. 3D 프린터용 노즐 유닛으로서 두 개의 물질이 주입되는 주입구(inlet); 상기 물질 각각이 레이어로 이루어진 멀티레이어를 생성하는 멀티플라이어(multiplier); 및 상기 멀티레이어를 압출하는 압출구(nozzle)를 포함할 수 있다.

Description

FDM 방식의 고정밀 바이오 프린터용 멀티레이어 제작이 가능한 듀얼 노즐{DUAL NOZZLE CAPABLE OF MULTI-LAYER PRODUCTION FOR FDM TYPE HIGH PRECISION BIO PRINTER}

아래의 설명은 FDM(fused deposition modeling) 방식의 3D 프린터 기술에 관한 것이다.

3D 프린터는 대상을 입체적으로 출력하는 프린터로, 재료에 따라 고체 기반(FDM), 액체 기반(폴리젯), 파우더 기반(SLS) 방식으로 나뉠 수 있다.

최근 FDM 방식의 3D 프린터가 저렴해짐에 따라 대중화되고 보편화되어 시제품 제작에 많은 주목을 받고 있다.

바이오 프린터는 의료 분야에서 가장 이점인 맞춤화 및 개인화, 저렴한 비용으로 의료제품을 생산할 수 있는 비용 효율성 향상, 전통적인 제조방식인 다단계 공정과 긴 납기가 요구되는 보철물 및 임플란트를 짧은 시간 안에 제작할 수 있는 생산성 향상, 각종 의료 모델이나 의료기기의 복제본을 만들어 공유할 수 있는 혁신역량 공유 등의 특징을 가지고 있다.

일례로, 한국 공개특허공보 제10-2016-0125530호(공개일 2016년 10월 31일)에는 조직과 기관을 제작할 수 있는 바이오 프린터 기술을 개시하고 있다.

그러나, 고정밀을 요구하는 바이오 프린터는 고정밀 노즐, 압출 시스템, 고정밀 CNC(computer numerical control) 기계를 사용하기 때문에 여전히 고가의 제품으로 판매되고 있다.

바이오 프린터는 대부분 싱글 노즐로 구성되어 있어 두 가지 이상의 물질을 사용할 때는 반드시 사전에 혼합하여 노즐에 장착하여야 하고, 3D 프린터로 구조물 제작 시 장시간 사용으로 혼잡한 물질들이 분리가 되어 원하는 목적을 이루기 어려운 문제가 있다.

듀얼 노즐을 적용한 프린터는 물질의 분리를 막을 수 있지만 노즐 사이즈가 커져서 고정밀 제어가 불가능할 뿐 아니라, 기존 듀얼 노즐의 경우 물질이 혼합되어 나오기 때문에 기능적 지지체(functional scaffold)를 만들기 어려운 한계가 있다.

듀얼 노즐 형태로 두 물질이 혼합되지 않게 한 노즐을 통해 나올 수 있는 멀티레이어(multi-layer) 노즐 디자인을 제공할 수 있다.

두 개의 물질이 주입되는 주입구(inlet); 상기 물질 각각이 레이어로 이루어진 멀티레이어를 생성하는 멀티플라이어(multiplier); 및 상기 멀티레이어를 압출하는 압출구(nozzle)를 포함하는 3D 프린터용 노즐 유닛을 제공한다.

일 측면에 따르면, 상기 멀티플라이어는, 주입된 물질이 반시계 방향(count clock wise)으로 압출되는 적어도 하나의 CCW 멀티플라이어; 및 주입된 물질이 시계 방향(clock wise)으로 압출되는 적어도 하나의 CW 멀티플라이어를 포함할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어의 개수에 따라 상기 레이어의 개수가 결정될 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 멀티플라이어는, 상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어가 교차하여 배열되는 형태로 구성될 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어 각각은, 이전에 위치한 부품의 압출로와 결합되는 하나의 주입로; 및 상기 주입로에서 분리되는 두 개의 압출로를 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 두 개의 압출로는 물질이 압출되는 속도가 다른 통로로 구성될 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 두 개의 압출로 중 하나는 경사도를 가진 경사 통로로 구성되고 다른 하나는 경로도가 없는 일자 통로로 구성될 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 멀티플라이어는, 상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어 간에 상기 경사 통로와 상기 일자 통로의 위치가 서로 반대되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 물질이 혼합되지 않는 멀티레이어를 제작할 수 있는 노즐 디자인을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 멀티레이어 노즐을 이용함으로써 보편화된 일반 3D 프린터에 장착하여 고정밀 레이어를 만들 수 있을 뿐만 아니라 필라멘트(filament)를 다르게 사용하여 특수한 기능을 가지는 기능적 지지체를 제작할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 멀티레이어 노즐을 이용함으로써 목적에 따라 레이어의 개수 및/또는 비율을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서 멀티레이어 제작을 위한 노즐 디자인 결합도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서 3D 프린터용 노즐 유닛(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서 멀티레이어 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서 서로 다른 두 물질을 주입하여 멀티레이어를 제작하는 시뮬레이션 결과 예시를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서 3D 프린터용 노즐 유닛을 통해 둘 이상의 물질로 제작된 멀티레이어 예시를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예들은 3D 프린터용 노즐 유닛에 관한 것이다.

본 명세서에서 구체적으로 개시되는 것들을 포함하는 실시예들은 둘 이상의 물질이 한 노즐을 통해 혼합되지 않고 나올 수 있는 멀티레이어 노즐 유닛을 제공할 수 있고, 이를 통해 정확한 설계, 고정밀 제어, 고성능 CNC, 생산성 향상 등의 측면에 있어서 상당한 장점들을 달성할 수 있다.

최근 하나의 노즐 내부에서 2개 혹은 여러 개의 재료(예를 들어, 필라멘트, 용액 등)를 혼합하여 압출하는 다중 입구 단일 노즐 3D 프린터가 개발되고 있다.

다중 입구 단일 노즐 3D 프린터는 여러 재료를 혼합시켜 하나의 노즐로 압출되는 특징이 있다.

여러 재료의 혼합은 재료의 색상을 섞거나 용액의 농도를 변화시킬 수 있는데, 색상이나 농도가 변함에 따라 재료의 특성 자체가 달라질 가능성이 있기 때문에 다중 입구 단일 노즐 3D 프린터는 교육적인 측면에나 연구적인 측면은 물론이고 실제 활용 측면에서 불리하다.

본 실시예에서는 둘 이상의 물질을 혼합되지 않는 멀티레이어로 제작하여 압출할 수 있는 노즐 디자인을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서 멀티레이어 제작을 위한 노즐 디자인 결합도를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 유닛(100)은 주입구 홀더(inlet holder)(110), 주입구(inlet)(120), 믹서(mixer)(130), 멀티플라이어(multiplier)(140), 스페이서(spacer)(150), 및 압출구(nozzle)(160)를 포함할 수 있다.

3D 프린터용 노즐 유닛(100)은 여러 개의 물질을 주입하여 단일 노즐로 압출하는 특징의 다중 입구 단일 노즐 구조로 구성되고, 특히 여러 개의 물질이 혼합되지 않고 멀티플라이어(140)를 통해 멀티레이어 형태로 제작될 수 있는 멀티레이어 노즐 구조를 포함할 수 있다.

멀티레이어 제작을 위하여 멀티플라이어(140)는 주입된 물질을 반시계 방향(count clock wise)으로 압출하는 CCW 멀티플라이어(141)와 주입된 물질을 시계 방향(clock wise)으로 압출하는 CW 멀티플라이어(142)를 포함하는 것으로, CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)를 적어도 한 쌍 이상 포함할 수 있다.

멀티플라이어(140)를 구성하는 CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142) 각각 하나에 레이어가 2배씩 늘어난다.

이때, CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)가 서로 교차하여 배열되는 형태로 멀티플라이어(142)를 구성할 수 있다.

예를 들어, 멀티플라이어(140)가 한 쌍의 CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)로 구성되는 경우 레이어의 개수가 4개로 결정되고, 멀티플라이어(140)가 CCW 멀티플라이어(141), CW 멀티플라이어(142), CCW 멀티플라이어(141)의 순으로 혹은 CW 멀티플라이어(142), CCW 멀티플라이어(141), CW 멀티플라이어(142)의 순으로 배열되어 구성되는 경우 레이어의 개수가 6개로 결정된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서 3D 프린터용 노즐 유닛(100)의 단면도를 도시한 것이다.

도 2를 참조하여 3D 프린터용 노즐 유닛(100)의 각 부품별 역할을 설명하면 다음과 같다.

도 2의 왼쪽 도면은 X축 단면도를, 도 2의 오른쪽 도면은 Y축 단면도를 나타내고 있다.

X축 단면도와 Y축 단면도를 통해 3D 프린터용 노즐 유닛(100)에 포함된 각 부품 별 구조와 부품 간 결합 관계를 알 수 있다.

주입구 홀더(110)는 물질이 들어가는 다중 입구 구조로, 두 개의 다른 종류의 필라멘트를 삽입할 수 있다.

주입구(120)는 주입구 홀더(110)를 통해 삽입된 두 물질이 주입되는 통로로, X축과 동일하게 직경이 좁은 두 개의 주입로를 통해 필라멘트가 주입된다.

믹서(130)는 두 물질이 합쳐지는 곳으로, 주입구(120)를 통해 들어온 두 종류의 필라멘트를 합칠 수 있다.

믹서(130)는 주입구(120)와 동일하게 두 개의 주입로로 구성되고 두 개의 주입로가 연장된 통로가 최하단에서 결합되어 하나의 압출로로 구성된다. 다시 말해, 믹서(130)에서 두 종류의 필라멘트가 혼합되는 것이 아니라, 두 종류의 필라멘트가 각각 주입되어 통로 최하단 압출로에서 두 물질이 같이 압출될 수 있다.

멀티플라이어(140)는 멀티레이어를 만드는 곳으로, 믹서(130)를 통해 들어온 두 종류의 필라멘트를 시계 방향과 반시계 방향으로 압출하여 필라멘트가 혼합되지 않도록 겹겹이 레이어를 생성할 수 있다.

멀티플라이어(140)는 적어도 한 쌍의 CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)로 이루어지며, 각각 하나에 레이어가 2배씩 늘어난다. 레이어의 개수를 조절하기 위해서는 CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)의 개수를 조절할 수 있다.

도시한 바와 같이, 멀티플라이어(140)가 CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)의 순으로 구성된 경우, CCW 멀티플라이어(141)는 믹서(130)의 압출로와 결합되는 하나의 주입로, 그리고 하나의 주입로에서 분리되는 두 개의 압출로로 구성될 수 있고, CW 멀티플라이어(142)는 CCW 멀티플라이어(141)의 압출로와 결합되는 하나의 주입로, 그리고 하나의 주입로에서 분리되는 두 개의 압출로로 구성될 수 있다.

특히, CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)는 두 개의 물질이 섞이지 않고 더욱 정교한 레이어를 생성하기 위해 두 개의 압출로 중 하나는 일정 경사도를 가진 경사 통로로 구성되고 다른 하나는 경사도 없는 일자 통로로 구성될 수 있다. 두 압출로에서 물질이 압출되는 속도를 달리 함으로써 멀티플라이어(140) 내에서 재료의 분리가 이루어질 수 있다.

CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142) 간에 경사 통로와 일자 통로의 위치가 서로 반대되도록 구성될 수 있다. X축 단면도에서 볼 때, CCW 멀티플라이어(141)의 압출로 중 왼쪽 압출로가 경사 통로로 구성된 경우 CW 멀티플라이어(142)는 오른쪽 압출로를 경사 통로로 구성할 수 있다.

스페이서(150)는 멀티플라이어(140)에서 만들어진 멀티레이어를 안정화시키는 곳으로, 겹겹이 레이어가 생성된 필라멘트를 합쳐서 압출할 수 있다.

압출구(160)는 최종 멀티레이어가 나오는 단일 노즐 구조로, 노즐 구경에 맞춰 멀티레이어로 제작된 필라멘트를 압출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서 멀티레이어 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

3D 프린터용 노즐 유닛(100)은 노즐 내부 각 부분에 따라 재료가 압출되고 CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142) 내에서 재료의 분리가 일어난다.

재료의 분리는 도 3에 도시한 바와 같이 섞이지 않고 시계 방향과 반시계 방향으로 구별되어 압출되는데, CCW 멀티플라이어(141)와 CW 멀티플라이어(142)를 지나 스페이서(150)의 구간에서 합쳐 여러 개의 레이어를 이루도록 한다.

도 4는 서로 다른 두 물질을 주입하여 멀티레이어를 제작하는 시뮬레이션 결과 예시를 나타내는 것으로, 주입구(120)의 서로 다른 통로로 각각 주입된 두 필라멘트가 멀티플라이어(140)를 통해 겹겹이 레이어로 만들어진 후 스페이서(150)에 해당되는 A 구간과 압출구(160)에 해당되는 B 구간을 차례로 거쳐 노즐 구경에 따른 멀티레이어 필라멘트가 압출된다.

도 5는 3D 프린터용 노즐 유닛(100)을 통해 둘 이상의 물질로 제작된 멀티레이어 예시를 도시한 것이다.

압출구(160), 즉 단일 노즐에 의해 압출된 멀티레이어는 각각의 층을 이루는 재료의 특성을 유지시켜 기능적인 부분에서의 역할을 도울 수 있다.

압출구(160)에서 압출되는 재료의 레이어 개수를 조절하여 압출되는 양이나 두께(직경)를 조절할 수 있어 기존 3D 프린터의 해상도보다 정교한 프린팅이 가능하다.

따라서, 3D 프린터용 노즐 유닛(100)은 듀얼 노즐 형태로 두 물질을 한 노즐을 통해 압출하면서 서로 혼합되지 않게 멀티레이어로 제작할 수 있다.

예를 들어, 3D 프린터용 노즐 유닛(100)을 이용하여 견고한 물질과 신축성 있는 물질이 결합된 멀티레이어를 만들 수 있고, 이러한 특성의 멀티레이어를 셀이 포함된 조직 자체를 제작하거나 혹은 배터리 없이 모션이 가능한 지지체나 마이크로 로봇 등을 제작하는 데에 활용할 수 있다.

이처럼 본 발명의 실시예들에 따르면, 물질이 혼합되지 않는 멀티레이어를 제작할 수 있는 노즐 디자인을 제공할 수 있다. 멀티레이어 노즐을 이용함으로써 보편화된 일반 3D 프린터에 장착하여 고정밀 레이어를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 필라멘트를 다르게 사용하여 특수한 기능을 가지는 기능적 지지체를 제작할 수 있다. 또한, 멀티레이어 노즐을 이용함으로써 목적에 따라 레이어의 개수 및/또는 비율을 조절할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 두 개의 물질이 주입되는 주입구(inlet);
   상기 물질 각각이 레이어로 이루어진 멀티레이어를 생성하는 멀티플라이어(multiplier); 및
   상기 멀티레이어를 압출하는 압출구(nozzle)
   를 포함하고,
   상기 멀티플라이어는,
   주입된 물질이 반시계 방향(count clock wise)으로 압출되는 적어도 하나의 CCW 멀티플라이어; 및
   주입된 물질이 시계 방향(clock wise)으로 압출되는 적어도 하나의 CW 멀티플라이어
   를 포함하는 3D 프린터용 노즐 유닛.
3. 제2항에 있어서,
   상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어의 개수에 따라 상기 레이어의 개수가 결정되는 것
   을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 유닛.
4. 제2항에 있어서,
   상기 멀티플라이어는,
   상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어가 교차하여 배열되는 형태로 구성되는 것
   을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 유닛.
5. 제2항에 있어서,
   상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어 각각은,
   이전에 위치한 부품의 압출로와 결합되는 하나의 주입로; 및
   상기 주입로에서 분리되는 두 개의 압출로
   를 포함하는 3D 프린터용 노즐 유닛.
6. 제5항에 있어서,
   상기 두 개의 압출로는 물질이 압출되는 속도가 다른 통로로 구성되는 것
   을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 유닛.
7. 제5항에 있어서,
   상기 두 개의 압출로 중 하나는 경사도를 가진 경사 통로로 구성되고 다른 하나는 경로도가 없는 일자 통로로 구성되는 것
   을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 유닛.
8. 제7항에 있어서,
   상기 멀티플라이어는,
   상기 CCW 멀티플라이어와 상기 CW 멀티플라이어 간에 상기 경사 통로와 상기 일자 통로의 위치가 서로 반대되도록 구성되는 것
   을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 유닛.

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