KR102415399B1 - 다중 세포 및 재료의 프린팅이 가능한, 마그네틱 체결 수조가 포함된 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터 - Google Patents

다중 세포 및 재료의 프린팅이 가능한, 마그네틱 체결 수조가 포함된 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 세포 및 이를 포함한 다중 바이오 잉크를 프린팅 할 수 있는 바이오 3D 프린팅 장치 및 구동 시스템에 관한 것으로, 조형 플레이트(15)가 결합된 조형 플레이트 연결바(13); 상기 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 승강 및 하강시키는 z축 스크류(18)와 연결된 z축 스텝 모터(19); 상면에 복수의 수조(22)가 탈착 및 부착이 가능하도록 결합되는 수조 고정부를 포함하고, 하부에 회전 기어박스(41)가 연결된 수조 장착 상판(31); 및 상기 수조 장착 상판(31)의 하부에서 선택된 수조(22)를 향해 빛을 조사하는 빔 프로젝터(51);를 포함한다.

Description

다중 세포 및 재료의 프린팅이 가능한, 마그네틱 체결 수조가 포함된 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터{A BIO DLP 3D PRINTER CONTAINING MAGNETICALLY LINKED RESERVOIR FOR MULTI CELL OR MATERIAL PRINTING}
본 발명은 복수의 다중 세포 혹은 이를 포함한 다중 바이오 잉크를 3D 프린팅 할 수 있는 바이오 DLP 3D 프린터 및 이의 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바이오 3D 프린팅 공정을 수행할 때 복수의 다중 세포 프린팅 혹은 복수의 바이오 잉크들의 사용이 가능하도록 자력으로 탈/부착될 수 있는 복수의 수조; 다중 재료의 프린팅이 가능하도록 회전되는 수조 장착 상판; 3D 프린팅 시 오염을 최소화할 수 있는 자동 영점 조절 장치; 및 세포 생존율을 높일 수 있는 온도 조절 장치;를 포함한다.
삼차원 프린팅(3D Printing) 기술은, 3차원 도면을 바탕으로 실물의 입체 모양 즉, 3차원 형상을 구현하는 것으로, 프린팅 과정에 사용되는 잉크 소재, 경화 방식, 3D 프린터의 구동원리에 따라 여러 가지로 분류될 수 있다.
특히 세계적으로 널리 통용되는 미국 ASTM(American Society for Testing and Materials) F2792-12a의 분류에 따라 아래와 같이 분류될 수 있다.
- SLA(stereo lithography), DLP (digital light processing) 방식: 빛에 반응하여 경화되는 광경화성 폴리머를 기반 소재로 이용하여 한층 한층 빛을 조사하며 경화시켜 3차원 형상을 만드는 광중합 방식
- FDM (fused deposition modeling) 방식: 고온 가열한 소재를 노즐을 통해 압력으로 연속적으로 밀어내어 3차원 형상을 제작하는 재료압출방식
- 접착제 분사 방식: 가루형태의 모재 위에 액체 형태의 접착제를 토출시켜 모재를 결합하고, 3차원 형상을 제작
- 재료 분사 방식: 용액형태의 소재를 제팅 (jetting)으로 토출시키고 자외선 등으로 경화
- 고에너지 직접 조사 방식: 레이저나 전자빔 등의 고에너지원으로 원료 소재를 녹여 3차원 형상을 제작
- 분말 적층 용융 방식: 분말형태의 모재 위에 고에너지빔을 주사하여 조사해 선택적으로 결합하여 3차원 형상을 제작
- 시트 라미네이션 방식: 얇은 필름형태의 재료를 열이나 접착제 등으로 붙여가며 3차원 형상으로 적층
특히, 3D 프린팅 기술이 점차 발전함에 따라 좀 더 정밀하고 세밀한 3D 형상을 제조할 수 있게 되면서, 이를 의료 혹은 바이오 분야에 접목시켜 의료기기 부품이나 실제 인간의 조직을 거의 그대로 모방한 미세 및 거대 조직 구조체인 인체모형, 피부조직 및 신체 장기의 제조 혹은 재생에 활용되고 있다.
특히 앞서 살펴본 DLP(Digital light processing) 방식은, 광경화성 액상 수지에 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하고, 투사된 모양대로 수지를 경화시켜 적층하는 방법으로, 매우 세밀한 정밀도(~1 μm)와 표면조도를 구현할 수 있어 조직 형태의 모사에 유리하고, 빔프로젝터로 빛을 면 단위로 조형하므로, 점이나 선이 모여 각각 선이나 면을 구성하는 SLA 방식이나 FDM 방식에 비해 작업속도가 빠르고(~30 min, mm3/s) 균일한 장점이 존재한다.
또한, DLP 방식은 노즐을 사용하지 않기 때문에 압력에 대해 자유롭고, 이로 인해 세포 생존률이 높으며(약 85-95%), 점도가 낮은 재료에도 쉽게 적용될 수 있는 장점이 존재한다. 이러한 장점으로 인해 최근 바이오 3D 프린터 구동 방식으로 채택되는 비율이 증가하고 있다.
그러나 이러한 DLP 방식은 바이오 3D 프린터로 사용하기 위해서는 다음과 같은 한계점이 존재한다.
먼저, 한 종류의 세포 및 바이오 잉크만 사용이 가능하다. 조직 및 장기 등을 제조하는 바이오 프린팅의 경우에는, 다중 세포 및 다중 바이오 잉크 사용이 필수적이다. 이를 위해서는 사용하는 세포 및 다중 바이오 잉크에 따라 수조를 사용자가 직접 교체해주어야 하며, Z 축 상으로의 2차원 다중 프린팅만이 가능하다.
또한 세포 및/또는 바이오 잉크를 사용하기 위해서는 프린팅 과정에서의 오염을 줄이는 것이 중요한데, 현재의 DLP 방식의 바이오 3D 프린터의 경우에는, 영점 조절 기능 및 수조 교체의 불편함으로 인해 이러한 오염을 막기 어려움 단점이 존재한다.
공개특허 제10-2018-0112436호
본 발명은 이러한 종래의 DSP 방식의 바이오 3D 프린팅 장치가 갖는 문제점 및 단점을 해결하기 위한 것으로, 다중 세포, 바이오 잉크 혹은 재료의 프린팅이 가능하고, 3D 프린팅 시 오염을 최소화 할 수 있으며, 세포 생존율을 높일 수 있는 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터 및 3D 프린팅 시스템을 제공하기 위한 것이다.
구체적으로 z축 스텝 모터를 사용하여 조형 플레이트의 하강 속도를 다단계로 조절하고, 로드셀 센서를 사용하여 움직임을 감지하여 제어함으로써 3D 프린팅 과정 중에서 발생할 수 있는 오염을 최소화하고자 한다. 또한 복수의 수조가 자력으로 장착된 수조 장착 상판을 회전용 스텝 모터와 연결된 회전 기어 박스를 통해 회전시킴으로써 서로 다른 상이한 세포 혹은 바이오 잉크, 다중 재료를 프린팅 하고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터는, 조형 플레이트(15)가 결합된 조형 플레이트 연결바(13); 상기 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 승강 및 하강시키는 z축 스크류(18)와 연결된 z축 스텝 모터(19); 상면에 복수의 수조(22)가 탈착 및 부착이 가능하도록 결합되는 수조 고정부를 포함하고, 하부에 회전 기어박스(41)가 연결된 수조 장착 상판(31); 및 상기 수조 장착 상판(31)의 하부에서 선택된 수조(22)를 향해 빛을 조사하는 빔 프로젝터(51);를 포함한다.
상기 조형 플레이트 연결바(13)의 내부에는 로드셀 센서(17)가 위치하여, 상기 z축 스크류(18)의 하강에 의해 수조(22)와 조형 플레이트(15)의 접촉을 감지할 수 있다.
상기 수조(22)의 하면과 수조 장착 상판(31)의 수조 고정부에는 각각 자성체가 내장되어, 수조(22)와 수조 장착 상판(31)이 자기적으로 고정 결합됨으로써 탈착 및 부착될 수 있다.
상기 수조(22)는, 테플론 필름 고정 플레이트(25)와 테플론 필름 고정 나사(24)를 통해 내부 저면에 테플론 필름이 고정되는 것이 바람직하다.
상기 수조 장착 상판(31)은, 회전용 스텝 모터(42)에 연결된 회전 기어박스(41)를 통해 회전하여, 수조 장착 상판(31)에 결합된 복수의 수조 각각에 대해 다른 세포 혹은 재료를 프린팅 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태로, 이러한 다중 세포 및 재료 프린팅이 가능한 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치를 사용한 프린팅 방법을 들 수 있는데, 프린팅 공정이 수행될 제1 및 제2 수조(22)를 선택하여 수조 장착 상판(31)에 고정하는 단계(S61); 상기 제1 및 제2 수조(22)에 각각 제1 및 제2 바이오 잉크를 채우는 단계(S71); z축 스텝 모터(19)를 구동시켜 z축 스크류(18)를 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 이동시켜, 상기 조형 플레이트 연결바(13)에 결합된 조형 플레이트(15)를 하강 시키는 단계(S72); 상기 조형 플레이트(15)를 제1 수조(22)에 침지시켜, 조형층 위치로 위치시키는 단계(S74); 및 빔 프로젝터(51)를 사용하여 빛을 제1 수조에 조사하여 조형물을 생성하는 단계(S76); 조형 플레이트(15)를 상승 시킨 후, 회전 기어박스(41)를 사용하여 수조 장착 상판(31)을 회전 시키는 단계(S79); 조형 플레이트(15)를 제2 수조(22)에 침지되도록 하강시켜, 조형층 위치로 위치시키는 단계; 및 빔 프로젝터(51)를 사용하여 빛을 제2 수조에 조사하여 조형물을 생성하는 단계;를 포함한다.
상기 제1 및 제2 수조(22)를 선택하여 수조 장착 상판(31)에 고정하는 단계;와 제1 및 제2 수조(22)에 각각 제1 및 제2 바이오 잉크를 채우는 단계;의 사이에, z축 스텝 모터(19)를 구동시켜 z축 스크류(18)를 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 이동시켜, 상기 조형 플레이트 연결바(13)에 결합된 조형 플레이트(15)를 하강 시키는 단계(S62); 상기 조형 플레이트(15)를 선택된 수조의 내부 바닥면에 접촉시키는 단계(S63); 상기 조형 플레이트 연결바(13)의 내부에 위치하는 로드셀 센서(17)가 접촉을 감지하고, 조형 플레이트(15)의 하강을 중지하는 단계(S65); 로드셀 센서(17)가 감지한 센서 정보를 토대로, 3D 프린팅을 시작할 offset 값으로 저장하는 단계(S67); 및 조형 플레이트(15)를 상승 시키는 단계(S68);를 포함하는 영점 조절 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바이오 DLP 3D 프린팅 장치는, 다중 세포, 바이오 잉크 혹은 재료의 프린팅이 가능하고, 3D 프린팅 시 오염을 최소화 할 수 있으며, 세포 생존율을 높일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 효과들은 이렇게 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 이하의 기재들로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 다중 세포 및 재료 프린팅이 가능한 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터의 도식적인 측면 사시도(a)와 윗면 사시도(b)이다.
도 2은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 로드셀이 포함된 조형 플레이트 로드셀의 부하 발생 과정을 시간 순((a)-> (b) -> (c))으로 나타낸 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3D DLP 프린터의 자동 영점 조질 기능을 설명하기 위한 것으로, 로드셀 센서가 내장된 조형 플레이트 연결바 및 이와 연결되어 고정된 조형 플레이트 구조의 측면 사시도이다. 도 3(a)는 조형 플레이트가 수조 내로 하강 되기 전인 로드셀 센서 부하 전을 나타낸 것이고, 도 3(b)는 조형 플레이트가 수조 내로 하강하여 로드셀 센서에 부하가 발생했을 때를 도시하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 자력에 의해 장착 및 탈착이 가능하고, 결합 오차를 최소화 할 수 있는 수조를 도식적으로 나타낸 것으로, 측면(a), 아랫면(b) 및 윗면(c)을 사시도로 제시하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 회전 가능한 수조 장착판의 구조를 도식적으로 나타낸 것으로, 수조 장착 전(a)과 장착 후(b)를 사시도로 제시하였다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 수조가 탑재된 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프링팅 과정을 순서도로 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석 되어야 함을 밝혀둔다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되었다. 그러나 본 발명은 이하에서 서술되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 이하의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 또는 포함하는(comprising)은, 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부품 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부품의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또 는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 도면들(단면도 및/또는 개략도들)을 참고하여 설명될 것이므로, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본발명의 실시예들은 도면에 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함된다. 또한 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있으며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치를 설명하고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 형태에 따른 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치는, 조형 플레이트 구동부, 로드셀 검출 센서 보드(61), 통합 컨트롤 보드(62) 및 회전용 스텝모터 컨트롤 보드(63)를 포함한다.
상기 조형 플레이트 구동부는, z축 조인트(11), z축 연결 조형 플레이트 바(12), 조형 플레이트 연결바(13), 조형 플레이트 결합 플레이트(14), 조형 플레이트(15), 조형 플레이트 고정 나사(16), 영점 조절용 로드셀 센서(17), z축 스크류(18) 및 z축 스텝 모터(19)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린터는, 세포가 포함된 바이오 잉크를 프린팅 하는 과정에서 발생될 수 있는 오차를 최소화 하기 위하여, 로드셀 센서를 이용한 자동 영점 조절(레벨 조절) 기능을 포함한다.
도 1 및 도 3에서 확인되듯이, z축 연결 조형 플레이트 바(12)내에는 미세한 전단 압력을 감지 할 수 있는 로드셀 센서(17)가 내장되고, 조형 플레이트(15)는 결합 플레이트(14)를 통해 상기 z축 연결 조형 플레이트 바(12)에 결합된다.
특히, 영점 조절 과정에서 조형 플레이트(15)와 테플론 필름 및 석영 유리판의 손상을 최소화 하고, 보다 정밀한 영점 조절을 위해, 도 2에 제시된 것처럼, 조형 플레이트(15)의 움직임의 속도를 제어하는 것이 바람직하다. 이때 영점 조절 시간을 최소화 하기 위해, 조형 플레이트(15)는 수조(22)의 바닥판으로부터 약 1.0cm의 높이까지는 약 6 ~ 8 mm/sec의 속도로 신속하게 하강하다가, 수조(22)의 바닥판으로부터 약 1.0cm의 높이 이내의 높이에서는 조형 플레이트(15)의 하강 속도를 감소시켜(약 2.5 ~ 1.5 mm/sce), 로드셀 센서(17), (테플론) 필름 및 석영 유리판의 손상을 줄이는 것이 바람직하다.
이러한 조형 플레이트의 하강 속도의 조절과 제어는, 통합 컨트롤 보드(62)에서 z축 스텝 모터(19)를 제어하여 z축 스크류(18)의 가감속을 수행한다.
로드셀(17)의 전단 압력의 범위는 0.1 ~ 1g(0.01-0.01N)인 것이 바람직하며, 이러한 로드셀(17)의 전단 압력 범위는 수조의 바닥판에 사용되는 테플론 필름의 종류에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 바이오 DLP 3D 프린팅 장치에 사용되는 자력 체결 수조(22)는, 바이오 3D 프린팅 공정 중에서 흔히 발생하는 오염을 최소화 하고 사용자의 편의성을 높이기 위한 구조를 갖는다. 도 3 및 도 4에서 확인되듯이, 수조(22)의 하면에는 자성체인 수조 마그네틱(21)이 위치한다. 또한, 상기 수조 마그네틱(21)과 결합되도록 수조 장착 상판(31)에는, 수조 장착용 상판 마그네틱(34)이 위치하게 된다. 이러한 수조 마그네틱(21)과 수조 장착용 상판 마그네틱(34)은 극성을 반대로 하여 최대한 자력을 통한 결합력을 증가시키는 것이 바람직하다.
이때 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34) 사이에는 추가적으로 공차를 두어, 양 마그네틱이 서로 부딪쳐 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 자성체를 사용한 자력 고정 결합 방식은, 수조의 고정 및 탈부착이 수월할 뿐만 아니라 기존의 나사 고정 방식에 비해 주변의 오염도를 줄일 수 있다. 또한 기존의 나사 고정 방식이 수조의 평탄도를 유지할 수 없어 정확한 프린팅이 곤란하다는 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다.
본 발명의 바이오 DLP 3D 프린팅 장치에 사용되는 회전 수조가 장착되는 수조 장착 상판(31)의 경우에는, 도 5에 제시된 것처럼 5개의 수조가 장착될 수 있으며, 수조의 크기와 배치를 조절하여 5개 이상의 수조가 장착되는 것도 가능하다. 본 발명의 경우에는 이러한 복수의 탈부착식 수조를 사용하기 때문에, 다양한 바이오 잉크 및 다중 3D 프린팅이 가능하다.
특히, 이러한 복수의 수조 각각에는, 테플론 필름(23)과 석영 유리판(32)의 유착으로 인해 발생할 수 있는 프린팅 에러를 최소화 하기 위해, 도 3 및 도 5에 제시되어 있는 것처럼, 테플론 필름 유착 방지 환기틈(33)이 추가로 더욱 형성될 수 있다.
일반적인 바이오 DLP 3D 프린팅을 진행할 때, UV 경화된 조형물 레이어가 테플론 필름(23)에 유착됨으로써 조형 플레이트(15)에서 조형물이 탈락되어 프린팅을 실패하는 일이 빈번하게 발생한다. 이상적으로 조형물을 프린팅하기 위해서는 UV 경화 후, 조형물 레이어가 테플론 필름(23)에 접착되지 않고 균일하게 탈락되어야 조형 플레이트(15)에 접착되어 적층이 가능하다. 즉 조형물 레이어와 조형 플레이트(15) 접착력이 테플론 필름(23)과의 접착력 보다 강해야 한다.
따라서 조형물 레이어와 테플론 필름의 접착력을 줄이고 균일하게 탈락시키기 위해서는, 조형물 레이어가 떨어질 때 테플론 필름(23)의 뒤틀림(warping)이 발생될 수 있도록 테플론 필름(23)과 석영 유리판(32)의 유착을 줄여야 하며, 이를 위해 본 발명에서는 테플론 필름 유착 방지 환기틈(33)을 석영 유리판의 양쪽 단부에 각각 형성하여, 공기가 자연스럽게 테플론 필름(23)과 석영 유리판(32) 사이로 유입될 수 있도록 함으로써, 테플론 필름(23)의 뒤틀림(warping)이 유도할 수 있다.
또한, 도면에는 별도로 도시되지 않았지만, 세포의 생존율을 높이고 오염을 방지하기 위해, 수조 장착 상판(31) 전체가 UV 조사될 수 있도록 위쪽에 별도의 UV 램프가 추가로 더 부가될 수 있으며, 이러한 3D 프린팅 장치의 내부 온도 및/또는 습도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 온습도 제어 장치를 추가하는 것도 가능하다.
이건 출원발명의 일 실시예에 따른 바이오 DLP 3D 프린팅 장치의 영점 조절 과정은 도 6에 제시된 순서도에 따라 수행될 수 있으며, 추가 수조 사용 여부에 따라 수조 별로 각각 시행될 수 있다.
상기 도 6에 제시된 각 단계를 좀 더 상세히 살펴보면, 먼저 3D 프린팅이 수행될 수조를 선정하고, 이를 수조 장착 상판(31)에 장착한다(S61). 이때 선정되는 수조는 복수 개 이상일 수 있는데, 바람직하게는 적어도 1개에서 5개 이상의 수조를 선택할 수 있다. 수조 장착 상판(31)에 장착되는 수조(22)의 수는, 수조 장착 상판(31)의 크기 및 위치에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
사용될 수조가 결정되고 장착된 후(S61)에는, 조형 플레이트(15)의 하강이 시작된다(S62). 이때 도 2에 제시된 바와 같이, 통합 컨트롤 보드(62)에서 z축 스텝 모터(19)를 제어함으로써, z축 스크류(18)의 하강 속도를 조절할 수 있다.
Z축 스크류(18)가 하강하여, 조형 플레이트(15)와 수조의 바닥면에 고정된 테플론 필름(23)과 접촉하면(S63), 조형 플레이트에 가해진 압력이 영점 조절용 로드셀 센서(17)로 전해져서 이에 발생한 신호가 로드셀 검출 센서 보드(61)로 보내어 지고(S64), 조형 플레이트(15)의 하강은 멈추게 된다(S65).
로드셀 검출 센서 보드(61)로 전송된 영점 조절용 로드셀 센서(17)의 검출 신호 정보는, 통합 컨트롤 보드(62)에서 3D 프린팅을 시작할 offset 값으로 변환되어 저장된다(S66). 이러한 offset 값은 다시 구동 프로그램으로 전달되어 수조별 맞춤 영점 조절을 결정하고(S67), 이후 통합 컨트롤 보드(62)에서 z축 스텝 모터(19)를 제어하여 조형 플레이트(15)를 상승 시킨다(S68).
추가로 더 사용될 수조가 없는 경우에는, 더 이상의 이러한 영점 조절 과정 없이 다음 단계인 바이오 3D 프린팅 공정을 수행한다(S69, No).
반면, 추가 수조가 더 사용될 경우(S69, Yes)에는, 회전용 스텝 모터(42)와 연결된 회전 기어 박스(41)를 통해 수조 장착 상판(31)을 회전시켜, 추가로 더 사용될 수조를 조형 플레이트(15)와 빔 프로젝터(51)의 사이로 이동시킨다(S70).
상기 수조 장착 상판(31)의 회전은, 통합 컨트롤 보드(62)에서 수조 장착 상판 회전용 스텝모터 컨트롤 보드(63)로 작동 신호를 전송하여 수행되며, 이후 과정은 도 6에 제시된 순서도의 S61 단계에서 S68 단계까지의 과정이 반복된다. 이러한 반복과정 이후, 추가로 사용될 수조가 없을 때까지, 더 이상의 영점 조절 과정 없이 다음 단계인 프린팅 과정으로 진행한다(S69, No).
수조 장착 상판(31)의 회전 속도 및 방향 순서는, 회전 기어 박스(41), 회전용 스텝 모터(42), 통합 컨트롤 보드(62) 및 회전용 스텝모터 컨트롤 보드(63)에 의해서 조절되며, 최고 작동 속도 및 최소 운전 시간으로 구동될 수 있도록 프로그래밍 되어 프린팅 시간을 단축 시킬 수 있다.
이러한 프린팅 과정은 도 6에 제시된 순서도의 단계 S71 내지 단계 S83의 순서로 진행되며, 각 단계를 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저 앞서 살펴본 영점 조절 단계(S61 내지 S70)가 수행되어 사용될 모든 수조의 영점 조절이 끝난 이후에, 사용될 수조(들)에 바이오 잉크 채운다(S71). 조형 플레이트(15)가 하강하면서 프린팅이 시작되며(S72), 하강하는 조형 플레이트(15)가 조형 수조에 침지되고(S73), 조형층 위치에 멈추게 된다(S74).
이때 통합 컨트롤 보드(62)에서 3차원 구조체의 슬라이싱 파일 영상을 빔 프로젝터(51)에 전송하여 조형물을 생성하게 된다(S76).
다중 3D 프린팅을 위해, 복수 개의 수조를 사용해야 할 경우(S77)에는, 조형 플레이트(15)를 상승 시키고(S78), 수조 장착 상판 회전용 스텝모터(42)와 연동된 회전 기어 박스(41)를 통해 수조 장착 상판을 회전시킴으로써(S79), 추가로 사용될 바이오 잉크가 채워진 수조를 조형 플레이트(15)와 빔 프로젝터(51)의 사이로 위치시킨다(S80). 상기 수조 장착 상판 회전용 스텝모터(42)는 통합 컨트롤 보드(62) 및 수조 장착 상판 회전용 스텝모터 컨트롤 보드(63)를 통해 작동이 제어된다.
이후 다시 도 6에 제시된 S72 단계에서 S76 단계까지의 과정이 반복 진행되며, 계속적으로 추가로 더 바이오 잉크가 채워진 수조의 사용이 필요한 경우에는 이상의 설명된 과정을 반복되면서 조형물을 완성하게 된다.
더 이상의 바이오 잉크가 채워진 수조가 필요하지 않은 경우(S77)에는, 조형 플레이트가 상승하여 다음 층을 프린팅할 준비 단계를 수행하고(S81), 조형물이 완성되지 않았을 경우에는, 기 살펴본 S72 단계 내지 S77 단계의 과정이 반복 진행되며, 최종 조형물이 완성된 후에는 프린팅 공정을 종료한다(S83).
이상과 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태들을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서도 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구체적인 실시 형태들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 해석되어야 한다.
11: z축 조인트 12: z축 연결 조형 플레이트 바
13: 조형 플레이트 연결바 14: 조형 플레이트 결합 플레이트
15: 조형 플레이트 16: 조형 플레이트 고정 나사
17: 로드셀 센서 18: z 축 스크류
19: z 축 스텝 모터 21: 수조 마그네틱
22: 수조 23: 테플론 필름
24: 테플론 필름 고정 나사 25: 테플론 필름 고정 플레이트
31: 수조 장착 상판 32: 석영 유리판
33: 테플론 필름 유착 방지 환기틈 34: 수조 장착 상판 마그네틱
41: 회전 기어 박스 42: 회전용 스텝 모터
51: 빔 프로젝터 61: 로드셀 검출 센서 보드
62: 통합 컨트롤 보드 63: 회전용 스텝 모터 컨트롤 보드

Claims (8)

  1. 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치에 있어서,
    조형 플레이트(15)가 결합된 조형 플레이트 연결바(13);
    상기 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 승강 및 하강시키는 z축 스크류(18)와 연결된 z축 스텝 모터(19);
    상면에 복수의 수조(22)가 탈착 및 부착이 가능하도록 결합되는 수조 고정부를 포함하고, 하부에 회전 기어박스(41)가 연결된 수조 장착 상판(31); 및
    상기 수조 장착 상판(31)의 하부에서 선택된 수조(22)를 향해 빛을 조사하는 빔 프로젝터(51);를 포함하고,
    상기 수조 장착 상판(31)은, 하부에 연결된 회전 기어박스(41)를 통해 회전하되, 수조 장착 상판(31)에 결합된 복수의 수조 각각에 대해 다른 세포 혹은 재료를 프린팅 할 수 있으며,
    상기 수조 장착 상판(31)에는, 공기가 자연스럽게 테플론 필름(23)과 석영 유리판(32) 사이로 유입되어, 테플론 필름(23)의 뒤틀림(warping)을 유도하도록, 상기 석영 유리판(32)의 양쪽 단부에 각각 테플론 필름 유착 방지 환기틈(33)이 형성되고,
    상기 수조(22)의 하면과 수조 장착 상판(31)의 수조 고정부에는 각각 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34)이 내장되어, 수조(22)와 수조 장착 상판(31)이 자기적으로 고정되며, 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34) 사이에는 추가 공차가 존재하여 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34)이 서로 부딪치지 않는 것을 특징으로 하는, 다중 세포 및 재료 프린팅이 가능한 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조형 플레이트 연결바(13)의 내부에는 로드셀 센서(17)가 위치하여,
    상기 z축 스크류(18)의 하강에 의해 수조(22)와 조형 플레이트(15)의 접촉을 감지하는 것을 특징으로 하는, 다중 세포 및 재료 프린팅이 가능한 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수조(22)는, 테플론 필름 고정 플레이트(25)와 테플론 필름 고정 나사(24)를 통해 내부 저면에 테플론 필름이 고정되는 것을 특징으로 하는, 다중 세포 및 재료 프린팅이 가능한 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 기재된 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 장치를 사용한 프린팅 방법에 있어서,
    프린팅 공정이 수행될 제1 및 제2 수조(22)를 선택하여 수조 장착 상판(31)에 고정하는 단계(S61);
    상기 제1 및 제2 수조(22)에 각각 제1 및 제2 바이오 잉크를 채우는 단계(S71);
    z축 스텝 모터(19)를 구동시켜 z축 스크류(18)를 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 이동시켜, 상기 조형 플레이트 연결바(13)에 결합된 조형 플레이트(15)를 하강 시키는 단계(S72);
    상기 조형 플레이트(15)를 제1 수조(22)에 침지시켜, 조형층 위치로 위치시키는 단계(S74); 및
    빔 프로젝터(51)를 사용하여 빛을 제1 수조에 조사하여 조형물을 생성하는 단계(S76);를 포함하고,
    조형 플레이트(15)를 상승 시킨 후, 회전 기어박스(41)를 사용하여 수조 장착 상판(31)을 회전 시키는 단계(S79);
    조형 플레이트(15)를 제2 수조(22)에 침지되도록 하강시켜, 조형층 위치로 위치시키는 단계; 및
    빔 프로젝터(51)를 사용하여 빛을 제2 수조에 조사하여 조형물을 생성하는 단계;를 포함하고,
    상기 수조 장착 상판(31)에는, 공기가 유입되어, 테플론 필름(23)의 뒤틀림(warping)을 유도하도록, 석영 유리판(32)의 양쪽 단부에 각각 테플론 필름 유착 방지 환기틈(33)이 형성되고,
    상기 제1 및 제2 수조(22)의 하면과 수조 장착 상판(31)의 수조 고정부에는 각각 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34)이 내장되어, 수조와 수조 장착 상판(31)이 자기적으로 고정되며, 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34) 사이에는 추가 공차가 존재하여 수조 마그네틱(21)과 상판 마그네틱(34)이 서로 부딪치지 않는 것을 특징으로 하는, 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수조(22)를 선택하여 수조 장착 상판(31)에 고정하는 단계;와 상기 제1 및 제2 수조(22)에 각각 제1 및 제2 바이오 잉크를 채우는 단계;의 사이에,
    z축 스텝 모터(19)를 구동시켜 z축 스크류(18)를 조형 플레이트 연결바(13)를 수직 방향으로 이동시켜, 상기 조형 플레이트 연결바(13)에 결합된 조형 플레이트(15)를 하강 시키는 단계(S62);
    상기 조형 플레이트(15)를 선택된 수조의 내부 바닥면에 접촉시키는 단계(S63);
    상기 조형 플레이트 연결바(13)의 내부에 위치하는 로드셀 센서(17)가 접촉을 감지하고, 조형 플레이트(15)의 하강을 중지하는 단계(S65);
    로드셀 센서(17)가 감지한 센서 정보를 토대로, 3D 프린팅을 시작할 offset 값으로 저장하는 단계(S67); 및
    조형 플레이트(15)를 상승 시키는 단계(S68);를 포함하는 영점 조절 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는, 바이오 DLP(digital lighting processing) 3D 프린팅 방법.
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