KR102479172B1 - 다종소재 동축 출력 3d 프린터를 이용한 인공 근육 제작 방법 - Google Patents

다종소재 동축 출력 3d 프린터를 이용한 인공 근육 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 다양한 실시 예들은 다종소재 동축 출력 3D 프린터 및 이를 이용한 인공 근육 제작 방법에 관한 것이다.
일 실시 예에 따르면, 3D 프린터를 이용하여 튜브를 생성하는 방법은 3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 구성되고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부는 제2 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작 및 생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하는 동작을 포함할 수 있다.

Description

다종소재 동축 출력 3D 프린터를 이용한 인공 근육 제작 방법{Artificial Muscle Manufacturing Method through Multi-Material 3D Printer Using Co-axial Fiber Extrusion Nozzle}
본 개시의 다양한 실시 예들은 다종소재 동축 출력 3D 프린터를 이용한 인공 근육 제작 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술은 절삭 가공, 금속/플라스틱 성형, 프레스 가공 등의 전통적인 제조 방법에서 벗어나 4차 산업 혁명의 한 축으로 자리잡고 있다.
3D 프린팅 기술로는 SLS(selective laser sintering), SLA(stereolithography), FFF(fused filament fabrication) 방식이 일반적으로 널리 사용되고 있는데, 보급형으로 쓰이는 대부분의 3D 프린팅 기술은 FFF 방식을 사용하고 있다. FFF 방식은 소재를 가열된 노즐을 통해 압출하고, 압출되는 소재를 적층하는 방식으로 바닥부터 레이어를 쌓아가며 제품을 만드는 것일 수 있다. FFF 방식의 3D 프린팅 기술은 자동차, 항공, 국방, 의료, 건축, 패션 등의 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 최근에는 소재 출력 단계에서 여러 개의 소재를 한번에 출력함으로써 복잡한 형태의 3D 형상을 구현하는 다종소재 3D 프린팅 기술이 활발히 개발되고 있다.
한편, 인간의 자세를 유지하거나 신체의 일부분을 움직일 때 사용되는 모든 근육을 골격근이라고 한다. 골격에 부착되어 있으며 능동적인 수축과 이완에 따라 다양한 인체의 운동을 가능하게 해주는 근육을 통해 인간은 활동할 수 있다.
최근 인간형 로봇 혹은 웨어러블 기기와 같이 다양한 분야에서 인간의 골격근을 모사하는 인공 근육이 사용되고 있다. 공압, 유압, 온도 빛 등등의 다양한 구동 방법들을 가진 인공 근육들이 개발되어 왔고, 소프트 로봇, 그리퍼, 발전기, 촉각 센서 등 많은 분야에서 활용되고 있다.
본 개시에서는 종래의 인공 근육에 비하여 구동 시간, 가벼운 무게, 작은 사이즈의 우수한 장점들을 가지는 공압/유압 기반의 인공 근육 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 개시에서는 구동 시간, 가벼운 무게, 작은 사이즈의 우수한 장점들을 가지는 공압/유압 기반의 인공 근육 제조할 수 있는 동축 섬유 압출 방식의 다종 소재 3D 프린팅 기술을 제공하고자 한다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따른 3D 프린터를 이용하여 튜브를 생성하는 방법은 3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 구성되고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부는 제2 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작 및 생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따른 3D 프린터를 이용하여 인공 근육을 생성하는 방법은 3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 구성되고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부의 제1면은 제2 소재로 구성되고, 상기 외경부의 제2면은 제3 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작 및 생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하여 인공근육 튜브를 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따라 제작된 인공 근육은 소프트 로봇, 그리퍼 및 액추에이터, 검사용 내시경, 서포트 슈즈, 웨어러블 의료 기기, 촉각 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따라 제작된 인공 근육은 사람의 손을 보조하고 재활에 도움을 줄 수 있는 인공 근육 기반 손가락 혹은 발목 보조기로 활용될 수 있으며, 기존 모터와 비교하였을 때, 가벼운 무게와 다양한 구동 범위로 인하여 재활 치료를 필요로 하는 이들에게 편리함을 제공해 줄 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따라 제작된 인공 근육은 내부와 카메라와 줄을 감싸는 내시경용 피복으로 사용될 수 있으며, 현재의 금속 내시경에 비하여 유연하고, 액추에이팅이 가능한 구조로 설계되어 내시경을 받는 사람 및 시술자의 편익을 도모할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 다종섬유 동축 출력 방식을 적용한 3D 프린터의 블록도를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 3D 프린터의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 3은 헤더(500)의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 연결부의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 노즐부의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 노즐부(520)의 노즐에서의 단면도를 도시한 도면이다.
도 7은 노즐캡의 변경에 따라 상이한 출력물이 출력되는 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 인공 근육 튜브를 생성하기 위한 방법을 도시한 도면이다.
도 9는 3D 프린터에 의해 생성된 동축 다종 소재 파이버의 예들을 도시한 도면이다.
도 10은 동축 다종 소재 파이버에서 중심부 소재를 제거한 예를 도시한 도면이다.
도 11은 삼각파 형태로 생성된 동축 다종 소재 파이버를 도시한 도면이다.
도 12는 튜브의 일부와 나머지 일부가 서로 상이한 소재로 형성된 인공 근육의 예들을 도시한 도면이다.
도 13은 다중 소재 인공 근육에 공기 챔버를 부가하여 생성한 예를 도시한 도면이다.
도 14는 손가락 인공 근육의 동작 예를 도시한 도면이다.
도 15는 도 8에 도시된 동작에 따라 생성한 튜브를 이용하여 리니어 액추에이터(linear actuator) 형태의 인공 근육을 형성한 예를 도시한 도면이다.
도 16은 이두근과 삼두근 형태의 인공 근육을 통해 인간의 팔 동작을 모사한 예를 도시한 도면이다.
본 개시물의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 장치 및 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시물은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 개시물의 개시가 완전하도록 하며, 본 개시물이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시물의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시물은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 구성 요소와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소를 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시물을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제 1, 제 2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다.
따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성 요소는 본 개시물의 기술적 사상 내에서 제2 구성 요소 일 수도 있음은 물론이다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시물이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 실시 예에서 사용되는 '부' 또는 '모듈'이라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부' 또는 '모듈'은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부' 또는 '모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부' 또는 '모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들로 더 분리될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 다종섬유 동축 출력 방식을 적용한 3D 프린터의 블록도를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 3D 프린터의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 3D 프린터(1000)는 제어부(100), 압출부(200), 성형부(300), 필라멘트(400), 헤더(500) 및 베드(600)를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 개시의 실시 예가 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 전술한 3D 프린터(1000)의 구성요소 중 적어도 하나가 생략되거나 또는 하나 이상의 다른 구성 요소가 추가될 수도 있다. 또는 복수의 구성 요소가 결합되어 하나의 구성 요소도 동작할 수도 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 베드(bed)(600)는 3D 프린터의 출력물이 놓이는 곳으로 헤더(500)에 있는 노즐을 통과한 필라멘트(400)가 안착되면서 성형되는 곳일 수 있다. 베드(600)는 출력물의 성형을 위하여 성형부(300)의 조작에 따라, X, Y, Z출 중 적어도 하나를 따라 이동할 수 있다. 일 실시 예에 따라 베드(600)에는 일정한 열을 가지도록 가열될 수 있다.
필라멘트(400)는 3D 출력물의 재료가 되는 소재이다. FFF(fused filament fabrication) 방식에서 노즐이 출력 가능한 모든 열가소성 물질이 소재로 사용될 수 있으며, 열 경화성 레진, 액체금속, 금속 분말, 유리 또는 탄소 섬유 등과 같은 섬유성 소재도 사용될 수 있다. 예를 들면, FFF 방식에서 주로 사용하는 필라멘트는 PLA(polylactic acid) 또는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene)일 수 있으며 이외에도 PVA(polyvinyl acetate), HIPS(high impact polystyrene), TPU(thermoplastic poly urethane), PETG(glycol modified polyethylene terephthalate), 나일론(nylon), PC(polycarbonate) 등이 3D 프린터의 소재로 사용될 수 있다.
본 개시에 제안하는 3D 프린터는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 필라멘트를 사용할 수 있다. 일 실시 예에 따라 복수의 필라멘트 각각은 생성하고자 하는 출력물의 용도에 따라 서로 상이한 소재일 수도 있고, 동일한 소재일 수도 있다.
압출부(200)는 3D 출력물의 재료가 되는 필라멘트(400)를 노즐에 공급할 수 있다. 본 개시에서 제안하는 3D 프린터(1000)는 FFF 방식을 활용하여 서로 다른 물성을 갖는 열가소성 필라멘트를 한 개의 노즐에서 동시에 동축(coaxial) 형상의 출력물로 출력 가능하면서도 외경의 직경을 용이하게 변환 가능하도록 할 수 있다. 이를 위하여 압출부(200)는 동일한 소재 또는 서로 상이한 소재의 복수의 필라멘트를 헤더(500)의 노즐로 제공할 수 있어야 한다. 따라서, 압출부(200)는 복수의 압출 모터(200a, 200b, 200c)를 구비할 수 있다. 복수의 압출 모터(200a, 200b, 200c) 각각은 하나의 필라멘트를 헤더(500)의 노즐에 제공할 수 있다. 이때, 출력물의 설계도면에 기초하여 복수의 필라멘트 각각이 노즐로 제공되어야 하는 양이 다를 수 있으며, 이는 복수의 압출 모터(200a, 200b, 200c) 각각을 개별적으로 제어함으로써 가능할 수 있다.
성형부(300)는 설계 도면에 따라 출력물이 형성될 수 있도록 헤더(500)의 노즐에서 용융되어 토출되는 소재가 안착하는 위치를 결정하기 위하여 헤더(500) 또는 베드(600)를 이송할 수 있다. 예를 들면 도 2의 베드(600) 아래에 있는 지지물을 모터를 이용하여 X, Y 또는 Z 방향으로 이송시킬 수 있다. 또는 헤더(500)가 부착된 지지물을 모터를 이용하여 X, Y 또는 Z 방향 중 적어도 하나의 방향으로 이송시킬 수 있다. 일 실시 예에 따라, 성형부(300)는 X축 방향으로의 이동을 수행하는 X축 모터, Y축 방향으로의 이동을 수행하는 Y축 모터, Z축 방향으로의 이동을 수행하는 Z축 모터를 구비할 수 있다.
성형부(300)는 카르테시안(cartesian) 제어, 델타(delta) 제어, 폴라(polar) 제어에 기초하여 제어될 수 있다.
제어부(100)는 성형부(300) 및 압출부(200)를 제어할 수 있다.
제어부(100)는 3D 출력물에 적용되는 복수 소재의 혼합비에 따라 압출부(200)의 복수의 압출 모터(200a, 200b, 200c)에 제어 신호를 전송하여 설계에 따른 혼합비에 맞게 필라멘트(400)가 헤더(500)의 노즐로 공급되도록 할 수 있다. 예를 들면, 제어부(100)는 압출부(200)의 복수의 압출 모터(200a, 200b, 200c) 각각에 대해 회전 속도 또는 주기적 회전 속도의 변화와 같은 제어 신호를 제공하여 복수의 압출 모터(200a, 200b, 200c) 각각이 헤더(500)의 노즐에 공급하는 각 필라멘트(400)의 양을 조정하도록 할 수 있다.
제어부(100)는 3D 출력물의 성형을 위하여 헤더(500)의 노즐에서 토출되는 용융된 소재가 놓이게 될 베드(600) 상의 위치를 결정하고, 해당 위치 상에 노즐이 위치하도록 성형부(300)로 헤더(500) 또는 베드(600)를 이송시키기 위한 제어 정보를 전달할 수 있다. 제어부(100)는 카르테시안(cartesian) 제어, 델타(delta) 제어, 또는 폴라(polar) 제어에 기초하여 제어 정보를 생성하고 성형부(300)로 전달할 수 있다.
카르테시안 제어는 헤더(500)와 베드(600)가 X, Y, Z축을 나누어 담당하여 움직이는 구동 방식에 대한 제어일 수 있다. 예를 들면, 헤더(500)는 X축, Y축으로의 이동을 담당하고, 베드(600)는 Z축으로의 이동만을 담당하거나, 또는 헤더(500)는 X축과 Z축으로의 이동을 담당하고 베드(600)는 Y축으로의 이동만을 담당하거나, 또는 헤더(500)는 Z축으로의 이동을 담당하고 베드(600)는 X축과 Y축으로의 이동을 담당할 수 있다.
델타 제어는 베드(600)는 고정되어 있고, 헤더(500)만이 X축, Y축, Z축으로 한번에 움직이도록 하는 제어 방식이다.
폴라 제어는 X, Y, Z축 대신에 극좌표를 사용하여 제어하는 방식일 수 있다.
제어부(100)는 추가적으로 사용자의 입력을 수신하고, 진행 상황 등을 제공할 수 있는 입출력 장치를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 입출력 장치는 터치 기능이 구비된 모니터일 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 제어부(100)는 퍼스널 컴퓨터일 수 있으며, 이 경우 입출력 장치는 퍼스널 컴퓨터에 부가되어 있는 것일 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 제어부(100)는 노트북, 테블릿, 스마트폰일 수도 있다.
헤더(500)는 압출부(200)로부터 공급받은 원료 필라멘트를 가열해 용융하고 토출할 수 있다.
도 3은 헤더(500)의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 헤더(500)는 노즐부(520)와 복수의 연결부(510a, 510b, 510c)를 포함할 수 있다.
복수의 연결부(510a, 510b, 510c)는 압출부(200)에서 제공하는 복수의 필라멘트를 공급받는 부분일 수 있다. 압출부(200)에서 제공하는 필라멘트의 개수에 따라 연결부의 개수가 결정될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 압출부(200)와 헤더(500)가 어느 정도 거리를 두고 떨어져 있는 경우 테프론 튜브(teflon tube)를 이용하여 필라멘트가 공급될 수 있다. 테프론은 PTFE(po,y tetra fluoro ethylene)의 상품명이나 PTFE를 테프론으로 일반적으로 칭해지고 있다. 테프론은 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합을 통해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 화학적 비활성, 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특정을 가지고 있어 높은 온도로 가열되는 노즐부(520)까지 필라멘트를 전달하는데 상당히 유용할 수 있다.
도 3에 도시된 선(530)은 온도계를 연결하기 위한 것일 수 있다.
도 4는 연결부의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면 연결부(510)는 홀더(holder)(513), 히트 브레이크(heat break)(515), 및 방열판(heat sink)(511)을 포함할 수 있다.
필라멘트를 공급하기 위해 압출부(200)와 헤더(500) 사이에 연결된 테프론 튜브는 홀더(513), 방열판(511), 히트 브레이크(515)를 관통하여 노즐부(520)까지 연결될 수 있다.
이때 홀더(513)는 테프론 튜브를 고정시켜 주는 기능을 수행하여, 헤더(500)가 성형을 위하여 이송되더라도 테프론 튜브를 안정적으로 고정시켜 재료가 되는 필라멘트가 압출부(200)에서 노즐부(520)로 안정적으로 공급되도록 할 수 있다.
히트 브레이크(515)는 필라멘트를 녹이기 위해 가열되는 노즐부(520)의 열이 방열판(511) 및 테프론 튜브로 전달되는 것을 최소화하기 위한 것이고, 방열판(511)은 테프론 튜브로 전달된 열을 방출시키기 위해 사용될 수 있다.
도 5는 노즐부의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 노즐부(520)는 노즐바디(529)와 노즐캡(527)으로 구성될 수 있다. 노즐바디(529)와 노즐캡(527)은 서로 분리되어 있고 조립될 수 있다. 하지만 다른 실시 예에 따라 노즐바디(529) 및 노즐캡(527)이 일체형으로 구성될 수 있다.
조립 분해가 가능한 노즐바디(529)와 노즐캡(527)으로 인해, 다양한 형상의 노즐캡(527)을 구비하여 출력되는 물질의 두께를 변동시킬 수 있고, 필라멘트의 접합부와 단면 구성을 변화시켜 출력물의 굽힘 특성을 다양하게 형성할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
또한, 노즐바디(529)와 노즐캡(527)을 분리하여 가공할 수 있음에 따라 다양한 형상의 노즐캡(527)을 CNC 가공 방법에 기반한 3축 가공을 통해 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있고, 또한, 노즐바디(529)와 노즐캡(527) 청소도 용이하게 수행할 수 있어 장기간 사용이 가능하도록 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 노즐바디(529)는 필라멘트 공급부(521a, 521b, 521c), 온도계 보관용 홀(522) 및 고정홀(523), 히터부(524), 히터고정용 홀(525a, 525b), 중심부 노즐(526)을 포함할 수 있다.
필라멘트 공급부(521a, 521b, 521c)에는 도 4에 도시된 연결부가 결합되어 압출부(200)로부터 전달되는 필라멘트가 공급될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 필라멘트 공급부(521a, 521b, 521c)는 노즐바디(529)에 일렬로 배치될 수 있다. 종래의 필라멘트 공급부는 3개의 공급부가 각각 120도의 각도를 형성하면서 가상의 원을 형성하도록 되어 있는 것이 일반적이나, 본 개시에서는 필라멘트 공급부(521a, 521b, 521c)가 노즐바디(529)에 하나의 가상의 선분 상에 일렬로 배치되는 것을 제안한다. 이러한 배치를 통해 복수 소재가 섞이지 않으면서 동축의 형상을 형성하는 것이 가능할 수 있다.
온도계 보관용 홀(522)에는 온도계가 구비되고, 노즐이 필라멘트를 녹일 수 있을 정도의 일정한 온도를 유지하는 지를 점검할 수 있다. 고정홀(523)은 온도계가 이동하지 않도록 고정시킬 수 있다.
히터부(524)에는 노즐을 가열할 수 있는 히터가 구비되고, 제어부(100)는 온도계로 측정한 노즐의 온도에 기초하여 히터의 발열량을 제어할 수 있다. 히터고정용 홀(525a, 525b)은 노즐바디(529)의 상면과 배면에 구비되고 나사 등을 이용하여 노즐바디(529)의 후면의 간격을 좁혀 히터부(524)에 구비되는 히터가 이동하지 않도록 고정할 수 있다.
노즐바디(529)는 중심부 노즐(526)을 포함하고, 노즐캡(527)은 외경부 노즐일 수 있다. 중심부 노즐(526)에서 토출된 소재는 출력물의 중심부를 형성하고 노즐캡(527)은 통해 토출된 소재는 출력물의 중심부를 둘러싸는 외경부를 형성할 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 노즐캡(527)의 구조에 따라 외경부는 중심부를 제1 외경부 및 제1 외경부를 둘러싸는 제2 외경부로 추가적으로 구분될 수 있다. 따라서, 본 개시에서 제안하는 노줄 구조에 기초하면, 토출되어 생성되는 출력물은 동축 형상일 수 있으며, 동축 형상의 중심부와 중심부를 둘러싸는 외경부는 노즐의 서로 다른 부분에 의하여 생성되고, 그 결과 동시에 서로 다른 소재를 공급하는 경우 서로 다른 소재로 형성되는 것이 가능할 수 있다.
도 5에는 미도시되어 있지만 노즐바디(529)와 노즐캡(527)이 결착하는 부분에 누수를 방지하기 위해 테프론 테이프가 추가될 수 있다.
노즐캡(527)은 나사, 걸쇠 등 기계적 탈부착 가능한 다양한 방법을 사용하여 노즐바디(529)와 결합할 수 있다.
3D 프린터에서 출력물의 두께 및 형상이 물성과 물체의 거동 및 출력물의 표면 거칠기에 영향을 주므로, 탈부착 가능한 서로 다른 크기의 노즐캡(527) 또는 형상 변경 가능한 노즐캡(527)을 사용함으로써 원하는 형상 및 출력물의 물성과 특징을 조절할 수 있다.
도 5의 예에서는 3개의 필라멘트 공급부(521a, 521b, 521c)를 도시하고 있지만, 3개 이상의 필라멘트 공급부가 구비될 수 있다.
도 6은 노즐부(520)의 노즐에서의 단면도를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 노즐바디(529)의 필라멘트 공급부(521a)를 통해 공급되는 필라멘트는 토출부의 중심부로 토출되고, 필라멘트 공급부(521b, 521c)를 통해 공급된 필라멘트는 노즐캡(527)과 노즐바디(529)로 형성되는 노즐을 통해 외경부로 토출될 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 노즐캡의 변경에 따라 상이한 출력물이 출력되는 예를 도시한 도면이다.
도 7의 (a)는 노즐캡(527)에 형성되어 있는 토출구의 직경이 0.5mm인 경우의 노즐 단면도를 도시하고, (b)는 토출구의 직경이 0.5mm인 경우의 출력물을 도시하고, (c)는 노즐캡(527)에 형성되어 있는 토출구의 직경이 2mm인 경우의 노즐 단면도를 도시하고, (d)는 토출구의 직경이 2mm인 경우의 출력물을 도시한다.
도 7을 참조하면, 토출구의 직경이 0.5mm인 노즐캡(527)을 사용하는 경우 직경이 대략 0.6mm의 출력물이 생성되고, 토출구의 직경이 2mm인 노즐캡(527)을 사용하는 경우 직경이 대략 1.8mm의 출력물이 생성될 수 있다.
도 7의 예에서 필라멘트 공급부(521b, 521c)를 통해 공급되는 필라멘트를 동일한 소재로 구성하여 외경부가 동일한 물질로 형성되는 것을 도시하고 있다. 다른 일 실시 예에 따라 도 8에 도시된 것처럼 필라멘트 공급부(521b)와 필라멘트 공급부(521c)를 통해 공급되는 필라멘트를 다른 소재로 구성할 수 있고, 외경부의 일측 반원과 반대측 반원이 서로 다른 물질로 형성되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이 도 1에 도시된 다종섬유 동축 출력 방식을 활용한 3D 프린터는 단면이 동축이고 중심부와 중심부를 둘러싸는 외경부로 구성되는 출력물을 생성할 수 있다. 그리고 이를 이용하여 중심부가 뚫린 튜브 형상의 파이버(fiber)를 획득할 수 있다.
도 8은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 인공 근육 튜브를 생성하기 위한 방법을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 동작 S810에서, 동축 다종 소재 파이버를 생성할 수 있다.
동축 다종 소재 파이버는 다종섬유 동축 출력 방식을 적용한 3D 프린터에 의하여 생성할 수 있다.
도 9는 3D 프린터에 의해 생성된 동축 다종 소재 파이버의 예들을 도시한 도면이다.
도 9의 (a)를 참조하면, 동축 다종 소재 파이버는 중심부(920)의 소재와 중심부를 둘러싸고 있는 외경부(910)의 소재가 상이한 것일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 외경부의 소재는 TPU 또는 열가소성 엘라스토머(Thermo Plastic Elastomer, TPE)일 수 있고 중심부의 소재는 ABS 또는 PVA일 수 있다. 다른 일 실시 예에 따르면, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 외경부 자체도 두 개의 상이한 소재를 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들면 외경부의 일부(911)는 TPU 95A의 소재를 사용하고 외경부의 나머지 일부(913)는 TPU 87A를 사용할 수 있다. TPU 95A와 TPU 87A는 각각이 가지는 탄성에 있어서 차이가 있을 수 있다.
한편, FFF 방식의 3D 프린팅 전용 소재들은 상온에서 장기간 보관되면 습기를 흡수하는 특징이 있다. 그리고 습기가 있는 필라멘트들이 200도 정도의 고온 노즐을 통과하게 되면 100도 이상에서 증발하는 습기의 성질에 의하여 출력물에 구멍을 내면서 증발할 수 있고, 그에 따라 누수가 일어나는 현상이 발생할 수 있다. 그래서 3D 프린터에 인가되는 필라멘트는 미리 습기가 제거되어 인가될 필요가 있다.
다시 도 8을 참조하면, 동작 S820에서, 다종 소재 파이버의 중심부 소재를 제거하여 튜브 형상의 파이버를 획득할 수 있다.
일 실시 예에 따라 동축 다종 소재 파이버의 중심부 소재가 ABS인 경우, 유리컵 등과 같은 보관함 안에 동작 S810에서 생성한 동축 다종 소재 파이버를 보관하고, 상온에서 증발하는 아세톤을 부가하여 12시간정도 두면 중심부 소재인 ABS를 제거할 수 있다. 또 다른 방법으로 80도로 아세톤을 가열한 후 증기를 동축 다종 소재 파이버에 인가하면 ABS 코어를 제거할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라 동축 다종 소재 파이버의 중심부 소재가 PVA인 경우, 동작 S810에서 생성한 동축 다종 소재 파이버를 유리컵이나 비이커에 넣고 90도 정도의 물에 1시간 정도를 유지하면, 물에 반응하지 않는 TPE는 물리적 형태를 유지하지만 물에 녹는 PVA는 겔의 형태로 바뀌게 된다. 다른 일 실시 예에 따라, 15분 정도 음파 처리를 하면 중심부 소재인 PVA가 좀 더 빠르게 겔의 형태로 변환될 수 있다. 튜브 내의 PVA 잔여물은 롤러와 같은 도구로 밀어서 TPU 또는 TPE 튜브 내에서 제거한 후 물로 튜브 내부를 청소하면 중심부 소재를 완전히 제거할 수 있다.
도 10은 동축 다종 소재 파이버에서 중심부 소재를 제거한 예를 도시한 도면이다.
도 10에 도시한 바와 같이 동작 S820을 수행한 이후에는 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 중심부 소재를 완전히 제거할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 동작 S810에서, 동축 다종 소재 파이버 생성 시에 유동 채널 형상으로 생성할 수 있다. 예를 들면, 병원에서 수액을 투입하기 위해 사용되는 튜브의 경우에는 긴 튜브를 원형으로 말아서 사용하게 된다. 원형으로 말은 이유는 환자가 수액으로부터 먼 거리로 이동하는 경우에는 말린 부분이 풀려 일자의 형태가 되므로 움직임의 자유도를 높일 수 있고, 다시 돌아오면 수액 줄을 다시 말 수 있기 때문이다.
도 11은 삼각파 형태로 생성된 동축 다종 소재 파이버를 도시한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이 동축 다종 소재 파이버를 삼각파 형상으로 생성하고 중심부 소재를 제거하면 삼각파 형상을 가지는 TPU 튜브 또는 TPE 튜브가 생성될 수 있다. 이와 같은 삼각파 형상의 튜브를 사용하면, 환자들은 튜브를 원형으로 말거나 푸는 일을 없앨 수 있다. 환자가 수액으로부터 멀리 이동하게 되면 삼각파 형상의 튜브가 자동으로 일자의 형태가 되어 길어지고, 환자가 수액 근처로 가면 자동적으로 다시 삼각파 형상으로 복원되어 환자들은 튜브를 말거나 푸는 일을 하지 않을 수 있다. 도 11의 예에서는 삼각파 형태로 생성된 동축 다종 소재 파이버를 도시하였지만, 사각 파 형태, 3차원 형태의 다양한 형태로 동축 다종 소재 파이버를 생성할 수 있다.
다중 소재 인공 근육은 두 가지 혹은 그 이상의 소재를 동일한 층에서 합치고, 두 소재의 다른 변형률 또는 탄성률을 활용하여 생성한 인공 근육을 굽히는 등의 움직임을 가지도록 할 수 있다. 예를 들면, 동작 S810에서, 동축 다종 소재 파이버를 생성시에 외경부를 형성하는 소재로 일부는 TPU 95A 소재로 나머지 일부는 TPU 87A 소재를 사용할 수 있다. 그리고 중심부 소재를 제거하면, TPU 튜브의 일면은 TPU 95A 소재로 구성되고 나머지 일면은 TPU 87A 소재로 구성될 수 있다.
도 12는 튜브의 일부와 나머지 일부가 서로 상이한 소재로 형성된 인공 근육의 예들을 도시한 도면이다.
도 12에서 검은색은 TPU 95A 소재로 구성된 부분이고 회색은 TPU 87A로 구성된 부분일 수 있다.
도 12를 참조하면, 동작 S810에서, 동축 다종 소재 파이버 생성 시에, 3D 프린터의 각각의 압출 모터(200a, 200b, 200c)가 헤더(500)의 노즐로 공급하는 필라멘트의 양을 조절하면 도12에 도시된 바와 같이 다양한 두께를 가지는 튜브를 생성하거나 또는 다양한 TPU 95A와 TPU 87A의 비율을 가진 튜브를 생성할 수 있다.
도 12에 도시된 것과 같은 서로 다른 비율의 2가지 소재로 구성된 튜브 내부에 동일한 압력을 인하면, 각 소재가 가지고 있는 탄성률에 따라, 서로 상이한 변형을 보일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 동일한 응력이 주어졌을 때 TPU 95A의 변형보다 TPU 87A의 변형이 더욱 크기 때문에 튜브가 변형이 작은 TPU 95A 소재로 구성된 쪽으로 구부려지게 될 수 있다.
도 13은 다중 소재 인공 근육에 공기 챔버를 부가하여 생성한 예를 도시한 도면이다.
도 13에 도시된 동축 다종 소재 파이버는 검은색의 ABS 중심부 소재와 TPE의 외경부 소재로 구성된 것일 수 있다. 따라서, 검은 색으로 보이는 부분은 ABS 소재가 더 많이 공급되고, 상대적으로 TPE 소재가 더 적게 공급된 부분일 수 있다. 동작 S810에서 동축 다종 소재 파이버 생성 시에 일정 주시기로 중심부의 직경을 변화시키도록 한다면 튜브의 특정 영역에서의 내부 공간을 다른 영역에 비하여 크게 가질 수 있다. 이와 같은 중심부의 직경 변화는 설계 도면에 따라 제어부(100)에서 특정 압출 모터(200a)의 회전 속도를 해당 영역에서 빨리하여 공급하는 중심부 소재의 양을 늘림으로써 이루어질 수 있다. 즉, 다중 소재 인공 근육의 공기 챔버는 인위적으로 원하는 주기 및 형태를 설계할 수 있고, 그에 맞추어 제어하도록 프로그래밍함으로써 형성될 수 있다.
도 13의 예에서, 중심부 소재인 ABS를 제거하면 ABS가 많이 공급된 영역에서는 TPE가 적고, ABS가 적게 공급된 영역에서는 TPE가 많을 수 있다. TPE가 많은 경우에는 잘 늘어나지 않는 반면에 TPE가 적은 영역에서는 더 잘 늘어날 수 있다. 이처럼 공기 챔버를 인위적으로 구성하면 McKibben 인공 근육과 같이 수축 이완을 극대화할 수 있다.
튜브가 두 개 이상의 다른 소재로 구성된 인공 근육 내부에 압력을 인가하면 영 계수가 낮은 소재의 변형이 크다. 그리고 원한 주기로 공기 챔버를 더 부가한다면 변형과 구부러지는 효과를 극대화할 수 있다. 이때, 공기 챔버는 손가락의 관절과 같이 사용할 수 있다. 즉, 위에 말한 바와 같이 공기 챔버가 형성되지 않은 영역은 TPE가 많아서 잘 늘어나지 않는 반면에 공기 챔버가 형성된 영역은 TPE가 적어 잘 늘어날 수 있다. 따라서, 공기 챔버가 형성된 영역이 먼저 용이하게 변형하여 손가락의 관절과 같은 역할을 수행할 수 있다.
도 14는 손가락 인공 근육의 동작 예를 도시한 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이 손가락 인공 근육으로 동작하는 튜브는 일면(1410)이 TPU 87A로 형성될 수 있고, 다른 일면(1420)은 TPU 95A로 형성될 수 있다. 그리고 튜브 내부에 압력이 인가되지 않은 경우에는 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이 일직선 형태를 유지할 수 있다. 그리고 튜브 내부에 압력이 인가되면 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 더 적은 변형이 일어나는 TPU 95A 소재로 구성된 일면(1420)쪽으로 구부러질 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라 튜브 내부에 압력이 인가되지 않은 경우에 도 14의(b)에 도시된 바와 같은 구부러진 형태로 있도록 튜브를 생성할 수 있다 그리고 튜브 내부에 공기 또는 액체로 압력이 인가되면 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이 펴진 형태로 변형될 수 있다. 이 경우에는 튜브의 일면(1420)이 상대적으로 변형이 더 큰 TPU 87A로 구성되고 다른 일면(1410)이 TPU 95A로 구성될 수 있다.
도 15는 도 8에 도시된 동작에 따라 생성한 튜브를 이용하여 리니어 액추에이터(linear actuator) 형태의 인공 근육을 형성한 예를 도시한 도면이다.
본 개시에 따른 3D 프린팅으로 제작된 인공 근육은 손쉽게 형상 제어가 가능할 수 있다. 도 14에 도시된 것과 같은 손가락 형태의 인공근육 2개(1510, 1520)를 동일한 소재로 구성된 면이 서로 마주보도록 하고 끝부분을 접착하면, 선형 운동이 가능한 엑추에이터를 만들 수 있다. 즉, 압력을 가하지 아니한 경우에는 일직선으로 서 있다가 압력이 인가되는 경우 양쪽으로 구부러지면서 인공 근육의 끝단이 선형 운동을 함을 알 수 있다.
도 15의 (a) 또는 (b)에 도시된 단일 액추에이터 인공 근육을 도 15의 (c)에 도시된 것과 같이 다발로 만들면 인간의 팔과 비슷한 힘을 낼 수 있어, 인간의 팔 근육을 모사한 인공 근육이 제작 가능하다.
도 16은 이두근과 삼두근 형태의 인공 근육을 통해 인간의 팔 동작을 모사한 예를 도시한 도면이다.
인간은 이두박근에 힘을 주게 되면 팔이 올라가고 삼두근에 힘을 주면 팔이 내려가게 되는데 도 16에 도시된 바와 같이 액추에이터 형태의 인공 근육 2개(1610, 1620)를 사용함으로써 동일한 현상을 모사할 수 있다.
본 개시에서 제안하는 튜브 또는 인공 근육 생성 방법은 다음과 같이 요약될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 3D 프린터를 이용하여 튜브를 생성하는 방법은 3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 구성되고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부는 제2 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작 및 생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 동축 파이버를 생성하는 동작은 노즐바디 및 다양한 형상으로 성형될 수 있고 상기 노즐바디에 결합되는 노즐캡을 포함하고, 상기 노즐바디는 직선 상에 일렬로 배치되는 3개의 필라멘트 공급부, 상기 3개의 필라멘트 공급부를 통해 공급되는 필라멘트들을 용융하기 위해 상기 노즐바디 및 노즐캡을 가열하는 히터부 및 상기 3개의 필라멘트 공급부 중의 하나인 제1 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 중심부 노즐을 포함하고, 상기 노즐캡은 상기 노즐바디와 결합되어 상기 3개의 필라멘트 공급부 중 제2 필라멘트 공급부 및 제3 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 외경부 노즐을 형성하는 3D 프린터용 노즐을 구비한 상기 3D 프린터의 상기 제1 필라멘트 공급부로 상기 제1 소재의 필라멘트를 그리고 상기 제2 필라멘트 공급부 및 상기 제3 필라멘트 공급부로 상기 제2 소재의 필라멘트를 동시에 공급하는 동작 및 상기 3D 프린터용 노즐에서 상기 제1 소재의 필라멘트 및 상기 제2 소재의 필라멘트를 용융하여 상기 중심부 노즐을 통해 상기 중심부에 상기 제1 소재를 토출하고, 상기 외경부 노즐을 통해 상기 중심부를 둘러싸는 상기 외경부에 상기 제2 소재를 토출하여 상기 동축 파이버를 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 소재는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 또는 PVA(polyvinyl acetate)이고, 상기 제2 소재는 TPU(thermoplastic polyurethane) 또는 TPE(thermoplastic elastomer)일 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 소재가 ABS인 경우, 상기 제1 소재를 제거하는 동작은 생성한 상기 동축 파이버에 상온에서 증발하는 아세톤을 12시간이상 부가하는 동작 또는 생성한 상기 동축 파이버에 80도로 아세톤을 가열하여 발생한 증기를 인가하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 제1 소재가 PVA인 경우, 상기 제1 소재를 제거하는 동작은 생성한 상기 동축 파이버를 물에 1시간이상 담가두는 동작 또는 생성한 상기 동축 파이버를 물에 1시간이상 담가두면서 동시에 음파를 인가하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 동축 파이버를 생성하는 동작은 상기 동축 파이버를 삼각파 형태의 동축 파이버로 생성하는 동작 또는 상기 동축 파이버를 사각파 형태의 동축 파이버로 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 3D 프린터를 이용하여 인공 근육을 생성하는 방법은 3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 구성되고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부의 제1면은 제2 소재로 구성되고, 상기 외경부의 제2면은 제3 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작 및 생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하여 인공근육 튜브를 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 동축 파이버를 생성하는 동작은 노즐바디 및 다양한 형상으로 성형될 수 있고 상기 노즐바디에 결합되는 노즐캡을 포함하고, 상기 노즐바디는 직선 상에 일렬로 배치되는 3개의 필라멘트 공급부, 상기 3개의 필라멘트 공급부를 통해 공급되는 필라멘트들을 용융하기 위해 상기 노즐바디 및 노즐캡을 가열하는 히터부 및 상기 3개의 필라멘트 공급부 중의 하나인 제1 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 중심부 노즐을 포함하고, 상기 노즐캡은 상기 노즐바디와 결합되어 상기 3개의 필라멘트 공급부 중 제2 필라멘트 공급부 및 제3 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 외경부 노즐을 형성하는 3D 프린터용 노즐을 구비한 상기 3D 프린터의 상기 제1 필라멘트 공급부로 상기 제1 소재의 필라멘트를, 상기 제2 필라멘트 공급부로 상기 제2 소재의 필라멘트를 그리고 상기 제3 필라멘트 공급부로 상기 제3 소재의 필라멘트를 동시에 공급하는 동작 및 상기 3D 프린터용 노즐에서 상기 제1 소재의 필라멘트 및 상기 제2 소재의 필라멘트를 용융하여 상기 중심부 노즐을 통해 상기 중심부에 상기 제1 소재를 토출하고, 상기 외경부 노즐을 통해 상기 중심부를 둘러싸는 상기 외경부의 상기 제1면에 상기 제2 소재를 토출하고, 상기 외경부의 상기 제2면에 상기 제3 소재를 토출하여 상기 동축 파이버를 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 동축 파이버를 생성하는 동작은 일부 영역에서 상기 제1 필라멘트 공급부로 공급되는 상기 제1 소재의 필라멘트의 양을 증가시켜 나머지 영역보다 상기 중심부의 직경이 넓어지도록 상기 동축 파이버를 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 인공 근육 생성 방법은 생성된 상기 인공근육 튜브 2개를 각각의 상기 제1면을 맞대고 끝은 접합하는 동작을 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 인공 근육 생성 방법은 생성된 상기 인공근육 튜브를 복수개 접합하여 인공 근육을 생성하는 동작을 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 개시에서는 복수 소재를 사용하여 동축 형상의 출력물을 생성할 수 있는 3D 프린터를 이용하여 인공 근육의 재료가 될 수 있는 튜브의 제작 방법을 제안하였으며, 특히 이종 소재를 사용한 튜브를 용이하게 제작할 수 있고, 해당 이종 소재의 단일 튜브로 인공 근육의 기능을 모사할 수 있어 이후 소프트 로봇, 그리퍼 및 액추에이터, 검사용 내시경, 서포트 슈즈, 웨어러블 의료 기기, 촉각 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다.
본 개시는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 3D 프린터를 이용하여 튜브를 생성하는 방법에 있어서,
    3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 채워지고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부는 제2 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작; 및
    생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하는 동작을 포함하고,
    상기 동축 파이버를 생성하는 동작은,
    상기 제1 소재의 필라멘트와 상기 제2 소재의 필라멘트를 상기 3D 프린터에 동시에 공급하는 동작; 및
    상기 3D 프린터가 동시에 상기 중심부에 상기 제1 소재를 토출하고, 상기 외경부에 상기 제2 소재를 토출하는 동작을 포함하는, 튜브 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동축 파이버를 생성하는 동작은,
    노즐바디 및 다양한 형상으로 성형될 수 있고 상기 노즐바디에 결합되는 노즐캡을 포함하고, 상기 노즐바디는 직선 상에 일렬로 배치되는 3개의 필라멘트 공급부, 상기 3개의 필라멘트 공급부를 통해 공급되는 필라멘트들을 용융하기 위해 상기 노즐바디 및 노즐캡을 가열하는 히터부 및 상기 3개의 필라멘트 공급부 중의 하나인 제1 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 중심부 노즐을 포함하고, 상기 노즐캡은 상기 노즐바디와 결합되어 상기 3개의 필라멘트 공급부 중 제2 필라멘트 공급부 및 제3 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 외경부 노즐을 형성하는 3D 프린터용 노즐을 구비한 상기 3D 프린터의 상기 제1 필라멘트 공급부로 상기 제1 소재의 필라멘트를 그리고 상기 제2 필라멘트 공급부 및 상기 제3 필라멘트 공급부로 상기 제2 소재의 필라멘트를 동시에 공급하는 동작;
    상기 3D 프린터용 노즐에서 상기 제1 소재의 필라멘트 및 상기 제2 소재의 필라멘트를 용융하여 상기 중심부 노즐을 통해 상기 중심부에 상기 제1 소재를 토출하고, 상기 외경부 노즐을 통해 상기 중심부를 둘러싸는 상기 외경부에 상기 제2 소재를 토출하여 상기 동축 파이버를 생성하는 동작을 포함하는, 튜브 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 또는 PVA(polyvinyl acetate)이고,
    상기 제2 소재는 TPU(thermoplastic polyurethane) 또는 TPE(thermoplastic elastomer)인, 튜브 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 소재가 ABS인 경우, 상기 제1 소재를 제거하는 동작은,
    생성한 상기 동축 파이버에 상온에서 증발하는 아세톤을 12시간이상 부가하는 동작; 또는
    생성한 상기 동축 파이버에 80도로 아세톤을 가열하여 발생한 증기를 인가하는 동작을 포함하는, 튜브 생성 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 소재가 PVA인 경우, 상기 제1 소재를 제거하는 동작은,
    생성한 상기 동축 파이버를 물에 1시간이상 담가두는 동작; 또는
    생성한 상기 동축 파이버를 물에 1시간이상 담가두면서 동시에 음파를 인가하는 동작을 포함하는, 튜브 생성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동축 파이버를 생성하는 동작은,
    상기 동축 파이버를 삼각파 형태의 동축 파이버로 생성하는 동작 또는
    상기 동축 파이버를 사각파 형태의 동축 파이버로 생성하는 동작을 포함하는, 튜브 생성 방법.
  7. 3D 프린터를 이용하여 인공 근육을 생성하는 방법에 있어서,
    3D 프린터를 이용하여 중심부는 제1 소재로 구성되고, 상기 중심부를 둘러싸는 외경부의 제1면은 제2 소재로 구성되고, 상기 외경부의 제2면은 제3 소재로 구성된 동축 파이버를 생성하는 동작; 및
    생성된 상기 동축 파이버의 중심부를 구성하는 제1 소재를 제거하여 인공근육 튜브를 생성하는 동작을 포함하고,
    상기 동축 파이버를 생성하는 동작은,
    상기 제1 소재의 필라멘트, 상기 제2 소재의 필라멘트 및 상기 제3 소재의 필라멘트를 상기 3D 프린터에 동시에 공급하는 동작; 및
    상기 3D 프린터가 동시에 상기 중심부에 상기 제1 소재를 토출하고, 상기 외경부의 제1면에 상기 제2 소재를 토출하고, 상기 외경부의 제2면에 상기 제3 소재를 토출하는 동작을 포함하는, 인공 근육 생성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동축 파이버를 생성하는 동작은,
    노즐바디 및 다양한 형상으로 성형될 수 있고 상기 노즐바디에 결합되는 노즐캡을 포함하고, 상기 노즐바디는 직선 상에 일렬로 배치되는 3개의 필라멘트 공급부, 상기 3개의 필라멘트 공급부를 통해 공급되는 필라멘트들을 용융하기 위해 상기 노즐바디 및 노즐캡을 가열하는 히터부 및 상기 3개의 필라멘트 공급부 중의 하나인 제1 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 중심부 노즐을 포함하고, 상기 노즐캡은 상기 노즐바디와 결합되어 상기 3개의 필라멘트 공급부 중 제2 필라멘트 공급부 및 제3 필라멘트 공급부를 통해 공급된 필라멘트를 토출하는 외경부 노즐을 형성하는 3D 프린터용 노즐을 구비한 상기 3D 프린터의 상기 제1 필라멘트 공급부로 상기 제1 소재의 필라멘트를, 상기 제2 필라멘트 공급부로 상기 제2 소재의 필라멘트를 그리고 상기 제3 필라멘트 공급부로 상기 제3 소재의 필라멘트를 동시에 공급하는 동작;
    상기 3D 프린터용 노즐에서 상기 제1 소재의 필라멘트 및 상기 제2 소재의 필라멘트를 용융하여 상기 중심부 노즐을 통해 상기 중심부에 상기 제1 소재를 토출하고, 상기 외경부 노즐을 통해 상기 중심부를 둘러싸는 상기 외경부의 상기 제1면에 상기 제2 소재를 토출하고, 상기 외경부의 상기 제2면에 상기 제3 소재를 토출하여 상기 동축 파이버를 생성하는 동작을 포함하는, 인공 근육 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 동축 파이버를 생성하는 동작은,
    일부 영역에서 상기 제1 필라멘트 공급부로 공급되는 상기 제1 소재의 필라멘트의 양을 증가시켜 나머지 영역보다 상기 중심부의 직경이 넓어지도록 상기 동축 파이버를 생성하는 동작을 포함하는, 인공 근육 생성 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    생성된 상기 인공근육 튜브 2개를 각각의 상기 제1면을 맞대고 끝은 접합하는 동작을 더 포함하는, 인공 근육 생성 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    생성된 상기 인공근육 튜브를 복수개 접합하여 인공 근육을 생성하는 동작을 더 포함하는, 인공 근육 생성 방법.
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