KR20130038101A - 멀티 프로젝션을 이용한 고해상도 치아 모델 제작용 3차원 프린터 - Google Patents

Abstract

인공치아나 치아보형물 등과 같이 착용시의 감성적 품질이 중요한 치과 분야에서는 높은 정밀도가 요구되므로 3 차원 프린터로 출력되는 치아 모델 역시 높은 정밀도가 요구되어 진다. 이에 본 발명은 복수개의 프로젝터로 단일 출력 화면을 2차원 재료층에 조사, 경화시켜 높은 해상도를 구현하는 것과 복수개의 프로젝터 중 일부는 출력물에서 높은 해상도가 요구되지 않는 부분을 담당하도록 하여 부분적으로 높은 정밀도가 요구되는 치과 분야의 특수성에 맞춰 필요한 부분만을 복수 프로젝션 기법으로 3 차원 프린팅하게 하고, 나머주 부분은 일반적인 프로젝션 기법으로 출력함으로써 치과 분야 사용자의 요구 사항에 최적화된 치아 모델을 최소 비용으로 얻을 수 있게 해준다.

Description

멀티 프로젝션을 이용한 고해상도 치아 모델 제작용 3차원 프린터 {High resolution dental 3D printer by using multiple projection systems}

의료용 CAD/CAM, 3차원 프린터

3 차원 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조 기술이다. 3 차원 프린터는 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플 제작 등에 주로 쓰인다. 3 차원 프린터는 치과 분야에서 도입된 3 차원 스캐너 기술을 바탕으로 과거 석고 본 제작 등을 대체하고 있다.

3 차원 프린터를 구현하는 방법으로는 크게 UV(Ultraviolet) 레이저를 액체 재료막 위에 갈바노 미터 등을 이용, 조사하여 재료를 경화시켜 적층 시키는 방법, 잉크 젯 헤드를 이용하여 재료 잉크를 떨어뜨리고 경화시켜 적층 시키는 방법, 프로젝터를 이용하여 UV 광을 원하는 패턴으로 재료층에 조사하여 경화시켜 적층시키는 방법 3가지로 나눌 수 있다. 본 발명은 이중 프로젝터를 이용하는 방법에 관한 것이다.

3 차원 프린터는 제작 혹은 출력하고자 하는 대상물의 크기에 맞춰 제품 크기가 결정된다. 3차원 프린터가 재료를 경화시키기 위해 UV 레이저나 UV 광 혹은 잉크를 떨어뜨릴 수 있는 공간 범위는 설계 범위를 벗어 날 수 없기 때문이다. 프로젝터를 이용한 3차원 프린터의 경우, 3차원을 이루는 레이어 재료층 2차원면 전체범위에 일반적으로 1개의 프로젝터가 필요한 UV 광 패턴을 조사할 수 있도록 되어 있다. 이럴 경우 한정된 프로젝터의 조사 해상도로 넓은 출력 범위에 UV 광을 조사해야하므로 높은 치수 정밀도를 얻는 데에는 한계가 있다. 특히 인공치아나 치아보형물 등과 같이 착용시의 감성적 품질이 중요한 치과 분야에서는 높은 정밀도가 요구되므로 3 차원 프린터로 출력되는 치아 모델 역시 높은 정밀도가 요구된다.

이에 본 발명은 복수개의 프로젝터로 단일 출력 화면을 2차원 재료층에 조사, 경화시켜 높은 해상도를 구현하는 것과 복수 개의 프로젝터로 구성된 고해상도부 출력부와 별도의 단일 프로젝터로 구성된 저해상도 출력부를 갖추어 부분적으로 높은 해상도가 요구되는 부분과 상대적으로 낮은 해상도만으로도 문제가 되지 않는 부분을 동시에 3차원 출력하도록 하여 치과 분야 요구 특성에 최적화된 3 차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

치과 분야에서 치아 모델이 쓰이는 경우 대부분은 전체 치아 중에서 일부 치아를 치료받을 때이다. 이 경우 전체 치아본에서 치료가 필요한 치아만 높은 수준의 정밀도가 요구되고 상대적으로 주변부 치아들은 전체적인 형합이나 착용시 균형감 정도의 파악을 위한 용도 정도로만 쓰이므로 높은 해상도가 요구되지 않는다. 이런 치과 분야의 특수성은 범용의 산업용 3차원 프린터에는 반영되어 있지 않다.

이에 본 발명은 높은 정밀도가 요구되는 영역을 출력하는 부분은 복수 개의 프로젝터를 사용하여 상대적으로 좁은 면적에 조밀한 픽셀수 단위로 재료층 경화를 위한 UV 광 화면을 조사하도록 하여 높은 해상도의 치아 모델을 제작할 수 있도록 하고, 다른 주변부 치아 본은 별도의 프로젝터가 일반적인 방법으로 동시에 3차원 출력 제작하여 사용자의 요구에 최적화된 전체 치아본을 한번의 프린팅 공정을 통해 얻을 수 있도록 해준다.

부분적으로 높은 정밀도가 요구되는 치과 분야의 특수성에 맞춰 필요한 부분만을 복수 프로젝션 기법으로 3 차원 프린팅하게 하고, 나머지 부분은 일반적인 프로젝션 기법으로 출력함으로써 치과 분야 사용자의 요구 사항에 최적화된 치아 모델을 최소 비용으로 얻을 수 있다.

도 1은 프로젝터 방식 3 차원 프린터를 사용한 모델 제작과정을 나타낸 절차도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 프로젝터 방식의 3차원 프로젝터 방식을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 프로젝터 방식과 일반 프로젝터 방식의 출력 해상도 비교를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멀티 프로젝터 방식 고해상도 출력 영역과 저해상도 출력 영역으로 구분되어 비용 최적화된 3 차원 프린터를 나타낸 도면

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서,동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

3 차원 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 적층함으로써 대상물을 만드는 제조 기술이다. 3 차원 프린터를 구현하는 방법으로는 크게 UV(Ultraviolet) 레이저를 액체 재료 막위에 갈바노 미터 등을 이용 조사하여 재료를 경화시켜 적층 시키는 방법, 잉크 젯 헤드를 이용하여 재료 잉크를 떨어뜨리고 경화시켜 적층 시키는 방법, 프로젝터를 이용하여 UV 광을 원하는 패턴으로 재료층에 조사하여 경화시켜 적층시키는 방법 3가지로 나눌 수 있다. 이중 최근 DLP(Digital Light Processing)기술의 발달과 프로젝터 가격의 저가화, 재료 적층 조성부의 기계적 단순함 등의 장점으로 인해 프로젝터를 이용하는 방법이 많이 사용되고 있다.

도1은 프로젝터를 사용한 3차원 프린터의 3차원 모델 제작 과정을 나타낸 도면이다. UV광원(110)을 프로젝터의 프로젝션 화면(120)을 통해 선택 투과시키고, 이렇게 프로젝션 화면에 의해 선택 투과된 UV광은 3차원 모델의 일부 두께를 차지할 2차원 재료층(130)에 선택적으로 조사되어 UV광에 노출된 부분만이 경화된다. 상기 과정을 반복하면서 2차원 재료층을 재료 적층 조성부(406)가 쌓아 올린다. 이렇게 적층된 재료층(140)에서 경화되지 않은 부분을 화학적, 물리적 방법을 통해 제거하면 만들고자 하는 3차원 모델부(150)만이 경화되어 남게 된다. 이렇게 출력된 3차원 출력물(150)은 최소 출력 단위(131)로 구성된 집합체이다. 3차원을 이루는 레이어 재료층 2차원면 전체범위에 일반적으로 1개의 프로젝터가 필요한 UV 광 패턴을 조사하는데 이럴 경우 한정된 프로젝터의 조사 해상도로 넓은 출력 범위에 UV 광을 조사해야하므로 높은 치수 정밀도를 얻는 데에는 한계가 있다. 특히 인공치아나 치아보형물 등과 같이 착용시의 감성적 품질이 중요한 치과 분야에서는 높은 정밀도가 요구되므로 3 차원 프린터로 출력되는 치아 모델 역시 높은 정밀도가 요구된다. 이러한 치과 분야의 정밀도에 대한 요구 수준을 만족하기 위하여 본 발명은 3차원 프린터에서 복수개의 프로젝터를 구비하여 상기 복수개의 프로젝터로 하여금 단일 출력화면을 출력하여 UV광을 선택 투과하여 재료층에 조사함으로써 높은 3차원 출력 정밀도를 얻게 한다.

도2는 본 발명의 멀티 프로젝터를 통해 높은 정밀도를 갖춘 3차원 프로젝터의 원리를 나타낸 도면이다. 복수개의 멀티 프로젝터를 사용함으로써 재료층(130) 출력 범위에 매핑된 프로젝션 화면 픽셀수를 늘림으로써 재료층 출력범위(130)를 구성하는 단일 출력 최소 단위의 숫자를 늘린다. 이렇게 고정된 영역을 이루는 이루는 최소 출력 단위 숫자를 늘림으로써 높은 출력해상도를 구현할 수가 있다. 도 3을 통해 단일 프로젝터를 사용하는 경우와 본 발명의 멀티 프로젝터를 사용하는 경우를 동일 축적으로 그려봄으로써 출력 해상도의 향상을 정성적으로 파악할 수 있다. 도3에서 2차원 재료층(130)을 이루는 단일 프로젝터의 일반적인 최소 출력 단위(131), 본 발명의 멀티 프로젝터에 의한 최소 출력 단위(231)의 동일 축적 그림에서 크기를 통해 해상도가 향상효과를 확인할 수 있다.

하지만, 치과 분야에서는 치아본 전체에서 높은 수준의 해상도를 요구하는 것은 아니다. 치과 분야에서 치아 모델이 쓰이는 경우 대부분은 전체 치아 중에서 일부 치아를 치료받을 때이다. 이 경우 전체 치아본에서 치료가 필요한 치아만 높은 수준의 정밀도가 요구되고 상대적으로 주변부 치아들은 전체적인 형합이나 착용시 균형감 정도의 파악을 위한 용도 정도로만 쓰이므로 높은 정밀도가 요구되지 않는다. 따라서 단순히 필요한 정밀도를 얻기 위해, 전체 치아본을 제작하는 수준의 물리적 크기를 갖는 영역에 높은 해상도를 구현하려면 너무 많은 수의 프로젝터가 추가되어야하는 문제가 발생한다. 이에 본 발명은 도4와 같은 구성을 통해 상기 문제를 해결한다. 도4와 같이, 복수개의 프로젝터(403)를 통해 단일 화면을 출력하는 고해상도부 출력 영역(405)과 단일 프로젝터(402)를 사용하는 저해상도부 출력 영역(404)를 별도로 분리하여 UV광원(110)으로부터 조사되는 UV광을 고해상도부에서는 아주 조밀하게 선택 투과시키고, 저해상도부는 상대적으로 덜 조밀하게 선택투과시켜 재료층에 UV광을 노출시킨다. 고해상도부 출력영역(405)과 저해상도 출력영역(406)은 나누어져 있지만, 동일 재료층에서 영역만 나누어져 있으므로 이 두분의 재료 적층은 동일한 재료 적층 조성부가 동시에 쌓아 올린다. 사용자는 제작하고자하는 치아 모델의 스캔 데이타에서 높은 정밀도가 필요한 영역을 지정하여 3차원 프린터 제어부(401)에 전송하면, 제어부(401)에서 높은 정밀도가 필요한 부분은 고해상도 영역에서 고해상도 프로젝션 화면을 통해 UV광을 조밀하게 선택 투과시켜 조밀하게 경화되도록 하고, 상대적으로 낮은 정밀도만으로도 제작해도 되는 부분은 저해상도 영역에서 저해상도 프로젝션 화면을 통해 UV광을 비교적 덜 조밀하게 선택 투과시켜 재료층이 경화되도록 한다. 이렇게 2차원 재료층을 고해상도부, 저해상도부로 나누어 제어부(401)의 제어를 받아 재료 적층 조성부(406)가 재료(407)를 흡입하여 층층이 쌓아 올린다. 동시 출력된 고해상도부 출력물(408)은 치과 치료가 직접적으로 필요한 치아 부위에 해당되고, 저해상도 출력물(409)은 주변 치아부에 해당된다. 이렇게 동시 출력된 두 결과물을 형합하여 치과 치료에 필요한 최적의 치아 본을 얻을 수 있다.

이와 같이, 부분적으로 높은 정밀도가 요구되는 치과 분야의 특수성에 맞춰 필요한 부분만을 복수 프로젝션 기법으로 3 차원 프린팅하게 하고, 나머지 부분은 일반적인 프로젝션 기법으로 출력함으로써 치과 분야 사용자의 요구 사항에 최적화된 치아 모델을 최소 비용으로 얻을 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고,이러한 실시 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : UV 광원
120 : 프로젝터의 프로젝션 화면
130 : 재료층
131 : 3차원 프린터 최소 단위면
140 : 적층된 재료층
150 : 3차원 프린터 출력물
220 : 프로젝터의 복수 프로젝션 화면
231 : 복수 프로젝션에 의한 3차원 프린터 최소 단위면
400 : 3차원 스캔 데이타
401 : 3차원 프린터 제어부
402 : 저해상도부 UV 조사용 단일 프로젝터
403 : 고해상도부 UV 조사용 복수 프로젝터
404 : 저해상도부 적층 조성 영역
405 : 고해상도부 적층 조성 영역
406 : 재료 적층 조성부
407 : 적층 재료
408 : 고해상도부에서 제작한 3차원 프린터 출력물
409 : 저해상도부에서 제작한 3차원 프린터 출력물

Claims (3)

1. UV광원, 프로젝터, 재료 적층 조성부, 제어부를 구비한 3차원 프린터에 있어서, UV광원을 선택 투과시키는 프로젝터를 복수개로 갖추어 단일 화면 패턴을 선택 투과시키도록 함으로써 향상된 3차원 출력 해상도를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원
   프린터
2. UV광원, 프로젝터, 재료 적층 조성부, 제어부를 구비한 3차원 프린터에 있어서, 고해상도 UV광 선택 투과 프로젝터부와 저해상도 UV광 선택 투과 프로젝터부가 별도로 구비되어 동시에 고해상도부와 저해상도부에서 3차원 적층 출력되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터
3. 제 2 항에 있어서,
   고해상도 출력 프로젝터부는 복수개의 프로젝터가 단일 출력 화면을 구성함으로써 향상된 해상도를 구현한 것을 특징으로 하는 3차원 프린터
   

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