KR20160003907A - 3차원 프린팅을 위한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치 - Google Patents

Abstract

3차원 프린팅을 위한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물 토출 장치는, 재료 공급 유닛으로부터 공급받은 파우더 혼합물을 수용하는 몸체; 상기 몸체의 하부에 결합되는 노즐; 상기 몸체 내에 수용되어 상기 노즐을 향해 상기 파우더 혼합물을 압출하는 압출부; 및 상기 노즐의 토출측 끝단에 설치된 히터를 포함할 수 있다.

Description

3차원 프린팅을 위한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치{Powder mixture extrusion device and method for 3D printing}

본 발명은 3차원 프린팅을 위한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치에 관한 것이다.

빠르게 변화하는 시장의 경향만큼이나 제품의 개발 주기도 짧아지고 있다. 특정 제품 개발 시간을 단축하기 위해 현재 3차원 임의 형상 제작 기술이 주목을 받고 있다.

청사진, 도면 등의 2차원 평면 인쇄와 달리 곧바로 입체를 복제할 수 있는 3차원 프린팅 기술은 불과 수시간 정도의 짧은 시간에 제품 모습을 그대로 제작해 낼 수 있어 산업 전반에 걸쳐 기획부터 제품 생산에 이르기까지 많은 변화를 가져올 것으로 기대되고 있다.

3차원 프린팅 기술은 기존의 평면 프린팅 방식을 개선하여 출력물을 단계별로 쌓아 실제 모양을 만들어 내게 되는데, 의료산업에서는 치아 모형, 수술 전 모의수술 실험용 형상 등에 사용되고 있고, 건설산업에서는 소형 건축물 및 실시간 건축 디자인 형상 제작에 실제로 적용되고 있다.

3차원 프린팅 기술은 이미 제작한 형상물을 복제하거나, 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 이용해 만든 형상을 실물로 제작함으로써 설계 오차를 줄이고 리버스 엔지니어링(완성된 제품을 상세히 분석해 기본적인 설계내용을 추적) 설계가 이루어질 수 있도록 해주고 있다.

이같은 일을 가능케 하는 3차원 프린터는 물건을 찍어내는 실물 복제기로서, 물체를 3차원으로 설계해 컴퓨터 파일을 CAD 방식으로 만든 후 프린터 노즐에서 액체형 플라스틱, 금속 파우더 등을 뿌려 설계 모양대로 만든다.

3차원 프린팅 기술은 설계된 형상을 단순히 보여주는 초기 단계의 급속 조형(RP, Rapid Prototype) 기술을 넘어서 금속, 석회, 합성수지, 고무 등의 재료를 직접 분사해 기계 부품이나 제작품을 찍어내는 임의 형상 제작(SFF, Solid Freeform Fabrication) 기술로 진화하고 있다.

조직공학에서도 임의 형상 제작(SFF) 방법 중 용융 침착 모델링(FDM, Fused Deposition Modeling) 방법이 적용되고 있으며, 대한민국 등록특허 10-0893889호(압출 장치에서 용융물 유동 보상 방법)에도 용융 침착 모델링 장치가 개시되어 있다.

도 1은 기존의 용융 침착 모델링 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 혼합물 토출 시의 병목 현상을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 기존의 용융 침착 모델링 장치(1)는 실린더형 배럴(20) 외부에 히터(40)가 배치되어 있으며, 상부에 에어 프레셔(10)가 마련되어 있다.

내부 공간에는 히터(40)에 의해 용융된 모델링 재료(5)가 수용되어 있으며, 모델링 재료(5)가 에어 프레셔(10)에 의한 공기압에 의해 하부에 형성된 노즐(30)을 통해 토출되어 스테이지(50) 상에 3D 대상물을 프린팅한다. 또는 에어 프레셔(10) 대신에 도 2에 도시된 것과 같이 압출기(extruder)(60)가 배럴(20) 내에 설치되어 있어 압출기(60)의 회전에 의해 용융된 모델링 재료(5)가 노즐(30)을 통해 토출될 수도 있다.

이에 의하면, 기존의 용융 침착 모델링 장치(1)는 접촉식 구조를 가지고 있어 용융된 모델링 재료(5)가 비교적 작은 내경을 가지는 노즐(30)을 통과하여 나가야 하기 때문에, 장비의 정밀도가 노즐의 직경 크기에 따라 제한되는 한계가 있다.

또한, 고온으로 녹인 재료를 노즐(30)을 이용하여 토출함에 있어서, 단일 재료일 경우에는 그 토출에 문제가 없지만, 입자가 잘 분포된 혼합물일 경우에는 도 2에 도시된 것과 같이 혼합물(5a, 5b)의 토출이 진행되면서 용융된 재료(5a)에 포함된 용융되지 않는 입자(5b)가 노즐 입구 부분(A)에서 병목 현상을 일으켜 정상적인 토출이 어려워지게 되는 문제점이 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

대한민국 등록특허 10-0893889호

본 발명은 복수의 입자들이 고르게 분포된 파우더 혼합물을 모델링 재료로 하는 3차원 프린팅이 가능한 3차원 프린팅을 위한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 노즐 끝단에서 열을 가하여 용융 상태의 모델링 재료가 토출되도록 함으로써 노즐 입구에서의 병목 현상을 방지하고 혼합물 형태 혹은 기공을 갖는 형태의 3차원 적층이 가능한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 파우더 혼합물의 재료 함량을 제어하여 다공성 3차원 구조체, 강성이 높거나 탄성이 높은 3차원 복합체, 입자의 밀도 변화에 따른 경사체 구조의 3차원 복합체, 여러 가지 물성치를 가지는 3차원 스마트 구조물 등의 제작이 가능한 3차원 프린팅을 위한 파우더 혼합물 토출 장치 및 파우더 혼합물 함량 조절이 가능한 공간 조형 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 재료 공급 유닛으로부터 공급받은 파우더 혼합물을 수용하는 몸체; 상기 몸체의 하부에 결합되는 노즐; 상기 몸체 내에 수용되어 상기 노즐을 향해 상기 파우더 혼합물을 압출하는 압출부; 및 상기 노즐의 토출측 끝단에 설치된 히터를 포함하는 파우더 혼합물 토출 장치가 제공된다.

상기 파우더 혼합물은 복수의 입자가 미리 설정된 함량으로 혼합된 파우더 상태로, 상기 히터의 가열에 의해 상기 노즐의 토출측 끝단에서 상기 복수의 입자 중 적어도 하나가 용융 상태가 될 수 있다.

상기 압출부는 스크류(screw) 형상을 가지고 있어 상기 파우더 혼합물의 분포 상태를 유지시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3차원 모델링 재료를 복수의 입자가 혼합된 파우더 상태로 공급하는 재료 공급 유닛; 상기 3차원 모델링 재료가 프린팅되어 3차원 구조체가 제작되는 빌드 플랫폼; 및 상기 재료 공급 유닛에서 공급된 파우더 혼합물을 노즐의 토출측 끝단에서 가열하여 용융 상태로 상기 빌드 플랫폼 상에 토출하는 파우더 혼합물 토출 장치를 포함하는 공간 조형 장치가 제공된다.

상기 재료 공급 유닛은, 제1 재료를 입자 상태로 공급하는 제1 재료 공급부와; 제2 재료를 입자 상태로 공급하는 제2 재료 공급부와; 상기 제1 재료 공급부에서 공급된 상기 제1 재료와 상기 제2 재료 공급부에서 공급된 제2 재료를 소정의 혼합 비율로 혼합하여 상기 파우더 혼합물을 생성하는 함량 제어부를 포함할 수 있다.

상기 제1 재료 공급부와 상기 함량 제어부 사이의 제1 통로와, 상기 제2 재료 공급부와 상기 함량 제어부 사이의 제2 통로에는 솔레노이드 밸브가 설치되어 있어 상기 혼합 비율에 따라 상기 솔레노이드 밸브의 동작이 제어되어 상기 제1 통로 및 상기 제2 통로의 개폐 정도가 조절될 수 있다.

또는 상기 재료 공급 유닛은, 내부에 설치된 제1 스크류의 회전 동작을 통해 제1 재료를 입자 상태로 공급하는 제1 재료 공급부와; 내부에 설치된 제2 스크류의 회전 동작을 통해 제2 재료를 입자 상태로 공급하는 제2 재료 공급부와; 상기 제1 스크류를 회전시키는 제1 모터와; 상기 제2 스크류를 회전시키는 제2 모터와; 상기 파우더 혼합물의 혼합 비율에 따라 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 동작을 제어하는 모터 제어부를 포함할 수 있다.

상기 모터 제어부는 상기 제1 스크류 및 상기 제2 스크류가 상기 혼합 비율에 상응하는 회전 속도를 갖도록 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터를 제어할 수 있다.

상기 재료 공급 유닛은 상기 파우더 혼합물에 혼합되는 입자의 종류 및 함량 중 적어도 하나를 실시간으로 변경할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 입자들이 고르게 분포된 파우더 혼합물을 모델링 재료로 하는 3차원 프린팅이 가능한 효과가 있다.

또한, 노즐 끝단에서 열을 가하여 용융 상태의 모델링 재료가 토출되도록 함으로써 노즐 입구에서의 병목 현상을 방지하고 혼합물 형태 혹은 기공을 갖는 형태의 3차원 적층이 가능한 효과가 있다.

또한, 파우더 혼합물의 재료 함량을 제어하여 다공성 3차원 구조체, 강성이 높거나 탄성이 높은 3차원 복합체, 입자의 밀도 변화에 따른 경사체 구조의 3차원 복합체, 여러 가지 물성치를 가지는 3차원 스마트 구조물 등의 제작이 가능한 효과가 있다.

도 1은 기존의 용융 침착 모델링 장치를 나타낸 도면,
도 2는 혼합물 토출 시의 병목 현상을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물 토출 장치의 입체 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치의 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 공급 유닛을 포함하는 공간 조형 장치의 개념도,
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 재료 공급 유닛을 포함하는 공간 조형 장치의 개념도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치를 이용한 다공성 3차원 구조체의 제작 과정을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치를 이용한 3차원 구조체의 내부 형상을 나타낸 도면,
도 9는 입자 밀도 변화에 따른 경사체 구조의 3차원 구조체의 내부 형상을 나타낸 도면,
도 10은 여러 가지 물성치를 갖는 3차원 구조체의 내부 형상을 나타낸 도면,
도 11은 여러 가지 물성치를 갖는 제품의 적용처의 예시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물 토출 장치의 입체 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치의 단면도이다.

도 3 및 도 4에는 공간 조형 장치(100), 파우더 혼합물 토출 장치(110), 몸체(111), 압출부(112), 노즐(113), 히터(114), 재료 공급 유닛(120), 빌드 플랫폼(130), 파우더 혼합물(6), 제1 입자(6a), 제2 입자(6b)가 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물 토출 장치(110)는 복수의 입자들이 고르게 분포된 파우더 혼합물이 비용융 상태로 노즐 입구를 진입한 이후 노즐 끝단에 설치된 히터를 통해 용융 상태가 되어 모델링 재료가 토출됨으로써 노즐 입구에서의 병목 현상을 방지하고 혼합물 형태 혹은 기공을 갖는 형태의 3차원 적층이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치(100)는 재료 공급 유닛(120), 파우더 혼합물 토출 장치(110), 빌드 플랫폼(130)을 포함한다.

재료 공급 유닛(120)은 3차원 구조체의 재료(3차원 모델링 재료)가 되는 고분자 재료를 제공한다. 본 실시예에서 재료 공급 유닛(120)은 복수의 입자가 혼합된 혼합물을 파우더 상태로 파우더 혼합물 토출 장치(110)에 공급한다.

재료 공급 유닛(120)은 파우더 혼합물(6)을 공급함에 있어 혼합되는 입자의 종류 및 함량 중 적어도 하나를 실시간으로 조절할 수 있어, 후술할 도 8 내지 도 11에 도시된 것과 같이 구조체의 속성을 강성 구조 혹은 탄성 구조로 다양화할 수 있고, 입자 밀도 분포가 경사체 구조를 가지도록 하여 하나의 구조체 내에서도 그 위치에 따른 속성을 다변화시킬 수 있도록 한다.

빌드 플랫폼(130)은 3차원 모델링 재료가 프린팅되어 3차원 구조체가 제작되는 스테이지(stage)이다.

빌드 플랫폼(130) 상에는 폼 베이스(foam base)가 마련되어 있을 수 있다. 3차원 모델링 재료가 폼 베이스 상에 프린팅되어 빌드 플랫폼에서 용이하게 분리되도록 할 수도 있다.

파우더 혼합물 토출 장치(110)는 재료 공급 유닛(120)으로부터 복수의 입자(6a, 6b)가 미리 설정된 함량으로 고르게 분포된 파우더 혼합물(6)을 공급받고, 파우더 혼합물(6)에 열을 가하여 용융 상태로 만든 후 빌드 플랫폼(130) 상에 프린팅시킨다.

파우더 혼합물 토출 장치(110)는 몸체(111), 압출부(112), 노즐(113), 히터(114)를 포함한다.

몸체(111)는 그 내부에 재료 공급 유닛(120)으로부터 공급된 3차원 모델링 재료, 즉 파우더 혼합물이 수용되는 부분으로서, 예를 들면 실린더형 배럴일 수 있다.

노즐(113)은 몸체(111)의 하부에 결합되며, 몸체(111) 내에 수용된 3차원 모델링 재료를 용융 상태로 하방향으로 토출되도록 한다.

압출부(112)는 몸체(111) 내에 수용되어 있으며, 회전 동작을 통해 몸체(111) 내에 수용된 3차원 모델링 재료를 노즐(113)을 향해 진행시킬 수 있다. 예를 들어, 압출부(112)는 도면에 도시된 것과 같은 스크류(screw) 형상을 가질 수 있다.

이러한 압출 방식은 복수의 입자가 고르게 분포된 파우더 혼합물이 노즐(113) 입구에 이르기까지 최대한 고른 분포 상태를 유지할 수 있도록 한다.

히터(114)는 노즐(113)의 토출측 끝단에 설치되어, 노즐(113)을 통해 빌드 플랫폼(130) 상에 토출되는 3차원 모델링 재료, 즉 파우더 혼합물(6)을 가열하여 용융 상태로 만들어 준다. 여기서, 파우더 혼합물에 포함된 복수의 입자 중 적어도 하나(6a)는 가열에 의해 용융 상태로 변화된 이후 온도가 낮아지면 다시 경화되는 물질로 구성될 수 있다.

노즐(113)의 입구에서는 비용융 상태의 파우더 혼합물(6)이 재료 공급 유닛(120)으로부터 공급받은 상태와 같이 복수의 입자들이 고르게 분포된 상태로 유입된다. 따라서, 도 2에 도시된 기존 장치와 같이 용융 상태로 유입될 경우에 용융되지 않은 입자에 의해 노즐(113) 입구에서 발생되는 병목 현상이 발생되지 않을 수 있게 된다.

파우더 혼합물(6)이 압출부(112)에서의 압출에 의해 노즐(113)의 토출측으로 진행되는 중에 노즐(113)의 토출측 끝단에 설치된 히터(114)에 의해 가열되어 용융 상태가 된다. 이 경우 노즐(113)의 입구를 이미 지난 이후에 용융 상태가 되므로 입자의 병목 현상이 발생하지 않게 되고, 설정된 혼합 함량을 유지한 상태대로 빌드 플랫폼(130) 상에 3차원 적층이 이루어질 수 있게 된다.

본 실시예에서 빌드 플랫폼(130)과 파우더 혼합물 토출 장치(110)는 3차원 적층을 위해 상대적인 3차원 이동이 가능한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 빌드 플랫폼(130)이 상하 방향(Z축 방향)으로 이동 가능하고 파우더 혼합물 토출 장치(110)가 수평면(XY 평면) 상에서 2차원적으로 이동 가능한 방식, 빌드 플랫폼(130)이 수평면 상에서 2차원적으로 이동 가능하고 파우더 혼합물 토출 장치(110)가 상하 방향으로 이동 가능한 방식, 혹은 빌드 플랫폼(130) 또는 파우더 혼합물 토출 장치(110)중 적어도 하나가 X, Y, Z축의 3차원 이동이 되는 등 3축 제어가 이루어지도록 하는 방식 등이 적용될 수 있을 것이다.

본 실시예에서 재료 공급 유닛(120)은 미리 설정된 비율로 혼합된 파우더 혼합물을 파우더 혼합물 토출 장치(110)에 공급하게 되는데, 그 구조 및 기능에 대하여 이하 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 공급 유닛을 포함하는 공간 조형 장치의 개념도이다.

도 5를 참조하면, 재료 공급 유닛(120)은 제1 재료 공급부(210), 제2 재료 공급부(220), 함량 제어부(230)를 포함한다.

제1 재료 공급부(210) 및 제2 재료 공급부(220)는 3차원 모델링 재료인 파우더 혼합물의 원재료인 제1 재료 및 제2 재료를 각각 공급한다.

제1 재료 공급부(210)에서 공급되는 제1 재료와 제2 재료 공급부(220)에서 공급되는 제2 재료는 함량 제어부(230)에 의해 그 혼합 비율이 제어되어 소정의 함량을 가지는 파우더 혼합물이 되어 후단의 파우더 혼합물 토출 장치(110)로 공급된다.

함량 제어부(230)에서 제1 재료와 제2 재료의 함량을 제어하는 방식은 다음과 같을 수 있다.

예를 들면, 함량 제어부(230)에서 제1 재료 공급부(210)와 연결된 제1 통로와 제2 재료 공급부(220)와 연결된 제2 통로는 솔레노이드 밸브에 의해 그 개폐 정도가 제어될 수 있다. 이러한 솔레노이드 밸브는 미리 설정된 파우더 혼합물의 함량에 상응하여 그 동작 정도가 결정될 수 있을 것이다.

도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 재료 공급 유닛을 포함하는 공간 조형 장치의 개념도이다.

도 6을 참조하면, 재료 공급 유닛(120)은 제1 재료 공급부(310), 제2 재료 공급부(320), 제1 모터(315), 제2 모터(325), 모터 제어부(330)를 포함한다.

제1 재료 공급부(310) 및 제2 재료 공급부(320)는 3차원 모델링 재료인 파우더 혼합물의 원재료인 제1 재료 및 제2 재료를 각각 공급한다.

제1 재료 공급부(310) 및 제2 재료 공급부(320)는 파우더 혼합물 토출 장치(110)와 같이 스크류 타입의 밸브 구조로 이루어질 수 있다.

제1 재료 공급부(310) 및 제2 재료 공급부(320)에는 그 내부에 스크류(311, 321)가 설치되어 있어, 스크류(311, 321)의 회전속도에 따라 압출되는 재료의 양이 조절될 수 있다.

스크류(311, 321)의 끝단에는 제1 모터(315) 및 제2 모터(325)가 연결되어 있고, 제1 모터(315) 및 제2 모터(325)는 모터 제어부(330)에 의해 그 회전 속도가 제어된다.

예를 들어, 제1 재료 공급부(310)와 제2 재료 공급부(320)가 동일한 크기의 기계적 구조를 가지고 있는 경우, 파우더 혼합물 토출 장치(110)로 공급하고자 하는 파우더 혼합물의 제1 재료와 제2 재료의 함량이 a:b일 때, 제1 모터(315)의 회전 속도와 제2 모터(325)의 회전 속도를 a:b로 제어함으로써 제1 재료 공급부(310)에서 압출되는 제1 재료와 제2 재료 공급부(320)에서 압출되는 제2 재료의 양을 a:b로 조절할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치를 이용한 다공성 3차원 구조체의 제작 과정을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물을 이용한 3차원 프린팅을 수행하는 공간 조형 장치를 이용하여 제작된 3차원 구조체(400)가 도시되어 있다.

3차원 구조체(400)는 복수의 입자로 구성되어 있는데, 복수의 입자 중에는 수용성 입자(410)가 포함되어 있을 수 있다.

이 경우 침출(leaching out) 공정을 통해 수용성 입자(410)는 물(water)에 용해시킴으로써, 최종적으로는 수용성 입자(410)가 있었는 부분이 기공(void)(420)이 되어 다공성 3차원 구조체(430)의 제작이 완료될 수 있다.

조직공학에서 세포 배양 시 세포집 역할을 하는 세포지지체(scaffold)는 인체 내에 이식해야 하므로 조직의 생체적합성, 생분해성인 재료를 사용하여 제작될 필요가 있다. 또한, 세포지지체는 영양분 공급과 노폐물 배출을 위한 높은 다공성과 세포 성장에 있어 적절한 기공 크기, 세포 부착이 용이하도록 하는 높은 표면적이 요구되며, 구조적 강도 역시 요구되고 있는데, 도 7에 도시된 것과 같은 다공성 3차원 구조체의 제작 방식을 통해 제작될 수도 있을 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 조형 장치를 이용한 3차원 구조체의 내부 형상을 나타낸 도면이고, 도 9는 입자 밀도 변화에 따른 경사체 구조의 3차원 구조체의 내부 형상을 나타낸 도면이며, 도 10은 여러 가지 물성치를 갖는 3차원 구조체의 내부 형상을 나타낸 도면이고, 도 11은 여러 가지 물성치를 갖는 제품의 적용처의 예시도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 파우더 혼합물을 이용한 3차원 수행하는 공간 조형 장치를 이용하여 제작된 3차원 구조체(510, 520)가 도시되어 있다.

도 8의 (a)에 도시된 3차원 구조체(510)는 내부에 분포된 입자가 소정 강도 이상의 강성을 지니는 입자(515)로 이루어져 구조체 자체의 강성이 상대적으로 높은 강성 구조체로 제작될 수 있음을 보여주고 있다.

또한, 도 8의 (b)에 도시된 3차원 구조체(520)는 도 7에 도시된 것과 같은 제작 과정을 통해 내부에 다수의 기공(525)이 분포되어 있음으로 인해 소정 값 이상의 탄성을 가지는 탄성 구조체로 제작될 수 있음을 보여주고 있다.

도 9를 참조하면, 내부에 분포된 입자의 밀도가 그 위치에 따라 변경되도록 함으로써 3차원 구조체(610, 620)의 강성 혹은 탄성이 경사체 구조를 가지도록 할 수 있음을 보여주고 있다.

도 9의 (a) 혹은 (b)에 도시된 것과 같이 입자 밀도 분포가 경사체 구조를 가지도록 하는 것은 도 5 혹은 도 6에 도시된 것과 같이 3차원 적층 위치에 따라 재료 공급 유닛에서 입자의 함량이 실시간으로 조절된 파우더 혼합물을 공급함으로써 가능할 수 있을 것이다.

도 10을 참조하면, 3차원 구조체(700)의 내부에 강성 입자(710), 기공(720)이 혼재되어 있되, 일 영역(도면에서는 좌측)에서는 강성 입자(700)의 밀도가 높아 기계적 강성이 보완되도록 하고 타 영역(도면에서는 우측)에서는 수용성 입자가 침출되어 형성된 기공(720)의 밀도가 높아 탄성이 보완되도록 할 수도 있을 것이다.

그리고 그 중간 영역(도면에서는 중간)에서는 강성 입자(710)와 기공(720)이 적절히 혼재되어 있어 기계적 강성과 탄성이 적절히 조화를 이루도록 할 수도 있을 것이다.

즉, 본 실시예에 따른 공간 조형 장치를 이용한 3차원 프린팅 시에 3차원 구조체(700) 내부에 포함되는 입자의 종류 및 함량을 실시간으로 조절함으로써, 부위에 따라 여러 가지 물성치를 갖는 3차원 제품을 제작하는 것이 가능하게 된다.

도 11에는 이처럼 여러 가지 물성치를 갖는 3차원 제품으로 볼 수 있는 운동화가 예시되어 있다.

운동화는 밑창(outsole), 중창(middle), 갑피(upper)를 가지고 있으며, 각 부분이 그 용도, 위치에 따라 서로 다른 속성을 가질 수 있다.

본 실시예에 따른 공간 조형 장치를 이용하여 3차원 적층 위치에 따라 파우더 혼합물의 함량을 제어하여 3차원 프린팅 함으로써 도 11에 도시된 것과 같이 여러 가지 물성치를 갖는 운동화의 제작이 가능할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 공간 조형 장치 110: 파우더 혼합물 토출 장치
111: 몸체 112: 압출부
113: 노즐 114: 히터
120: 재료 공급 유닛 130: 빌드 플랫폼
6: 파우더 혼합물
210: 제1 공급부 220: 제2 공급부
230: 함량 제어부 310: 제1 공급부
320: 제2 공급부 311, 321: 스크류
315: 제1 모터 325: 제2 모터
330: 모터 제어부

Claims (9)

1. 재료 공급 유닛으로부터 공급받은 파우더 혼합물을 수용하는 몸체;
   상기 몸체의 하부에 결합되는 노즐;
   상기 몸체 내에 수용되어 상기 노즐을 향해 상기 파우더 혼합물을 압출하는 압출부; 및
   상기 노즐의 토출측 끝단에 설치된 히터를 포함하는 파우더 혼합물 토출 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 파우더 혼합물은 복수의 입자가 미리 설정된 함량으로 혼합된 파우더 상태로, 상기 히터의 가열에 의해 상기 노즐의 토출측 끝단에서 상기 복수의 입자 중 적어도 하나가 용융 상태가 되는 것을 특징으로 하는 파우더 혼합물 토출 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 압출부는 스크류(screw) 형상을 가지고 있어 상기 파우더 혼합물의 분포 상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 파우더 혼합물 토출 장치.
   
4. 3차원 모델링 재료를 복수의 입자가 혼합된 파우더 상태로 공급하는 재료 공급 유닛;
   상기 3차원 모델링 재료가 프린팅되어 3차원 구조체가 제작되는 빌드 플랫폼; 및
   상기 재료 공급 유닛에서 공급된 파우더 혼합물을 노즐의 토출측 끝단에서 가열하여 용융 상태로 상기 빌드 플랫폼 상에 토출하는 파우더 혼합물 토출 장치를 포함하는 공간 조형 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 재료 공급 유닛은,
   제1 재료를 입자 상태로 공급하는 제1 재료 공급부와;
   제2 재료를 입자 상태로 공급하는 제2 재료 공급부와;
   상기 제1 재료 공급부에서 공급된 상기 제1 재료와 상기 제2 재료 공급부에서 공급된 제2 재료를 소정의 혼합 비율로 혼합하여 상기 파우더 혼합물을 생성하는 함량 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 조형 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 재료 공급부와 상기 함량 제어부 사이의 제1 통로와, 상기 제2 재료 공급부와 상기 함량 제어부 사이의 제2 통로에는 솔레노이드 밸브가 설치되어 있어 상기 혼합 비율에 따라 상기 솔레노이드 밸브의 동작이 제어되어 상기 제1 통로 및 상기 제2 통로의 개폐 정도가 조절되는 것을 특징으로 하는 공간 조형 장치.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 재료 공급 유닛은,
   내부에 설치된 제1 스크류의 회전 동작을 통해 제1 재료를 입자 상태로 공급하는 제1 재료 공급부와;
   내부에 설치된 제2 스크류의 회전 동작을 통해 제2 재료를 입자 상태로 공급하는 제2 재료 공급부와;
   상기 제1 스크류를 회전시키는 제1 모터와;
   상기 제2 스크류를 회전시키는 제2 모터와;
   상기 파우더 혼합물의 혼합 비율에 따라 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 동작을 제어하는 모터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 조형 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 모터 제어부는 상기 제1 스크류 및 상기 제2 스크류가 상기 혼합 비율에 상응하는 회전 속도를 갖도록 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 공간 조형 장치.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 재료 공급 유닛은 상기 파우더 혼합물에 혼합되는 입자의 종류 및 함량 중 적어도 하나를 실시간으로 변경하는 것을 특징으로 하는 공간 조형 장치.

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