KR20200080398A - 다축 관절 로봇을 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법 - Google Patents

다축 관절 로봇을 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다축 관절 로봇 구조를 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법은, 제품 조형 챔버의 작업 플레이트 상으로 분말을 순차적으로 공급하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체를 형성하는 단계; 상기 지지체 상으로 분말을 순차적으로 공급한 후, 상기 상기 지지체 상에 소정 두께로 쌓여진 분말 레이어 상에 레이저 조사부에서 조사된 레이저를 이용하여 소결함으로써 3D 성형 제품 표면 가공을 실시하며, 상기 레이저 조사부는 상기 다축 관절 로봇의 끝단 상에 고정된 상태에서, 상기 다축 관절 로봇을 이루는 복수의 관절 및 상기 관절을 연결하는 복수의 축의 위치 및 각도 변경을 통해서, 상기 3D 성형 제품 표면 상에 적층된 분말 레이어에 대한 다양한 각도의 레이저 소결을 가능하게 하여 표면 정밀도를 향상하게 한다.

Description

다축 관절 로봇을 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법{Method for forming a support body constituting a lower portion of a medical implant by grid or mesh structure using multi-joint robot structure}
본 발명은 다축 관절 로봇 구조를 이용하여 공급된 분말에 레이저를 조사하여 소결되는 의료용 보형물인 인공 관절 제품의 하부 상에 연결되는 지지체의 형상으로 격자 내지 메쉬 구조를 채용하여 소결된 인공 관절 제품의 표면 정밀도를 향상하는 방안에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술은 제조업, 의료, IT 등 다양한 분야에서 패러다임의 혁신을 이끌어 미래 환경을 변화시킬 것으로 기대되고 있고, 지금까지의 모든 생산방식을 바꿀만한 잠재력을 지닌 것으로 인정되는바 국내뿐 아니라 전 세계적으로 차세대 생산 기술 중 하나로 주목받고 있다.
보건의료산업 분야를 보면, 3D 프린팅의 사용 가능한 원료가 확대됨에 따라 의료비용의 절감, 개인 맞춤형 의료제품에 대한 풍부한 잠재수요 등은 보건산업을 견인할 핵심 기술이 될 것으로 전망하고 있다.
모든 환자는 개개인에 따라 질환의 특성이 다르고 신체구조의 차이가 있기 때문에 정형화된 제품을 사용하는데 한계가 있지만, 3D 프린팅 기술은 이러한 사항을 보완할 수 있으며, 미래의 진료실과 수술실의 환경을 완전히 바꿀 것으로 예상된다.
금속 3D 프린터는 일반적으로 크게 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로 나눌 수 있다. PBF는 분말을 소재로 하여 파우더 베드 상에 분말을 평평히 깔고 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 소결시키거나 용융시켜 적층하는 방법이다. 레이저는 갈바노 스캐너를 사용하여 레이저 경로를 제어하고, 코일로 구성된 편향 렌즈가 전자빔을 움직인다.
PBF 방식의 가장 큰 장점은 복잡한 형상을 어렵지 않게 인쇄해 낸다는 것에 있다. 예를 들어, 난삭재 가공이나 형상이 복잡한 고부가가치 제품을 생산하는 데 유리하다. 한편, 정밀도가 우수하지만, 생산성이 낮고 적층 제품의 소결 및 용융 균일도가 좋지 못해 제품의 강도가 약하고 충격치를 확보하기 어렵다는 단점이 있다. 현재는 많은 업체가 용융방식의 SLM(Selective Laser Melting) 공정 위주로 솔루션을 개발하고 있는 상황이다.
DED는 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속 분말도 공급되어 실시간으로 적층한다. 용접과 유사한 방법으로 기존 제품에 덧붙여 쌓아 올릴 수 있어 보수 작업에 활용할 수 있다. 또한, 여러 가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있다.
금속 3D 프린터를 선택할 때 PBF 방식과 DED 방식 중 가공 유형에 적합한 방법을 골라 사용하면 되지만, 각자 장단점이 뚜렷하기 때문에 어떤 기술이 더 우위에 있다고 섣불리 판단할 수 없다.
한편, 일반적인 PBF 방식의 3D 프린팅을 보면, 파우더 베드 상에 순차적으로 공급된 분말에 대해 갈바논 스캐너를 이용하여 소결하여 레이어 간에 적층을 시행한다.
금속을 이용한 3D 프린팅 제품은 특성상 기계적 가공 처리가 제한적이어서 표면 조도의 조절이 어렵고, 낮은 표면 조도를 요구하는 제품의 경우에는 후처리가 반드시 필요한 실정이다. 금속 및 레이저를 이용한 3D 프린팅 기술은 30~100㎛ 정도로 그 형상 정밀도가 낮은 관계로 의료 제품으로 적용하기엔 한계가 있어서, 연마, 샌딩, 폴리싱 내지 CNC 가공 등을 포함한 별도의 후가공 기술을 통해 표면 정밀도를 높이는 과정이 필요하다.
특히, 공급된 분말에 갈바논 스캐닝 시스템을 이용하여 인공 관절과 같은 의료 제품을 생산하는 과정에서는 인공 관절의 하부에 지지체를 배치한 상태에서 적층 및 소결 과정을 진행해야 하는바, 상기 지지체의 형상 및 구조가 인공 관절의 표면 품질에 큰 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있다.
한편, 한국등록특허 제10-1591438호의 경우에는 3D 프린팅 제품의 표면 처리에 있어서 초음파를 인가함과 동시에 전해연마를 실시함으로써 3D 프린팅 방법에 의하여 제품 표면에 남아있는 금속 분말을 제거하고 표면을 매끄럽게 하여 표면의 조도를 낮추게 되어 표면을 개질하는 방안을 개시하고,
한국등록특허 제10-1509432호의 경우에는 출력물 표면을 아세톤 화학반응작용을 이용해 부드럽게 가공하고, 급속냉각에 의한 건조를 통해 형태변형을 방지하며, 도색을 위한 표면마감재를 도포하여 고품질의 도색이 가능하게 하고, 이러한 표면처리과정을 자동으로 쾌속 진행할 수 있도록 3D프린터 출력물의 표면 쾌속처리장치에 관한 기술적 내용을 개시한다.
(특허문헌 1) KR10-1591438 B
(특허문헌 1) KR10-1509432 B
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 3D 프린터를 이용하여 인공 관절과 같은 의료용 보형물을 생산하는 과정에서, 갈바논 스캐닝 시스템을 이용하여 공급된 분말에 레이저를 조사하여 소결되는 인공 관절 제품의 하부 상에 연결되는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 변경하여 소결된 인공 관절 제품의 표면 정밀도를 향상하는 방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 다축 관절 로봇 구조를 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법은, 제품 조형 챔버의 작업 플레이트 상으로 분말을 순차적으로 공급하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체를 형성하는 단계; 상기 지지체 상으로 분말을 순차적으로 공급한 후, 상기 상기 지지체 상에 소정 두께로 쌓여진 분말 레이어 상에 레이저 조사부에서 조사된 레이저를 이용하여 소결함으로써 3D 성형 제품 표면 가공을 실시하며, 상기 레이저 조사부는 상기 다축 관절 로봇의 끝단 상에 고정된 상태에서, 상기 다축 관절 로봇을 이루는 복수의 관절 및 상기 관절을 연결하는 복수의 축의 위치 및 각도 변경을 통해서, 상기 3D 성형 제품 표면 상에 적층된 분말 레이어에 대한 다양한 각도의 레이저 소결을 가능하게 하여 표면 정밀도를 향상하게 한다.
상기 지지체의 형상은 격자 내지 메쉬 구조이다.
본 발명은 공급된 분말에 갈바논 스캐닝 시스템을 이용하여 인공 관절과 같은 의료용 보형물을 생산하는 과정에서는 인공 관절의 하부에 지지체를 배치한 상태에서 적층 및 소결 과정을 진행해야 하는바, 상기 지지체의 형상 및 구조를 격자 내지 메쉬 형태로 설정함으로써 인공 관절 제품에 직접적으로 접촉하는 지지체를 제거함으로써 발생하는 표면 품질 저하를 최소화한다.
도 1은 본 발명에 따라 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체 상에 공급된 분말 상에 다관절 로봇에 장착된 레이저를 조사하여 3D 프린터 소결 제품을 생산하는 개념을 보인다.
도 2는 다축 관절 로봇을 이용한 3D 프린터 소결 제품의 표면에 대한 가공 시스템을 보이는 개념도이다.
도 3은 분말 공급부와 제품 조형부 간의 배치 관계를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 갈바논 스캐너 상에 다관절 로봇 구조를 부가한 장치를 이용하여 3d 프린터 상에 공급된 분말 상에 레이저를 조사하여 인공 관절과 같은 의료용 보형물을 생산하는 과정에서, 갈바논 스캐닝 시스템을 이용하여 공급된 분말에 레이저를 조사하여 소결되는 인공 관절 제품의 하부 상에 연결되는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 변경하여 소결된 인공 관절 제품의 표면 정밀도의 향상 방안을 제공한다.
본 발명에 따라 소결 제품의 표면에 대한 가공 방법을 진행하는 3D 레이저 가공 시스템은 내부에 분말을 수용한 상태에서 소정의 주기로 제품 형성을 위하여 분말을 공급하는 분말 공급부(100), 분말 공급부(100)에서 공급되는 분말을 레이저를 조사하여 소결함으로써 3D 제품 성형을 가능하게 하는 제품 조형부(200) 및 제품 조형부(200) 내에 적층된 분말을 소결하는 레이저 조사부 상에 결합된 다축 관절 로봇 구조체(300)를 포함한다.
제품 조형부(200)는 레이저 노출을 통해 원하는 제품의 단면 형상에 대응하는 패턴 형상으로 소결 과정이 진행되게 한다.
제품 조형부(200)는 공급된 분말이 소결된 상태 하에서 존재하는 제품 조형 챔버(210), 제품 조형 챔버(210) 내에서 기설정된 프로그램에 따라 하방으로 이동하는 과정을 통해 분말 공급부(100)를 통해 공급된 분말이 펼쳐지는 작업 플레이트(220), 제품 조형 챔버(210)의 상부 측에 배치된 상태에서 작업 플레이트(220) 상에 놓은 분말층 상으로 레이저를 공급하는 레이저 조사부(240)를 포함한다.
제품 조형 챔버(210)는 분말 공급부(100)에서 공급된 분말이 레이저에 의해 소결된 상태 하에서 원하는 형상의 제품으로 조형되어지는 공간을 의미하는 것으로서, 분말 공급부(100)를 구성하는 분말 수용 챔버의 상단과는 별도의 이송 플레이트를 통해 연결되는 구조일 수 있다. 이송 플레이트는 일예로서 분말 수용 챔버에서 제품 조형 챔버(210) 측으로 갈수록 하부 방향으로 기울어지는 형태일 수 있다.
작업 플레이트(220)는 공급된 분말이 균일하게 펼쳐지는 분말 베드의 기능을 하는 것으로서, 그 하부에 결합된 구동부(225)를 통해 상하 이동 가능하게 된다. 구동부(225)는 작업 플레이트(220)의 하부에 일단이 고정되고 타단은 제품 조형 챔버(210)의 내부에서 하방으로 연장된 승강로드(미도시), 승강로드를 상하로 이동시키기 위한 구동모터(미도시)를 포함하며, 승강로드 주위에 하나 이상의 가이드(미도시)가 배치된 상태에서 승강로드와 함께 상하로 승강하면서 작업 플레이트(220)의 이동을 안내할 수 있다.
한편, 분말 공급부(100)에서 공급된 일정량의 분말이 작업 플레이트(220)의 일측에 모인 상태에서, 분배 롤러부(230)를 통해 공급된 일정량의 분말을 작업 플레이트(220) 상에 균일한 두께로 펼치게 할 수 있다.
상기 분배 롤러부(230)는 회전 과정에서 분말을 이송하는 기능을 수행함과 동시에 작업 플레이트(220)와 분배 롤러의 하부로 지나가는 분말을 롤링 운동을 통해 다지는 과정을 수행할 수 있다. 한편, 분배 롤러 상에 진동을 가할 수 있는 진동체를 추가적으로 배치함으로써 분배 롤러 상에 진동을 가하는 과정을 통해서 작업 플레이트(220) 상에 놓인 분말 상에 소정의 진동 가압을 가할 수 있다.
원통 형상의 분배 롤러(231)는 작업 플레이트(220)의 상단 중심 상에 배치된 회전축(235)에 직교하는 방향으로 결합된 롤러 연결축(233)에 축 방향을 따라 결합된다.
회전축은 제품 조형 챔버(210)의 일측 상단 상에 수직한 방향으로 결합된 상태에서 제어부에 의해 작동되는 별도의 구동 수단을 통해 회전 가능하게 결합된다.
분배 롤러는 회전축의 회전에 따라 작업 플레이트(220) 상에서 일정한 각도 범위 내를 회전한다. 구체적으로, 분배 롤러는 제품 조형 챔버(210)의 일측 상에 분말이 공급되는 경우에 회전축을 중심으로 자동차의 와이퍼와 같이 일측에서 타측 방향으로 부채의 펼쳐짐 동작과 유사하게 운동을 한다.
레이저 조사부(240)는 제품 조형 챔버(210)의 상부에 배치된 레이저 광원 및 레이저 광원에서 조사된 광이 입사되어 굴절되어지는 렌즈부를 포함한다.
다관절 로봇 구조체(300)는 다관절 링크 및 상기 다관절 링크의 연결 지점을 이루는 복수의 축을 갖는 구조를 가진 상태에서 모션 제어부를 통해 로봇 구조체를 이루는 각 축의 위치, 속도 및 가속도 정보를 포함하는 경로 계획을 세워 명령을 내리게 된다.
본 발명에 사용되는 다관절 로봇 구조체는 모든 관절이 직선형인 직교형 로봇, 2개의 직선운동관절과 1개의 회전관절을 갖는 원통형 로봇, 2개의 회전관절과 1 개의 직선관절을 갖는 구형 로봇 및 3개의 회전관절을 갖는 연결형 로봇 중 어느 하나의 종류를 사용하거나 또는 상기 다수의 로봇 종류 중 둘 이상을 조합하여 사용하는 것이 가능하다.
이하, 다관절 로봇 구조체를 이용하여 공급된 분말 상에 레이저를 조사하여 인공 관절과 같은 의료용 보형물을 생산하는 과정을 설명한다.
제품 조형 챔버(210)의 작업 플레이트(220) 상으로 분말을 순차적으로 공급하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체(250)를 형성한다.
분말 공급부(100)에서 제품 조형 챔버의 작업 플레이트 상으로 분말을 순차적으로 공급한다. 분배 롤러를 작동하여 작업 플레이트(220) 상에 공급된 분말을 일정한 두께로 다지는 작업을 한다.
상기 지지체(250) 상으로 분말을 순차적으로 공급한 후, 상기 상기 지지체 상에 소정 두께로 쌓여진 분말 레이어 상에 레이저 조사부(240)에서 조사된 레이저를 이용하여 소결함으로써 3D 성형 제품 표면 가공을 실시한다.
상기 레이저 조사부(240)는 상기 다축 관절 로봇(300)의 끝단 상에 고정된 상태에서, 상기 다축 관절 로봇을 이루는 복수의 관절 및 상기 관절을 연결하는 복수의 축의 위치 및 각도 변경을 통해서, 상기 3D 성형 제품 표면 상에 적층된 분말 레이어에 대한 다양한 각도의 레이저 소결을 가능하게 하여 표면 정밀도를 향상한다.
여기에서, 상기 지지체는 격자 내지 메쉬 구조로 형성한다.
상기 레이저 조사부는 다관절 로봇 구조체의 끝단 상에 고정된 상태에서, 다관절 로봇 구조체을 이루는 복수의 관절 및 상기 관절을 연결하는 복수의 축의 위치 및 각도 변경을 통해서, 작업 플레이트 상에 놓인 3D 성형 제품 표면 상에 적층된 분말 레이어에 대한 다양한 각도의 레이저 소결을 가능하게 하여 표면 정밀도를 향상하게 한다.
구체적으로, 다관절 로봇 구조체를 이용하여 레이저 조사부인 갈바논 스캐너의 배치각도를 자유롭게 조절하는 과정을 통해 작업 플레이트 상에 놓인 분말 레이어 간의 적층 각도를 다변화하게 한다.
성형되는 3D 출력물을 보면, 급경사를 갖는 표면 내지 완만한 경사를 갖는 표면을 가질 수 있는데, 여기에서 3D 출력물에 형성되는 경사면에 따라서 갈바논 스캐너의 각도를 적절히 유지함으로써 경사면의 거칠기를 부드럽게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 공급된 분말에 갈바논 스캐닝 시스템을 이용하여 인공 관절과 같은 의료용 보형물을 생산하는 과정에서 인공 관절의 하부에 지지체를 배치한 상태에서 적층 및 소결 과정을 진행해야 하는바, 상기 지지체의 형상 및 구조를 격자 내지 메쉬 형태로 설정함으로써 인공 관절 제품에 직접적으로 접촉하는 지지체를 제거함으로써 발생하는 표면 품질 저하를 최소화한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 다축 관절 로봇 구조를 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법에 있어서,
    제품 조형 챔버의 작업 플레이트 상으로 분말을 순차적으로 공급하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체를 형성하는 단계;
    상기 지지체 상으로 분말을 순차적으로 공급한 후, 상기 상기 지지체 상에 소정 두께로 쌓여진 분말 레이어 상에 레이저 조사부에서 조사된 레이저를 이용하여 소결함으로써 3D 성형 제품 표면 가공을 실시하며,
    상기 레이저 조사부는 상기 다축 관절 로봇의 끝단 상에 고정된 상태에서, 상기 다축 관절 로봇을 이루는 복수의 관절 및 상기 관절을 연결하는 복수의 축의 위치 및 각도 변경을 통해서, 상기 3D 성형 제품 표면 상에 적층된 분말 레이어에 대한 다양한 각도의 레이저 소결을 가능하게 하여 표면 정밀도를 향상하게 하는,
    다축 관절 로봇 구조를 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체의 형상은 격자 내지 메쉬 구조인,
    다축 관절 로봇 구조를 이용하여 의료용 보형물의 하부를 구성하는 지지체의 형상을 격자 내지 메쉬 구조로 형성하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102318739B1 (ko) * 2020-09-15 2021-10-28 이보영 적층가공을 위한 토치

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