KR20210033598A

KR20210033598A - 맞춤형 인공지지체 제조방법

Info

Publication number: KR20210033598A
Application number: KR1020190114952A
Authority: KR
Inventors: 김종영; 사민우; 이창희; 최승혁
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-29
Also published as: KR102350987B1

Abstract

맞춤형 인공지지체 제조방법가 개시된다. 본 발명에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계; 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점을 포함하는 적층공간에 분말형 소재를 소정두께로 제공하는 피딩단계; 제공된 상기 분말형 소재가 상기 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 상기 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계; 및 입력된 G-Code의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 상기 층별이미지에 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록, 상기 피딩단계 및 소결단계를 연속 수행하는 반복단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 3D 인공지지체가 다양한 형상과 미소한 크기로 맞춤 제작될 수 있음은 물론이고, 생체적합성과 필요한 기계적 강도를 갖는 3D 인공지지체의 제조가 가능해지는 효과가 있다.

Description

맞춤형 인공지지체 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CUSTOMIZED SCAFFOLD}

본 발명은 맞춤형 인공지지체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 3D로 모델링된 인공지지체를 소정의 공정조건하에서 분말형 세라믹의 층별 공급과 이에 대한 선택적 레이저 소결의 반복으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

사고나 질병으로 인한 골손상 또는 운동량 부족이나 고령화에 따른 골기능 저하 등의 문제를 해결하기 위해, 근래에 들어 골조직 재생용 생체재료에 대한 관심이 집중되고 있다.

특히, 생체재료 관련 연구개발 중 인공지지체(Scaffold)는, 조직공학(tissue engineering 즉, 체외에서 손상부위와 동일한 세포를 배양한 후 손상 부위에 이식하여 해당 기능을 발휘케 하는 조직재생의 목적을 위한 학문)의 주요한 이슈 중 하나로서, 세포의 증착, 증식 및 분화를 도울 수 있는 생체적합성 소재와 제조방법에 대한 다양한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

이러한 인공지지체는, 이식 후 시간의 경과에 따라 체내에서 세포의 번식을 지원하면서 서서히 분해되어 체내에 흡수되어야 하는 요구에 따라 자가생성의 유도시간과 생체 내 거부반응을 최소화할 수 있고, 체내 생분해활동 대사가 활발한 생체고분자, 합성고분자, 생체세라믹 또는 금속 등과 같은 다양한 재료를 활용하여 다공성 구조로 제작되고 있다.

이때, 다공성의 3차원 인공지지체의 제조는, 구체적으로 광조형법(Stereolithography, SLA), 열용해적층법(Fused deposition modeling, FDM) 등과 같은 3차원 제조기술로 이루어지고 있다.

그러나 3차원 제조기술에 사용되는 설비나 장치 자체는, 대규모의 고가 시스템으로 구성되는 것이어서 소량의 인공지지체를 맞춤형으로 제작하거나 소규모의 연구실 단위에서 사용하기에는 비용상의 어려움이 컸고, 고정밀도를 갖는 소형의 인공지지체를 신속하게 제작함에 있어서도 아직까지 분명한 한계가 존재하는 문제가 있다.

이를 개선하기 위한 인공지지체 제조장치와 관련된 선행기술 중 대한민국공개특허 제10-2009-0054208호(공개일: 2009년 05월29일)는, 정밀 다축 적층 장치 및 이를 이용한 3차원 인공 지지체제조 시스템에 관한 기술을 개시하고 있다.

상술한 선행기술은, 최소 100㎛ 이하의 선폭을 가지면서도 ±10㎛ 오차 범위 내에서 제어되고, 필요한 강성을 갖는 복잡한 3차원 인공지지체의 제조가 가능함을 기술하고 있다.

그러나 본 선행기술이 채택한 제조방식은, 고체 재료를 녹여 액화시킨 후 이를 소정 굵기로 분사하는 열용해적층법을 이용한 것이어서 사용 가능한 소재가 저온 용융성 합성고분자 등에만 적용이 용이할 뿐이고, 분말형태로 제공되는 고온 용융성 생체세라믹이나 금속에는 사실상 적용하기가 어렵다는 점, 연속적으로 3축 구동하는 적층헤드에서 분사된 용융수지로 형상을 구현함으로 인해 노즐 등의 유지관리가 일상적으로 필요하고, 고결(냉각)과정이 필수적이어서 인공지지체 완성에 소요되는 리드타임의 단축에 한계가 있으며, 분사속도나 용융수지 점도 등의 많은 제어요소로 인해 완제품 정밀도에서도 일정한 한계가 예상된다는 점에서, 여전히 이에 대한 지속적인 연구개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2009-0054208호(공개일: 2009년 05월29일)

본 발명의 목적은, 다양한 맞춤 형상으로 3D 모델링된 인공지지체를 체내 이식시 생체적합성이 있는 분말형 소재를 이용하여 적층식 레이저 소결법을 통해 필요한 기계적 강도로 제작할 수 있고, 종래 용융수지를 노즐로 분사하는 제조방식에 비해 장비의 유지관리가 용이하고, 상대적으로 적은 제어요소의 가변을 통해 필요한 완제품 정밀도를 다양하게 충족시킬 수 있는 맞춤형 인공지지체 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계; 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점을 포함하는 적층공간에 분말형 소재를 소정두께로 제공하는 피딩단계; 제공된 상기 분말형 소재가 상기 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 상기 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계; 및 입력된 G-Code의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 상기 층별이미지에 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록, 상기 피딩단계 및 소결단계를 연속 수행하는 반복단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법에 의해 달성된다.

상기 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 상기 반복단계를 통해 완성된 상기 인공지지체를 소결로에 장입하여 4시간 동안 점진적으로 1050℃ 내지 1150℃까지 승온시키고, 2시간의 온도유지 후 냉각시키는 사후소결단계를 더 포함할 수 있다.

상기 분말형 소재는, 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP) 중 적어도 어느 하나를 포함한 분말일 수 있다.

상기 소결단계는, 레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하고, 포커싱렌즈의 초점을 기준으로 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응한 거리만큼 이격된 위치에 타겟점 및 상기 적층공간이 위치하도록 설정될 수 있다.

상기 소결단계는, 레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하여 이루어질 수 있다.

상기 소결단계는, xy 평면에 대한 상기 적층공간의 이동속도를 100mm/min 내지 250mm/min로 설정하여 이루어질 수 있다.

상기 분말형 소재는, 기계적 강도가 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%의 수산화인회석(HA)과 100 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어지고, 원활한 세포증식이 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 25 중량%의 수산화인회석(HA)과 75 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 3D 모델링된 맞춤형 인공지지체의 층별이미지에 대응한 수치제어명령인 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계와, 적층공간에 소정의 분말형 소재를 층별이미지에 대응한 두께로 제공하는 피딩단계와, 층별이미지에 대응하여 분말형 소재가 소결되도록 레이저를 제어하며 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계와, 이러한 피딩단계 및 소결단계의 반복을 통해 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 3D 인공지지체가 다양한 형상과 미소한 크기로 맞춤 제작될 수 있음은 물론이고, 생체적합성과 필요한 기계적 강도를 갖는 3D 인공지지체의 제조가 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법의 시계열적 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 피딩단계와 소결단계에 따른 제조 과정을 개념적으로 도식화한 공정도이다.
도 3은 도 1에 따른 제조방법에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치의 사시도이다.
도 4는 도 3의 6축 작동을 방향을 간략히 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 피딩부의 3축 구동을 단계별로 도시한 공정도이다.
도 6은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 레이저 출력에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 7은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 타겟점 결정에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 8은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 분말형 소재의 xy 평면상 이동속도에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 9는 도 1의 사후소결단계의 온도처리 과정과 처리 온도별 압축강도 평가를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 분말형 소재의 함량분포에 따른 기계적 강도와 세포증식률의 정도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 1에 따라 완성된 인공지지체의 실물크기와 조성 원소의 비율을 각각 보여주는 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법의 시계열적 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 2는 도 1의 피딩단계와 소결단계에 따른 제조 과정을 개념적으로 도식화한 공정도이고, 도 3은 도 1에 따른 제조방법에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치의 사시도이고, 도 4는 도 3의 6축 작동을 방향을 간략히 도시한 도면이고, 도 5는 도 3의 피딩부의 3축 구동을 단계별로 도시한 공정도이고, 도 6은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 레이저 출력에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이고, 도 7은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 타겟점 결정에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이고, 도 8은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 분말형 소재의 xy 평면상 이동속도에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이고, 도 9는 도 1의 사후소결단계의 온도처리 과정과 처리 온도별 압축강도 평가를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 1의 분말형 소재의 함량분포에 따른 기계적 강도와 세포증식률의 정도를 보여주는 그래프이고, 도 11은 도 1에 따라 완성된 인공지지체의 실물크기와 조성 원소의 비율을 각각 보여주는 사진이다.

도면에 나타난 X, Y, Z 축은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 임의로 정한 것으로, X축이 전(앞, 화살표 쪽), 후(뒤)방향을 지시하고, Y축은 좌(화살표 쪽), 우방향을 지시하며, Z축은 상(위, 화살표 쪽), 하(아래)방향을 지시하는 것으로 정의한다. 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 고품질의 3D 인공지지체를 다양한 형상과 미소한 크기로 맞춤 제작하면서도 생체적합성과 필요한 기계적 강도를 갖춘 3D 인공지지체를 양산 내지 제조하기 위해 안출된 발명이다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 전체적으로 도 1에 도시된 바와 같이 모델링단계(S100), 피딩단계(S200), 소결단계(S300), 반복단계(S400) 및 사후소결단계(S500) 등을 포함하는 일련의 시계열적 단계 등으로 구성될 수 있다.

여기서 피딩단계(S200) 및 소결단계(S300)는, 본 발명의 실시예에서 가장 중점이 되는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이 개념적으로 도식화된 제조 과정 내지 공정을 통해 이루어질 수 있고, 구체적으로는 도 2 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)에 의해 구체적으로 이루어질 수 있다.

이하에서는 위에 언급한 각각의 단계들에 대하여 도 1 및 도 2 등을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 모델링단계(S100)는, 3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치(100)에 입력하는 준비적 단계이다.

이러한 모델링단계(S100)는, 맞춤형 즉, 커스터마이징된 다양한 형상의 인공지지체를 3D 모델링 데이터로 변환하는 단계(S110)와, 이러한 3D 모델링 데이터를 소정두께로 슬라이싱하여 복수의 층별이미지를 추출하는 단계(S120)와, 추출된 층별이미지 각각에 대한 G-Code를 생성하여 후술할 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)에 입력하는 단계(S130) 등으로 구성될 수 있다.

여기서 맞춤형 인공지지체에 대한 3D 모델링 데이터 변환(S110)은, 상용화된 3D스캐너나 컴퓨터상에 설치되어 운용되는 다양한 3D제작 프로그램 등을 통해 이루어질 수 있지만, 본 과정은 후술하는 바와 같이 추출된 층별이미지의 적층에 의해 생략될 수도 있다.(도 2의 확대부분 참조)

복수의 층별이미지의 추출(S120)은, 모델링된 인공지지체의 전체 높이를 소정두께로 분할하여 얻어질 수 있다.

이때, 소정두께는, 일례로서 도 2에 도시된 최하단의 1층 이미지와 그 상부에 형성되는 2층의 이미지처럼 레이저에 의해 서로 다르게 연속적으로 소결되는 적층구조를 기준으로 결정될 수 있고, 필요에 따라서 층별로 균일한 두께 또는 서로 다른 두께가 교대로 배치되는 것을 의미할 수도 있다.

층별이미지 각각에 대한 G-Code 생성 후 인공지지체 제조장치(100)(구체적으로 후술할 제어부(140))로의 입력(S130)은, 본 발명에 사용되는 인공지지체 제조장치(100)에 의한 일련의 다양한 작동과 순서 등을 실질적으로 제어하기 위한 단계로서, 이를 통해 층별이미지에 대응한 소결작동이 층층이 이루어지는 결과, 최종적으로 인공지지체가 맞춤 제조될 수 있게 된다.

여기서 G-code는, 본 발명에 사용되는 인공지지체 제조장치(100)와 같은 자동화된 공작기계를 수치 제어하는 컴퓨터 기반의 제조산업에 주로 사용되며 다양하게 변형되는 프로그래밍 언어를 말한다.

위와 같이 컴퓨터 기반하에서 다양하게 작동하는 다수의 장치를 종합적으로 제어하는 일련의 코딩 과정 등은, 후술할 피딩단계(S200), 소결단계(S300) 및 이들의 반복단계(S400)에 의한 인공지지체의 맞춤 제조가 완료될 때까지 각 장치들이 작동하는 일련의 과정이 컴퓨터에 의해 인식되도록 한 것에 불과한 것이고, 이는 당업자에 의해 쉽게 이루어질 수 있는 것이므로 코딩 등에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서 G-code는, 후술하는 바와 같이 적층공간(S1)에 분말형 소재(CP)를 소정두께로 채우는 작동, 이후 xy 평면상에서 적층공간(S1)을 이동시키는 속도, 레이저의 작동과 출력의 크기, 포커싱렌즈(118)의 위치조절을 통한 초점(F) 위치변경 등에 관한 코딩된 제어명령일 수 있다.

다음으로, 피딩단계(S200)는, 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점(T)을 포함하는 적층공간(S1)에 분말형 소재(CP)를 소정두께로 제공하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같은 일련의 과정을 통해 이루어질 수 있다.

즉, 피딩단계(S200)는, 도 2에서처럼 분말형 소재(CP)를 수용공간(S2)으로부터 상승 토출시키는 과정과, 소정두께만큼의 하강을 통해 적층공간(S1)을 형성하는 과정과, 토출된 분말형 소재(CP)를 긁어 적층공간(S1)에 소정두께로 채워지도록 선형이동시키는 일련의 작동 내지 과정 등으로 구성될 수 있다.

이러한 피딩단계(S200)는, 상술한 바와 같이 적층공간(S1)에 분말형 소재(CP)를 소정두께로 자동 제공하는 과정 등을 수행할 수 있는 다양한 구동방식의 장치에 의해 이루어질 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 피딩단계(S200)는, 일례로서 도 2 내지 도 4에 도시된 6축 구동형 3차원 인공지지체제조장치(100)에 의해서 도 5와 같은 일련의 과정으로 진행될 수 있다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 복잡한 다공구조를 갖는 다양한 맞춤형 3D 인공지지체를 미소단위로 신속하고 정밀하게 제조하는 한편, 전체 장치의 소형화를 통해 소규모의 연구실 또는 병원 단위에서도 자유롭게 사용할 수 있도록 하기 위해 안출된 발명으로서, 종래 용융수지의 노즐 분사방식과 달리 분말형으로 제조되어 적층식으로 순차 공급되는 분말형 소재(CP)를 선택적 레이저 소결법을 통해 층별로 고형화시키는 방식으로 3D 인공지지체를 제작하게 된다.

여기서 선택적 레이저 소결법(Selective Laser Sintering, SLS)이란, 레이저를 이용한 재료가공의 한 가지 방법으로 레이저의 선택적 에너지 전달 기능을 이용해 분말 등의 재료를 선택적으로 고형화시키는 기술을 말하는데, 재료의 표면처리를 목적으로 하는 레이저 클래딩(Laser cladding)에서 발전하여 특수한 목적의 형상을 소결 접착의 형식으로 만드는 것을 지칭한다.

선택적 레이저 소결은 부품 및 시작품 제작이 복잡하거나 비싼 장비를 사용하지 않고도 신속하고 경제적인 방법으로 해결하려는 경향의 증가에 따라 쾌속조형기술(Rapid-prototyping)로 연구 발전되어 왔다.

위와 같은 선택적 레이저 소결법에 사용될 수 있는 분말형 소재(CP)는, 합성 고분자, 금속, 분말형 소재(CP) 또는 복합재료 등으로 분류될 수 있는데 각각의 특성을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 합성 고분자 재료의 경우 굽힘성, 탄성, 성형성, 제작성, 경량성 등이 우수하나 기계적 강도, 내마모성, 생체적합성 미흡한 특성이 있고, 금속 재료의 경우 강도, 인성, 내마모성이 우수하나 고중량이고 생체적합성, 내부식성이 미흡한 특성이 있다.

그리고 분말형 소재(CP)의 경우 생체적합성, 불활성, 내부식성, 압축강도가 우수하나 취성이 강해 깨지기가 쉽고, 성형성, 제작성, 복원성이 미흡한 특성이 있고, 복합재료는 생체적합성, 고강도, 불활성, 내부식성이 우수하나, 성형성이나 제작성이 역시 미흡하다는 특징이 있다.

이에 본 발명에서는, 인공지지지체의 형상, 구조, 적용부위에 따라 요구되는 물성을 만족시키도록, 위의 소재별 특성 등을 고려하여 분말이나 알갱이 형태로 제공되는 고분자, 금속, 세라믹 및 복합재료 중 적어도 어느 하나를 포함하는 소재를 선택적으로 사용할 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 분말형 소재(CP)는, 생체적합성과 생분해성의 향상을 위해, 종래 저온 용융성 고체 재료를 녹여 소정 굵기로 압출 분사하는 열용해적층법의 가열온도보다 높은 온도에서 용융됨으로 인해 적용하기 어려웠던 분말형태의 고온 용융성 인산칼슘계 세라믹(CaP based ceramics)일 수 있다.

인산칼슘계 세라믹은, 구체적으로 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP) 중 적어도 어느 하나를 포함한 분말로 구성되며, 각각이 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%에서 100 중량%로 서로 비율을 달리하는 다양한 혼합비로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 기능 및 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저부(110), 작업부(120), 피딩부(130) 및 이들에 대한 전원분급과 개별적인 작동제어를 위한 제어부(140) 등을 포함하여 구성된다.

여기서 피딩단계(S200)와 관련된 피딩부(130)는, 가동판(122)의 타영역에 형성된 수용공간(S2)에서 z축을 따라 상방으로 토출된 분말형 소재(CP)가 가동판(122)의 적층공간(S1)에 층별로 제공되도록 하는 3축 구동의 구성요소로서, 후술할 작업부(120)의 3축 구동과 연계됨으로써 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)는 총 6축으로 구동될 수 있게 된다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 피딩부(130)는, 제2 수직구동부(136), 피드구동부(134), 피드롤러(132) 및 회전구동부(138) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

제2 수직구동부(136)는, 수용공간(S2) 내의 분말형 소재(CP)를 지지하도록 삽입설치된 토출판(133)을 z축을 따라 승강(도 4의 Z)시키는 구동력을 제공하기 위해 제1 수직구동부(126)와 나란히 가동판(122)의 하부에 구비되는 구성요소로서, 적어도 슬라이싱된 층별이미지에 대응하는 깊이로 각각 하방 이동하는 적층판(123)에 의해 형성되는 적층공간(S1)을 채울 수 있는 양으로 분말형 소재(CP)가 토출되도록 제어될 수 있다.

이러한 제2 수직구동부(136)는, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 수단으로 구현되어 피스톤처럼 작동하는 토출판(133)과 결합된다.

물론, 이러한 제2 수직구동부(136) 또한, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.

이때, 토출판(133) 일측에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 수용공간(S2) 내에 수용된 분말형 소재(CP)의 무게를 실시간 측정할 수 있는 중량센서(139)가 더 구비될 수 있는데, 이로 인해 인공지지체 제조과정 중에 연속적으로 사용되는 분말형 소재(CP)는 사용자나 별도의 자동화된 리필장치를 통해 적절한 시기에 보충 내지 리필될 수 있다.

피드구동부(134)는, 후술할 피드롤러(132)가 가동판(122)의 수용공간(S2)과 적층공간(S1) 사이를 왕복하며 선형작동(도 4의 B)을 하도록 수평구동부(124)와 가동판(122) 사이에 설치되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되어 선형작동하며 피드롤러(132)에 고정되는 볼너트와 같은 동력변환 조립체로 구현될 수 있다.

이러한 피드구동부(134)의 작동으로 인해 피드롤러(132)는, 수용공간(S2)에서 토출된 분말형 소재(CP)를 가동판(122)의 적층공간(S1)에 층별로 제공할 수 있게 된다.(도 2 및 도 5 참조)

피드롤러(132)는, 가동판(122)의 상면과 접한 상태로 피드구동부(134)에 결합되어 그 선형작동에 따라 수용공간(S2)에서 토출된 인산칼슘계 세라믹과 같은 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)으로 이동시켜 채우는 원통형의 구성요소로서, 금속은 물론, 탄성을 갖은 고무나 합성고분자 등으로 제작될 수 있다.

이러한 피드롤러(132)의 왕복 선형작동으로 인해 적층공간(S1)에는 층별로 분말형 소재(CP)가 일정한 두께로 채워질 수 있게 된다.

피드롤러(132)의 왕복 선형작동(도 4의 B)은, 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시에는 가동판(122)의 상면으로부터 피드롤러(132)가 미소하게 이격된 상태로 이루어지고, 이후 수용공간(S2) 쪽으로 슬라이딩 복귀 시에는 가동판(122)의 상면과 피드롤러(132)가 밀착된 상태로 이루어질 수 있다.

이는, 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 충분한 양으로 공급되게 한 후, 슬라이딩 복귀 시에 피드롤러(132)에 의해 여유 있게 채워진 분말형 소재(CP)가 가압되면서 적층공간(S1)에 촘촘히 다져지며 채워지도록 하기 위한 것이다.

이러한 방식으로 피드롤러(132)가 작동제어되는 경우, 피드롤러(132)는 탄성을 갖은 고무나 합성고분자 등으로 제작하는 것이 피드롤러(132)의 원활하고 자연스러운 작동을 위해 바람직하다.

이렇게 촘촘하게 다져진 분말형 소재(CP)에 대하여 레이저 소결이 이루어지게 되면, 다져지지 않은 경우보다 전체적으로 소결의 품질, 결합 강도 및 소결의 균일성 등이 유의할 수준으로 향상될 수 있다.

나아가 상술한 바와 같이 적층공간(S1)에 채워진 인산칼슘계 세라믹에 대한 다짐작용의 구현 내지 강화를 위해 피딩부(130)는, 도 5에 도시된 바와 같이 피드롤러(132)를 가동판(122) 쪽으로 밀착시키며 가압하는 가압부(150)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로 가압부(150)는, 도시된 것처럼 피드롤러(132) 주변에 설치되어 피드롤러(132)가 가동판(122) 쪽으로 밀착되도록 탄성지지하는 코일스프링(150a)으로 구현될 수 있고, 도시된 바와 달리 전원공급장치(190)로부터 제어전원의 인가에 따라 신장되며 피드롤러(132)를 가동판(122) 쪽으로 밀착시켜 가압하거나 수축되며 피드롤러(132)를 가동판(122)으로부터 이격시키는 전기적 압전소자로 구현될 수도 있다.

회전구동부(138)는, 피드구동부(134)의 선형작동에 대하여 직각인 방향을 축으로 피드롤러(132)를 회전(도 4의 C)시키는 구성요소로서, 회전운동을 발생시키는 모터 등의 회전축을 피드롤러(132)에 직결하거나 소정의 감속기어의 조합을 매개로 피드롤러(132)에 연결함으로써 이루어지게 된다.

이때, 회전구동부(138)의 회전방향은, 분말형 소재(CP)의 특성이나 피드구동부(134)의 선형작동방향 등에 따라 다양하게 변경제어될 수 있다.

다만, 수용공간(S2)에서 토출된 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 보다 원활하고 깔끔하게 이송되고 채워질 수 있도록 하기 위해, 회전구동부(138)는 적층공간(S1) 쪽으로 피드롤러(132)가 슬라이딩하는 경우, 해당 슬라이딩 방향과 가동판(122)과 접하는 피드롤러(132)의 회전방향이 서로 일치하도록 회전 제어될 수 있다.

또한, 피드롤러(132)가 가동판(122)에 대한 저항 없이 신속히 이동하며 토출된 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 채워질 수 있도록 하기 위해, 회전구동부(138)는 피드롤러(132)의 슬라이딩 방향과 가동판(122)과 접하는 쪽 피드롤러(132)의 회전방향이 각각 서로 반대방향을 이루도록 회전 제어될 수 있다.

제어부(140)는, 도 2에 도시된 바와 같이 레이저부(110), 작업부(120) 및 피딩부(130) 등과 각각 전기적으로 연결된 상태에서 사용자에 의해 코딩된 제어명령인 G-Code에 기초하여 전원공급장치(190)를 통해 각 구성에 제어전원을 인가하고, 레이저발생기(112)를 온/오프하며, 수평구동부(124), 제1,2 수직구동부(126,136), 피드구동부(134)의 위치변위와 이동속도, 회전구동부(138)의 회전속도와 방향 등을 각각 제어하게 된다.

또한, 제어부(140)는 상술한 중량센서(139)와 연결된 상태에서 수용공간(S2)에 저장된 분말형 소재(CP)의 무게정보를 실시간으로 전송받아 사용자에게 분말형 소재(CP)의 보충 내지 리필시기를 시각 또는 청각적으로 제공하는 작동을 수행할 수 있다.

그리고 제어부(140)는, 상술한 압전소자와 연결된 상태에서 피드롤러(132)가 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시에는 압전소자가 수축되도록 제어전원을 인가하여 가동판(122)의 상면으로부터 피드롤러(132)를 미소하게 이격시킬 수 있고, 이후 수용공간(S2) 쪽으로 슬라이딩 복귀 시에는 압전소자가 신장되도록 제어전원을 인가하여 가동판(122)의 상면과 피드롤러(132)를 밀착시키는 작동제어를 할 수 있다.

이러한 제어부(140)는 MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 등과 같은 모듈화된 유닛으로 구현되며, 내부에는 메모리가 구비될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성들로 이루어진 피딩부(130)는, 제어부(140)에 의해 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 적층공간(S1)에 제공될 분말형 소재(CP)가 수용공간(S2) 내에 저장되도록 토출판(133)을 하방으로 이동시키는 저장준비단계를 수행하게 된다.(S210)

그리고 피딩부(130)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 슬라이싱된 층별이미지에 대응하는 깊이로 적층판(123)이 하방으로 이동하는 한편, 토출판(133)이 상방으로 이동하도록 후술할 제1,2 수직구동부(126,136)를 각각 작동시키는 채움준비단계(S220)를 수행하게 된다.(S220)

그리고 피딩부(130)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 수직구동부(136)의 작동으로 가동판(122)의 위로 토출된 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 깔끔하게 이동되어 촘촘하게 다져지며 채워지도록, 피드구동부(134)를 선형운동시킴과 동시에 회전구동부(138)를 회전시키는 분말제공단계(S230)를 수행하게 된다.(S230)

위와 같은 피딩부(130)의 일련의 연계된 작동을 통해 피딩단계 전체가 완료될 수 있게 된다.(S200)

다음으로, 소결단계(S300)는, 제공된 분말형 소재(CP)가 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 적층공간(S1)을 x축과 y축으로 상대이동시키는 단계로서, 이를 통해 도 2의 확대부분에 도시된 바와 같은 지그재그 형태의 소결 라인이 형성될 수 있다.

즉, 소결단계(S300)는, 도 2에서처럼 레이저를 온/오프하며 그 출력을 조절하는 과정과, 레이저가 수렴하는 포커싱렌즈(118)의 초점(F) 위치를 가변시키는 과정과, 적층공간(S1)을 다양한 속도로 xy 평면에 대하여 자유자재로 움직이는 일련의 과정 내지 작동 등으로 구성될 수 있다.

이러한 소결단계(S300)는 위와 같이 레이저를 제어하며 적층공간(S1)을 xy 평면에 대하여 자유자재로 움직이는 과정 등을 수행할 수 있는 다양한 구동방식의 장치에 의해 이루어질 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 소결단계(S300)는, 일례로서 도 2 내지 도 4에 도시된 6축 구동형 3차원 인공지지체제조장치(100)에 의해서 진행될 수 있는데, 구체적으로는 레이저부(110)와 작업부(120)의 연계된 작동에 의해 이루어질 수 있다.

이때, 레이저부(110)는, 일측에서 생성되어 방사된 레이저 에너지가 사용자에 의해 임의로 설정된 xy 평면상의 고정된 타겟점(T)에 위치하도록 하기 위해 마련된 구성요소로서, 이로 인해 해당 타겟점(T)에 위치한 인산칼슘계 세라믹 등과 같은 분말형 소재(CP)는 전달된 레이저 에너지에 의해 소결작용이 이루어지게 된다.

여기서 타겟점(T)이란, 후술할 포커싱렌즈(118)를 투과하며 수렴된 레이저에 의해 분말형 소재(CP)가 소결되는 지점을 지칭하는 것으로, 분말형 소재(CP)의 함량비나 종류 기타 공정조건 등을 고려하여 사용자의 설정에 따라 결정될 수 있으므로, 후술할 적층공간(S1)에 얇게 채워진 분말형 소재(CP)의 상부면, 그 중앙부 또는 적층판(123)과 접하는 분말형 소재(CP)의 하부면 등 다양한 위치에 형성될 수 있다.

이러한 타겟점(T)은, 포커싱렌즈(118) 자체의 초점거리와 구별되는 개념으로, 그 위치는 레이저 경로를 따라 포커싱렌즈(118)로부터의 이격거리 또는 포커싱렌즈(118)의 초점(F)으로부터의 이격거리로 표현될 수 있다.

타겟점(T)의 조절은, 후술할 포커싱렌즈(118)의 상하 위치이동에 따라 변경되는 초점(F)에 의해 이루어지게 되는데, 타겟점(T)이 초점(F)으로부터 멀리 떨어지게 되면 레이저 에너지의 감소에 의해 약한 소결작용이 발생하고, 초점(F)에 가까울수록 강한 소결작용이 발생하게 된다.

구체적으로 레이저부(110)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 레이저발생기(112), 빔확장기(114), 반사경(116) 및 포커싱렌즈(118) 등을 포함하여 구성된다.

이때, 레이저발생기(112)는 이산화탄소(CO2)를 매질로 레이저빔을 생성하여 방사하는 구성요소로서, 열용해적층법의 가열온도 대비 높은 온도에서 용융됨에 따라 열용해적층법에 적용되기 어려운 인산칼슘계 분말형 소재(CP)를 원활하게 소결시킬 수 있는 30W의 최대 출력을 갖는 레이저 장비일 수 있다.

이러한 출력의 레이저 장비는 기존의 선택적 레이저 소결법에 일반적으로 적용되는 고출력(100W 이상)의 레이저 장비와 비교시 그 크기나 전력사용량 등에 있어 분명한 차이를 보이게 된다.

빔확장기(114)는 레이저발생기(112) 일측에 구비된 레이저빔의 방출구에서 빔 사이즈를 조절하는 구성요소이고, 반사경(116)은 빔확장기(114)를 통과한 레이저빔이 타겟점(T)을 향하도록 방향 전환시키는 구성요소로서, 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)의 전체 구조나 배치에 따라 다수 개가 적절한 위치에 설치되어 레이저빔의 방향 전환에 사용될 수 있다.

빔확장기(114)와 반사경(116) 사이에는, 방사되는 레이저의 출력(W)을 측정하는 레이저 파워미터(LPM)가 구비되어 레이저의 강약을 실시간 확인할 수 있다.

포커싱렌즈(118)는, 방향 전환된 레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 초점(F) 상에 수렴(레이저빔의 폭이 최소화됨)시킴으로써 레이저 에너지의 크기를 증폭시키는 구성요소로서, 이때의 초점(F)은 포커싱렌즈(118)에 따라 고유하게 정해지는 것으로, 상술한 타겟점(T)과 구별된다.

이러한 포커싱렌즈(118)의 초점(F)과 사용자에 의해 설정된 타겟점(T) 간의 거리가 위치조절수단(수직가이드봉 및 클램프)을 통하여 변경되는 경우, 타겟점(T)에 대한 레이저빔의 폭은 포커싱렌즈(118)의 초점(F)에서 멀어질수록 증가하게 되고 레이저 에너지는 감소하게 된다.(도 2 참조)

즉, 포커싱렌즈(118)의 위치조절과 함께 레이저발생기(112)의 출력을 조절하게 되면, 타겟점(T)에 위치한 분말형 소재(CP)에 대한 레이저 소결작용의 강약과 굵기 등이 다양하게 변경될 수 있다. 이로 인해 사용자의 요구에 따라 다양하게 변경된 소결 재료나 다양한 혼합비의 분말형 소재(CP)에 대한 맞춤식의 인공지지체가 제조될 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 구성들이 결합된 레이저부(110)를 통해 다양한 분말형 소재(CP)에 대응한 소결의 최적화, 레이저빔 경로 및 타겟점(T)의 가변적 설계가 자유롭게 가능해짐에 따라 종래 선택적 레이저 소결이 이루어지던 밀폐형 챔버 내부가 아닌 공기 중에서도 분말형 소재(CP)에 대한 레이저 소결이 가능해지고, 소형의 레이저발생기(112)의 적용으로 전체 제조장치(100)의 규모가 더욱 소형화되며, 맞춤형 인공지지체의 제조가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.

작업부(120)는, 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 지점인 타겟점(T)을 기준으로 xy 평면을 따라 2축(x축 및 y축) 방향으로 거동하는 한편, 분말형 소재(CP)가 층별로 채워지도록 일영역이 z축을 따라 하강 작동하도록 이루어진 3축 구동의 구성요소이다.

위와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 작업부(120)는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 수평구동부(124), 가동판(122), 제1 수직구동부(126) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

수평구동부(124)는, 후술할 가동판(122)이 x축 및 y축 방향으로 연동된 선형작동을 하도록 바닥프레임(102)과 가동판(122) 사이에 설치되는 구성요소로서, 이로 인해 가동판(122)은 xy 평면을 따라 자유롭게 거동하며 분말형 소재(CP)를 소정의 프로그램된 2차원 형상(지그재그형 소결라인)으로 소결시킬 수 있게 된다.

이러한 수평구동부(124)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, x축 방향을 따라 가동판(122)을 슬라이딩(도 4의 X)시키는 x축 구동부(124a)와, x축 방향을 따라 슬라이딩된 가동판(122)을 다시 y축 방향을 따라 슬라이딩(도 4의 Y)시키는 y축 구동부(124b)로 구성될 수 있다.

x축 구동부(124a)와 연동하는 y축 구동부(124b)의 구현은, x축 방향으로 길게 형성된 제1 레일과, y축 방향으로 길게 형성되어 제1 레일을 따라 슬라이딩하는 제2 레일과, 제2 레일을 따라 슬라이딩하며 후술할 가동판(122)과 결합되는 연결블럭 등으로 구성될 수 있다.

이때, 제2 레일과 연결블럭을 슬라이딩시키는 구동력은 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현될 수 있다.

이러한 수평구동부(124)는, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.

가동판(122)은, 상술한 수평구동부(124)의 작동에 따라 xy 평면상을 거동하도록 수평구동부(124)에 결합되어 후술할 피딩부(130)로부터 층별로 분말형 소재(CP)를 제공받게 되는 판상의 구성요소로서, 수용공간(S2)과 z축을 따라 하강 및 승강작동하는 적층판(123)이 끼워지는 적층공간(S1)이 각각 나란하게 상하방향(z축)으로 관통형성된다.

이때, 승강작동하는 적층판(123)이 끼워지는 적층공간(S1)은, 방향 전환된 레이저빔이 도달하여 제공된 분말형 소재(CP)의 소결작용이 발생하게 되는 지점인 타겟점(T)을 포함하는 가동판(122)의 일영역에 형성되고, 인공지지체용 분말형 소재(CP)를 저장하는 수용공간(S2)은, 상술한 바와 같이, 적층공간(S1)과 나란하게 인접한 가동판(122)의 타영역에 형성된다.

한편, 가동판(122)의 양측 단부에는, 적층공간(S1)에 채워지고 남은 여분의 분말형 소재(CP)를 수납하거나 소결 완료되어 적층공간(S1)으로부터 반출된 3차원 인공지지체를 수용하기 위한 수거함(128)이 각각 구비될 수 있다.

제1 수직구동부(126)는, 적층공간(S1)에 삽입설치된 적층판(123)을 z축을 따라 승강(도 4의 A)시키는 구동력을 제공하기 위해 가동판(122)의 하부에 구비되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현되어 피스톤처럼 작동하는 적층판(123)과 결합된다.

이러한 제1 수직구동부(126)는, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 작업부(120)의 3축 구동으로 인해, 피딩부(130)로부터 가동판(122)(구체적으로 적층공간(S1))에 층별로 순차 제공되는 분말형 소재(CP)는, 소정의 프로그램된 2차원 형상으로 각각 소결되는 한편, 후술할 반복단계(S400)를 통해 위쪽으로 연속해서 적층됨으로써 3차원의 인공지지체를 형성하게 된다.

위와 같은 구성들로 이루어진 레이저부(110)와 작업부(120)는, 제어부(140)의 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 레이저발생기(112)를 작동시키는 한편, 분말형 소재(CP,세라믹분말)가 평평하게 채워진 적층공간(S1)을 xy 평면에 대하여 움직이도록 수평구동부(124)를 작동시키게 된다.

이로 인해 적층공간(S1)에 평평하게 채워진 분말형 소재(CP,세라믹분말)에 대한 소결작용은, 코딩된 제어명령에 따라 고정된 타겟점(T)에 대하여 연속적으로 이루어지는 결과, 도 2에 도시된 일례와 같은 지그재그 형상을 이루게 된다.

이때, 레이저발생기(112)를 작동시키는 과정은, 레이저를 온/오프하며 그 출력을 조절하는 레이저 제어단계(S310)와, 레이저가 수렴하는 포커싱렌즈(118)의 초점(F) 위치를 가변시키는 타겟점결정단계(S320) 등으로 구성될 수 있다.

그리고 적층공간(S1)이 xy 평면에 대하여 움직이도록 수평구동부(124)를 작동시키는 과정은, 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 적층공간(S1)의 분말형 소재(CP)가 xy 평면상을 소정의 속도로 상대이동하도록 수평구동부(124)를 작동시키는 수평이동단계(S330) 등으로 구성될 수 있다.

위의 단계들 모두는 소결의 품질과 직접 연관된 것으로, 예를 들어 레이저의 출력이 커지거나 또는 포커싱렌즈(118)의 초점(F)과 타겟점(T)이 가까워지면, 레이저 에너지는 커져 분말형 소재(CP)에 대한 소결작용이 강해지고, 적층공간(S1)의 분말형 소재(CP)가 xy 평면상을 이동하는 속도가 빨라지면, 레이저와의 접촉시간이 감소되어 분말형 소재(CP)에 대한 소결작용이 약해짐을 쉽게 이해할 수 있다.

이러한 상관관계를 갖는 상술한 바와 같은 3가지 공정조건에 대한 최적화를 위해 다음과 같은 제조시험을 각각 수행하였다.

첫째, 레이저 제어단계(S310)와 관련된 최적 공정조건의 도출을 위해, 우선, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 100 중량% : 0 중량%(이하, HA100라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 대략 1mm 내지 2mm 두께로 준비한다.

그리고 타겟점(T) 및 적층공간(S1)이, 포커싱렌즈(118)의 초점거리(렌즈 중앙으로부터 초점(F)까지의 거리, 일례로 125mm) 대비 5% 내지 10%에 대응한 거리(대략 10mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 위치(대략 포커싱렌즈(118)의 중앙으로부터 135mm 이격된 거리)에 놓이도록 포커싱렌즈(118)의 위치를 조절한다.(도 2 참조)

그리고 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 대략 200mm/min 내지 250mm/min으로 설정한다.

그리고 레이저 파워 미터(LPM)에서 측정된 값을 기준으로 레이저의 출력을 3.5W, 5.0W, 6.0W, 7.5W로 가변조절하며 각각에 대한 소결작용을 시험하게 된다.

위와 같이 레이저의 출력만을 가변시킨 소결 시험 결과는, 도 6에 도시된 사진 및 그래프와 같다.

도 6에 의하면, 소결된 부분의 수직 단면은 모두 전체적으로 U자 형태를 이루게 되지만, 소결된 부분의 선폭(좌우방향 전체 길이, 좌측 그림 참조), 선두께(상하방향의 전체 높이, 우측 그림 참조) 및 소결선두께(U자 형태를 이루는 소결선 자체 두께)는 각각 레이저의 출력에 따라 상이해 짐을 알 수 있는데, 이는 소결 품질에 있어 차이를 발생시키게 된다.

즉, 레이저의 출력이 3.5W 이하인 경우 낮은 에너지 출력으로 인해 층별이미지에 대응한 수준의 선두께를 형성하지 못하게 된 결과, 위쪽으로 연속해서 적층되는 층별이미지와의 결합이 견고하게 이루어지지 못하는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.

그리고 레이저의 출력이 7.5W인 경우 과도하게 높은 에너지 출력으로 인해 소결작용이 타겟점(T)에서의 레이저빔 두께보다 넓게 주변으로 확대된 결과, 코딩된 제어명령대로 정밀하고 정확한 소결이 이루어지지 못하는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.

반면에 레이저의 출력이 5.0W 내지 6.0W로 제한된 경우, 선폭, 선두께 및 소결선두께 등이 다른 출력에 비해 일정하게 유지되는 한편, 소결작용이 주변으로 불필요하게 확대되지 않으면서도 전체적으로 깔끔한 U자 형태를 이루게 됨을 알 수 있다.

따라서 고품질의 정밀한 소결을 위해 레이저의 출력은, 상술한 기타 공정조건하에서 5.0W 내지 6.0W 범위 내로 한정하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.

둘째, 상술한 타겟점결정단계(S320)와 관련된 최적 공정조건의 도출을 위해, 우선, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 100 중량% : 0 중량%(이하, HA100라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 대략 1mm 내지 2mm 두께로 준비하게 된다.

그리고 레이저 파워 미터(LPM)에서 측정된 값을 기준으로 레이저의 출력을 5.0W 내지 6.0W로 설정한다.

그리고 레이저빔의 타겟점(T)에 대한 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 대략 200mm/min 내지 250mm/min으로 설정한다.

그리고 타겟점(T) 및 적층공간(S1)이, 포커싱렌즈(118)로부터 포커싱렌즈(118)의 초점거리인 125mm 이격된 위치, 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응하는 거리(대략 10mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 135mm(또는 115mm, 초점(F) 기준 반대쪽), 16%에 대응하는 거리(대략 20mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 145mm(또는 105mm), 24%에 대응하는 거리(대략 30mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 155mm(또는 95mm)에 각각 놓이도록 가변하며 소결작용을 시험하게 된다.

위와 같이 초점(F)으로부터 타겟점(T)(또는 적층공간(S1))이 이격된 거리를 가변시킨 소결 시험 결과는, 도 7에 도시된 사진 및 그래프와 같다.(다만, 그래프 상의 레이저 초점거리란 포커싱렌즈(118)로부터 타겟점(T)까지 거리를 의미함.)

도 7에 의하면, 소결된 부분의 수직 단면은 초점거리인 125mm로부터 타겟점(T)이 점점 멀어질수록 레이저 에너지가 감소되는 결과, 소결 형태가 평평한 형태로 바뀌게 되는데, 이는 상술한 레이저의 출력과 마찬가지로 소결 품질에 있어 차이를 발생시키게 된다.

즉, 타겟점(T)이 포커싱렌즈(118)로부터 145mm 이격된 위치 또는 155mm 이상 이격된 위치에 설정된 경우, 낮은 레이저 에너지와 레이저빔의 직경이 커짐으로 인해 소결작용이 약하게 발생하고, 넓은 선폭으로 인해 정밀한 소형의 인공지지체 제작이 어려워지게 되며, 연속해서 층별로 형성되는 소결 부분 간의 결합이 견고하게 형성되지 못 할 뿐만 아니라 층별 적층시 평평한 형상으로 인해 다공구조의 형성이 어려워지는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.

그리고 타겟점(T)이 포커싱렌즈(118)로부터 125mm(또는 0mm) 즉, 초점거리로 설정된 경우, 최대 레이저 에너지로 인해 강한 소결작용이 발생하게 되는 결과, 적층공간(S1)의 분말형 소재(CP)에 대한 부분적 연소나 소결 부분 주변의 열변형(U자 형태의 소결 단면 주변의 검은 얼룩부분)이 발생하게 되는 한편, 얇게 형성된 선폭과 소결선두께로 인해 충분한 다공구조의 형성이 어려워지는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.

반면에 타겟점(T)이 초점거리 125mm 대비 5% 내지 10%에 대응하는 대략 10mm만큼 초점(F)으로부터 이격된 135mm의 위치로 제한된 경우, 선폭, 선두께 및 소결선두께 등이 다른 출력에 비해 균일한 수준으로 일정하게 유지되고, 소결작용이 주변으로 불필요하게 확대되지 않으면서도 전체적으로 깔끔한 U자 형태를 이루며 일정하고 충분한 다공구조를 형성하게 됨을 알 수 있다.

따라서 고품질의 정밀한 소결을 위해 타겟점(T)의 설정은, 상술한 기타 공정조건하에서 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응하는 거리만큼 초점(F)으로부터 이격된 위치에 설정하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.

셋째, 상술한 수평이동단계(S330)와 관련된 최적 공정조건의 도출을 위해, 우선, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 100 중량% : 0 중량%(이하, HA100라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 대략 1mm 내지 2mm 두께로 준비하게 된다.

그리고 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 100mm/min, 200mm/min, 250mm/min, 300mm/min, 350mm/min으로 각각 가변하며 소결작용을 시험하게 된다.

위와 같이 타겟점(T)을 기준으로 한 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 상술한 바와 같이 가변시킨 소결 시험 결과는 도 8에 도시된 사진 및 그래프와 같다.

도 8에 의하면, 소결된 부분의 수직 단면은 모두 전체적으로 U자 형태를 이루게 되지만, 소결된 부분의 선폭, 선두께 및 소결선두께는 각각 적층공간(S1)의 이동속도에 따라 상이해 짐을 알 수 있는데, 이는 소결 품질에 있어 차이를 발생시키게 된다.

즉, 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도가 350mm/min 이상의 속도로 움직이는 경우, 레이저와 분말형 소재(CP) 간의 접촉시간의 감소로 인해 소결작용이 약화되는 결과, 코딩된 제어명령대로 정밀하고 정확한 소결이 이루어지지 못하고, 연속해서 층별로 형성되는 소결 부분 간의 결합이 견고하게 형성되지 못하며, 층별 적층시 평평한 형상으로 인해 다공구조의 형성이 어려워지는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.

그리고 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도가 100mm/min 이하의 속도로 움직이는 경우, 레이저와 분말형 소재(CP) 간의 접촉시간의 과다로 인해 강하게 이루어지는 결과, 소결작용이 타겟점(T)에서의 레이저빔 두께보다 넓은 주변영역으로 확대되고, 분말형 소재(CP)에 대한 부분적 연소나 열변형의 문제가 레이저와의 접촉부에서 발생하게 됨을 알 수 있다.

반면에 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도가 200mm/min 내지 200mm/min로 제한된 경우, 선폭, 선두께 및 소결선두께 등이 다른 출력에 비해 일정하게 유지되는 한편, 소결작용이 주변으로 불필요하게 확대되지 않으면서도 전체적으로 깔끔하고 명확한 U자 형태를 이루게 됨을 알 수 있다.

따라서 고품질의 정밀한 소결을 위해 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도는, 상술한 기타 공정조건하에서 200mm/min 내지 200mm/min로 제한하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 최적화된 공정조건하에서, 분말형 소재(CP)가, 코딩된 제어명령의 순서에 따른 레이저 제어단계(S310), 타겟점결정단계(S320) 및 수평이동단계(S330) 등을 거치면서 1개의 층별이미지(최하단)에 대응한 형태로 소결되면, 소결단계(S300)는 최종적으로 레이저발생기(112)를 정지시키는 작동을 수행하게 된다.(S300)

한편, 상술한 바와 같은 3가지 최적화 공정조건은, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 0 중량% : 100 중량%(이하, HA0이라 표기함), 25 중량% : 75 중량%(이하, HA25라 표기함), 50 중량% : 50 중량%(이하, HA50이라 표기함), 75 중량% : 25 중량%(이하, HA75라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)에 대하여도 각각 동일하게 도출되는 조건임을 복수의 시험을 통해 확인하였다.

다음으로, 반복단계(S400)는, 입력된 G-Code 즉, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 층별이미지에 각각 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록 하기 위해 피딩단계(S200) 및 소결단계(S300)를 연속해서 수행하는 단계로서, 도 2의 확대도 및 도 5에 도시된 바와 같은 일련의 과정이 반복됨으로써 하나의 인공지지체가 완성되게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 반복단계(S400)는, 이전 소결단계(S300)에 의해 레이저발생기(112)가 정지되면, 다음 층별이미지에 대응하는 두께로 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 누적해서 채우는 피딩단계(S200)를 수행하게 된다.

즉, 이전 층별이미지에 대응한 형상으로 소결된 분말층 위로 새로운 분말형 소재(CP)가 적층되는 것이다.

그리고 피딩단계(S200)를 통해 새롭게 적층된 분말형 소재(CP)에 대하여 다음 층별이미지에 대응한 2차원 평면형상이 연속해서 소결되도록 다음 소결단계(S300)를 수행하게 된다.

이때, 먼저 소결된 아래쪽의 분말층과, 새롭게 적층되어 소결된 위쪽 분말형 소재(CP)는 소결과정에서 상호 결합되며 U자형의 내측공간을 다공구조로 하는 결합체를 형성하게 된다.

위와 같은 반복단계(S400)는 맞춤형 3차원 인공지지체의 층별이미지 중 최상단에 해당하는 층별이미지에 대응하는 소결이 완료될 때까지 반복적으로 수행되고, 이러한 반복은 코딩된 제어명령의 순서에 의해 결정될 수 있다.(S400)

한편, 반복단계(S400)가 완료된 이후 완성된 인공지지체의 반출을 위한 소정의 반출단계가 추가될 수 있다.

위와 같은 반출단계는, 제1 수직구동부(126)를 통해 적층판(123)을 가동판(122)의 상면까지 상승시킨 다음, 적층공간(S1)으로부터 완성된 인공지지체가 이탈되도록 피드롤러(132)를 가동판(122)의 단부까지 선형이동시키는 작동을 통해 이루어질 수 있다.

이러한 반출단계로 인해, 본 발명의 실시예에 사용되는 인공지지체 제조장치(100)는 사용자에 의한 수작업 없이 인공지지체의 완성에서 가동판(122)의 양측 단부에 위치한 수거함(128)으로의 반출까지 일체로 자동화된 작동을 수행할 수 있게 된다.

마지막으로, 사후소결단계(S500)는, 상술한 바와 같은 반복단계(S400)를 통해 1차적으로 소결 완성된 인공지지체의 기계적 구조를 안정화시켜 자체 강성을 보다 증대하는 후처리 단계이다.

이러한 사후소결단계(S500)는, 개략적으로 완성된 인공지지체를 별도의 소결로에 장입한 후, 내부온도를 4시간 동안 점진적으로 1050℃ 내지 1150℃까지 승온시킨 다음, 대략 2시간의 온도유지 후 냉각시키는 방식으로 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 사후소결단계(S500)는, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 완성된 인공지지체가 장입된 소결로의 내부를 처음 2시간 동안에는 대략 5℃/min의 온도상승률로 승온시킨 후, 1시간 동안 내부온도를 유지하는 처리를 수행하게 된다.

그리고 1시간 동안 1050℃ 내지 1150℃에 도달할 때까지 소결로 내부를 승온시킨 후, 대략 2시간 동안 내부온도를 유지한 다음, 인공지지체를 소결로 내에서 서서히 자연냉각시키는 과정으로 완료된다.

이때, 2번에 걸쳐 소결로 내부온도를 일정하게 유지하는 이유는, 연속적인 온도 상승으로 인해 장입된 인공지지체의 기계적 구조가 임계치 이상으로 변형되는 것을 방지하면서 인공지지체에 대한 안정화를 도모하기 위함이다.

이러한 일련의 사후 과정을 통해 1차 레이저 소결된 인공지지체(LSDS)는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 최종 도달온도에 따라 서로 다른 압축강도를 갖게 됨을 시험적으로 확인하였다.

즉, 도 9의 (b)에 의하면, 소결로에서 단계적 사후 과정을 거친 2차 소결 인공지지체는, 단지 1차적 레이저 소결만이 이루어진 인공지지체(LSDS)에 비해 압축강도가 적어도 2배 이상 증대되었음을 쉽게 확인할 수 있고, 특히 최종 도달온도가 1050℃ 내지 1150℃인 경우에는, 적어도 3배 내지 4배까지 압축강도가 증대됨을 알 수 있다.

한편, 도 10에 도시된 내용은, 상술한 3가지 최적화 공정조건하에서 함량이 HA0, HA25, HA50, HA75 및 HA100인 분말형 소재(CP)를 각각 1차 레이저 소결한 다음, 2차 사후소결하여 얻어진 인공지지체들에 대한 물성 등을 나타낸 것이다.

이러한 도 10의 (a)에 의하면, 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%의 수산화인회석(HA)과 100 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말형 소재(CP,HA0)를 1,2차 소결하여 제조된 인공지지체가 다른 함량의 분말형 소재(CP)에 비해 압축변형률 대비 압축응력의 정도가 가장 우수한 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따라 제조된 인공지지체에 대하여 기계적 강도가 용도상 요구되는 경우에는 함량이 HA0인 분말형 소재(CP)를 사용하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.

또한, 도 10의 (b)에 의하면, 전체 분말 중량에 대하여 25 중량%의 수산화인회석(HA)과 75 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말형 소재(CP,HA25)를 1,2차 소결하여 제조된 인공지지체가 다른 함량의 분말형 소재(CP)에 비해 세포 증식률(광학밀도)이 가장 우수한 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따라 제조된 인공지지체에 대하여 원활한 세포증식이 용도상 요구되는 경우에는 함량이 HA25인 분말형 소재(CP)를 사용하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.

아울러, 도 10의 (c)에 의하면, 함량이 HA0, HA25, HA50, HA75 및 HA100인 분말형 소재(CP)를 각각 1,2차 소결하여 얻어진 인공지지체들은, 거의 비슷한 비율의 P(인)과 Ca(칼슘)으로 구성됨을 알 수 있다.

위와 같이 인체의 뼈 성분인 조성 원소로 구성되는 인공지지체를 신체 내부에 이식하게 되면, 종래 인공지지체용 합성고분자, 금속 등과 비교시 세포의 생체 활성이나 세포 증식이 촉진됨은 물론이고, 빠른 생분해성으로 치유효과의 향상이 기대될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 인공지지체 제조방법으로 인해, 도 11에 도시된 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 맞춤형 3D 인공지지체가 다양한 형상과 미소한 크기로 제조될 수 있고, 우수한 생체적합성 및 기계적 강도를 갖는 인공지지체가 양산될 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

S100: 모델링단계
S200: 피딩단계
S300: 소결단계
S400: 반복단계
S500: 사후소결단계
T: 타겟점 F: 렌즈 초점
CP: 분말형 소재 S1: 적층공간
S2: 수용공간
100: 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치
102: 바닥프레임 110: 레이저부
112: 레이저발생기 114: 빔확장기
116: 반사경 118: 포커싱렌즈
120: 작업부 122: 가동판
123: 적층판 124: 수평구동부
124a: x축 구동부 124b: y축 구동부
126: 제1 수직구동부 128: 수거함
130: 피딩부 132: 피드롤러
133: 토출판 134: 피드구동부
136: 제2 수직구동부 138: 회전구동부
139: 중량센서 140: 제어부
150: 가압부 150a: 코일스프링

Claims

3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계;
레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점을 포함하는 적층공간에 분말형 소재를 소정두께로 제공하는 피딩단계;
제공된 상기 분말형 소재가 상기 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 상기 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계; 및
입력된 G-Code의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 상기 층별이미지에 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록, 상기 피딩단계 및 소결단계를 연속 수행하는 반복단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 맞춤형 인공지지체 제조방법은,
상기 반복단계를 통해 완성된 상기 인공지지체를 소결로에 장입하여 4시간 동안 점진적으로 1050℃ 내지 1150℃까지 승온시키고, 2시간의 온도유지 후 냉각시키는 사후소결단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 분말형 소재는,
수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP) 중 적어도 어느 하나를 포함한 분말인 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 소결단계는,
레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하고,
포커싱렌즈의 초점을 기준으로 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응한 거리만큼 이격된 위치에 타겟점 및 상기 적층공간이 위치하도록 설정된 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 소결단계는,
레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 소결단계는,
xy 평면에 대한 상기 적층공간의 이동속도를 100mm/min 내지 250mm/min로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 분말형 소재는,
기계적 강도가 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%의 수산화인회석(HA)과 100 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어지고,
원활한 세포증식이 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 25 중량%의 수산화인회석(HA)과 75 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.