WO2021071007A1 - 멀티플 실린지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터 - Google Patents

멀티플 실린지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터 Download PDF

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WO2021071007A1
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syringe holder
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유석환
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Definitions

  • the present invention relates to a bio-three-dimensional printer, and more particularly, to a bio-three-dimensional printer equipped with a plurality of syringes and having a multiple-stage output module capable of selectively outputting.
  • a known 3D printer includes a frame constituting the XYZ axis and a nozzle in the form of a dispenser for discharging biomaterials.
  • Such a conventional printer fills the nozzle with a viscous fluid type biomaterial such as collagen and gelatin.
  • a pneumatic system was connected to the nozzle filled with the biomaterial in the form of a fluid, and the biomaterial was pushed and discharged.
  • the nozzle in this discharging method, if the biomaterial is not in the form of a fluid, the nozzle must be heated to a high temperature to convert the biomaterial into a fluid form and then discharged. Therefore, in order to use the fluid biomaterial and the solid biomaterial together, the process of cooling the nozzle after heating is repeated, and thus a problem may occur due to an overload of the nozzle.
  • a first nozzle outputting a solid material forming a scaffold and other structures, and a second nozzle outputting a biomaterial (bio ink) in a fluid form are separately provided.
  • a bio three-dimensional printer is disclosed in Korean Patent No. 10-1828345.
  • the conventional second nozzle has a disadvantage in that only a single number of cylinders can be mounted, so that output cannot be performed using a plurality of bio-inks.
  • An object of the present invention is to provide a bio-three-dimensional printer having a multiple syringe output module that is equipped with a plurality of syringes and can be selectively outputted.
  • An object of the present invention is to provide a bio 3D printer having a multiple syringe output module that can be provided in a printing chamber that provides a sealed printing environment.
  • the present invention provides a bio-three-dimensional printer having a plurality of syringes containing biomaterials in a fluid state at the output preparation stage, and a multiple syringe output module capable of outputting biomaterials under respective output conditions for which each syringe is set. It aims to provide.
  • the bio three-dimensional printer according to the present invention includes a case, a printing chamber, a multiple syringe output module, and an elevating unit.
  • the printing chamber is provided inside the case, the inside is surrounded by walls so as to be isolated from the outside, and includes a chamber door.
  • the multiple syringe output module includes: a hollow cylindrical portion with open upper and lower ends fixed to an upper opening of the printing chamber; A packing plate installed inside the cylindrical portion and separating the cylindrical portion into an upper region and a lower region isolated from each other; A rotary shaft having one end fixed to the packing plate and extending upward; A plurality of syringe holders disposed at a lower side of the packing plate in a circumferential direction and on which a syringe is mounted; A syringe holder support portion supporting the syringe holder under the packing plate; And a rotary shaft driving unit configured to rotate the rotary shaft to rotate the selected one of the plurality of syringe holders to an output position.
  • the lifting unit includes a vertical moving unit disposed outside the printing chamber and connected to the multiple syringe output module to control the lifting and lowering of the multiple syringe output module.
  • the present invention includes a rotary shaft support portion rotatably supporting the rotary shaft, the rotary shaft drive unit, a support having one end fixed to the rotary shaft support portion and the other end fixed to the vertical transfer unit, An encoder motor for rotatingly driving the rotary shaft, and a potentiometer mounted on the support, a pulley is formed at an end of the rotary shaft, an end of the potentiometer, and an end of the encoder motor, respectively, and the rotary shaft Timing belts are respectively installed between the end pulley and the potentiometer end pulley, and between the potentiometer end and the encoder mode end pulley.
  • the cylindrical portion is formed of a rigid material
  • the packing plate is installed so that the outer circumferential surface is in contact with the inner circumferential surface of the cylindrical portion so as to rotate and lift.
  • the syringe holder support unit includes: a syringe holder moving shaft having a lower end fixed to the syringe holder and extending upwardly through the packing plate; A fixed guide fixed to the upper surface of the packing plate and passing through the syringe moving shaft; A moving guide fixed to an upper portion of the syringe holder moving shaft and moving up and down together with the syringe holder moving shaft; A spring for moving the moving guide upward when an external force for lowering the moving guide is not applied; And a syringe holder elevating driver configured to move the syringe holder moving shaft from a standby height to an output start height by pressing the moving guide when the rotary shaft rotates and the syringe holder whose output is selected enters a set output position.
  • the syringe holder lifting drive unit includes: a cam driving motor fixed to a bracket fixed to the rotary shaft support unit; And a cam that is driven by the cam driving motor to lower the moving guide of the syringe holder located at the output position, and further includes a sensing unit detecting that the selected syringe holder enters the output position.
  • the sensing unit may include a magnet attached to each of the moving guides; And an MR sensor installed on a bracket fixed to the rotary shaft support and detecting a magnet attached to the moving guide of the syringe holder entering the output position.
  • an NFC tag in which an output condition including a temperature condition is recorded is attached to each syringe mounted on each of the syringe holders, and the NFC tag is non-contact reading the NFC tag inside the printing chamber. Reader is provided.
  • the syringe holder includes: a syringe holder body having a seating groove in which a syringe is mounted, a heating element disposed in the seating groove, and a cooling block provided on an outer surface; And a syringe holder cover hingedly installed on the syringe holder body to be opened and closed, wherein a Peltier element for cooling is installed in the syringe holder body to face the heating element, and the cooling block is the Peltier.
  • a through hole is formed through which the cooling water pipe provided through the device and through the packing plate passes, and the syringe holder cover corresponds to the tag attachment position so that the tag attached to the syringe mounted inside can be read from the outside.
  • a reading window is formed.
  • N number of the syringe holders (N is a natural number of 3 or more) are installed, and the syringe holder positioned at the output position in the setting state of the rotary shaft is the first syringe holder, and the The rotary shaft is controlled to rotate forward and backward at a rotation angle of 180° or less in clockwise and counterclockwise directions with the position of the 1st syringe holder as 0°.
  • biomaterials can be selectively output using a plurality of syringes inside a printing chamber. Therefore, since the printing chamber is closed and the biomaterial can be printed without opening the printing chamber, the biomaterial can be printed, so contamination that may occur between printing operations can be prevented.
  • the multiple syringe output module according to the present invention may be equipped with a plurality of syringes, and rotation and/or elevation of the syringe is possible while blocking the inflow of contaminants into the printing chamber. Therefore, it can be applied to a printing chamber having a sealed output environment.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 is an external perspective view of a printing chamber provided inside a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an inner front view of a printing chamber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of a printing chamber according to an embodiment of the present invention with some parts removed.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state with some parts removed from the printing chamber according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure for installing a bed in a printing chamber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a moving unit of a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • the moving unit is installed inside the case.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an installation structure of a multiple syringe output module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining the arrangement of a magnet and an MR sensor for detecting that a syringe holder selected from a multiple syringe output module enters an output position according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the arrangement of each syringe holder in a multiple syringe output module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view of a syringe holder in an open state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a syringe holder in a closed state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a front view of a cylinder holder in a closed state according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 14 is a view for explaining a center unit according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a flowchart illustrating a method of controlling a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a view for explaining a nozzle end alignment step according to an embodiment of the present invention.
  • first and second used in the present specification may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
  • the bio 3D printer 1 includes a case 10, a printing chamber 100, a bed 200, a moving unit 300, a single output module 400, a multiple syringe output module. 500, a center module 700 and a control unit 900 may be included.
  • the control unit 900 is for controlling the operation of the bio 3D printer, and includes an operation unit, a storage unit, and a wired/wireless interface for communication with various sensors and peripheral devices.
  • FIG. 1 shows the control unit 900 outside the case 10, but may be built into the case of the bio 3D printer 1.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • the case 10 has an upper surface, a lower surface, and a side surface to surround the inside, and a case door 12 is installed on the front surface.
  • the case door 12 is provided with a transparent window 14 through which the printing chamber 100 can be observed from the outside.
  • the bio 3D printer is advantageous in separating the interior of the printing chamber 100 from the outside by adopting a double door method including a case door 12 and a chamber door 110.
  • FIG. 2 is an external perspective view of a printing chamber provided inside a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is an inner front view of a printing chamber according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a longitudinal sectional view showing a state in which some parts are removed from a printing chamber according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a horizontal cross-sectional view showing a state in which some parts are removed from a printing chamber according to an embodiment of the present invention.
  • Directional cross-sectional view, and Figure 6 is a cross-sectional view for explaining a bed installation structure in the printing chamber according to an embodiment of the present invention.
  • the printing chamber 100 is provided inside the case 10.
  • the printing chamber 100 is surrounded by walls, that is, the bottom surface 101, the top surface 104, and the side surfaces 106 so that the interior is isolated from the outside.
  • a chamber door 110 having a transparent window 112 is installed on the front of the printing chamber 100.
  • the printing chamber 100 includes a temperature control unit 120, a humidity control unit 130, and an air circulation unit 140, and the printing space inside the printing chamber 100 is sealed.
  • temperature control and humidity control are formed to be possible.
  • the temperature control unit 120 includes a water jacket 122 formed outside the side surface 106 of the printing chamber 100 and a heater 124 installed on the outer wall of the water jacket 122.
  • the water jacket 122 is a chamber formed by surrounding an outer wall of at least a portion of the side surface 106 of the printing chamber 100 and accommodates water therein.
  • the heater 124 is installed on the outer wall of the water jacket 122. The heater 124 heats the water inside the water jacket 122 to adjust the temperature in the printing chamber 100.
  • the controller 900 controls on/off of the heater 124 by receiving a sensing value from a temperature sensor (not shown) that senses the temperature inside the printing chamber 100.
  • the humidity control unit 130 provides moisture in the printing chamber 100 to control humidity.
  • the humidity control unit 130 is provided on the air circulation path by the air circulation unit 140.
  • the air circulation unit 140 is for filtering and purification while circulating air in the printing chamber 100.
  • the air circulation unit 140 includes an inlet 141, an air duct 142, an outlet 144, a filter 146 for filtering and purifying the circulating air, and a blade for generating an air circulation flow. Includes (not shown).
  • the inlet 141 is formed on one side of the upper surface 104 of the printing chamber 100.
  • a filter 146 such as a HEPA filter is installed at the inlet 141 to remove contaminants contained in the air introduced from the printing chamber 100.
  • a blade for generating an air circulation flow is installed in the blade installation portion 148 inside the air duct 142 formed adjacent to the inlet 141.
  • the blade is rotated by a motor 149 disposed outside the air duct 142. Inflow of contaminants such as particles generated when the motor 149 is driven may be prevented.
  • the humidity control unit 130 is configured to use the air circulation of the air circulation unit 140.
  • the humidity control unit 130 includes a tray 132 for receiving water therein, and the tray 132 is provided at the outlet 144 side.
  • the tray 132 is provided with an outlet 144 in the form of an opening. Evaporation and diffusion of moisture contained in the tray 132 are induced by circulating air introduced into the printing chamber 100 through the outlet 144 by providing a tray 132 for receiving water at the outlet 144 side.
  • the humidity control unit 130 includes a heating element 134 installed under the tray 132, and by heating the water stored in the tray 130 with low heat, humidity control can be made more quickly.
  • the heating element 134 is disposed on the bottom surface of the printing chamber 100 to correspond to the bottom surface of the tray 132. Through this, cables such as a power line and a control line to the heating element 134 may be connected from the outside of the printing chamber 100.
  • the heating element 134 is controlled by the controller 900 receiving a sensing signal from a sensor (not shown) capable of detecting the humidity inside the printing chamber 100.
  • the air duct 142 extends into the water jacket 122.
  • the air duct 142 is formed in a path extending from the upper surface of the printing chamber 100 to the lower side of the side, and extends downward while passing through the water jacket 122.
  • the arrangement of the air duct 142 is more advantageous in controlling the temperature of the printing chamber 100.
  • An LED lighting (not shown) and a UV lamp (not shown) may be installed inside the printing chamber 100.
  • the UV lamp may be used to sterilize harmful microorganisms in the printing chamber 100.
  • the printing chamber 100 is formed to be able to output inside the printing chamber while the inside is sterilized.
  • the printing chamber 100 is connected to a gas generator for sterilization and is configured to perform a sterilization operation therein.
  • the gas generator for sterilization includes an H 2 O 2 plasma sterilizer 165 and is provided outside the printing chamber 100.
  • a sterilization gas inlet 162 and a sterilization gas outlet 164 are formed in the printing chamber 100.
  • the sterilization gas inlet 162 becomes a passage through which the H 2 0 2 sterilization gas is introduced from the H 2 0 2 plasma sterilizer 165, and the sterilization gas outlet 164 exhausts the H 2 0 2 sterilization gas inside after sterilization. It is used to
  • Sterilization may be performed before printing is performed in a state in which the printing plate 201 for supporting the printed material is installed on the bed 200 of the printing chamber 100.
  • the H 2 0 2 sterilization gas generated from the H 2 0 2 plasma sterilizer 165 is introduced into the printing chamber 100 through the sterilization gas inlet 162, and the sterilization operation proceeds for a certain period of time. do. Thereafter, the H 2 O 2 sterilization gas is ventilated through the sterilization gas outlet 164.
  • the printing chamber 100 is configured to enable CO 2 incubation in a non-stop mode after printing the printout.
  • an incubating gas inlet 172 and an incubating gas outlet 174 are formed in the printing chamber 100 to form the inside of the CO 2 incubating atmosphere.
  • the incubating gas introduction unit 172 is connected to the regulator (not shown) and the CO 2 tank 175 to allow the CO 2 gas to be introduced into the interior, thereby adjusting the concentration of carbon dioxide in the printing chamber 100.
  • the incubating gas outlet 174 becomes a path through which internal air is discharged to control the concentration of CO 2 inside the printing chamber 100.
  • CO 2 incubation For incubation after printing of biological tissue, a 3 ⁇ 5% carbon dioxide concentration, a temperature of about 37°C, and a humidity environment of about 80% should be created. When incubation is performed while the concentration of carbon dioxide is controlled, it is referred to as CO 2 incubation.
  • a CO 2 incubator is formed from a sealable structure from outside the printing chamber 100, it is formed to enable adjusting the carbon dioxide concentration in the order a CO 2 incubator can be a CO 2 incubator in place after output of a biological tissue .
  • a bed 200 is provided that is installed to be movable in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • a bottom surface opening 102 is formed in the bottom surface 101 of the printing chamber 100, and the bed 200 is disposed on the bottom surface opening 102.
  • the bed 200 moves within the area of movement allowed by the bottom opening 102.
  • the upper surface of the bed 200 is formed so that the output plate 201 from which the output is output can be fixed at a predetermined position.
  • the bed 200 is connected to a horizontal moving unit 310 installed under the printing chamber 100.
  • the horizontal movement unit 310 is connected to the bed 200 to move the bed 200 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the lower part of the bed 200 is fixed to the horizontal moving unit 310.
  • the bed 200 includes both a portion disposed inside the printing chamber to which the output plate 201 is coupled, and a lower portion connected to the horizontal moving unit 310.
  • the first bellows 210 is installed between the lower portion of the bed 200 and the inner circumferential surface of the bottom opening 102.
  • the bed 200 is disposed on the center hole 211 of the first bellows 210, and the lower portion extends to the lower portion of the first bellows 210 through the center hole 211 to be attached to the horizontal moving unit 310.
  • the main surface of the center hole 211 is fixed to the lower part of the bed 200 so as to be sealable. Accordingly, the first bellows 210 covers the space between the bed 200 and the inner circumferential surface of the bottom opening 102 and isolates the interior of the printing chamber from the space below the bottom surface of the printing chamber.
  • the horizontal moving unit 310 may prevent particles or external contamination generated during the operation of the horizontal moving unit 310 from flowing through the bottom opening 102. That is, the movement of foreign substances between the upper and lower portions of the first bellows 210 is blocked.
  • the first bellows 210 is deformed due to elasticity, it allows the bed 200 to move in the X-axis and Y-axis directions.
  • FIG. 7 is a diagram showing a moving unit of a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • the moving unit is installed inside the case.
  • the moving unit 300 is horizontally disposed to cause a horizontal moving unit 310 to move in the X-axis direction and the Y-axis direction, and a vertical moving unit that causes Z-axis movement. (350, 360).
  • the horizontal movement unit 310 is disposed in the space under the bottom surface of the printing chamber 100 inside the case 10.
  • the horizontal moving unit 310 includes a first horizontal moving unit 320 for driving in the X-axis direction and a second horizontal moving unit 330 disposed above the first moving unit for driving in the Y-axis direction.
  • the first horizontal moving unit 320 drives in the Y-axis direction
  • the second horizontal moving unit 330 is installed to drive in the X-axis direction.
  • the first horizontal movement unit 320 and the second horizontal movement unit 330 include a guide rail and a step motor.
  • the step motor of the first horizontal moving unit 320 is driven and controlled by the control unit 900, the second horizontal moving unit 330 supported by the upper portion of the guide rail is moved in the X-axis direction.
  • the second horizontal moving unit 330 moves in the Y-axis direction above the first horizontal moving unit 320.
  • the bed 200 is fixed to the moving plate supported by the guide rail of the second horizontal moving unit 330.
  • the bed 200 is controlled to move in the X-axis and Y-axis directions by the movement of the first horizontal movement unit 320 and the second horizontal movement unit 330.
  • the vertical movement units 350 and 360 include a first vertical movement unit 350 and a second vertical movement unit 360, and are installed outside the side surfaces of the printing chamber.
  • the first vertical movement unit 350 controls the movement of the single output module 400 in the Z-axis direction, that is, the elevation
  • the second vertical movement unit 360 moves the multiple syringe output module 500 in the Z-axis direction, that is, , To control the elevation.
  • Each of the first and second vertical movement units 350 and 360 includes a guide rail and a step motor.
  • a single output module 400 and a multiple syringe output module 500 are respectively connected to the moving plate supported by each guide rail.
  • the hollow pipe 410 is fixed to the moving plate of the first vertical moving unit 350, and the single output module 400 is connected to the hollow pipe 410, so that the lifting of the single output module 400 is controlled.
  • the elevation of the multiple syringe output module 500 is controlled.
  • a single output module 400 and a multiple syringe output module 500 are provided inside the printing chamber 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the single output module 400 may be provided to output a solid biomaterial for forming a structure such as a scaffold, a drug structure, a frame structure, and the like.
  • a solid biomaterial for forming a structure such as a scaffold, a drug structure, a frame structure, and the like.
  • an extruder module that outputs a filament a hot melting module, which is a melting high pressure injection machine that puts a polymer material in the form of a drug or a granule inside and melts it with high heat, and outputs pneumatically
  • the single output module is not limited to outputting solid-state biomaterials.
  • a biomaterial in a solid state refers to a material that maintains a solid state in a cured state, and the biomaterial includes various materials that can be used for bio-related printouts, and is not limited to a specific material.
  • the side opening 107 is formed in the side surface 106 facing the door 110 of the printing chamber 100.
  • the hollow pipe 410 extends inside through the side opening 107.
  • the hollow pipe 410 is supported by the moving plate of the first vertical moving unit 350 and is moved in the Z direction, that is, in the elevating direction.
  • a second bellows 420 is installed between the outer circumferential surface of the hollow tube 410 and the inner circumferential surface of the side opening 107 to block the inside and outside of the side opening 107.
  • the hollow pipe 410 extends into the printer chamber 100 while the outer peripheral surface is surrounded by the inner peripheral surface of the second bellows 420. Accordingly, the second bellows 420 covers a space between the outer circumferential surface of the hollow tube 410 and the inner circumferential surface of the side opening 107 to isolate the inside of the printing chamber from the outside of the printing chamber.
  • the second bellows 420 may allow the hollow pipe 410 to move up and down in the Z-axis direction due to its elasticity, and prevent external contaminants such as particles from entering through the side opening 107.
  • a blocking plate 415 is provided on the front surface of the hollow pipe 410.
  • a single output module 400 is mounted on the blocking plate 415 so as to be replaceable.
  • the blocking plate 415 blocks the inflow of external pollutants through the hollow pipe 410 and facilitates replacement of the single output module 400.
  • cables such as power lines and control lines required for driving the single output module 400, and hose pipes such as air pipes and cooling water pipes for applying pneumatic pressure, etc. are provided in the printing chamber 100. It is introduced into the interior and is connected to the connector 417 on the main surface of the blocking plate 415 and/or the hollow tube 410.
  • the connector 417 becomes a path through which cables, hose pipes, etc. are connected to the inside while blocking the inflow of foreign substances.
  • the single output module 400 may receive power, control signals, air, and cooling water from the outside through the connector 417.
  • the extruder module, the hot melting module, and the like used as the single output module 400 are mounted on the blocking plate 415 and are thus controlled to move according to the movement of the hollow tube 415.
  • the multiple syringe output module 500 is disposed on one side of the single output module 400.
  • the multiple syringe output module 500 includes a syringe holder 540 in which a syringe 600 containing a biomaterial in a fluid state is mounted.
  • the multiple syringe output module 500 includes a plurality of syringe holders 540, and a plurality of syringes 600 containing different biomaterials are each syringe holder 540. Each is mounted on and may be selectively output in a set order under the control of the controller 900.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an installation structure of a multiple syringe output module according to an embodiment of the present invention.
  • the multiple syringe output module 500 includes five syringe holders 540, and is installed to be rotatable and elevating.
  • Each syringe holder 540 forming a multiple syringe output module is disposed in a circumferential direction with a center line extending along the center of the rotary shaft 530 and is rotatably installed by the rotary shaft 530.
  • the multiple syringe output module 500 is connected to the second vertical moving unit 360 so that the elevation is adjusted in the Z-axis direction as a whole, and the syringe holder 540 in the output position is between the standby height and the output start height. It is installed so that the lifting operation is possible.
  • output position means a position in the (X,Y) coordinate system where output from the syringe is made.
  • the output location is specified with specific coordinates at the time of device setting.
  • Each syringe holder enters the output position while rotating about the rotary axis, and is controlled to output the syringe at the output position.
  • the syringe holder can be controlled to be elevated in the Z-axis direction.
  • the syringe holder may have a stand-by height and an output start height in the output position.
  • the syringe holder When output is performed from a syringe mounted on a syringe holder positioned at the output position, the syringe holder first descends from the standby height to the output start height, and then output is performed.
  • the air height may be the same height as the selected syringe holder and the surrounding syringe holder.
  • the output start height is a height at which the selected syringe holder is disposed lower than the surrounding unselected syringe holder by descending from the standby height, and refers to a height at which the surrounding syringe holder and the syringe do not interfere with each other during output.
  • the multiple syringe output module includes a hollow cylindrical portion 510 (see FIG. 3), a packing plate 520, a rotary shaft 530, a syringe holder support portion 550, and a syringe holder. It includes an elevating driving unit 560.
  • the cylindrical portion 510 of the longitudinal hole is formed to have upper and lower ends open, and is fixed to the upper surface opening 105 of the printing chamber 100.
  • the gap between the inner circumferential surface of the upper opening 105 and the outer circumferential surface of the hollow cylindrical portion 510 is blocked to prevent inflow of contaminants.
  • a packing plate 520 is installed inside the hollow cylindrical portion 510.
  • the packing plate 520 separates the inside of the cylindrical portion 510 into an upper region and a lower region isolated from each other.
  • the packing plate 520 isolates the lower region, that is, the region located inside the printing chamber, from the upper region connected to the outside, and blocks the inflow of contaminants from the upper region to the lower region.
  • the cylindrical portion 510 may be formed of a rigid material such as a plastic material or a metal material, and the packing plate 520 is installed so that the outer circumferential surface is in contact with the inner circumferential surface of the cylindrical portion 510 so as to rotate and lift.
  • the rotary shaft 530 is fixed at one end to the packing plate 520 and extends upward. The packing plate 520 rotates according to the rotation of the rotary shaft 530, and the packing plate 520 rotates by the lifting of the rotary shaft 530.
  • the rotary shaft 530 is rotatably supported on a rotary shaft support 532 that rotatably surrounds the rotary shaft 530. It is controlled up and down together with the rotary shaft support 532.
  • the rotation of the rotary shaft 530 is controlled by the rotary shaft driving unit 590.
  • the rotary shaft drive unit 590 includes a support 591, a rotary shaft drive motor 592, and a potentiometer 593.
  • One side of the support 591 is fixed to the rotor shaft support 532 and extends.
  • the support 591 is fixed to the moving plate of the second manual moving unit 360. Accordingly, the multiple syringe output module 500 may be controlled to be lifted in the Z-axis direction.
  • a potentiometer 593 and a rotary shaft drive motor 592 are coupled to the support 591, and the end of the rotary shaft 530, the end of the potentiometer 593, and the end of the rotary shaft drive motor 592 are It protrudes to the upper surface of the support 591.
  • the end of the potentiometer 593, and the end of the rotary shaft drive motor 592 are formed with pulleys 595, 596, and 597 for timing belts. And, between the end pulley 595 of the rotary shaft 530 and the end pulley 596 of the potentiometer 593, the end pulley 596 of the potentiometer 593, and the rotary shaft drive motor 592 Timing belts are installed between the end pulleys 597 of each. That is, two timing belts are provided on the end pulley 596 of the potentiometer 593.
  • the rotary shaft drive motor 592 uses an encoder motor. According to an embodiment of the present invention, while using an encoder motor as a rotary shaft drive motor, a potentiometer 593 is provided on the path through which the rotational force of the encoder motor is transmitted to the rotary shaft, so that the rotation of the encoder motor is possible. It is possible to control the rotation angle of the rotary axis more precisely by being accurately sensed by the tension meter.
  • a plurality of syringe holders 540 are disposed below the packing plate 520 to be spaced apart from each other along a circumference centered on the center line of the rotary shaft 530.
  • Each syringe holder 540 is supported by a syringe holder support part 550.
  • the syringe holder support is provided to control the elevation of the syringe holder 540 between the standby height and the output start height.
  • the syringe holder support part 550 includes a syringe holder moving shaft 552, a fixed guide 551, a guide shaft 554, a moving guide 556, and a spring 558. .
  • the syringe holder moving shaft 552 passes through the packing plate 520 and extends from the upper region to the lower region, and is installed so as to move up and down in the Z-axis direction.
  • the syringe holder 540 is supported at the bottom.
  • the fixing guide 551 is fixed to the upper surface of the packing plate 520, and the syringe holder moving shaft 552 passes through and is guided.
  • a moving guide 556 is fixed to the upper part of the syringe holder moving shaft 552. By the lifting of the moving guide 556, the syringe holder moving shaft 552 is raised and lowered, and the syringe holder 540 is controlled to rise and fall between the stand-by height and the output start height.
  • the movement guide 556 is guided by a guide shaft 554.
  • the lower end of the guide shaft 554 is fixed to the fixed guide 551 and extends upward.
  • the guide shaft 554 is inserted into a through hole formed in the moving guide 556 so that the upper part of the guide shaft 554 is elevating. Since the guide shaft 554 is installed so as to pass through the moving guide 556, the lifting is performed at the aligned position by the guide shaft 554.
  • a spring 558 is installed on the guide shaft 554 or the syringe holder moving shaft 552.
  • the spring 558 provides an elastic force so that the moving guide 556 moves upward when an external force that lowers the moving guide 556 is not applied. That is, when no external force is applied, the syringe holder 550 rises and is maintained to the atmospheric height by the spring 558.
  • the syringe holder lifting driver 560 includes a cam 562 and a cam driving motor 564.
  • the cam 562 is installed to push down the moving guide 566 at the output position.
  • the cam driving motor 564 presses the moving guide 566 by rotating the cam 562 under the control of the controller 900.
  • the cam 562 rotates, the moving guide 566 is pressed down, and the syringe holder 540 in the output position descends from the standby height to the output start height. Since the multiple syringe output module 500 is controlled as a whole in the Z-axis direction, the Z coordinate of the output start height may be different. However, the distance between the standby height and the output start height is constant based on the packing plate 520.
  • the cam 562 and the cam driving motor 564 are supported by the rotary shaft support 532 through a bracket or the like and are raised and lowered together with the rotary shaft support 532.
  • a sensing unit for detecting whether the selected syringe holder 540 enters the output position.
  • the sensing unit includes a magnet 571 attached to each movement guide 566 and an MR sensor 572 installed on a bracket connected to the rotary shaft support 532.
  • FIG. 9 is a view for explaining the arrangement of a magnet and an MR sensor for detecting that a syringe holder selected from a multiple syringe output module enters an output position according to an embodiment of the present invention.
  • the MR sensor 572 detects a magnet attached to the moving guide 566 and outputs a detection signal, and the controller 900 Stops rotation of the rotary shaft 530 so that the selected syringe holder 540 can be maintained at the output position.
  • control unit 900 designates a syringe holder located at the output position before the initial origin, that is, the output button is pressed and the output operation starts among the plurality of syringe holders, as the No. 1 syringe holder. .
  • the forward and reverse rotation of the rotary shaft is controlled based on the 1st syringe holder.
  • air pipes extend through the packing plate 520 and are connected to the syringe 550 mounted on the syringe holder 540.
  • cables such as power lines and control lines for the syringe holder, and cooling water pipes extend downward through the packing plate 520.
  • the syringe holder 540 moved to the output position is lowered from the standby height to the output start height by the cam 562, and the biomaterial is outputted by air dispensing.
  • FIG. 10 is a view showing the arrangement of each syringe holder in the multiple syringe output module according to an embodiment of the present invention.
  • the syringes mounted on each syringe holder are referred to by the same number as the syringe holder.
  • a syringe mounted on a No. 1 syringe holder is referred to as a No. 1 syringe
  • a syringe mounted on a No. 2 syringe holder is referred to as a No. 2 syringe.
  • the initial origin set in the encoder motor that is, a syringe holder positioned at the output position of the multiple syringe output module when positioned at the home position, is defined as the first syringe holder 540-1.
  • the rotary shaft is controlled at a rotation angle of 180° or less in the clockwise and counterclockwise directions with the position of the No. 1 syringe holder as 0°. That is, forward and reverse rotation is controlled based on the position of the No. 1 syringe holder 540-1, and is controlled at a rotation angle of 180° or less.
  • the numbers of the subsequent syringe holders are allocated crosswise to opposite sides with reference to a reference line connecting the center of the rotary axis and the center of the first syringe holder. That is, if the position of the 1st syringe holder 540-1 is defined as 0°, the 2nd syringe holder 540-2 rotates ⁇ ° clockwise with respect to the 1st syringe holder 540-1 In the position, the 3rd syringe holder 540-3 is located at the ⁇ ° rotational position in the counterclockwise direction with respect to the 1st syringe holder 540-1.
  • the 4th syringe holder (540-4) is located in a clockwise ( ⁇ + ⁇ )° rotation position on the 1st syringe holder (540-1), and the 5th syringe (540-5) is the 1st It is located in the ( ⁇ + ⁇ )° rotation position in the counterclockwise direction on the syringe holder 540-1.
  • the biomaterial is output from the 1st syringe 540-1 and then the rotary The axis rotates alternately clockwise and counterclockwise to output bio-ink from the syringe.
  • FIG. 10 and 11 are views for explaining a syringe holder in a multiple syringe output module according to the present invention
  • FIG. 11 is a perspective view of a syringe holder in an open state
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the syringe holder in a closed state to be
  • 13 is a front view of the cylinder holder in a closed state.
  • the syringe holder 540 includes a syringe holder body 541 and a syringe holder cover 547.
  • the syringe holder body 541 has a semicircular seating groove 542 corresponding to the shape of the syringe 600 on one side.
  • a heating element 543 is disposed in the mounting groove 542 of the syringe holder.
  • a Peltier element is installed as a cooling element 544 corresponding to the heating element 543 on the outer surface of the syringe holder body 541, and a cooling block 545 for heat dissipation is attached to the Peltier element.
  • a cooling fin is formed in the cooling block 545, and a through hole 546 through which the cooling water pipe passes is formed, so that the cooling block 545 is cooled by a cooling water pipe.
  • the syringe holder cover 547 is hingedly installed on the syringe holder body 541 to be opened and closed.
  • the syringe holder cover 547 is coupled to the syringe holder body 541 by a hinge shaft 549 provided downward.
  • the syringe 600 is received into the syringe holder cover 547 and is closed by rotating the hinge around the hinge.
  • the syringe holder cover 547 is formed with a reading window 548 in the form of a hole or a transparent window so that the NFC tag 610 attached to the syringe mounted therein can be observed from the outside.
  • the syringe holder 540 may control the temperature of the syringe according to the output condition of the syringe housed in the heating element 543, the cooling element 544, and the cooling block 545.
  • the cooling element and/or the cooling block 545 forms a cooling part.
  • an NFC tag 610 describing the output condition of the biomaterial contained in the syringe is attached to each syringe 600, and a cylinder located at an output position in the printing chamber.
  • An NFC reader 750 for reading the NFC tag 610 is provided.
  • An NFC reader 750 is provided on the side of the center module 700 disposed between the single output module 400 and the multiple syringe output module 500 in the printing chamber 100.
  • the NFC reader 750 reads the NFC tag 610 attached to the syringe 600, and The heating element 543 and the cooling unit provided in the paper holder 540 are controlled to control the syringe temperature according to the read output condition. Thereafter, air is supplied to the syringe 600 and the biomaterial is output under the controlled output condition.
  • a center unit 700 is provided in the printing chamber 100 between the single output module 400 and the multiple syringe output module 500.
  • the center unit includes an ultrasonic level sensor 710, a UV curing machine 720, and a high magnification camera module 730.
  • the ultrasonic level sensor 710 is used to measure the leveling offset value of the output plate 201 provided in the bed 200.
  • the ultrasonic level sensor 710 is set based on the origin position of the bed 200.
  • an output reference height is set in consideration of the thickness, that is, the height of the output plate.
  • the output reference height is the height of the bottom surface from which the object to be output is ejected, and the movement of the nozzle Z direction of the output module is controlled based on the height of the bottom surface.
  • the output quality may be deteriorated. .
  • the ultrasonic level sensor 710 measures the actual height of the bottom surface of the output plate by scanning the bottom surface of the output plate. The actual height of the floor surface is mapped by the ultrasonic level sensor 710.
  • the control unit 900 calculates and calculates a leveling offset value by comparing the measured profile of the actual height of the floor surface of the output plate and the set output reference height. The set offset value is corrected for the output reference height. Output may be performed based on the corrected output reference height.
  • the ultrasonic level sensor 710 is set based on the origin position of the bed 200.
  • the UV curing machine 720 enables UV curing that requires UV curing in a corresponding layer when bio materials and other photocurable materials are output. It is possible to perform UV curing for each layer by a UV curing machine.
  • the high-magnification camera module 730 functions as a microscope that enables external monitoring of the output of biological tissues, etc. output on the printing plate 201 and the growth thereof even when the printer chamber 100 is not opened.
  • the high magnification camera module 730 is connected to an externally installed monitoring system to enable microscopic observation from outside and remote locations through a monitor or an app.
  • 15 is a flowchart illustrating a method of controlling a bio 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • the control method of the bio 3D printer includes a CO 2 incubating step (S600).
  • the nozzle end alignment step is performed after the print preparation work is performed.
  • the print preparation operation includes a preliminary operation performed in a conventional bio three-dimensional printer.
  • a 3D modeling file is created by modeling the output, and after converting the 3D file to a G-code file, it must be input to the control unit of the 3D printer.
  • the material used and the output method of the result are selected, and the created nozzle progress path is created, created as a G-code file, and input to the 3D printer.
  • a single output module and syringe suitable for the output are mounted.
  • a single output module an extruder module and a hot melting module can be installed.
  • the syringe holder cover is opened from each syringe holder, and the syringe containing the selected bio-ink (biomaterial in fluid state) is installed.
  • Each syringe has an NFC tag that records the output conditions.
  • the nozzle end alignment step (S100) is performed.
  • 16 is a view for explaining the nozzle end alignment step according to an embodiment of the present invention, showing a fork sensor installed on the bed 200. According to the present invention, a fork sensor is used as the nozzle end alignment sensor 250.
  • the nozzle end alignment step (S100) includes: (a) mounting a nozzle end alignment sensor at a predetermined position of the bed in the printing chamber, and positioning a sensing point of the nozzle end alignment sensor at the bed origin position; (b) moving to one side in the X-axis direction to position the sensing point of the nozzle end alignment sensor under the nozzle of the single output module; (c) descending the single output module and measuring the Z value of the nozzle end of the single output module; (d) placing the single output module in its original position, moving to the other side in the X-axis direction, and positioning the sensing point of the nozzle end alignment sensor under the syringe at the output position of the multiple syringe output module; (e) lowering the multiple syringe output module and measuring the Z value of the nozzle end of the syringe at the output position of the multiple syringe output module; And (f) original positioning the multiple syringe output module and positioning the bed.
  • the nozzle end alignment step (S100) performs an operation of measuring each nozzle end of each output module using the nozzle end alignment sensor 250 mounted at a predetermined position of the bed 200 in the printing chamber 100. This is a task to measure and align the nozzle ends of both the nozzle ends of the extruder module selected as the single output module or the nozzle end of the hot melting module and the nozzles of each syringe mounted on the multiple syringe output module.
  • the nozzles of each output module are set to have a predetermined (X,Y) position. Setting the bed to the origin position (0, 0), the nozzle positions of the single output nozzle 400 is set to (X 1, 0), the location of the nozzles in the print cylinder position of the multiple syringe output module ( X 2, 0) position.
  • the nozzle end alignment step (S100) is performed to measure each nozzle end in a state in which the single output module 400 and the multiple syringe output module are set as described above.
  • the sensing point of the nozzle end alignment sensor 250 is positioned at a predetermined initial origin position on the bed 200, that is, a position set as a (0,0) position in the XY coordinate system.
  • the position at this time is referred to as the bed origin position.
  • the bed 200 moves to one side in the X-axis direction, and locates the sensing point of the nozzle end alignment sensor 250 under the nozzle (X 1, 0) of the single output module.
  • the single output module 400 is lowered, and the Z value of the nozzle end of the single output module 400 is measured by converting from the lowering distance.
  • the Z value of the nozzle end of the single output module 400 is referred to as the Z 1 value
  • the measured Z value of the nozzle end of the single output module 400 that is, the Z 1 value is input to the control unit.
  • the Z-axis movement of the single output module 400 is controlled based on the input Z 1 value.
  • the first output module 400 is placed in its original position, and the bed 200 is moved to the other side in the X-axis direction to return to the bed origin position.
  • the bed 200 is moved to the other side in the X-axis direction to return to the bed origin position.
  • sensing of the nozzle end alignment sensor 250 under the nozzle (X 2 ,0) of the No. 1 syringe at the output position in the multiple syringe output module 500 Position the point.
  • syringe 1 is set to be located at the output position of the multiple syringe output module.
  • the Z value of the nozzle end of the No. 1 syringe is referred to as the Z 21 value
  • the measured Z value of the nozzle end of the No. 1 syringe that is, the Z 21 value
  • the control unit Based on the input Z 21 value, the Z-axis movement of the No. 1 syringe of the multiple syringe output module is controlled.
  • the No. 1 syringe is raised, the rotary shaft is rotated to move the No. 2 syringe to the output position, and the Z value of the nozzle end of the No. 2 syringe is measured in the same manner.
  • the Z value of the nozzle end of the No. 2 syringe is referred to as the Z 22 value
  • the measured Z value of the Nozzle End of the No. 2 syringe that is, the Z 22 value
  • the z-axis movement of the #2 syringe of the multiple syringe output module is controlled based on the input Z 22 value.
  • the Z value of the nozzle end of the 3rd syringe, the Z value of the 4th syringe, the Z value of the 5th syringe's nozzle end are measured in the same way, and the Z 23 value, the Z 24 value, and the Z 25 value are controlled.
  • the syringe from which the Z value of the nozzle end is measured is the first syringe, and the rotary axis repeats forward and backward rotation within the range of 180° rotation angle in each of the clockwise and counterclockwise directions, and each syringe holder Is moved to the output position and the Z value of the nozzle end of each syringe is measured.
  • the first syringe After the Z value of the nozzle end of each syringe is measured, the first syringe returns to the output position, and the bed 200 returns to the bed origin position. Thereafter, the nozzle end alignment sensor 250 is removed.
  • the output plate 201 is installed on the bed 200. .
  • the print plate 201 is fixed to the set position of the bed 200, the case door 12 and the chamber door 112 are closed, and the inside of the printing chamber 100 is isolated from the outside.
  • H 2 O 2 gas is introduced into the printing chamber 100 through the sterilization gas introduction unit 162 to perform sterilization, and ventilation to discharge H 2 O 2 gas to the outside after plasma H 2 O 2 sterilization is performed. .
  • the ultrasonic level sensor 710 installed in the center unit 700 in the printing chamber scans the bottom surface of the output plate 201 to measure the actual height of the bottom surface of the output plate 201.
  • the controller 900 performs a step of calculating a leveling offset value by comparing the measured profile of the actual height of the bottom surface of the output plate 201 and the set output reference height. Thereafter, the step of correcting the set output reference height by applying the calculated offset value is performed. By performing such an output reference height correction step, output may be performed based on the corrected output reference height.
  • the bed 200 moves below the single output module 400 and outputs structures such as a scaffold, a drug structure, and a frame structure while moving the nozzle of the single output module on the output plate 201 in a set path.
  • the bed 200 moves below the multiple syringe output module 500, and the selected syringe of the multiple syringe output module 500 on the output plate 201 moves to the output position.
  • the NFC reader 750 reads the NFC tag 610 of the syringe.
  • the control unit 900 controls the set output temperature condition by driving the heating element and the cooling unit provided in the syringe holder 540.
  • output is performed according to output conditions such as output speed and air pressure recorded on the NFC tag 610 of the syringe 600.
  • each syringe is output while lowering from the atmospheric height to the printing start height, and the bio-ink in the syringe is output by air dispensing by air pressure supplied through an air tube.
  • the bed 200 moves to the bed origin position after printing of the layer, and exposes the output to UV rays provided from the UV curing machine 720. Let it harden.
  • the CO 2 incubation may be performed non-stop.
  • the CO 2 incubating step (S600) is performed by controlling the carbon dioxide concentration inside the printing chamber by CO 2 introduced through the incubating gas inlet, and controlling temperature and humidity through a temperature controller and a humidity controller.
  • cell formation observation may be performed using the high magnification camera 730 installed in the center module 700. It is possible.
  • the device operation is stopped, the case door and the chamber door are opened, and the printout is retrieved.

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Abstract

본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터는 케이스, 프린팅 챔버, 멀티플 실린지 출력모듈 및 승강 유닛을 포함한다. 상기 프린팅 챔버는 상기 케이스 내부에 제공되고, 내부가 외부로부터 격리가능하게 벽면들에 의해 둘러싸여 형성되며, 챔버 도어를 구비한다. 상기 멀티플 실린지 출력모듈은, 상기 프린팅 챔버의 상면 개구에 고정된 상하단이 개방된 중공의 원통부; 상기 상기 원통부 내부에 설치되어, 상기 원통부를 서로 격리된 상부 구역과 하부 구역으로 분리하는 패킹 판; 상기 패킹 판에 일단이 고정되고 상부로 연장되는 로터리 축; 상기 패킹 판의 하측에 원주 방향으로 배치되고, 각각에 실린지가 장착되는 복수의 실린지 홀더; 상기 실린지 홀더를 상기 패킹 판 하부에 지지하는 실린지 홀더 지지부; 상기 로터리 축을 회전시켜 상기 복수의 실린지 홀더 중 선택된 하나의 실린지 홀더를 출력 위치로 회전시키는 로터리 축 구동부를 포함한다. 상기 승강 유닛은, 상기 프린팅 챔버의 외부로 배치되고 상기 실린지 출력 모둘과 연결되어 상기 실린지 출력 모듈을 승강 제어하는 수직 이동 유닛을 구비한다.

Description

멀티플 실린지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터
본 발명은 바이오 3차원 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 실린지가 장착되고 선택적으로 출력될 수 있는 멀티플 실리지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터에 관한 것이다.
최근 조직공학과 재생의학의 연구분야 및 맞춤 의료서비스에 대한 수요가 증가함에 따라 바이오 재료를 이용한 3차원 프린터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
공지의 3차원 프린터는 XYZ축을 구성하는 프레임과 바이오 재료의 토출을 위한 디스펜서 형태의 노즐을 포함한다. 이러한 종래의 프린터는 노즐에 콜라겐, 젤라틴 등과 같은 점성이 있는 유체 형태의 바이오 재료를 채워 넣는다. 유체 형태의 바이오 재료가 채워진 노즐에 공압 시스템을 연결하여 바이오 재료를 밀어내면서 토출하는 방식으로 사용하였다.
그러나 이러한 토출 방식은 바이오 재료가 유체 형태가 아닌 경우 노즐을 고온으로 가열하여 바이오 재료를 유체형태로 변환한 후 토출해야 한다. 따라서 유체 바이오 재료와 고체 바이오 재료를 함께 사용하기 위해서는 노즐을 가열한 후 식히는 과정이 반복되므로 노즐의 과부하로 인한 문제점이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 스캐폴드(scaffold) 및 기타 구조물을 형성하는 고체 상태의 재료를 출력하는 제1 노즐과, 유체 형태의 바이오 재료(바이오 잉크)를 출력하는 제2 노즐을 별개로 구비한 바이오 3차원 프린터가 한국 특허 제10-1828345호에 개시되어 있다. 그런데, 종래의 제2 노즐은 단수의 실린지만이 장착될 수 있으므로 복수의 바이오 잉크를 이용하여 출력이 이루어질 수 없는 단점이 있었다.
본 발명은 복수의 실린지가 장착되고 선택적으로 출력될 수 있는 멀티플 실리지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 밀폐된 출력 환경을 제공하는 프린팅 챔버에 제공될 수 있는 멀티플 실린지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 유체 상태의 바이오 재료가 담긴 복수의 실린지가 출력 준비 단계에서 장착되고, 각 실린지가 설정된 각각의 출력 조건으로 바이오 재료를 출력할 수 있는 멀티플 실린지 출력모듈을 구비한 바이오 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터는 케이스, 프린팅 챔버, 멀티플 실린지 출력모듈 및 승강 유닛을 포함한다. 상기 프린팅 챔버는 상기 케이스 내부에 제공되고, 내부가 외부로부터 격리가능하게 벽면들에 의해 둘러싸여 형성되며, 챔버 도어를 구비한다. 상기 멀티플 실린지 출력모듈은, 상기 프린팅 챔버의 상면 개구에 고정된 상하단이 개방된 중공의 원통부; 상기 원통부 내부에 설치되어, 상기 원통부를 서로 격리된 상부 구역과 하부 구역으로 분리하는 패킹 판; 상기 패킹 판에 일단이 고정되고 상부로 연장되는 로터리 축; 상기 패킹 판의 하측에 원주 방향으로 배치되고, 각각에 실린지가 장착되는 복수의 실린지 홀더; 상기 실린지 홀더를 상기 패킹 판 하부에 지지하는 실린지 홀더 지지부; 상기 로터리 축을 회전시켜 상기 복수의 실린지 홀더 중 선택된 하나의 실린지 홀더를 출력 위치로 회전시키는 로터리 축 구동부를 포함한다. 상기 승강 유닛은, 상기 프린팅 챔버의 외부로 배치되고 상기 멀티플 실린지 출력 모둘과 연결되어 상기 멀티플 실린지 출력 모듈을 승강 제어하는 수직 이동 유닛을 구비한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 로터리 축을 회전가능하게 지지하는 로터리 축 지지부를 포함하고, 상기 로터리 축 구동부는, 상기 로터리 축 지지부에 일단이 고정되고 타단이 상기 수직 이송 유닛에 고정되는 지지대와, 상기 로터리 축을 회전 구동시키는 엔코더 모터와, 상기 지지대에는 장착되는 포텐셔 미터를 포함하고, 상기 로터리 축의 단부, 상기 포테션 미터의 단부, 및 상기 엔코더 모터의 단부에는 각각 풀리가 형성되고, 상기 로터리 축 단부 풀리와 상기 포테션 미터 단부 풀리 사이, 상기 포테션 미터 단부와 상기 엔코터 모더 단부 풀리 사이에는 각각 타이밍 벨트가 설치된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 원통부는 강성 소재로 형성되고, 상기 패킹판은 외주면이 상기 원통부의 내주면에 접하여 회전 및 승강하게 설치된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실린지 홀더 지지부는, 하단이 상기 실린지 홀더에 고정되고 상기 패킹 판을 관통하여 상부로 연장되는 실린지 홀더 이동축; 상기 패킹 판의 상면 고정되고, 상기 실린지 이동축이 관통하여 지나는 고정 가이드; 상기 실린지 홀더 이동축의 상부에 고정되어 상기 실린지 홀더 이동축과 함께 승강하는 이동 가이드; 상기 이동 가이드를 하강시키는 외력이 부가되지 않을 때 상기 이동 가이드를 상방으로 이동시키는 스프링; 및 상기 로터리 축이 회전하여 출력이 선택된 상기 실린지 홀더가 설정된 출력 위치로 진입하면, 상기 이동 가이드를 눌러 상기 실린지 홀더 이동축을 대기 높이에서 출력 시작 높이로 이동시키는 실린지 홀더 승강 구동부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실린지 홀더 승강 구동부는, 상기 로터리 축 지지부에 고정된 브라켓에 고정되는 캠 구동 모터; 및 상기 캠 구동 모터에 의해 구동하여 출력 위치에 위치한 상기 실린지 홀더의 상기 이동 가이드를 하강시키는 캠을 포함하고, 선택된 상기 실린지 홀더가 출력 위치로 진입하는 것을 감지하는 감지부를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 감지부는 상기 이동 가이드 각각에 부착된 자석; 및 상기 로터리 축 지지부에 고정된 브라켓에 설치되며, 출력 위치로 진입하는 상기 실린지 홀더의 상기 이동 가이드에 부착된 자석을 감지하는 MR센서를 포함한다.
본 발명의 실시예의 의하면, 상기 각 실린지 홀더에 장착된 각 실린지에는 온도 조건을 포함한 출력 조건이 기록된 NFC 태그가 부착되고, 상기 프린팅 챔버 내부에는 상기 NFC 태그를 비 접촉식으로 리딩하는 NFC 리더기가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실린지 홀더는, 실린지가 장착되는 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈에 히팅 소자가 배치되며, 외측면에 냉각 블럭이 구비된 실린지 홀더 바디; 및 상기 실린지 홀더 바디에 힌지식으로 개폐가능하게 설치되는 실린지 홀더 커버를 포함하며, 상기 실린지 홀더 바디는 상기 히팅소자에 대향하여 냉각을 위한 펠티어 소자가 설치되고, 상기 냉각 블럭은 상기 펠티어 소자에 결합되고 상기 패킹 판을 관통하여 제공된 냉각수관이 지나는 관통홀이 형성되어 있으며, 상기 실린지 홀더 커버에는 내부에 장착된 실린지에 부착된 태그를 외부에서 리딩할 수 있도록 태그 부착 위치에 대응하여 리딩 윈도우가 형성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 실린지 홀더는 N개(N은 3이상의 자연수)가 설치되되, 상기 로터리 축의 세팅 상태에서 출력 위치에 위치하는 실린지 홀더를 1번 실린지 홀더로 하고, 상기 로터리 축은 1번 실린지 홀더 위치를 0°로 하여 시계방향 및 반시계방향으로 180°(degree) 이하의 회전각으로 정역 회전 제어된다.
본 발명에 의하면, 프린팅 챔버 내부에서 복수의 실린지를 이용하여 선택적으로 바이오 재료를 출력할 수 있다. 따라서 프린팅 챔버가 밀폐된 상태로 프린팅 챔버의 개방 없이 바이오 재료를 변경하면서 생체 조직의 출력이 가능하므로 출력 작업 간에 발생할 수 있는 오염이 방지될 수 있다.
본 발명에 의한 멀티플 실린지 출력모듈은 복수의 실린지가 장착될 수 있으며, 프린팅 챔버 내부로의 오염 물질 유입이 차단되면서도 실린지의 회전 및/또는 승강이 가능하다. 따라서 밀폐된 출력환경을 갖는 프린팅 챔버에 적용될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 외부 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 내부에 제공되는 프린팅 챔버의 외부 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버의 내부 정면도이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버에서 일부 부품이 삭제된 상태로 도시된 종방향 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버에서 일부 부품이 삭제된 상태로 도시된 횡방향 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버에서 베드를 설치 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 이동 유닛을 도시한 도면이다. 이동 유닛은 케이스 내부에 설치된다.
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈의 설치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈에서 선택된 실린지 홀더가 출력 위치로 진입하는 것을 감지하기 위한 자석 및 MR 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈에서 각 실린지 홀더의 배치를 보여주는 도면이다.
도 11 은 본 발명의 실시예에 따른, 열린 상태의 실린지 홀더의 사시도이다.
도 12 는 본 발명의 실시예에 따른, 닫힌 상태의 실린지 홀더의 단면도이다.
도 13 은 본 발명의 실시예에 따른, 닫힌 상태의 실린저 홀더의 정면도이다
도 14 은 본 발명의 실시예 따른 센터 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16 는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 엔드 정렬 단계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결(결합, 고정)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결(결합, 고정)되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 간접적으로 연결(결합, 고정)되어 있는 경우도 포함한다.
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 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 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.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터(1)는, 케이스(10), 프린팅 챔버(100), 베드(200), 이동 유닛(300), 싱글 출력모듈(400), 멀티플 실린지 출력모듈(500), 센터 모듈(700) 및 제어부(900)를 포함할 수 있다.
제어부(900)는 바이오 3차원 프린터의 동작을 제어하기 위한 것으로, 연산부, 기억부 및 각종 센서 및 주변 기기와의 통신을 위한 유무선 인터페이스를 포함한다. 도 1 은 제어부(900)를 케이스(10)의 외부에 도시하고 있으나, 바이오 3차원 프린터(1)의 케이스 내부에 내장될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 외부 사시도이다.
도 1 에서 보이는 바와 같이, 케이스(10)는 상면, 하면, 및 측면을 구비하여 내부를 둘러싸도록 형성되며, 전면에는 케이스 도어(12)가 설치된다. 케이스 도어(12)에는 내부의 프린팅 챔버(100)를 외부에 관찰할 수 있는 투명창(14)이 구비된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 바이오 3차원 프린터는 케이스 도어(12) 및 챔버 도어(110)를 구비한 이중 도어 방식을 채택함으로써, 프린팅 챔버(100) 내부를 외부로부터 격리하는 데 유리하다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 내부에 제공되는 프린팅 챔버의 외부 사시도이다. 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버의 내부 정면도이다. 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버에서 일부 부품이 삭제된 상태로 도시된 종방향 단면도이고, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버에서 일부 부품이 삭제된 상태로 도시된 횡방향 단면도이고, 도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 챔버에서 베드를 설치 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
프린팅 챔버(100)는 케이스(10) 내부에 제공된다. 프린팅 챔버(100)는 벽면들 즉, 바닥면(101), 상면(104), 및 측면(106)들에 의해 둘러싸여 내부가 외부로부터 격리가능하게 형성된다. 프린팅 챔버(100)의 전면에는 투명창(112)을 구비한 챔버 도어(110)가 설치된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 프린팅 챔버(100)는 온도 조절부(120), 습도 조절부(130), 공기 순환부(140)를 구비하고 프린팅 챔버(100) 내부의 프린팅 공간이 밀폐된 상태에서 공기 정화, 온도 조절 및 습도 조절이 가능하게 형성된다.
온도 조절부(120)는, 프린팅 챔버(100)의 측면(106) 외부에 형성되는 워터 자켓(122)과, 워터 자켓(122)의 외벽에 설치되는 히터(124)를 포함한다.
워터 자켓(122)은 프린팅 챔버(100)의 적어도 일부의 측면(106)의 외벽을 둘러싸고 형성된 챔버로서 내부에 물이 수용된다. 히터(124)는 워터 자켓(122)의 외벽에 설치된다. 히터(124)는 워터 자켓(122) 내부의 물을 가열하여 프린팅 챔버(100)에 온도를 조절가능하게 한다. 제어부(900)는 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 감지하는 온도센서(미도시)로부터 센싱값을 입력 받아 히터(124)의 온오프를 제어한다.
습도 제어부(130)는 프린팅 챔버(100) 내부에 수분을 제공하여 습도를 조절하게 한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 습도 제어부(130)는 공기 순환부(140)에 의한 공기 순환 경로 상에 제공된다. 공기 순환부(140)는 프린팅 챔버(100) 내부의 공기를 순환시키면서 필터링 정화하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 공기 순환부(140)는 유입구(141), 에어 덕트(142), 유출구(144), 순환 공기를 필터링하여 정화하는 필터(146) 및 공기 순환 흐름을 발생시키는 블레이드(미도시)를 포함한다.
유입구(141)는 프린팅 챔버(100)의 상면(104) 일측으로 형성된다. 유입구(141)에는 HEPA 필터와 같은 필터(146)가 설치되어 프린팅 챔버(100) 내부로부터 유입되는 공기에 포함된 오염물질을 제거할 수 있게 구성된다.
유입구(141)에 인접하여 형성된 에어 덕트(142) 내부의 블레이드 설치부(148)에는 공기 순환 흐름을 발생시키는 블레이드가 설치된다. 블레이드는 에어 덕트(142) 외부에 배치된 모터(149)에 의해 회전한다. 모터(149) 구동시 발생하는 파티클 등의 오염물질이 유입되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 습도 조절부(130)는 공기 순환부(140)의 공기 순환을 이용할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 습도 조절부(130)는 내부에 물을 수용하는 트레이(132)를 포함하고, 트레이(132)는 유출구(144) 측에 제공된다.
트레이(132)는 개구 형태의 유출구(144)의 설치된다. 유출구(144) 측에 물을 수용하는 트레이(132)가 제공됨으로써 유출구(144)를 통해 프린팅 챔버(100) 내부로 도입되는 순환 공기에 의해 트레이(132)에 수용된 수분의 증발 및 확산이 유도된다. 또한, 습도 조절부(130)는 트레이(132) 하부에 설치된 히팅 소자(134)를 포함하고, 트레이(130)에 저장된 물을 미열로 가열함으로써 습도 조절이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
히팅 소자(134)는 트레이(132)의 바닥면에 대응하여 프린팅 챔버(100)의 바닥면의 하면에 배치된다. 이를 통해 히팅 소자(134)로의 전원선 및 제어선 등과 같은 케이블이 프린팅 챔버(100) 외부에서 연결될 수 있다. 히팅 소자(134)는 프린팅 챔버(100) 내부의 습도를 감지할 수 있는 센서(미도시)의 센싱 신호를 제공받는 제어부(900)에 의해 컨트롤된다.
본 발명의 실시예의 의하면 에어 덕트(142)는 워터 자켓(122) 내부로 연장된다. 도면을 참조하면, 에어 덕트(142)는 프린팅 챔버(100)의 상면에서 측면 하부로 연장되는 경로로 형성되고, 워터 자켓(122) 내부를 지나면서 아래로 연장된다. 이러한 에어 덕트(142)의 배치는 프린팅 챔버(100)의 온도 조절에 보다 유리하다.
프린팅 챔버(100)의 내부에는 LED조명(미도시) 및 UV 램프(미도시)가 설치될 수 있다. UV 램프는 프린팅 챔버(100) 내부의 유해한 미생물 등을 살균하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 프린팅 챔버(100)는 내부가 멸균된 상태로 프린팅 챔버 내부에서 출력이 가능하게 형성된다. 이를 위해 프린팅 챔버(100)는 멸균용 가스 발생기와 연결되어 내부에서 멸균 작업이 수행될 수 있게 구성된다. 멸균용 가스 발생기는 H202 플라즈마 멸균기(165)를 포함하고, 프린팅 챔버(100) 외부로 제공된다.
프린팅 챔버(100)에는 멸균 가스 도입구(162) 및 멸균 가스 배출구(164)가 형성되다. 멸균 가스 도입구(162)는 H202 플라즈마 멸균기(165)로부터 H202 멸균 가스가 도입되는 통로가 되며 멸균 가스 배출구(164)는 멸균 작업 후 내부의 H202 멸균 가스를 배기하기 위해 사용된다.
멸균은 프린팅 챔버(100)의 베드(200)에 출력물을 지지하기 위한 출력용 플레이트(201)가 설치된 상태에서 출력이 진행되기 전에 수행될 수 있다. 멸균 명령이 입력되면, H202 플라즈마 멸균기(165)에서 발생한 H202 멸균 가스가 멸균 가스 도입구(162)를 통해 프린팅 챔버(100) 내부로 도입되어, 일정 시간 동안 멸균 작업이 진행된다. 그 후 H202 멸균 가스는 멸균 가스 배출구(164)를 통해 배기되는 벤틸레이션 작업이 수행된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 프린팅 챔버(100)는 출력물이 프린팅된 후 논-스톱(Non Stop)으로 CO2 인큐베이팅이 가능하게 구성된다. 이를 위해 프린팅 챔버(100)에는 내부를 CO2 인큐베이팅 분위기로 형성하기 위한 인큐베이팅 가스 도입구(172)와, 인큐베이팅 가스 배출구(174)가 형성된다. 인큐베이팅 가스 도입부(172)는 레귤레이터(미도시) 및 CO2 탱크(175)와 연결되어 내부로 CO2 가스를 도입가능하게 하여, 프린팅 챔버(100) 내부에 이산화탄소의 농도를 조절한다. 인규베이팅 가스 배출구(174)는 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 농도 조절을 위하여 내부 공기가 배출되는 경로가 된다.
생체 조직의 출력 후 인큐베이팅을 위해서는 3~5% 이산화탄소 농도, 37 ℃ 정도의 온도, 80% 정도의 습도 환경이 조성되어야 한다. 이산화탄소의 농도가 조절되면서 인큐베이팅이 이루어지는 것을 CO2 인큐베이팅이라 지칭한다.
본 발명에 의하면 프린팅 챔버(100)가 외부로부터 밀폐 가능한 구조로 형성되고, CO2 인큐베이팅을 위하여 내부의 이산화탄소 농도를 조절가능하게 형성되므로, 생체 조직의 출력 후에 그 자리에서 CO2 인큐베이팅을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 프린팅 챔버(100)의 바닥면 측에는 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동가능하게 설치된 베드(200)가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101)에는 바닥면 개구(102)가 형성되고, 바닥면 개구(102) 상에 베드(200)가 배치된다. 베드(200)는 바닥면 개구(102)에 의해 허용되는 이동 영역 내에서 움직인다. 베드(200)의 상면은, 출력물이 출력되는 출력용 플레이트(201)가 정해진 위치에 고정될 수 있도록 형성된다.
베드(200)는, 프린팅 챔버(100) 하부에 설치된 수평 이동 유닛(310)에 연결된다. 수평 이동 유닛(310)은, 베드(200)와 연결되어 베드(200)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시킨다. 베드(200)의 하부 부분이 수평 이동 유닛(310)에 고정된다. 본 명세서에서 베드(200)는 프린팅 챔버 내부에 배치되어 출력용 플레이트(201)가 결합되는 부분과, 수평 이동 유닛(310)과 연결되는 하부 부분을 모두 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 베드(200)의 하부 부분과 바닥면 개구(102) 내주면 사이에 제1 벨로우즈(210)가 설치된다. 제1 벨로우즈(210)의 중심 홀(211) 상에 베드(200)가 배치되고, 하부 부분이 중심 홀(211)을 통해 제1 벨로우즈(210)의 하부로 연장되어 수평 이동 유닛(310)에 연결된다. 중심 홀(211)의 주면이 베드(200)의 하부 부분과 밀폐가능하게 고정된다. 이로 인해, 제1 벨로우즈(210)는 베드(200)와 바닥면 개구(102) 내주면 사이의 공간의 덮으며, 프린팅 챔버 내부를 프린팅 챔버의 바닥면 아래의 공간으로부터 격리한다. 따라서 수평 이동 유닛(310)의 동작시 발생하는 파티클 또는 외부 오염이 바닥면 개구(102)를 통해 유입되는 것이 방지될 수 있다. 즉, 제1 벨로우즈(210)의 상부 및 하부 사이에서 이물질의 이동이 차단된다. 또한, 제1 벨로우즈(210)는 신축성으로 인해 변형되므로 베드(200)가 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동하는 것을 허용한다.
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 이동 유닛을 도시한 도면이다. 이동 유닛은 케이스 내부에 설치된다.
도 7 에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이동 유닛(300)은 수평으로 배치되어 X축 방향 및 Y축 방향 이동을 일으키는 수평 이동 유닛(310)과, Z축 이동을 일으키는 수직 이동 유닛(350, 360)을 포함한다.
수평 이동 유닛(310)은 케이스(10) 내부에서 프린팅 챔버(100)의 바닥면 아래 공간에 배치된다.
수평 이동 유닛(310)은 X축 방향 구동을 일으키는 제1 수평이동 유닛(320)과 제1 이동 유닛의 상부로 배치되어 Y축 방향 구동을 일으키는 제2 수평 이동 유닛(330)을 포함한다. 제1 수평 이동 유닛(320)이 Y축 방향 구동을 일으키는 경우, 제2 수평이동 유닛(330)이 X축 방향 구동을 일으키도록 설치된다.
제1 수평 이동 유닛(320) 및 제2 수평 이동 유닛(330)은 가이드 레일과 스텝 모터를 포함한다. 제어부(900)에 의해 제1 수평 이동 유닛(320)의 스텝모터가 구동 제어되면, 가이드 레일의 상부로 지지된 제2 수평 이동 유닛(330)이 X축 방향으로 이동된다. 제2 수평 이동 유닛(330)은 제1 수평 이동 유닛(320) 상부에서 Y축 방향으로 이동한다.
제2 수평 이동 유닛(330)의 가이드 레일에 지지된 이동판에 베드(200)가 고정된다. 제1 수평 이동 유닛(320) 및 제2 수평 이동 유닛(330)의 움직임에 의해 베드(200)가 X축 및 Y축 방향으로 이동 제어된다.
본 발명의 실시예에 의하면 수직 이동 유닛(350, 360)은 제1 수직 이동 유닛(350)과, 제2 수직 이동 유닛(360)을 포함하며, 프린팅 챔버의 측면 외부에 설치된다.
제1 수직 이동 유닛(350)의 싱글 출력모듈(400)의 Z축 방향 이동 즉, 승강을 제어하며, 제2 수직 이동 유닛(360)은 멀티플 실린지 출력모듈(500)의 Z축 방향 이동 즉, 승강을 제어한다. 제1 및 제2 수직 이동 유닛(350. 360) 각각은 가이드 레일과 스텝 모터를 구비한다. 각 가이드 레일에 의해 지지된 이동판에 싱글 출력모듈(400) 및 멀티플 실린지 출력모듈(500)이 각각 연결된다.
제1 수직 이동 유닛(350)의 이동판에 중공관(410)이 고정되고, 중공관(410)에 싱글 출력모듈(400)이 연결됨으로써, 싱글 출력모듈(400)의 승강이 제어된다.
제2 수직 이동 유닛(360)의 이동판(362)에 멀티플 실린지 출력모듈(500)을 지지하는 지지대(480)가 고정됨으로써, 멀티플 실린지 출력모듈(500)의 승강이 제어된다.
본 발명의 실시예에 의한 프린팅 챔버(100) 내부에는 싱글 출력모듈(400)과 멀티플 실린지 출력모듈(500)이 제공된다.
도 2 내지 도 7 을 참조하여, 싱글 출력모듈(400)을 고정 구조를 설명한다.
싱글 출력모듈(400)은 스캐폴드, 약제 구조물, 틀 구조물 등 구조물을 형성하기 위한 고체 상태의 바이오 재료를 출력하기 위해 제공될 수 있다. 예컨대, 싱글 출력모듈(400)로는 필라멘트를 출력하는 익스트루더 모듈, 약제 또는 과립 형태의 폴리머 소재를 내부에 담아놓고 고열로 멜팅하여 공압으로 출력하는 멜팅 고압 사출기인 핫멜팅 모듈 등이 채택될 수 있다. 그러나 싱글 출력모듈이 고체 상태의 바이오 재료를 출력하는 것에 제한되지 않는다. 한편, 고체 상태의 바이오 재료는 경화 상태에서 고체 상태를 유지하는 재료를 의미하며, 바이오 재료는 바이오 관련 출력물에 사용될 수 있는 다양한 재료를 포함하며, 특정한 소재로 한정되지 않는다.
싱글 출력모듈(400)의 고정구조를 살펴보면, 프린팅 챔버(100)의 도어(110)에 마주보는 측면(106)에는 측면 개구(107)가 형성된다. 측면개구(107)를 통해 중공관(410)이 내부로 연장된다. 중공관(410)은 제1 수직 이동 유닛(350)의 이동판에 지지되어 Z방향 즉, 승강 방향으로 이동된다.
중공관(410)의 외주면과 측면 개구(107)의 내주면 사이에는 측면 개구(107)의 내외부를 차단하는 제2 벨로우즈(420)가 설치된다. 중공관(410)은 제2 벨로우즈(420)의 내주면에 의해 외주면이 둘러싸인 상태로 프린터 챔버(100) 내부로 연장된다. 따라서 제2 벨로우즈(420)는 중공관(410)의 외주면과 측면 개구(107)의 내주면 사이 공간을 덮어 프린팅 챔버 내부를 프린팅 챔버 외부와 격리한다.
제2 벨로우즈(420)는 신축성으로 인해 중공관(410)을 Z축 방향으로 승강하는 것을 허용하면서도 파티클 등의 외부 오염 물질이 측면 개구(107)를 통해 유입하는 것을 방지할 수 있다.
중공관(410)의 전면에는 차단판(415)을 구비한다. 차단판(415)에는 싱글 출력모듈(400)이 교체가능하게 장착된다. 차단판(415)은 중공관(410) 내부를 통해 외부 오염 물질이 유입되는 것을 차단하면서, 싱글 출력모듈(400)의 교체를 용이하게 한다.
중공관(410)의 내부를 통해 싱글 출력모듈(400)의 구동에 필요한 전원선, 제어선 등의 케이블과, 공압의 인가를 위한 에어관, 냉각수관 등의 호스 관 등이 프린팅 챔버(100) 내부로 도입되고, 차단판(415) 및/또는 중공관(410)의 주면에 커넥터(417)에 연결된다. 커넉터(417)는 이물질의 유입을 차단하면서 케이블, 호스 관 등이 내부로 연결되는 경로가 된다. 싱글 출력모듈(400)은 커넥터(417)를 경유하여 전원, 제어 신호, 에어, 냉각수를 외부로부터 공급받을 수 있다.
싱글 출력모듈(400)로 사용되는 익스투루더 모듈, 핫멜팅 모듈 등은 차단판(415)에 장착됨으로써 중공관(415)의 이동에 따라 이동 제어된다.
도 3에서 보이는 바와 같이, 멀티플 실린지 출력모듈(500)은 싱글 출력모듈(400)의 일측으로 배치된다.
본 발명의 실시예에 의하면 멀티플 실린지 출력모듈(500)은 유체 상태의 바이오 재료가 담긴 실린지(600)가 장착되는 실린지 홀더(540)를 포함한다.
도 3, 도 4, 도 7 내지 도 13을 참조하며, 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 멀티플 실린지 출력모듈(500)은 복수의 실린지 홀더(540)을 구비하여, 서로 다른 바이오 재료를 담긴 복수의 실린지(600)들이 각 실린지 홀더(540)에 각각 장착되어 제어부(900)의 제어에 의해 선택적으로, 설정된 순서대로 출력될 수 있다.
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈의 설치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 멀티플 실린지 출력모듈(500)은 5개의 실린지 홀더(540)를 포함하며, 회전 및 승강 가능하게 설치된다.
멀티플 실린지 출력모듈을 형성하는 각 실린지 홀더(540)는 로터리 축(530)의 중심을 따라 연장된 중심선을 중심으로 하여 원주 방향으로 배치되며, 로터리 축(530)에 의해 회전가능하게 설치된다. 또한, 멀티플 실린지 출력모듈(500)은 제2 수직 이동 유닛(360)에 연결되어 전체적으로 Z축 방향으로 승강이 조절됨과 동시에, 출력 위치에서 있는 실린지 홀더(540)가 대기 높이와 출력 시작 높이 사이에서 승강 조작이 가능하게 설치된다.
본 명세서에서 멀티플 실린지 출력모듈을 설명할 때, 출력 위치라는 용어는 실린지로부터 출력이 이루어지는 (X,Y) 좌표계 상에서의 위치를 의미한다. 출력 위치는 장치 세팅 시에 특정 좌표로 특정된다. 각 실린지 홀더는 로터리 축을 중심으로 회전하면서 출력 위치로 진입하고, 출력 위치에서 실린지가 출력하도록 제어된다.
출력 위치에서 실린지 홀더는 Z축 방향으로 승강이 제어될 수 있다. 실린지 홀더는 출력 위치에서, 대기 높이와 출력 시작 높이를 가질 수 있다. 출력 위치에 위치한 실린지 홀더에 장착된 실린지에서 출력이 이루어지는 경우, 먼저 실린지 홀더는 대기 높이에서 출력 시작 높이로 하강하고, 이후 출력이 이루어진다. 대기 높이는 선택된 실린지 홀더와 주변 실린지 홀더와 동일한 높이일 수 있다. 출력 시작 높이는, 대기 높이에서 하강하여, 선택된 실린지 홀더가 주변의 선택되지 않은 실린지 홀더 보다 낮게 배치된 높이로서, 출력 시에 주변의 실린지 홀더 및 실린지가 간섭을 일으키지 않는 높이를 의미한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 멀티플 실린지 출력모듈은 중공의 원통부(510)(도 3 참조), 패킹 판(520), 로터리 축(530), 실린지 홀더 지지부(550), 실린지 홀더 승강 구동부(560)를 포함한다.
종공의 원통부(510)는 상하단이 개방되게 형성되며, 프린팅 챔버(100)의 상면 개구(105)에 고정된다. 상면 개구(105)의 내주면과 중공의 원통부(510)의 외주면 사이는 차단되어 오염물질의 유입이 방지된다.
중공의 원통부(510)의 내부에는 패킹 판(520)이 설치된다. 패킹 판(520)은, 원통부(510) 내부를 서로 격리된 상부 구역 및 하부 구역으로 분리한다. 패킹 판(520)은 하부 구역 즉, 프린팅 챔버 내부에 위치한 구역을 외부와 연결된 상부 구역으로부터 격리하여, 상부 구역으로부터 하부 구역으로의 오염 물질 유입을 차단한다. 원통부(510)는 플라스틱 소재, 금속 소재 등의 강성 소재로 형성될 수 있으며, 패킹 판(520)은 외주면이 원통부(510)의 내주면에 접하여 회전 및 승강하게 설치된다. 로터리 축(530)은 패킹 판(520)에 일단에 고정되고 상방으로 연장된다. 로터리 축(530)의 회전에 따라 패킹 판(520)이 회전하고, 로터리 축(530)의 승강에 의해 패킹 판(520)이 회전한다.
로터리 축(530)은 로터리 축(530)을 회전가능하게 에워싸는 로터리 축 지지부(532)에 회전가능하게 지지된다. 로터리 축 지지부(532)와 함께 승강 제어된다.
로터리 축(530)은 로터리 축 구동부(590)에 의해 회전이 제어된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 로터리 축 구동부(590)는, 지지대(591)와, 로터리 축 구동모터(592)와, 포텐셔 미터(593)를 포함한다.
지지대(591)는 로터축 축 지지부(532)에 일측이 고정되어 연장된다. 지지대(591)는 제2 수동 이동 유닛(360)의 이동판에 고정된다. 이로 인해 멀티플 실린지 출력모듈(500)이 Z축 방향으로 승강 제어될 수 있다.
지지대(591)에는 포텐셔 미터(593), 로터리 축 구동모터(592)가 결합되고, 로터리 축(530)의 단부, 포텐셔 미터(593)의 단부, 로터리 축 구동모터(592)의 단부가 지지대(591)의 상면으로 돌출된다.
로터리 축(530)의 단부, 포텐셔 미터(593) 단부, 로터리 축 구동모터(592) 단부에는 타이밍 벨트를 위한 풀리(595,596,597)가 형성된다. 그리고, 로터리 축(530)의 단부 풀리(595)와 포텐셔 미터(593)의 단부 풀리(596) 사이와,, 포텐션 미터(593)의 단부 풀리(596)및 로터리 축 구동모터(592)의 단부 풀리(597) 사이에 각각 타이밍 벨트가 설치된다. 즉, 포텐셔 미터(593)의 단부 풀리(596)에는 2개의 타이밍 벨트가 설치된다.
로터리 축 구동모터(592)는 엔코더 모터가 사용된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 로터리 축 구동모터로서 엔코더 모터를 사용하면서, 엔코터 모터의 회전력이 로터리 축에 전달되는 경로 상에 포텐셔 미터(593)를 구비하여, 엔코터 모터의 회전이 포텐셔 미터에 의해 정확히 감지되도록 함으로써 로터리 축의 보다 정밀한 회전각 제어가 가능하다.
패킹 판(520)의 아래로 복수개의 실린지 홀더(540)가 로터리 축(530)의 중심선을 중심으로 하는 원주를 따라 서로 이격하여 배치된다.
각 실린지 홀더(540)는 실린지 홀더 지지부(550)에 의해 지지된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 실린지 홀더 지지부는 대기 높이와 출력 시작 높이 사이에서 실린지 홀더(540)를 승강 제어할 수 있게 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 실린지 홀더 지지부(550)는 실린지 홀더 이동축(552), 고정 가이드(551), 가이드축(554), 이동 가이드(556) 및 스프링(558)을 포함한다.
실린지 홀더 이동축(552)은, 패킹 판(520)을 관통하여 상부 구역으로부터 하부 구역으로 연장되고, Z축 방향으로 승하강 이동가능하게 설치된다. 하단에 실린지 홀더(540)가 지지된다.
패킹 판(520)의 상면에 고정 가이드(551)가 고정되고, 실린지 홀더 이동축(552)이 관통하여 지나면서 안내된다.
실린지 홀더 이동축(552)의 상부는 이동 가이드(556)가 고정된다. 이동 가이드(556)의 승강에 의해 실린지 홀더 이동축(552)이 승강하고, 실린지 홀더(540)가 대기 높이에서 출력 시작 높이 사이에 승강 제어된다.
이동 가이드(556)는 가이드축(554)에 의해 이동이 안내된다. 가이드축(554)의 하단은 고정 가이드(551)에 고정되고 상부로 연장된다. 가이드축(554)은 상부는 이동 가이드(556)에 형성된 관통공에 승강가능하게 삽입된다. 이동 가이드(556)에 가이드축(554)이 관통하여 지나도록 설치되므로, 가이드축(554)에 의해 승강이 정렬된 위치에서 이루어지도록 한다.
가이드축(554) 또는 실린지 홀더 이동축(552)에는 스프링(558)이 설치된다. 스프링(558)은 이동 가이드(556) 하강시키는 외력이 부가되지 않을 때 이동 가이드(556)가 상방으로 이동하도록 탄성력을 제공한다. 즉, 외력이 작용하지 않을 때 실린지 홀더(550)는 스프링(558)에 의해 대기 높이로 상승하고 유지된다.
실린지 홀더 승강 구동부(560)는 캠(562)과 캠 구동 모터(564)를 포함한다.
캠(562)은 출력 위치에서 이동 가이드(566)를 아래로 누를 수 있게 설치된다. 캠 구동 모터(564)는 제어부(900)의 제어에 의해 캠(562)을 회전시켜 이동 가이드(566)를 누른다. 캠(562)이 회전하면서 이동 가이드(566)가 아래로 눌리면서 출력 위치에 있는 실린지 홀더(540)는 대기 높이에서 출력 시작 높이로 하강한다. 멀티플 실린지 출력모듈(500)이 전체로 Z축 방향으로 승강 제어되므로 출력 시작 높이의 Z 좌표는 상이할 수 있다. 그러나, 패킹 판(520)의 기준으로 대기 높이와 출력 시작 높이 사이의 거리를 일정하다.
캠(562) 및 캠 구동 모터(564)는 브라켓 등을 통해 로터리 축 지지부(532)에 지지되어 로터리 축 지지부(532)와 함께 승강된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 선택된 실린지 홀더(540)가 출력 위치로 진입하는지 여부를 감지하기 위한 감지부를 구비한다. 감지부는 각 이동 가이드(566)에 부착된 자석(571)과, 로터리 축 지지대(532)에 연결된 브라켓에 설치되는 MR센서(572)를 포함한다.
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈에서 선택된 실린지 홀더가 출력 위치로 진입하는 것을 감지하기 위한 자석 및 MR 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
MR 센서(572)는 로터리 축(530)이 회전하면서 선택된 실린지 홀더(540)가 출력 위치로 진입하면, 이동 가이드(566)에 부착된 자석을 감지하여 감지신호를 출력하고, 제어부(900)는 로터리 축(530)의 회전을 중지시켜, 선택된 실린지 홀더(540)가 출력 위치에 유지될 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 제어부(900)는 복수의 실린지 홀더 중에 초기 원점 즉, 출력 버튼이 눌려져 출력 동작이 시작하기 전에 출력 위치에 위치하는 실린지 홀더를 1번 실린지 홀더로 지정한다. 1번 실린지 홀더를 기준으로 로터리 축의 정역 회전이 제어된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 패킹 판(520)을 관통하여 에어관(미도시)들이 연장되고, 실린지 홀더(540)에 장착된 실린지(550)에 연결된다. 또한, 실린지 홀더를 위한 전원선, 제어선 등의 케이블과, 냉각수관 등이 패킹 판(520)을 관통하여 아래로 연장된다.
출력 위치로 이동한 실린지 홀더(540)는 캠(562)에 의해 대기 높이에서 출력 시작 높이로 하강하고, 에어 디스펜싱에 의해 바이오 소재가 출력된다.
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플 실린지 출력모듈에서 각 실린지 홀더의 배치를 보여주는 도면이다.
본 명세서에서는 각 실린지 홀더에 장착된 실린지를 실린지 홀더와 동일한 넘버로 지칭한다. 예컨대, 1번 실린지 홀더에 장착된 실린지를 1번 실린지, 2번 실린지 홀더에 장착된 실린지를 2번 실린지로 지칭한다.
엔코더 모터에 세팅된 초기 원점 즉, 홈 위치에 위치할 때 멀티플 실린지 출력모듈의 출력 위치에 위치하는 실린지 홀더가 1번 실린지 홀더(540-1)로 정의된다.
본 발명에 의하면, 로터리 축은 1번 실린지 홀더 위치를 0°로 하여 시계방향 및 반시계방향으로 180°(degree) 이하의 회전각으로 제어된다. 즉, 1번 실린지 홀더(540-1)의 위치를 기준으로 정역 회전 제어되고, 180° 이하의 회전각으로 제어된다
후속하는 실린지 홀더의 넘버는 로터리 축의 중심과 제1 실린지 홀더의 중심을 잇는 기준선을 기준으로 서로 대향하는 편에 교차하여 할당된다. 즉, 1번 실린지 홀더(540-1)의 위치를 0°로 정의하면, 2번 실린지 홀더(540-2)는 1번 실린지 홀더(540-1)에 대해 시계방향으로 α°회전위치에 위치하고, 3번 실린지 홀더(540-3)는 1번 실린지 홀더(540-1)에 대해 반시계방향으로 α°회전위치에 위치한다. 또한, 4번 실린지 홀더(540-4)는 1번 실린지 홀더(540-1)에 시계방향으로 (α+β)°회전위치에 위치하고, 5번 실린지(540-5)는 1번 실린지 홀더(540-1)에 반시계방향으로 (α+β)°회전위치에 위치한다.
따라서 예를 들어 1번 실린지(540-1)에서 5번 실린지(540-5)까지, 바이오 재료가 순차적으로 출력된다고 가정하면, 1번 실린지(540-1)에서 바이오 재료 출력 후 로터리 축은 시계방향과 반시계방향으로 번갈아하면서 회전하면서 실린지에서 바이오 잉크를 출력하게 된다. 실린지 홀더(540)들의 이러한 배치에 의해, 멀티플 실린지 출력모듈이 구동될 때, 멀티플 실린지 출력모듈에 연결된 전선, 제어선, 에어관, 냉각수관이 꼬임을 방지할 수 있게 된다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 멀티플 실린지 출력모듈에서 실린지 홀더를 설명하기 위한 도면으로, 도 11 은 열린 상태의 실린지 홀더의 사시도이고, 도 12 는 닫힌 상태의 실린지 홀더의 단면도이다. 도 13은 닫힌 상태의 실린저 홀더의 정면도이다.
도 11 및 도 12 에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실린지 홀더(540)는 실린지 홀더 바디(541)와, 실린지 홀더 커버(547)를 포함한다.
실린지 홀더 바디(541)는 실린지(600)의 형상에 대응되는 반원형의 안착홈(542)이 일측으로 형성된다. 실린지 홀더의 안착홈(542)에는 히팅 소자(543)가 배치된다. 실린지 홀더 바디(541)의 외측면에 히팅 소자(543)에 대응하는 냉각 소자(544)로서 펠티어 소자가 설치되고, 펠티어 소자에는 방열을 위한 냉각블럭(545)이 부착된다. 냉각블럭(545)에는 냉각핀이 형성되고, 냉각수관이 관통하여 지나는 관통홀(546)이 형성되어 냉각블럭(545)에는 냉각수관에 의한 냉각이 이루어진다.
실린지 홀더 커버(547)는 실린지 홀더 바디(541)에 힌지식으로 개폐 가능하게 설치된다. 실린지 홀더 커버(547)는 하측으로 구비된 힌지축(549)에 의해 실린지 홀더 바디(541)에결합된다. 실린지 홀더 바디(541)로부터 이격된 오픈 상태에서 실린지 홀더 커버(547) 내로 실린지(600)가 수납되어 힌지를 중심으로 회동하여 닫힌다.
실린지 홀더 커버(547)에는 내부에 장착된 실린지에 부착된 NFC 태그(610)를 외부에서 관찰할 수 있게 홀 또는 투명창 형태의 리딩 윈도우(548)가 형성된다.
실린지 홀더(540)는 히팅 소자(543), 냉각 소자(544) 및 냉각블럭(545)에 실린지 홀더에 수납된 실린지의 출력 조건에 따라 실린지의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 냉각소자 및/또는 냉각블럭(545)은 냉각부를 형성한다.
도 13은 참조하면, 본 발명에 실시예에 의하면 각 실린지(600)에는 실린지 내에 담긴 바이오 재료의 출력 조건이 기재된 NFC 태그(610)가 부착되고, 프린팅 챔버 내에는 출력 위치에 위치하는 실린지의 NFC 태그(610)를 리딩하는 NFC 리더기(750)가 제공된다. 프린팅 챔버(100) 내에 싱글 출력모듈(400)과 멀티플 실린지 출력모듈(500) 사이에 배치된 센터 모듈(700)의 측면으로 NFC 리더기(750)가 구비된다.
멀티플 실린지 출력모듈(500)에서 출력이 이루어지도록 선택된 실린지(600)가 출력 위치로 이동하면, NFC 리더기(750)는 실린지(600)에 부착된 NFC 태그(610)를 리딩하고, 실린지 홀더(540)에 구비된 히팅소자(543) 및 냉각부를 제어하여 리딩된 출력조건으로 실린지 온도를 제어한다. 이후 실린지(600)에 에어가 공급되어 조절된 출력조건에서 바이오 재료가 출력된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 프린팅 챔버(100) 내부에는 싱글 출력모듈(400)과 멀티플 실린지 출력모듈(500) 사이에 센터유닛(700)이 구비된다.
도 14 은 본 발명의 실시예 따른 센터유닛을 설명하기 위한 도면이다. 센터유닛은 초음파 레벨센서(710), UV 경화기(720), 고배율 카메라모듈(730)를 포함한다.
초음파 레벨센서(710)는 베드(200)에 구비된 출력용 플레이트(201)의 레벨링 오프셋 값을 측정하기 위해 사용된다. 초음파 레벨 센서(710)는 베드(200) 원점 위치를 기준으로 세팅되어 진다.
제어부(900)에는 출력용 플레이트의 두께 즉, 높이를 고려하여 출력 기준 높이가 설정되어 있다. 출력 기준 높이는 출력 대상물이 출려되는 바닥면의 높이로 바닥면이 높이를 기준으로 출력모듈의 노즐 Z방향 이동이 제어된다.
그러나 베드(200)에 장착되는 출력용 플레이트(201)의 바닥면 높이가 설정된 출력 기준 높이와 상이하거나 출력용 플레이트의 바닥면이 평탄하지 않고 굴곡되어 있거나 수평이 맞지 않는 경우 출력 품질의 저하가 발생할 수 있다.
초음파 레벨센서(710)는 출력용 플레이트의 바닥면을 스캔하여 출력용 플레이트의 바닥면의 실제 높이를 측정한다. 초음파 레벨센서(710)에 의해 바닥면의 실제 높이가 매핑된다.제어부(900)는 측정된 출력용 플레이트의 바닥면 실제 높이의 프로파일과, 설정된 출력 기준 높이를 대비하여 레벨링 오프셋 값을 산출하고, 산출된 오프셋 값을 설정된 출력 기준 높이를 보정한다. 보정된 출력 기준 높이를 대상으로 출력이 이루어 질 수 있다.
초음파 레벨 센서(710)는 베드(200) 원점 위치를 기준으로 세팅되어 진다.
UV 경화기(720)는 Bio 소재 및 기타 광경화 소재 출력 시 해당 Layer에서 UV 경화(curing)가 필요한 UV 경화가 이루어질 수 있도록 한다. UV 경화기에 의해 층(layer) 마다 UV 경화를 수행할 수 있게 된다.
고배율 카메라 모듈(730)은 프린터 챔버(100)를 개방하지 않은 상태에서도 출력용 플레이트(201)에 출력된 생체 조직 등의 출력물 및 그 성장을 외부에 모니터링 할 수 있게 하는 현미경 기능을 한다. 고배율 카메라 모듈(730)은 외부에 설치된 모니터링 시스템과 연결되어 모니터, 또는 앱 등을 통해 외부 및 원격지에서 현미경 관찰을 가능하게 한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 15 에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터의 제어방법은, 노즐 엔드 정렬 단계(S100)와, 출력용 플레이트 설치 단계(S200); 멸균 단계(S300); 출력 기준 높이 보정 단계(S400); 출력 단계(S500); CO2 인큐베이팅 단계(S600)를 포함한다.
노즐 엔드 정렬 단계는, 출력 준비 작업이 수행된 후 진행된다.
출력 준비 작업은 통상의 바이오 3차원 프린터에서 이루어지는 사전 작업을 포함한다. 3차원 프린터의 출력을 위해 출력물을 모델링하여 3D 모델링 파일을 작성하고 3D 파일을 G-code 파일로 변환한 후 3D 프린터의 제어부에 입력되어야 한다. 또한, 사용 재료 및 결과물의 출력방식이 선정되며, 작성된 노즐 진행 경로가 작성되어 G-code 파일로 작성되어 3D 프린터에 입력된다.
이후 케이스 도어 및 도어를 열고, 출력물에 맞는 싱글 출력모듈 및 실린지가 장착된다. 싱글 출력모듈로는 익스트루더 모듈, 핫멜팅 모듈이 장착될 수 있다. 또한 각 실린지 홀더에서 실린지 홀더 커버를 오픈하고 선정된 바이오 잉크(유체 상태의 바이오 재료)가 담긴 실린지를 장착한다. 각 실린지에는 출력 조건이 기록된 NFC 테그가 부착되어 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 이러한 출력 준비 작업이 수행된 후, 노즐 엔드 정렬 단계(S100)가 수행된다.
도 16 는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 엔드 정렬 단계를 설명하기 위한 도면으로, 베드(200)에 설치된 포크 센서를 보여준다. 본 발명에 의하면 포크 센서가 노즐 엔드 정렬 센서(250)로 사용된다.
노즐 엔드 정렬 단계(S100)는, (a) 상기 프린팅 챔버에서 상기 베드의 정해진 위치에 노즐 엔드 정렬 센서를 장착하여, 상기 노즐 엔드 정렬 센서의 센싱 포인트를 베드 원점 위치에 위치시키는 단계; (b) X축 방향으로 일측으로 이동시켜 상기 노즐 엔드 정렬 센서의 센싱 포인트를 상기 싱글 출력모듈의 노즐의 하부로 위치시키는 단계; (c) 상기 싱글 출력모듈을 하강하여 상기 싱글 출력모듈의 상기 노즐 엔드의 Z값을 측정하는 단계; (d) 상기 싱글 출력모듈을 원 위치시키고, X축 방향 타측으로 이동하여 상기 멀리플 실린지 출력모듈의 출력 위치에 있는 실린지의 하부로 상기 노즐 엔드 정렬 센서의 센싱 포인트를 위치시키는 단계; (e) 상기 멀티플 실린지 출력모듈을 하강하여 상기 멀티플 실린지 출력모듈의 출력 위치에 있는 실린지의 노즐 엔드의 Z값을 측정하는 단계; 및 (f) 상기 멀티플 실린지 출력모듈의 원 위치시키고 상기 베드를 원 위치시키는 단계를 포함한다.
노즐 엔드 정렬 단계(S100)는, 프린팅 챔버(100)에서 베드(200)의 정해진 위치에 장착된 노즐 엔드 정렬 센서(250)를 이용하여 각 출력모듈의 각 노즐 엔드를 측정하는 작업을 수행한다. 싱글 출력모듈로 선택된 익스트루더 모듈 또는 핫멜팅 모듈의 노즐 엔드 및 멀티플 실린지 출력모듈에 장착된 각 실린지의 노즐 모두의 노즐 엔드를 측정하여 정렬하기 위한 작업이다.
싱글 출력모듈(400) 및 멀티플 실린지 출력모듈(500)을 세팅할 때, 각 출력모듈의 노즐은 정해진 (X,Y) 위치를 갖도록 세팅된다. 베드 원점 위치를 (0,0)로 설정하면, 싱글 출력노즐(400)의 노즐 위치는 (X1,0)로 세팅되고, 멀티플 실린지 출력모듈의 출력 위치에 있는 실린지 노즐의 위치는 (X2,0) 위치로 세팅된다.
노즐 엔드 정렬 단계(S100)는 이와 같이 싱글 출력모듈(400) 및 멀티플 실린지 출력모듈이 세팅된 상태에서 각 노즐 엔드를 측정하기 위해 수행된다.
베드(200) 상의 정해진 초기 원점 위치 즉, XY 좌표계에서 (0,0) 위치로 설정된 위치에 노즐 엔드 정렬 센서(250)의 센싱 포인트가 위치하도록 한다. 이때의 위치를 베드 원점 위치로 지칭한다.
이후, 베드(200)가 X축 방향으로 일측으로 이동하여, 싱글 출력모듈의 노즐(X1,0) 아래에 노즐 엔드 정렬 센서(250)의 센싱 포인트를 위치시킨다.
이후 싱글 출력모듈(400)을 하강시키고, 하강거리로부터 환산하여 싱글 출력모듈(400)의 노즐 엔드의 Z값을 측정한다. 싱글 출력모듈(400)의 노즐 엔드의 Z값을 Z1값으로 지칭하면, 측정된 싱글 출력모듈(400)의 노즐 엔드의 Z값, 즉, Z1값을 제어부에 입력한다. 입력된 Z1값을 기준으로 싱글 출력모듈(400)의 Z축 이동이 제어된다.
이후 제1 출력모듈(400)을 원 위치시키고, 베드(200)를 X축 방향 타측으로 이동하여 베드 원점 위치로 리턴한다. 베드 원점 위치에서 베드를 X축 방향 타측으로 더 이동하여, 멀티플 실린지 출력모듈(500)에서 출력 위치에 있는 1번 실린지의 노즐 아래(X2,0)에 노즐 엔드 정렬 센서(250)의 센싱 포인트를 위치시킨다. 출력이 수행되기 전 상태에서 멀티플 실린지 출력모듈의 출력 위치에는 1번 실린지가 위치하도록 세팅되어 있다.
1번 실린지 홀더를 대기 높이에서 출력 시작 높이로 하강시키고 멀티플 실린지 출력모듈을 하강시켜, 하강거리로부터 환산하여 1번 실린지의 노즐 엔드의 Z값을 측정한다. 1번 실린지의 노즐 엔드의 Z값을 Z21 값으로 지칭하면, 측정된 1번 실린지의 노즐 엔드의 Z값, 즉, Z21값을 제어부에 입력한다. 입력된 Z21값을 기준으로 멀티플 실린지 출력모듈의 1번 실린지의 Z축 이동이 제어된다.
이후 1번 실린지를 상승시키고, 로터리 축을 회전시켜 2번 실린지를 출력 위치로 이동시키고, 동일한 방식으로 2번 실린지의 노즐 엔드의 Z값을 측정한다. 2번 실린지의 노즐 엔드의 Z값을 Z22 값으로 지칭하면, 측정된 2번 실린지의 노즐 엔드의 Z값, 즉, Z22값을 제어부에 입력한다. 입력된 Z22값을 기준으로 멀티플 실린지 출력모듈의 2번 실린지의 z축 이동이 제어된다.
이후 동일한 방식으로 3번 실린지의 노즐 엔드의 Z값, 4번 실린지의 노즐 엔드의 Z값, 5번 실린지의 노즐 엔드의 Z값을 측정하고, Z23 값, Z24값, Z25값을 제어부에 입력한다.
상술한 바와 같이, 처음으로 노즐 엔드의 Z값이 측정되는 실린지를 1번 실린지로 하여, 로터리 축은 시계방향 및 반시계방향 각각으로 180°회전각도의 범위 내에서 정역 회전을 반복하면서 각 실린지 홀더를 출력 위치로 이동시켜 각 실린지의 노즐 엔드의 Z값이 측정된다.
각 실린지의 노즐 엔드의 Z값이 측정된 후 1번 실린지가 출력위치로 복귀하고, 베드(200)가 베드 원점 위치로 복귀한다. 이후 노즐 엔드 정렬 센서(250)가 제거된다.
이후, 출력용 플레이트 설치 단계(S200)로서, 배드(200) 상에 출력용 플레이트(201)를 설치한다. .
베드(200)의 설정된 위치에 출력용 플레이트(201)를 고정하고, 케이스 도어(12) 및 챔버 도어(112)를 닫고 프린팅 챔버(100)의 내부를 외부로부터 격리시킨다.
이후, 멸균 단계(S300)가 수행된다. 멸균용 가스 도입부(162)를 통해 프린팅 챔버(100) 내부로 H2O2 가스가 도입되어 멸균을 실시하고, 플라즈마 H2O2 멸균 후 H2O2 가스를 외부로 배출하는 환기를 수행한다.
이후, 출력 기준 높이 보정 단계(S400)가 수행된다.
프린팅 챔버 내의 센터 유닛(700)에 설치된 초음파 레벨 센서(710)는 출력용 플레이트(201)의 바닥면을 스캔하여 출력용 플레이트(201)의 바닥면의 실제 높이를 측정하는 단계가 수행된다. 그리고 제어부(900)는 측정된 출력용 플레이트(201)의 바닥면 실제 높이의 프로파일과 설정된 출력 기준 높이를 대비하여 레벨링 오프셋 값을 산출하는 단계를 수행한다. 이후, 산출된 오프셋 값을 적용하여 설정된 출력 기준 높이를 보정하는 단계가 수행된다. 이러한 출력 기준 높이 보정 단계가 수행됨으로써, 보정된 출력 기준 높이에 의해 출력이 수행되어 질 수 있다.
이후, 싱글 출력모듈 및 멀티플 실린지 출력모듈에 의해 출력이 이루어지는 출력단계(S500)가 수행된다.
베드(200)가 싱글 출력모듈(400) 하부로 이동하고, 출력용 플레이트(201) 상에서 싱글 출력모듈의 노즐이 설정된 경로로 이동하면서 스캐폴드, 약제 구조물, 틀 구조물 등 구조물을 출력한다.
이후, 베드(200)가 멀티플 실린지 출력모듈(500) 하부로 이동하고, 출력용 플레이트(201) 상에서 멀티플 실린지 출력모듈(500)의 선택된 실린지가 출력 위치로 이동한다. 멀티플 실린지 출력모듈(500)에서 선택된 번호의 실린지가 출력 위치로 이동하면, NFC 리더기(750)가 실린지의 NFC 태그(610)를 리딩한다. 리딩된 출력 조건에 따라 제어부(900)는 실린지 홀더(540)에 구비된 히팅 소자 및 냉각부를 구동하여 설정된 출력 온도 조건을 조절한다. 이후 실린지(600)의 NFC 태그(610)에 기록된 출력 속도, 공기압 등의 출력 조건에 맞추어 출력이 이루어진다. 출력 위치에서 각 실린지는 대기 높에서 출력 시작 높이로 하강한 상태에서 출력이 이루어지며, 실린지 내의 바이오 잉크 출력은 에어관을 통해 공급된 공기압에 의한 에어 디스펜싱 방식으로 이루어진다.
출력단계의 수행 중에 출력된 특정 층의 경화(curing)기 필요한 경우, 해당 층의 출력 후에 베드(200)는 베드 원점 위치로 이동하고, UV 경화기(720)에서 제공되는 UV 광선에 출력물을 노출시켜 경화되도록 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 출력 종료 후에 논 스톱(Non-Stop)으로 CO2 인큐베이팅이 수행될 수 있다.
CO2 인큐베이팅 단계(S600)는 인규베이팅 가스 도입구를 통해 도입되는 CO2에 의해 프린팅 챔버 내부의 이산화탄소 농도를 조절하고, 온도 조절부 및 습도 조절부를 통해 온도 및 습도를 조절하여 수행된다.
출력 단계(S500) 및 CO2 인큐베이팅 단계(S600)의 수행 중에 필요시에 센터모듈(700)에 설치된 고배율 카메라(730)를 이용하여 세포 형성 관찰 등이 수행될 수 있으며, 동영상을 촬영하고 기록하는 것이 가능하다.
이후, 최종적으로 완료로 판단될 시, 장치 동작을 정지하고, 케이스 도어 및 챔버 도어를 열고 출력물을 회수한다.

Claims (11)

  1. 케이스;
    상기 케이스 내부에 제공되고, 내부가 외부로부터 격리가능하게 벽면들에 의해 둘러싸여 형성되며, 챔버 도어를 구비한 프린팅 챔버;
    멀티플 실린지 출력모듈로서,
    상기 프린팅 챔버의 상면 개구에 고정된 상하단이 개방된 중공의 원통부와,
    상기 원통부 내부에 설치되어, 상기 원통부를 서로 격리된 상부 구역과 하부 구역으로 분리하는 패킹 판과,
    상기 패킹 판에 일단이 고정되고 상부로 연장되는 로터리 축과,
    상기 패킹 판의 하측에 원주 방향으로 배치되고, 각각에 실린지가 장착되는 복수의 실린지 홀더와,
    상기 실린지 홀더를 상기 패킹 판 하부에 지지하는 실린지 홀더 지지부와,
    상기 로터리 축을 회전시켜 상기 복수의 실린지 홀더 중 선택된 하나의 실린지 홀더를 출력 위치로 회전시키는 로터리 축 구동부;를 포함하는 멀티플 실린지 출력모듈; 및
    상기 프린팅 챔버의 외부로 배치되고 상기 멀티플 실린지 출력 모둘과 연결되어 상기 멀티플 실린지 출력 모듈을 승강 제어하는 수직 이동 유닛을 구비한 승강유닛을 포함하는 바이오 3차원 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터리 축을 회전가능하게 지지하는 로터리 축 지지부를 포함하고,
    상기 로터리 축 구동부는, 상기 로터리 축 지지부에 일단이 고정되고 타단이 상기 수직 이송 유닛에 고정되는 지지대와, 상기 로터리 축을 회전 구동시키는 엔코더 모터와, 상기 지지대에는 장착되는 포텐셔 미터를 포함하고, 상기 로터리 축의 단부, 상기 포테션 미터의 단부, 및 상기 엔코더 모터의 단부에는 각각 풀리가 형성되고, 상기 로터리 축 단부 풀리와 상기 포테션 미터 단부 풀리 사이, 상기 포테션 미터 단부와 상기 엔코터 모더 단부 풀리 사이에는 각각 타이밍 벨트가 설치되는 것을 특징으로 바이오 3차원 프린터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원통부는 강성 소재로 형성되고,
    상기 패킹 판은 외주면이 상기 원통부의 내주면에 접하여 회전 및 승강 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린지 홀더 지지부는,
    하단이 상기 실린지 홀더에 고정되고 상기 패킹 판을 관통하여 상부로 연장되는 실린지 홀더 이동축;
    상기 패킹 판의 상면 고정되고, 상기 실린지 이동축이 관통하여 지나는 고정 가이드;
    상기 실린지 홀더 이동축의 상부에 고정되어 상기 실린지 홀더 이동축과 함께 승강하는 이동 가이드;
    상기 이동 가이드를 하강시키는 외력이 부가되지 않을 때 상기 이동 가이드를 상방으로 이동시키는 스프링; 및
    상기 로터리 축이 회전하여 출력이 선택된 상기 실린지 홀더가 설정된 출력 위치로 진입하면, 상기 이동 가이드를 눌러 상기 실린지 홀더 이동축을 대기 높이에서 출력 시작 높이로 이동시키는 실린지 홀더 승강 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실린지 홀더 승강 구동부는, 상기 로터리 축 지지부에 고정된 브라켓에 고정되는 캠 구동 모터; 및 상기 캠 구동 모터에 의해 구동하여 출력 위치에 위치한 상기 실린지 홀더의 상기 이동 가이드를 하강시키는 캠을 포함하고,
    선택된 상기 실린지 홀더가 출력 위치로 진입하는 것을 감지하는 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  6. 제5항에 이어서,
    상기 감지부는 상기 이동 가이드 각각에 부착된 자석; 및
    상기 로터리 축 지지부에 고정된 브라켓에 설치되며, 출력 위치로 진입하는 상기 실린지 홀더의 상기 이동 가이드에 부착된 자석을 감지하는 MR센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각 실린지 홀더에 장착된 각 실린지에는 온도 조건을 포함한 출력 조건이 기록된 태그가 부착되고,
    상기 프린팅 챔버 내부에는 상기 태그를 비 접촉식으로 리딩하는 리더기가 제공되는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실린지 홀더는,
    실린지가 장착되는 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈에 히팅 소자가 배치되며, 외측면에 냉각 블럭이 구비된 실린지 홀더 바디; 및
    상기 실린지 홀더 바디에 힌지식으로 개폐가능하게 설치되는 실린지 홀더 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실린지 홀더 바디는 상기 히팅소자에 대향하여 냉각을 위한 펠티어 소자가 설치되고, 상기 냉각 블럭은 상기 펠티어 소자에 결합되고 상기 패킹 판을 관통하여 제공된 냉각수관이 지나는 관통홀이 형성되어 있으며,
    상기 실린지 홀더 커버에는 내부에 장착된 실린지에 부착된 태그를 외부에서 리딩할 수 있도록 태그 부착 위치에 대응하여 리딩 윈도우가 형성된 것을 특징으로 바이오 3차원 프린터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 태그는 NFC 태그를 포함하며,
    상기 리더기는 NFC 리더기를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 실린지 홀더는 N개(N은 3이상의 자연수)가 설치되되,
    상기 로터리 축의 세팅 상태에서 출력 위치에 위치하는 실린지 홀더를 1번 실린지 홀더로 하고, 상기 로터리 축은 1번 실린지 홀더 위치를 0°로 하여 시계방향 및 반시계방향으로 180°이하의 회전각으로 정역 회전 제어되는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터.
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