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KR102737953B1 - 국부 가열 방식의 3d 프린터 헤드 - Google Patents

국부 가열 방식의 3d 프린터 헤드 Download PDF

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KR102737953B1
KR102737953B1 KR1020220150062A KR20220150062A KR102737953B1 KR 102737953 B1 KR102737953 B1 KR 102737953B1 KR 1020220150062 A KR1020220150062 A KR 1020220150062A KR 20220150062 A KR20220150062 A KR 20220150062A KR 102737953 B1 KR102737953 B1 KR 102737953B1
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heating unit
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주식회사 티앤알바이오팹
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Abstract

본 발명은 프린팅 조성물이 토출되는 노즐부 주변을 국부적으로 가열하게 되어 재료 변형을 최소화하고 변성을 방지하거나 지연할 수 있는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드에 관한 것으로, 판 형태의 헤드 프레임과, 상기 헤드 프레임의 정면에 구비되어 프린팅 조성물이 수용되고 하부의 노즐부를 통해 프린팅 조성물이 토출되는 시린지와, 상기 시린지에 연결되고 노즐부를 통해 프린팅 조성물을 토출시킬 수 있도록 하는 압력 공급부와, 상기 시린지의 하단부 외주면에 구비되어 노즐부 주변을 국부적으로 가열시키는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드{3D PRINTER HEAD WITH LOCAL HEATING METHOD}
본 발명은 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프린팅 조성물이 토출되는 노즐부 주변을 국부적으로 가열하게 되어 재료 변형을 최소화하고 변성을 방지하거나 지연할 수 있는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술이란, 3D 프린터를 통해 프린팅용 재료 조성물을 미리 결정된 패턴으로 적층하여 3차원 구조물을 제조하는 기술을 통칭하며. 특히, 생체적합성이 있는 프린팅 조성물을 사용하여 생체 조직을 3차원 인쇄하는 기술을 3D 바이오 프린팅이라고 정의하고 있다.
이러한 3D 바이오 프린팅 시스템을 사용하여 오가노이드(organoid), 장기 유사칩(organ-on-a-chip), 동물 실험대체를 위한 조직 및 장기 유사체 등과 같이 질병의 치유에 도움을 줄 수 있는 여러 연구들이 활발히 이루어지고 있다.
3D 바이오 프린팅에 사용되는 프린팅 조성물로는, 하이드로겔(hydrogel), 열가소성 고분자 등을 기반으로 하며, 세포 혹은 성장인자(growth factor) 등이 포함될 수 있다.
이러한 3D 바이오 프린팅 시스템을 통해 오가노이드(organoid), 장기 유사칩(organ-on-a-chip), 동물 실험대체를 위한 조직 및 장기 유사체 등의 3차원 구조물을 제조할 때, 많은 경우 하이드로겔과 같은 생체적합성이 있는 프린팅 조성물과 열가소성 고분자 조성물을 함께 토출하거나 인쇄할 수 있는 다중 헤드를 사용하게 된다.
하이드로겔(hydrgel), 열가소성 고분자 등을 기반으로 하는 프린팅 조성물을 사용하여 3D 프린팅을 하기 위해서는, 상기 프린팅 조성물이 3D 프린터 헤드 내에서 토출될 수 있도록 흐름성이 있는 액체 상태(liquid phase)로 유지되어야 한다.
이러한 열가소성 고분자를 포함하는 프린팅 조성물은 3D 프린터의 헤드 내에서 흐름성이 있는 액체 상태(liquid phase)인 반-고체 상태로 유지될 수 있도록, 토출 혹은 인쇄하는 3D 프린터 헤드의 내부에서 고온으로 유지되어야 하는데, 이때 외부와의 온도 차이로 인해 3D 프린터 헤드 표면 또는 헤드 주변부에서 외부의 공기 중에 포함된 수분이 응축되어 결로가 발생하게 된다.
또한, 3D 프린팅 기술을 이용하여 열가소성 합성 고분자 재료를 프린팅 시, 재료가 담긴 시린지(Syringe)를 충분히 가열하여 용융시킨 후 프린팅을 진행하게 된다. 이때, 장시간 재료를 가열할 경우 높고 지속적인 열에너지로 인해 합성 고분자 재료의 분자 간 결합이 끊어지게 되고, 이로 인해 재료의 물성 변화(점도 변화, 분자량 감소 등)가 발생하게 된다. 이러한 물성 변화는 재료 토출량 차이로 인한 불량품이 발생되고 재료 토출이 원활하게 이루어지지 못하는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1795559호 대한민국 등록특허공보 제10-1975200호
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 그 목적은 시린지 전체를 가열하지 않고 재료의 토출부 주변을 국부적으로 가열함으로써 재료가 짧은 시간 열에 노출되어 재료의 변형을 막을 수 있는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드는 판 형태의 헤드 프레임과, 상기 헤드 프레임에 구비되어 프린팅 조성물이 수용되고 하부의 노즐부를 통해 프린팅 조성물이 토출되는 시린지와, 상기 시린지의 하단부 외주면에 구비되어 노즐부 주변을 국부적으로 가열시키는 가열부를 포함할 수 있다.
상기 가열부의 상단에는 최소 가열 영역을 확보하기 위해 시린지 하부와 가열부를 덮게 되는 가열부 조절 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 가열부 조절 플레이트의 상부는 가열부와 시린지 외주면을 감싸게 된다.
상기 가열부의 하단에는 최소 가열 영역을 확보하기 위해 노즐부의 외주면을 감싸게 설치되는 가열부 조절 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 가열부 조절 플레이트의 두께는 가열부 보다 작거나 같게 형성될 수 있다.
상기 헤드 프레임의 상부 정면에는 시린지를 고정시킬 수 있도록 하는 시린지 고정부가 구비될 수 있다.
상기 시린지의 중단에는 시린지가 과열되지 않도록 높은 열을 방출시키는 방열부가 구비될 수 있다.
상기 프린팅 조성물에는 열가소성 고분자가 사용될 수 있다.
상기 가열부는 시린지 하단부 외주면에 구비되는 히팅블록과, 히팅블록 내부에 구비되어 열을 전달하여 가열시키기 위한 복수개의 카트리지 히터를 포함할 수 있다.
상기 카트리지 히터는 시린지를 중심으로 양쪽으로 동일한 지점에 위치할 수 있다.
상기 가열부의 측부에 설치되어 시린지의 온도를 측정할 수 있는 온도측정부를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드에 의하면, 프린팅 조성물이 수용되는 시린지의 하단부에 가열부를 구비함으로써 프린팅 조성물이 토출되는 노즐부 주변을 국부적으로 가열시켜 재료가 변형되지 않고 원상태를 유지할 수 있어 프린팅되는 제품의 품질을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드의 내부 구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 절단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 명세서에서 '및/또는'이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, '연결되는/결합되는'이란 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 '포함한다' 또는 '포함하는'으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.
실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 측(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 분해사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드의 내부 구성을 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 정면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드를 도시한 절단면도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드(1)는 3D 프린터의 구동 장치 및 제어 장치에 의해서 이동되면서 프린팅 조성물을 토출할 수 있다. 상기 멀티 3D 프린터 헤드(10)는 헤드 프레임(100)과, 프린팅 조성물(211)을 토출하는 시린지(200)와, 프링팅 조성물(211)을 토출시킬 수 있도록 하는 압력 공급부(300)와, 시린지(200)를 가열시키는 가열부(400)와, 온도측정부(500)를 포함할 수 있다.
상기 헤드 프레임(100)은 판 형태로 형성될 수 있다. 상기 헤드 프레임(100)의 상부 정면에는 시린지(200)를 고정시킬 수 있도록 하는 시린지 고정부(600)가 구비될 수 있다. 이때, 상기 시린지 고정부(600)의 중앙에는 시린지(200)가 끼워지는 끼움홈(610)이 형성될 수 있다.
상기 시린지(200)는 헤드 프레임(100)에 시린지 고정부(600)로 고정되며, 프린팅 조성물(211)이 수용되는 수용부(210)와, 상기 수용부(210)에 수용된 프린팅 조성물(211)이 토출되는 노즐부(220)로 이루어질 수 있다.
상기 프린팅 조성물(211)은, 열가소성 고분자로 이루어질 수 있으며, 상기 열가소성 고분자는 특별히 제한되지 않으나 가열을 통해 유체와 같은 흐름성을 가질 수 있는 고분자로, 예를 들어, 락티드(lactide), 카프로락톤(caprolactone), 글리코라이드(glycolide), 디옥사논(dioxanone), 프로필렌(Propylene), 에틸렌(Ethylene), 염화비닐(vinylchloride), 부타디엔(butadiene), 메틸메타아크릴레이트(methly methacrylate), 아크릴산, 2-히드록시에틸메타크릴에이트(2-hydroxyethlymethacrylate), 카보네이트(carbonate) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephalate), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PCL(polycaprolactone), ASA(Acrylonitrile-Stryrene-Acrylate), SAN(Stryrene-Acrylonitrile copolymer), PS(Polystyrene), PPSF/PPSU(Polyphenylsulfone),Polyetherimide, PLA(Polylactic acid), PDL(Poly-d-lysine) 등의 3D 프린팅이 가능한 재료로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 시린지(200)의 하단부 이외의 임의 곳에는 시린지(200)가 과열되지 않도록 높은 열을 방출시키는 방열부(230)가 구비될 수 있다.
상기 압력 공급부(300)는 시린지(200)의 상부에 연결되고 노즐부(220)를 통해 프린팅 조성물(211)을 토출시킬 수 있도록 시린지(200) 내부로 압력을 공급할 수 있다.
상기 가열부(400)는 시린지(200)의 하단부 외주면에 구비되어 노즐부(220) 주변을 국부적으로 가열시킬 수 있다. 또한, 상기 가열부(400)는 시린지(200)의 하단부 외주면에 구비되는 히팅블록(410)이 구비되며, 상기 히팅블록(410)에 열을 전달하여 가열시키기 위한 카트리지 히터(420)가 구비될 수 있다.
상기 히팅블록(410)은 시린지(200)의 하단부를 감싸면서 구비되며, 노즐부(220)로 토출되는 프린팅 조성물(211)을 가열시켜 프린팅 조성물(211)이 토출되는 노즐부(220)의 주변을 국부적으로 가열시키게 된다. 이때, 히팅블록(410)은 열전도도가 우수한 알루미늄 소재로 이루어짐이 바람직하다.
상기 카트리지 히터(420)는 히팅블록(410) 내부에 복수개로 구비될 수 있다. 상기 카트리지 히터(420)의 위치는 시린지(200)를 중심으로 양쪽으로 동일한 지점에 위치함이 바람직하다. 이때, 카트리지 히터(420)는 시린지(200)와 히팅블록(410)의 온도를 제어하기 위한 외부 온도 조절 컨트롤러(도시하지 않음)와 연결될 수 있다.
상기 온도측정부(500)는 가열부(400)의 측부에 구비되어 시린지(200) 또는 히팅블록(410)의 온도를 측정할 수 있다. 이때 상기 온도측정부(500)는 온도 센서로 이루어지고 시린지(200)와 히팅블록(410)의 온도를 제어하기 위한 외부 온도 조절 컨트롤러(도시하지 않음)와 연결될 수 있다.
상기 가열부 조절 플레이트(700)는 가열부(400)의 상단에 탈부착 가능하게 구비되며, 최소 가열 영역을 확보하기 위해 시린지(200) 하부와 가열부(400)를 덮게 된다. 상기 가열부 조절 플레이트(700)는 가열부(400)의 가열 영역에 따라 크기가 조절될 수 있다.
또한, 가열부 조절 플레이트(700)는 추가적으로 가열부(400)의 하단에 탈부착 가능하게 구비될 수 있다. 가열부(400)의 하단에 부착된 가열부 조절 플레이트(700)는 노즐부(220)의 외주면을 감싸게 설치된다. 즉, 상기 가열부(400)의 상단 또는 하단에 가열부 조절 플레이트(700)를 구비함으로써 시린지(200)에 수용되는 프린팅 조성물(211)이 고형화되지 않고 원활하게 토출될 수 있도록 시린지(200)와 노즐부(220)를 감싸고 가열시킬 수 있다.
한편, 상기 가열부 조절 플레이트(700)의 두께는 가열부(400) 보다 같거나 작게 형성될 수 있다.
상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드에 따른 작용상태를 살펴보면 아래와 같다.
상기 시린지(200)의 수용부(210)에 수용된 프린팅 조성물(211)은 소정의 3차원 생체 구조체를 성형하기 위해 시린지(200) 하단부의 노즐부(220)를 통해서 토출될 수 있다. 이때, 상기 노즐부(220)로 프린팅 조성물(211)이 토출될 때 상기 노즐부(220) 주변에 가열부(400)가 구비되어 히팅블록(410)과 카트리지 히터(420)에서 발생되는 열에 의해 노즐부(220) 주변이 국부적으로 가열될 수 있다.
이와 같이, 상기 가열부(400)가 시린지(200) 하단부의 노즐부(220)에 구비됨으로써 노즐부(220) 주변을 가열시켜 국부적 가열로 프린팅 조성물(211)이 변형되지 않고 원상태를 유지하게 되어 3차원 생체 구조체를 원활하게 성형할 수 있다.
그리고, 상기 가열부(400)에 의해 노즐부(220) 주변이 가열되고 압력 공급부(300)의 작동에 의해 노즐부(220)를 통해 프린팅 조성물(211)이 토출될 수 있다. 또한, 상기 온도측정부(500)를 통해 시린지(200) 및 히팅블록(410)의 온도를 실시간으로 측정하여 가열부(400)의 가열 온도를 적정하게 유지시켜 프린팅 조성물(211)의 토출이 원활하게 이루어질 수 있다.
이와 함께, 상기 가열부(400)의 외부를 감싸면서 가열부 조절 플레이트(700)가 탈부착 가능하게 구비됨으로써 가열부(400)에서 발생된 열이 외부로 빠져나가지 않고 시린지(200) 및 노즐부(220)에 최대한 전달되어 프린팅 조성물(211)이 고형화되지 않고 원활하게 토출될 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10 : 3D 프린터 헤드 100 : 헤드 프레임
200 : 시린지 210 : 수용부
211 : 프린팅 조성물 220 : 노즐부
230 : 방열부 300 : 압력공급부
400 : 가열부 410 : 히팅블록
420 : 카트리지 히터 500 : 온도측정부
600 : 시린지 고정부 610 : 끼움홈
700 : 가열부 조절 플레이트

Claims (11)

  1. 헤드 프레임;
    상기 헤드 프레임에 구비되어 프린팅 조성물이 수용되고 하부의 노즐부를 통해 프린팅 조성물이 토출되는 시린지; 및
    상기 시린지의 하단부 외주면에 구비되어 노즐부 주변을 국부적으로 가열시키는 가열부;를 포함하며,
    상기 가열부의 상단에 최소 가열 영역을 확보하기 위해 상기 가열부의 상단과 접촉하면서 상기 시린지 하부 외주면을 덮도록 구비되며, 상기 가열부의 하단에 최소 가열 영역을 확보하기 위해 상기 가열부의 하단과 접촉하면서 상기 노즐부의 외주면을 덮도록 구비되는 한 쌍의 가열부 조절 플레이트;를 더 포함하고,
    상기 가열부 조절 플레이트는 탈부착 가능하며 복수의 플레이트가 적층되어 가열 영역에 따라 상기 시린지 하부와 노즐부의 외주면을 덮는 영역의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는, 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부 조절 플레이트의 두께는 가열부 보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드 프레임의 상부 정면에는 시린지를 고정시킬 수 있도록 하는 시린지 고정부가 구비되는 것을 특징으로 하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시린지의 중단에는 시린지가 과열되지 않도록 높은 열을 방출시키는 방열부가 구비되는 것을 특징으로 하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린팅 조성물에는 열가소성 고분자가 사용되는 것을 특징으로 하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는, 시린지 하단부 외주면에 구비되는 히팅블록; 및 히팅블록 내부에 구비되어 열을 전달하여 시린지를 가열시키기 위한 복수개의 카트리지 히터;를 포함하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 카트리지 히터는 시린지를 중심으로 양쪽으로 동일한 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부의 측부에 설치되어 시린지의 온도를 측정할 수 있는 온도측정부;를 더 포함하는 국부 가열 방식의 3D 프린터 헤드.
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