KR20160120031A

KR20160120031A - 다종물질 혼합 용융압출기 및 이를 채택하는 3d 프린터

Info

Publication number: KR20160120031A
Application number: KR1020150048994A
Authority: KR
Inventors: 홍국선
Original assignee: 홍국선
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-10-17

Abstract

본 발명은 다종물질 혼합 용융압출기 및 이를 채택하는 3D 프린터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 종류의 고점도 소재를 용융시키고 이를 모터구동력으로 혼합하여 노즐을 통해서 토출시키는 혼합용융압출기이고, 특히 상기 다종물질 혼합 용융압출기를 통해 고상의 생분해성 고분자 원료를 용융하여 액상으로 만든 후 모터를 이용하여 압출로 밀어내어 3차원 격자형 지지체를 성형하는 세포배양용 지지체 성형을 위한 3D 프린터에 관한 것이다.

Description

다종물질 혼합 용융압출기 및 이를 채택하는 3D 프린터{Multiple materials mixing melt extruder and 3D printer using it}

최근들어 3차원 도면을 바탕으로 실물의 입체 모양 그대로 찍어내는 3D 프린터의 활용이 그 적용범위를 넓혀가면 다양한 업종에서 활용되고 있다.

그 중에서 근래에 들어서는 세포나 조직을 인비트로(생체 밖)에서 배양하여 다시 생체에 적용함으로써 치료를 실시하는 조직공학이나 재생의료에 적용되는 3D 프린터가 주목받고 있다.

특히, 조직공학이나 재생의료 분야에서 세포배양 지지체에 3D 프린터가 적용되는데, 이러한 조직 재생용 지지체는 종래 일정한 강도와 형태를 갖는 고분자를 이용한 스펀지 타입, 매트릭스 형태의 나노섬유 또는 젤 타입의 세포 배양 지지체로 제조되며, 이러한 세포 배양 지지체는 특정 깊이 또는 높이를 갖는 3차원 형상의 조직을 만들기 위해 중요한 역할을 하기 때문이다.

이러한 조직 재생에 이용되는 지지체는 피부나 인공 장기에 이식되어 세포 증식의 구조체가 되는 것으로서, 이를 제조하는 방법의 대표적인 예로 융착조형법(FDM : Fused Deposition Modelling)이 많이 사용되고 있다. FDM방식은 가는 노즐로 필라멘트를 압출하여 가는 선 모양으로 면상에 주사시킴으로써 적층 조형하는 방식이다.

따라서 일반적으로는 가는 노즐을 이용하여 필라멘트를 압출하여 면상에 주사시킴으로써 적층 조형을 하여 3차원 지지체를 만든 후에 배양시킬 세포를 별도의 주사장치를 이용하여 지지체의 내부에 안착시키는 방식을 채택하고 있다.

그러나, 이와 같이 적층 조형만을 이용하여 세포 배양용 지지체를 성형하는 [0009] 경우에는 성형된 지지체의 공극에 의하여 주입된 세포가 유출될 가능성이 높았고 세포의 생장 속도가 저하되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자는 상기와 같은 문제를 해결하고자 많은 투자와 연구를 계속한 끝에 3D 프린터가 적용된 지지체 성형장치의 구조를 획기적으로 개선한 특허등록 10-1215843호, 특허등록 10-126378호, 특허등록 10-1407570호를 통해 실용화시켰다.

그러나 상기 제품은 디스펜서를 통해 하나의 소재를 토출하는 방식이므로 고점도의 다종재료로 구성되는 인공뼈 및 치아 등을 배양하는 데에는 한계가 있었다.

이에, 본 출원인 특허등록 받은 특허등록 10-1471078호를 통해 성형액과 세포배양약을 함께 공급하여 지지체의 성형과 동시에 세포를 부착하여 인공뼈 및 치아 등의 세포를 배양할 수 있도록 한 세포배양액과 세포지지체 성형액이 함께 배출되는 세포지지체 성형장치를 실용화시켰으나, 이는 성형액 공급부와 세포 배양액 공급부가 서로 혼합되지 않은 상태에서 각각의 배출통로를 통해 배출된 후 성형액(L)이 성형테이블(300) 상에서 경화되어 입체적인 형상을 형성할 때, 그 외부를 감싸도록 세포배양액(A)이 배출되어 지지체(M)의 표면에 부착되므로 성형액과 세포 배양액의 분사 타이밍 및 분사량을 맞추기가 매우 어렵다.

특히, 성형액은 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 세라믹(Ceramic) 및 폴리카프로락톤(Polycaprolacton)과 같이 고점성을 갖는 재료를 각각 공급부(420, 450)을 통해 공급되는 공압 만으로 노즐을 통해 토출시킴으로서, 다종물질 혼합 용융압출기의 과부하의 원인이 되어 장치의 잦은 고장을 일으키는 문제가 있었다.

선행문헌 1: 대한민국 특허등록 10-1215843호 선행문헌 2: 대한민국 특허등록 10-126378호 선행문헌 3: 대한민국 특허등록 10-1407570호 선행문헌 4: 대한민국 특허등록 10-1471078호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기는 고점도의 물질을 원활히 배출시킬 수 있도록 모터를 채택 및 이에 따른 동력전달구조를 설계하고, 이에 더해 다종물질이 용융압출기 내에서 효율적으로 혼합될 수 있도록 하는 구조를 제시하는 것을 기본 과제로 한다.

또한, 상기 다종물질이 용융압출기를 세포배양용 지지체 성형을 위한 3D 프린터에 적용할 수 있도록 고상의 생분해성 고분자 원료를 용융하여 액상으로 남든 후 모터를 이용하여 압출로 밀어내어 3차원 격자형 지지체를 성형할 수 있도록 하는 것을 또 다른 과제로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압출부재(A)와 압출부재에 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 유체공급부재(B)를 포함하는 다종물질 혼합 용융압출기에 있어서, 상기 압출부재(A)는 감속모터(11)를 포함하는 헤드본체부(10), 상기 헤드본체부 내부에 위치하며 유체공급부재(B)로부터 헤드본체부 내에 이송된 유체를 혼합 및 이송시키는 믹싱이송부(20), 상기 헤드본체부 저부에 형성되어 믹싱이송부에 의해 헤드본체부로 부터 이송받은 유체를 가열하는 히팅부(30), 상기 히팅부 저부에 연결되어 히팅부에 의해 용융된 유체가 토출되는 노즐부(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 믹싱이송부(20)는 상기 감속모터에 연결된 동력축(21), 동력축에 연결된 유니버셜조인트(22), 유니버셜조인트에 연결된 스크류회전축(23-1), 및 스크류회전축에 연결된 스크류(23-2)로 구성된 믹싱스크류(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤드본체부(10)는 상기 감속모터에 연결된 모터브라켓(12), 상기 모터브라켓에 연결된 하우징(13), 상기 하우징 저부에 연결된 유체공급통로(14)를 더 포함하되, 상기 유체공급통로는 상기 유체공급부재(B)와 연결되고, 상기 스크류(23-2)는 유체공급통로가 연결된 하우징 부분에서부터 히팅부(30) 내부까지 연장되어 유체공급부재(B)로부터 이송된 유체를 혼합 및 이송하는 믹싱존(P)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히팅부(30)는 헤드본체부 저부에 형성되어 믹싱이송부에 의해 헤드본체부로부터 이송받은 유체를 가열하는 열선이 내장된 중공히터(31), 상기 중공히터 내부에 위치하고 상기 믹싱스크류의 스크류(23-2)와 결합되는 스크류너트(32)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 믹싱이송부는 상기 동력축에 형성된 로크너트(24) 및 베어링(25), 상기 베어링에 면접하며 베어링의 외륜에 대응하는 외경을 갖는 외부중공칼라(26), 상기 외부중공칼라와 면접하며 외부중공칼라의 외경에 대응하는 외경을 갖는 중공씰(27), 상기 유니버셜조인트 및 스크류회전축(23-1)이 내부에 위치하며 외경에 중공씰이 설치된 내부중공칼라(28)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유체공급부재(B)는 상부로 고상 원료가 투입되는 실린지(60), 상기 실린지의 상부에 장착되며 공기압력이 투입되는 압력주입부(70), 상기 실린지를 가열하는 가열부(50)를 포함하되, 상기 실린지(60)는 원통형상의 실린지 본체(61), 상기 본체 상부에 형성된 원형플랜지(62), 상기 본체 저부에 본체와 연통하는 하도록 형성되어 헤드본체부(10)에 연결되는 유체분출관(63)을 포함하고, 상기 압력주입부(70)는 공기가 주입되는 공압주입구(71), 상기 공압주입구와 실린지를 연결하기 위하여 장착부(72-1)와, 상기 장착부에 형성된 끼움홈(72-2)과, 상기 공기주입구(71)와 연통되는 연결통공(72-3)으로 구성된 연결캡(72)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)를 채택한 3D 프린터로서, 상기 3D 프린터는 수평부(110)와 수직부(120)를 포함하는 장치 본체(100), 상기 장치 본체의 수평부에 부설되며, 세포 배양용 지지체가 성형되는 작업대(200); 상기 작업대를 다종물질 혼합 용융압출기(300)에 대하여 혹은, 상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)를 상기 작업대(200)에 대하여 이동시키는 이송수단(400, 500, 600);을 포함하되, 상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)는 상기 장치 본체의 수직부에 부설되어, 상기 작업대(200)의 상부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용융압출기(300)는 상기 압출부재(A)에 지지대(310)가 형성되고, 상기 지지대에 연결되어 상기 용융압출기(300)의 높이를 미세 조정하는 높이조절수단으로서의 마이크로미터(320) 및 상기 마이크로미터(217)와 상기 수직부를 연결하는 연결 플레이트(330)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용융압출기(300)의 유체공급부재(B)는 3개로 구성되고, 각각의 유체공급부재(B)에는 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 세포 및 이에 제공되는 메디아(양분)이 각각 들어있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기는 압출을 위해 모터를 채택하고 감속모터 채택에 따라 유니버셜조인트 등의 동력전달구조를 효율적으로 설계함으로써, 고점도의 재료를 효율적으로 토출시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 다종물질이 용융압출기 내에서 효율적으로 혼합되어 동시에 이송될 수 있도록 감속모터에 의해 회전하는 스크류를 도입함으로써, 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite)와 같이 고점성의 재료를 효율적으로 혼합 및 이송하는 효과가 있다.

또한, 고상의 생분해성 고분자 원료를 용융하여 액상으로 남든 후 모터를 이용하여 압출로 밀어내는 것이 가능해짐에 따라 세포배양용 지지체 성형을 위한 3D프린터의 내구성을 향상시켜 인공뼈, 치아, 피부속의 임플란트 등의 배양단가를 낮추는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 전체 사시도
도 2는 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 전체 분해사시도
도 3은 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기 압출부재(A) 조립도
도 4는 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기 유체공급부재(B) 분해사시도
도 5는 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 3D 프린터 부착을 위한 사시도
도 6은 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 3D 프린터 적용 사시도
도 7은 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 3D 프린터 적용 측면도
도 8은 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 3D 프린터 적용 배면도
도 9는 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기의 3D 프린터 적용 저면도

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기(300)는, 도 1을 참조하면, 압출부재(A)와 압출부재에 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 유체공급부재(B)를 포함한다.

상기 압출부재(A)는, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 감속모터(11)를 포함하는 헤드본체부(10), 헤드본체부 내부에 위치하며 헤드본체부의 유체를 혼합 및 이송시키는 믹싱이송부(20), 헤드본체부 저부에 형성되어 믹싱이송부에 의해 헤드본체부로 부터 이송받은 유체를 가열하는 히팅부(30), 히팅부 저부에 연결되어 히팅부에 의해 용융된 유체가 토출되는 노즐부(40)를 포함한다.

상기 헤드본체부(10)는 압출부재의 외피 및 유체의 통로 기능을 하는 구성으로서, 이를 위하여 상기 감속모터(11)뿐만 아니라 감속모터에 연결된 모터브라켓(12), 모터브라켓에 연결된 하우징(13), 하우징 저부에 연결된 유체공급통로(14)를 더 포함한다.

상기 모터브라켓(12)은 나사 등의 체결수단으로 감속모터에 연결되는 플랜지부(12-1)와 플랜지부에서 연장되어 믹싱이송부의 로크너트(24)와 면접하는 로크너트안착부(12-2)를 포함한다.

상기 하우징(13)은 상기 플랜지부에 나사 등의 체결수단으로 연결되어 내부에 믹싱이송부가 위치하며 저부에 유체공급통로(14)가 연결되는 믹싱존(P)이 형성된다.

여기서, 하우징의 유체공급통로(14)가 연결되는 부분과 상기 히팅부(30)는 믹싱이송부(20)의 믹싱스크류(23)가 위치하여 복수의 유체공급통로로부터 공급되는 복수의 유체를 믹싱하면서 노즐부로 이송시키는 믹싱존(P)을 형성한다.

상기 유체공급통로(14)는 유체공급부재로부터 공급되는 유체를 하우징 믹싱존에 공급하는 통로로서, “ㄴ” 구조를 갖는다.

이는 압출부재를 모듈화할 경우 압출부재를 구성하는 상기 유체공급부재는 하우징과 수평하게 위치하도록 하여 전체의 외연부피를 줄이는 것이 바람직하므로 유체공급통로를 “ㄴ” 구조로 형성하여 유체공급부재와 연결된 유로의 방향을 전환할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 믹싱이송부(20)는 헤드본체부의 공급통로로부터 이송받은 유체를 혼합 및 이송시키는 구성으로서, 상기 감속모터에 연결된 동력축(21), 동력축에 연결된 유니버셜조인트(22), 유니버셜조인트에 연결된 스크류회전축(23-1) 및 이에 연결된 스크류(23-2)로 구성된 믹싱스크류(23)를 포함한다.

여기서, 동력축(21)으로부터 취출되는 모터의 동력을 믹싱스크류(23)로 전달하기 위한 유니버셜조인트(22)는 믹싱스크류(23)의 구동 편심을 흡수하기 위하여 설치된다.

좀더 구체적으로, 복수의 유체공급부재(B)로부터 각각의 유체공급통로(14)를 통해 하우징의 믹싱존에 유입되는 유체는 각 유체별로 점성에 차이가 있고, 그 점성의 차이로 인해 믹싱존에 투입되는 유체의 투입속도 및 믹싱스크류의 회전 저항이 달라지게 되어 믹싱스크류에 발생되는 미세한 구동 편심을 유니버셜조인트(22)를 통해 흡수하는 것이다.

이로서, 복수의 유체공급부재(B)로부터 각각의 유체공급통로(14)를 통해 하우징의 믹싱존에 용융상태로 유입된 유체는 믹싱스크류의 스크류(23-2)의 회전에 의해 서로 혼합되면서 노즐부(40)로 이송된다.

또한, 믹싱이송부는 상기 동력축에 형성된 로크너트(24) 및 베어링(25), 베어링에 면접하며 베어링의 외륜에 대응하는 외경을 갖는 외부중공칼라(26), 외부중공칼라와 면접하며 외부중공칼라의 외경에 대응하는 외경을 갖는 중공씰(27), 유니버셜조인트 및 스크류회전축(23-1)이 내부에 위치하며 외경에 중공씰이 설치된 내부중공칼라(28)를 더 포함한다.

또한, 상기 로크너트(24)는 모터브라켓의 로크너트안착부(22)를 지지함으로써, 하우징이 안정되게 결합될 수 있도록 한다.

이로서, 상기 하우징의 믹싱존으로 이송된 유체가 상기 중공씰에 의해 유니버셜조인트 측으로 침투되지 않고, 상기 베어링에 의해 감속모터의 동력을 믹싱스크류에 전달할 수 있게 된다.

여기서, 상기 중공씰 사이에는 씰칼라(27-1)를 더 부가할 수 있다.

상기 히팅부(30)는 헤드본체부 저부에 형성되어 믹싱이송부에 의해 헤드본체부로부터 이송받은 유체를 가열하는 열선이 내장된 중공히터(31), 상기 중공히터 내부에 위치하고 상기 믹싱스크류의 스크류(23-2)와 결합되는 스크류너트(32)를 포함한다.

즉, 히팅부(30)는 내부가 중공으로 형성되며, 내부의 중공 영역에 열선(도면 미도시)이 매립되게 감겨있고, 상기 중공히터는 열선으로 도시되지 않은 전원부에 연결되어 있다.

유체공급부재(B)로부터 각각의 유체공급통로(14)를 통해 하우징의 믹싱존에 용융상태로 유입되는 유체는 유체공급통로(14)를 지나는 과정에서, 또한 믹싱스크류의 스크류(23-2) 회전에 의해 혼합되는 과정에서 온도가 낮아져 점성이 증가됨에 따라 노즐부를 통해 원활히 토출되지 않게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 히팅부를 통해 한번 더 가열한다.

이로서, 상기 히팅부를 통해 가열되는 유체는 히팅부 내부에 위치하여 회전하는 스크류(23-2)에 의해 히팅부 내부에서 계속적으로 혼합되므로 토출부를 통해 토출되는 타이밍에는 다종의 유체가 서로 완벽하게 혼합된 상태로 토출될 수 있게 된다.

여기서, 히팅부의 단열을 돕고 사용자의 접촉으로 인한 화상의 위험을 회피할 수 있도록 상기 히팅부 외면에는 단열커버(도면 미도시)를 더 형성할 수 있다.

상기 노즐부(40)는 히팅부 저부에 연결되어 히팅부에 의해 용융된 유체가 토출되는 구성으로서, 상기 히팅부에 연결되는 노즐 지지바(41) 및 이에 연결된 노즐(42)를 포함한다.

여기서, 노즐 지지바는 히팅부에 나사체결 등으로 탈부착될 수 있도록 하고, 노즐 또한 은 노즐지지바에 탈부착될 수 있도록 하여 노즐이 막혔을 때 교체 내지는 수리할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 노즐(218)은 0.05 ~ 0.5 ㎜ 정도의 직경을 가지는 것이 바람직하다.

상기 유체공급부재(B)는, 도 4를 참조하면, 압출부재에 용융유체를 공급하는 구성으로서, 가열부(50), 가열부에 삽입되는 실린지(60), 실린지 상부에 연결된 압력주입부(70) 및 실린지 외경에 형성된 단열커버(80)를 포함한다.

상기 가열부(50)는 내부가 중공으로 형성되며, 내부의 중공 영역에 히터(미도시)가 매립되게 감겨있다. 상기 히터(미도시)는 열선으로 도시되지 않은 전원부에 연결되어 가열부(50) 내부에 삽입되는 실린지(60)를 가열하여, 내부 원료를 용융시킨다.

상기 실린지(60)는 원통형상의 실린지 본체(61), 본체 상부에 형성된 원형플랜지(62), 본체 저부에는 본체와 연통하는 하도록 형성된 유체분출관(63)을 포함한다.

상기 상부플랜지(62)에는 가장자리에 직선의 절개부가 형성되어 있으며, 유체분출관(63)은 본체(61)와 연통하는 구멍을 통해 유체공급통로(14)와 연결되어 있어 이를 통해 실린지 내부의 용융 유체가 믹싱존으로 이송된다.

상기 압력주입부(70)는 공기가 주입되는 공압주입구(71), 공압주입구와 실린지를 연결하는 연결캡(72)를 포함한다.

상기 공기주입구(71)는 도시되지 않은 압축공기 공급부로부터 압축공기를 공급받아 상기 연결캡(72)의 연결통공(72-1)을 통하여 실린지(60) 내부로 공급하여, 실린지 내부의 용융 원료를 유체공급통로(14)로 밀어낸다.

한편, 연결캡(72)은 상기 실린지가 장착되는 장착부(72-1)와, 상기 장착부에 형성된 끼움홈(72-2)과, 상기 공기주입구(71)와 연통되는 연결통공(72-3)으로 이루어진다.

상기 연결캡(72)의 끼움홈(72-2)에 상기 실린지 원형플랜지(62)의 절개부가 비틀림 끼워맞춤되며, 그에 따라서, 상기 실린지(60)는 실린지 원형플랜지(62)에 대하여 비틀림 없이는 분리되지 않는다.

한편 상기 압력주입부(72)의 외경에는 압력주입부를 보호하는 외부캡(73)을 더 형성할 수 있다.

상기 단열커버(80)는 히팅부의 단열을 돕고 사용자의 접촉으로 인한 화상의 위험을 회피할 수 있도록 상기 히팅부 외면에 형성되는 테프론재질의 단열재이다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기(300)의 동작에 대하여 설명하도록 한다.

도 4에는 본 발명에 의한 유체공급부재(B)의 작동 상태도가 도시되어 있다.

먼저 유체공급부재(B)의 연결캡(72)이 실린지(60)로부터 분리되고, 실린지 본체(61) 내부로 고체 원료(M)가 투입된다. 실린지 내부로 투입된 고체 원료(M)는 가열부(50)에 의해서 가열되어 용융되며, 연결캡(72)에 장착된 공압주입구(71)로부터 공급되는 압축공기에 의해서 유체공급통로(14)로 배출된다.

이러한 유체공급부재는 복수개 형성될 수 있는데, 본 실시예에서는 유체공급부재 3개를 예시하고 있으므로 이를 통해 설명하기로 한다.

3개로 구성된 각 유체공급부재에는 상기한 작동이 동일하게 이루어지는데, 도시하지 않았지만 이들의 작동을 제어하는 제어부는 각 유체공급부재에 투입된 고체원료의 점도 등의 물성을 토대로 각 재료의 용융 타이밍 및 공기공급압력 등을 고려하여 각 유체공급부재로부터 하우징(13)의 믹싱존(P)으로 이송되는 용융상태의 원료가 미리 세팅된 비율로 투입될 수 있도록 제어한다.

이어서 상기 제어부가 감속모터(11)를 작동시키게 되면 상기 압축공기에 의해 하우징의 믹싱존(P)으로 이송된 용융원료는 하우징의 믹싱존에서부터 히팅부(30)에 이르기까지 연장된 스크류(23-2)에 의해 하우징의 믹싱존(P)에서 먼저 각각의 용융원료가 혼합되면서 히팅부를 향해 이송된다.

이때, 용융원료는 상기 유체공급통로(14)를 통과하여 하우징의 믹싱존에서 혼합되면서 온도가 저하되어 점성이 높아진 상태이므로 상기 스크류에 의해 히팅부로 이송되어 히팅부에 의해 다시 한번 가열되면서 혼합되어 완전 용융상태로 노즐부를 통해 토출된다.

여기서, 상기 감속모터의 강력한 회전력은 각 원료의 점성이 높더라도 원활히 각 원료를 혼합하면서 노즐부를 통해 토출시킬 수 있게 된다. 특히 인공뼈의 재료로 사용되는 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite)와 같이 고점성의 재료를 효율적으로 혼합 이송할 수 있다.

또한, 각각의 유체공급통로(14)를 통해 하우징의 믹싱존에 유입되는 원료의 원료별 점성의 차이 및 공압주입구(71)를 통해 가해지는 공기압에 따른 유체공급통로에서의 분출속도 등으로 인해 스크류의 회전시 편심이 발생한다 하더라도 이는 유니버셜조인트(22)가 흡수하게 되어 구동에 따른 소음 및 진동 등이 발생하지 않고 고장발생을 줄이게 된다.

본 발명에 따른 다종물질 혼합 용융압출기(300)를 채택한 세포배양용 지지체 성형을 위한 3D 프린터는, 도 5 내지 도 9를 참조하면, 수평부(110)와 수직부(120)를 포함하는 장치 본체(100), 상기 장치 본체의 수평부에 부설되며, 세포 배양용 지지체가 성형되는 작업대(200); 상기 작업대(200)의 상부에 배치되며, 상기 장치 본체의 수직부에 부설되며, 하나 이상의 유체공급부재(B)를 구비하는 다종물질 혼합 용융압출기(300); 및 상기 작업대를 다종물질 혼합 용융압출기(300)에 대하여 혹은, 상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)를 상기 작업대(200)에 대하여 이동시키는 이송수단(400, 500, 600);을 포함하여 구성된다.

본 실시예에 따른 상기 유체공급부재(B)는 3개로 구성되어 인공뼈의 재료로 사용되는 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 세포 및 이에 제공되는 메디아(양분)을 각각 공급한다.

상기 장치 본체(100)는 수평부(110)와 수직부(120)가 연결되어 있으며, 상기 수평부(110)의 아래에는 받침대(130)가 상기 수평부(110)의 각 모서리에 배치되어 있다. 이러한 상기 받침대(130)는 높이 조절이 가능하도록 구성되며, 따라서, 상기 수평부의 수평위치를 조절할 수 있다.

상기 수평부(110)의 일측면에 수직부(120)가 연결되며, 상기 수직부에는 용융압출기(300)를 X축 방향으로 이동시키는 제1 구동부(400)가 배치되며, 상기 수평부에는 작업대(200)를 Y축 방향으로 이동시키는 제2 구동부(500)가 배치된다. 상기 수직부에는 상기 제1 구동부(400)와 함께 상기 용융압출기(300)를 Z축 방향으로 이동시키는 제3 구동부(600)가 배치된다.

상기 제1 구동부(400)는 모터(410), 상기 모터에 연결된 벨트(420), 상기 벨트에 연결된 풀리(430) 및 상기 풀리와 일체로 회전하며 X축 방향으로 연장된 볼스크류(440)를 포함하여 구성되며, 상기 볼스크류에는 지지플레이트(450)가 연결되어, 상기 모터의 회전으로 상기 볼스크류가 회전됨에 따라서, 상기 지지플레이트가 X축 방향으로 이동된다.

이때, 보다 안정적이고 확실한 이동을 위하여 상기 볼스크류의 상하방향으로는 안내부(460)가 형성되며, 상기 안내부는 돌기형으로 형성되어, 대응하는 상기 지지플레이트의 홈에 삽입되며, 따라서 상기 지지플레이트는 상기 안내부를 따라서 상기 모터의 구동에 따라서 이동할 수 있다.

상기 제2 구동부(500)는 모터(510), 모터와 볼스크류(520)를 연결하는 커플링(530) 및 Y축 방향으로 연장된 볼스크류를 포함한다. 상기 볼스크류에 지지플레이트(540)가 연결되어, 상기 모터(510)의 회전으로 상기 볼스크류가 회전할 때, 그에 따라서 상기 지지플레이트(540)가 Y축 방향으로 이동된다.

상기 제2 구동부(500)의 경우에 상기 모터(510)와 볼스크류(520)가 동일 회전축을 가지고 회전하므로 별도의 벨트나 풀리를 필요로 하지 않으나, 공간활용을 위하여 상기 모터(510)의 위치를 변경하면서 벨트나 풀리 등 회전 전달 수단을 사용할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 제1 구동부(400)와 동일하게 상기 제2 구동부 역시 상기 지지플레이트(540)를 안정적으로 이동시키기 위하여 상기 볼스크류(520)와 평행하게 상기 볼스크류 좌우측으로 형성된 안내부(550)를 포함한다.

상기 제3 구동부(600)는 상기 제1 구동부(400)의 지지플레이트(450)에 형성되며, 따라서, 상기 제1 구동부에 의해서 상기 지지플레이트(450)가 X축 방향으로 이동될 때, 상기 제3 구동부(600)도 함께 이동된다.

상기 제3 구동부(600)는 모터(610), 상기 모터(610)에 연결된 벨트 및 풀리(도면에는 미도시), 상기 풀리에 연결되어 풀리와 일체로 회전하며 Z축 방향으로 연장된 볼스크류(620)를 포함하여 구성되며, 상기 볼스크류(620)에는 지지플레이트(630)가 연결되어, 상기 모터(610)의 회전으로 상기 볼스크류(630)가 회전됨에 따라서, 상기 지지플레이트(630)가 Z축 방향으로 이동된다.

이때, 보다 안정적이고 확실한 이동을 위하여 상기 볼스크류(620)의 좌우방향으로는 안내부(640)가 형성되며, 상기 안내부(640)는 돌기형으로 형성되어, 돌기형의 상기 안내부(640)가 대응하는 상기 지지플레이트(630)의 홈에 삽입되며, 따라서 상기 지지플레이트(630)는 상기 안내부(640)를 따라서 상기 모터(610)의 구동에 따라서 이동할 수 있다.

상기 제3 구동부(600)의 풀리 및 벨트는 케이스(650) 내부에 배치되어, 먼지나 이물질의 유입이 차단될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 3D 프린터는 X축 방향으로는 상기 용융압출기(300)가 이동되며, Y축 방향으로는 상기 작업대(200)가 이동된다. 즉, 상기 용융압출기(300)와 작업대(200)의 상대운동이 발생할 때, X축 방향 구동부인 상기 제1 구동부(400)는 상기 용융압출기(300)에, Y축 방향 구동부인 상기 제2 구동부(500)는 상기 작업대(20)에 연결된다.

따라서, 하나의 움직임이 다른 하나의 움직임에 영향을 주지 않으며, 그에 따라서, 본 발명의 3D 프린터는 지지체를 성형함에 있어서 흔들림 없이 정확한 지지체를 성형하는 것이 가능하다.

한편, 상대적으로 이동이 적은 상기 제3 구동부(600)의 경우에 상기 제1 구동부(400)와 함께 이동되더라도 함께 움직이는 구간이 없으므로 문제되지 않는다.

또한, 다종물질 혼합 용융압출기(300)는 상기 제3 구동부(600)의 지지플레이트(630)에 장착된다.

이를 위하여, 압출부재(A)에는 지지대(310)가 형성되고, 상기 지지대에 연결되어 상기 용융압출기(300)의 높이를 미세 조정하는 높이조절수단으로서의 마이크로미터(320) 및 상기 마이크로미터(217)와 상기 지지플레이트(620)를 연결하는 연결 플레이트(330)를 포함한다.

상기 지지대(310)는 상기 압출부재(A)의 하우징(13)을 지지하며, 상기 하우징의 위치를 고정시키는 고정부재(340)가 배치된다. 상기 고정부재(340는 볼트로 구성될 수 있으며, 상기 하우징을 가압하는 방식으로 정위치에 고정시킨다.

이로서, 상기 유체공급부재(B)로부터 공급되는 인공뼈의 재료로 사용되는 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 세포 및 이에 제공되는 메디아(양분)은 하우징의 믹싱존(P)에서 혼합되어 스크류회전축(23-1)에 연결되어 회전되는 스크류(23-2)에 의해 상기 작업대(200)에 노즐부(40)를 통해 토출되며, 이렇게 토출되는 원료는 상기 이송수단(400, 500, 600)을 통해 3차원으로 프린팅이 가능해진다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

A: 압출부재 10: 헤드본체부 20: 믹싱이송부
30: 히팅부 40: 노즐부
B: 유체공급부재 50: 가열부 60: 실린지
70: 압력주입부 80: 단열커버
100: 장치 본체 300: 다종물질 혼합 용융압출기
400: 제1 구동부 500: 제2 구동부 600: 제3 구동부

Claims

압출부재(A)와 압출부재에 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 유체공급부재(B)를 포함하는 다종물질 혼합 용융압출기에 있어서,
상기 압출부재(A)는 감속모터(11)를 포함하는 헤드본체부(10),
상기 헤드본체부 내부에 위치하며 유체공급부재(B)로부터 헤드본체부 내에 이송된 유체를 혼합 및 이송시키는 믹싱이송부(20),
상기 헤드본체부 저부에 형성되어 믹싱이송부에 의해 헤드본체부로 부터 이송받은 유체를 가열하는 히팅부(30),
상기 히팅부 저부에 연결되어 히팅부에 의해 용융된 유체가 토출되는 노즐부(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종물질 혼합 용융압출기.
청구항 1에 있어서,
상기 믹싱이송부(20)는 상기 감속모터에 연결된 동력축(21), 동력축에 연결된 유니버셜조인트(22), 유니버셜조인트에 연결된 스크류회전축(23-1), 및 스크류회전축에 연결된 스크류(23-2)로 구성된 믹싱스크류(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종물질 혼합 용융압출기.
청구항 2에 있어서,
상기 헤드본체부(10)는 상기 감속모터에 연결된 모터브라켓(12), 상기 모터브라켓에 연결된 하우징(13), 상기 하우징 저부에 연결된 유체공급통로(14)를 더 포함하되,
상기 유체공급통로는 상기 유체공급부재(B)와 연결되고,
상기 스크류(23-2)는 유체공급통로가 연결된 하우징 부분에서부터 히팅부(30) 내부까지 연장되어 유체공급부재(B)로부터 이송된 유체를 혼합 및 이송하는 믹싱존(P)을 형성하는 것을 특징으로 하는 다종물질 혼합 용융압출기.
청구항 2에 있어서,
상기 히팅부(30)는 헤드본체부 저부에 형성되어 믹싱이송부에 의해 헤드본체부로부터 이송받은 유체를 가열하는 열선이 내장된 중공히터(31), 상기 중공히터 내부에 위치하고 상기 믹싱스크류의 스크류(23-2)와 결합되는 스크류너트(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종물질 혼합 용융압출기.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 믹싱이송부는 상기 동력축에 형성된 로크너트(24) 및 베어링(25),
상기 베어링에 면접하며 베어링의 외륜에 대응하는 외경을 갖는 외부중공칼라(26),
상기 외부중공칼라와 면접하며 외부중공칼라의 외경에 대응하는 외경을 갖는 중공씰(27),
상기 유니버셜조인트 및 스크류회전축(23-1)이 내부에 위치하며 외경에 중공씰이 설치된 내부중공칼라(28)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종물질 혼합 용융압출기.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체공급부재(B)는 상부로 고상 원료가 투입되는 실린지(60), 상기 실린지의 상부에 장착되며 공기압력이 투입되는 압력주입부(70), 상기 실린지를 가열하는 가열부(50)를 포함하되,
상기 실린지(60)는 원통형상의 실린지 본체(61), 상기 본체 상부에 형성된 원형플랜지(62), 상기 본체 저부에 본체와 연통하는 하도록 형성되어 헤드본체부(10)에 연결되는 유체분출관(63)을 포함하고,
상기 압력주입부(70)는 공기가 주입되는 공압주입구(71), 상기 공압주입구와 실린지를 연결하기 위하여 장착부(72-1)와, 상기 장착부에 형성된 끼움홈(72-2)과, 상기 공기주입구(71)와 연통되는 연결통공(72-3)으로 구성된 연결캡(72)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다종물질 혼합 용융압출기.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)를 채택한 3D 프린터.
청구항 7에 있어서,
상기 3D 프린터는 수평부(110)와 수직부(120)를 포함하는 장치 본체(100),
상기 장치 본체의 수평부에 부설되며, 세포 배양용 지지체가 성형되는 작업대(200);
상기 작업대를 다종물질 혼합 용융압출기(300)에 대하여 혹은, 상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)를 상기 작업대(200)에 대하여 이동시키는 이송수단(400, 500, 600);을 포함하되,
상기 다종물질 혼합 용융압출기(300)는 상기 장치 본체의 수직부에 부설되어, 상기 작업대(200)의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
청구항 8에 있어서,
상기 용융압출기(300)는 상기 압출부재(A)에 지지대(310)가 형성되고, 상기 지지대에 연결되어 상기 용융압출기(300)의 높이를 미세 조정하는 높이조절수단으로서의 마이크로미터(320) 및 상기 마이크로미터(217)와 상기 수직부를 연결하는 연결 플레이트(330)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
청구항 8에 있어서,
상기 용융압출기(300)의 유체공급부재(B)는 3개로 구성되고, 각각의 유체공급부재(B)에는 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite), 세포 및 이에 제공되는 메디아(양분)이 각각 들어있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.